摘 要： 随着我国社会经济的发展和民众环保意识及生态环境要求的提高,人们对水电工程建设的认识和关注已不再停留在过去简单的考虑投资的巨大经济效益上,需要综合考虑项目建设对生态环境的影响。文章简要介绍了“生态设计”的概念,剖析了“生态设计”范畴的保护和节约性设计,恢复和再生性设计两大设计理念的内涵,开展了“生态设计”在水电工程水土保持设计中的应用研究,并结合水电工程水土保持设计实践对生态设计的具体运用情况及效果进行了探讨。仅供同行参考。
关键词：生态设计；水土保持；水电工程；恢复和再生性设计；实践
1 前言
近年来,随着我国社会经济的发展和民众环保意识及生态环境要求的提高,人们对水电工程建设的认识和关注已不再停留在过去简单的考虑投资的巨大经济效益上,需要综合考虑项目建设对生态环境的影响,主要体现在水电项目建设所引发的占压土地、扰动地表、破坏植被和景观,以及对当地生态环境和水土流失产生不利影响等生态环境问题上。
在提倡低碳经济和绿色经济的社会大背景下,以研究人类与自然间的相互作用及动态平衡为出发点的生态设计思想和理念逐步形成, 并且在工程建设领域中得到了广泛的运用。在水电工程项目设计、管理和施工过程中,可以充分发挥生态设计的主观能动性,从生态设计入手,积极引导当地水能资源的合理开发和利用、工程建设区的环境保护和水土保持等方面的健康和谐发展。
2 生态设计的含义
所谓“生态”,就是指有生命的、适合生存的状态。这种状态不仅要适合人类的生存,还要适合动物、树、花、草及各种水生植物的生长, 即必须保持动物、植物的生境和生物多样性。而“设计”则是以土地规划为载体有意识地塑造物质循环、能量流动的过程, 来达到预期的目的。
生态设计意味着任何开发建设项目都必须尊重生物物种多样性, 从减少对资源的剥夺、保持营养和水循环、维持植物生境和动物栖息地的质量等生态角度,保持生态系统的健康和改善人居环境。
3 水电工程水土保持设计中的生态设计应用研究
生态设计强调尊重自然发展过程,倡导物质与能量的循环利用和场地的自我维持,有效利用自然资源和环境条件,将可持续发展思想贯穿于设计、施工和管理的整个过程。
3.1 保护和节约性设计理念
生态设计中保护和节约性设计理念是在对区域生态因子和生态关系进行科学研究、分析基础上,通过合理设计减少对自然的破坏、节约资源,以保护现状生态系统。
⑴ 尊重自然、自然优先
自然有它的演变和更新的规律,同时具有比较强的自我维持和自我恢复能力。自然界在其漫长的演化过程中,水分循环、植被、土壤、小气候、地形等相互作用,进行物质循环和能量流动,已经形成一个稳定、平衡、具有自我调节能力的生态系统。
因此,在水电工程设计施工布置中,要尊重自然,严格控制主体工程永久占地,尽量减少施工辅助企业、渣料场等临时占地,以及公路、水库移民安置等影响区占地；在施工过程中充分体现和尊重地域自然地理特征,利用自然的能动性使其维持自我更新,尽量减少对原有地表土壤扰动、植被破坏和自然生态系统的干扰,实现工程建设与生态环境协调发展。
⑵ 保护自然资源
在开发建设活动中,应尽可能保护自然资源,减少对能源、土地、水和生物等自然资源的使用,提高使用效率。在水电工程水土保持规划设计中具体表现在以下三个方面:
a.保护原始地貌。在水电工程设计、施工过程中,结合施工辅助设施临时占地场地平整的需要加强弃渣场地的综合利用,合理安排土石方调运,提高弃渣综合利用率。在料源选择及料场规划时,优先考虑工程开挖土石料和弃渣料回采利用,尽量减少工程弃渣堆放量和料源开采量,保护原始地貌,以利于水电工程建设区的水土保持和环境保护。在水电工程场内、外交通公路规划设计时,为了减少部分地质条件差、岩石松散、场地狭窄、不具备转运条件路段的明挖工程量,保护原始地貌,在路线设计中应适当提高桥梁、隧道的比例。
b.保护植被。植被的存在可减弱水力、风力对地表的侵蚀,对调节地表径流、拦截泥沙、固持改良土壤、维护生态环境、改善局部小气候起着重要的作用。
在水电工程建设过程中,保护生态环境首先就要保护植被,避免大量植被占用,减少甚至避免因施工对植被的破坏；其次,对施工区和库区可能受到破坏和影响的植被进行针对性保护。
c.保护表土资源。表土资源是一种宝贵的自然资源。水电工程施工区通常位于高山峡谷土石山区,土层浅薄,成土速度慢,种植土资源相当匮乏；工程完建后渣场、料场、施工场地及临时道路等临时占地的土地整治和迹地恢复均需要大量的种植土,在水电工程建设移民安置复垦和后期生态植被恢复中,表土资源的供需矛盾极为突出。
因此,在水电工程设计时应结合工程建设后期复垦覆土和绿化用土需要,综合考虑各占地区(原有耕地、园地、林草地)的使用时序、用地方式及表土资源与剥离条件,在施工前期对工程占地区表层土壤提出分区剥离与堆存保护措施。特别应根据需要及工程建设进度计划, 适时对主要建筑物施工中对其表土进行收集表层耕植土进行剥离,合理调运或分区集中临时堆存,并做好临时挡护措施保护表土资源,以保护土壤,为后期复耕、绿化等迹地恢复提供土源保障,避免在工程区外异地客取土成新增占地及次生水土流失,节约投资,取得良好的生态效益和经济效益。
3.2 恢复和再生性设计理念
在最大限度保护好原有生境条件的前提下,根据工程区后期场地的特点和立地条件,利用生态学原理,对正在或者已经遭到破坏的生态环境进行恢复和再生性设计,即通过科学地选择植物品种和创造地形、土壤条件,并辅以有利于植物生长和群落形成的各种辅助措施，创造出各种生境,在有限空间内形成乔、灌、草相结合的立体群落景观,恢复生态环境。具体设计体现在以下5个方面:
⑴ 乡土化设计。由于乡土植物是特定气候及地理环境下的产物, 其生态适应性强,能够反映当地的植被特色。在生态恢复设计中有意识地选用乡土植物(树、草种)作为生态恢复材料,不仅容易成活、易于养护,同时还可以降低造价、节约投资。
水电工程生态恢复乡土化设计主要表现在植物选择上应遵循“乡土树种为主”、“适地适树”的原则,即在设计中通过对拟建水电工程施工区及其周围环境中植被现状、植被的演变历史和过程进行调查研究,筛选出适合于当地土壤、气候及水文条件并与当地环境相协调的优良乡土树、草种,并进行科学合理搭配,发挥林草种的生态效益。
(2) 生物多样性设计。生物多样性体现在以下三个方面,即生物遗传基因的多样性、生物物种的多样性和生态系统的多样性。保护生物多样性的最终目标就是保护乡土物种与生境的多样性。生态设计的精髓就是生物多样性设计,表现在采用足够数量的具有地方特色的乡土动植物品种,形成体现地方特色的生物群落,维护当地生态环境。
在水电工程水土保持设计中,尤其是在生态恢复设计中,按照当地地带性植被的结构特点,对所选择植物进行合理搭配构建复层植物群落,并保护各种类型及多种演替阶段的生态系统,尊重各种生态过程及自然的干扰。
