朱兆榮,吳紅剛,趙守全,韓 侃,韋 洪
(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000;2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025)
隨著我國“一帶一路”倡議的逐步實(shí)施,越來越多的交通和國防隧道工程逐漸往西部青藏高原地區(qū)轉(zhuǎn)移。該地區(qū)地形復(fù)雜,地勢(shì)起伏大,陸路交通工程建設(shè)多涉及路基深挖和隧洞路段,即土石方的挖填量大。但挖方往往無法達(dá)到工程建設(shè)的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),因此產(chǎn)生大量棄渣[1]。這些棄渣需占用耕地甚至農(nóng)田用地以設(shè)置棄渣場(chǎng)進(jìn)行處置,棄渣場(chǎng)的修建和使用將會(huì)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響[2]。隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的大力推進(jìn)以及鐵路景觀建設(shè)要求的提高,單純地對(duì)鐵路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)進(jìn)行工程措施治理已無法滿足現(xiàn)代鐵路建設(shè)的要求,因此,生態(tài)鐵路工程的建設(shè)逐漸成為一種趨勢(shì)。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐵路棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)有了一定程度的研究。謝振華等[3]以京珠高速公路(衡陽段)為依托,在對(duì)路域進(jìn)行全面調(diào)查的基礎(chǔ)上,應(yīng)用模糊聚類方法,研究了公路兩側(cè)綠化帶的鄉(xiāng)土植物種類以及生態(tài)綠化模式。田育新等[4]依據(jù)在建工程項(xiàng)目中借土、棄渣的實(shí)際情況,提出了借土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)的分類、優(yōu)化選擇方法及分類綜合防治的措施布局。李志福等[5]依據(jù)南水北調(diào)工程項(xiàng)目闡述了棄土棄渣可能帶來的生態(tài)環(huán)境問題,并以此探討了棄渣場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)措施與技術(shù)體系。陳琛[6]對(duì)修建水利工程形成的棄渣場(chǎng)危害性和防治措施進(jìn)行了研究。李偉立[7]以山區(qū)鐵路建設(shè)產(chǎn)生的大量棄渣為案例分析了棄渣場(chǎng)的選址原則和生態(tài)恢復(fù)措施。王巧紅等[8]以水電建設(shè)項(xiàng)目形成的棄渣場(chǎng)為例,歸納總結(jié)了棄渣場(chǎng)不同部位的生態(tài)修復(fù)技術(shù),并對(duì)各項(xiàng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。魏偉等[9]以石吉高速公路棄渣場(chǎng)為例,探討了香根草在棄渣場(chǎng)治理中的優(yōu)勢(shì)。張萌[10]對(duì)我國鐵路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)的選址和生態(tài)環(huán)境等問題進(jìn)行了探討。張春暉[11]依據(jù)棄渣場(chǎng)選址原則和防護(hù)措施設(shè)計(jì)對(duì)低山丘陵區(qū)鐵路建設(shè)涉及的不同類型棄渣場(chǎng)進(jìn)程了分析和闡述。蔣光毅等[12]依托重慶市各種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目,研究了棄渣場(chǎng)的水土保持生態(tài)修復(fù)條件、修復(fù)原理和典型修復(fù)模式。
Hu 等[13]以淮南市大同煤礦廢棄地為例,從當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和開采歷史考慮,通過現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)和綜合監(jiān)測(cè)手段,制定了詳細(xì)的地下煤礦廢棄地生態(tài)修復(fù)規(guī)劃和功能分區(qū)。Dowarah 等[14]通過植物的一級(jí)和二級(jí)生態(tài)演替,對(duì)高硫煤礦OB 排土場(chǎng)進(jìn)行了生態(tài)恢復(fù),并取得良好的修復(fù)效果。綜上可知,許多學(xué)者在鐵路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)方面做了大量工作并取得了一定的成績(jī)。然而青藏高原具有生態(tài)脆弱、土壤貧瘠、降雨量少、破壞了難以恢復(fù)的特征,使得其他地區(qū)的棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)不足以完全適用于該地區(qū)的工程實(shí)施[15-17]。因此,針對(duì)青藏高原高寒高海拔的地域特色,亟需優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)體系,從水土保持方面考慮鐵路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)。
