護(hù)坡植物減緩地表徑流效果研究

王慧子，徐得潛，陳 慧，王元立

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

生態(tài)破壞和環(huán)境污染是人類面臨的重大社會(huì)問(wèn)題之一。保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康與可持續(xù)發(fā)展，已成為世界各國(guó)所面臨的共同任務(wù)。采用傳統(tǒng)砌石和砼進(jìn)行護(hù)坡，雖對(duì)減輕坡面修建初期的不穩(wěn)定及防止坡面遭侵蝕作用比較顯著，但在降雨時(shí)，傳統(tǒng)的護(hù)坡形式對(duì)由降雨徑流帶來(lái)的地表泥沙等固體懸浮物的攔截作用較差，會(huì)使這些固體懸浮物直接進(jìn)入水體而造成水體污染。同時(shí)，傳統(tǒng)砌石和砼等灰色防護(hù)破壞原有的表土層及原生植物群落，破壞了自然生態(tài)的和諧，且景觀效果差［1］。采用生態(tài)護(hù)坡形式，不但能夠防護(hù)淺層邊坡，有效防止坡面水土流失，而且能夠恢復(fù)已破壞的植被，美化環(huán)境，有效地解決了邊坡工程防護(hù)和生態(tài)環(huán)境破壞的矛盾。因此，近年來(lái)生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用受到了人們的廣泛關(guān)注。

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題的認(rèn)識(shí)較早，20世紀(jì)就開(kāi)始研究傳統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響，并提出了生態(tài)護(hù)坡的概念，如:20世紀(jì)80年代，德國(guó)和瑞士等國(guó)家就提出了“自然型護(hù)岸”技術(shù)［2］，并在90年代拆除已經(jīng)修建的砼河道，采用自然型護(hù)岸對(duì)其進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)。目前，在美國(guó)及歐洲的一些國(guó)家，常用的生物護(hù)岸技術(shù)被稱為土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)［3-4］。我國(guó)對(duì)生態(tài)護(hù)坡的研究起步較晚，但近幾年也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在一些實(shí)際工程中運(yùn)用，如在引灤入唐工程中，陳海波［5］提出網(wǎng)格反濾生物組合護(hù)坡技術(shù)。我國(guó)于1997年開(kāi)始研究生態(tài)混凝土凈水技術(shù)，主要研究方法是在河道修建生態(tài)護(hù)坡，通過(guò)模擬試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)一系列水質(zhì)指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)生態(tài)護(hù)坡凈化水質(zhì)的效果，提出合理的生態(tài)護(hù)坡組合方案，如2008年蔡婧等［6］在上海市進(jìn)木港生態(tài)河道示范區(qū)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬徑流實(shí)驗(yàn)，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)對(duì)地表徑流的延滯作用和污染控制作用。

本研究著重分析護(hù)坡植物減緩地表徑流的作用機(jī)理，并選取3種常用的護(hù)坡植物，通過(guò)降雨沖刷模擬試驗(yàn)，比較了這3種護(hù)坡植物減緩地表徑流作用的大小，同時(shí)結(jié)合經(jīng)濟(jì)和景觀因素，比選出較優(yōu)護(hù)坡植物。

1 植物護(hù)坡作用的機(jī)理

在生態(tài)護(hù)坡中，植物具有截留降雨、削弱雨滴擊濺和固結(jié)土壤、抑制地表徑流產(chǎn)生等多種水文效應(yīng)。生態(tài)護(hù)坡正是利用植物的這些水文效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在滿足人們對(duì)防洪、航運(yùn)、景觀和生態(tài)等需求的前提下，兼具減緩地表徑流的功能［7］。護(hù)坡植物通過(guò)以下幾方面減緩地表徑流，達(dá)到護(hù)坡及減輕徑流污染的作用。

(1)截留降雨。在降雨過(guò)程中，植物莖葉能夠?qū)⒁徊糠纸涤杲亓舨簳r(shí)貯存起來(lái)，之后再重新蒸發(fā)到大氣中。植物截留降雨的作用有效地降低了直接到達(dá)坡面的降雨量，削弱了雨水對(duì)坡面土體的直接侵蝕。

(2)削弱擊濺作用。下落的雨滴打擊在坡面上，把動(dòng)能傳遞給土體，產(chǎn)生的分裂力使土壤顆粒分離飛濺。而植被能攔截高速下落的雨滴，分散雨滴、減少擊濺能量及飛濺的土粒。坡面莖葉的緩沖作用不僅消耗雨滴大量的動(dòng)能，而且能使大雨滴分解為小雨滴，從而降低了雨滴的動(dòng)能，減少了雨滴對(duì)坡面土壤的擊濺作用［8］。當(dāng)植物枝葉茂密時(shí)，可以明顯地削弱甚至消除雨滴對(duì)土壤的擊濺破壞。

