黃土高原溝頭侵蝕柔性防護(hù)措施研究

周明月, 王文剛, 朱首軍, 王 健, 高 晗

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100)

黃土高原(34°—40°N，103°—114°E)總面積6.42×105km2，其中水土流失面積4.3×105km2 [1]，地形破碎，主要由塬墚峁組成，其中塬面對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)與社會(huì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。溝頭侵蝕致使塬面不斷萎縮，如董志塬每年的農(nóng)田損失量為42 hm2 [2]，給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)損失。溝谷發(fā)育是黃土塬面不斷減少的主要原因[3]，塬面水流下溝，導(dǎo)致切溝發(fā)育，切溝發(fā)展導(dǎo)致塬面溝壑縱橫，朱顯謨[4]將切溝發(fā)育分為3個(gè)階段，黃土塬區(qū)溝頭和溝谷上游應(yīng)是保護(hù)塬面的重點(diǎn)[3]。目前防治措施主要是“固溝保塬”,固溝大多通過(guò)建淤地壩、擋土墻、溝道排洪工程、谷坊等剛性防護(hù)措施[5]，而保塬主要是通過(guò)溝頭防護(hù)工程[5-9]。其中一種溝頭防護(hù)工程是排水式，由半環(huán)式溝埂(攔截坡面徑流，防止徑流沖刷溝道，加劇侵蝕，同時(shí)能夠?yàn)檐娓靥峁┕喔扔盟?與排水管(當(dāng)集水面積大，來(lái)水量超過(guò)溝埂的攔截水量時(shí)，應(yīng)及時(shí)排出)組成；當(dāng)排水時(shí)，要避免水流對(duì)溝底進(jìn)行沖刷，目前主要采用混凝土或漿砌石將溝底進(jìn)行硬化，但這種剛性防護(hù)措施存在工程量大，造價(jià)高，施工困難等弊端；在應(yīng)用中常因地基變形導(dǎo)致破壞。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)于秸稈覆蓋防治水土流失效果進(jìn)行了許多研究[10-17]，但大多是采用坡面全面覆蓋防治坡面侵蝕、秸稈緩沖帶防治細(xì)溝侵蝕或者是秸稈溝頭覆蓋防治溝頭侵蝕，徐錫蒙等[12]對(duì)玉米秸稈防治淺溝溝頭侵蝕的研究是通過(guò)玉米秸稈淺溝溝頭覆蓋與溝道覆蓋結(jié)合的辦法，研究的是地面徑流產(chǎn)生的溝蝕作用。而針對(duì)溝壁和溝底的采用柔性防護(hù)的研究較少。而相關(guān)研究表明，陡立溝壁陡坎形成的下跌水流能夠?qū)е聡?yán)重的溯源侵蝕[18,19]，針對(duì)下跌水流導(dǎo)致溝頭前進(jìn)的問(wèn)題尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。由此本試驗(yàn)提出采用柔性防護(hù)措施(在土壤表面鋪設(shè)麥草、土工布)代替剛性防護(hù)措施進(jìn)行對(duì)溝底、溝壁的防護(hù)，通過(guò)室內(nèi)模擬下跌水流沖擊試驗(yàn)，測(cè)定柔性防護(hù)措施的防護(hù)作用，為黃土高原的溝頭防治提供新思路并完善溝頭防護(hù)措施。

