兩種驅(qū)動(dòng)力作用下植被調(diào)控堆積體坡面減水減沙效益

李建明，牛 俊，孫 蓓，楊賀菲，王文龍，黃金權(quán)，聶慧瑩，蒲 堅(jiān)，孫寶洋，陳卓鑫，何璽泓

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010；4.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；5.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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在人為生產(chǎn)活動(dòng)加之極端氣候影響下，土壤侵蝕已成為世界上主要的環(huán)境問(wèn)題之一，直接威脅有限土地資源的可持續(xù)利用[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)“十五”至“十三五”期間每5 a的棄土棄渣總量均接近百億噸，由于未能有效實(shí)現(xiàn)棄土棄渣的資源化利用，現(xiàn)有棄土棄渣存量已成為新增人為水土流失主要策源地[5]。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體是棄土棄渣堆棄形成且發(fā)生土壤侵蝕的主要人為擾動(dòng)地貌單元，是由項(xiàng)目施工過(guò)程中開(kāi)挖和回填后產(chǎn)生的多余土壤及礫石等混合堆積形成的高陡邊坡[6]，其主要特征是物質(zhì)成分不均，分散性大，結(jié)構(gòu)疏松，平均摩擦角、內(nèi)聚力及有機(jī)質(zhì)含量低等[7]，不僅破壞了原有土體結(jié)構(gòu)[8]，更嚴(yán)重的會(huì)造成坍塌、滑坡甚至泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[9-11]。

目前，關(guān)于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體水土流失規(guī)律已開(kāi)展較多研究，但主要是從其屬性特征、堆置形態(tài)以及不同因素對(duì)堆積體侵蝕影響等方面展開(kāi)?；趯?duì) 368座工程堆積體調(diào)查統(tǒng)計(jì)，將堆積體堆置形態(tài)概括為散亂錐狀堆置、依坡傾倒堆置、分層碾壓坡頂散亂堆置、線型垅崗式堆置、坡頂平臺(tái)有車輛碾壓的傾倒堆置5類[8]，相對(duì)于傳統(tǒng)二維坡面，錐狀立體堆積體的侵蝕過(guò)程有其獨(dú)特規(guī)律[12]。降雨和上方匯水是堆積體坡面侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力，且隨著降雨強(qiáng)度和匯流強(qiáng)度的增大，侵蝕量顯著增加[3,11]。坡度和坡長(zhǎng)是影響堆積體坡面侵蝕的主要地形因子，侵蝕量隨著坡度增大而遞增[13]，但也有研究認(rèn)為侵蝕量隨坡度的變化存在臨界值[14]；隨著坡長(zhǎng)增大，侵蝕量遞增，但現(xiàn)有的研究受試驗(yàn)條件、場(chǎng)所等限制，坡長(zhǎng)一般小于20 m[11]。近十年，針對(duì)不同區(qū)域不同土壤質(zhì)地工程堆積體的水土流失規(guī)律特征研究表明，土壤質(zhì)地是影響堆積體坡面水文和侵蝕過(guò)程的重要因素，是表征堆積體坡面抗蝕抗沖的主要指標(biāo)，且砂土堆積體相較于壤土和黏土堆積體更易發(fā)生流失[5-6]。堆積體中礫石是導(dǎo)致其侵蝕和水文特性改變的另一個(gè)重要因素，一方面礫石改變堆積體表面粗糙度進(jìn)而影響產(chǎn)沙過(guò)程，另一方面改變了堆積體的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響水文過(guò)程[15]。現(xiàn)有研究認(rèn)為，礫石對(duì)堆積體侵蝕過(guò)程影響主要包括礫石含量、大小、類型、分布等方面[4,12,16]，且礫石含量對(duì)侵蝕的影響并非是簡(jiǎn)單的線性函數(shù)關(guān)系，而是存在一個(gè)臨界值，在礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%左右[17]。已有研究對(duì)于降雨強(qiáng)度、地形（坡度、坡長(zhǎng)）、物質(zhì)組成（土質(zhì)、礫石含量）等因素對(duì)堆積體侵蝕過(guò)程的影響已取得豐碩成果，并出版導(dǎo)則用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐[18]。

