降雨和植被覆蓋對鐵路路基邊坡土壤侵蝕的影響

朱永杰, 王 超, 劉自強

(1.上?？睖y設計研究院有限公司, 上海 200335; 2.南京林業(yè)大學, 江蘇 南京 210037)

在現(xiàn)代化建設進程中，土地利用類型不斷發(fā)生著變化。公路、高速鐵路建設而發(fā)生的坡面開挖填筑一定程度上改變了原地貌，路基坡面由此所產生的徑流排放以及降雨對坡面造成的沖刷侵蝕成為生態(tài)修復和水土保持的重點內容。由于在下墊面硬化區(qū)域形成的雨水徑流在匯集速度和峰值流量上都遠高于非硬化下墊面區(qū)域，這也就使得這些區(qū)域道路路面積水洪澇災害等問題的時有發(fā)生[1-5]。路基坡面作為路基生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，不僅能夠起到坡面防護的穩(wěn)定性作用，更重要的是能夠改善和美化生態(tài)環(huán)境。此外，經植被綠化后的坡面在削減降雨徑流、泥沙量以及涵養(yǎng)地下水方面較裸坡坡面都有著較好的效果[6]。

目前，植被護坡作為坡面保持水土以及涵養(yǎng)水源的有效措施，已逐漸成為公路和鐵路路基重要的護坡形式[7]。不同公路采取不同的邊坡措施進行防護，目前多數(shù)公路或鐵路路基坡面采用混凝土骨架或框格加綠化防護，即工程措施與林草措施相結合的方式；但也有僅采取植物綠化的防護措施。路基邊坡綠化植物種類參差不齊，較好的坡面綠化采用植草加植灌結合綠化，并充分考慮景觀效果，也存在一般性的采取純植草的坡面綠化。坡面種植植物中，高羊茅是綠化效果較好的冷季型草坪草之一[8]，已在林草植被恢復建設中得到廣泛應用[9]。紅葉石楠在綠化工程中較為常見，較適用于我過華東及西南地區(qū)[10-14]。金森女貞也是綠化應用較多的灌木植物之一，為半落葉灌木，在冬季有較好的的適應性[15-18]。近年來，對植被的研究大多數(shù)集中在對污染物去除效果以及對植物邊坡產流產沙受降雨與坡度的影響關系方面。王敏等[19]對植被緩沖帶滯緩徑流和農田氮磷污染物去除能力開展定量化試驗，研究表明草被植物緩沖帶對氨氮的去除率比裸地提高268%；霍煒潔等[20]通過對比3種土壤—植物系統(tǒng)，得到土壤—植草系統(tǒng)對溶解污染物的去除率顯著優(yōu)于其他2種系統(tǒng)；美英等[21]人采用盆栽試驗研究草本植物中黑麥草、地毯草、早熟禾、高羊茅對重金屬鉛的吸收富集和去除效率，結果表明草本植物對雨水中重金屬鉛的吸收富集和去除有較好的效率；徐憲立等[22]利用徑流小區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，徑流深度和土壤侵蝕模數(shù)與降雨量以及平均降雨強度的乘積程線性相關；史彥林[23]采用徑流小區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，路基邊坡工程+植物實施后能有效防止土壤侵蝕。但自然條件下，降雨和植被對路基坡面的交互影響研究尚且較少，在未來極端天氣頻發(fā)的背景下，有必要探究降水變化和下墊面變化等對土壤侵蝕的交互影響規(guī)律。

為了更好地了解草被植物及草灌結合植被在削減坡面徑流、減少土壤侵蝕的作用效果，本研究通過觀測3種不同下墊面類型坡面徑流小區(qū)在不同降雨強度的降雨產流產沙量，從而得到3種不同下墊面類型坡面徑流小區(qū)對初始產流時間的影響規(guī)律以及對坡面徑流泥沙的削減作用效果，為進一步探索路基坡面植被對降雨徑流泥沙的調控能力、在道路建設中合理規(guī)劃坡面綠化措施并發(fā)揮其生態(tài)效應、提高填筑坡面的穩(wěn)定性提供一定的理論參考。