(3)固結(jié)土壤。植物的地上部分能夠過(guò)濾徑流中的泥沙，地下根系則密集分布于土體中，深根起到錨固的作用，淺根起到加筋的作用，有力地固結(jié)和約束著土壤顆粒，增加了土壤的抗剪強(qiáng)度［9］，有效地抵御了徑流的沖刷，提高了土壤的抗蝕性。

(4)減緩地表徑流，削減徑流帶入河道中的污染物數(shù)量［10］。木本植物的根莖和草本植物的莖葉能增加地表的粗糙度，減小地表徑流的速度，增加雨水在土壤中的入滲量，有效地減少地表徑流量，不但能削減河道的洪峰，而且還可以減少?gòu)搅鲙牒拥乐械奈廴疚飻?shù)量。此外，生長(zhǎng)過(guò)程中的植物根系在土體中擠出通道，根系衰老或死亡后收縮而留下來(lái)的土體空隙，使地表徑流能順著根土接觸面和這些通道、空隙滲入土體，不僅增加了雨水在土壤中的下滲速度，同時(shí)也增大了土壤的蓄水容量。植被通過(guò)增加地表粗糙度、促滲、截留以及抑制蒸發(fā)蒸騰的聯(lián)合作用，降低了地表徑流的速度，減少了地表徑流量。

2 護(hù)坡植物介紹

根據(jù)植物演替及生物多樣性理論，生態(tài)護(hù)坡植物的選擇應(yīng)遵循以下原則:①所選植物最好是鄉(xiāng)土類植物，或與當(dāng)?shù)匾延兄参锓N類一致，使之在播種后可以較快地融入當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境。②適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤條件(水分、pH值等)。③根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)迅速、抗逆性強(qiáng)(抗旱、抗寒、抗病蟲(chóng)害、耐貧瘠)，多年生。④種子易得，栽培管理粗放，成本低［1，11］。根據(jù)以上原則并參考工程中常用的護(hù)坡植物，選取狗牙根、香根草、麥冬3種植物作為試驗(yàn)研究對(duì)象。

(1)狗牙根。狗牙根系禾本科多年叢生的草本植物，廣泛分布于我國(guó)的華北、西北、西南及長(zhǎng)江中下游等地區(qū)，具有極發(fā)達(dá)的根狀莖和細(xì)長(zhǎng)的匍匐莖，匍匐莖擴(kuò)展能力很強(qiáng)，長(zhǎng)可達(dá)1～2 m，耐陰性和耐寒性較差，耐踐踏，侵占能力強(qiáng)［12］。狗牙根種子的價(jià)格為44～64元/kg，播種量為15～28 g/m2(按發(fā)芽率為85%計(jì))，草坪價(jià)格為2.1～4.5元/m2。

(2)香根草。香根草系禾本科多年叢生的草本植物，在華南、華東、西南等地均有分布。香根草密集簇生、根系粗壯，可深扎土中達(dá)3 m，有“世界上最長(zhǎng)根系的草本植物”、“神奇牧草”之稱［13］，具有水生和旱生兩大特點(diǎn)，能抵御極度干旱和長(zhǎng)時(shí)間的水澇，適應(yīng)特別廣的pH值范圍，不管肥力如何，均能在任何類型的土壤上生長(zhǎng)，在溫度低至-9℃的條件下生長(zhǎng)不受影響，被世界上100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)列為理想的保持水土的植物。香根草種子價(jià)格為50～60元/kg，播種量為15～35 g/m2(按發(fā)芽率為85%計(jì))，植株價(jià)格為0.05～0.15元/株。

(3)麥冬。麥冬系百合科沿階草屬多年生常綠草本植物，分布于江西、安徽、浙江、福建、四川、貴州、云南、廣西等地，須根較粗壯，根的頂端或中部常膨大成為紡錘狀的肉質(zhì)小塊，可入藥。麥冬草病蟲(chóng)害少，播種一二年后即長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)健，僅靠自然降雨即可正常生長(zhǎng)，無(wú)需修剪，管理非常方便，可以節(jié)約大量的水費(fèi)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。麥冬種子價(jià)格為28～40元/kg，播種量為35～60 g/m2(按發(fā)芽率為 85%計(jì))，植株價(jià)格為 38～56元/kg。

