生產(chǎn)建設(shè)項目工程和植物相結(jié)合邊坡防護措施水土保持效益分析

國 銘，李子軒，李志梅，王海余，徐晨曦

（1.北京市延慶縣水土保持工作站，北京 102100；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；3.海河流域水土保持監(jiān)測中心站，天津 300170）

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及新領(lǐng)域的開發(fā)突飛猛進，雖然帶動經(jīng)濟發(fā)展和資源開發(fā)，但是也導(dǎo)致人為水土流失日趨嚴重。大規(guī)模的公路建設(shè)、河道整治、礦產(chǎn)生產(chǎn)等工程對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，尤其是水土流失問題異常突出，如何實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)本身與生態(tài)環(huán)境的和諧共存、有效降低土壤侵蝕、保護水土資源是當今生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持研究的重點工作之一。李海東等[1]通過介紹河道生態(tài)護坡的模式、生態(tài)護坡設(shè)計的原則等，探討研究不同生態(tài)功能需求的河道，采用不同的生態(tài)護坡技術(shù)，不僅滿足河道邊坡防護的要求，又能起到保持水土、凈化水體的生態(tài)作用。肖培青等[2]通過對不同土壤、坡度和植物措施配置的高速公路邊坡設(shè)置試驗小區(qū)并進行相關(guān)試驗研究，探討在暴雨和徑流沖刷條件下邊坡的細溝形成機理及其侵蝕特征。史彥林[3]通過對哈爾濱至同江高速公路設(shè)置簡易徑流小區(qū)，測定公路路基邊坡在不同防護措施作用下的徑流量、土壤侵蝕量，分析不同防護措施的水土保持效果。但是，針對不同邊坡防護措施的長期效果及措施改進的研究較少。

本研究主要以北京市延慶縣水土保持科技示范園內(nèi)11 個工程和植物相結(jié)合邊坡防護措施小區(qū)為對象，對小區(qū)的土壤侵蝕量、徑流量及植物生長進行6年的連續(xù)觀測，研究不同防護措施下的水土流失規(guī)律及水土保持效果，提出更加適合北方生產(chǎn)建設(shè)項目邊坡防護的措施，為施工單位提供必要的技術(shù)服務(wù)，為相關(guān)科研單位改善護坡設(shè)計提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

延慶縣水土保持科技示范園位于北京市延慶縣境內(nèi)，園區(qū)相對高程范圍為527.9～722.8 m，具有黃土區(qū)和土石山區(qū)2種地貌類型特點，設(shè)有氣象站、化驗室等必要設(shè)施設(shè)備，多年平均年降雨量為474.5 mm，降雨的年際年內(nèi)變化較大，6—9月多年平均降雨量為398.8 mm，占全年降雨總量的84%，多年平均風速為3.1 m/s；園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項目護坡措施監(jiān)測小區(qū)于2008年投入觀測，區(qū)域面積2.18 hm2，分布不同坡比、工程措施、植物措施以及對比監(jiān)測小區(qū)共計39 個。各小區(qū)主要用來研究北方地區(qū)工程和植物相結(jié)合的邊坡防護措施對水土流失的影響，工程措施的設(shè)計主要采用北方地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目常用方式，植物措施的設(shè)計主要采用北方鄉(xiāng)土喬灌草類。本研究選取了其中11 個工程和植物相結(jié)合邊坡防護措施小區(qū)，1個自然恢復(fù)小區(qū)和1個空白裸露小區(qū)作為研究區(qū)。各小區(qū)基本情況，見表1。

表1 小區(qū)基本情況

2 資料來源與研究方法

本研究基于延慶縣生產(chǎn)建設(shè)項目護坡措施監(jiān)測小區(qū)2008—2013年56 場次有效降雨的徑流泥沙觀測結(jié)果，對工程和植物相結(jié)合的邊坡防護措施小區(qū)水土保持效益進行分析。

