李 婷,周津臣,楊子杰,于來會,丁奠元

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225000; 2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310000)

0 引 言

早在公元前28世紀(jì),中國將柳枝、竹子等編織成的籃子裝上石塊來穩(wěn)固河岸。歐洲起初采用柳枝編織籬笆的技術(shù),后來羅馬人將柳枝柴籠和草捆用于水利建筑工程防護(hù)中[1]。16,17世紀(jì)植物固土護(hù)坡應(yīng)用在河岸的加固和保護(hù)中,1633年日本采用鋪設(shè)草皮、栽種樹木的方法治理荒坡。20世紀(jì)70年代末,瑞士將德國的生物護(hù)岸法發(fā)展為近自然工法,80年代末提出自然型護(hù)岸技術(shù)[2]。植物固土護(hù)坡的理論研究與技術(shù)應(yīng)用始于20世紀(jì)初,初步發(fā)展于20世紀(jì)50年代。首次以植物護(hù)坡理論為主題的國際會議于1994年9月在英國召開[3],此后植物護(hù)坡相關(guān)理論與研究進(jìn)入了一個相對發(fā)展較快的時期,90年代后期植被護(hù)坡技術(shù)得到推廣應(yīng)用。21世紀(jì)后,通過引進(jìn)新技術(shù)和大量的理論與試驗研究,生態(tài)綜合防治護(hù)坡技術(shù)日益成熟[4]。

植物固土護(hù)坡涉及巖土工程學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)等多個領(lǐng)域[5-6]。傳統(tǒng)河道建設(shè)側(cè)重于水力發(fā)電、灌溉、航運、排洪泄?jié)车冉?jīng)濟(jì)效益較高的工程。傳統(tǒng)河岸護(hù)坡形式多采用漿砌石、干砌塊石和現(xiàn)澆混凝土等硬性材料[7]。在河道治理初期,傳統(tǒng)河岸護(hù)坡雖然能夠提高岸坡穩(wěn)定性,減輕侵蝕,滿足行洪排澇的功能,但是巖石、混凝土等材料易隨時間風(fēng)化,不僅影響岸坡外觀質(zhì)量,而且在一定程度上降低了防護(hù)效果,影響了防護(hù)功能。此外,硬性材料阻斷了水體與岸坡土壤基質(zhì)之間的物質(zhì)與能量交換,大大減弱了護(hù)坡的生態(tài)效果,忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)及其動植物和微生物的生存環(huán)境,阻礙了水生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),對生態(tài)環(huán)境危害較大[3,7-9]。

為滿足生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展要求,兼顧岸坡穩(wěn)定性與生態(tài)性,生態(tài)防護(hù)的理念逐漸應(yīng)用到人工邊坡的治理和建設(shè)中[2,10]。與傳統(tǒng)河岸護(hù)坡形式不同,生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)有效利用了植物深厚的根系,發(fā)揮了生物措施固土護(hù)坡的作用。研究發(fā)現(xiàn),植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕方面具有積極作用[11]。生態(tài)防護(hù)技術(shù)還可以將生物措施與工程措施相結(jié)合,充分發(fā)揮植物莖葉的水文效應(yīng)與根系的力學(xué)效應(yīng)來固土護(hù)坡、防治滑坡[3,12]。在保證邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,形成水-土-生物之間的循環(huán)體系,增強(qiáng)坡面生物多樣性,改善人居環(huán)境,保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)[7,13]。目前,國內(nèi)外生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)發(fā)展迅速,工程項目越來越多,但是相關(guān)理論研究發(fā)展較為緩慢,理論研究已經(jīng)滯后于工程實踐的發(fā)展。在對生態(tài)岸坡防護(hù)工程評價體系方面,前人研究主要集中在項目后評價,通過對已建工程構(gòu)建綜合評判指標(biāo)體系,對生態(tài)護(hù)坡形式進(jìn)行優(yōu)選[14],少有研究涉及設(shè)計過程的評價。因此,在理論研究方面,需進(jìn)一步系統(tǒng)梳理工程設(shè)計過程的評價體系,以更好地提升生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)的適用性和可靠性。