(3) 生态优先设计。植树和种草是目前常用的两种最有效、最快捷生态恢复措施。研究表明,在同等降雨条件下,已经植草地面比裸露地面的冲刷量减少75%～80%,草地载水为降雨量的60%～80%,而裸地仅为降水量的10%～20%。生态设计则充分利用植物是有生命的有机体,具有特定形态、色彩、风韵,而且会随季节变化发生变化特点进行生态恢复, 对有效控制施工区新增水土流失和发挥水土保持设施生态效益具有重要意义。在水电工程设计中优先考虑生态保护和生态恢复措施尤为重要。
受选址及地形地貌影响,水电工程常会形成高陡边坡,低则几十米,高则数百米。出于工程安全考虑,水电工程边坡防护通常采用以混凝土、块石等材料为主的单一的传统工程防护措施,不仅造价昂贵，水土流失虽然可以在一定程度上得到控制,但形成大面积块状的裸露基岩或喷混凝土坡面创伤“灰色”景观与周围的环境反差大,极不协调。随着经济的发展和社会的进步,水电工程边坡水土流失防治措施不仅要求控制水土流失,而且要求具有景观修复、改善和美化环境的功能。生态措施可改善环境生态因子和局部小气候,对生态环境起改善作用,因此,以保护生境和恢复生态为主要内容的水土保持植物措施已经成为水电工程边坡水土流失防治的重要措施之一。
此外,在工程措施实施过程中前瞻性地为植物措施的实施创造必要条件,如在高陡边坡开挖过程中充分利用开挖好的马道或有意识地形成新的马道,后期利用马道修建绿化种植槽,回填种植土,栽植攀援植物进行边坡垂直绿化；保留边坡防护施工过程中混凝土养护的管道和水池用于后期植物措施实施和日常养护浇水；对边坡防护方案进行优化,把传统的干砌块(片)石、浆砌块(片)石和混凝土等护坡改为框格梁+草护坡、雷诺护垫护坡、格宾石笼护坡等综合护坡或生态护坡。在上述设计中充分体现了生态优先的设计理念。
⑷ 最小干预、最大促进设计理念。人类的建设活动对自然环境会产生一定的干扰,水电工程建设也不例外。在水电工程建设过程中, 生态设计就是把干扰降到最低,并努力通过设计的手段采取人为干预的方法促进自然系统的物质循环和能量流动,维护场地原有的自然生态格局,增加生物多样性,即最小干预、最大促进设计理念。
⑸ 积极引进新技术、新工艺、新材料,提高水土流失防治及生态恢复效果。我国水电工程建设区大多处于地势陡峭的高山峡谷地区, 土层瘠薄,降雨量小、蒸发量大,土壤和水分是影响施工区生态恢复的两个重要限制性因素。近年来, 边坡防护的新技术、新工艺及新材料在水电工程水土流失防治中得到了较为广泛的运用,大大提了水土流失防治及生态恢复效果,显示出强大的生命力。
① 由于传统的干砌块(片)石、浆砌块(片)石和混凝土护坡缺少植被生长的基质,生态效果差。近年来,在水电工程建设过程中,采用雷诺护垫、格宾石笼护坡等新型护坡方式,利用石头缝隙间留存的土壤有利于植物生长,在防治水土流失的同时,也较好地恢复了边坡植被,促进与周围自然环境的协调。
② 针对部分土层薄、坡度大、石砾含量高、立地条件较差的土石边坡,改变原有撒播植草方式,采用喷播植草、液压植草、三维网植草；在部分高陡岩石边坡、混凝土边坡防护中应用TBS防护技术、植被混凝土防护技术、生态袋防护技术、绿色罩面网防护技术进行植被恢复,大大提高了水土流失防治及生态恢复效果。
③ 在植树、种草过程中,应用保水剂、节水剂、蒸腾抑制剂等保水、节水绿化新材料,提高植物的成活率,加速其生长速度,增加郁闭度。
4 水电工程水土保持设计中的生态设计实践
