拉林鐵路棄渣場水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù)探討

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)置棄渣場進行處置，棄渣場的修建和使用將會對周邊生態(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)的大力推進以及鐵路景觀建設(shè)要求的提高，單純地對鐵路建設(shè)項目棄渣場進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。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鐵路棄渣場生態(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，在對路域進行全面調(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)在建工程項目中借土、棄渣的實際情況，提出了借土場、棄渣場的分類、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的生態(tài)修復(fù)措施與技術(shù)體系。陳琛[6]對修建水利工程形成的棄渣場危害性和防治措施進行了研究。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)項目形成的棄渣場為例，歸納總結(jié)了棄渣場不同部位的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，并對各項生態(tài)修復(fù)技術(shù)的特點和適用范圍進行了系統(tǒng)闡述。魏偉等[9]以石吉高速公路棄渣場為例，探討了香根草在棄渣場治理中的優(yōu)勢。張萌[10]對我國鐵路建設(shè)項目棄渣場的選址和生態(tài)環(huán)境等問題進行了探討。張春暉[11]依據(jù)棄渣場選址原則和防護措施設(shè)計對低山丘陵區(qū)鐵路建設(shè)涉及的不同類型棄渣場進程了分析和闡述。蔣光毅等[12]依托重慶市各種生產(chǎn)建設(shè)項目，研究了棄渣場的水土保持生態(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)貙嶋H情況和開采歷史考慮，通過現(xiàn)場評價和綜合監(jiān)測手段，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]通過植物的一級和二級生態(tài)演替，對高硫煤礦OB 排土場進行了生態(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)項目棄渣場生態(tài)恢復(fù)方面做了大量工作并取得了一定的成績。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)的工程實施[15-17]。因此，針對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)項目棄渣場的生態(tài)恢復(fù)。

本文以川藏鐵路拉林段棄渣場工程為例，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，對棄渣場選址原則、棄渣場水土保持型生態(tài)恢復(fù)理論及棄渣場水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù)進行探討，可為同類地區(qū)鐵路建設(shè)項目棄渣場的生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 工程概況及棄渣場選址原則

1.1 工程概況

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、單線電氣化鐵路，其目標(biāo)時速設(shè)置為160 km/h。工程新建正線長度402.405 km，電氣化改造既有青藏鐵路及拉日鐵路32.5km，運營長度434.905km。該路段工程于2014 年底開工建設(shè)，計劃工期7 a。項目平面布置圖如圖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，運往棄渣場1 746.06 萬m3），擬設(shè)棄渣場57 處，棄渣場現(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)進行鐵路棄渣場生態(tài)恢復(fù)時，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拉林鐵路棄渣場進行生態(tài)恢復(fù)，以減小對生態(tài)環(huán)境的影響。

圖2 棄渣場現(xiàn)狀

1.2 選址原則

棄渣場的選址受土石方數(shù)量大小、施工地點及施工方法影響[18]，即合理的選址和有效的水土保持措施對防止水土流失和保護周邊自然環(huán)境極其重要[19]。因此，工程實踐中應(yīng)秉持“最少破壞就是最好的保護”的選址理念。通過資料查閱、現(xiàn)場實地踏勘和專家咨詢，并結(jié)合以往的棄渣場選址經(jīng)驗，總結(jié)出適應(yīng)于拉林鐵路棄渣場的選址原則如下：①嚴(yán)格遵守國家對鐵路棄渣場選址方面的法律法規(guī)；②為保護生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離自然保護區(qū)、水源保護區(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棄渣場的選址不能對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產(chǎn)造成損失和安全隱患。

2 棄渣場水土保持型生態(tài)恢復(fù)理論

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]。鐵路工程棄渣場的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，包括工程防護和植被防護技術(shù)，其本身是一個非常復(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)濟類樹種[7]。

3 棄渣場水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù)

傳統(tǒng)的鐵路棄渣場生態(tài)恢復(fù)技術(shù)是采用攔擋工程結(jié)合坡面植被進行恢復(fù)。而針對高寒高海拔的拉林鐵路棄渣場，傳統(tǒng)的恢復(fù)技術(shù)會導(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。本文針對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、水土保持能力強等優(yōu)點，形成可持續(xù)良性發(fā)展。

3.1 物種選擇原則

高寒高海拔地區(qū)具備氣候惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，降水量少且時間較短等特征。因此，在選擇適合該地區(qū)的植物時[25]，應(yīng)遵循以下原則。

3.1.1 本土性原則

棄渣場生態(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旺盛的鄉(xiāng)土植物。選擇外來物種，從美觀角度考慮會起到良好的效果，但養(yǎng)護管養(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作用。因此，在選擇適宜的植物種類時，應(yīng)考慮垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免使用單一種類的植物，同時還能提高植被的抗寒、抗旱、耐熱等特性，延長植被綠期，提高觀賞性和整體性效果。

3.1.3 短期效果與長期效果相結(jié)合原則

棄渣場生態(tài)恢復(fù)工作中容易出現(xiàn)“強調(diào)快綠，忽視常綠”傾向，造成棄渣場“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，實現(xiàn)棄渣場生態(tài)恢復(fù)工程低養(yǎng)護、與自然協(xié)調(diào)、兼顧短期與長期效果的目標(biāo)。

3.1.4 經(jīng)濟性和安全性原則

棄渣場生態(tài)恢復(fù)的護坡植物種植和后期養(yǎng)護需要花費大量的資金，尤其后期養(yǎng)護，如果所需成本較高，往往會出現(xiàn)營養(yǎng)跟不上而造成植物大量死亡。因此，在選擇護坡植物時，應(yīng)綜合考慮植被資源豐富、價格合理、長期管護費用低等因素。