現(xiàn)階段，對(duì)于植被防護(hù)坡面侵蝕的研究已形成較完整的體系，主要針對(duì)植被蓋度及植被類型等方面開(kāi)展了系列研究[19]。然而，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目由于人為擾動(dòng)強(qiáng)烈、坡度陡、下墊面物質(zhì)組成復(fù)雜、侵蝕形式多樣，使得其水土流失形式與傳統(tǒng)水土流失有較大差異[20]。現(xiàn)有針對(duì)植被防護(hù)擾動(dòng)坡面的研究主要是通過(guò)野外調(diào)查[21]，自然觀測(cè)[22]，采用模擬試驗(yàn)定量化分析。目前僅有少量研究且是采用植物籬防護(hù)[23]或者通過(guò)魚(yú)鱗坑、水平階等工程措施[24]。相對(duì)于全坡面植被防護(hù)，植物籬防護(hù)受其規(guī)格影響較大，能夠取得的水土流失防護(hù)效益也不盡相同[25]；而工程措施雖能夠在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少水土流失，但其生態(tài)效益較低。進(jìn)一步的，已有研究采用的是單獨(dú)降雨或沖刷試驗(yàn)，然而，現(xiàn)實(shí)中短期內(nèi)形成的堆積體，往往由機(jī)械運(yùn)輸傾倒形成，會(huì)在堆積體邊坡上方形成一個(gè)平臺(tái)，用于機(jī)械作業(yè)，碾壓密實(shí)的匯水平臺(tái)為堆積體邊坡上方雨水匯集提供了一定的匯水面積，水流匯集后沿坡面向下流動(dòng)，加劇了侵蝕的發(fā)生，這使得堆積體邊坡的侵蝕驅(qū)動(dòng)力由單獨(dú)的降雨轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤?上方匯水的共同作用。在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有匯水影響的工程堆積體占總量的絕大多數(shù)，即導(dǎo)致堆積體侵蝕的外營(yíng)力不僅包括降雨還包含了上方匯水。當(dāng)坡面加入上方匯水后，各侵蝕方式演變速度明顯加快，侵蝕產(chǎn)沙量迅速增大，上方匯水對(duì)坡面侵蝕的影響甚至超過(guò)降雨[26]，但針對(duì)該方面的定量研究目前仍較欠缺。

綜上，目前對(duì)于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體侵蝕機(jī)制已有較多研究，對(duì)于堆積體的防護(hù)有少量報(bào)道。然而，對(duì)于有上方匯水條件下植被防護(hù)堆積體侵蝕的定量研究較少，對(duì)于侵蝕驅(qū)動(dòng)力的變化是否改變了植被防護(hù)堆積體坡面水文和侵蝕過(guò)程特性尚不清晰。因此，本研究在基于野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)野外模擬降雨和降雨+上方匯水的試驗(yàn)方法模擬無(wú)上方匯水和有上方匯水 2種條件下植被對(duì)堆積體坡面水文和侵蝕過(guò)程的調(diào)控作用及差異性，以期為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體水土流失防治及植被防護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所陜西長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站進(jìn)行（35°14′23.97″N，107°41′20.27″E）。研究區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為9.1 ℃，降雨量為560 mm，大部分降雨介于5－9月并且以短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨為主，研究區(qū)的土壤屬于黃土土質(zhì)[23]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將2010－2012年對(duì)全國(guó)368座工程堆積體的野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果和2019年對(duì)黃土高原區(qū)域典型堆積體植被防護(hù)野外調(diào)查結(jié)果作為本試驗(yàn)工程堆積體相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)[5,8]。模擬工程堆積體小區(qū)長(zhǎng)×寬×高為 3.46 m×2 m×0.6 m，小區(qū)的投影坡長(zhǎng)為3 m，坡度設(shè)計(jì)為30°。利用薄鋼板將小區(qū)分為2個(gè)1 m寬的試驗(yàn)區(qū)域，互為重復(fù)。工程堆積體是將土石按照礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%通過(guò)人工堆填形成，如圖1所示。使用的土壤來(lái)源于修建G312國(guó)道長(zhǎng)武縣域堆棄土，根據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，歸為粉壤土，其砂粒、粉粒、黏粒的占比分別為 9.90%、66.69%和23.41%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.07%。試驗(yàn)土壤首先風(fēng)干后過(guò)10 mm網(wǎng)篩，剔除石粒、根系等雜質(zhì)。使用的礫石為工程常用的破口石，依據(jù)前期調(diào)查結(jié)果，選用的礫石粒徑為15～25 mm。將礫石與經(jīng)過(guò)風(fēng)干過(guò)篩的土壤按照質(zhì)量比為1:9的比例進(jìn)行均勻混合。隨后將混合后的土石混合物填進(jìn)小區(qū)，在底層裝填5 cm的細(xì)沙，保證底部排水通暢。因此，堆積體實(shí)際土石混合物的裝填深度為55 cm，由下至上分為4層進(jìn)行裝填，底部3層各15 cm厚按照容重 1.35 g/cm3進(jìn)行填筑，表層 10 cm容重1.30 g/cm3，其中底部3層裝填過(guò)程中需要壓實(shí)，裝填完一層后表層打毛，防止 2層之間粘貼松散，發(fā)生整體滑動(dòng)，表層10 cm裝填后用木板拍實(shí)并打毛，模擬現(xiàn)實(shí)中堆積體表層松散的狀態(tài)。小區(qū)的邊界及中間分割的鋼板埋入地下20 cm，表面出露15 cm用于消除邊界效應(yīng)。在小區(qū)出口處采用磚塊及水泥砌筑三角堰，作為接樣口。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和文獻(xiàn)調(diào)研，采用紫花苜蓿（Medicago sativa，簡(jiǎn)稱苜蓿）作為防護(hù)堆積體的植被，不僅能夠起到防護(hù)坡面水土流失效果，另一方面也有經(jīng)濟(jì)效益，是常見(jiàn)的坡面防護(hù)植被類型[27]。2019年3月，按照行間距為15 cm×15 cm進(jìn)行穴播，期間對(duì)植被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。8月時(shí)，通過(guò)拍照后軟件計(jì)算得到苜蓿的覆蓋率為 76%，高度為20~30 cm，達(dá)到植被防護(hù)坡面的效果。另一個(gè)小區(qū)作為對(duì)照，所有處理均一樣，不種植植被。開(kāi)始降雨試驗(yàn)前（植被生長(zhǎng) 6個(gè)月后）采樣分析，苜蓿和裸坡堆積體的容重分別為（1.19±0.06）和（1.33±0.03）g/cm3，初始含水率分別為25.67%±2.62%和19.92%±1.65%。裸坡堆積體經(jīng)過(guò)6個(gè)月自然沉降后的容重（1.33 g/cm3）大于初始設(shè)計(jì)的1.30 g/cm3，而苜蓿堆積體由于植被生長(zhǎng)根系的穿插作用大于自然沉降效果，導(dǎo)致苜蓿堆積體容重（1.19 g/cm3）較初始設(shè)計(jì)小。