1 研究區(qū)概況

所選取的路基邊坡觀測樣地位于江蘇省南通市在建南京市—啟東市鐵路(寧啟鐵路)路基段(31°53′42″N，121°21′47″E)，路基邊坡高7.5 m，坡比為1∶1.5，觀測樣地單元為鐵路路基3個方形混凝土框格，每個樣地面積大小為18.75 m2(投影面積)。該監(jiān)測樣地邊界采用磚砌加混凝土抹面，以減少樣地的邊界效應影響，樣地下方設有徑流及泥沙收集池，收集池規(guī)格大小為2 500 mm×1 000 mm×1 000 mm。

研究區(qū)所在區(qū)域多年平均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-10.8 ℃，年最大降水量1 626.8 mm，多年平均降水量1 060 mm，年降水天數(shù)120 d，多年平均蒸發(fā)量1 421.2 mm，平均風速3.1～3.2 m/s。

觀測樣地所填筑的耕植土為江蘇地區(qū)常見的黃棕壤，該層土覆土厚度約為30 cm，在耕作土填筑完成尚未開始種植綠化前，測定該填筑土壤的密度大小為1.50 g/cm3。將土壤采樣對其粒徑組成進行室內分析，運用Nicomp(美國)380N3000激光粒徑分析儀對其粒徑組成進行分析，分析得到砂粒(≥2～0.02 mm)所占比例為76.08%，粉粒(0.02～0.002 mm)所占比例為23.39%，黏粒(<0.002 mm)所占比例為0.53%。

裸坡坡面為完全裸露的坡面徑流小區(qū)；植草坡面和草灌結合坡面種植日期均為2月初左右，種植期間專人養(yǎng)護，植物長勢良好；其中植草坡面植物種類為高羊茅，種植方式為坡面撒播草籽，種植期大約為100 d(2—5月)，覆蓋度(VFC)采用方格法測定[24-26]為95%；草灌結合坡面為高羊茅草籽與金森女貞結合種植，種植期大約為100～120 d(2—5月)，金森女貞(苗)1 m種植2道每道6棵合計12棵/m，成活率達99%以上，單個護坡單元間距約為2.5 m，覆蓋度測定為95±1%。觀測小區(qū)邊界采用磚砌加混凝土抹面，無人為踩踏及擾動。

2 試驗設計

所選樣地為上?？睖y設計研究院有限公司水土保持監(jiān)測范圍內在建工程的一段路基，在路基填筑完成并且建立符合要求的坡面徑流小區(qū)后開始進行觀測，同時在當?shù)丶茉O一個不銹鋼雨量筒對現(xiàn)場降雨進行實時測量，根據(jù)雨量筒的小時降雨量計算監(jiān)測現(xiàn)場的平均降雨強度(mm/h)。為了更好地控制單一變量，觀測期內選取同一年(2018年)降雨量相同或接近的降雨場次作為有效觀測數(shù)據(jù)，且所選有效降雨場次的前1 d有1～6 mm大小不等的自然降雨或人為灑水，并使用手持式土壤水分檢測儀(UPA-20MT)進行水分測定，土壤初始含水率基本接近預降雨后的含水率(30±5%)；觀測內容為所選樣地在一定降雨條件下徑流及泥沙情況。觀測樣地下墊面類型分裸坡坡面、植草坡面、草灌結合坡面3種下墊面類型，每種下墊面對應觀測降雨量為80±5 mm，現(xiàn)場觀測計算對應降雨強度為15，28，40，63和82 mm/h共5場降雨徑流泥沙數(shù)據(jù)。降雨過程中需要用秒表記錄初始產流時間。單場降雨結束后，在徑流泥沙渾濁狀態(tài)根據(jù)收集池規(guī)格及徑流深，測定徑流量(L)；沉淀池泥沙沉淀后，大部分徑流通過清水池側面底端出水口流出，部分被蒸發(fā)，將攜帶一定水分的泥沙帶回室內進行烘干分析，測定其干重(g)。降雨觀測項目詳見表1。