本文以川藏鐵路拉林段棄渣場(chǎng)工程為例,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,綜合考慮拉林鐵路沿線降雨量少、土壤貧瘠、自然恢復(fù)慢及表層土壤缺乏等特征,對(duì)棄渣場(chǎng)選址原則、棄渣場(chǎng)水土保持型生態(tài)恢復(fù)理論及棄渣場(chǎng)水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行探討,可為同類地區(qū)鐵路建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)提供參考。
新建川藏鐵路拉薩至林芝段位于西藏自治區(qū)東南部,為國鐵Ⅰ級(jí)、單線電氣化鐵路,其目標(biāo)時(shí)速設(shè)置為160 km/h。工程新建正線長(zhǎng)度402.405 km,電氣化改造既有青藏鐵路及拉日鐵路32.5km,運(yùn)營長(zhǎng)度434.905km。該路段工程于2014 年底開工建設(shè),計(jì)劃工期7 a。項(xiàng)目平面布置圖如圖1 所示。
拉林鐵路全線建設(shè)產(chǎn)生棄渣1 943.37 萬m3(含剝離表土197.31 萬m3,運(yùn)往棄渣場(chǎng)1 746.06 萬m3),擬設(shè)棄渣場(chǎng)57 處,棄渣場(chǎng)現(xiàn)狀如圖2 所示。鐵路沿線環(huán)境復(fù)雜,山高谷深,生態(tài)環(huán)境脆弱、敏感,降雨量少,植物越冬存活率低,氣候極端惡劣。在該地區(qū)進(jìn)行鐵路棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)時(shí),依靠傳統(tǒng)的恢復(fù)方法是極其困難的。因此,需采取水土保持型措施對(duì)拉林鐵路棄渣場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù),以減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。
圖2 棄渣場(chǎng)現(xiàn)狀
棄渣場(chǎng)的選址受土石方數(shù)量大小、施工地點(diǎn)及施工方法影響[18],即合理的選址和有效的水土保持措施對(duì)防止水土流失和保護(hù)周邊自然環(huán)境極其重要[19]。因此,工程實(shí)踐中應(yīng)秉持“最少破壞就是最好的保護(hù)”的選址理念。通過資料查閱、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘和專家咨詢,并結(jié)合以往的棄渣場(chǎng)選址經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出適應(yīng)于拉林鐵路棄渣場(chǎng)的選址原則如下:①嚴(yán)格遵守國家對(duì)鐵路棄渣場(chǎng)選址方面的法律法規(guī);②為保護(hù)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域,應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、古建筑群以及各種水利設(shè)施;③為避免因棄渣誘發(fā)次生災(zāi)害,棄渣場(chǎng)選址應(yīng)避讓山體不穩(wěn)定或有明顯滑坡、崩塌、大量松散堆積物、泥石流溝等區(qū)域附近;④棄渣場(chǎng)的選址不能對(duì)新建和既有交通工程、水利工程、公共設(shè)施以及人民的生命財(cái)產(chǎn)造成損失和安全隱患。
水土保持型生態(tài)恢復(fù)是指在土壤侵蝕比較嚴(yán)重的區(qū)域,通過減輕生態(tài)系統(tǒng)超載壓力,按照生態(tài)學(xué)原理,單純依賴于生態(tài)系統(tǒng)自我組織和自我調(diào)節(jié)能力,或輔以人工調(diào)節(jié)能力,使受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到相對(duì)健康的狀態(tài)[20]。
