工程堆積體坡面不同植被格局的控蝕效果研究

楊樹(shù)云，張鐵鋼，張 展，孫貫芳，李永紅，，高照良,，婁永才，齊星圓，趙 莼，吳 彤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.國(guó)家管網(wǎng)西部管道公司，烏魯木齊 830011；3.黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004；4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；5.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100000)

工程堆積體是人類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中形成的一種非永久性的特殊人工地貌，具有“平臺(tái)—陡坡”的結(jié)構(gòu)，其下墊面物質(zhì)組成復(fù)雜、土壤抗沖性差,在平臺(tái)匯集的徑流條件下極易引起坡面沖刷侵蝕和加速工程地貌水土流失，甚至引發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害，不僅影響自然生態(tài)環(huán)境，更對(duì)周邊居民的生命安全造成威脅。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目誘發(fā)的水土流失成為如今水土保持治理難點(diǎn)，亟需通過(guò)科學(xué)方式進(jìn)行解決。

植物措施在改善坡面立地條件、削弱徑流、攔截泥沙等方面發(fā)揮重要的作用，它是防治水土流失最行之有效的方法。植被的空間配置格局通過(guò)影響坡面徑流的匯集和挾沙能力，進(jìn)而影響坡面土壤侵蝕。然而不同的植被格局其坡面土壤侵蝕具有較大差異，合理的植被配置可以有效地防蝕減沙，但不合理的植被格局可能加劇土壤侵蝕的發(fā)生。因此，如何科學(xué)合理地布設(shè)堆積體坡面植被，有效地控制水土流失是當(dāng)前水土保持研究的重點(diǎn)。陳鵬等和任柯蒙等研究認(rèn)為，植被分布在自然坡面下部時(shí)坡面土壤流失量最小；李強(qiáng)等研究發(fā)現(xiàn)，黃土區(qū)隨機(jī)格局的植被配置水土保持效果較好；王恒星等研究提出,在黃土地區(qū)不同植被布設(shè)方式中,塊狀鑲嵌格局的水土保持效益明顯高于其他格局。由此可見(jiàn),何種植被格局能夠更好地防治水土流失目前沒(méi)有統(tǒng)一定論。坡面徑流是土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?，徑流剪切力和徑流功率通常被用?lái)衡量產(chǎn)生侵蝕的臨界水動(dòng)力條件。關(guān)于植被對(duì)土壤侵蝕動(dòng)力的調(diào)控，當(dāng)前研究主要集中于植被蓋度、植被密度、植被結(jié)構(gòu)對(duì)流速、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，而對(duì)于不同植被格局下徑流剪切力、徑流功率的響應(yīng)仍有待進(jìn)一步研究。另外,由于工程堆積體的陡坡土壤侵蝕機(jī)理也與一般天然緩坡的坡面具有很大不同,植被配置方式對(duì)陡坡工程堆積體邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響目前尚不清楚。

基于此，本文在野外采用放水沖刷試驗(yàn),來(lái)探討不同植被布設(shè)方式對(duì)工程堆積體陡坡坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,從而更深入闡明高陡坡度下工程堆積體不同植被格局坡面水土流失過(guò)程和侵蝕機(jī)制,以便于科學(xué)合理地優(yōu)化配置植物措施,為工程堆積體水土保持提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)方法

本研究采用野外人工模擬徑流的方法。試驗(yàn)的放水裝置由蓄水池、水閥、溢流槽等組成，試驗(yàn)時(shí)為了出流穩(wěn)定，利用恒壓桶供水，并配合水閥率定流量，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。為模擬黃土高原雨強(qiáng)0.5，1.0，1.5 mm/min，沖刷流量設(shè)計(jì)為10，20，30 L/min，時(shí)長(zhǎng)45 min。

注：1為蓄水池；2為水閥；3為恒壓桶；4為溢流口；5為水表；6為溢流槽；7為觀測(cè)斷面；8為坡度；9為試驗(yàn)小區(qū)；10為集流裝置。

試驗(yàn)小區(qū)由試驗(yàn)站周邊生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程開(kāi)挖的黃土填充，覆土前清除雜物及大顆粒(>2 mm)礫石，覆土厚約50 cm，土壤顆粒機(jī)械組成為：黏粒(<0.002 mm)33.15%，粉粒(0.002～0.05 mm)60.07%，砂粒(0.05～2.0 mm)6.78%。并用鋁塑板(埋深45 cm，高于坡面15 cm)拼接圍成。平均土壤容重為1.25 g/cm，土壤含水率為26.25%。

