植物柔性工程學(xué)淺思

畢慈芬，王富貴

(黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

1 問題的提出

筆者在進(jìn)行長達(dá)十余年之久的砒砂巖地區(qū)沙棘植物柔性壩試驗(yàn)研究、拓寬與推廣試驗(yàn)研究和防止砒砂巖地區(qū)溝道土壤侵蝕的水土保持綜合技術(shù)研究的過程中，目睹了砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的顯現(xiàn)，它改變了該區(qū)降雨匯流和產(chǎn)沙輸沙特性，給人一種美好的向往，那就是砒砂巖區(qū)可能會(huì)是黃土高原惡劣環(huán)境中最早實(shí)現(xiàn)山綠、地肥、水美的好地方。

幾十年的水土保持科學(xué)試驗(yàn)研究和實(shí)踐證明，任何單一的剛性工程技術(shù)是不可能解決地貌復(fù)雜、千溝萬壑、形態(tài)各異、正在發(fā)育的溝道系統(tǒng)不斷遭受的水力、風(fēng)力、凍融、重力各種外營力對支毛溝溝頭、溝谷坡面嚴(yán)重的土壤侵蝕的。早日實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)沙源頭“把水喝光把沙吃凈”[1]，是水利前輩林一山的治黃卓見。實(shí)際上《砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和建議》提出的是一個(gè)剛?cè)峤Y(jié)合的溝道人工生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其實(shí)質(zhì)是在以小流域?yàn)閱卧乃亮魇е卫硭枷胫笇?dǎo)下，不僅要控制泥沙移動(dòng)，就是保住“土”，而且要實(shí)現(xiàn)對“水”的控制，就是保住“水”。因?yàn)閮H保“土”不可能達(dá)到溝道系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，只有既保“土”也保“水”，才能達(dá)到錢正英提出的“小流域治理可以發(fā)展成為黃土高原的系統(tǒng)工程”的要求。為此，提出“植物柔性工程學(xué)”研究，以補(bǔ)充剛性工程之不足。這是一門水利工程學(xué)和植物學(xué)等多學(xué)科交叉的邊緣新興學(xué)科，具體設(shè)想是：植物柔性工程學(xué)是溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的科學(xué)指南和理論基礎(chǔ)，而溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建是進(jìn)行試驗(yàn)研究、示范的平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)溝壑治理和改善干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效途徑，也是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，這是黃土高原基巖產(chǎn)沙區(qū)標(biāo)本兼治之舉。

選擇皇甫川的納林川沙圪堵以上1 351 km2流域進(jìn)行溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，不僅因?yàn)檫@里是砒砂巖區(qū)的核心，而且是要實(shí)現(xiàn)防治砒砂巖區(qū)溝道土壤侵蝕的水土保持綜合技術(shù)，必須在大空間尺度范圍內(nèi)自上而下進(jìn)行全方位有序的技術(shù)組裝，以獲得在大系統(tǒng)流域內(nèi)展示各系統(tǒng)的試驗(yàn)示范模式全貌。更理想的是沙圪堵水文站有較長系列的水文泥沙測驗(yàn)資料，可對各項(xiàng)試驗(yàn)成果進(jìn)行佐證，以取得有價(jià)值的科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為植物柔性工程學(xué)的科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 植物柔性工程

2.1 植物柔性工程概念的產(chǎn)生

1992年8月筆者提出沙棘植物柔性壩試驗(yàn)研究時(shí)，就想用剛性工程技術(shù)理念，在砒砂巖區(qū)大比降支毛溝溝頭垂直水流方向按壩工技術(shù)指導(dǎo)沙棘種植，期望能形成沙棘植物柔性壩，這是植物柔性工程的最初設(shè)想。