生態(tài)恢復(fù)新思想最早是由Leppold 于1935 年倡導(dǎo)的[21],旨在通過人工設(shè)計(jì)和恢復(fù)措施,在遭受干擾和破壞的生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,重新建立起具有自我恢復(fù)能力和健康狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)[22](包括自然、人工和半自然半人工生態(tài)系統(tǒng))。生態(tài)恢復(fù)是協(xié)助退化、受損和被破壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的過程[23]。鐵路工程棄渣場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,包括工程防護(hù)和植被防護(hù)技術(shù),其本身是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,需要考慮氣候、生態(tài)、地質(zhì)、土壤、植物和地理等多個(gè)因素[24]。
恢復(fù)方式主要是植被恢復(fù),包括種植喬木、灌木和草本等。在恢復(fù)過程中,應(yīng)根據(jù)不同的立地條件選擇合適的植被類型,并注重與周邊自然環(huán)境的相互協(xié)調(diào)。成林后,要確保植被覆蓋率不低于當(dāng)?shù)赝愅恋氐闹脖桓采w率。此外,在條件適宜的地區(qū)可種植果樹等經(jīng)濟(jì)類樹種[7]。
傳統(tǒng)的鐵路棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)是采用攔擋工程結(jié)合坡面植被進(jìn)行恢復(fù)。而針對(duì)高寒高海拔的拉林鐵路棄渣場(chǎng),傳統(tǒng)的恢復(fù)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致植物越冬存活率低、坡面水土流失現(xiàn)象,不利于景觀建設(shè)和環(huán)境保護(hù)。本文針對(duì)拉林鐵路沿線土壤貧瘠、土壤營養(yǎng)物質(zhì)缺乏、降雨量少等特征,探討適用于該地區(qū)水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù),可有效解決拉林鐵路棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)中存在的景觀恢復(fù)效果差、水土流失嚴(yán)重等難題,可形成物種組合多樣、景觀恢復(fù)效果良好、土壤質(zhì)地改良明顯、水土保持能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),形成可持續(xù)良性發(fā)展。
高寒高海拔地區(qū)具備氣候惡劣,生態(tài)環(huán)境脆弱,降水量少且時(shí)間較短等特征。因此,在選擇適合該地區(qū)的植物時(shí)[25],應(yīng)遵循以下原則。
3.1.1 本土性原則
棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工作中要將生態(tài)效益放在首要位置,美化效果放在次要位置,盡量采用當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)旺盛的鄉(xiāng)土植物。選擇外來物種,從美觀角度考慮會(huì)起到良好的效果,但養(yǎng)護(hù)管養(yǎng)成本高,并且極易出現(xiàn)大面積的死亡和退化。
3.1.2 多樣性原則
由于棄渣場(chǎng)的水分和養(yǎng)分等條件較差,常見的植物品種難以在自然狀態(tài)下生存,生物多樣性差,容易受到病蟲害的入侵而導(dǎo)致植株品質(zhì)下降、退化和死亡,從而無法發(fā)揮固土防沖刷的保護(hù)作用。因此,在選擇適宜的植物種類時(shí),應(yīng)考慮垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),避免使用單一種類的植物,同時(shí)還能提高植被的抗寒、抗旱、耐熱等特性,延長(zhǎng)植被綠期,提高觀賞性和整體性效果。
3.1.3 短期效果與長(zhǎng)期效果相結(jié)合原則
棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工作中容易出現(xiàn)“強(qiáng)調(diào)快綠,忽視常綠”傾向,造成棄渣場(chǎng)“一年綠,兩年黃,三年枯,四年死”的現(xiàn)象。優(yōu)秀的生態(tài)恢復(fù)工程應(yīng)該是將先鋒植物、中期植物和目標(biāo)植物合理搭配種植,實(shí)現(xiàn)棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工程低養(yǎng)護(hù)、與自然協(xié)調(diào)、兼顧短期與長(zhǎng)期效果的目標(biāo)。
3.1.4 經(jīng)濟(jì)性和安全性原則
棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的護(hù)坡植物種植和后期養(yǎng)護(hù)需要花費(fèi)大量的資金,尤其后期養(yǎng)護(hù),如果所需成本較高,往往會(huì)出現(xiàn)營養(yǎng)跟不上而造成植物大量死亡。因此,在選擇護(hù)坡植物時(shí),應(yīng)綜合考慮植被資源豐富、價(jià)格合理、長(zhǎng)期管護(hù)費(fèi)用低等因素。