趙暄通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工程堆積體坡度多集中在26°～35°。因此，試驗(yàn)小區(qū)坡度采用32°，同時(shí)坡面長(zhǎng)、寬分別為20，1 m進(jìn)行試驗(yàn)。焦菊英等、劉斌等研究表明，黃土高原地區(qū)植被有效蓋度為50%。因此，本試驗(yàn)植被覆蓋度設(shè)計(jì)為50%，植被面積為10 m。設(shè)計(jì)裸坡(未布設(shè)植被)、坡頂(植被塊狀分布在距坡頂0～10 m的范圍內(nèi))、坡中(植被塊狀分布在距坡頂5～15 m的范圍內(nèi))、坡底(植被塊狀分布在距坡底0～10 m的范圍內(nèi))、條帶(植被條帶狀均勻分布在整個(gè)坡面，共10個(gè)條帶)5種植被配置格局，具體布設(shè)方式見(jiàn)圖2和表1。試驗(yàn)準(zhǔn)備期，在堆積體植被格局坡面鋪設(shè)1 m×1 m人工草皮10個(gè)，定期澆水養(yǎng)護(hù)，控制株高10 cm，待草皮完全適應(yīng)堆積體坡面時(shí)，開(kāi)始試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)小區(qū)植被布設(shè)

表1 不同植被格局布設(shè)情況

本試驗(yàn)集中于2018年7—8月進(jìn)行。試驗(yàn)重復(fù)2次，共30場(chǎng)。為控制試驗(yàn)小區(qū)初始試驗(yàn)條件，試驗(yàn)前1天采用工具平整壓實(shí)坡面，均勻?yàn)⑺疗旅婕磳a(chǎn)流，并用苫布苫蓋起來(lái)。試驗(yàn)小區(qū)每隔2.5 m設(shè)有觀測(cè)斷面(8個(gè))，試驗(yàn)開(kāi)始前，在坡頂、坡中、坡底采集土樣，用于測(cè)土壤容重和含水率。為準(zhǔn)確控制放水流量，試驗(yàn)前多次采用體積法率定，誤差控制在5%以內(nèi)，同時(shí)將水溫計(jì)置于溢流槽測(cè)量水溫。待小區(qū)下方集流槽出流后記錄產(chǎn)流時(shí)間，然后重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，沖刷時(shí)長(zhǎng)45 min。前6 min內(nèi)每隔2 min測(cè)量1次流速、徑流寬，同時(shí)用塑料瓶收集渾水泥樣并計(jì)時(shí)，6 min后每隔3 min測(cè)量1次，共16次。采用鋼尺人工測(cè)量徑流寬，高錳酸鉀示蹤法測(cè)定流速，所測(cè)的流速乘以校正系數(shù)0.75，作為各觀測(cè)斷面的平均流速。試驗(yàn)結(jié)束后記錄水溫，對(duì)泥樣進(jìn)行稱重、烘干等，并計(jì)算徑流率、產(chǎn)沙率等指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

徑流深()為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)坡面平均徑流深度(m)。

(1)

式中：為產(chǎn)流量(m)；為斷面流速(m/s)；為徑流寬(m)；為接樣時(shí)間(s)。

徑流率()為單位時(shí)間內(nèi)徑流體積(L/min)。

(2)

式中：′為渾水質(zhì)量(g)；為泥樣干重(g)；為水的密度(kg/m)；為接樣時(shí)間(s)。

產(chǎn)沙率()為單位時(shí)間單位面積內(nèi)泥沙輸移質(zhì)量(g/(m·s))。

(3)

式中：為泥樣干重(g)；為徑流寬(m)；為接樣時(shí)間(s)；為坡長(zhǎng)(m)。

減流效益()、減沙效益()為布設(shè)有植被的坡面與對(duì)照裸坡的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的比值。

(4)

(5)

式中：為對(duì)照裸坡產(chǎn)生徑流量(L/m)；為植被坡面產(chǎn)生徑流量(L/m)；為對(duì)照裸坡產(chǎn)沙量(g/m)；為植被坡面產(chǎn)沙量(g/m)。

徑流剪切力()反映徑流對(duì)坡面土壤的分離能力(N/m)。

=

(6)