1 試驗(yàn)概述與方法

1.1 試驗(yàn)概述

溝頭沖刷變化受土壤抗沖性、前期土壤含水量、沖刷水流流量、水流動(dòng)能等多種因素影響，為研究柔性防護(hù)措施的作用，試驗(yàn)中確定恒定水頭和流量、同一土壤質(zhì)地和密度，僅分析防護(hù)變化對(duì)沖刷坑的影響。試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)降雨大廳實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，用4.93 m的高水頭來(lái)模擬野外下跌水流，將試驗(yàn)槽的土夯實(shí)到自然土容重，通過(guò)在土表面覆不同厚度的麥草、鋪設(shè)土工布來(lái)模擬柔性防護(hù)措施，用模擬水流沖擊土面，研究在不同重量麥草及土工布防護(hù)作用下，沖刷坑的大小及深度，探尋最佳防護(hù)措施。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤為楊凌土,0～0.002 mm，0.002～0.005 mm，0.005～0.01 mm，0.01～0.02 mm，0.02～0.05 mm，0.05～0.1 mm，0.1～0.2 mm，>0.2 mm 的粒徑分別占25.90%，4.47%，12.92%，28.77%，24.45%，3.36%，0.13%，0%，屬重粉質(zhì)壤土。土樣去除大塊雜質(zhì)，風(fēng)干晾曬，過(guò)5 mm 篩后填入移動(dòng)式試驗(yàn)鋼槽(2 m(長(zhǎng))×1 m(寬)×0.5 m(高))，根據(jù)目標(biāo)容重1.6 g/cm3，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段填土處理時(shí)，每填土厚度為10 cm時(shí)，進(jìn)行灑水夯實(shí)，取樣測(cè)取土壤容重，進(jìn)行調(diào)整；總共填土厚度為50 cm；在試驗(yàn)處理前，再次取樣測(cè)定，使土壤容重平均值保證在1.6～1.7 g/cm3，試驗(yàn)時(shí)利用環(huán)刀測(cè)定土壤容重。試驗(yàn)覆蓋材料為楊凌本地自然風(fēng)干小麥秸稈和規(guī)格為200 g/m2的土工布。將試驗(yàn)槽坡度調(diào)為3°，排除地面積水，用以消除積水厚度對(duì)水流動(dòng)能消減的影響。在土面上分別覆不同厚度的麥草、不同厚度麥草與土工布的組合，在實(shí)驗(yàn)室4.93 m的水頭下沖土面3 min，平均用水量100 600 cm3，每個(gè)處理做3個(gè)重復(fù)。通過(guò)測(cè)針測(cè)定沖刷坑斷面形狀并確定最大坑深；利用直尺測(cè)定沖刷坑坑徑；利用填土法[20]測(cè)定沖刷坑容積，在沖刷結(jié)束后，用滴管吸出留在沖刷坑中的部分殘留水，直至沖刷坑入滲水分不再析出，將試驗(yàn)土過(guò)5 mm篩，裝入1 000 ml量杯，記錄量杯初始讀數(shù)V1，向沖刷坑填入過(guò)篩土，等沖刷坑基本被填滿時(shí)，用刮刀抹平過(guò)篩土表面，多余土收集至量杯，使沖刷坑基本恢復(fù)沖刷前其平面與周圍表面相平的狀態(tài)，此時(shí)記錄量杯最終讀數(shù)V2，沖刷坑容積則為(V1-V2)；垂直坡面拍攝沖刷坑照片，導(dǎo)入電腦，利用AutoCAD軟件處理沖刷坑照片來(lái)計(jì)算坑面積；比較不同處理的沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑、坑面積及坑容積較裸地條件下的變化情況。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)設(shè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，麥稈量比較少(<200 g/m2)時(shí)，基本沒(méi)有任何防護(hù)效果，故試驗(yàn)從200 g/m2開始，參照預(yù)試驗(yàn)及相關(guān)研究[10-11]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)200，300，400，500，600，800，1 200，1 600，2 000，2 400 g/m210個(gè)厚度試驗(yàn)，以裸地為對(duì)照；另外單設(shè)一層土工布和土工布與不同厚度覆草的組合，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 裸露地沖刷坑特點(diǎn)

當(dāng)土表裸露時(shí)，水流沖刷土壤時(shí)，土面出現(xiàn)沖刷坑，隨著沖刷時(shí)間的增加，沖刷坑逐漸增大；沖刷坑的形狀呈喇叭口狀(圖1)；試驗(yàn)測(cè)得沖刷坑特征見表2。

圖1 裸露地表沖刷坑

參數(shù)土干容重/(g·cm-3)坑深hmax/cm坑徑/cm坑面積/cm2坑容積/cm3平均1.617.6316.92165.10395最大1.668.0520.80187.60410最小1.587.2014.50146.75380

裸土在水流沖刷下，沖刷坑發(fā)育迅速，沖刷坑呈現(xiàn)喇叭口狀；多次試驗(yàn)的沖刷坑平均最大坑深hmax為7.63 cm，平均坑徑d為16.92 cm，平均坑面積S為165.10 cm2，平均坑容積V為395 cm3。

2.2 僅覆麥草的防護(hù)作用分析

在土面覆麥草可以起到減弱沖刷坑的發(fā)育，當(dāng)覆麥草較少時(shí)，其對(duì)水流的沖擊動(dòng)能雖能起到一定的削減作用，但其消減效果差，防護(hù)作用未完全發(fā)揮出來(lái)，沖刷坑與裸露地表的沖刷坑差別不大；隨著覆麥草量的增大，其對(duì)水流沖擊動(dòng)能的消減作用慢慢體現(xiàn)出來(lái)，沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V均呈遞減趨勢(shì)，圖2為沖刷坑的最大坑深hmax和坑容積V與覆麥草量的變化關(guān)系。

圖2 沖刷坑最大坑深hmax、坑容積V隨覆麥草厚度增大的變化情況

隨著覆麥草量的增大，沖刷坑的深度總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，二者近似于線性關(guān)系，對(duì)其擬合可通過(guò)線性函數(shù)y=-0.0028x+7.9298來(lái)描述，其決定系數(shù)為0.95；隨著覆麥草量的增大，沖刷坑的坑容積總體也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其與單位面積覆麥草量的關(guān)系近似于指數(shù)關(guān)系，對(duì)其擬合可通過(guò)y=513.78e-0.001x來(lái)描述，其決定系數(shù)為0.94。