3.1.5 景觀協(xié)調(diào)性原則
鐵路棄渣場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循生態(tài)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),包括總體設(shè)計(jì)、分段設(shè)計(jì),突出重點(diǎn),注重特色以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、地質(zhì)、水文等立地條件,選擇適宜本土生長(zhǎng)的植物類型,并注重生態(tài)防護(hù)的環(huán)境保護(hù)功能,交通功能以及景觀協(xié)調(diào)等方面。
棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)需在保證渣體穩(wěn)定的前提下,通過在渣腳、邊坡和渣頂布設(shè)工程措施、植物措施和臨時(shí)措施達(dá)到防治水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的目的[8]。針對(duì)拉林鐵路棄渣場(chǎng)水土保持型生態(tài)恢復(fù)措施總體布局指導(dǎo)思想為:以工程措施為主,植物措施為輔,在棄渣場(chǎng)堆放前對(duì)原生表層剝離土壤采用臨時(shí)措施進(jìn)行坡面防護(hù)。充分發(fā)揮工程措施的主導(dǎo)作用,再利用植物措施進(jìn)行水土保持與護(hù)坡,達(dá)到有效防止水土流失、美化生態(tài)環(huán)境的目的。
3.2.1 水土保持工程措施
本項(xiàng)目工程擬設(shè)置57 個(gè)棄渣場(chǎng),根據(jù)水土流失預(yù)測(cè),呈松散堆積的棄渣在降雨作用下極易誘發(fā)水土流失現(xiàn)象。
因此,在對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)前,應(yīng)先在其上游設(shè)置截水溝,同時(shí)在中間平臺(tái)和周圍設(shè)置排水溝,在低洼地段還需要設(shè)置沉砂池,使坡面匯水經(jīng)過截水溝、排水溝和沉砂池處理后再排放到附近的溝渠或河流中?;凇跋葥鹾髼墶痹瓌t,先在棄渣區(qū)域下方的邊界處建造擋渣墻,以確保棄渣不會(huì)流失到棄渣場(chǎng)范圍之外。在完成棄渣堆放后,首先需進(jìn)行土壤平整,進(jìn)一步在坡面上鋪設(shè)雨水收集層以便收集雨水,為坡面植物在干旱時(shí)期提供所需的水分。該措施可以最大程度地保護(hù)環(huán)境,同時(shí)也有利于促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。采用厚度為18 cm 的改良土對(duì)雨水收集層進(jìn)行覆蓋,進(jìn)一步在改良土表面均勻地撒上草本、喬木和灌木種子,并鋪設(shè)一層厚度為5 cm 的保護(hù)層。對(duì)保護(hù)層進(jìn)行適當(dāng)壓實(shí)后再覆蓋一層綠色的防塵網(wǎng)和無紡布,棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)示意如圖3 所示。
圖3 棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)
3.2.2 水土保持植物措施
由于拉林鐵路沿線受地勢(shì)高、日照強(qiáng)、氣溫低等環(huán)境因素制約,使得該區(qū)域具有植被稀疏,生長(zhǎng)緩慢,植被演替周期較為漫長(zhǎng)等特征,導(dǎo)致裸露的棄渣場(chǎng)表面無法輕易進(jìn)行植被恢復(fù),從而極易快速惡化生態(tài)環(huán)境。因此,考慮拉林鐵路棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的立地條件,在棄渣堆放前,首先用推土機(jī)清理原生表層土壤,這部分土可作為坡頂植被恢復(fù)的覆土層。待棄渣堆放完畢,運(yùn)送至棄渣場(chǎng)頂部并對(duì)其適當(dāng)壓密平整以進(jìn)行植被種植。根據(jù)工程需要建造擋渣墻或格狀框條式護(hù)坡,并在框條內(nèi)撒播草本、喬木和灌木種子。
結(jié)合以往資料和經(jīng)驗(yàn)對(duì)比分析,對(duì)本項(xiàng)目生態(tài)恢復(fù)遵循“鄉(xiāng)土植物為主,多物種混播”原則。植物群落以“灌木+草本+喬木”配合方式為主,以減緩水土流失現(xiàn)象。考慮植物耐寒、耐旱、耐瘠薄、抗風(fēng)沙的特點(diǎn),保障拉林鐵路棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)后其復(fù)綠效果達(dá)到理想狀態(tài),最終選擇的植物品種如下:①喬木類:側(cè)柏、榆樹;②灌木類:砂生槐、西藏錦雞兒、花棒、高山繡線菊、沙棘、狼牙刺;③草本類:三刺草、絲穎針茅、固沙草、西藏早熟禾、毛瓣棘豆。其中灌木株的種植間距為1.0 m×1.0 m,每個(gè)穴內(nèi)種植2 株。草本植物通過撒播的方式進(jìn)行播種,播種密度為70 kg/hm2。喬木的種植密度為每公頃1 500 株,采用穴植法進(jìn)行栽植。栽植完成后,應(yīng)對(duì)植株加強(qiáng)撫育管理工作,保證綠化效果,增加地表植被覆蓋,切實(shí)做到水土保持。