1.3 野外試驗(yàn)裝置

野外試驗(yàn)包括模擬降雨和降雨+上方匯水2種方法，分別模擬無(wú)上方匯水和有上方匯水 2種驅(qū)動(dòng)力作用下植被防護(hù)堆積體侵蝕研究。其中降雨試驗(yàn)所用的裝置為中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所生產(chǎn)的 SR型側(cè)噴式野外人工模擬降雨機(jī)，包含2個(gè)可調(diào)整位置的降雨模擬器，2個(gè)降雨器的水來(lái)源于同一根管子分流。通過(guò)進(jìn)水口閥門、降雨器流量計(jì)及噴頭墊片尺寸來(lái)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度及均勻度。該套降雨裝置的噴頭為由噴頭體、出水孔板和碎流擋板等部件組成的變孔式噴頭。降雨機(jī)高度為6 m，加上小區(qū)高度落差雨滴能夠達(dá)到終點(diǎn)速度，降雨均勻系數(shù)在85%以上。

放水裝置為自制的沖刷裝備，包括儲(chǔ)水桶（2.5 m3）、流量計(jì)、穩(wěn)流槽、開(kāi)關(guān)閥門和管道等部件。其中，流量計(jì)可調(diào)節(jié)放水流量范圍為2～18 L/min，穩(wěn)流槽長(zhǎng)×寬×深為1.0 m×0.4 m×0.6 m，其中寬度隔成2個(gè)0.2 m，底部聯(lián)通。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2所示[11,28]。

