植物柔性工程学浅思

毕慈芬，王富贵

(黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021)

1 问题的提出

笔者在进行长达十余年之久的砒砂岩地区沙棘植物柔性坝试验研究、拓宽与推广试验研究和防止砒砂岩地区沟道土壤侵蚀的水土保持综合技术研究的过程中，目睹了砒砂岩区沟道人工湿地生态系统的显现，它改变了该区降雨汇流和产沙输沙特性，给人一种美好的向往，那就是砒砂岩区可能会是黄土高原恶劣环境中最早实现山绿、地肥、水美的好地方。

几十年的水土保持科学试验研究和实践证明，任何单一的刚性工程技术是不可能解决地貌复杂、千沟万壑、形态各异、正在发育的沟道系统不断遭受的水力、风力、冻融、重力各种外营力对支毛沟沟头、沟谷坡面严重的土壤侵蚀的。早日实现在产沙源头“把水喝光把沙吃净”[1]，是水利前辈林一山的治黄卓见。实际上《砒砂岩区沟道人工湿地生态系统的构建和建议》提出的是一个刚柔结合的沟道人工生态系统的构建方法，其实质是在以小流域为单元的水土流失治理思想指导下，不仅要控制泥沙移动，就是保住“土”，而且要实现对“水”的控制，就是保住“水”。因为仅保“土”不可能达到沟道系统可持续发展，只有既保“土”也保“水”，才能达到钱正英提出的“小流域治理可以发展成为黄土高原的系统工程”的要求。为此，提出“植物柔性工程学”研究，以补充刚性工程之不足。这是一门水利工程学和植物学等多学科交叉的边缘新兴学科，具体设想是：植物柔性工程学是沟道人工湿地生态系统构建的科学指南和理论基础，而沟道人工湿地生态系统构建是进行试验研究、示范的平台，是实现沟壑治理和改善干旱半干旱地区生态环境的有效途径，也是河流生态系统的重要组成部分，这是黄土高原基岩产沙区标本兼治之举。

选择皇甫川的纳林川沙圪堵以上1 351 km2流域进行沟道人工湿地生态系统构建，不仅因为这里是砒砂岩区的核心，而且是要实现防治砒砂岩区沟道土壤侵蚀的水土保持综合技术，必须在大空间尺度范围内自上而下进行全方位有序的技术组装，以获得在大系统流域内展示各系统的试验示范模式全貌。更理想的是沙圪堵水文站有较长系列的水文泥沙测验资料，可对各项试验成果进行佐证，以取得有价值的科学试验数据，作为植物柔性工程学的科学数据基础。

2 植物柔性工程

2.1 植物柔性工程概念的产生

1992年8月笔者提出沙棘植物柔性坝试验研究时，就想用刚性工程技术理念，在砒砂岩区大比降支毛沟沟头垂直水流方向按坝工技术指导沙棘种植，期望能形成沙棘植物柔性坝，这是植物柔性工程的最初设想。

为此，选择在内蒙古准格尔旗西召沟小流域内对1.67 km2的东一支沟进行了长达5年的野外试验，取得了创新成果。东一支沟上游有支毛沟36条，总长2 485 m，占东一支沟沟道总长的86%，平均沟道纵比降1.65%～7.71%。后于2001年在西召沟主沟头2.305 km2范围的17条支毛沟内进行拓宽试验，沟道平均比降在4.6%～25%之间，也取得了同样的可重复性成果。在此基础上又研究了“防止砒砂岩区沟道土壤侵蚀综合技术”，形成了以小流域为单元自上而下沙棘植物柔性坝+淤地坝+骨干坝+微型水库协调的沟道沙土水治理模式。至此，“植物柔性工程”的概念油然而生。