2.1 資料來源

園區(qū)內(nèi)降雨數(shù)據(jù)由翻斗式數(shù)字雨量計和虹吸式自記雨量計精確記錄；利用植被覆蓋度自動計算系統(tǒng)（PCOVER）準確計算小區(qū)植被覆蓋度[4]，及時對13號小區(qū)進行除草，確保地表植被覆蓋度控制在5%以內(nèi)；現(xiàn)場觀測過程中，使用全剖面采樣器[5，6]對桶內(nèi)泥水進行采集，確保泥水樣品的代表性，采用烘干法測量含沙量[5]。根據(jù)降雨量監(jiān)測規(guī)范[7]每天檢查雨量監(jiān)測設(shè)備，確保儀器正常運行，計量準確；每天巡視護坡措施小區(qū)，清除小區(qū)徑流桶、分流桶、集流槽內(nèi)雜物，保證通道順暢。通過實地調(diào)查、測量，記錄生物演替和退化數(shù)據(jù)。完善監(jiān)測規(guī)章制度，對監(jiān)測人員進行定期培訓(xùn)，整理資料。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本研究共收集現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)56組、植被覆蓋度數(shù)據(jù)92 組，整編水土流失數(shù)據(jù)8 985 條。降雨根據(jù)黃錫荃等[8]的降雨等級劃分標準進行分類，在56 次有效降雨中，發(fā)生小雨、中雨、大雨和暴雨的次數(shù)分別為5、36、10 和5 次，出現(xiàn)的概率分別為8.9%、64.3%、17.9%、8.9%，年均有效降雨為248.5 mm。由于觀測小區(qū)緊靠山體、排列密集，植被發(fā)生明顯生物演替和衰退，各小區(qū)的工程措施保存完整；平均生物演替程度達到45%、原始植被退化率達到24%（14、20、21小區(qū)旱柳沒有發(fā)生演替和退化）。

2.3 研究方法

根據(jù)2008—2013年觀測到的邊坡防護措施小區(qū)降雨、徑流和產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)，分別計算各邊坡防護措施小區(qū)保水保土效益。通過保水保土效益對比分析，總結(jié)各小區(qū)的優(yōu)劣。

保水效益采用的計算方法為：

式中：η水為相對保水效益；W1為空白裸露小區(qū)降雨徑流深（mm）；W2為護坡措施小區(qū)降雨徑流深（mm）。

保土效益采用的計算方法為：

式中：η土為相對保土效益；S1為空白裸露單位面積沖刷量（t/km2）；S2為護坡措施小區(qū)單位面積沖刷量（t/km2）。

3 研究結(jié)果分析

3.1 長期觀測水土保持效益分析

通過對11個護坡措施小區(qū)及2個對比小區(qū)進行長達6年的連續(xù)觀測，匯總徑流深和土壤侵蝕量，獲得不同小區(qū)的保水保土效益，見表2。

（1）不同小區(qū)與保水效益的關(guān)系。11種邊坡防護措施小區(qū)的徑流深明顯低于空白對比裸露小區(qū)（見表2）。不同護坡措施的保水效益也有較大差別，如連鎖磚植草小區(qū)磚體無透水性，磚體占小區(qū)面積85%，降雨過程中產(chǎn)生大量徑流，造成保水效益最低（37.3%），其余10 種護坡措施的保水效益都高于51.0%，其中層疊鉛絲石籠插柳條小區(qū)保水效益最高（69.3%）。

（2）不同小區(qū)與保土效益的關(guān)系。11種邊坡防護措施小區(qū)的土壤侵蝕量明顯低于空白對比裸露小區(qū)（見表2）。不同護坡措施的保土效益同樣存在差別，如仿木樁攔擋栽植灌草小區(qū)的保土效益較低（58.7%），其余10種護坡措施的保土效益都高于65.3%，其中連鎖磚植草和網(wǎng)嵌三維植生袋的保土效益高于85.3%。自然恢復(fù)小區(qū)的保水保土效益較好（50.0%/65.3%），由于建設(shè)項目護坡措施主要目的是護坡固土、防止沖刷，兼顧美化環(huán)境等，所以不建議采用。

