邊坡沖刷中防護(hù)土工布繩索的有效性研究

特來提·艾尼瓦

（塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾 843300）

1 引言

近年來的自然災(zāi)害與強(qiáng)降雨以及強(qiáng)烈干擾自然環(huán)境的農(nóng)業(yè)和工業(yè)人類活動(dòng)是許多與地表土壤侵蝕有關(guān)的問題的原因。土壤侵蝕成為一個(gè)嚴(yán)重的問題，它影響到河岸和湖泊、海岸沙丘和天然斜坡以及各種人工斜坡和堤防。在許多情況下，為了減少侵蝕的負(fù)面影響，必須采取一定的措施。為了保護(hù)斜坡不受到水的侵蝕，需要采用防護(hù)措施。一種有效的防護(hù)措施是土工合成材料的應(yīng)用[1]。土工合成材料能有效地保護(hù)邊坡不受地表土壤侵蝕，對(duì)植被發(fā)育具有積極作用[2]。

除了幾年前提到的產(chǎn)品外，還發(fā)明了新的創(chuàng)新土工織物。土工織物是由粗大的繩子用額外的連接鏈連接成段而成。對(duì)于繩索的制造，采用了Kemafil技術(shù)。結(jié)果表明，在土工布生產(chǎn)中，可采用消費(fèi)前或消費(fèi)后的紡織廢棄物。土工布的生產(chǎn)延長(zhǎng)了纖維的壽命，是一種有趣的替代方法，用以解決廢物紡織品處理的麻煩[3]。

由繩子排列成的土工織物成功地用于邊坡的穩(wěn)定，以及道路、排水溝和梯田邊坡的保護(hù)。近年來，在大西海子水庫下游的廢棄礫石坑中應(yīng)用了這種粗放鋼絲繩進(jìn)行邊坡侵蝕防護(hù)。本文分析繩索防蝕效果的有效性。

2 測(cè)量地特征

研究區(qū)位于大西海子水庫下游，有豐富的砂礫沉積物，豐富的礦床分布在土下淺層，砂、粘土層較薄，厚度較大，局部超過15 m。由于對(duì)礦物集料的需求很大，豐富的砂礫礦床被集中開發(fā)。由于開采形成深約10 m的深采掘坑?？觾?nèi)自然充水，形成小池（圖1）?？拥纼蓚?cè)陡坡不穩(wěn)定，易發(fā)生局部滑移?；颖卑对谠鼗砻嫘纬闪烁呒s4 m的人工路堤。利用開采過程中開采的覆蓋層材料建立路堤，加上在原地表開挖的陡坡，其穩(wěn)定性特別差，極易發(fā)生局部滑移（圖1）。

圖1 下游碎石坑的挖掘

3 水土保持措施

為保護(hù)邊坡，采用了由粗繩形成的土工布段。直徑為120 mm的繩索由Kemafil技術(shù)生產(chǎn)。該產(chǎn)品由羊毛針刺非織造布條和縫粘非織造布條制成，這些非織造布條由回收的天然纖維和合成纖維混合而成，這些纖維是通過粉碎和梳理消費(fèi)后的紡織廢料得來的。繩子的部分由再生纖維制成，添加了多年生黑麥草種子。

繩子排列成寬1.8 m、長(zhǎng)6 m的分段。為了穩(wěn)定每部分，隨后的幾圈繩索都是用厚厚的聚丙烯繩連接起來的。土工織物繩索被用于在邊坡最受威脅的部分固定大約150 m2的總面積。防護(hù)坡長(zhǎng)4 m～6 m，坡傾角1∶1至1∶1.8。繩子被固定在斜坡頂部，并用鋼銷固定在表面。使用的是由直徑為8 mm的肋桿制成的長(zhǎng)U形銷。為了保護(hù)更大的一段斜坡，隨后的幾段繩索被一段一段地鋪在一起。安裝的繩索的斜坡可見圖2（左）。安裝鋼絲繩的有效性見圖2（右）。從圖2（右）可以看出，受保護(hù)的邊坡部分植被較多，沒有侵蝕的跡象。