式中：為渾水密度(kg/m)；為重力加速度(m/s)；為水力半徑(m)；為水力能坡，用坡度正切值近似代替。

徑流功率()表征單位面積水流所消耗的功率(N/(m·s))。

=

(7)

式中：為徑流剪切力(N/m)；為斷面流速(m/s)。

應(yīng)用Excel 2016進(jìn)行基本指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析等，并使用Origin 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被格局堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

2.1.1 堆積體坡面徑流率和產(chǎn)沙率 試驗(yàn)條件下，將不同格局的徑流率和產(chǎn)沙率作差異性檢驗(yàn)(表2)，隨時(shí)間的推移，徑流率、產(chǎn)沙率的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖3。從表2和圖3可知，徑流率在不同格局之間差異普遍顯著(<0.05)，不同格局下堆積體坡面徑流率隨時(shí)間先波動(dòng)上升、后趨于穩(wěn)定。裸坡的徑流率遠(yuǎn)大于布設(shè)有植被的坡面，而坡頂和條帶遠(yuǎn)小于其他格局，從植被布設(shè)位置上看，徑流率由坡底到坡頂逐漸減小。在3種放水流量下，坡頂、條帶、坡中、坡底植被格局堆積體坡面相較于裸坡平均徑流率分別降低61.17%，57.33%，41.62%，24.78%。流量為10 L/min時(shí)，裸坡和坡中格局與另外3種格局徑流率差異顯著(<0.05)，坡頂格局徑流率最小，僅為0.27 L/min，在產(chǎn)流后期變化較平穩(wěn)。流量為20 L/min時(shí)，條帶格局徑流率穩(wěn)定，總體處在0.87～1.30 L/min，與其他格局差異顯著(<0.05)。流量為30 L/min時(shí)，徑流率在不同格局之間均差異顯著(<0.05)，坡頂(2.13 L/min)，條帶(3.29 L/min)小于其他格局。

結(jié)合圖3和表2可知，不同植被格局堆積體坡面的產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化有所不同?？傮w來(lái)看，裸坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間的延長(zhǎng)較另外4種植被格局變化更為劇烈，呈現(xiàn)“多峰多谷”的態(tài)勢(shì)。在所有流量下裸坡產(chǎn)沙率顯著高于其他格局堆積體坡面。在3種放水流量下，條帶、坡頂、坡中、坡底植被格局堆積體坡面與裸坡相比，平均產(chǎn)沙率分別下降74.99%，61.10%，55.01%，46.43%。流量為10 L/min時(shí)，除裸坡和坡底格局外，其他格局的堆積體坡面產(chǎn)沙率波動(dòng)較小。流量為20 L/min時(shí)，條帶的產(chǎn)沙率變化最穩(wěn)定，與其余格局差異顯著(<0.05)。而裸坡變化劇烈，遠(yuǎn)高于其他格局坡面。流量為30 L/min時(shí)，5種格局坡面產(chǎn)沙率規(guī)律性差，條帶和坡頂格局與其他格局的產(chǎn)沙率相比差異顯著(<0.05)。

表2 不同植被格局下堆積體坡面徑流率、產(chǎn)沙率

圖3 不同植被格局下坡面徑流率和產(chǎn)沙率

表3 不同植被格局下產(chǎn)沙率(y)與徑流率(x)的關(guān)系

2.2 不同植被格局堆積體坡面減流減沙

為了分析堆積體坡面不同植被格局下的減流效益與減沙效益，選取產(chǎn)流時(shí)間、流速、土壤流失量做對(duì)比分析，并根據(jù)徑流量和產(chǎn)沙量，得出4種植被格局的減流效益、減沙效益(表4)。從表4可知，在放水4.88 min時(shí)，裸坡開(kāi)始產(chǎn)流，而植被格局堆積體坡面產(chǎn)流時(shí)間在5.08～10.91 min，坡頂、坡中、坡底、條帶格局下的產(chǎn)流時(shí)間分別是裸坡的1.83，1.21，1.04，2.34倍，表明植被能有效延緩產(chǎn)流。不同格局下坡面的平均流速表現(xiàn)為裸坡(0.62)>坡中(0.39)>坡底(0.34)>坡頂(0.30)>條帶(0.27)，植被格局堆積體坡面的流速均小于裸坡。4種植被格局下的土壤流失量相較于裸坡，減小幅度分別為71.69%(條帶)，56.10%(坡頂)，50.91%(坡中)，38.18%(坡底)。黃土堆積體坡面減流、減沙效益表現(xiàn)為條帶(65.97%，71.44%)減流減沙效果最好，坡頂(60.52%，57.22%)次之，隨后為坡中(44.45%，52.11%)，坡底(29.86%，37.70%)。整體上看，不同格局黃土堆積體坡面減沙效益(37.70%～71.44%)優(yōu)于減流效益(29.86%～65.97%)。由此可以得到，各配置植被坡面的格局中，條帶和坡頂格局延緩產(chǎn)流時(shí)間，降低坡面流速，大幅度減少土壤流失量，蓄水減沙效果優(yōu)于其他格局。