基于大量野外調(diào)查及觀測(cè)結(jié)果，造成工程堆積體侵蝕的大部分是短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨降雨事件，加之前期大量室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究，降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為0.8、1.2和1.8 mm/min共3個(gè)[3,12]。按照設(shè)計(jì)的3種降雨強(qiáng)度與堆積體上方匯水面積、徑流系數(shù)計(jì)算得到單寬放水流量，設(shè)計(jì)放水流量為15 L/min[11,27]。模擬有上方匯水條件下的試驗(yàn)是在降雨試驗(yàn)基礎(chǔ)上加入?yún)R水流量，其中單獨(dú)降雨試驗(yàn)用 R0.8、R1.2、R1.8表示，降雨+上方匯水用 R0.8S、R1.2S、R1.8S為標(biāo)記。為了避免風(fēng)對(duì)試驗(yàn)造成影響，在整個(gè)小區(qū)外圍建立一個(gè)高8 m的防風(fēng)棚。試驗(yàn)開(kāi)始前，將小區(qū)用遮雨布遮蓋，在小區(qū)四周布設(shè)雨量筒用于率定降雨強(qiáng)度，直至誤差在5%內(nèi)。待降雨強(qiáng)度率定完畢后，迅速揭開(kāi)遮雨布，開(kāi)始試驗(yàn)，從揭開(kāi)遮雨布開(kāi)始至坡面形成連續(xù)且明顯股流，并在集流槽出口處收集到徑流泥沙樣作為試驗(yàn)開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)間，將從降雨開(kāi)始至產(chǎn)流開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)段的時(shí)間記為產(chǎn)流起始時(shí)間，從接第 1個(gè)樣品開(kāi)始至試驗(yàn)結(jié)束的總時(shí)間設(shè)計(jì)為 30 min。為了消除初始含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每次試驗(yàn)前1 d先采用0.5 mm/min的降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨。每分鐘接 2個(gè)混合樣，一個(gè)作為渾水樣采用2 L的量筒記錄體積及質(zhì)量用于含沙量測(cè)算，另一個(gè)作為徑流及泥沙樣用5 L的桶接取后，靜置10 h，待泥沙沉淀后倒去上層清水液，將泥沙轉(zhuǎn)移至鋁盒，帶到室內(nèi)放進(jìn)105 ℃烘箱烘干24 h后稱質(zhì)量（放水沖刷侵蝕量大，烘干時(shí)間延長(zhǎng)至 48 h）。其中徑流率的計(jì)算是采用渾水樣質(zhì)量扣除泥沙質(zhì)量后與純水密度（1.0 g/cm3）推求體積，除以接樣時(shí)間獲得徑流率。模擬降雨+上方匯水試驗(yàn)的試驗(yàn)流程與單獨(dú)降雨試驗(yàn)一致，但在調(diào)試降雨強(qiáng)度前先率定放水流量，并保證穩(wěn)流槽是滿的，待降雨強(qiáng)度率定完成后，同時(shí)開(kāi)始降雨和放水。所有指標(biāo)是 2個(gè)分割小區(qū)測(cè)定的平均值，如 2個(gè)小區(qū)的數(shù)據(jù)差異較大，則舍棄該組試驗(yàn)，重新進(jìn)行試驗(yàn)，需要對(duì)小區(qū)進(jìn)行平整并放置3 d自然沉降。為了消除各場(chǎng)次降雨之間堆積體表面的差異性，根據(jù)上一場(chǎng)次試驗(yàn)侵蝕量重新補(bǔ)充填土，將小區(qū)放置3 d然后進(jìn)行下一場(chǎng)試驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1）侵蝕速率

式中SLR為侵蝕速率，g/(m2·min)；Ms為給定時(shí)段內(nèi)的侵蝕量，g；d為坡面寬度，m；L為坡面長(zhǎng)度，m；t為給定時(shí)間長(zhǎng)，min。

2）減流減沙效益

苜蓿對(duì)堆積體坡面減流和減沙效益計(jì)算如下：

式中CR和CS分別是減流和減沙效益，%；Rb和Sb分別是裸坡的徑流率（L/min）和侵蝕速率（g/(m2·min)）；Rm、Sm分別是苜蓿堆積體的徑流率（L/min）和侵蝕速率（g/(m2·min)）。

痔是一種常見(jiàn)多發(fā)病,不同年齡與不同性別人群皆可發(fā)生,常合并其他肛腸疾病,如肛瘺、肛裂等[1]。近年來(lái),隨著外科技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,自動(dòng)痔瘡套扎術(shù)(RPH)以其操作易于掌握,術(shù)后康復(fù)迅速,并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)成為痔的首選治療方法[2]。但對(duì)于痔合并肛瘺患者的治療了效果如何,還有待進(jìn)一步研究。故本研究采用RPH對(duì)我院肛腸科收治的痔合并肛瘺患者進(jìn)行治療,現(xiàn)將其療效匯報(bào)如下。

采用Excel 2016和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被減水減沙效益

不同試驗(yàn)條件下裸坡和苜蓿堆積體坡面平均侵蝕速率、徑流率及苜蓿的減流減沙效益如表1所示。顯著性差異分析結(jié)果表明，降雨和降雨+上方匯水2種驅(qū)動(dòng)力條件下，3種降雨強(qiáng)度下裸坡的平均侵蝕速率（徑流率）均存在顯著差異（P＜0.05），苜蓿的平均徑流率在2種驅(qū)動(dòng)力下也存在顯著差異（P＜0.05），苜蓿平均侵蝕速率在降雨+上方匯水時(shí)呈顯著差異（P＜0.05），而在降雨時(shí)R0.8和R1.2之間無(wú)顯著差異（P＞0.05），R0.8和R1.8、R1.2和 R1.8之間也呈顯著差異（P＜0.05）?？傮w而言，無(wú)論有無(wú)上方匯水，降雨強(qiáng)度對(duì)于裸坡及苜蓿堆積體的水文過(guò)程和產(chǎn)沙過(guò)程均有顯著影響。

表1 兩種驅(qū)動(dòng)力作用下裸坡和苜蓿堆積體平均徑流率、侵蝕速率及苜蓿對(duì)堆積體的減流減沙效益Table 1 Runoff rate, soil loss rate, and benefits of soil and water reductions of spoil heaps by Artemisia gmelinii under two driving forces