圖2 土工布繩作為防腐蝕措施的有效性

4 土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)

4.1 通用土壤流失方程（USLE）與侵蝕分類

為定量評(píng)價(jià)坡面侵蝕速率，應(yīng)用通用土壤流失方程（USLE）。平均年土壤侵蝕率（實(shí)際侵蝕率）EA采用公式計(jì)算：

式中：EA為年平均土壤侵蝕率（實(shí)際侵蝕率），t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm /（hm2·h·a）；K為土壤侵蝕度因子t· h /（MJ·mm）；LS為地形因素（無量綱）；C為封面管理因素（無量綱）；P為（無量綱）侵蝕控制實(shí)踐因素。

這個(gè)公式可以用來估計(jì)潛在的侵蝕率，即沒有任何侵蝕控制措施的侵蝕率（C=1和P=1）。在這種情況下，公式縮寫為：

式中：Ep為年平均土壤侵蝕率（潛在侵蝕率），t/（ hm2·a）。

在USLE模型對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)侵蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。根據(jù)預(yù)測(cè)的水土流失，可以將地點(diǎn)劃分為六個(gè)侵蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之一，假設(shè)每個(gè)特定侵蝕等級(jí)的土壤退化程度對(duì)應(yīng)于侵蝕強(qiáng)度等級(jí)，見表1。

表1 侵蝕等級(jí)和土壤退化

根據(jù)各種文獻(xiàn)，作者引入了每一類土壤流失的邊界值（表2、表3）。石灰性土壤被給予不同于其他土壤的標(biāo)準(zhǔn)。這是由剖面證明的，巖石和石質(zhì)碎片位于地表附近，相當(dāng)有限。相同程度的侵蝕強(qiáng)度導(dǎo)致土壤退化程度更大。

表2 實(shí)際侵蝕分類

表3 潛在侵蝕分類

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算的坡地部分年平均土壤侵蝕率（實(shí)際侵蝕率）EA和年平均土壤侵蝕率（潛在侵蝕率）EP，在使用繩索的地方，以及在沒有使用繩索的地方，將顯示使用繩索的防侵蝕方法的有效性。

4.2 土壤可蝕性因子（K）測(cè)定

土壤可蝕性因子（K）的計(jì)算公式如下：

式中：M是一個(gè)粒度參數(shù)，為粒徑在0.002 mm～0.1 mm百分比減去粘土百分比；是有機(jī)物含量相關(guān)參數(shù)，如果有機(jī)物含量大于4%，則 =4；b是土壤分類中使用的土壤結(jié)構(gòu)（極細(xì)顆粒：1；細(xì)顆粒：2；中或粗顆粒：3；和極粗顆粒：4；c為透水等級(jí)）。

在本案例中，從斜坡上采集了3個(gè)土壤樣本。對(duì)土壤顆粒大小分布以及基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，包括土壤含水率（w）、液限（wL）、塑限（wP）等基本參數(shù)也進(jìn)行測(cè)定，具體見表4。

表4 土壤顆粒性質(zhì)測(cè)定及可蝕性系數(shù)K值

4.3 地形因子（LS）的測(cè)定

表面地形對(duì)侵蝕過程的影響是在USLE建模方法中，包括使用地形因子（LS）。它結(jié)合了兩個(gè)特征—坡長(zhǎng)（L）和坡陡度（S）。USLE方程的目的是估算在整個(gè)長(zhǎng)度上具有相同陡度的均勻坡度侵蝕過程中的土壤流失。斜坡長(zhǎng)度被定義為從地面的源頭到斜坡坡度下降到足以開始沉積或徑流集中在指定的溝道的水平距離（不是平行于土壤表面的距離）。當(dāng)坡長(zhǎng)以米為單位測(cè)量時(shí)，L因子值的計(jì)算方法如下：

式中：為坡度長(zhǎng)度；m為坡度長(zhǎng)度指數(shù)（坡度在5%及以上時(shí)，m= 0.5；當(dāng)陡度為3.5%～ 5%時(shí)，m= 0.3；坡度為1%～3.5%時(shí)，m= 0.3；當(dāng)陡度＜ 1%時(shí)，m= 0.2。