表2 2008—2013年小區(qū)徑流深和土壤侵蝕量結(jié)果匯總

3.2 暴雨條件下水土保持效果分析

56次有效降雨中，暴雨5次，平均單次降雨量為67.3 mm（I30為20.3 mm，I60為33.5 mm），在此對收集的5次觀測數(shù)據(jù)進行匯總分析，如圖1-2所示。

圖1 采用工程和植物相結(jié)合邊坡防護措施的各小區(qū)徑流深

圖2 采用工程和植物相結(jié)合邊坡防護措施的各小區(qū)單位面積沖刷量

在暴雨過程中，層疊鉛絲石籠插柳條和橡膠輪胎骨架植灌草小區(qū)保水效益均為87.1%，但是由于層疊鉛絲石籠插柳條小區(qū)坡面以瀑布形式從上到下垂直沖刷，土壤侵蝕強度增大，保土效益（58.6%）低于自然恢復(fù)小區(qū)（67.9%）；由于連鎖磚磚體所占小區(qū)面積大，所以其保土效益最高為95.3%，但是其保水效益只有55.3%；網(wǎng)嵌三維植生袋小區(qū)，保水保土效益分別為80.6%和86.0%。橡膠輪胎骨架植灌草和網(wǎng)嵌三維植生袋小區(qū)的綜合保水保土效益良好，但由于廢舊輪胎具有一定危害性[9]，所以不建議大量使用。

4 結(jié)論

（1）在各種降雨條件下，網(wǎng)嵌三維植生袋護坡措施的長期效益良好，今后可以通過在袋間扦插柳條或栽植灌木、袋內(nèi)混種當?shù)夭莘N，繼續(xù)提高保水保土效益。

（2）在發(fā)生暴雨頻率高的地區(qū)，擇優(yōu)選擇網(wǎng)嵌三維植生袋措施或重新設(shè)計層疊鉛絲石籠插柳條小區(qū)中的生物措施，利用柳條與灌草植物相結(jié)合，進而保證其護坡措施能夠達到更好的保水保土效益。

（3）改進部分工程措施及植物措施，提高保水保土效益。如，可以將磚體設(shè)計成具有透水功能的磚體，在低降雨強度下有效提高保水效益。

（4）由于各小區(qū)植物演替和退化現(xiàn)象的發(fā)生，而且施工坡度較大，所以在設(shè)計階段要盡量選擇鄉(xiāng)土植物種類，并且優(yōu)化工程措施，以提高生物措施的美觀性和工程措施的可操作性。

[1]李海東，林杰，張金池，等.生態(tài)護坡技術(shù)在河道邊坡水土保持中的應(yīng)用[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，32（1）：119-123.

[2]肖培青，史學(xué)建，陳江南，等.高速公路邊坡防護的降雨和徑流沖刷試驗研究[J].水土保持通報，2004，24（1）：16-18.

[3]史彥林.高速公路路基邊坡水土流失防治效果試驗研究[J].中國水土保持，2013，（6）：58-59.

[4]章文波，路炳軍，石偉.植被覆蓋度的照相測量及其自動計算[J].水土保持通報，2009，29（2）：39-42.

[5]路炳軍，袁愛萍，章文波.徑流小區(qū)集流桶（池）泥沙含量快速測定方法探討[J].水土保持通報，2009，29（2）：16-17.

[6]符素華，付金生，王曉嵐，等.徑流小區(qū)集流桶含沙量測量方法研究[J].水土保持通報，2003，23（6）：39-41.

[7]SL21—1990，降水量觀測規(guī)范[S].

[8]黃錫荃，李惠明，金伯欣.水文學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1993.

[9]許冠英，彭曉春，周少奇，等.廢舊輪胎回收利用對策[J].廣州環(huán)境科學(xué)，2009，24（4）：25-31.