黃土區溝道階梯狀邊坡水土流失防治措施與機理

劉佳鑫, 劉剛, 劉普靈

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土區溝道階梯狀邊坡水土流失防治措施與機理

劉佳鑫1,2, 劉剛1,2, 劉普靈1,2

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

陜北地區治溝造地工程中新修溝道階梯狀邊坡抗蝕性較弱。研究利用室內人工模擬降雨試驗，研究新開挖溝道階梯狀邊坡在降雨作用下不同水土保持措施的水沙效應，并觀測其侵蝕發育過程。結果表明：極端氣象條件(120 mm/h雨強)與坡頂部區域匯水作用是導致階梯狀邊坡產生快速侵蝕破壞的兩個主要條件。當邊坡僅受到降雨作用，雨強在60 mm/h～90 mm/h之間變化時，產沙速率穩定，不同雨強下產沙速率呈現倍率關系，坡面侵蝕現象無明顯差異，坡體無明顯破壞；120 mm/h雨強條件下，產沙速率顯著上升，侵蝕發育過程出現明顯變化，坡體破壞明顯。階梯狀邊坡平臺反坡措施能有效減少60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h三種雨強下產沙量58.4%，35.2%，62.1%，減少徑流量69.6%，26.6%，60.8%，并有效減緩坡體表面破壞及侵蝕發育速度。用放水試驗模擬無截排水措施情況，發現截排水措施能夠有效降低產沙量92.7%，同時改變了侵蝕發育的現象，將急劇下切發育的細溝侵蝕轉變為了發育較為緩慢的層狀面蝕。從減水減沙的角度，坡頂截排水措施與平臺反坡措施皆為有效的階梯狀邊坡水土流失防治措施。

黃土陡坡; 土壤侵蝕; 水土保持

溝道土地整治工程是延安地區為增加高質量耕地數量，促進、保障和鞏固退耕還林還草成果與改善生態環境而提出的新舉措。在溝道土地整治過程中，為保證開挖山體邊坡穩定并減小水土流失，根據山體坡度按照每3～5 m高度將開挖面修建為階梯狀[1]。在溝道土地整治工程實際觀測中發現，溝道泥沙的主要來源為坡面細溝侵蝕發育所帶來的泥沙，邊坡受重力作用而整體滑塌的現象并不常見。目前對于階梯狀邊坡穩定性的研究主要集中在邊坡坡率[2-3]，水作用下黃土滑坡機理[4-5]，以及卸載作用下黃土邊坡變形機理方面[6-7]，而對于階梯狀邊坡受降雨徑流沖刷及侵蝕發育過程的研究相對較少。另外，大多研究并未考慮坡、梁、峁頂部的匯水產流作用對邊坡水土流失過程的影響。一些研究表明[8-10]，反坡水平階措施對5°～25°的坡耕地具有較好的減水減沙作用，而該措施對于高陡邊坡的水土流失防治效果如何尚未明晰。

本研究利用室內模型模擬野外階梯狀邊坡，通過人工模擬降雨及放水試驗，觀測不同降雨條件下邊坡產流產沙及侵蝕發育過程，分析階梯狀高陡邊坡的水土流失特征，以及截排水和反坡措施的減水減沙效益。為治溝造地削切邊坡修建提供理論依據，為配套水土保持措施的制定提供數據基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤選用延安市寶塔區甘谷驛鎮顧屯村(36°46′10.76″N 109°50′4.36″E)溝道土地整治工程中新開挖土壤。該地區年均降水量530 mm，降水多集中在夏季，且多暴雨。土壤類型為黃綿土，黏粒(<2 μm)、粉粒(2～20 μm)和沙礫(20～2 000 μm)分別為9.08%，59.59%和31.33%，pH值為8.43，土壤有機質含量為1.52 g/kg。在實驗室中自然風干，過5 mm篩，去除石塊等雜質，待用。

試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。降雨設備為中國科學院水利部水土保持研究所研制的側噴式人工降雨系統，降雨高度16 m，保證了降雨在接觸模型時達到雨滴終點速度，本試驗通過率定降雨選取合適受雨區域，降雨均勻度大于90%。試驗用徑流小區采用1.5 m(長)×1 m(寬)×1.5 m(高)三面封閉正面開放式的可移動鋼槽。