為此，選擇在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗西召溝小流域內(nèi)對1.67 km2的東一支溝進(jìn)行了長達(dá)5年的野外試驗(yàn)，取得了創(chuàng)新成果。東一支溝上游有支毛溝36條，總長2 485 m，占東一支溝溝道總長的86%，平均溝道縱比降1.65%～7.71%。后于2001年在西召溝主溝頭2.305 km2范圍的17條支毛溝內(nèi)進(jìn)行拓寬試驗(yàn)，溝道平均比降在4.6%～25%之間，也取得了同樣的可重復(fù)性成果。在此基礎(chǔ)上又研究了“防止砒砂巖區(qū)溝道土壤侵蝕綜合技術(shù)”，形成了以小流域?yàn)閱卧陨隙律臣参锶嵝詨?淤地壩+骨干壩+微型水庫協(xié)調(diào)的溝道沙土水治理模式。至此，“植物柔性工程”的概念油然而生。

2.2 植物柔性工程定義及作用

植物柔性工程是在特定的地理地貌條件下，為解決砒砂巖區(qū)正在發(fā)育的支毛溝溝頭、溝谷坡面土壤侵蝕和泥沙輸移問題而提出的。植物柔性工程由活性植物構(gòu)成，它既是植物又是工程，把兩者統(tǒng)一于一體，既是壩體材料又能自動(dòng)生長形成活性柔性壩，其壩高與時(shí)間成正相關(guān)。它把溝坡的產(chǎn)沙就地?cái)r截，淤填成溝田，同時(shí)形成土壤水庫，從而協(xié)調(diào)溝坡關(guān)系，充分合理利用當(dāng)?shù)厮临Y源，是與自然一致的水利工程技術(shù)方法，屬水利生態(tài)工程學(xué)范疇。實(shí)踐證明，在砒砂巖區(qū)溝道淤地壩實(shí)施推廣過程中，如在溝道平均縱比降為1.65%～7.71%的西召溝東一支溝，針對正在發(fā)育的大比降支毛溝溝頭地形，剛性工程達(dá)不到安全控制產(chǎn)沙的目的。西召溝東一支溝布設(shè)沙棘植物柔性壩之前，0#柔性壩下游839 m處于1991年修建了1#谷坊，谷坊高9 m，右岸布設(shè)了1 m寬的溢洪道。每年汛期若遇次降雨量大于30 mm的降水，谷坊就被暴雨洪水沖垮，年年都要補(bǔ)修。自1995年春布設(shè)沙棘植物柔性壩，至今谷坊完好未垮。在沙棘植物柔性壩試驗(yàn)研究和實(shí)踐過程中，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗西召溝小流域主溝頭布設(shè)柔性壩群的17條支毛溝，加上東一支溝，總面積3.975 km2的流域內(nèi)溝道至今無一被沖刷，全部呈淤積狀態(tài)，植物柔性壩工程依然穩(wěn)定如初，而且沙棘不斷生長，足以說明因地制宜的系列植物柔性工程已成為溝道治理系統(tǒng)一個(gè)不可缺少的重要組成部分。

2.3 植物柔性工程功能

(1)攔沙效應(yīng)。植物柔性工程能直接分選固液兩相流，同步攔粗排細(xì)，粗沙、細(xì)沙、水分治，使淤沙不斷抬高，增強(qiáng)植物柔性工程基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，形成連續(xù)不斷的淤積壩體和穩(wěn)固的活性加筋壩基。

(2)調(diào)水效應(yīng)。在壩體攔沙淤積的同時(shí)，植物柔性工程上游的壅水和淤沙共同形成土壤水庫，不僅增加暴雨洪水入滲量，增加土壤含水量，而且不斷抬高溝床侵蝕基準(zhǔn)面，植物柔性壩體隨沙棘生長而不斷增加，增強(qiáng)接收降雨、攔沙、蓄水的功能，自然形成溝道海綿人工濕地生態(tài)系統(tǒng)之首，起著溝頭水塔的作用。

(3)生態(tài)效應(yīng)。壩體不斷增高，促進(jìn)了植物群落恢復(fù)逐漸形成支毛溝溝頭森林生態(tài)系統(tǒng)，給動(dòng)物營造了天然棲息地。

(4)加筋防護(hù)效應(yīng)。沙棘植物柔性工程的縱根在淤沙中起加筋加固壩基作用，其橫根具有爬坡效應(yīng)，形成溝谷坡、坡腳坡裙堆積物的防護(hù)網(wǎng)。