鑒于以上研究現(xiàn)狀和問題,本研究基于已有研究成果,進(jìn)一步分析生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)研究現(xiàn)狀,系統(tǒng)介紹按照屬性和時間的生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)評價體系的分類、研究現(xiàn)狀和存在的問題,以期為生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)的理論發(fā)展、工程比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工建設(shè)提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

河流是城市貯存水源、防洪排澇和交通航運的重要生態(tài)廊道[15]。河岸帶為一個獨立的自然生態(tài)系統(tǒng)。為了更直觀全面地評價河流功能,將河流功能分為自然功能、生態(tài)環(huán)境功能和社會服務(wù)功能[16]。河流各功能相互聯(lián)系、相互影響。生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)評價的分類按工程屬性評價主要分為功能性評價[17]、經(jīng)濟(jì)性評價[18]和生態(tài)性評價[19]等;按照評價時間可分為設(shè)計過程評價(功能評價)和項目后評價(運行評價)。

1.1 功能性評價

健康的河岸帶應(yīng)具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、完整的功能和良好的自我調(diào)節(jié)能力。自然功能完整指的是健康的河岸帶作為一個生態(tài)系統(tǒng),有較強(qiáng)的防洪排澇抗沖刷等功能[20]。根據(jù)河道岸坡防護(hù)工程的特點,生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)功能性評價體系主要包括防洪計算評價、防沖刷計算評價和抗滑穩(wěn)定性計算評價3個方面。

1.1.1防洪計算評價

生態(tài)護(hù)坡的根本目的是提升河道兩側(cè)坡地的固土護(hù)沙能力,使河堤起到更好的防洪作用。因此,在生態(tài)護(hù)坡建設(shè)中應(yīng)當(dāng)分清主次,選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)睾拥虒嶋H情況的方式進(jìn)行護(hù)坡,避免出現(xiàn)護(hù)坡施工對當(dāng)?shù)睾拥坍a(chǎn)生破壞的現(xiàn)象[21]。在防洪工程中的堤坡應(yīng)采用生態(tài)材料進(jìn)行岸坡防護(hù),既符合生態(tài)要求,又改善沿河景觀[22]?，F(xiàn)階段建設(shè)項目對河道行洪影響評價主要包括施工期和運行期對河道行洪影響評價[23],對現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適應(yīng)性分析[24]。

河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)參照GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》,計算公式如下:

式中:Rfl為防洪工程達(dá)標(biāo)率,%;Lq為達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)的河流長度,km;L為河流總長度,km。

1.1.2防沖刷計算評價

在傳統(tǒng)河道整治工程中,護(hù)坡以漿砌塊石、現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土塊等剛性結(jié)構(gòu)體為主,雖然可以提高邊坡抗水流沖刷的能力,但降低了河道的生態(tài)功能,易導(dǎo)致河流渠道化[25]。而護(hù)坡植物覆蓋邊坡的侵蝕率低于無植物覆蓋邊坡,表明植物護(hù)坡能夠有效防止或減小降雨作用對土體的水土流失。

侵蝕率是土體坡面在遭受降雨沖刷時侵蝕強(qiáng)度變化的一個重要指標(biāo),其計算公式如下[26]:

式中:E為侵蝕率,g/min;Mt為徑流過程中收集到的泥沙質(zhì)量;t為時間。

1.1.3抗滑穩(wěn)定性計算評價

植物護(hù)坡工程中,植物根系源源不斷地吸取土壤中的水分,使土壤中的水分減少,孔隙水壓力降低,增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度,對保持邊坡的穩(wěn)定性有利[27]。河岸穩(wěn)定性取決于岸坡傾角、植被覆蓋度等多重因素[28]。護(hù)坡及護(hù)岸形式的選擇應(yīng)根據(jù)風(fēng)浪、水流、地質(zhì)、地形、施工條件、運用要求等因素綜合比選確定[29]。

