黃土區(qū)溝道階梯狀邊坡水土流失防治措施與機(jī)理

劉佳鑫, 劉剛, 劉普靈

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土區(qū)溝道階梯狀邊坡水土流失防治措施與機(jī)理

劉佳鑫1,2, 劉剛1,2, 劉普靈1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

陜北地區(qū)治溝造地工程中新修溝道階梯狀邊坡抗蝕性較弱。研究利用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究新開挖溝道階梯狀邊坡在降雨作用下不同水土保持措施的水沙效應(yīng)，并觀測其侵蝕發(fā)育過程。結(jié)果表明：極端氣象條件(120 mm/h雨強(qiáng))與坡頂部區(qū)域匯水作用是導(dǎo)致階梯狀邊坡產(chǎn)生快速侵蝕破壞的兩個(gè)主要條件。當(dāng)邊坡僅受到降雨作用，雨強(qiáng)在60 mm/h～90 mm/h之間變化時(shí)，產(chǎn)沙速率穩(wěn)定，不同雨強(qiáng)下產(chǎn)沙速率呈現(xiàn)倍率關(guān)系，坡面侵蝕現(xiàn)象無明顯差異，坡體無明顯破壞；120 mm/h雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)沙速率顯著上升，侵蝕發(fā)育過程出現(xiàn)明顯變化，坡體破壞明顯。階梯狀邊坡平臺(tái)反坡措施能有效減少60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h三種雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量58.4%，35.2%，62.1%，減少徑流量69.6%，26.6%，60.8%，并有效減緩坡體表面破壞及侵蝕發(fā)育速度。用放水試驗(yàn)?zāi)M無截排水措施情況，發(fā)現(xiàn)截排水措施能夠有效降低產(chǎn)沙量92.7%，同時(shí)改變了侵蝕發(fā)育的現(xiàn)象，將急劇下切發(fā)育的細(xì)溝侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榱税l(fā)育較為緩慢的層狀面蝕。從減水減沙的角度，坡頂截排水措施與平臺(tái)反坡措施皆為有效的階梯狀邊坡水土流失防治措施。

黃土陡坡; 土壤侵蝕; 水土保持

溝道土地整治工程是延安地區(qū)為增加高質(zhì)量耕地?cái)?shù)量，促進(jìn)、保障和鞏固退耕還林還草成果與改善生態(tài)環(huán)境而提出的新舉措。在溝道土地整治過程中，為保證開挖山體邊坡穩(wěn)定并減小水土流失，根據(jù)山體坡度按照每3～5 m高度將開挖面修建為階梯狀[1]。在溝道土地整治工程實(shí)際觀測中發(fā)現(xiàn)，溝道泥沙的主要來源為坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育所帶來的泥沙，邊坡受重力作用而整體滑塌的現(xiàn)象并不常見。目前對(duì)于階梯狀邊坡穩(wěn)定性的研究主要集中在邊坡坡率[2-3]，水作用下黃土滑坡機(jī)理[4-5]，以及卸載作用下黃土邊坡變形機(jī)理方面[6-7]，而對(duì)于階梯狀邊坡受降雨徑流沖刷及侵蝕發(fā)育過程的研究相對(duì)較少。另外，大多研究并未考慮坡、梁、峁頂部的匯水產(chǎn)流作用對(duì)邊坡水土流失過程的影響。一些研究表明[8-10]，反坡水平階措施對(duì)5°～25°的坡耕地具有較好的減水減沙作用，而該措施對(duì)于高陡邊坡的水土流失防治效果如何尚未明晰。

