黃土區(qū)溝道階梯狀邊坡水土流失防治措施與機(jī)理探討

李 寧，閆 璐

(1.志丹縣水土保持工作隊(duì)，陜西 延安 717500；2.志丹縣水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)站，陜西 延安 717500)

現(xiàn)階段為了有效提升耕地的質(zhì)量與數(shù)量、保持退耕還林還草成績(jī)，更好地控制黃土區(qū)生態(tài)環(huán)境，提出了黃土區(qū)溝道土地整治措施，其核心目的是為了減少山體邊坡的水土流失。實(shí)施方法由實(shí)際情況而定，在開(kāi)挖面區(qū)域按照每3～5 m的高度修建成階梯形狀[1]。在實(shí)施溝道土地整治工程中發(fā)現(xiàn)，溝道中的泥是由細(xì)溝侵蝕發(fā)育而形成，但未出現(xiàn)滑塌的情況[2]。當(dāng)前關(guān)于溝道階梯狀邊坡的研究主要側(cè)重于邊坡坡率、水與順層滑坡的關(guān)系、黃土邊坡變形破壞機(jī)理方面，但關(guān)于降雨沖刷與階梯狀邊坡侵蝕發(fā)育相關(guān)的研究卻較少[3]。本研究將采用模擬試驗(yàn)的方式，探究不同降雨強(qiáng)度下溝道階梯狀邊坡在不同水土保持措施中的水沙效應(yīng)及邊坡土壤侵蝕過(guò)程，探究在不同降水條件作用下邊坡的產(chǎn)沙特征、邊坡土壤侵蝕過(guò)程以及溝道階梯狀邊坡的水土流失特征，并驗(yàn)證利用截排水及反坡措施下的減沙效果，為黃土區(qū)溝道土地提供合理、科學(xué)的整治依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 案例概括

黃土區(qū)某地年降水量為550 mm，降水期為夏、秋兩季強(qiáng)降雨，該地區(qū)土壤為黃棉土，土質(zhì)疏松、綿軟，其顆粒構(gòu)成主要以黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、細(xì)砂粒(50～250 μm)，分別占比為9.1%、59.6%、31.3%，pH值為7.17～8.16，地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量為3～10 g/kg，草地土壤有機(jī)質(zhì)含量為10～30 g/kg。區(qū)域內(nèi)黃棉土具有較好的透水性及蓄水能力，透水率>0.5 mm/s，下滲深度1.6～2.0 m，土壤有效水含量為80～170 g/kg。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

取研究區(qū)域土壤在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干處理后，采用2 mm樣品篩去除土壤樣本中雜質(zhì)。根據(jù)前期的研究發(fā)現(xiàn)，降雨試驗(yàn)高度設(shè)置為16.0 m能夠獲得最佳的雨滴終點(diǎn)速度，并使用直接率定法選定受雨試驗(yàn)區(qū)域，保證降雨均勻度不低于90%；徑流小區(qū)規(guī)格為1.5 m×1.0 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)三面封閉型式。采用分層鋪設(shè)方式將樣品土壤均勻地鋪設(shè)在試驗(yàn)小區(qū)上，單層厚度為10.0 cm，共鋪設(shè)10層，試驗(yàn)小區(qū)土壤的容重應(yīng)由上向下遞增，并保持在1.40～1.52 g/cm3，土壤的含水率保持在15.0%；土層鋪設(shè)完畢后修筑階梯狀邊坡，階梯的高度為50.0 cm、里面的坡度保持在60°、邊坡平面的寬度為20.0 cm、反坡平臺(tái)面坡度設(shè)置為向坡腳方向減少5°。

試驗(yàn)中降雨強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史氣象資料作為參考，最終確定為A(60 mm/h)、B(90 mm/h)、C(120 mm/h)三種不同程度的典型降雨強(qiáng)度；試驗(yàn)降雨時(shí)間設(shè)置為60 min；邊坡模型采用水平及反坡5°階梯狀邊坡平臺(tái)面，并以階梯狀邊坡平臺(tái)面水平處理為試驗(yàn)的參照。通過(guò)放水試驗(yàn)?zāi)M無(wú)坡頂匯水面截排水措施情況下的土體侵蝕狀態(tài)。通過(guò)綜合考慮，最終選定B條件為截排水措施試驗(yàn)中的降雨強(qiáng)度；參考地區(qū)中實(shí)際情況，設(shè)置截排水措施試驗(yàn)中放水量為90.0 L，放水時(shí)間為60 min[4]。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