降雨條件下，苜蓿的減沙效益和減流效益分別是77.73%～98.51%和36.32%～83.11%，減沙效益是減流效益的1.19～2.14倍。降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min時(shí)的減流減沙效益大于降雨強(qiáng)度1.8 mm/min，減沙效益超過(guò)94%，減流效益也達(dá)到60%以上，隨著降雨強(qiáng)度增大，苜蓿對(duì)堆積體坡面減流減沙效益呈遞減趨勢(shì)，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增大至1.8 mm/min時(shí)減沙和減流效益分別減少 4.32%～21.10%和 26.85%～56.30%。裸坡堆積體在R1.2和R1.8條件下的平均侵蝕速率是R0.8的1.79倍和3.17倍，平均徑流率分別是1.68倍和 2.62倍；相同條件下苜蓿堆積體R1.2和R1.8條件下平均侵蝕速率和徑流率分別是R0.8的7.00倍、48.00倍和3.83倍、9.65倍。即有植被防護(hù)堆積體坡面的徑流和產(chǎn)沙隨降雨強(qiáng)度的變化比裸坡更顯著。

當(dāng)侵蝕驅(qū)動(dòng)力由降雨轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤?上方匯水時(shí)，苜蓿對(duì)堆積體坡面的減沙效益為57.28%～83.83%，減流效益為 13.17%～29.61%，減沙效益是減流效益的 1.93～6.33倍（表1）。隨降雨強(qiáng)度增大，減沙效益提高 45.55%～46.35%，而減流效益減少54.21%～55.54%。除了苜蓿的平均侵蝕速率出現(xiàn)R1.2S＜R0.8S＜R1.8S外，裸坡堆積體的平均侵蝕速率和徑流率以及苜蓿堆積體的平均徑流率都表現(xiàn)為R0.8S＜R1.2S＜R1.8S。加入上方匯水后，裸坡堆積體在R1.2S、R1.8S平均侵蝕速率是R0.8S條件下的1.93倍和3.15倍，平均徑流率在R1.2S、R1.8S條件下是R0.8S的1.10倍和1.20倍；相同條件下苜蓿堆積體平均侵蝕速率在R1.2S、R1.8S條件下是R0.8S的0.73倍和1.22倍，平均徑流率分別是1.35倍和1.48倍。

由表1可知，侵蝕驅(qū)動(dòng)力的改變，導(dǎo)致裸坡和苜蓿堆積體坡面的徑流和產(chǎn)沙過(guò)程也發(fā)生改變。裸坡堆積體在降雨時(shí)的平均侵蝕速率為10.89～34.48 g/(m2·min)，而在降雨+上方匯水時(shí)為72.22～227.31 g/(m2·min)。當(dāng)降雨強(qiáng)度同時(shí)加入一個(gè) 15 L/min（相當(dāng)于降雨強(qiáng)度4.33 mm/min）的上方匯水時(shí)，裸坡堆積體在R0.8S、R1.2S、R1.8S的平均侵蝕速率分別是R0.8、R1.2、R1.8條件下的6.63、7.15和6.59倍；相同條件下，苜蓿堆積體在R0.8S、R1.2S、R1.8S的平均侵蝕速率分別是 R0.8、R1.2、R1.8條件下的192.81、20.13和4.92倍。對(duì)平均徑流率而言，裸坡堆積體在降雨+上方匯水條件下是降雨條件下的 10.81、7.05和4.96倍，苜蓿堆積體是44.04、15.51和6.77倍。分析3場(chǎng)次試驗(yàn)減流減沙效益均值，加入上方匯水后苜蓿對(duì)堆積體的平均減沙和減流效益分別減少17.01%和68.74%。因此，當(dāng)堆積體坡面上方存在一個(gè)匯水平臺(tái)，徑流在平臺(tái)匯集后沿堆積體坡面順流而下，加劇了對(duì)坡面的沖刷，進(jìn)而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的侵蝕。

2.2 堆積體坡面水文產(chǎn)沙過(guò)程特征

2.2.1 侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化

不同驅(qū)動(dòng)力下裸坡和苜蓿堆積體坡面侵蝕速率變化如圖3所示?？傮w上，在不同驅(qū)動(dòng)力作用下，裸坡堆積體侵蝕速率在產(chǎn)流10 min以后隨產(chǎn)流歷時(shí)呈遞減趨勢(shì)，在0～10 min呈波動(dòng)變化，在降雨+上方匯水條件下侵蝕速率在侵蝕過(guò)程中的波動(dòng)變化趨勢(shì)較降雨條件下顯著。當(dāng)坡面種植苜蓿后，不同驅(qū)動(dòng)力作用下，侵蝕速率變化趨勢(shì)不同：在降雨條件下，侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)逐漸增大，而在降雨+上方匯水條件下，侵蝕速率變化還與降雨強(qiáng)度有關(guān)，R0.8S侵蝕速率呈先遞減—相對(duì)穩(wěn)定—再增加—最后遞減變化，而R1.2S和R1.8S的侵蝕速率呈波動(dòng)遞增—相對(duì)穩(wěn)定變化。