1.2 試驗設計

為保證試驗小區內土體均勻，采用分層鋪土的方式，按照每10 cm一層共鋪設15層，容重控制在1.40～1.52 g/cm3，容重從上到下均勻遞增，土壤初始含水率設置為15%。鋪土完成后通過人工削切的方式將鋼槽內土體修筑為階梯狀邊坡的形式，每一級邊坡高50 cm，邊坡立面坡度約為60°，邊坡平臺面寬20 cm，反坡處理將平臺面坡度削切為向坡腳方向降低5°。

降雨強度根據研究區多年自然降雨氣象資料及當地次暴雨事件中出現的最大降雨強度，并結合2013年延安特大暴雨事件，選擇60 mm/h，90 mm/h和120 mm/h三個具有代表性的雨強分別表征小雨強、大雨強及特大雨強，降雨時間為1 h。在降雨試驗中邊坡模型的處理分別為階梯狀邊坡平臺面水平及平臺面反坡5°兩種，階梯狀邊坡平臺面水平處理作為對照。

放水試驗用于模擬無坡頂匯水面截排水措施的土壤侵蝕狀況，在選定的代表性雨強(90 mm/h)條件下，根據野外邊坡實際情況，次試驗放水量為90 L，放水時間為1 h。

1.3 數據采集與分析

降雨及放水試驗自試驗產流開始取樣，取樣間隔為3 min，取試驗全樣，樣品稱重后，將泥沙放入烘箱在105℃條件下烘干稱重，計算試驗中產流量及產沙量。試驗結束后統計表面侵蝕深度超過10 mm區域面積與總表面積的比值作為地表破壞面積百分數指標S雨強值。

2 結果與分析

2.1 降雨強度與產沙量的關系

由圖1可知，60 mm/h，90 mm/h和120 mm/h降雨強度條件下，徑流小區產流量均隨時間呈線性增加的趨勢，其平均產流速率分別為568 g/min，713 g/min，1 156 g/min。不同降雨強度下小區產沙量隨時間的累積曲線相對于產流量的穩定趨勢則有明顯的不同。在60 mm/h和90 mm/h雨強條件下，產沙速率近乎穩定，平均分別為8.4 g/min和15.2 g/min，在次降雨中無明顯波動。而120 mm/h雨強條件下，產沙量總體趨勢呈現非線性趨勢，在0～33 min，33～51 min和51～60 min，產沙速率分別為43.3 g/min，31.6 g/min與278.2 g/min。小區表面的破壞面積百分數分別為S60=5%，S90=10%，S120=33%。

三種雨強下產流量與產流時間呈現出線性關系，產流速率在整場降雨中近乎穩定，120 mm/h雨強下產流速率出現小幅度遞增的原因主要是120 mm/h雨強下局部地表出現了破壞導致入滲情況發生了變化。同時120 mm/h雨強下產沙量的顯著增加和呈現的波動性，也是由于表面局部在不同時段發生明顯破壞的緣故(圖2)。大雨強下濺蝕強烈，徑流挾沙能力強，坡面侵蝕發育明顯[11]，地表破壞面積百分數S120達到33%，直接導致產沙量的增加。