在生態(tài)護(hù)坡建設(shè)前期,應(yīng)做好原材料質(zhì)量的監(jiān)控管理,并對堤壩的環(huán)境、水利防洪工程對堤壩的影響進(jìn)行實地考察和綜合考量,尋求最佳生態(tài)護(hù)坡建設(shè)工程。建設(shè)后期,應(yīng)對工程質(zhì)量進(jìn)行評定[30]。分析堤坡穩(wěn)定性時,分3種工況:① 工況一:臨水側(cè)為設(shè)計洪水位,背水側(cè)為相應(yīng)洪水位;② 工況二:臨水側(cè)為設(shè)計洪水位,背水側(cè)為低水或無水;③ 工況三:洪水降落時對臨水側(cè)堤坡最不穩(wěn)定情況。3種工況條件下規(guī)范允許最小安全系數(shù)見表1[31]。

表1 不同工況條件下規(guī)范允許最小安全系數(shù)Tab.1 Minimum safety factors allowed by the specification under working conditions

當(dāng)計算最小安全系數(shù)均大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)時,可滿足防洪堤的安全穩(wěn)定性。河道治理段不良現(xiàn)象多為兩岸岸坡受洪水沖淘河岸,岸坎時有崩退,應(yīng)在保證河道原有的行洪斷面、盡量少占沿河兩岸耕地的前提下,以減少塌岸、穩(wěn)定河勢、加大河道行洪能力為主要目的,充分利用現(xiàn)有天然岸坎修建護(hù)岸工程以求穩(wěn)定河岸。選擇植物時以喬木和灌木相結(jié)合的搭配為基礎(chǔ),選擇具有頑強(qiáng)生命力、龐大根系的植物,可以有效降低水土流失,提高河堤防洪能力[32]。

1.2 生態(tài)性評價

河岸帶可以提供一系列生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù),例如生物多樣性保護(hù)、凈化水體和水土保持等。

1.2.1生物多樣性評價

生物多樣性對于河流生境改善以及河流生態(tài)修復(fù)工作具有重要的現(xiàn)實意義。一個穩(wěn)定的植物群落應(yīng)是種類豐富的混交群落,對于保證坡面人工群落的多樣性有著重要實踐意義[33]。草本植物能夠增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度,提高邊坡穩(wěn)定性,改善邊坡生態(tài)環(huán)境。在根系直徑和含根量相同時,狗牙根較麥冬草的固土效果更好[34]。香根草為禾本科多年生草本植物,具有適應(yīng)性廣、抗逆性好、抗?jié)衬芰?qiáng)、根系長勢迅猛、生長深度大且根系力學(xué)性能強(qiáng)等特點,是一種廣泛應(yīng)用的生態(tài)護(hù)坡與水土保持植物[35]。此外,根據(jù)有關(guān)試驗結(jié)果,沙棘、沙打旺、山桃、杞柳、胡枝子、刺槐、油松、檸條、山杏、紅豆草可顯著提高土壤的抗蝕性能[27]。因此,岸坡工程需要綜合考慮草、灌、花、喬等多種類植物,形成優(yōu)美、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的景觀。采用“喬、灌優(yōu)先,草、藤、花結(jié)合,堅持生物多樣性、近自然性和可持續(xù)性”,采用多種技術(shù)提高植物成活率和促進(jìn)植物生根、生長和發(fā)育,提高植物的生理機(jī)能和抗逆性[36]。

不同地帶的適宜物種不同,評價指標(biāo)不同,結(jié)果也將有所差異,部分地區(qū)物種選擇分析如表2所列。實際工程應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn),豆科草本及灌木植物有較強(qiáng)的抗逆能力,且能改善土壤條件,景觀效果好,適合于都汶高速公路邊坡生存生長[37]。工程實例證明早熟禾對于大慶地區(qū)特殊的氣候和環(huán)境條件有較強(qiáng)的適應(yīng)性、抗寒抗旱抗貧瘠能力強(qiáng),但抗鹽堿能力較弱[38]。研究發(fā)現(xiàn)狗牙根+黑麥草混播方式能發(fā)揮不同草種的環(huán)境適應(yīng)能力,降雨截流作用明顯,可以給黃河下游堤坡帶來最大的生態(tài)效益,但后期管理要根據(jù)現(xiàn)場條件和氣候變化及時調(diào)整[39]。前人研究也發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿、波斯菊和草木犀在黑龍江省松花江干流治理工程第十五標(biāo)段可以起到最佳的岸坡防護(hù)效果和生態(tài)適應(yīng)性[40]。