2.4 植物柔性工程分類

植物柔性工程可分為廣義和狹義兩種。廣義植物柔性工程泛指針對各種地貌類型的植物柔性工程，狹義植物柔性工程專指某種地貌類型的植物柔性工程。

(1)按剛性工程功能分類，針對溝壑地貌植物柔性工程有植物柔性壩、植物柔性泄水孔(洞)、植物柔性溢洪道、植物柔性消力池、植物柔性海漫；針對淤地壩有淤地壩回水末端植物柔性體、淤地壩壩體外坡植物柔性體、淤地壩壩頂植物柔性體；沿溝壑縱向順?biāo)鞣较蛴兄参锶嵝匀Α⒅参锶嵝皂槈巍⒅参锶嵝蕴袅鲏巍⒅参锶嵝宰o(hù)灘壩、植物柔性導(dǎo)流屏、植物柔性卡口工程和微型水庫庫岸防滑帶、庫內(nèi)景觀休閑美化帶；針對坡地有植物柔性地埂、植物柔性籬等。此為狹義分類。

(2)按地貌類型分類，有植物柔性治坡工程(坡)、植物柔性治溝工程(溝)、植物柔性治沙工程(沙漠)、植物柔性治漬工程(鹽漬)、植物柔性治岸工程(河岸、海岸)、植物柔性防風(fēng)護(hù)路帶(公路、鐵路)、植物柔性景觀帶(城市道路、公園)等。此為廣義分類。

2.5 植物柔性工程作用原理

(1)加糙、增阻、固沙、護(hù)坡。植物柔性工程的作用原理主要體現(xiàn)在植物干、枝、葉、根的加糙、增阻、固沙、護(hù)坡上，特別是灌木。植物干、枝距地表近，茂密的干、枝、葉形成形態(tài)各異的網(wǎng)狀泄流孔(洞)，枝葉粗糙度的增加既加大了對水流的阻力，也縮小了過水?dāng)嗝妫纬山诲e(cuò)重疊的多孔卡口壅水，因而出現(xiàn)植物柔性壩壩體和壩上游壅水淤積；其縱根可固結(jié)淤沙，似活性加筋壩基，增加壩基固結(jié)應(yīng)力和壩體抗沖刷能力，橫根可向溝谷坡蔓爬形成護(hù)坡防沖網(wǎng)。

(2)消能、減速、入滲、供水。水流的動(dòng)能和勢能都能被植物柔性工程直接消減。水流受阻后，行進(jìn)速度減小，溝道股流變成漫流。植物柔性工程壩體和壩上游壅水淤積段形成土壤水庫，呈現(xiàn)流域支毛溝溝頭水塔效應(yīng)，水流沖擊在植物柔性工程上，其枝葉如同海綿能消減動(dòng)能，溝頭植物柔性圈可阻止溝頭前進(jìn)、溝底沖刷。土壤水庫增加土壤含水量、持水保水，增加對溝道長效供水。植物柔性工程符合綜合運(yùn)用“滲、滯、蓄、凈、用、排”建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿濕地生態(tài)系統(tǒng)的要求。

2.6 植物柔性工程和剛性工程關(guān)系

植物柔性工程仿效剛性工程的結(jié)構(gòu)、功能，與剛性工程合理配置，揚(yáng)長避短。剛性工程不能替代植物柔性工程，但植物柔性工程可以有限替代剛性工程，具有廣泛的適用性。

2.7 植物柔性工程適宜的地貌形態(tài)

黃土丘陵溝壑地貌總面積22萬km2，占黃土高原水土流失面積43萬km2的51%，基巖出露面積有5.33萬km2，涉及的13條支流基巖產(chǎn)沙區(qū)年均輸沙量5億t，其中大于0.05 mm的粗泥沙量有2.62億t。砒砂巖區(qū)面積1.2萬km2，其輸沙量占基巖產(chǎn)沙區(qū)總輸沙量的22%，粗沙量占基巖產(chǎn)沙區(qū)粗沙量的37%，是典型的溝壑地貌。植物柔性工程無固定外形，適應(yīng)性強(qiáng)，能“降服”形態(tài)各異的千溝萬壑。在研究植物柔性工程學(xué)前，首先要研究溝壑地貌的形成、發(fā)育、形態(tài)和危害，才能有針對性地選擇不同形式的植物柔性工程設(shè)計(jì)方案。