表4 不同植被格局下堆積體坡面的減流減沙效益

2.3 不同植被格局下侵蝕產(chǎn)沙與徑流剪切力、徑流功率的關(guān)系

將試驗(yàn)條件下不同格局的產(chǎn)沙率分別與徑流剪切力、徑流功率進(jìn)行回歸分析(表5)。由表5可知，產(chǎn)沙率與徑流剪切力、徑流功率在5種格局下均存在極顯著線性關(guān)系(=0.29～0.83，<0.01)，表明產(chǎn)沙率隨著徑流剪切力、徑流功率的增大而增大。除坡中格局外，產(chǎn)沙率與徑流功率的決定系數(shù)(=0.61～0.83)均高于徑流剪切力(=0.29～0.76)，用徑流功率預(yù)測(cè)不同格局下工程堆積體坡面產(chǎn)沙率更為合理。裸坡格局下的產(chǎn)沙率對(duì)徑流剪切力、徑流功率的敏感度(擬合斜率)分別達(dá)到0.91,1.95，均高于4種植被格局(0.18～0.83，1.29～1.69)，說(shuō)明植被覆蓋在一定程度上降低工程堆積體坡面的產(chǎn)沙率。

由表5可知，裸坡、坡頂、坡中、坡底、條帶格局下坡面徑流開(kāi)始搬運(yùn)泥沙顆粒的臨界徑流剪切力分別為-3.42，-14.61，1.46，-3.39，-0.91 N/m。臨界徑流功率分別為-0.24，-0.30，-0.67，0.19，-0.39 N/(m·s)。這表明植被覆蓋影響土壤侵蝕，整體提高臨界徑流剪切力(坡頂格局除外)，而對(duì)臨界徑流功率的影響有所不同，不同格局之間臨界徑流功率差異不大，除坡底格局為正值外，其余格局均為負(fù)值，坡頂、坡中、條帶格局的臨界徑流功率略小于裸坡，三者坡面徑流的剝蝕能力甚至超過(guò)裸坡。

表5 不同植被格局下產(chǎn)沙率與徑流剪切力、徑流功率的關(guān)系

3 討 論

不同植被格局中，裸坡的徑流率和產(chǎn)沙率波動(dòng)均最大，而布設(shè)有植被的坡面波動(dòng)小且更穩(wěn)定。這是由于植被覆蓋條件下裸露坡面和草皮交替分布，一方面植被物理攔截徑流，增加水分入滲，也削弱徑流侵蝕能力；另一方面，植被覆蓋降低水文連通性，切斷并縮短水沙的流動(dòng)路徑，極大地限制侵蝕溝的發(fā)育，進(jìn)而減緩或抑制坡面水土流失。與裸坡相比較，布設(shè)有植被的堆積體坡面均具有較好的減流減沙效益，條帶格局水土保持效果最好，坡底格局效果最差。而有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，植被布設(shè)于中下部時(shí)水土保持效果更好,究其原因是本文研究對(duì)象為工程堆積體，其土體結(jié)構(gòu)跟自然坡面不同，表現(xiàn)為土質(zhì)松散、抗蝕性差。位于坡面中下部的植被很難攔截從上方來(lái)的大部分徑流泥沙，所以坡中和坡底格局蓄水減沙效果不及其他格局。在堆積體坡面的不同坡位中，坡頂部土壤侵蝕最為嚴(yán)重，在坡的上部布設(shè)植被，攔截和分散徑流，降低流速，可有效地?cái)r截徑流泥沙；而條帶格局則均勻地配置植被，形成一道道攔截，極大地削弱了徑流的挾沙能力。植被條帶格局較集中分布的格局(坡頂、坡中、坡底)更利于減輕土壤侵蝕。