3.2.3 水土保持臨時(shí)措施
在對(duì)棄渣場(chǎng)原生表層土壤進(jìn)行剝離后,需對(duì)表層土壤進(jìn)行臨時(shí)堆放,堆放高度不應(yīng)過高,同時(shí)對(duì)表層土壤應(yīng)適當(dāng)壓實(shí),坡腳宜采用臨時(shí)編織袋對(duì)坡腳進(jìn)行攔擋。由于表層土壤堆放時(shí)間較長(zhǎng),在降雨沖刷、重力等作用下容易發(fā)生水土流失。因此在堆放表層土壤周圍設(shè)置臨時(shí)排水溝和臨時(shí)沉砂池,對(duì)裸露面采用臨時(shí)苫蓋或撒草籽進(jìn)行防護(hù),并在坡頂安置彩條布。此外,在堆放期間應(yīng)加強(qiáng)管理工作,設(shè)置警示牌等,防止剝離的表層土壤被他用,采取的水土保持臨時(shí)措施如圖4 所示。
圖4 水土保持臨時(shí)措施
拉林鐵路項(xiàng)目工程于2014 年底開始建設(shè),計(jì)劃工期為7 a,截至2021 年4 月,主體部分已基本完工。除部分正在使用的區(qū)域,其余大部分地區(qū)均已采取了生態(tài)恢復(fù)與保護(hù)措施。本項(xiàng)目全線產(chǎn)生棄渣約1 943.37 萬m3(含剝離表土197.31 萬m3,運(yùn)往棄渣場(chǎng)1 746.06 萬m3),建設(shè)棄渣場(chǎng)57 處,對(duì)各個(gè)棄渣場(chǎng)均進(jìn)行了生態(tài)恢復(fù)。通過巡查監(jiān)測(cè)、實(shí)地監(jiān)測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)的方式對(duì)棄渣場(chǎng)水土保持型措施進(jìn)行了監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)在恢復(fù)后部分棄渣場(chǎng)經(jīng)歷了較大的中雨(其中最大日降雨量達(dá)25 mm),現(xiàn)場(chǎng)考察截水溝、沉砂池等排水措施結(jié)構(gòu)保存完整,棄土場(chǎng)坡面基質(zhì)基本完好,沒有因水流沖刷而造成沖溝和垮塌現(xiàn)象。對(duì)棄渣場(chǎng)恢復(fù)兩年后,坡面植被覆蓋率達(dá)到70%以上,基本滿足棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)要求,拉林鐵路棄渣場(chǎng)水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù)實(shí)踐取得了良好效果,部分棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)效果如圖5 所示。
圖5 棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)效果
隨著鐵路的不斷建成,我國鐵路建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)逐漸由東部向西部轉(zhuǎn)移,由平原向山區(qū)轉(zhuǎn)移。而鐵路建設(shè)不可避免對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)和破壞,使鐵路路域范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,生態(tài)環(huán)境惡化。隨著人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng),對(duì)鐵路生態(tài)工程的建設(shè)意識(shí)也不斷提高。一個(gè)好的鐵路生態(tài)工程,不僅可以給司乘人員帶來安全、舒適的駕駛環(huán)境,還減少了鐵路沿線環(huán)境污染,防止水土流失,減少滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的形成,有利于鐵路安全運(yùn)營。而棄渣場(chǎng)是鐵路生態(tài)工程建設(shè)中非常重要的一部分,棄渣對(duì)于人們生活和自然環(huán)境都有極大影響,因此對(duì)鐵路建設(shè)棄渣場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)尤為重要。對(duì)其進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時(shí),應(yīng)根據(jù)棄渣場(chǎng)的實(shí)際條件“因地制宜”地提出恢復(fù)方案,以最為經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的方式將人為干擾的生態(tài)環(huán)境歸還給大自然,這也是未來科學(xué)研究探索的方向。