Пример применения трехмерных сеток для укрепления растительности с целью предотвращения эрозии склонов во время муссонного сезона
Введение: Вызов муссонного сезона
Каждый год сильные дожди во время муссонов превращают ранее стабильные склоны в опасные участки, где может произойти обрушение. Склоны с отсутствующим покровом почвы, плохой дренажной системой и редкой растительностью могут обрушиться в течение нескольких часов, уничтожая дороги, дома и места обитания растений. Традиционные методы борьбы с эрозией, такие как установка бетонных ограждений или защитных конструкций, зачастую оказываются неэффективными, поскольку не устраняют основную причину проблемы — отсутствие растительности с глубоко укоренившимися корнями, способной укреплять почву.
В данном примере рассматривается крутой склон горы в Юго-Восточной Азии, на котором ранее часто происходили незначительные оползни. Инженеры воспользовались системой растительности, предназначенной для предотвращения оползней, в сочетании с трехмерными геоматериалами и местными семенами. В результате за три подряд идущих муссонных сезона не было зафиксировано ни одного случая катастрофических оползней.
Мы узнаем, как растительность, произрастающая вдоль водотоков, а также методы восстановления растительности на наклонных участках с мягким почвенным покровом помогли превратить ранее опасный склон в стабильный, покрытый растительностью ландшафт.
Условия места расположения объекта: почему традиционные методы оказались неэффективными
Этот склон представлял собой участок земли с углом наклона 35 градусов и длиной 120 метров; он был составлен из выветренного силтового сланца и слизистой глины. Годовой объем осадков во время муссонов превышал 2500 мм, а интенсивность осадков достигала 80 мм в час. До проведения ремонтных работ склон демонстрировал явные признаки деградации: эрозия, вызванная стоком воды с поверхности земли; обнаженные корни деревьев; трещины, свидетельствующие о риске обрушения склона; участки голой земли, на которых растительность погибла во время засух; отсутствие эффективной дренажной системы.
Предыдущие попытки использования ютовых ковриков и метода гидрозасева потерпели неудачу из-за того, что сильные дожди смывали семена и верхний слой почвы. Бетонные защитные стены оказались слишком дорогостоящим решением и не способны были предотвратить накопление подпочвенной воды. Команда хотела получить устройство, которое бы сочетало в себе механическую укрепляющую конструкцию с долгосрочными органическими методами стабилизации почвы.
Именно в таких условиях и нашла применение сетчатая система обеспечения безопасности от оползней. В отличие от плоских материалов, трехмерные укрепляющие сети образуют полужесткую структуру, которая удерживает частицы почвы, одновременно позволяя корням проникать сквозь нее. Этот подход оказался единственно возможным решением в подобных условиях.
Рекомендуемое решение: сетки для укрепления 3D-растительности
Изначально в качестве выбранного варианта использовалась трехмерная сетка из полипропилена толщиной 15 мм с открытой структурой ячеек. Эта сетка обладает высокой прочностью на растяжение (более 5 кН/м) и устойчивостью к ультрафиолетовому излучению; благодаря этим свойствам она может использоваться в тропических условиях в течение как минимум 5 лет. Волнистые нити сетки привлекают семена, компост и другие удобрения, а также способствуют образованию микропреград, снижающих скорость стока воды.
Основные особенности 3D-интернета заключаются в взаимосвязи его элементов на многих уровнях: открытая структура позволяет корням трав и кустарников проникать сквозь несколько слоев, образуя таким образом сеть, укрепляющую почву. Эта структура также водопроницаема; в отличие от пластиковых покрытий, она позволяет воде медленно проникать в почву, предотвращая накопление опасного давления в порах. Ее гибкость позволяет адаптироваться к неровным поверхностям, не вызывая при этом растрескиваний или повреждений.
