干旱河谷水電工程建設水土保持生態修復研究

馬文龍，趙鑫鈺

(華電四川雜谷腦水電開發公司，四川成都 610091)

1 研究背景

據水利部近年統計，我國國土水土流失面積達357萬km2，每年流失的土壤總量約50億t，損失耕地100萬畝。盡管經過多年努力，水土流失的局部治理已見一定成效，有許多成功范例，但就全國國土總體形勢來看，水土流失已呈現出越來越嚴峻的態勢。目前，全國現有水土流失嚴重縣達646個，亟待治理的面積近200萬km2，每年因水土流失造成的經濟損失相當于GDP 的2.4%左右。換言之，國家若不采取強力、有效措施遏制水土流失的話，那么，占國土面積70%的山區荒漠化、石漠化必將進一步加劇，不僅制約經濟社會可持續發展，而且將嚴重威脅到我國的生態安全、糧食安全、防洪安全，甚至國家安全。

受地形、地貌、氣候條件的影響，高寒、高海拔、大溫差、干旱河谷、干熱河谷地區以及西南山區高陡坡體是水土保持及生態修復難以攻克的課題，尤其是經過2008年5.12汶川特大地震后，災區的水土保持及生態修復十分艱難、代價巨大。此外，西南地區干旱河谷水能資源、森林資源蘊藏量相對豐富，人口密度高、工農業生產相對發達。與其對應的是，由于高山峽谷自然環境脆弱、地質條件復雜，地表巖層破碎、構造運動活躍、地震頻發，滑波、泥石流等地質災害嚴重，而且隨著人口的轉移和增長，自然資源承受的人類生產活動壓力不堪重負，生態平衡遭到破壞，陡坡開墾、森林采伐、過度放牧等加劇了區域的水土流失，以致于其已成為河流泥沙的主要來源與土壤侵蝕最嚴重的地段。

自上個世紀90年代中后期始，特別是國家實施西部大開發戰略以來，西南山區已建、在建、擬建的大、中、小型電站數以千計。水電站建設從長遠看有利于生態環境和發展經濟，但毋庸置疑的是:其建設過程會對建筑物局地環境造成破壞。水電站建設初期，大規模開挖必然導致山體或河岸的水土流失。因此，科學、系統地研究高寒、高海拔、大溫差、干旱河谷、干熱河谷以及西南山區高陡坡體的水土保持及生態修復具有十分重要的意義。

國外在干旱區域的植被恢復或生態修復方面曾經作過許多探索，其研究成果提倡和施行的主要是以人為影響很小的自然生態恢復，也有采用一些特殊技術，充分、高效地利用可能的水分條件，保證植物的生長發育，或者采用合適的植物種類(如根系深、適應干旱能力強等)，在利用微生物技術及保水劑確保植物成活或促進植物生長方面也進行了有益探索。但各國有其迥異的國情，相當多的國家人均國土面積比我國大、人均水資源稟賦比我國好，采取自然恢復具有較大的時間、空間優勢。也就是說，自然生態恢復需要漫長的時間和廣域空間來保證。而對于我國而言，人多地少，與水爭地、與山爭地已然成為城市(鎮)化發展的必然，水土保持靠自然恢復不現實，而加強人為干預的工程或植物措施進行生態修復則成為當務首選。

國內水利部門對長江、黃河流域干旱河谷的生態保護、泥石流滑坡等地質災害的生態防治技術、小流域泥沙的綜合治理及控制技術方面亦進行了各種研究實踐，或不乏成功案例，但主要目標集中在以恢復植被和綠化方面，而以修復生態系統的綜合功能為目標的研究和實踐尚待更大投入。

我們作為中央企業和國有電力開發建設單位，在西部高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷的西南山區開發水電，難以避免會造成工程區域內的水土流失。作為央企、國企，保護生態環境、防治水土流失是我們不可推卸的社會責任、法律責任。在研究和實踐工程區域的環境保護、控制施工過程中水土流失、修復局地生態環境方面我們已有一些成功經驗，但在復雜地域尤其是高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷地區控制施工過程的水土流失仍任重道遠。一方面是待開發電站越來越深入到此類地區，環境保護責任越來越重大;另一方面，研究、實踐實施的技術難度和投入愈發加大。這也使得我們必須加大力度和速度進行創新性研究、實踐。2010年10月，筆者所在的水電流域公司獲得集團公司科技創新基金支持，專題研究高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷的水土保持及生態修復課題。