根據(jù)圖中裸坡和苜蓿堆積體侵蝕速率曲線在產(chǎn)流10 min前后變化趨勢(shì)差異，可將侵蝕速率劃分為產(chǎn)流前期（1～10 min）和產(chǎn)流后期（11～30 min）兩個(gè)階段分析：裸坡堆積體R0.8、R1.2、R1.8產(chǎn)流前期的平均侵蝕速率分別是15.85、24.43和41.88 g/(m2·min)，分別是后期的1.89、1.43和1.36倍，當(dāng)侵蝕驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤?上方匯水后，裸坡堆積體前期平均侵蝕速率是后期的1.06～2.90倍；而苜蓿堆積體R0.8、R1.2、R1.8產(chǎn)流前期的平均侵蝕速率僅占后期的59.30%、35.21%和35.64%，但在降雨+上方匯水條件下，產(chǎn)流前期平均侵蝕速率是后期的 1.43、0.69和1.05倍。結(jié)果表明：在單獨(dú)降雨條件下，裸坡堆積體產(chǎn)流初期侵蝕較嚴(yán)重，但種植苜蓿后，后期侵蝕較前期更大，即苜蓿延緩了堆積體坡面嚴(yán)重侵蝕發(fā)生時(shí)間；但在降雨+上來(lái)匯水條件下，裸坡堆積體前期侵蝕仍較嚴(yán)重，種植苜蓿的堆積體在降雨強(qiáng)度0.8和1.8 mm/min下也是前期侵蝕較后期嚴(yán)重。但無(wú)論在降雨還是降雨+上方匯水條件下，與裸坡相比，苜蓿堆積體侵蝕速率的變化范圍均小于裸坡，即種植苜?？梢杂行p緩堆積體坡面侵蝕。因此，在布設(shè)水土保持措施時(shí)，針對(duì)裸坡堆積體尤其要注重對(duì)初期坡面的防護(hù)，而對(duì)于植被防護(hù)小區(qū)，需要注重措施發(fā)揮效益的持久性。

驅(qū)動(dòng)力為降雨時(shí)，裸坡堆積體在 3種降雨強(qiáng)度下，瞬時(shí)侵蝕速率（每分鐘測(cè)定的侵蝕速率，對(duì)應(yīng)于圖中的單個(gè)點(diǎn)）為4.06～99.71 g/(m2·min)，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)為降雨+上方匯水時(shí)，波動(dòng)范圍為43.59～535.31 g/(m2·min)，增加幅度達(dá)到 436.87%～973.65%；苜蓿堆積體在降雨+上方匯水下的瞬時(shí)侵蝕速率較降雨下增大 559.96%～8633.33%。結(jié)果表明，上方匯水對(duì)于加劇裸坡和苜蓿堆積體坡面侵蝕的作用要比降雨強(qiáng)度更大。無(wú)論侵蝕驅(qū)動(dòng)力是降雨或是降雨+上方匯水，種植苜蓿能夠在產(chǎn)流全過(guò)程實(shí)現(xiàn)減沙效果，效益均在80%以上。

2.2.2 徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化

相對(duì)于侵蝕速率，裸坡和苜蓿堆積體的徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化幅度較小且相近。不同驅(qū)動(dòng)力下裸坡和苜蓿堆積體坡面徑流率變化如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)力為降雨時(shí)，裸坡堆積體徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)呈先增大后趨于相對(duì)穩(wěn)定變化，R0.8、R1.2、R1.8瞬時(shí)徑流率分別為0.67～2.30、1.32～3.06、1.12～4.97 L/min。苜蓿堆積體徑流率在 R0.8時(shí)總體較穩(wěn)定，瞬時(shí)徑流率小于0.32 L/min，R1.2、R1.8徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)持續(xù)遞增，變化范圍分別為0.49～1.18和0.43～3.21 L/min。3種降雨強(qiáng)度下苜蓿堆積體的瞬時(shí)徑流率均小于裸坡，即植被防護(hù)可有效增加堆積體坡面入滲，減少?gòu)搅?。產(chǎn)流過(guò)程中，苜蓿在 R0.8、R1.2、R1.8對(duì)堆積體坡面的減流效益分別是69.54%～91.67%、36.03%～80.66%和15.92%～61.20%，即隨降雨強(qiáng)度增大，苜蓿對(duì)堆積體坡面減流效益在降低。