2.2 植物柔性工程定义及作用

植物柔性工程是在特定的地理地貌条件下，为解决砒砂岩区正在发育的支毛沟沟头、沟谷坡面土壤侵蚀和泥沙输移问题而提出的。植物柔性工程由活性植物构成，它既是植物又是工程，把两者统一于一体，既是坝体材料又能自动生长形成活性柔性坝，其坝高与时间成正相关。它把沟坡的产沙就地拦截，淤填成沟田，同时形成土壤水库，从而协调沟坡关系，充分合理利用当地水土资源，是与自然一致的水利工程技术方法，属水利生态工程学范畴。实践证明，在砒砂岩区沟道淤地坝实施推广过程中，如在沟道平均纵比降为1.65%～7.71%的西召沟东一支沟，针对正在发育的大比降支毛沟沟头地形，刚性工程达不到安全控制产沙的目的。西召沟东一支沟布设沙棘植物柔性坝之前，0#柔性坝下游839 m处于1991年修建了1#谷坊，谷坊高9 m，右岸布设了1 m宽的溢洪道。每年汛期若遇次降雨量大于30 mm的降水，谷坊就被暴雨洪水冲垮，年年都要补修。自1995年春布设沙棘植物柔性坝，至今谷坊完好未垮。在沙棘植物柔性坝试验研究和实践过程中，内蒙古准格尔旗西召沟小流域主沟头布设柔性坝群的17条支毛沟，加上东一支沟，总面积3.975 km2的流域内沟道至今无一被冲刷，全部呈淤积状态，植物柔性坝工程依然稳定如初，而且沙棘不断生长，足以说明因地制宜的系列植物柔性工程已成为沟道治理系统一个不可缺少的重要组成部分。

2.3 植物柔性工程功能

(1)拦沙效应。植物柔性工程能直接分选固液两相流，同步拦粗排细，粗沙、细沙、水分治，使淤沙不断抬高，增强植物柔性工程基础的稳定性，形成连续不断的淤积坝体和稳固的活性加筋坝基。

(2)调水效应。在坝体拦沙淤积的同时，植物柔性工程上游的壅水和淤沙共同形成土壤水库，不仅增加暴雨洪水入渗量，增加土壤含水量，而且不断抬高沟床侵蚀基准面，植物柔性坝体随沙棘生长而不断增加，增强接收降雨、拦沙、蓄水的功能，自然形成沟道海绵人工湿地生态系统之首，起着沟头水塔的作用。

(3)生态效应。坝体不断增高，促进了植物群落恢复逐渐形成支毛沟沟头森林生态系统，给动物营造了天然栖息地。

(4)加筋防护效应。沙棘植物柔性工程的纵根在淤沙中起加筋加固坝基作用，其横根具有爬坡效应，形成沟谷坡、坡脚坡裙堆积物的防护网。

2.4 植物柔性工程分类

植物柔性工程可分为广义和狭义两种。广义植物柔性工程泛指针对各种地貌类型的植物柔性工程，狭义植物柔性工程专指某种地貌类型的植物柔性工程。

(1)按刚性工程功能分类，针对沟壑地貌植物柔性工程有植物柔性坝、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；针对淤地坝有淤地坝回水末端植物柔性体、淤地坝坝体外坡植物柔性体、淤地坝坝顶植物柔性体；沿沟壑纵向顺水流方向有植物柔性圈、植物柔性顺坝、植物柔性挑流坝、植物柔性护滩坝、植物柔性导流屏、植物柔性卡口工程和微型水库库岸防滑带、库内景观休闲美化带；针对坡地有植物柔性地埂、植物柔性篱等。此为狭义分类。

(2)按地貌类型分类，有植物柔性治坡工程(坡)、植物柔性治沟工程(沟)、植物柔性治沙工程(沙漠)、植物柔性治渍工程(盐渍)、植物柔性治岸工程(河岸、海岸)、植物柔性防风护路带(公路、铁路)、植物柔性景观带(城市道路、公园)等。此为广义分类。

2.5 植物柔性工程作用原理

(1)加糙、增阻、固沙、护坡。植物柔性工程的作用原理主要体现在植物干、枝、叶、根的加糙、增阻、固沙、护坡上，特别是灌木。植物干、枝距地表近，茂密的干、枝、叶形成形态各异的网状泄流孔(洞)，枝叶粗糙度的增加既加大了对水流的阻力，也缩小了过水断面，形成交错重叠的多孔卡口壅水，因而出现植物柔性坝坝体和坝上游壅水淤积；其纵根可固结淤沙，似活性加筋坝基，增加坝基固结应力和坝体抗冲刷能力，横根可向沟谷坡蔓爬形成护坡防冲网。