本次降雨、放水試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)產(chǎn)流開(kāi)始實(shí)施取樣，并相隔3 min進(jìn)行一次取樣，樣品經(jīng)過(guò)稱重，取泥沙進(jìn)行烘干后稱重，計(jì)算并記錄各次發(fā)生的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量。試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)發(fā)生侵蝕深度大于10.0 mm區(qū)域的表面積與總表面積的比值作為坡面破壞指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 雨強(qiáng)與產(chǎn)沙量

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在A、B、C三種不同程度降雨強(qiáng)度下，徑流小區(qū)的產(chǎn)流量與時(shí)間變化呈現(xiàn)正比，流速分別為567 g/min、712 g/min、1157 g/min；產(chǎn)沙量方面A、B條件下產(chǎn)沙速率分別為8.5 g/min、15.1 g/min，較為穩(wěn)定，但在C條件下產(chǎn)沙量趨勢(shì)具有顯著的變化，在試驗(yàn)的前30 min、31～50 min以及51～60 min產(chǎn)沙速率趨勢(shì)發(fā)生改變，分別為43.2 g/min、31.5 g/min、278.5 g/min，呈現(xiàn)大幅度的提升，分析原因是由于在C條件下局部坡面受到破壞，導(dǎo)致滲入情況加劇，而在C條件下產(chǎn)沙量發(fā)生波動(dòng)同樣是由于局部坡面在不同時(shí)間段內(nèi)受到了破壞，在強(qiáng)降雨下將會(huì)產(chǎn)生較大程度的濺蝕，導(dǎo)致徑流挾沙水平的增加，因此坡面侵蝕發(fā)育極為顯著；三種不同條件下的坡面破壞指標(biāo)分別達(dá)到5%、10%、32%，C條件下坡面破壞指標(biāo)較大也是導(dǎo)致產(chǎn)沙量提升的主要原因[5-6]。不同降雨條件下產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量如圖1所示。

圖1 不同降雨條件下產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量

2.2 截排水措施與產(chǎn)沙量

在放水試驗(yàn)中按照B條件驗(yàn)證削切邊坡在有無(wú)截排水措施情況下的產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在具有截排水措施的情況下，坡面破壞指標(biāo)為10%，累計(jì)產(chǎn)沙量為938.1 g，試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)沙量較為平緩、變化幅度極??；在無(wú)截排水措施情況下坡面破壞指標(biāo)為18%，累計(jì)產(chǎn)沙量為12 817.6 g。兩種不同情況下單位時(shí)間內(nèi)具有不同的產(chǎn)沙量變化規(guī)律：試驗(yàn)開(kāi)始15 min內(nèi)均較為穩(wěn)定，但自16 min開(kāi)始產(chǎn)沙量均發(fā)生較大的改變，其中16～30 min內(nèi)的變化程度最大，31～45 min 時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)沙量逐漸穩(wěn)定，但在46 min至試驗(yàn)結(jié)束產(chǎn)沙量為先上升后平穩(wěn)的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，不具有截排水措施情況下坡面破壞指標(biāo)以及產(chǎn)沙量分別是具有截排水措施情況下的1.80倍、13.66倍，分析原因是由于在不具有截排水措施時(shí)，坡面細(xì)溝下切侵蝕發(fā)育顯著，造成大量的泥沙外流。有無(wú)截排水措施情況下徑流小區(qū)產(chǎn)沙量對(duì)比如圖2所示，有截排水措施情況下徑流小區(qū)減沙效益見(jiàn)圖3。

圖2 有無(wú)截排水措施情況下徑流小區(qū)產(chǎn)沙量對(duì)比

圖3 有截排水措施情況下徑流小區(qū)減沙效益

利用截排水措施能夠起到截留坡頂匯水的效果，避免對(duì)其發(fā)生過(guò)度的沖刷，平均減沙效益能達(dá)到92.6%，對(duì)溝道階梯狀邊坡土地整治具有重要的作用[7]。

