新疆伊犁河谷地區(qū)填方邊坡水土保持效果評價

郭麗娟

(新疆綠疆源生態(tài)工程有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830099)

新疆地處半干旱的內(nèi)陸地區(qū)，降雨量少且分布不均，水土流失現(xiàn)象極為嚴重，具有侵蝕類型復(fù)雜，空間異質(zhì)性和侵蝕敏感性強等特點，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來諸多影響[1- 2]。公路工程作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對于促進地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展起到了不可替代的作用，然而修建公路勢必會對沿線生態(tài)環(huán)境造成破壞，尤其是一些挖方、填方邊坡，由于土體受到了擾動，導(dǎo)致其穩(wěn)定性顯著降低，如果不采取水土保持措施，就很可能在降雨作用下發(fā)生較為嚴重的水土流失問題[3- 4]。

本文以新疆伊犁河谷地區(qū)公路工程的填方邊坡為研究對象，通過現(xiàn)場踏查，并基于理論計算對5種措施的水土保持效果進行了分析評價，尋找當(dāng)?shù)剡m宜的最佳水土保持措施和影響水土保持效果的因素，為將來在該地區(qū)建設(shè)公路時進行邊坡植被恢復(fù)提供借鑒。

1 區(qū)域概況

伊犁河谷位于新疆維吾爾自治區(qū)西部伊犁河上游，東、北、南3個方向均環(huán)山，總面積約為5.64萬km2，其中山地丘陵和河谷平原占比分別為75.1%和24.4%。河谷地區(qū)主要分布著灰鈣土、黑鈣土、灰漠土、草甸土、森林土等土壤，森林覆蓋率為6.7%，年平均降雨量為230～520mm，年平均溫度為2.9～9.1℃，年平均風(fēng)速為1.7～2.7m/s，年平均日照數(shù)為2541.8～2930.4h。伊犁河谷地區(qū)擁有豐富的水資源，主要以降水和高山融冰融雪水為主，境內(nèi)年平均徑流量高達167億m3。經(jīng)調(diào)查，伊犁河谷地區(qū)輕中度水土流失面積約為13626km2，強烈及以上的水土流失面積約為1533km2，主要以水力、重力和風(fēng)力侵蝕為主[5- 7]。

2 水土保持措施類型

對伊犁河谷地區(qū)的不同工程填方邊坡進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該地的水土保持措施類型可劃分為以下幾類[8]：拱形骨架+自然恢復(fù)(編號為1)、方格網(wǎng)+自然恢復(fù)(編號為2)、拱形骨架+撒播草種(編號為3)、方格網(wǎng)+撒播草種(編號為4)、自然恢復(fù)(編號為5)等5種水土保持措施，如圖1所示。

圖1 不同類型水土保持措施

選取位置、朝向、坡比、坡長等參數(shù)相等或者相似的幾個區(qū)域進行取樣調(diào)查和分析，調(diào)查對象基本信息見表1。

表1 不同水土保持措施邊坡基本信息 單位:m

3 調(diào)查結(jié)果分析

3.1 土壤含水率、容重、孔隙度

不同水土保持措施下土壤含水率、容重和孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 不同水土保持措施的土壤含水率、容重、孔隙度對比

由圖2(a)可知，在5組水土保持措施中，1、3組的平均土壤含水率最高，分別達到24.8%和24%，2、4組的平均土壤含水率次之，分別為13.1%和14.5%，而5組的平均土壤含水率僅為7%，這說明采用拱形骨架+自然恢復(fù)以及拱形骨架+撒播草種措施的土壤含水率顯著高于其他措施，相比自然恢復(fù)措施，土壤含水率增加近250%，相比方格網(wǎng)+自然恢復(fù)以及方格網(wǎng)+撒播草種也提升約70%；布設(shè)水土保持措施時，改變了地表原有的形態(tài)，延長了徑流在邊坡上的滯留時間，使得邊坡土壤可以存儲更多的降水，然而方格網(wǎng)的水土保持措施會較大程度上造成土壤二次擾動，破壞了原有土壤的結(jié)構(gòu)(減小毛管孔隙度的占比)，導(dǎo)致在降水過程中的滲入量降低，故而土壤含水率不如拱形骨架[9]。土壤容重的排序從大到小依次為：4>3>2>1>5，即采用撒播草種的方式相比其他措施而言，更容易增加邊坡土壤的緊實度，同時方格網(wǎng)施工對于邊坡土壤的二次擾動也會在一定程度上增加土壤的密實度。