Для реализации этого проекта группа создала сеть растений, способствующих предотвращению оползней; в эту сеть были включены виды с глубоко укоренившимися корнями, такие как ветивер (его корни могут проникать на глубину до четырех метров) и клевер, используемый для покрытия поверхности земли. Для крепления этих растений использовались металлические клинья U-образной формы, расположенные с интервалом в один метр; в зонах повышенного риска клинья размещались ближе друг к другу.
Шаги реализации кейс-студии
Первый шаг– Подготовка склона
Ранее существующие свободные частицы постоянно удалялись с поверхности склона, а на нем создавались неглубокие террасы каждые восемь метров – это позволяло сделать склон более коротким и безопасным. Каналы дренажа переоборудовывались так, чтобы вода стекала в специально предусмотренные ровины, вместо того чтобы распространяться по всему склону без контроля. Сверхний слой почвы толщиной в сто миллиметров перекапывался и смешивался с натуральным компостом (в объеме 20%) – это улучшало способность почвы удерживать воду и создавало плодородную основу для быстрого прорастания семян.
Второй этап: посев семян и установка сетки
Для посева использовалась специальная сеяльная машина, распределявшая семена по норме 35 граммов на квадратный метр. Семена включали в себя однолетние рожьи, быстро прорастающие и обеспечивающие быстрое покрытие почвы в первый год, медленно растущие многолетние травы, способствующие формированию прочной корневой системы, а также бобовые растения, фиксирующие азот и естественным образом обогащающие почву. Сразу после посева растительность, предназначенная для предотвращения оползней, раскатывалась вниз по склону с перекрытием между смежными полосами в 100 миллиметров. Крепежные стержни устанавливались каждые 0,5 метра вдоль перекрытий и каждые 1,5 метра по всей площади посева. На самых крутых участках расстояние между стержнями уменьшалось до 1 метра, чтобы предотвратить их смещение под действием сильных дождей.
Шаг третий: интеграция систем дренажа с сетками растительности, произрастающей вдоль берегов водоемов
В нижней части склона, где во время муссонных дождей появляются сезонные источники, вдоль двух дренажных каналов длиной по 40 метров ранее была установлена речная растительная пленка. Эта пленка специально разработана для условий повышенной влажности: она обладает повышенной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и более толстыми волокнами, позволяющими ей выдерживать действие потока воды во время штормов. Установка растительной пленки осуществлялась с использованием биоразлагаемых кокосовых бревен, размещенных по краям каждого канала. Эти бревна замедляют течение воды, задерживают осадки и образуют небольшие водоемы, благоприятные для быстрого развития влаголюбивых растений. Через шесть месяцев через эту пленку проросли местные злаки и осоки, образовав живой, устойчивый к эрозии слой растительности.
Шаг четвертый: обработка участков с мягкой почвой
Участок шириной 25 метров, расположенный близко к центру склона, представлял особую сложность: почва здесь была чрезвычайно рыхлой, а значение показателя проникновения воды N составляло менее четырех единиц по стандартам; поэтому обычные методы анкерирования были неэффективны. Инженеры применили специальные методы восстановления растительности на такой почве. Сначала они установили вертикальные дренажные каналы глубиной 3 метра с интервалом 2 метра между ними, чтобы ускорить процесс уплотнения рыхлой почвы. Через два месяца после начала этих работ они нанесли тонкий слой геотекстиля для дополнительной защиты почвы. Затем была уложена трехмерная сетка из специальных материалов с интервалом 0,8 метра между ее элементами. Для обеспечения хорошего укоренения растений в рыхлой почве использовался метод гидрозасева; количество семян, внесенных на этот участок, было в два раза больше обычного. Таким образом, корни растений смогли проникнуть в более плотную почву, находящуюся под рыхлым слоем.
Результаты мониторинга за два года
Раньше угол наклона определяли с помощью осадкомеров, инклинометров и обычных визуальных осмотров. Результаты таких мероприятий оказались впечатляющими.