2 研究采用的技術路線與關鍵技術

由政府實施的退耕還林、封山育林、退田還湖、禁止亂砍濫伐等水土保持宏觀舉措在一些地域已經起到了一定作用。但在高寒、高海拔、干旱或干熱河谷的西南山區，因自然形成的生態脆弱與多民族聚居;坡耕地集中、水分空間錯位;降雨稀少、蒸發強烈、水資源短缺、可耕地緊張、坡耕地分散、土壤侵蝕強烈等特點，僅僅采用上述宏觀舉措不能從根本上解決水土流失問題;水電工程造成的局域水土流失更無法選擇上述措施。而采用大規模工程措施，一則投入大，在短時間難以發揮生態作用;二則因未改變水氣條件，不能徹底治理水土流失;加之所有制問題和所有(經營)權不明晰，如果后續照管、維護跟不上，所取得的臨時效果也會很快消失。在這種宏觀微觀錯綜復雜的大環境下，我們要履行環境保護的社會責任，只能創新思路，巧投入、找路徑、尋突破，以爭取持續效果。

2.1 研究采用的技術路線

從所收集的資料中不難發現，一些僅有的在高海拔、干熱河谷中使用的水土保持及生態恢復既植被恢復的研究成果中的主要措施多集中在物種選擇培育方面，那些經過篩選可以在干旱河谷不同母巖發育土壤中存活及生長的植物種類由于缺乏后期投入與管護亦難以能存活。在個別地段的成功，尚不適宜擴大及推廣。本課題的研究，就是摒棄走“單一環境、同類實驗”的研究老路，目標是探索一種適應性強、便于推廣、資金投入不大、方法簡單、經營與管護結合的保土保水長效機制。具體說:就是因地制宜、因時制宜，針對每個環境條件因子，發揮每個改造主體的能動而有效的作用，譬如:任何一個適地居住的承包經營農戶，在高海拔、高寒地帶，以不同高程和水氣條件輔以小微規模工程措施并研究結合不同耐寒、耐旱且適應低溫的經濟植物(花椒等);或在西南干旱河谷、干熱河谷除選擇適宜的經濟植物品種外再分不同實驗環境、對象，采用本研究課題創新的關鍵技術，即通過數十組(水泥、粉煤灰、黏土等)微量膠凝材料與水、當地(沙、雜)土、草屑進行不同比例摻拌，人工鋪撒在邊坡、陡坡上，實現固土、穩坡、保土保水效果。

采取細微工程措施與低投入生態植物措施以改善小環境，通過實驗獲取水土保持的簡便方法，擬構建多種適合干旱、干熱河谷(不同海拔與氣候以及人為活動強度等)區域的生態修復技術體系，實現由點及面、左右延展、上下依托的立體水土保持生態效果。本研究課題以現場實驗為主，配合少量的實驗室對比性(主要是植物在各類摻拌土環境下的存活與生長)實驗，再將實驗成果推介給當地政府和農戶。本課題研究探索內容采用的技術路線為:

(1)高寒、高海拔、干旱、干熱河谷現狀調查;

(2)同區域高陡坡體植被的適應性調查;

(3)生態修復機理研究;

(4)具有代表性的實驗場地優選;

(5)微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)不同比例的摻拌實驗;

(6)干拌和濕拌摻草屑實驗;

(7)同上條件高陡坡體鋪設土模擬雨水沖刷實驗;

(8)內外對比實驗;

(9)效果與效益評估。

本研究課題采用的技術路線為:

資料收集→高寒、高海拔、干旱、干熱河谷現狀調查→同區域高陡坡體植被的適應性調查→生態修復機理研究→具有代表性試驗場地優選→微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)不同比例摻拌實驗→干拌和濕拌摻草屑實驗→模擬雨水沖刷實驗→實驗室與現場實驗對比分析→效果與效益評估。本課題技術路線及研究程序見圖1。