表2 物種選擇分析Tab.2 Species selection analysis

1.2.2凈化作用評價

農(nóng)業(yè)面源污染問題是中國長期存在的生態(tài)環(huán)境問題,嚴(yán)重破壞了水體的生態(tài)平衡[41]。河岸帶植物可以對從陸地流向河流的各種有機(jī)物、無機(jī)物進(jìn)行過濾和吸收,進(jìn)一步影響營養(yǎng)元素、泥沙和化學(xué)物質(zhì)等含量的空間分布[42]。建立河岸帶植被帶對于控制面源污染、改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的功能完整性、控制水體富營養(yǎng)化和沼澤化等方面具有重要意義[4,42]。護(hù)坡環(huán)境特殊且復(fù)雜,分析不同植物的凈化作用對于提升護(hù)坡景觀性與生態(tài)性十分必要。不同植物的凈化效果見表3。

表3 植物凈化效果分析Tab.3 Analysis of plant purification effect

1.2.3水土保持作用評價

護(hù)岸植物對于防治水土流失具有重要意義?？梢蕴岣咄寥赖目箾_和抗蝕性能,降低由于徑流沖刷造成的水土及養(yǎng)分流失,并減少土壤蒸發(fā),增加水分入滲[47]。Mao等[48]通過仿真試驗定量評價了植物根系對邊坡穩(wěn)定和水土保持的作用隨著根系結(jié)構(gòu)的時空變化和環(huán)境條件變化而變化。郭碧花等[49]研究發(fā)現(xiàn)坡度對土壤物理性狀有著顯著影響,坡度越大,土壤容重和pH值越大而含水率越低,導(dǎo)致植物群落密度和蓋度降低,根系保水固土能力下降,加劇水土流失。除了以上土壤自身的理化性質(zhì)影響之外,影響植被護(hù)坡坡面水土流失的因素還包括植被自身因素(植被類型[50]、植被位置和格局[51])與外部環(huán)境、氣象和地形因素(土地利用方式[52]、坡度[53]、降雨量[54])等。不同地區(qū)適宜的護(hù)坡草種見表4。

表4 植物水土保持效果分析Tab.4 Effect analysis of plant soil and water conservation

除上述評價之外,生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)還可以通過組合植被類型調(diào)節(jié)小氣候,生態(tài)護(hù)坡中應(yīng)適當(dāng)增加樹木和草本植物的組合[58]。河岸帶對于碳固存也同樣重要[59],對于實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能[60]有著重要意義。河岸帶還可以實現(xiàn)土壤中水體、物質(zhì)和能量的交換[61]。大量枯枝落葉被河岸帶植被和附近相鄰的陸地生態(tài)系統(tǒng)輸入至河流中,通過分解成為河流生物的主要能量來源[42]。

1.3 綜合性評價

植物岸坡防護(hù)工程的評價指標(biāo)眾多,評價過程涉及了土壤、水分、氣候和地形等多種因素,是一項因素復(fù)雜且長期持續(xù)的工作[6]。一般情況下,植被類型的選擇是護(hù)坡工程的關(guān)鍵[47]。設(shè)計人員通常會選擇根系發(fā)達(dá)、有較強(qiáng)生態(tài)適應(yīng)能力的草本植物,從而發(fā)揮其在分散地表徑流、保護(hù)邊坡表層土壤的重要作用[62]。目前,植物岸坡防護(hù)工程的評價方法主要包括以下3種。

1.3.1層次分析法

層次分析法最早在20世紀(jì)70年代由美國運籌學(xué)家沙泰提出,通過構(gòu)建層次結(jié)構(gòu),兩兩比較下層對上層因素的相對重要性并計算權(quán)重,對專家的經(jīng)驗判斷進(jìn)行量化,可以清晰地反映出各相關(guān)因素的關(guān)系,但憑借單個決策者的判斷會加大主觀因素的影響[63-64]。

1.3.2模糊綜合評價法

該方法是一種將主觀判斷與數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合,并對被評價對象進(jìn)行綜合評價的方法[65-66]。它可以提高評價結(jié)果的準(zhǔn)確性,評價結(jié)果可以直觀反映護(hù)坡工程質(zhì)量,減少了人為因素的影響,但對指標(biāo)權(quán)重矢量確定的主觀性較強(qiáng)。