圖1 不同降雨強度下徑流小區產流量、

圖2 120 mm/h雨強下降雨60 min后徑流小區坡面狀況

2.2 坡頂截排水措施對產沙量的影響

利用放水試驗模擬在90 mm/h雨強條件下削切邊坡上方有、無截排水措施。圖3表明了有、無截排水的試驗小區產沙量隨降雨歷時的變化規律。在有截排水措施條件下，地表的破壞面積百分數S90=10%，累積產沙量為937.2 g，60 min時間內單位時間產沙量曲線平緩，變動幅度較??；無截排水措施時，地表破壞面積百分數最終達S90沖=18%，累積產沙量12 817.9 g。單位時間產沙量在不同時段呈現出不同的變化規律，0～15 min時單位時間產沙量趨于平穩，自15 min起單位時間產沙量產生大幅度變化；15～30 min單位時間內產沙量不斷升高；30～45 min單位時間產沙量呈穩定下降趨勢；45～60 min，單位時間產沙量先呈現上升趨勢，而后趨于平穩。對照試驗中觀測到的現象，15～30 min細溝I，Ⅱ不斷下切發育，30～45 min細溝I發育減緩趨于穩定，45～60 min細溝Ⅱ逐漸減緩發育并趨于穩定，見圖4。對照兩組試驗結果，坡面的破壞面積百分數S90沖為S90的1.8倍，而產沙量達到了13.7倍，坡面的橫向破壞發育速率比較穩定，而縱向破壞急劇發育，即坡面細溝的下切侵蝕發育明顯，從而提供了絕大部分的泥沙來源。

因此，截排水措施對坡頂匯水的截留作用，可以極大地減弱坡頂匯水對坡面的沖刷，減沙效益平均可達92.7%，尤其在降雨后期，其減沙效益最大可達98.3%。因此，截排水措施對于治溝造地工程階梯狀邊坡具有較好的防護作用。

圖3 有、無截排水措施徑流小區產沙量、減沙效益

2.3 平臺反坡對產流產沙的影響

由表1可以看出，60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h雨強下減沙效益分別為58.4%，35.2%，62.1%。圖5表明，120 mm/h無反坡條件下產沙曲線出現了明顯的非線性變化，地表破壞面積達到了33%(表1)，徑流小區坡體表面侵蝕嚴重；其他各場次產沙過程曲線均近似呈線性變化，產沙速率穩定。圖5及表1表明，反坡小區較無反坡小區能夠有效減少徑流，增加入滲，入滲速率在各雨強與措施組合下均呈現穩定狀態。60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h雨強下，增加入滲即減水效益分別為69.6%，26.6%，60.8%。

反坡小區較無反坡小區產生的這種泥沙量減少、入滲量增加的現象主要與其特殊的反坡構造有關[12-14]。反坡構造能夠使上一級坡面的徑流在接觸反坡平臺面時消減一部分動能，而后將徑流反向流向平臺坡腳。同時隨著水流在平臺面的淤積，反坡平臺上水流流速趨近于零，動能不斷減小，直至淤滿反坡平臺面后，以較小的啟動速度沖刷下一級坡面。這樣水流的沖刷能力就被極大地降低，坡面上被侵蝕破壞而產生的泥沙量隨之減少。同時泥沙隨水流進入反坡平臺面后，因為水流挾沙能力減弱，大部分泥沙被淤積在平臺面上，因此反坡能夠有效降低泥沙產量。由于徑流在反坡平臺面上的淤積，導致入滲時間增加及入滲水壓的增加，最終使得反坡模型下入滲量明顯增加。

圖4 有截排水措施(A)與無截排水措施(B)徑流小區坡面發育對比

以往的研究中表明，通常情況下水土保持措施效益隨著雨強的增加而減小，而文中120 mm/h雨強下反坡措施的水土保持效益高于90 mm/h雨強下反坡措施的水土保持效益，是由于大雨強下侵蝕劇烈，侵蝕溝發育明顯，雖然泥沙已經發生了輸移，但并未進入溝道，而是在反坡措施平臺上發生了堆積，因此120 mm/h雨強下減沙效益高于90 mm/h雨強下減沙效益，同時被破壞的坡面極易積水，導致不能向溝道及時排導，使得120 mm/h雨強下減水效益高于90 mm/h雨強下的減水效益。

表1 地表破壞面積百分數及反坡模型較無反坡模型減少產沙量、增加入滲量百分比

圖5 不同雨強下有、無反坡措施產沙量、入滲量累積曲線

綜上，反坡小區較無反坡小區有明顯的減水減沙效果，減少了坡面的沖刷，減緩了坡面侵蝕的發育，但同時提高了水分的入滲，改變了土壤含水率，影響土體內部力學性質[15-17]，降低土體強度，提升了邊坡整體滑塌的風險。