本研究利用室內(nèi)模型模擬野外階梯狀邊坡，通過人工模擬降雨及放水試驗(yàn)，觀測不同降雨條件下邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕發(fā)育過程，分析階梯狀高陡邊坡的水土流失特征，以及截排水和反坡措施的減水減沙效益。為治溝造地削切邊坡修建提供理論依據(jù)，為配套水土保持措施的制定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤選用延安市寶塔區(qū)甘谷驛鎮(zhèn)顧屯村(36°46′10.76″N 109°50′4.36″E)溝道土地整治工程中新開挖土壤。該地區(qū)年均降水量530 mm，降水多集中在夏季，且多暴雨。土壤類型為黃綿土，黏粒(<2 μm)、粉粒(2～20 μm)和沙礫(20～2 000 μm)分別為9.08%，59.59%和31.33%，pH值為8.43，土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.52 g/kg。在實(shí)驗(yàn)室中自然風(fēng)干，過5 mm篩，去除石塊等雜質(zhì)，待用。

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。降雨設(shè)備為中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式人工降雨系統(tǒng)，降雨高度16 m，保證了降雨在接觸模型時(shí)達(dá)到雨滴終點(diǎn)速度，本試驗(yàn)通過率定降雨選取合適受雨區(qū)域，降雨均勻度大于90%。試驗(yàn)用徑流小區(qū)采用1.5 m(長)×1 m(寬)×1.5 m(高)三面封閉正面開放式的可移動(dòng)鋼槽。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)土體均勻，采用分層鋪土的方式，按照每10 cm一層共鋪設(shè)15層，容重控制在1.40～1.52 g/cm3，容重從上到下均勻遞增，土壤初始含水率設(shè)置為15%。鋪土完成后通過人工削切的方式將鋼槽內(nèi)土體修筑為階梯狀邊坡的形式，每一級(jí)邊坡高50 cm，邊坡立面坡度約為60°，邊坡平臺(tái)面寬20 cm，反坡處理將平臺(tái)面坡度削切為向坡腳方向降低5°。

降雨強(qiáng)度根據(jù)研究區(qū)多年自然降雨氣象資料及當(dāng)?shù)卮伪┯晔录谐霈F(xiàn)的最大降雨強(qiáng)度，并結(jié)合2013年延安特大暴雨事件，選擇60 mm/h，90 mm/h和120 mm/h三個(gè)具有代表性的雨強(qiáng)分別表征小雨強(qiáng)、大雨強(qiáng)及特大雨強(qiáng)，降雨時(shí)間為1 h。在降雨試驗(yàn)中邊坡模型的處理分別為階梯狀邊坡平臺(tái)面水平及平臺(tái)面反坡5°兩種，階梯狀邊坡平臺(tái)面水平處理作為對(duì)照。

放水試驗(yàn)用于模擬無坡頂匯水面截排水措施的土壤侵蝕狀況，在選定的代表性雨強(qiáng)(90 mm/h)條件下，根據(jù)野外邊坡實(shí)際情況，次試驗(yàn)放水量為90 L，放水時(shí)間為1 h。

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析

降雨及放水試驗(yàn)自試驗(yàn)產(chǎn)流開始取樣，取樣間隔為3 min，取試驗(yàn)全樣，樣品稱重后，將泥沙放入烘箱在105℃條件下烘干稱重，計(jì)算試驗(yàn)中產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量。試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)表面侵蝕深度超過10 mm區(qū)域面積與總表面積的比值作為地表破壞面積百分?jǐn)?shù)指標(biāo)S雨強(qiáng)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨強(qiáng)度與產(chǎn)沙量的關(guān)系

由圖1可知，60 mm/h，90 mm/h和120 mm/h降雨強(qiáng)度條件下，徑流小區(qū)產(chǎn)流量均隨時(shí)間呈線性增加的趨勢，其平均產(chǎn)流速率分別為568 g/min，713 g/min，1 156 g/min。不同降雨強(qiáng)度下小區(qū)產(chǎn)沙量隨時(shí)間的累積曲線相對(duì)于產(chǎn)流量的穩(wěn)定趨勢則有明顯的不同。在60 mm/h和90 mm/h雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)沙速率近乎穩(wěn)定，平均分別為8.4 g/min和15.2 g/min，在次降雨中無明顯波動(dòng)。而120 mm/h雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)沙量總體趨勢呈現(xiàn)非線性趨勢，在0～33 min，33～51 min和51～60 min，產(chǎn)沙速率分別為43.3 g/min，31.6 g/min與278.2 g/min。小區(qū)表面的破壞面積百分?jǐn)?shù)分別為S60=5%，S90=10%，S120=33%。