2.3 平臺(tái)反坡與產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量

試驗(yàn)中在A、B、C三種不同降雨強(qiáng)度下的減沙效益分別為58.5%、35.3%、62.5%；在C條件無(wú)反坡?tīng)顟B(tài)下產(chǎn)沙量趨勢(shì)具有顯著的變化，坡面破壞指標(biāo)達(dá)到了32%，并且徑流小區(qū)坡體的表面受到極為嚴(yán)重的侵蝕，而其他條件下產(chǎn)沙量較為穩(wěn)定，變化規(guī)律一致。根據(jù)試驗(yàn)中所獲得的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相比于無(wú)反坡小區(qū)，反坡小區(qū)在減少?gòu)搅鞣矫娓鼮轱@著，并且在A、B、C三種不同降雨強(qiáng)度與措施的應(yīng)用中入滲速率均能夠保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，減水效益分別為69.5%、26.4%、60.7%。不同降雨強(qiáng)度有無(wú)反坡時(shí)各指標(biāo)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 不同降雨強(qiáng)度有無(wú)應(yīng)用措施時(shí)各指標(biāo)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)表1顯示，相對(duì)于無(wú)反坡小區(qū)，在小區(qū)具有反坡的狀態(tài)下泥沙量將會(huì)顯著的降低，而入滲量將會(huì)有所增加，導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的主要原因是由于反坡特殊的結(jié)構(gòu)所致，能夠使其上階坡面在遇到降雨后，徑流與反坡面相接觸時(shí)將部分的動(dòng)能消除，之后徑流便會(huì)反向流至坡腳區(qū)域，并且隨著雨水在平臺(tái)上的聚積，反坡面上的水流速度將逐漸為零，動(dòng)能最終消失，當(dāng)雨水完全覆蓋反坡平面之后將會(huì)以較小的動(dòng)能流至下一處坡面，由此極大地降低了水流對(duì)坡面的沖刷以及因受到侵蝕破壞而出現(xiàn)的泥沙量。另外，當(dāng)水流中夾雜泥沙量增加后將降低水流的挾沙水平，造成泥沙淤積在平臺(tái)表面，因此，通過(guò)反坡可以有效地減少泥沙的產(chǎn)量，并且由于泥沙是在反坡平臺(tái)面所形成的淤積，將會(huì)提升入滲時(shí)間及水壓，從而提升入滲量[8]。

根據(jù)相關(guān)研究資料顯示，水土保持的措施一般情況下是與降水強(qiáng)度成反比，本研究中C條件下的水土保持效益顯著優(yōu)于B條件，分析原因是在強(qiáng)降雨的沖蝕下將會(huì)加劇侵蝕溝的發(fā)育，雖然會(huì)產(chǎn)生大量的泥沙，但并不會(huì)出現(xiàn)泥沙進(jìn)入、聚積在溝道的情況，因此C條件下的減沙效益會(huì)優(yōu)于其他條件，但在此條件下已發(fā)生坡面積水并無(wú)法有效地排出，因此C條件下的減水效益優(yōu)于其他條件[9]。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)黃土區(qū)溝道階梯狀邊坡在實(shí)際應(yīng)用中存在的抗蝕性較弱問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，造成階梯狀邊坡受到侵蝕破壞的主要原因?yàn)檩^大的降雨強(qiáng)度，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到120 mm/h后將顯著地提升產(chǎn)沙量，坡面的侵蝕發(fā)育形式為面蝕，雨水對(duì)于坡腳處的沖刷程度極為顯著，并且由底而上呈現(xiàn)為溯源侵蝕，造成坡體邊緣處損壞嚴(yán)重；當(dāng)采用截排水措施后可以顯著降低坡頂面因雨水聚積導(dǎo)致坡體邊緣的沖刷破壞；試驗(yàn)中顯示反坡措施具有減水減沙、提升入滲以及減緩坡面侵蝕發(fā)育的特性。因此，利用截排水措施以及反坡措施能夠顯著提升黃土區(qū)溝道階梯狀邊坡的抗蝕性，在黃土區(qū)溝道土地的治理中具有重要的作用。