坡度陡度因子（S）可以計(jì)算為：

其中：q為斜率陡度。由于坡度長(zhǎng)度 =4.0 m，坡度q= 45°（m= 0.5），因此L= 0.425， S= 35.994， LS=15.303。

4.4 覆蓋管理系數(shù)（C）

覆蓋管理系數(shù)（C）反映了耕作和管理措施對(duì)侵蝕率的影響。計(jì)算方法為實(shí)際條件下的土壤流失量與參考條件（連續(xù)休耕）下經(jīng)歷的土壤流失量的比值。確定農(nóng)業(yè)作物的系數(shù)C的值，需要詳細(xì)研究植被冠層在不同生長(zhǎng)階段所提供的抗侵蝕保護(hù)，以及減少地表覆蓋和粗糙度造成的侵蝕。應(yīng)考慮以往的種植和管理做法以及降雨侵蝕力因子的月度變化。在一些國家，對(duì)最常見的作物進(jìn)行這種研究后得出的C因素值被列成表?？紤]到繩索的應(yīng)用，建議所有地塊在使用繩索的斜坡部分的值C=0.01，以及在未使用繩索的斜坡部分的值C=0.22[4]。

4.5 侵蝕控制實(shí)踐系數(shù)（P）的確定

侵蝕控制實(shí)踐系數(shù)（P）描述了進(jìn)行侵蝕控制實(shí)踐（等高線、條狀種植、梯田、地下排水）的農(nóng)田上的土壤流失與上坡和下坡耕作的同一農(nóng)田上的土壤流失之間的比率。根據(jù)USLE方法，P系數(shù)值定義如下：P=0.5適用于坡度q 從3%到8%，P=0.6試用于q從8%到12%，P=0.7試用于q從12%到16%，P=0.8試用于q從16%到20%，P=0.9試用于q從20%到25%），P=1試用于q＞25%。本文試驗(yàn)坡度為45°，因此P的值為1。

4.6 定量土壤侵蝕評(píng)估

根據(jù)土壤侵蝕力因子K、地形因子LS、覆蓋管理因子C和侵蝕控制實(shí)踐因子P的獲得值，計(jì)算有繩索和無繩索的邊坡部位的年均土壤侵蝕率（實(shí)際侵蝕率）EA和年均土壤侵蝕率（潛在侵蝕率）EP，見表5。實(shí)際侵蝕率和潛在侵蝕率的等級(jí)根據(jù)表2和表3確定，降雨侵蝕力因子R選取伊力哈木·伊馬木新疆1981年～2018年年均降雨侵蝕力[5]。

表5 邊坡年平均土壤侵蝕率

如表5中所示，在實(shí)際侵蝕等級(jí)以及潛在侵蝕等級(jí)來看，使用土工繩能夠有效防止邊坡侵蝕，侵蝕等級(jí)都為1 級(jí)幾乎沒有發(fā)生侵蝕現(xiàn)象，而沒有使用土工繩時(shí)，侵蝕等級(jí)為3～4 級(jí)，中強(qiáng)度侵蝕，因此使用土工繩能有效防止坡面侵蝕。

5 結(jié)論

在大西海子水庫下游的廢棄礫石坑中開采礫石時(shí)形成的斜坡暴露在強(qiáng)烈的侵蝕作用下。在USLE模型對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，將坡面劃分為第5 個(gè)實(shí)際侵蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和第5 個(gè)潛在侵蝕等級(jí)。這些等級(jí)對(duì)應(yīng)的是強(qiáng)烈的侵蝕，可以造成土壤剖面的全面破壞和地形的大面積破碎。上述變化的第一個(gè)跡象在斜坡上可見。土工織物保護(hù)邊坡的部分被劃分為第一類，即實(shí)際和潛在的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。按照分類，這個(gè)地方不會(huì)發(fā)生侵蝕。分類上的巨大變化是由覆蓋物管理系數(shù)C的本質(zhì)變化引起的。安裝在斜坡上的繩索加速了其綠化，形成濃密的綠化覆蓋物。