侵蝕驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤?上方匯水時(shí)，堆積體坡面的水文過(guò)程也發(fā)生改變。體現(xiàn)在裸坡堆積體的瞬時(shí)徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化幅度增大，R0.8S、R1.2S、R1.8S的變化范圍在 12.18～15.63、14.95～16.69、11.87～18.49 L/min。而苜蓿堆積體的瞬時(shí)徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)在產(chǎn)流初期快速增加，隨后緩慢增加，相對(duì)于降雨條件，有上方匯水條件下苜蓿堆積體坡面瞬時(shí)徑流率的變化幅度更大，其變化范圍在 5.99～12.94、5.45～16.13 和 8.26～17.30 L/min。產(chǎn)流過(guò)程中，苜蓿在R0.8S、R1.2S、R1.8S的減流效益分別是 14.41%～58.02%、?1.01%～64.19%和?1.98%～35.16%。在降雨加入上方匯水后，植被防護(hù)堆積體的瞬時(shí)徑流率在產(chǎn)流中后期（R1.2S-16 min、R1.8S-20和23 min）的瞬時(shí)徑流率接近甚至超過(guò)裸坡。但總體而言，植被仍可有效減少堆積體坡面徑流損失，增加堆積體入滲。

對(duì)比分析驅(qū)動(dòng)力為降雨和降雨+上方匯水兩種條件下徑流率變化過(guò)程可知，降雨條件下裸坡和苜蓿堆積體入滲是逐漸向飽和狀態(tài)發(fā)展（徑流率持續(xù)增大）。但加入上方匯水改變了堆積體入滲過(guò)程，其中裸坡堆積體迅速達(dá)到飽和（產(chǎn)流全過(guò)程總體較穩(wěn)定），但苜蓿堆積體前期徑流持續(xù)增加后期達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定（即入滲是逐步達(dá)到飽和），也進(jìn)一步證明了植被能夠有效調(diào)控堆積體坡面水文過(guò)程，增加入滲，減少?gòu)搅鳌?/p>

3 討 論

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄土棄渣侵占有限的土地資源及其造成的水土流失危害已受到廣泛關(guān)注[1-2]，而采用植被防護(hù)坡面侵蝕已有豐富研究[19]，但定量化分析植被對(duì)工程堆積體坡面防護(hù)效益的研究較少，尤其是堆積體平臺(tái)匯水是否改變了植被對(duì)堆積體邊坡侵蝕的防護(hù)尚不清晰。本項(xiàng)研究對(duì)比分析有無(wú)上方匯水條件下苜蓿對(duì)陡坡堆積體坡面水文和侵蝕過(guò)程的影響。結(jié)果表明，加入上方匯水后裸坡堆積體侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化由波動(dòng)增加后遞減轉(zhuǎn)變?yōu)檎w波動(dòng)遞減趨勢(shì)，而苜蓿堆積體在大降雨強(qiáng)度條件下侵蝕速率由持續(xù)增加趨勢(shì)變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定（圖3）；上方匯水使裸坡堆積體徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)波動(dòng)幅度增大，而苜蓿堆積體徑流率也在初期呈現(xiàn)快速遞增的變化趨勢(shì)（圖4）?？傮w而言，堆積體平臺(tái)匯水會(huì)改變邊坡侵蝕和水文特征，使得植被調(diào)控堆積體促滲減蝕效益降低，還改變了降雨過(guò)程的侵蝕形式。上方匯水造成邊坡侵蝕和水文過(guò)程發(fā)生改變的原因主要是坡面接受上方匯水后，侵蝕形式演變速度明顯加快，侵蝕產(chǎn)沙量也迅速增加，上方匯水對(duì)坡面侵蝕的作用甚至超過(guò)降雨[26]。張樂(lè)濤等[24]通過(guò)沖刷試驗(yàn)也表明匯流作為坡面徑流侵蝕驅(qū)動(dòng)力和水流能量的傳遞紐帶以及泥沙輸移載體，影響并參與坡面侵蝕的各個(gè)環(huán)節(jié)，加速了坡面侵蝕發(fā)生發(fā)展，其本質(zhì)是匯流改變了坡面下部的水文輸入條件，徑流侵蝕力進(jìn)行了重新分配。牛耀彬等[11]通過(guò)野外模擬試驗(yàn)分析降雨和降雨+上方匯水條件下堆積體侵蝕特征研究，表明加入上方匯水后堆積體坡面均出現(xiàn)侵蝕溝，甚至發(fā)生滑塌，且侵蝕形態(tài)由單獨(dú)降雨條件下的濺蝕→面蝕→溝蝕發(fā)展為面蝕→溝蝕→重力侵蝕。由于本研究的投影坡長(zhǎng)僅為3 m，外加苜蓿防護(hù)，并未出現(xiàn)明顯侵蝕溝，但侵蝕形態(tài)也發(fā)生了改變。因此，加入上方匯水后會(huì)顯著增加堆積體坡面侵蝕，本研究結(jié)果表明相同降雨條件下，加入一個(gè)固定的上方匯水，裸坡和苜蓿堆積體在降雨+上方匯水條件下的平均侵蝕速率和徑流率分別是降雨條件下的4.92～192.81倍和4.96～44.04倍，加入上方匯水后苜蓿堆積體平均侵蝕速率和徑流率的增大幅度大于裸坡（表1）。在工程實(shí)際中，對(duì)于含有匯水平臺(tái)的堆積體坡面，尤其要注重其水土流失防護(hù)，避免發(fā)生嚴(yán)重的侵蝕。