(1) 在水电工程设计过程中,要充分利用生态设计中的保护和再生性设计理念(保护原始地貌、保护植被、保护表土资源),尽可能少开挖、少占地,减小对地表的扰动和对植被的破坏。在施工总体布置时,通过弃渣综合利用造地,布置施工辅助设施；在砂石系统和骨料系统规划设计时推荐采用集成式布置；在施工营地布置时尽可能避开耕地和林地,选择荒地,最大程度地减少占地和开挖,节约自然资源。
在料源选择时,为了减少料场的开挖和占地,充分利用工程开挖洞渣,在科学试验的基础上,变废为宝,将开挖出来的石料变为混凝土的骨料,除大坝采用玄武岩粗骨料、灰岩细骨料,其余全为玄武岩骨料, 料源优先考虑使用工程开挖石渣。
在水电工程场内交通设计优化中,要把“以明路为主”改为“以桥梁、隧道为主”；对外交通在进行技术方案比选时也遵循“少占或不占用耕地、林地,少破坏或不破坏植被”的原则,尽量采用桥梁、隧洞替代明路，尽管对外交通土建工程投资大幅增加,但减少了占地和弃渣,有利于运行维护及运行安全,取得了较好生态效益和社会效益。
(2)从保护原有自然、人文景观,保护原有植被,合理利用当地现有资源的角度出发。主要目的在于对施工区可能受影响的树木和库区淹没线以下树木进行移植保护,这样既保护了地方性物种,也为将来电站建设背景林、沿江生态绿化建设提供了植物资源。
(3)考虑到施工结束后各临时占地区渣场、料场、施工营地复耕、绿化覆土的需要,水电工程还积极进行表土资源的收集利用。将岸边沟临时征用场地作为表土暂存场,对工程占地范围内的表层耕植土先行剥离后堆存,用于后期的复耕、绿化,不仅可减少本地表土资源的浪费,还可减少对异地表土资源的破坏。
(4) 在水电工程土保持生态恢复设计的树种选择上,本着体现生物多样性的特点,选用了大量的植物品种用于工程建设区的生态恢复建设,仅仅在三坪业主营地,就选用几十余种乔木、灌木,并且广泛使用乡土树种,选用当地适生的合欢、榕树、石楠、棕榈、董棕、鱼尾葵、杜鹃等几种具有明显地方特色的乡土树种作为骨干树种进行植被恢复和景观营造；通过常绿树与落叶树相结合、针叶树种与阔叶树种相结合,不同时令花期植物相结合,最终形成乔、灌、草立体植物群落体系,也较好地兼顾了景观构建需要。
(5)在水电工程建设过程中,充分考虑了工程建设对原来生态环境的影响。为减轻施工开挖和扰动造成的对地表的破坏,控制水土流失,恢复工程区生态功能,在施工区实施了大量的专项生态恢复项目,对各生产区、生活营区、开挖边坡、扰动迹地以及施工闲置空地进行绿化。不仅取得了良好的水土保持效果,而且极大地改善了施工区环境
(6)为了有效防治高陡边坡开挖造成的水土流失,业主还委托相关科研单位开展了水电工程高陡岩石边坡、公路边坡生态护坡试验专题研究,以地区气候和土壤等条件为背景,结合室内大比尺模型实验模拟,探讨了植被基材不同配比的酸碱性、抗侵蚀性及其对固、液、气三相分布的影响,并通过在石岩边坡(大于20000m2)和场内交通公路边坡的野外现场施工试验验证,初步确定了工程区最适宜的植被混凝土基材配比,适宜混播草种配方,现已在工程区的边坡生态修复中大面积推广应用。
5 结束语
在水电工程水土保持设计中,可前瞻地性运用生态设计的保护和节约性设计、恢复和再生性设计两大理念,重视在施工过程中最大程度减少占压土地、扰动地表、破坏植被和景观等对环境带来的负面影响,并且积极为施工区后期植被恢复和景观塑造创造有利条件,实现工程建设“与青山绿水同在,让青山绿水更美”的目标和生态环境保护协调发展。
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