三種雨強(qiáng)下產(chǎn)流量與產(chǎn)流時(shí)間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，產(chǎn)流速率在整場降雨中近乎穩(wěn)定，120 mm/h雨強(qiáng)下產(chǎn)流速率出現(xiàn)小幅度遞增的原因主要是120 mm/h雨強(qiáng)下局部地表出現(xiàn)了破壞導(dǎo)致入滲情況發(fā)生了變化。同時(shí)120 mm/h雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量的顯著增加和呈現(xiàn)的波動(dòng)性，也是由于表面局部在不同時(shí)段發(fā)生明顯破壞的緣故(圖2)。大雨強(qiáng)下濺蝕強(qiáng)烈，徑流挾沙能力強(qiáng)，坡面侵蝕發(fā)育明顯[11]，地表破壞面積百分?jǐn)?shù)S120達(dá)到33%，直接導(dǎo)致產(chǎn)沙量的增加。

圖1 不同降雨強(qiáng)度下徑流小區(qū)產(chǎn)流量、

圖2 120 mm/h雨強(qiáng)下降雨60 min后徑流小區(qū)坡面狀況

2.2 坡頂截排水措施對(duì)產(chǎn)沙量的影響

利用放水試驗(yàn)?zāi)M在90 mm/h雨強(qiáng)條件下削切邊坡上方有、無截排水措施。圖3表明了有、無截排水的試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律。在有截排水措施條件下，地表的破壞面積百分?jǐn)?shù)S90=10%，累積產(chǎn)沙量為937.2 g，60 min時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間產(chǎn)沙量曲線平緩，變動(dòng)幅度較??；無截排水措施時(shí)，地表破壞面積百分?jǐn)?shù)最終達(dá)S90沖=18%，累積產(chǎn)沙量12 817.9 g。單位時(shí)間產(chǎn)沙量在不同時(shí)段呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，0～15 min時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)沙量趨于平穩(wěn)，自15 min起單位時(shí)間產(chǎn)沙量產(chǎn)生大幅度變化；15～30 min單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)沙量不斷升高；30～45 min單位時(shí)間產(chǎn)沙量呈穩(wěn)定下降趨勢；45～60 min，單位時(shí)間產(chǎn)沙量先呈現(xiàn)上升趨勢，而后趨于平穩(wěn)。對(duì)照試驗(yàn)中觀測到的現(xiàn)象，15～30 min細(xì)溝I，Ⅱ不斷下切發(fā)育，30～45 min細(xì)溝I發(fā)育減緩趨于穩(wěn)定，45～60 min細(xì)溝Ⅱ逐漸減緩發(fā)育并趨于穩(wěn)定，見圖4。對(duì)照兩組試驗(yàn)結(jié)果，坡面的破壞面積百分?jǐn)?shù)S90沖為S90的1.8倍，而產(chǎn)沙量達(dá)到了13.7倍，坡面的橫向破壞發(fā)育速率比較穩(wěn)定，而縱向破壞急劇發(fā)育，即坡面細(xì)溝的下切侵蝕發(fā)育明顯，從而提供了絕大部分的泥沙來源。

因此，截排水措施對(duì)坡頂匯水的截留作用，可以極大地減弱坡頂匯水對(duì)坡面的沖刷，減沙效益平均可達(dá)92.7%，尤其在降雨后期，其減沙效益最大可達(dá)98.3%。因此，截排水措施對(duì)于治溝造地工程階梯狀邊坡具有較好的防護(hù)作用。

