5.香根草水利应用

  • 香根草系统在水利水电工程建设中的应用

    一、概述

            香根草的生物学特性及其功能特点已被很多人所了解或掌握,而香根草技术虽然早在二十世纪九十年代就被国际香根草网络和有关香根草专家提出,并于2000年改名为香根草系统,但是,由于该技术的学科交叉性,使它已经超越了单纯的植物学范畴,因此在实际的应用中,存在着一些可变因素。特别是在不同的行业、不同的工程条件下,香根草系统应用后所发挥的作用有着较大的区别。

            香根草系统是一项综合而复杂的多种学科的边缘科学技术,其应用不仅需要具有丰富的植物学理论,也需要了解和掌握一定的工程力学、地质气象学和植物营养学的知识。为此,才能在工程建设中推广应用好这一系统,以替代或部分替代传统的浆砌石、混凝土或喷锚等刚性工程措施,从而达到既能加固工程,又能降低工程成本和保护环境的目的。

    二、应用的原理

            香根草系统的应用原理是在地表以下,香根草发达的根系,可在较短时间内使地下2~3米的土层内形成一排排抗滑的“生物桩”,大大地加强土体的抗剪强度, 满足固土保水、防止浅层滑坡的要求。在香根草篱之间可配置灌、草或藤本类植物, 其根系可在地下30~50cm范围内与香根草的根系交错连接,形成高密度的地下网状结构,加固土体。在地表以上,香根草浓密、坚硬的茎、叶及其配置的灌、草或藤本类植物,它们的蒸腾作用可减少土壤中的水分,缓冲雨水的冲击,缓减地表径流的冲刷力,防止表土的流失。从而达到水土保持、抗滑护坡的目的。

            香根草发达的根系和坚硬的茎、叶,可使香根草站稳在0.6~0.8m深、3.5m/s流速的洪水中,消杀水流的冲刷力,使堤、岸坡免受洪水及风浪的淘刷,保护其安全。

    三、在水利水电工程建设中应用的特点

            香根草系统应用于不同的区域,其设计和配置的植物、施工的工艺和供应的营养成份是不一致的,因而,其产生的效果和功能有着较大的区别。

            就水利水电领域来看,其应用的特点主要体现在:配置相关的植物上,它们要耐涝、耐淹,也要耐旱。在设计上既要考虑洪水季节的泄洪、排水,还要防止风浪的淘刷。如施工的时间安排在冬天进行,就要在施工的工艺上作相应调整,事先培育好植物的“带状”或“袋状”苗,或采用高密度种植。从而也引导出“专业养护管理”的要求和香根草专用肥料的应用。特别是香根草专用肥的开发与应用,加速了香根草系统应用的可行性和成功率,使技术体系中的主要植物能在较短的时间内形成完整的系统防护功能。

            在满足上述要求的基础上,香根草系统在水利水电工程建设中的应用,目前已几乎能达到100%的成功率。

    四、应用实例

            香根草系统在中国水利水电工程建设中成功应用的事例已经很多,从2000年初开始到现在,在中国南方地区得到大量采纳和应用,并取得了很好的效果。而北方地区的许多水利水电部门也开始研究试验,希望能将这一技术引入北方。

            中国在水利水电系统中推广应用香根草系统,主要是由以广州市香根草业科技有限公司为主的企业进行实施。到目前为止,该企业已经在湖南、湖北、广东、广西及云南、贵州等省区的水利水电工程建设中进行了大量应用,特别是在国家级的一些重点工程建设中的应用,得到了工程界的专家、学者的认可。

            比较典型的应用工程有:湖南省张家界鱼潭水电站边坡滑坡治理、武汉市汉江口固滩护岸工程、武汉市青龙山水库边坡防护工程、广西百色水利枢纽工程前方营地右江河岸保护工程、广西罗城燕山水库溢洪道边坡治理工程、广西龙滩水电站库区边坡治理工程、广东省新兴县狮塘水电站的“崩岗壁”治理工程、广东饶平县汤溪水库溢洪道加固工程、广东河源市新丰江水库库岸边坡固土工程等等。

            其中几个具有代表性的应用工程实例列表如下:

    工程内容 湖南鱼潭水电站滑坡治理 武汉汉江口固滩护岸 广西百色水利枢纽前方营地右江河岸保护 广西罗城燕山水库溢洪道加固工程
    施工时间 2000.9.15~ 10.10 2001.4.20~ 5.1 2002.5.25~ 6.11 2002.12.18~ 12.25
    专业养护时间 2000.10.11~ 12.10 2001.5.2~ 6.30 2002.6.12~ 8.11 2002.12.26~ 2003.2.25
    地理位置 北纬29°17′,东经110°35′ 北纬30°56′,东经114°23 ′ 北纬23°55′,东经106°32′ 北纬24°47′,东经109°5′
    当地气候条件 年平均降雨量约1600mm;年平均气温16.3℃, 极端最高气温40.7℃, 极端最低气温-13.7℃。 年平均降雨量约1170mm;年平均气温16.3℃, 极端最高气温40℃, 极端最低气温-12.6℃。 年平均降雨量约1077.1mm;年平均气温22.2℃, 极端最高气温42.5℃, 极端最低气温-5.6℃。 年平均降雨量约1760mm;多年平均气温18.9℃, 极端最高气温38℃, 极端最低气温-4.0℃。
    地形地质条件 1、地形:陡峭,平均坡度为65°。
    2、地质构造:岩层顺层节理裂隙发育。
    3、地层岩性:有第四系坡积碎石含粘土、崩积块石,砾岩、页岩、砂岩。
    砂壤土质,营养良好。河岸阶地,为第四纪冲积堆积物。 1、土壤:弃碴堆积,其成分主要为黄色粉砂质页岩、粉砂岩,含部分黄壤土;土质偏酸性,土壤贫瘠,保水性能极低。
    2、坡比:1:1.5。
    溢洪道系开挖形成,两岸坡比:1:0.8~1.0。泄水槽,土质地基,浆砌石护面。
    香根草的种植设计 香根草在斜面上按120cm等高行距设计,丛距为10cm。 1、香根草顺水流方向纵向成行种植,行距为100cm,丛距为15cm;
    2、在行与行之间每相距300cm再斜线种植一排香根草,整体上形成菱型结构。
    1、香根草在坡斜面的等高行距为100cm,丛距为10cm;
    2、建立同步观测箱7个,监测香根草的生长。
    香根草的行距为100cm,丛距为20cm。
    其它植物的配置 百喜草、霹苈灌木。 百喜草、钝叶草为辅助草。 百喜草、百幕大草和蟛蜞菊。 百喜草、百幕大草和黑麦草
    施工工艺选择 1、香根草和霹苈采用营养袋苗种植;
    2、百喜草则采用无性繁殖与播种结合。
    1、香根草采用裸根种植;
    2、百喜草和钝叶草采用无性方式种植。
    1、香根草大部分采用裸根种植;
    2、百喜草和蟛蜞菊为无性繁殖,百幕大草为有性繁殖。
    1、香根草全部采用营养袋苗和条带状苗种植;
    2、百喜草采用无性繁殖;
    3、百幕大草与黑麦草采用播种。
    系统营养供应(土壤性质不同,采用的香根草1、2号专用肥的配方不一致) 1、基础肥采用有机肥与香根草专用1号肥结合;
    2、养护管理期使用香根草专用2号肥。
    1、基础肥采用有机肥与香根草专用1号肥结合;
    2、养护管理期使用香根草专用2号肥。
    1、基础肥采用有机肥与香根草专用1号肥结合;
    2、养护管理期使用香根草专用2号肥。
    1、基础肥采用有机肥与香根草专用1号肥结合;
    2、养护管理期使用香根草专用2号肥。
    养护管理期的水文气象影响 施工后进入冬季,未受雨水冲刷,但植物体系受气候变冷影响,处于冬眠状况。 施工后进入夏季,气温接近40℃,但当时该地区干旱,未受较大的雨水和洪浪考验。 施工后进入夏季,气温超过41℃,同时河道内水位上涨4次,共被淹没10天。 施工后一周气温降到0℃以下,植物被20cm的积雪掩埋近10天,最低温度-2℃,共计5天。
    专业养护管理期观测效果 1、11月10日(30天后)观测:香根草叶尖变红,百喜草变化不大,而霹苈则返青;
    2、12月15日(65天后)观测:所有植物进入冬眠状况,植物总覆盖率仅达到65%;
    3、2001年4月10日(160天后)观测:所有植物全部返青发芽,香根草高度平均120cm,百喜草覆盖率达70%,而霹苈生长发育最好。
    1、5月20日(20天后)观测:香根草返青率80%,百喜草、钝叶草返青率90%,裸露的沙滩基本被覆盖;
    2、6月22日(52天后)观测,香根草存活率达到98%,其他植物存活率100%,香根草根系平均达到70cm,百喜草的根系平均达到45cm;
    3、7月27日(87天后)观测,香根草地上高度为150cm,地下根系深度平均达到120cm。部分香根草经水淹后,仍生长发育茂盛。
    1、7月5日(25天后)观测:高程124m以下植物90%被河水冲走,余下香根草全部返青发出新叶,其它植物平均生长高度2-3cm,基本可见绿色,但还不能覆盖;
    2、7月25日(45天后)观测:香根草平均高度80cm,分蘖达到6株以上,其它植物根茎已匍匐在地长达10cm,平均高3-4cm,局部不理想;
    3、8月10日(60天后)观测:香根草平均高度100cm,最多分蘖21丛,其它植物生长发育极好,基本覆盖裸露的表土。
    1、2003年1月28日(34天后)观测:积雪已经融化,其中香根草死亡15%,百喜草与百幕大草无变化,黑麦草则生长良好;
    2、2月18日(55天后)观测:香根草、百喜草、百幕大草均无明显变化,黑麦草则将工程面大部分覆盖;
    3、3月29日(96天后)观测:所有植物全部返青生长,香根草平均高度50cm,百喜草与百幕大草的覆盖率达到65%;
    复查时间与效果 2001年7月20日经280天后观测:香根草平均高达185cm,百喜草和霹苈全部覆盖裸露的山体,整个滑坡面得到有效控制。 2002年6月9日经404天后观测:香根草重新分蘖生长,固滩效果显着,但由于没有专人管理,而显得较为零乱,部分百喜草与钝叶草被河水冲走。 2003年4月5日经296天生长发育后,对样品Ⅶ号箱进行开箱观测:香根草的根系长为210cm,根系冠幅为40cm,主根平均直径为φ1.5mm。 2003年4月30日经127天后观测:香根草的平均高度为90cm,百喜草与百幕大草全部覆盖表土,而黑麦草开始死亡。