圖1 技術路線及研究程序圖

2.2 關鍵技術

本研究課題實驗現場主要選在川西岷江上游海拔1500～2300 m 的干旱河谷。這樣的選擇是考慮到“5.12”特大地震發生后區域生態系統恢復成為四川經濟社會發展的當務之急，研究成果便于直接在重災區發揮經濟效益、社會效益和生態效益。川西岷江上游的理縣、茂縣、汶川縣域都是地震重災區，地質情況復雜、巖石破碎、山地地表灰褐土母質多為變質巖的風化物，由坡積母質發育而成;坡體全強風化沙土顆粒粗、土質連接松散、結構性差、土粒干燥，呈堿性反應，有機質含量較低，土壤普遍缺磷，表土礫石較多。采用多組不同膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)摻量和以不同比例的植物種子、水、當地土、草屑摻拌，拋撒或鋪設在陡坡、邊坡上，形成保土、保水、保肥的一層“殼”。

摻拌微量膠凝材料的目的是固土，擬改變土質顆粒松散、結構性差、細顆粒容易被大風吹走、坡體不能抵御雨水沖刷等水土流失問題。所謂“微量摻拌”，就是將膠凝材料控制在1%～5%范圍內，既要保土，又不能較大程度地改變土質酸堿性。在膠凝材料摻拌實驗中，只允許黏土比例適當提高。

摻拌草屑，就是將收集或購買的雜草切割成8～10 cm 長的草屑，用鍬由人工干摻或加適量水或與膠凝材料一起摻拌并鋪設于坡體。摻拌草屑，一方面起土體加強筋的(固土)作用;另一方面，草屑形成腐殖質，在土體內腐爛后作肥料，有利于植物生長。

摻水人工拌和的目的是使土體較為均勻地鋪設在陡坡坡面上，粗顆粒不易離析、滾落、分離。摻水又分單獨摻水、與膠凝材料合摻、與草屑及膠凝材料混摻等實驗組項，也有不加水干摻組項。

分別摻拌微量膠凝材料、摻拌草屑和摻水與否的多種實驗就是擬找到一種農戶個體都能夠方便實施、簡單、經濟的水土保持與生態修復方法。每個農戶、每個土地承包經營者都能采用這種方法改善耕地、林地、草地或“房前屋后”植被種植環境，讓任何土地、坡地變成良田、果園。這種從微觀上突破的創新思路與修復生態的技術，正是本科研課題的關鍵技術與核心內容。

3 實驗過程及效果

我國水土流失涉及范圍廣、影響大、危害重，是關乎國家生態安全的重大環境問題。隨著近年來我國工業化、城市化、新農村建設進程的加快，開發建設項目所造成的水土流失問題已不容等閑輕視。水土保持已上升為促進人與自然和諧、保障國家生態安全與可持續發展的一項長期戰略任務。治理水土流失、修復生態環境需要創新思路、培養人才、加大責任及違法懲處力度。中國科學院、中國工程院的數十位院士、科學家一致建議國家設置水土保持與荒漠化防治一級學科，并著手研究水土流失、荒漠化、石漠化、農地退化、山地災害以及開發建設項目造成的環境脆弱和生態退化問題。

本研究課題選擇在川西山區，正是希望研究地域同時滿足高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷、高陡坡體復雜脆弱的生態環境。實驗場域所在氣候屬川西高原氣候區，主要受西伯利亞的西風氣流、印度洋暖流和太平洋東南季風的影響，具有季風氣候的特點。域內海拔高差懸殊、地形復雜，氣候差異顯著，具有山地立體型氣候特征，小氣候多樣。區位在北緯31°12'～31°55'、東經102°36'～103°39'之間。全域呈扇形，南、西、北三面為群山環抱。