表1 南通閘站降雨觀測時間及結果

徑流削減率采用下式計算：

(1)

式中：Q為徑流削減率(%)；Q1為裸露坡面產生的徑流總量(L)；Q2為植草和草灌結合坡面產生的徑流量(L)。

3 結果與分析

3.1 不同植被覆蓋類型坡面初始產流時間分析

不同降雨強度條件下，3種下墊面的初始產流時間如圖1所示。從圖1可以看出，隨著降雨強度的增加，裸坡坡面、植草坡面和草灌結合坡面的初始產流時間均呈縮短的趨勢，且在降雨強度大于28 mm后，初始產流時間縮短明顯。植草坡面和草灌結合覆蓋坡面初始產流時間明顯要比裸坡坡面長，差異性水平達到顯著水平(p<0.05)；植草坡面和草灌結合坡面相比裸坡坡面對初始產流時間有較好的延緩作用，兩者差異性不顯著(p>0.05)；植草坡面延緩初始產流時間在23′47″—48′55″，平均延緩38′28″，草灌結合坡面延緩初始產流時間在43′37″—68′17″，平均延緩54′34″。隨著降雨強度的增加，植草坡面的初始產流時間由140′(15 mm/h)縮短至30′57″(82 mm/h)，草灌結合坡面的初始產流時間由153′(15 mm/h)縮短至50′47″(82 mm/h)，裸坡坡面的初始產流時間由154′(15 mm/h)縮短至7′10″(82 mm/h)。同時可以看出，降雨強度對3種下墊面初始產流時間的影響程度顯著；在降雨量相同情況下，不同降雨強度植草坡面和草灌結合坡面的初始產流時間差異性均達到極顯著性水平(p<0.01)，裸坡坡面為顯著水平(p<0.05)。這主要是因為不同植被類型坡面隨著降雨強度增大，單位時間內坡面上的有效降雨量越多，初始產流時間也就越短。降雨強度對初始產流的影響達到極顯著水平(表2)，這與王保一等[27]的研究結果一致。坡面觀測小區(qū)初始產流時間一定程度上與土壤初始含水率有關，本文所選取的降雨觀測場次土壤前期含水率，在觀測期經測定含水率較為接近；若能對土壤含水率進行實時監(jiān)測，取得含水率相同數(shù)值進行初始產流時間試驗，能更好說明降雨強度與初始產流時間的關系。植草坡面和草灌結合坡面相比于裸坡坡面對初始產流時間表現(xiàn)出很好的延緩效果。這是由于地表植被的存在，使地表糙度增加并延長了徑流路徑，植被根系也有利于增加土壤入滲強度[28]，此外，草灌冠層對降雨有一定的截留作用，草灌覆蓋削弱了雨滴對地表土粒的擊濺沖擊[29]，使土壤能夠保持較強的入滲率較長時間，從而延緩了初始產流時間。

圖1 研究區(qū)不同降雨強度各下墊面初始產流時間

表2 研究區(qū)3種下墊面初始產流時間對比方差分析

3.2 不同植被覆蓋類型的坡面徑流量分析

3種下墊面在不同降雨強度條件下的坡面徑流總量如圖2所示。從圖2可以看出，降雨量基本相同的情況下，隨著降雨強度的增加，3種下墊面坡面徑流量均呈增大的趨勢，且裸坡坡面徑流總量明顯大于植草和草灌結合坡面，差異性水平達到極顯著水平(p=0.001)，說明植草和草灌結合坡面有較好的削減坡面徑流作用；植草坡面與草灌結合坡面相比，徑流量在各降雨強度下較為接近，差異性不顯著(p=0.196>0.05)，說明兩者削減徑流效果無明顯差異(表3)。