3 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置主要通過(guò)調(diào)節(jié)出水管閥門(mén)使噴灑管出水，模擬降雨對(duì)護(hù)坡坡面的沖刷場(chǎng)景，通過(guò)測(cè)定水中懸浮固體物濃度(SS)并與進(jìn)水中的SS對(duì)比，計(jì)算出SS的去除率，以該指標(biāo)衡量不同護(hù)坡植物減緩地表徑流能力的大小。模擬護(hù)坡的尺寸為780 mm×500 mm，可拆卸更換不同植物護(hù)坡，本試驗(yàn)除了選取狗牙根、香根草、麥冬3種植物護(hù)坡外，還將傳統(tǒng)的砼護(hù)坡作為試驗(yàn)的對(duì)照。同時(shí)模擬護(hù)坡的坡度可以在1∶2和1∶3之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，試驗(yàn)還對(duì)比了同種護(hù)坡在不同坡度條件下減緩地表徑流的作用。

圖1 降雨沖刷模擬試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)方法

考慮到城市降雨對(duì)生態(tài)護(hù)坡坡面的沖刷作用，查閱《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)，取重現(xiàn)期P=5年［14］，對(duì)應(yīng)合肥地區(qū)降雨強(qiáng)度可查設(shè)計(jì)手冊(cè)得q5=465 L/(s·hm2)。

裝置出水管水量計(jì)算公式為

式中:Q為出水管流量，L/s;F為模擬坡面的匯水面積，m2;q5為降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)。

依式(1)計(jì)算出裝置出水管流量Q=0.018 L/s。

2012年10 月16 日開(kāi)始降雨沖刷模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先在供試水箱中注入100 L預(yù)制配水(預(yù)制配水由取自沙潁河岸邊的自然土壤風(fēng)干過(guò)篩后加入自來(lái)水經(jīng)充分?jǐn)嚢枧渲枚?，然后調(diào)節(jié)出水管閥門(mén)使出水流量為0.018 L/s，此時(shí)水呈噴射狀流出，由導(dǎo)流板流至模擬護(hù)坡，通過(guò)護(hù)坡植物攔截后慢慢流入出水槽，并由集水箱收集，將集水箱中水體攪拌均勻后取適量水樣，按照GB/T 11901—1989規(guī)定測(cè)定水樣中的SS含量。同一種模擬護(hù)坡類型在同一坡度下進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果取平均值作為最終結(jié)果。更換不同模擬護(hù)坡類型并調(diào)節(jié)不同坡度，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)直至試驗(yàn)完成。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

降雨沖刷模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。從表1可知，在同等暴雨強(qiáng)度下，不同植物對(duì)降雨徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物的攔截效果存在一定差異:麥冬坡的SS去除率為63.38% ～75.70%，香根草坡的為58.38% ～68.11%，狗牙根的為61.80% ～70.48%，砼坡的為30.61%～38.73%。植物護(hù)坡的攔截效果明顯優(yōu)于砼坡，各種植物按攔截效果大小排序?yàn)辂湺竟费栏鞠愀?。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是由于麥冬植株較高，葉片繁茂并向下散開(kāi)，在坡面上的覆蓋較密，同時(shí)麥冬的須根粗壯，固土能力較好，所以麥冬護(hù)坡的攔截效果明顯優(yōu)于其他2種植物;狗牙根具有發(fā)達(dá)的根狀莖和細(xì)長(zhǎng)的匍匐莖，坡面覆蓋率也較高，攔截效果次之;香根草地上部分密集叢生，但葉片基本呈直立狀，不能很好地覆蓋坡面，所以攔截效果要比麥冬和狗牙根差。從表1還可以看出，不同坡面坡度也會(huì)影響攔截效果，坡度越小攔截效果就越好。圖2為模擬護(hù)坡SS去除率柱狀圖，該圖更直觀地反映出不同坡面覆蓋對(duì)SS去除率的效果。

表1 降雨沖刷模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖2 模擬護(hù)坡SS去除率

5 結(jié)語(yǔ)

(1)生態(tài)護(hù)坡中的護(hù)坡植物，對(duì)徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物有一定的攔截作用，且能夠減緩坡面徑流。由模擬試驗(yàn)知，麥冬坡的 SS去除率為63.38% ～75.70%，香根草坡的為58.38% ～68.11%，狗牙根坡的為61.80%～70.48%。在試驗(yàn)的3種植物中，按攔截效果大小排序?yàn)辂湺竟费栏鞠愀?。坡度大小?duì)攔截效果也有一定的影響，坡度越小其攔截效果就越好。

(2)在本試驗(yàn)所選取的3種植物中，麥冬為多年生常綠草本植物，具有很好的景觀效果，且在減緩坡面徑流方面也表現(xiàn)出了良好的性能，但由于其本身具有藥用價(jià)值，其價(jià)格明顯高于香根草和狗牙根，就經(jīng)濟(jì)因素考慮，不適合作為護(hù)坡工程植物。因此，綜合各方面因素看，狗牙根更適宜作為首選的護(hù)坡植物。

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