1.3.3主成分分析法

主成分分析法對多維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理,但對指標(biāo)權(quán)重的確定帶有主觀性[67]。對于植物護(hù)坡工程,植被選擇是一個多指標(biāo)問題。采用主成分分析方法對邊坡植被進(jìn)行選擇和評價在一定程度上避免了人為評分的主觀性,但難以避免評價指標(biāo)相互之間的相關(guān)性[68]。選擇科學(xué)合理的護(hù)坡工程評價方法,才能更好地將植物護(hù)坡應(yīng)用在邊坡工程上。護(hù)坡方式選擇分析見表5。

表5 護(hù)坡方式選擇分析Tab.5 Analysis on selection of slope protection methods

胡興等[69]研究證明多層次灰色評價法可以快速準(zhǔn)確地評價護(hù)坡工程的質(zhì)量狀況,適用性較廣,但評價指標(biāo)選擇和模型構(gòu)建還需要進(jìn)一步優(yōu)化。于洋等[70]運用熵權(quán)系數(shù)評價法避免了單獨采用主觀經(jīng)驗造成的片面性。由于護(hù)坡工程涉及范圍廣,不確定性因素多,如今越來越多的學(xué)者采用兩者或以上的評價方法評價護(hù)坡工程的質(zhì)量,評價體系不斷優(yōu)化完善。王松[71]綜合運用主成分分析法-模糊層次評價法,有效解決了主成分法評價時權(quán)重相同的問題,確保評價結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性;張宇航[72]綜合運用層次分析法、綜合評價指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度法,克服了以往判斷矩陣的主觀性與離散型,使評價結(jié)果科學(xué)可靠;許士國等[63]綜合運用層次分析法、德爾斐專家調(diào)查法和TOPSIS法,使評價指標(biāo)體系中既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)時均能得到有效量化。由于主觀因素的影響,評價指標(biāo)各不相同。現(xiàn)有的評價指標(biāo)多從景觀性、生態(tài)效益、水土保持等方面入手,忽略了護(hù)坡穩(wěn)定性作為河岸護(hù)坡最基本的性質(zhì)[73]。

2 存在問題

2.1 評價指標(biāo)不全面

目前關(guān)于護(hù)岸工程沒有統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系。現(xiàn)如今缺乏公認(rèn)的、相對完整的評價護(hù)坡措施標(biāo)準(zhǔn),只能依靠對護(hù)坡措施的主觀判斷進(jìn)行判定,難以建立完善的評價指標(biāo)體系[74]。越來越多的研究學(xué)者側(cè)重于生態(tài)效益,根系作用下的土體抗剪強(qiáng)度與提高邊坡穩(wěn)定性等方面常被忽略。此外,大多學(xué)者只考慮了植物,而忽略了護(hù)坡上的微生物及整個生物群落,造成目前對生態(tài)護(hù)坡評價的盲目性和片面性,不利于生態(tài)護(hù)坡的建設(shè)與管理。在生態(tài)指標(biāo)的選取中,將碳排放的經(jīng)濟(jì)價值作為評價生態(tài)效益的衡量指標(biāo)[75],是評價護(hù)坡工程的新突破,但具體量化指標(biāo)尚未明確,以生態(tài)效益定量分析各種護(hù)坡形式仍具有一定的局限性。

2.2 評價方法不健全

建立護(hù)坡工程并確定評價指標(biāo)后,需要選擇合適的評價方法。目前國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡評價和方案比選時多采用層次分析法、模糊綜合評價法、主成分分析法、灰色評價法和熵權(quán)法等[76]。對于建立的評價模型,部分學(xué)者采用一種評價方法會帶來一定的局限性,易受主觀因素的影響,很容易影響評價結(jié)果的可靠性,同時也會使評價結(jié)果波動很大。此外,現(xiàn)有的生態(tài)護(hù)坡評價大多只是考慮了護(hù)坡綠化,而非整體的生態(tài)系統(tǒng),沒有充分考慮護(hù)岸上的動物和微生物的影響。