3 結 論

(1) 特大雨強導致的坡面徑流沖刷是階梯狀邊坡出現侵蝕破壞的主要原因之一。在不同降雨強度條件下，溝道階梯狀邊坡模型的侵蝕發育過程存在顯著差異，60 mm/h及90 mm/h雨強條件下，1 h降雨歷時內，徑流小區產沙速率穩定，侵蝕現象主要以層狀面蝕為主，邊坡模型整體無明顯破壞；在120 mm/h雨強下產沙速率隨時間出現劇烈波動，產沙量較小雨強條件下急劇增加，侵蝕發育仍以面蝕為主，但坡腳沖刷破壞明顯，沿坡腳向上出現了劇烈溯源侵蝕，階梯狀邊坡模型破壞嚴重。

(2) 截排水措施能夠有效防止坡頂面徑流匯集沖刷破壞階梯狀邊坡。階梯狀邊坡坡頂面能使降雨產生徑流匯集，產生沖刷破壞能力較強的水流，是造成階梯狀邊坡頂部階梯出現細溝侵蝕并迅速下切發育的主要原因。

(3) 反坡措施具有良好的減水減沙、增加入滲的作用，同時降低了坡面侵蝕的發育。反式水平階構造運用在階梯狀邊坡模型之上，有效地降低了階梯狀邊坡表面的沖刷破壞，減少邊坡表面土壤的剝離，同時有效地將泥沙淤積于平臺面，減少了泥沙向溝道中排導，防止泥沙淤積阻塞河道；入滲量的增加改變了邊坡的含水率，一方面為邊坡植被生長提供了良好的水分環境，另一方面邊坡含水率的增加直接導致邊坡土體抗剪強度的下降，進而使得邊坡整體穩定性降低，增加了邊坡整體滑塌的風險。

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MeasuresandMechanismtoPreventWaterLossandSoilErosiononMulti-StairSlopeinLoessArea

LIU Jiaxin1,2, Liu Gang1,2, Liu Puling1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

The new built multi-stair slope in gully of loess area is susceptible to soil erosion. We used the simulated rainfall experiment to examine the relation among soil and water conservation measures， rainfall intensity and the phenomenon of soil erosion on multi-stair slope in loess area and observed the development process of soil erosion. The results show that the extreme weather conditions (rainfall intensity 120 mm/h) and upslope runoff are two key factors leading to soil erosion on multi-stairs slope in loess area. When the rainfall intensities ranged between 60 mm/h～90 mm/h, the sediment yield rate influenced by the rainfall was stable. There was no obvious difference between phenomena of soil erosion and the slope without obvious damage. When the rainfall intensity was 120 mm/h the sediment yield rate rose quickly, the phenomenon of soil erosion was obvious. The reverse slope measure can effectively reduce the sediment yield by 58.4%, 35.2%, 62.1% and reduce the runoff by 69.6%, 26.6%, 60.8%, respectively, under the rainfall intensities of 60 mm/h, 90 mm/h and 120 mm/h. At the same time, the erosion rate decreased. Water test was used to simulate the slope without drain measures. The results show that drain measures can effectively reduce the sediment yield by 92.7%, and at the same time changed the development phenomenon of erosion, the drain measure turned the erosion phenomenon from rill erosion to sheet erosion. From the point of view of water and sediment reduction, the drain measures and reverse slope measures are both effective measures to prevent water loss and soil erosion on multi-stair slope in loess area.

loess steep slope； soil erosion； soil and water conservation

2016-08-04

：2016-09-19

陜西省科技統籌創新工程計劃(2013KTDZ03-03-01);國家科技支撐計劃項目(2015BAC01B03-03);中國科學院“西部之光”人才培養計劃(人字(2014)91號);西北農林科技大學博士科研啟動基金(2013BSJJ082)

劉佳鑫(1991—),男,河北省石家莊市人.博士研究生,主要從事水土保持與土壤侵蝕機理研究。E-mail:skzn@foxmail.com

劉剛(1982—),男,陜西西安人.副研究員,碩士生導師,主要從事水土保持與土壤侵蝕機理研究。E-mail:gliu@foxmail.com

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0065-05