本試驗(yàn)條件下，不同格局堆積體坡面的產(chǎn)沙率與徑流功率的線性相關(guān)性高于產(chǎn)沙率與徑流剪切力，徑流功率可以較好地預(yù)測(cè)工程堆積體坡面徑流搬運(yùn)泥沙的能力,這與聶慧瑩等、丁文斌等對(duì)工程堆積體坡面侵蝕動(dòng)力的研究結(jié)果一致。朱冰冰等也指出，草本植被覆蓋對(duì)侵蝕動(dòng)力有很大影響，徑流侵蝕功率能更好地預(yù)測(cè)土壤侵蝕。本研究臨界徑流剪切力、臨界徑流功率有負(fù)值，實(shí)施植被措施的坡面與對(duì)照坡面差異不明顯，這與肖培青等研究發(fā)現(xiàn)的草本和灌木覆蓋明顯提高了坡面的臨界徑流剪切力、臨界徑流功率不一致，這是由于其試驗(yàn)坡度為20°，相對(duì)本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的32°較緩，而且工程堆積體自身結(jié)構(gòu)松散，試驗(yàn)坡度為陡坡，水力侵蝕的同時(shí)也伴隨著自身重力侵蝕，加上產(chǎn)流后期坡面措施的作用減弱，“源-匯”轉(zhuǎn)變機(jī)制使得植被覆蓋的坡面侵蝕加劇。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)施工程措施的工程堆積體坡面，其臨界徑流剪切力、臨界徑流功率也有呈現(xiàn)負(fù)值的情況，說(shuō)明坡面措施的控蝕效果具有時(shí)效性。

分析不同植被格局下工程堆積體坡面控蝕效果對(duì)坡面合理布設(shè)植被進(jìn)行水土保持具有重要意義。但由于野外試驗(yàn)天氣、時(shí)間、人力等各種條件的限制，試驗(yàn)在布設(shè)的植被上只采用了單一的草皮布設(shè)，且只研究了不同格局下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程及侵蝕動(dòng)力調(diào)控，并未把植被格局的控蝕效果與其水文、泥沙連通性聯(lián)系起來(lái)，并用連通性指數(shù)來(lái)定量描述不同植被格局對(duì)土壤侵蝕的影響。在今后的研究中，應(yīng)考慮布設(shè)植被的多樣化，可選擇不同的草灌相結(jié)合，并與水文連通性和泥沙連通性聯(lián)系起來(lái)，探討其對(duì)工程堆積體坡面水土流失的影響。

4 結(jié) 論

(1)不同流量下，4種植被格局堆積體坡面的徑流率和產(chǎn)沙率與裸坡差異顯著(<0.05)，平均徑流率、產(chǎn)沙率較裸坡分別降低24.78%～61.17%，46.43%～74.99%，不同植被格局堆積體坡面徑流率和產(chǎn)沙率表現(xiàn)為裸坡>坡底>坡中>坡頂>條帶，且裸坡的徑流率和產(chǎn)沙率變化最為劇烈，條帶格局變化最平緩；不同格局的水沙關(guān)系為極顯著線性相關(guān)(=0.57～0.80，<0.01)，植被格局的水沙決定系數(shù)普遍小于裸坡。

(2)植被格局堆積體坡面具有較好的減流減沙效益，減流效益變化范圍為29.86%～65.97%，減沙效益變化范圍為37.70%～71.44%，減沙效益高于減流效益。條帶和坡頂格局的減流減沙效益優(yōu)于其他格局，條帶格局減流、減沙效益分別達(dá)到65.97%，71.44%，坡頂格局分別為60.52%，57.22%，因此在進(jìn)行堆積體坡面植被治理時(shí)可優(yōu)先選擇條帶進(jìn)行，其次也可選擇將植被布設(shè)在坡頂位置以求得到最大效益。

(3)不同格局產(chǎn)沙率與徑流剪切力呈極顯著線性正相關(guān)(=0.29～0.76，<0.01)，與徑流功率也為極顯著線性相關(guān)(=0.61～0.83，<0.01)，徑流功率與產(chǎn)沙率的相關(guān)性更高，徑流功率能更好地預(yù)測(cè)不同格局下工程堆積體坡面土壤侵蝕。