2.3 研究不深入

國內(nèi)對于護(hù)坡工程的研究已從純工程措施向生態(tài)河道技術(shù)的趨勢發(fā)展,但大多學(xué)者只從植物護(hù)坡技術(shù)本身出發(fā),定性描述植物護(hù)坡的定義、發(fā)展及水文、力學(xué)效應(yīng),忽略了對護(hù)坡工程的適宜性評價[77]。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)已逐漸成熟,但關(guān)于成本效益研究,尤其是生態(tài)效益研究,仍處于初級階段[78]。

3 前景與展望

3.1 碳排放量化評價

長期以來,中國積極將氣候變化問題作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略[79-80]。水利工程作為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,是碳排放的重要來源。如何在大力發(fā)展水利工程的同時,量化碳足跡實現(xiàn)“雙碳”,是一個辯證問題且需要學(xué)者持續(xù)關(guān)注。

河道工程建設(shè)需要消耗大量的能源與建筑材料,如何針對河道工程的特點和實際情況,尋找水利工程建設(shè)過程中降耗減排的措施和方法,并符合當(dāng)今綠色低碳發(fā)展的要求,是需要持續(xù)關(guān)注的重要科學(xué)問題。

在建立護(hù)坡評價體系時,應(yīng)以增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性為基礎(chǔ),兼顧景觀性和生態(tài)性,并提高生態(tài)效益的權(quán)重,構(gòu)建一個集河道、水流、植物為一體的河流生態(tài)系統(tǒng)[81]。在“雙碳”目標(biāo)的背景下,有待進(jìn)一步深入研究將碳排放量作為生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行岸坡工程評價。工程的碳排放量常常以碳足跡作為量化指標(biāo)。碳足跡的計量方法主要有實測法、全生命周期法和排放系數(shù)法[82],見表6[83-87]。

表6 碳足跡主要計量方法Tab.6 Main measurement methods of carbon footprint

對比3種碳足跡計量方法,全生命周期評價法較適合對水利工程進(jìn)行碳排放分析。由于水利工程規(guī)模大、工程量大、生命周期長,過程分析法難以精確計算碳足跡[84],該方法主要適用于小型水電工程。投入產(chǎn)出法計算較為粗略,因此復(fù)雜的大型水電工程采用過程分析與投入產(chǎn)出分析相結(jié)合的混合生命周期評價法[85]。所有在建造過程中用到的材料都應(yīng)該進(jìn)行碳足跡計算[88]。

過程分析法的計算流程如下[89]:① 建立工程建設(shè)流程圖,確定主要施工材料;② 確定工程排放碳量邊界;③ 收集碳排放因子。

在護(hù)坡工程中,主要用到的材料及其碳排放因子見表7。

表7 工程材料及其碳排放因子

在整個水電樞紐工程全生命周期中,運行階段的溫室氣體排放量最大,持久時間最長[90-91]。大型水電是清潔能源,能優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境,大力開發(fā)水電有助于減少溫室效應(yīng)[91]。為了應(yīng)對全球氣候變化,應(yīng)將開發(fā)水電與實踐減排結(jié)合起來。

在全生命周期理論基礎(chǔ)上,比較分析不同岸坡防護(hù)技術(shù)的材料與工藝特點,篩選并確定碳排放因子,然后根據(jù)碳排放因子系數(shù)計算不同建筑材料的碳排放量。研究發(fā)現(xiàn),在整個水利工程中,建造階段產(chǎn)生的碳排放量最大,達(dá)到66.69%,原材料生產(chǎn)的碳排放量占整個建造階段的90%[91]。因此,碳足跡的量化評價可對護(hù)岸設(shè)計進(jìn)行初步優(yōu)選,使得斷面優(yōu)化設(shè)計過程中,盡量減少工程量,并積極推廣使用低碳環(huán)保新材料。

3.2 系統(tǒng)可持續(xù)性評價

河流岸坡作為陸地與水體的交錯區(qū)域,是水陸物質(zhì)、信息、能量循環(huán)流通和交換的關(guān)鍵地帶,是河道生態(tài)系統(tǒng),乃至城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分。從植物生長角度看,植物的適生性是選擇防護(hù)植物的一個關(guān)鍵要素[92]。選擇生命力頑強(qiáng)、根系龐大的植物,有利于促進(jìn)整個生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)運行[32];也可以通過添加改良劑改善土壤特性,為植物生長提供水分和養(yǎng)分,延長植物存活周期[93]。從河岸帶生態(tài)系統(tǒng)角度看,需要綜合考慮流域土壤、植被與水文、人類活動之間的耦合關(guān)系,預(yù)測未來氣候下的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律[42],提高河道岸坡應(yīng)對災(zāi)害的能力,才能實現(xiàn)生態(tài)岸坡可持續(xù)健康發(fā)展。因此,在未來研究中,河道岸坡生態(tài)系統(tǒng)災(zāi)害應(yīng)對能力評價和可持續(xù)性評價成為重要研究方向。