圖3 有、無截排水措施徑流小區(qū)產(chǎn)沙量、減沙效益

2.3 平臺(tái)反坡對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

由表1可以看出，60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h雨強(qiáng)下減沙效益分別為58.4%，35.2%，62.1%。圖5表明，120 mm/h無反坡條件下產(chǎn)沙曲線出現(xiàn)了明顯的非線性變化，地表破壞面積達(dá)到了33%(表1)，徑流小區(qū)坡體表面侵蝕嚴(yán)重；其他各場次產(chǎn)沙過程曲線均近似呈線性變化，產(chǎn)沙速率穩(wěn)定。圖5及表1表明，反坡小區(qū)較無反坡小區(qū)能夠有效減少徑流，增加入滲，入滲速率在各雨強(qiáng)與措施組合下均呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h雨強(qiáng)下，增加入滲即減水效益分別為69.6%，26.6%，60.8%。

反坡小區(qū)較無反坡小區(qū)產(chǎn)生的這種泥沙量減少、入滲量增加的現(xiàn)象主要與其特殊的反坡構(gòu)造有關(guān)[12-14]。反坡構(gòu)造能夠使上一級(jí)坡面的徑流在接觸反坡平臺(tái)面時(shí)消減一部分動(dòng)能，而后將徑流反向流向平臺(tái)坡腳。同時(shí)隨著水流在平臺(tái)面的淤積，反坡平臺(tái)上水流流速趨近于零，動(dòng)能不斷減小，直至淤滿反坡平臺(tái)面后，以較小的啟動(dòng)速度沖刷下一級(jí)坡面。這樣水流的沖刷能力就被極大地降低，坡面上被侵蝕破壞而產(chǎn)生的泥沙量隨之減少。同時(shí)泥沙隨水流進(jìn)入反坡平臺(tái)面后，因?yàn)樗鲯渡衬芰p弱，大部分泥沙被淤積在平臺(tái)面上，因此反坡能夠有效降低泥沙產(chǎn)量。由于徑流在反坡平臺(tái)面上的淤積，導(dǎo)致入滲時(shí)間增加及入滲水壓的增加，最終使得反坡模型下入滲量明顯增加。

圖4 有截排水措施(A)與無截排水措施(B)徑流小區(qū)坡面發(fā)育對(duì)比

以往的研究中表明，通常情況下水土保持措施效益隨著雨強(qiáng)的增加而減小，而文中120 mm/h雨強(qiáng)下反坡措施的水土保持效益高于90 mm/h雨強(qiáng)下反坡措施的水土保持效益，是由于大雨強(qiáng)下侵蝕劇烈，侵蝕溝發(fā)育明顯，雖然泥沙已經(jīng)發(fā)生了輸移，但并未進(jìn)入溝道，而是在反坡措施平臺(tái)上發(fā)生了堆積，因此120 mm/h雨強(qiáng)下減沙效益高于90 mm/h雨強(qiáng)下減沙效益，同時(shí)被破壞的坡面極易積水，導(dǎo)致不能向溝道及時(shí)排導(dǎo)，使得120 mm/h雨強(qiáng)下減水效益高于90 mm/h雨強(qiáng)下的減水效益。

表1 地表破壞面積百分?jǐn)?shù)及反坡模型較無反坡模型減少產(chǎn)沙量、增加入滲量百分比

圖5 不同雨強(qiáng)下有、無反坡措施產(chǎn)沙量、入滲量累積曲線

綜上，反坡小區(qū)較無反坡小區(qū)有明顯的減水減沙效果，減少了坡面的沖刷，減緩了坡面侵蝕的發(fā)育，但同時(shí)提高了水分的入滲，改變了土壤含水率，影響土體內(nèi)部力學(xué)性質(zhì)[15-17]，降低土體強(qiáng)度，提升了邊坡整體滑塌的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