После первого сезона муссонов покрытие растительностью достигло 80 процентов. На основных склонах не наблюдалось никакой эрозии, превышающей 15 миллиметров. Сеть растительности, предотвращающей оползни, оставалась неповрежденной даже во время ливня, длившегося шесть часов и сопровождавшегося осадками в размере 90 миллиметров в час. Проверка корней показала, что они проникли на глубину от 30 до 40 сантиметров в почву.
После второго сезона муссонов покров растительности увеличился на 95 процентов. У растения ветивер глубина корней превысила один метр, а коэффициент сдвига почвы возрос на 270 процентов по сравнению с уровнем до установки устройства. Растительные заросли вдоль речных берегов не привели к образованию ручьев или оврагов; осадки эффективно удерживались в трехмерных «клетках» сетки, а биоразлагаемые бревна из кокосовой коры начали разлагаться, оставляя после себя плотный слой растений водно-болотных угодий.
Восстановление растительности на этой участке прошло даже лучше, чем ожидалось. Толщина почвенного слоя здесь составляла менее двух миллиметров — что с инженерной точки зрения считается незначительным показателем. Все растения крепко укоренились, а их глубокие корни превратили ранее гладкую глинистую почву в прочную структуру, состоящую из корней и почвы. Через три полных муссонных сезона на склоне не было замечено ни оползней, ни трещин. В отличие от этого, соседний неработанный склон с аналогичной геологической структурой дважды подвергся разрушению за тот же период, что потребовало дорогостоящих аварийных ремонтных работ.
Почему 3D-системы моделирования растительности превосходят традиционные методы
При сравнении 3D-систем обеспечения растительностью с традиционными методами становится очевидным множество их преимуществ. Традиционный метод гидрозасева характеризуется низкими первоначальными затратами, однако долгосрочная эффективность этого метода ограничена из-за того, что сильные дожди часто смывают семена и молодые растения ещё до того, как у них успеют вырасти корни. Бетонные ограждения обеспечивают достаточную стабильность растительности, но они жёсткие, препятствуют естественному дренажу и не имеют экологической пользы. Кроме того, их установка на крутых склонах гор сопряжена с значительными дополнительными затратами.
Сеть растений, предназначенных для предотвращения оползней, обеспечивает мгновенное механическое укрепление почвенного покрова с момента её установки. В течение первых нескольких недель эта сеть сама по себе способна удерживать почву на месте. Затем, в течение следующих шести–двенадцати месяцев, корни растений прорастают сквозь эту сеть и берут на себя функцию её укрепления. Такой двухэтапный механизм защиты невозможно обеспечить никакой другой системой борьбы с эрозией.
Для прибрежных зон растительные заросли оказываются более эффективными в защите русла от эрозии, чем обычные защитные сооружения из камней. Поскольку растительность не увеличивает скорость стока воды, такие сооружения, напротив, способствуют образованию турбулентности, которая разрушает дно русла. В то время как растительные заросли поглощают энергию потока воды и задерживают питательные вещества, содержащиеся в осадках, что способствует быстрому росту ив и других растений. В итоге получается саморемонтирующийся слой растительности, который со временем только улучшается в своих свойствах.
Экологические и экономические преимущества
Экологические преимущества данной инициативы оказались значительными. Пиковый объем наносов, выносимых водами, снизился с 12 единиц на гектар за 12 месяцев до менее чем 0,5 единицы спустя два года. Такое снижение уровня наносов защищает водохранилища, ирригационные каналы и коралловые рифы от засорения ила.
Также значительно увеличилась скорость восполнения грунтовых вод. Скорость проникновения воды в почву увеличилась с 15 мм в час на обнаженной почве до более чем 80 мм в час под покровом растительности. Теперь большая часть воды, приносимой муссонами, попадает в близлежащие водоносные горизонты, вместо того чтобы растекаться дальше и вызывать затопления в нижележащих районах. Это представляет собой важнейшее преимущество в районах, где водоснабжение в засушливый сезон полностью зависит от воды, поступающей с муссонами.