3.3 推廣BIM技術(shù)應(yīng)用

與一般土建工程相比,水利工程的工程規(guī)模大、工程周期長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計與施工易脫節(jié)[94-96]。因此BIM技術(shù)開始被應(yīng)用于水利工程的設(shè)計、施工和管理等各個階段中[97],具有標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、流程化的特點,打破了傳統(tǒng)CAD模式下信息脫節(jié)的狀況[98],還可以縮短工程建設(shè)周期,降低造價[96]?，F(xiàn)如今BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)中,依托BIM技術(shù)可以快速獲取工程量清單,建立碳足跡評價模型進(jìn)行快速評價,并提高計算精度[97]。在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上,對全生命周期進(jìn)行評估便于優(yōu)化評價決策[98]。對于河道工程,其長度大、環(huán)境復(fù)雜,傳統(tǒng)造價分析普遍采用人工計算工程量,再導(dǎo)入造價分析軟件的方法。若將BIM技術(shù)應(yīng)用于河道工程中,可大幅度提高計算效率與精度[94]。BIM技術(shù)起初應(yīng)用在建筑工程,隨著BIM技術(shù)的不斷優(yōu)化,現(xiàn)已開始運用到水利工程建設(shè)上,為防洪排澇提供了充足的技術(shù)支撐。BIM技術(shù)貫穿工程建設(shè)的全過程,在BIM基礎(chǔ)上量化河道工程的碳足跡將是一種新的研究趨勢。因此,生態(tài)河道岸坡工程應(yīng)積極推廣并應(yīng)用BIM技術(shù),響應(yīng)生態(tài)水利與智慧水利的戰(zhàn)略布局,實現(xiàn)水利減碳、水利固碳,為雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)水利智慧[99],進(jìn)一步完善生態(tài)河道岸坡工程評價體系。

3.4 拓展評價時空領(lǐng)域

生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)的評價,應(yīng)進(jìn)一步拓展空間尺度和時間維度。在時間維度上,護(hù)坡工程竣工后,研究人員應(yīng)持續(xù)關(guān)注岸坡工程的質(zhì)量、運行管理和維護(hù)情況,對相關(guān)護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行長期的動態(tài)監(jiān)測[87];可從多角度分析土壤-根系的相互作用,并適當(dāng)考慮沿坡入滲和徑流、蒸發(fā)和根系吸水的共同作用影響[100],評價不同時間步長的動態(tài)變化規(guī)律。在空間維度上,基于河道的連續(xù)性,為進(jìn)一步發(fā)揮生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)在城市典型空間的生態(tài)性和美觀性,可構(gòu)建更大空間內(nèi)的綜合功能評價。此外,居民生活質(zhì)量、娛樂消遣水平、城市綠化方面,都需在已有評價系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引進(jìn)和完善。

4 結(jié) 論

植物護(hù)坡工程在防洪排澇、防沖刷及增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性等水利功能方面起著重要作用,還可以提供增加生物多樣性、凈化水體和水土保持等一系列生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)。

對于評價過程中仍存在的一些問題,例如評價指標(biāo)不全面、評價方法不健全和研究不深入等,需要因地制宜,細(xì)化并完善評價指標(biāo),選擇合適的評價方法。對于加大生態(tài)指標(biāo)權(quán)重,將碳排放量納入生態(tài)指標(biāo)并在BIM基礎(chǔ)上量化護(hù)坡工程碳足跡的研究有待進(jìn)一步深入。可以直接比較碳排放量的大小,確定岸坡防護(hù)工程的評價指標(biāo)的權(quán)重,再結(jié)合多項評價方法分別從時間和空間維度上進(jìn)行綜合量化。