(1) 特大雨強(qiáng)導(dǎo)致的坡面徑流沖刷是階梯狀邊坡出現(xiàn)侵蝕破壞的主要原因之一。在不同降雨強(qiáng)度條件下，溝道階梯狀邊坡模型的侵蝕發(fā)育過程存在顯著差異，60 mm/h及90 mm/h雨強(qiáng)條件下，1 h降雨歷時(shí)內(nèi)，徑流小區(qū)產(chǎn)沙速率穩(wěn)定，侵蝕現(xiàn)象主要以層狀面蝕為主，邊坡模型整體無明顯破壞；在120 mm/h雨強(qiáng)下產(chǎn)沙速率隨時(shí)間出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，產(chǎn)沙量較小雨強(qiáng)條件下急劇增加，侵蝕發(fā)育仍以面蝕為主，但坡腳沖刷破壞明顯，沿坡腳向上出現(xiàn)了劇烈溯源侵蝕，階梯狀邊坡模型破壞嚴(yán)重。

(2) 截排水措施能夠有效防止坡頂面徑流匯集沖刷破壞階梯狀邊坡。階梯狀邊坡坡頂面能使降雨產(chǎn)生徑流匯集，產(chǎn)生沖刷破壞能力較強(qiáng)的水流，是造成階梯狀邊坡頂部階梯出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕并迅速下切發(fā)育的主要原因。

(3) 反坡措施具有良好的減水減沙、增加入滲的作用，同時(shí)降低了坡面侵蝕的發(fā)育。反式水平階構(gòu)造運(yùn)用在階梯狀邊坡模型之上，有效地降低了階梯狀邊坡表面的沖刷破壞，減少邊坡表面土壤的剝離，同時(shí)有效地將泥沙淤積于平臺(tái)面，減少了泥沙向溝道中排導(dǎo)，防止泥沙淤積阻塞河道；入滲量的增加改變了邊坡的含水率，一方面為邊坡植被生長提供了良好的水分環(huán)境，另一方面邊坡含水率的增加直接導(dǎo)致邊坡土體抗剪強(qiáng)度的下降，進(jìn)而使得邊坡整體穩(wěn)定性降低，增加了邊坡整體滑塌的風(fēng)險(xiǎn)。

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MeasuresandMechanismtoPreventWaterLossandSoilErosiononMulti-StairSlopeinLoessArea

LIU Jiaxin1,2, Liu Gang1,2, Liu Puling1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

The new built multi-stair slope in gully of loess area is susceptible to soil erosion. We used the simulated rainfall experiment to examine the relation among soil and water conservation measures， rainfall intensity and the phenomenon of soil erosion on multi-stair slope in loess area and observed the development process of soil erosion. The results show that the extreme weather conditions (rainfall intensity 120 mm/h) and upslope runoff are two key factors leading to soil erosion on multi-stairs slope in loess area. When the rainfall intensities ranged between 60 mm/h～90 mm/h, the sediment yield rate influenced by the rainfall was stable. There was no obvious difference between phenomena of soil erosion and the slope without obvious damage. When the rainfall intensity was 120 mm/h the sediment yield rate rose quickly, the phenomenon of soil erosion was obvious. The reverse slope measure can effectively reduce the sediment yield by 58.4%, 35.2%, 62.1% and reduce the runoff by 69.6%, 26.6%, 60.8%, respectively, under the rainfall intensities of 60 mm/h, 90 mm/h and 120 mm/h. At the same time, the erosion rate decreased. Water test was used to simulate the slope without drain measures. The results show that drain measures can effectively reduce the sediment yield by 92.7%, and at the same time changed the development phenomenon of erosion, the drain measure turned the erosion phenomenon from rill erosion to sheet erosion. From the point of view of water and sediment reduction, the drain measures and reverse slope measures are both effective measures to prevent water loss and soil erosion on multi-stair slope in loess area.

loess steep slope； soil erosion； soil and water conservation

2016-08-04

：2016-09-19

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃(2013KTDZ03-03-01);國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAC01B03-03);中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃(人字(2014)91號(hào));西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(2013BSJJ082)

劉佳鑫(1991—),男,河北省石家莊市人.博士研究生,主要從事水土保持與土壤侵蝕機(jī)理研究。E-mail:skzn@foxmail.com

劉剛(1982—),男,陜西西安人.副研究員,碩士生導(dǎo)師,主要從事水土保持與土壤侵蝕機(jī)理研究。E-mail:gliu@foxmail.com

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0065-05