(2)消能、减速、入渗、供水。水流的动能和势能都能被植物柔性工程直接消减。水流受阻后，行进速度减小，沟道股流变成漫流。植物柔性工程坝体和坝上游壅水淤积段形成土壤水库，呈现流域支毛沟沟头水塔效应，水流冲击在植物柔性工程上，其枝叶如同海绵能消减动能，沟头植物柔性圈可阻止沟头前进、沟底冲刷。土壤水库增加土壤含水量、持水保水，增加对沟道长效供水。植物柔性工程符合综合运用“渗、滞、蓄、净、用、排”建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵湿地生态系统的要求。

2.6 植物柔性工程和刚性工程关系

植物柔性工程仿效刚性工程的结构、功能，与刚性工程合理配置，扬长避短。刚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刚性工程，具有广泛的适用性。

2.7 植物柔性工程适宜的地貌形态

黄土丘陵沟壑地貌总面积22万km2，占黄土高原水土流失面积43万km2的51%，基岩出露面积有5.33万km2，涉及的13条支流基岩产沙区年均输沙量5亿t，其中大于0.05 mm的粗泥沙量有2.62亿t。砒砂岩区面积1.2万km2，其输沙量占基岩产沙区总输沙量的22%，粗沙量占基岩产沙区粗沙量的37%，是典型的沟壑地貌。植物柔性工程无固定外形，适应性强，能“降服”形态各异的千沟万壑。在研究植物柔性工程学前，首先要研究沟壑地貌的形成、发育、形态和危害，才能有针对性地选择不同形式的植物柔性工程设计方案。

2.8 植物柔性工程伦理

植物柔性工程是以水生态和植被生态为基础的伦理概念，注重工程行为的道德规范是其重要的特点。如果工程行为的功能出现与自然发展不相适应的理念和价值观，那么从长远发展看是不能生存下去的。只有工程结果符合与自然发展相适应的理念和价值观，工程才能长久生存下去，这样适应自然和谐发展的过程才符合生态经济伦理。为此，工程和自然相适应、和谐永续发展应作为评价植物柔性工程的自然法则。

2.9 植物柔性工程研究方法

(1)在以小流域为单元，因地制宜、刚柔工程合理配置治理的前提下，必须遵循整体性、系统性、综合性和协调性原则，选择在中尺度、大尺度大面积野外试验平台上研究上述内容，还要研究植物柔性工程的规划设计准则、应用范围、实施指南、监测管理、哲学基础及其与区域生态经济的关系等问题。

(2)进行必要的室内模型试验和数理分析，以寻找获得最优实用模式，在此基础上再进行推广试验。

3 植物柔性工程学思考

3.1 植物柔性工程学的提出

我们在内蒙古准格尔旗西召沟小流域支毛沟进行了长达十年之久的沙棘植物柔性坝野外试验研究，取得了真实可靠的试验观测资料，获得了植物柔性工程的9项基本资料，涵盖了多学科知识，在此基础上提出了植物柔性工程学。这一学科已显现出很强的生命力，未来要通过大空间尺度的反复实践，加强总结和提升。

3.2 植物柔性工程学的性质、研究方法

植物柔性工程学是水利工程学和植物学相互渗透的、源于生产实践过程的、多学科交叉的一门边缘新兴学科，它是在尊重实践发现和抽象猜想的“实证”隐性思维指导下的产物。其研究方法是在考虑流域水系地貌单元的整体性、系统性前提下，针对水系的生态环境治理，探索一个顺其自然的可持续健康发展的水土保持生态恢复综合技术。

3.3 植物柔性工程学相关学科

植物柔性工程学是多学科交叉学科，涉及水工结构、水力学、水文学、河流动力学、土壤学、地理学、地貌学、植物学、森林学、气象学、生物学、生态学、生态经济学等。

4 结 语

本研究仅给出了植物柔性工程学的思考内容，为的是抛砖引玉，有利于开展这门新兴学科的探索研究，以指导生产实践。

随着人类对改善生态环境的迫切要求，植物柔性工程学将是与人类友好的一门学科，将在与人类生命、生存相关的各个领域发挥自己的优势，应该是一门有广阔前途、有实用价值的学科。植物柔性工程学研究必将有益于黄土高原水土流失治理、生态恢复，对黄河下游防洪减淤、堤防安全起到积极作用，并可缓解区域水资源短缺，促进经济可持续发展。