Финансовые экономии, связанные с обслуживанием этой системы, также оказались впечатляющими. После её установки не требовалось ежегодное засевание травы или замена сетки из растений. Сетка, предназначенная для предотвращения оползней, постепенно разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения в течение 5–7 лет; однако к этому времени корни растений уже способны обеспечивать себя самостоятельно. Достаточно проводить один осмотр в год, чтобы выявить возможные признаки эрозии или образования ручьёв.
С экологической точки зрения, 3D-интернет-пространство позволяет поглощать около трех тонн углекислого газа на гектар в течение года и обеспечивает среду обитания для насекомых и мелких рептилий. Регионы, покрытые прибрежной растительностью, стали местами размножения местных лягушек; численность птиц в этих районах значительно увеличилась. Таким образом, данная технология представляет собой настоящий взаимовыгодный подход как для развития технологий, так и для защиты окружающей среды.
Уроки для будущих проектов по строительству объектов на склонах холмов в сезон муссонов
На основе этого примера реальной практики выявляются различные эффективные подходы, которые могут быть использованы инженерами и специалистами по управлению земельными ресурсами при планировании аналогичных проектов.
Во-первых, необходимо постоянно смешивать 3D-сетки с видами растений с глубоко укоренившейся корневой системой. Наиболее подходящими для этой цели являются трава ветивер, горох голубой и определенные виды бамбука. Однако одни лишь поверхностно укоренившиеся растения не смогут предотвратить опасные ситуации, вызванные сильными дождями во время муссонного сезона.
Во-вторых, необходимо подбирать тип растительности, используемой для обеспечения стабильности склонов, в зависимости от уровня влажности почвы. На сухих верхних участках склонов следует использовать растительность, способствующую предотвращению оползней, а вдоль дренажных систем и в местах, где скапливается вода, следует выбирать растительность, предназначенную для защиты берегов водоемов. Использование неподходящей растительности во влажных условиях приведет к ее преждевременному разрушению.
В-третьих, мягкий грунт следует обрабатывать отдельно. Для восстановления растительности на таком грунте необходимо предварительно укрепить его (с использованием дренажных систем или небольшого увеличения давления) перед укладкой основания конструкции. Если основание уложить непосредственно на гладкий глинистый грунт без предварительной подготовки, корни растений не смогут проникнуть на достаточную глубину, и со временем вся конструкция может просесться.
Во-четвертых, необходимо использовать дополнительные крепежные элементы на протяжении всего первого сезона дождей. На самых крутых участках склона каждые полметра следует использовать дополнительные крепления. Одно лишь наводнение в участке, не защищенном крепежом, может привести к разрушению всей сети, что позволит воде проникнуть под нее и вызвать затопление обширных площадей.
В конце концов, результаты следует оценивать уже спустя два полных сезона муссонных дождей после объявления о достижении успеха. Укрепление корневой системы происходит экспоненциально после вторых 12 месяцев – по мере созревания и взаимосвязывания корневых структур. Не стоит полагать, что склон останется стабильным уже после одного сезона лёгких дождей.
Заключение
Эрозия склонов во время муссонов больше не является неизбежной. Приведённый пример доказывает, что трёхмерные сети из растительности представляют собой экономически эффективное, долговечное и экологически безопасное решение проблемы. Благодаря применению сетей растительности для предотвращения оползней на наиболее крутых участках склонов, растительности во влажных дренажных каналах, а также мер по восстановлению растительности на уязвимых зонах инженеры смогли превратить ранее нестабильные склоны в надёжные и устойчивые объекты, которые выдержали три сильных муссонных сезона без каких-либо повреждений.
Для любых тропических или субтропических склонов с годовым количеством осадков более 1500 мм золотым стандартом сегодня являются трехмерные сетки, сочетаемые с растениями с глубоко расположенными корнями. Такой подход позволяет сотрудничать с природой, а не противостоять ей, и это единственно устойчивый способ предотвращения оползней в условиях изменяющегося климата.