本研究結(jié)果表明，2種驅(qū)動(dòng)力下苜蓿減沙效益為57.28%～98.51%，與現(xiàn)有研究結(jié)果植被減沙效益有差異，已有研究表明植被對(duì)坡面侵蝕的減沙效益可達(dá)到19.50%～43.60%[29]、45.00%～85.00%[30]、62.93%[31]、80.20%[32]、93.60%～99.20%[33]，造成以上差異的原因可能是植被特性（類型、覆蓋度、恢復(fù)時(shí)間等）或下墊面特征（地形、物質(zhì)組成、人為擾動(dòng)程度等）差異引起的。苜蓿不僅能夠減少堆積體侵蝕速率，而且延緩了堆積體坡面嚴(yán)重侵蝕發(fā)生的時(shí)間，在降雨條件下裸坡前期平均侵蝕速率是后期的 1.36～1.89倍，而苜蓿在前期平均侵蝕速率僅是后期的35.21%～59.30%，即裸坡的嚴(yán)重侵蝕發(fā)生在產(chǎn)流前期，而植被條件下侵蝕總體后期大于前期；但在加入上方匯水后，裸坡和苜蓿堆積體的侵蝕均表現(xiàn)為前期大于后期。針對(duì)工程擾動(dòng)邊坡進(jìn)行植被防護(hù)時(shí)，對(duì)于裸坡堆積體尤其要注重其初期防護(hù)，可以采用工程措施和臨時(shí)措施作為植物措施的輔助，待植被達(dá)到一定生長(zhǎng)周期能夠發(fā)揮效益后在拆除，最大限度發(fā)揮水保措施的防護(hù)效益。而植被防護(hù)堆積體也需要注重發(fā)揮植被防護(hù)效益的持續(xù)性。

關(guān)于植被防護(hù)工程堆積體侵蝕機(jī)制方面，還需要從植被特性方面進(jìn)行深入研究，闡明植被地上莖葉和地下根系在防護(hù)堆積體侵蝕方面的貢獻(xiàn)，并考慮加入上方匯水后是否改變了植被防護(hù)堆積體侵蝕的動(dòng)力機(jī)制，在后續(xù)研究中需要拓展分析，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體植被防護(hù)侵蝕過(guò)程中植被類型選取、配置模擬優(yōu)化，以及為侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文采用野外模擬降雨+上方匯水和降雨試驗(yàn)定量研究有、無(wú)上方匯水條件下植被對(duì)陡坡工程堆積體坡面減流減沙效益、水文和侵蝕過(guò)程特性影響，得出主要結(jié)論是：

1）苜蓿能夠減少工程堆積體坡面平均侵蝕速率達(dá)57.28%～98.51%，減少平均徑流率為13.17%～83.11%，加入上方匯水后苜蓿對(duì)堆積體的平均減沙效益和減流效益分別減少17.01%和68.74%。植被不僅能夠減少堆積體坡面侵蝕，也使得堆積體坡面的侵蝕過(guò)程趨于平緩；

2）3種雨強(qiáng)在加入一個(gè)固定上方匯水后，裸坡和苜蓿堆積體在降雨+上方匯水條件下的平均侵蝕速率分別降雨條件下的6.59～7.15倍和4.92～192.81倍，平均徑流率分別是4.96～10.81倍和6.77～44.04倍。侵蝕驅(qū)動(dòng)力的變化對(duì)苜蓿堆積體的影響比裸坡更大；

3）降雨條件下苜蓿對(duì)堆積體坡面減流減沙效益隨降雨強(qiáng)度增大降低，而當(dāng)堆積體邊坡加入上方匯水后苜蓿的減沙效益隨降雨強(qiáng)度增大而增大，但減流效益在減小。對(duì)于容易發(fā)生高強(qiáng)度、短歷時(shí)暴雨等極端氣候的區(qū)域，尤其要做好堆積體邊坡的防護(hù)措施。裸坡堆積體在布設(shè)植被措施時(shí)可以輔以工程或者臨時(shí)措施，達(dá)到良好的防蝕效果，植被措施需要注重措施發(fā)揮效益的持久性。