圖2 研究區(qū)不同降雨強度各下墊面徑流量

表3 研究區(qū)3種下墊面徑流量對比方差分析

5個降雨強度下植草坡面徑流總量均值分別為13.10 ，22.58，25.84，27.26和33.20 L，差異性水平顯著(p<0.05)；草灌結合坡面徑流總量均值分別為10.66，16.96，17.91，20.53和26.41 L，差異性水平顯著(p<0.05)；裸坡坡面徑流總量均值分別為29.35，41.46，42.08，51.54和57.67 L，差異性水平也為顯著(p<0.05)。說明在降雨強度對3種下墊面的徑流總量影響均為明顯。

對3種下墊面的徑流總量分析發(fā)現(xiàn)，草灌結合坡面對坡面徑流的削減效果最為明顯，削減率在54.20%～63.68%，對徑流的平均削減率達到58.92%；其次是植草坡面，其徑流削減率在38.59%～55.37%，對徑流的平均削減率為45.81%。由此可見，植草和草灌結合坡面在路基坡面(鐵路或公路)中能夠很好的起到保持水土，調蓄雨水徑流，增加土壤入滲量的作用。從表4還可以看出，削減率與降雨強度呈一定的線性關系。植草和草灌結合坡面對徑流的削減率隨著降雨強度的增大，大致呈減小的趨勢。這主要是因為降雨強度較小時，植被的冠層截留作用較為明顯，到達地表的雨水就相對較少，再加上對土壤入滲的影響，進而較大的影響其產流量；降雨強度較大時，植被冠層對降雨的截留作用會減小，并且由于植被地表生長的生物結皮和覆被物的存在會對植草和草灌結合坡面的初始產流時間產生一定影響，地表生物結皮的存在使土壤初始入滲速率低于裸地[30-34]，兩種作用因素的綜合，使降雨強度較大的情況下，削減率減小。

表4 研究區(qū)不同降雨量及下墊面類型總徑流量及徑流削減率

3.3 不同植被覆蓋類型坡面產沙量分析

不同降雨強度條件下，3種下墊面的產沙量如圖3所示。從圖3可以看出，隨著降雨強度的增加，裸坡坡面所產生的泥沙量呈指數(shù)型遞增(R2=0.98)，且在降雨強度大于60 mm后，泥沙量增加尤其明顯。植草和草灌結合坡面產沙量隨降雨強度的增加遞增程度較緩和，3種下墊面產沙量差異性水平達到極顯著水平(p<0.01)；植草坡面和草灌結合坡面相比裸露坡面有非常明顯的減少土壤侵蝕的效果。隨著降雨強度的增加，裸坡坡面的含沙量由662.66 g(15 mm/h)陡增至2 002.95 g(82 mm/h)。裸坡坡面所產生的泥沙量呈指數(shù)型遞增，在降雨強度大于60 mm后尤為明顯，對土壤侵蝕程度明顯；植草坡面、草灌結合坡面、裸坡坡面三者產沙量差異性水平達到顯著或極顯著水平，有非常明顯的減少土壤侵蝕的效果，這與霍云梅等[36]不同模擬降雨條件下的產沙結果規(guī)律基本一致。而植草坡面的含沙量由14.57 g(15 mm/h)增加至318.20 g(82 mm/h)，草灌結合坡面的含沙量由9.13 g(15 mm/h)增加至45.12 g(82 mm/h)，3者之間差異性顯著，保土效果明顯。這主要是因為，一方面植被的覆蓋減少甚至阻止了雨滴對土壤的濺蝕作用，另一方面也減少了徑流的產生量，從而減少了徑流在坡面匯流過程中所攜帶的泥沙量，因此，在一定條件下，植草和草灌結合坡面泥沙含量比裸坡坡面大幅度減少。