根據氣象統計資料，實驗區西部多年平均氣溫為11.2℃，多年平均年降水量為613.3 mm，多年平均年蒸發量為1432.4 mm;多年平均日照時數為1671.4 h;多年平均相對濕度67%，為典型的干旱河谷氣候。實驗區東部多年平均氣溫為13.5℃、多年平均年降水量為537.9 mm、多年平均年蒸發量為1599.2 mm、多年平均相對濕度69%，屬山地干旱河谷和半干旱河谷氣候區。本課題實驗研究充分考慮到自然氣候條件，探索了適配的生態修復技術與方法。

2011年4～10月，實驗課題組選擇某水電工程3座(2#、3#、4#)棄渣場，取5 m×10 m 為一個實驗塊，采用加水加草屑拌和當地沙土簡單鋪設在37°的斜坡上(厚10 cm)與坡頂拋撒(厚20 cm)未加水及草屑拌和的沙土20個實驗項目組相對比，結果發現水土保持與植被存活效果有明顯差異。加水加草屑拌和的、加水未加草屑拌和的實驗組都比坡頂拋撒的組塊植被長勢好。而且坡頂拋撒組塊在暴雨后被雨水沖刷有多條深溝，視覺效果見圖2。

圖2 某電站2#渣場摻拌草屑實驗圖

圖3 某電站3#、4#渣場摻拌膠凝材料實驗圖

2012年3～11月，實驗課題組選擇另一水電工程3座(2#、4#、5#)棄渣場，采用摻拌微量(當地沙土重量1%～5%)的膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)，與此前(2012年3～11月)實驗內容重復做40組類同實驗，分別鋪設在25°～45°的斜坡上。如果說有差別，則主要是加膠凝材料及比例的多少。其后，又增加了摻拌黏土比例(2%～10%)的實驗組數，目的是檢驗土體在極度干旱條件下是否產生“板結”以及植物存活狀態。另外，草種由一般雜草增加為雜草、三葉草、油菜籽等。通過近兩年的實驗和觀察發現，實驗取得了較為理想的效果(圖3)。

實驗結果表明:加水摻拌進實驗塊的雜草、三葉草、油菜籽等植物種子，3～4 d 后紛紛長出綠芽，尤其是油菜籽長勢較好;而僅由草屑、雜土加水摻拌的實驗塊植物長勢更好，只是在一場暴雨過后有表土流失痕跡，比沒有加水、加草屑(自然)的狀態好很多。與此對應，摻拌有微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)的實驗塊植物長勢稍差，但坡面明顯形成薄薄的硬殼，十分有利于保土。經過一個雨季的檢驗，也證實了其保土效果良好。

盡管水泥、粉煤灰、黏土、硅粉等都屬于膠凝材料，微量摻拌沒有較大程度地改變土體土質及酸堿性，植物長勢也未呈現根本改變，但實驗區土壤本身偏堿性，再加入弱堿性膠凝材料是否改變了土壤質量還有待較長時間的觀察檢驗。在抗沖刷實驗研究中，我們擬定了摻與不摻膠凝材料、摻與不摻草屑以及膠凝材料和草屑都摻拌3種情況、9組實驗塊進行表土抗沖刷對比，采用可調節水量的噴淋裝置，加水表控制水量，模擬大雨、暴雨從1000 mm 高度直接沖刷實驗組塊(坡面)。通過30～60 min 的觀測，摻拌膠凝材料和草屑的坡體表面水土流失很小，沒有摻拌草屑的坡面次之，自然松散鋪設在坡面的表土抗沖刷情況較差。

4 結語

在高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷及高陡坡體進行水土保持和生態修復實驗的目的是取得保土經濟、簡便的方法。保土就能夠保住水、保住肥，這不僅是農業意義上的土、水、肥問題，而且是山地生態之根本，能為復雜、脆弱環境植物的存活生長創造基質條件。此項研究，雖沒有復雜的理論支持，也無須精確計算，但也的確為一種務實的探索和有推廣和實用價值的實驗，用步步為營的微觀方式，處理全國十分麻煩的宏觀生態環境問題，無數個經濟單元或承包經營農戶、林戶都可以采用其改善水土流失問題。經科技情報檢索，國內外業界均無此類實驗研究先例。本研究課題的意義亦不僅局限在生態環境，而且對于重新認識土地，開發利用山區坡地，為農戶拓展經濟發展空間的作用不可限量。