3.1.5 景觀協(xié)調(diào)性原則

鐵路棄渣場的生態(tài)恢復(fù)設(shè)計應(yīng)遵循生態(tài)防護標(biāo)準(zhǔn)，包括總體設(shè)計、分段設(shè)計，突出重點，注重特色以及經(jīng)濟實用。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⒌刭|(zhì)、水文等立地條件，選擇適宜本土生長的植物類型，并注重生態(tài)防護的環(huán)境保護功能，交通功能以及景觀協(xié)調(diào)等方面。

3.2 防護措施設(shè)計

棄渣場生態(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]。針對拉林鐵路棄渣場水土保持型生態(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，在棄渣場堆放前對原生表層剝離土壤采用臨時措施進行坡面防護。充分發(fā)揮工程措施的主導(dǎo)作用，再利用植物措施進行水土保持與護坡，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

本項目工程擬設(shè)置57 個棄渣場，根據(jù)水土流失預(yù)測，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，在對棄渣場進行生態(tài)恢復(fù)前，應(yīng)先在其上游設(shè)置截水溝，同時在中間平臺和周圍設(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。基于“先擋后棄”原則，先在棄渣區(qū)域下方的邊界處建造擋渣墻，以確保棄渣不會流失到棄渣場范圍之外。在完成棄渣堆放后，首先需進行土壤平整，進一步在坡面上鋪設(shè)雨水收集層以便收集雨水，為坡面植物在干旱時期提供所需的水分。該措施可以最大程度地保護環(huán)境，同時也有利于促進植物的生長和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。采用厚度為18 cm 的改良土對雨水收集層進行覆蓋，進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 的保護層。對保護層進行適當(dāng)壓實后再覆蓋一層綠色的防塵網(wǎng)和無紡布，棄渣場生態(tài)恢復(fù)示意如圖3 所示。

圖3 棄渣場生態(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高、日照強、氣溫低等環(huán)境因素制約，使得該區(qū)域具有植被稀疏，生長緩慢，植被演替周期較為漫長等特征，導(dǎo)致裸露的棄渣場表面無法輕易進行植被恢復(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生態(tài)恢復(fù)的立地條件，在棄渣堆放前，首先用推土機清理原生表層土壤，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，運送至棄渣場頂部并對其適當(dāng)壓密平整以進行植被種植。根據(jù)工程需要建造擋渣墻或格狀框條式護坡，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)驗對比分析，對本項目生態(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，保障拉林鐵路棄渣場生態(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，每個穴內(nèi)種植2 株。草本植物通過撒播的方式進行播種，播種密度為70 kg/hm2。喬木的種植密度為每公頃1 500 株，采用穴植法進行栽植。栽植完成后，應(yīng)對植株加強撫育管理工作，保證綠化效果，增加地表植被覆蓋，切實做到水土保持。

3.2.3 水土保持臨時措施

在對棄渣場原生表層土壤進行剝離后，需對表層土壤進行臨時堆放，堆放高度不應(yīng)過高，同時對表層土壤應(yīng)適當(dāng)壓實，坡腳宜采用臨時編織袋對坡腳進行攔擋。由于表層土壤堆放時間較長，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)置臨時排水溝和臨時沉砂池，對裸露面采用臨時苫蓋或撒草籽進行防護，并在坡頂安置彩條布。此外，在堆放期間應(yīng)加強管理工作，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措施如圖4 所示。

圖4 水土保持臨時措施

3.3 生態(tài)恢復(fù)效果

拉林鐵路項目工程于2014 年底開始建設(shè)，計劃工期為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)與保護措施。本項目全線產(chǎn)生棄渣約1 943.37 萬m3（含剝離表土197.31 萬m3，運往棄渣場1 746.06 萬m3），建設(shè)棄渣場57 處，對各個棄渣場均進行了生態(tài)恢復(fù)。通過巡查監(jiān)測、實地監(jiān)測、調(diào)查監(jiān)測的方式對棄渣場水土保持型措施進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在恢復(fù)后部分棄渣場經(jīng)歷了較大的中雨（其中最大日降雨量達(dá)25 mm），現(xiàn)場考察截水溝、沉砂池等排水措施結(jié)構(gòu)保存完整，棄土場坡面基質(zhì)基本完好，沒有因水流沖刷而造成沖溝和垮塌現(xiàn)象。對棄渣場恢復(fù)兩年后，坡面植被覆蓋率達(dá)到70%以上，基本滿足棄渣場生態(tài)恢復(fù)要求，拉林鐵路棄渣場水土保持型生態(tài)恢復(fù)技術(shù)實踐取得了良好效果，部分棄渣場生態(tài)恢復(fù)效果如圖5 所示。

圖5 棄渣場生態(tài)恢復(fù)效果

4 結(jié)束語

隨著鐵路的不斷建成，我國鐵路建設(shè)的主戰(zhàn)場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)不可避免對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)進行擾動和破壞，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)保意識不斷增強，對鐵路生態(tài)工程的建設(shè)意識也不斷提高。一個好的鐵路生態(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，有利于鐵路安全運營。而棄渣場是鐵路生態(tài)工程建設(shè)中非常重要的一部分，棄渣對于人們生活和自然環(huán)境都有極大影響，因此對鐵路建設(shè)棄渣場的生態(tài)恢復(fù)尤為重要。對其進行生態(tài)恢復(fù)時，應(yīng)根據(jù)棄渣場的實際條件“因地制宜”地提出恢復(fù)方案，以最為經(jīng)濟和科學(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。