由圖2(b)可知，對于不同水土保持措施土壤的孔隙度而言，從大到小排序依次為：2>1>5>3和4，采用方格網(wǎng)+自然恢復(fù)的土壤孔隙度是最高的，采用拱形骨架+撒播草種和方格網(wǎng)+撒播草種方式是最低的；對于毛管孔隙而言，從大到小依次排序為：1>2>3>5>4，采用拱形骨架+自然恢復(fù)的方式下土壤毛管孔隙占比最高，采用方格網(wǎng)+撒播草種的方式下土壤毛管孔隙占比最低。

3.2 土壤抗侵蝕性、抗沖性

不同水土保持措施的土壤抗侵蝕性指數(shù)和抗沖系數(shù)對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水土保持措施的土壤抗侵蝕指數(shù)、抗沖系數(shù)對比

由圖3可知，不管是抗侵蝕指數(shù)還是抗沖系數(shù)，均是3組(拱形骨架+撒播草種)最大，分別達到了0.91和0.92，這是因為在植物根系可以網(wǎng)結(jié)與樁固土壤，減小降雨對邊坡造成的侵蝕和沖刷，同時植物根系也可以分泌有機質(zhì)使邊坡土壤顆粒粘聚在一起，從而進一步達到固土的作用。采用自然恢復(fù)方式時，土壤的抗蝕性和抗沖性系數(shù)變化較大，這主要是因為在自然恢復(fù)情況下土壤極易被降雨徑流沖散和懸浮，從而形成細小顆粒堵塞土壤孔隙，導(dǎo)致土壤的抗蝕能力變差。

3.3 植被覆蓋度

不同水土保持措施的邊坡植被覆蓋率如圖4所示。

圖4 不同水土保持措施的邊坡植被覆蓋率

由圖4可知，采用拱形骨架+自然恢復(fù)和方格網(wǎng)+自然恢復(fù)的水土保持方式時，植被覆蓋率最高，均達到了41.5%，采用拱形骨架+撒播草種和方格網(wǎng)+撒播草種的植被覆蓋率分別為33%和30%，采用自然恢復(fù)的植被覆蓋率僅為19%。采用撒播草種方式的植被覆蓋率不如自然恢復(fù)的主要原因為：在工程建設(shè)過程中，為了盡快達到植被恢復(fù)效果，撒播草種基本為外來物種，這種外來物種具有早期生長快的特點，但由于其不能立馬適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，在后期生長時會遇到一定的限制，從而逐漸被本土自然恢復(fù)的植物群落所取代。從短期來講，撒播草種不但可以迅速恢復(fù)植被覆蓋，同時還能為后期自然恢復(fù)截蓄足夠的水分，因此撒播草種的水土保持方式應(yīng)用比較廣泛。

3.4 綜合評價

采用灰色關(guān)聯(lián)法和變異系數(shù)法對不同水土保持措施的各調(diào)查指標(biāo)進行相關(guān)度和相關(guān)系數(shù)計算，結(jié)果見表2。

表2 不同水土保持措施綜合評價結(jié)果

由表2可知，對于填方邊坡，綜合評價值G(k)從大到小排序為：3>1>2>4>5，表明在5種水土保持措施中，采用拱形骨架+撒播草種方式的水土保持效果是最好的；對于灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)ri而言，總孔隙度>毛管孔隙度>容重>含水率>抗蝕指數(shù)>抗沖系數(shù)，表明邊坡土壤總孔隙度、毛管孔隙度和容重對于水土保持措施產(chǎn)生效果的影響相對較大，而抗蝕指數(shù)、抗沖系數(shù)對于水土保持措施產(chǎn)生效果的影響相對較小，這2個指標(biāo)也是造成不同措施水土保持效果存在差異的主要原因。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)場調(diào)查和計算分析，對新疆伊犁河谷地區(qū)填方邊坡不同水土措施的效果進行綜合評價，得出如下結(jié)論。

(1)采取水土保持措施，能夠顯著提升邊坡土壤的含水率和植被覆蓋率，但在一定程度上也會造成邊坡土壤的二次擾動，從而使邊坡的抗蝕性和抗沖性降低。

(2)通過綜合評價認為：拱形骨架+撒播草種的水土保持方式為最佳措施，在此措施下可保持土壤較高的含水率，最好的抗蝕性和抗沖性，同時土壤容重、孔隙度、植被覆蓋率適中。

(3)土壤總孔隙度是影響水土保持措施效果的最主要原因，抗沖系數(shù)對水土保持措施產(chǎn)生效果的影響最小，也是造成不同措施水土保持效果存在差異的主要因素。