沖刷結(jié)束后，沿著坑的橫軸，用測(cè)針每隔1 cm測(cè)定坑的深度[1]，畫出沖刷坑的斷面圖，見圖3。

圖3 覆不同厚度麥草量的沖刷坑斷面

由圖3可知，覆不同厚度麥草的沖刷坑的形狀相似，接近喇叭口狀；隨著鋪設(shè)麥草厚度的增加，沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S總體上呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明覆麥草能夠有效保護(hù)土面，削減水流動(dòng)能，延緩沖刷坑發(fā)育。

以裸露地為對(duì)照，分析覆不同厚度麥草的沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V的變化情況，見表3。

由表3可知，當(dāng)覆麥草量較少時(shí)，其對(duì)水流的沖擊動(dòng)能消減作用較小，防治效果不穩(wěn)定，沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V的數(shù)據(jù)出現(xiàn)上下波動(dòng)，甚至處理2與對(duì)照組沖刷坑的指標(biāo)大致接近；但當(dāng)覆麥草量增加到1 200 g/m2時(shí)，防治效果具有顯著提升，最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V較裸露地分別減少36.8%，46.2%，81.4%，77.2%；當(dāng)覆麥草量達(dá)到1 200 g/m2后，隨著覆麥草量的增大，防治效果呈上升趨勢(shì)。

2.3 增覆土工布的防護(hù)作用分析

當(dāng)覆麥草太薄時(shí)，水流易沖散麥草，在麥草上增覆一層土工布，有效增加防護(hù)沖刷的效果，增強(qiáng)麥草的防護(hù)作用。以裸露地為對(duì)照，分析覆1層土工布與不同量麥草的共同作用下，對(duì)沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S和坑容積V的防治效果(表4)。

由表4可知，僅覆1層土工布(標(biāo)號(hào)11)較裸露地的沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S和坑容積V減少程度顯著，分別為43.6%，43.8%，65.2%，82.2%；覆1層土工布和不同厚度麥草，隨著覆麥草厚度的增加，最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S和坑容積V不斷減小，隨覆草量增加，防護(hù)效果越好，但減小幅度相對(duì)較小。當(dāng)覆麥草量2 400 g/m2輔以1層土工布時(shí)，沖刷坑完全消失，此時(shí)的防治效果最好。

表3 僅覆麥草與裸露地的沖刷坑對(duì)比

表4 增覆1層土工布與裸露地的沖刷坑對(duì)比

3 結(jié) 論

本研究表明麥草、水工布等柔性防護(hù)措施具有良好的削減下跌水流動(dòng)能的作用，可作為固溝保塬溝頭防治的一種方式。在試驗(yàn)條件下，不采用防護(hù)措施模擬水流作用下的沖刷坑的形狀呈喇叭口狀，沖刷坑最大坑深hmax達(dá)7.63 cm，坑容積達(dá)395 cm3；采用麥草覆蓋能有效削弱高水頭水流對(duì)土面的沖刷作用，隨著覆麥草量的增加，對(duì)土面的防護(hù)作用越強(qiáng)，沖刷坑最大坑深隨覆麥草量增加而降低，可用線性函數(shù)y=-0.0028x+7.9298來(lái)描述，沖刷坑的坑容積隨覆麥草量增加呈指數(shù)關(guān)系遞減；增覆1層土工布能防止麥草飄散，顯著削弱水流動(dòng)能，增強(qiáng)抵御水流的沖刷作用，能大幅度增強(qiáng)麥草的防護(hù)作用；覆麥草量2 400 g/m2和1層土工布組合能夠抵消試驗(yàn)水流的沖刷，地面未形成沖刷坑。

柔性防護(hù)可有效保護(hù)地面免受水流沖刷，削減水流動(dòng)能，減緩沖刷坑發(fā)育。已有研究表明，秸稈填充覆蓋[11]可降低溝內(nèi)水流流速，削弱徑流動(dòng)能，抑制了水流的下切侵蝕和側(cè)蝕能力，減緩了溝蝕的發(fā)生發(fā)展。

本研究是在試驗(yàn)條件下模擬了柔性防護(hù)對(duì)水流動(dòng)能的削減作用。受試驗(yàn)條件限制，僅分析了恒定水頭和流量作用下，夯實(shí)塿土沖刷坑的發(fā)展，并提出了在覆麥草量2 400 g/m2和1層土工布能夠完全抵消該條件水流的沖刷，但不同水流和土壤條件下沖刷坑發(fā)展尚需進(jìn)一步研究。