圖3 研究區(qū)不同降雨強度下不同下墊面產沙量

3.4 降雨和植被覆蓋交互影響及削減率分析

根據(jù)上述分析可知，降雨強度和下墊面與路基坡面的產流效果有較大的相關關系。王萬中等[35-36]研究表明土壤侵蝕產生的徑流泥沙與降雨強度為冪函數(shù)關系，彭文英等[27]對有植被覆蓋土地利用方式研究發(fā)現(xiàn)降雨量與徑流量用幕函數(shù)擬合效果較為理想，李宏偉等[33]認為隨降雨強度和坡度的增大徑流產生速率呈冪函數(shù)形式增大，且相關性較好，同時，有研究發(fā)現(xiàn)徑流量與降雨強度在10°，15°，20°3個坡度下表現(xiàn)為冪相關[24]。對降雨和植被覆蓋類型兩個因子與路基邊坡產流產沙進行二因素交互影響分析發(fā)現(xiàn)(表5—6)，兩者對路基邊坡的徑流產生量及泥沙量均呈現(xiàn)極顯著的影響。

表5 研究區(qū)降雨及植被覆蓋類型對徑流量交互影響方差分析

表6 研究區(qū)降雨及植被覆蓋類型對泥沙量交互影響方差分析

再對降雨強度和下墊面類型兩個因子與削減率進行回歸分析，擬合得到如下方程：

Q=(0.658-0.052lnI+0.131N)×100%

R2=0.83

(2)

式中：Q表示徑流削減率(%);I表示降雨強度(mm/min);N表示下墊面類型(植草坡面取0,草灌結合坡面取1)。

用上式計算得到各個降雨強度和下墊面條件下的徑流削減率模擬值與實測值對比結果如圖4所示。從圖4可以看出，模擬得到的削減率與實測值較為接近，模擬值與實測值絕對誤差基本在1.0%～6.6%，說明方程得到的模擬值精度較好；模擬值平均值與實測值平均值的絕對誤差為5.9%，擬合效果較為理想。并且從表中可以看出，模擬值的變化規(guī)律與實測值變化規(guī)律基本一致。

圖4 研究區(qū)不同降雨強度和下墊面削減率實測值與模擬值對照

4 討論與結論

4.1 結 論

(1) 鐵路路基裸坡坡面、植草坡面與草灌結合坡面的初始產流時間與降雨強度均呈負相關關系，降雨強度和坡度越大，初始產流時間越短，且降雨強度單因素對初始產流的影響達到極顯著水平。植草坡面與草灌結合坡面對初始產流時間的延緩作用明顯，且兩者延緩坡面初始產流時間的作用效果差異不明顯。

(2) 隨著降雨強度的增加，3種下墊面徑流量均呈增大的趨勢，降雨強度對鐵路路基坡面徑流總量影響顯著。植草坡面與草灌結合坡面的總徑流量與裸坡坡面相比差異性達到極顯著水平，植草坡面與草灌結合坡面對徑流總量具有明顯的削減效果，兩者的削減效果差異性不顯著，但草灌結合坡面削減效果優(yōu)于植草坡面，坡面植物措施可優(yōu)先考慮灌草結合為宜。

(3) 降雨和植被覆蓋對鐵路路基坡面徑流及泥沙的交互影響呈現(xiàn)極顯著影響，通過線性回歸分析得到擬合度較高的降雨強度和植被類型與削減率回歸方程經檢驗，方程精度較好，模擬值與實測值偏差較小。

4.2 討 論

(1) 觀測數(shù)據(jù)在實測條件下進行，本文所選取的有效降雨場次降雨量接近，但未能做到降雨量完全相同，因此在實際條件下的徑流量和泥沙量等與人工降雨模擬降雨量完全一致存在差異。

(2) 降雨強度對初始產流的影響達到極顯著水平，這與王保一等[35]的研究結果一致。坡面觀測小區(qū)初始產流時間一定程度上與土壤初始含水率有關，本文所選取的降雨觀測場次土壤前期含水率存在一定的不可控誤差；若能對土壤含水率進行實時監(jiān)測，取得含水率相同數(shù)值進行初始產流時間試驗，能更好說明降雨強度與初始產流時間的關系。

(3) 本文只觀測滿覆蓋度下的削減作用，增加草地覆蓋度梯度的鐵路路基坡面小區(qū)設計能夠更好地說明植草坡面或草灌結合坡面的削減效果變化規(guī)律，應該在后續(xù)的試驗設計中增加雨強設計梯次，進行更深入的研究。