    五、效果分析与存在的问题

            由上述四个应用工程的效果对比来看,香根草系统在中国南方地区水利水电工程建设中的应用有以下几个特点:

            a) 在北纬35°以下,东经100°~120°之间,香根草系统均可以成功应用。但在冬季施工时,应该严格把好种苗与施工工艺选择;

            b) 设计的物种配置方面,尽量选择当地物种资源,同时了解和掌握施工面的地质结构与土壤营养,进行必要的土壤改良和专业营养供应;

            c) 施工工艺、专业养护管理和专用营养供应是香根草系统应用成功的关键;

            d) 合理的设计和标准的施工程序,可以使香根草系统方案在30天内初具功能,而60天后香根草系统的整体功能基本上可以达到,可以承受流速为2m/s的水流的冲击(百色工程)。当然,在应用香根草系统的过程中也仍然存在如下的一些实际问题:

            1、如施工的时间安排在冬季,则施工的成本上升,比春、夏季施工的成本高出近3倍,而效果也延迟近半年时间才能体现,易使业主单位怀疑香根草系统的可行性;

            2、施工地域不同,设计者在选择当地物种配置方面有一定困难,使得设计的物种不是十分完美,从而影响业主单位对美观的要求;

            3、香根草虽然能够抗滑、护坡、保护堤坝,但由于其生长发育太高、太密,势必影响一些河道的泄洪功能。

    六、展望

            香根草的研究在中国、在世界多个国家已有很长的历史,而香根草系统的综合应用在中国乃至世界上都是近几年来才发展起来,其技术工艺有待进一步提高与完善。然而,其功能和作用已被许多工程师所了解与接受,并得到越来越多的应用。其环保功能和低成本,必然在未来的工程建设中起到积极的作用。但是,由于其技术的应用已经越出了植物学的范畴,因而,多学科加强进一步的沟通与协作,将直接影响到香根草系统的未来发展趋势。