2.8 植物柔性工程倫理

植物柔性工程是以水生態(tài)和植被生態(tài)為基礎(chǔ)的倫理概念，注重工程行為的道德規(guī)范是其重要的特點(diǎn)。如果工程行為的功能出現(xiàn)與自然發(fā)展不相適應(yīng)的理念和價(jià)值觀，那么從長遠(yuǎn)發(fā)展看是不能生存下去的。只有工程結(jié)果符合與自然發(fā)展相適應(yīng)的理念和價(jià)值觀，工程才能長久生存下去，這樣適應(yīng)自然和諧發(fā)展的過程才符合生態(tài)經(jīng)濟(jì)倫理。為此，工程和自然相適應(yīng)、和諧永續(xù)發(fā)展應(yīng)作為評價(jià)植物柔性工程的自然法則。

2.9 植物柔性工程研究方法

(1)在以小流域?yàn)閱卧虻刂埔恕側(cè)峁こ毯侠砼渲弥卫淼那疤嵯拢仨氉裱w性、系統(tǒng)性、綜合性和協(xié)調(diào)性原則，選擇在中尺度、大尺度大面積野外試驗(yàn)平臺(tái)上研究上述內(nèi)容，還要研究植物柔性工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、應(yīng)用范圍、實(shí)施指南、監(jiān)測管理、哲學(xué)基礎(chǔ)及其與區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系等問題。

(2)進(jìn)行必要的室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)理分析，以尋找獲得最優(yōu)實(shí)用模式，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行推廣試驗(yàn)。

3 植物柔性工程學(xué)思考

3.1 植物柔性工程學(xué)的提出

我們在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗西召溝小流域支毛溝進(jìn)行了長達(dá)十年之久的沙棘植物柔性壩野外試驗(yàn)研究，取得了真實(shí)可靠的試驗(yàn)觀測資料，獲得了植物柔性工程的9項(xiàng)基本資料，涵蓋了多學(xué)科知識(shí)，在此基礎(chǔ)上提出了植物柔性工程學(xué)。這一學(xué)科已顯現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力，未來要通過大空間尺度的反復(fù)實(shí)踐，加強(qiáng)總結(jié)和提升。

3.2 植物柔性工程學(xué)的性質(zhì)、研究方法

植物柔性工程學(xué)是水利工程學(xué)和植物學(xué)相互滲透的、源于生產(chǎn)實(shí)踐過程的、多學(xué)科交叉的一門邊緣新興學(xué)科，它是在尊重實(shí)踐發(fā)現(xiàn)和抽象猜想的“實(shí)證”隱性思維指導(dǎo)下的產(chǎn)物。其研究方法是在考慮流域水系地貌單元的整體性、系統(tǒng)性前提下，針對水系的生態(tài)環(huán)境治理，探索一個(gè)順其自然的可持續(xù)健康發(fā)展的水土保持生態(tài)恢復(fù)綜合技術(shù)。

3.3 植物柔性工程學(xué)相關(guān)學(xué)科

植物柔性工程學(xué)是多學(xué)科交叉學(xué)科，涉及水工結(jié)構(gòu)、水力學(xué)、水文學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)、土壤學(xué)、地理學(xué)、地貌學(xué)、植物學(xué)、森林學(xué)、氣象學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)等。

4 結(jié) 語

本研究僅給出了植物柔性工程學(xué)的思考內(nèi)容，為的是拋磚引玉，有利于開展這門新興學(xué)科的探索研究，以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

隨著人類對改善生態(tài)環(huán)境的迫切要求，植物柔性工程學(xué)將是與人類友好的一門學(xué)科，將在與人類生命、生存相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮自己的優(yōu)勢，應(yīng)該是一門有廣闊前途、有實(shí)用價(jià)值的學(xué)科。植物柔性工程學(xué)研究必將有益于黃土高原水土流失治理、生態(tài)恢復(fù)，對黃河下游防洪減淤、堤防安全起到積極作用，并可緩解區(qū)域水資源短缺，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。