紅壤區生產建設項目邊坡防護措施保水減沙效益研究

徐愛珍，湯崇軍，劉 宇，郭利平，趙佳鼎

(1.江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌330029；2. 中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101)

生產建設項目開挖邊坡、修建路基等形成的高陡邊坡嚴重破壞原始地貌，容易導致嚴重的水土流失，對周圍景觀和環境產生不利影響[1]。有效減少土壤侵蝕、保護水土資源，實現生產建設與生態環境的和諧共存是生產建設項目水土保持研究的重要內容[2]。長期以來，生產建設項目邊坡防護主要采用噴射砂漿護坡、噴射混凝土護坡、抹面護坡、護面墻、砼預制塊護坡、混凝土骨架護坡等工程防護措施，主要關注邊坡防護的穩定性與安全性，較少考慮硬質化邊坡防護對生態環境產生的巨大負面影響[3-4]，而對兼顧生態效益、采用植被覆蓋的邊坡防護措施研究較少。本研究以位于江西水土保持生態科技園的不同邊坡防護措施小區為研究對象，在一般性邊坡防護的基礎上開展植物防護技術研究，探索紅壤區適宜的護坡植被配置模式，希望能為同類地區邊坡生態防護提供參考。

1 試驗區概況

江西水土保持生態科技園地處江西省北部的九江市德安縣燕溝小流域，鄱陽湖水系博陽河西岸，位于115°42′38″～115°43′06″E、29°16′37″～29°17′40″N。園區屬亞熱帶濕潤季風氣候區，降雨充沛，多年平均降水量1 350.9 mm，降水季節分配極不均勻，干濕季明顯，最大年降水量為1 807.7 mm，最小年降水量為865.6 mm，平均氣溫16.7 ℃，年日照時數1 650～2 100 h，年無霜期249 d。園區位于我國紅壤分布中心區域，屬全國土壤侵蝕二級類型區中的南方紅壤區，在江西省具有典型代表性。所在地層為元古界板溪群泥質巖、新生界第四紀紅色黏土、近代沖積與殘積物，地貌類型為淺丘崗地，海拔30～100 m，坡度多在5°～25°。園區所在地生態環境脆弱，建園初期水土流失面積達72.0 hm2，占土地總面積的85.7%，其中輕度流失面積35.2 hm2、中度流失面積7.5 hm2、強烈流失面積29.3 hm2，年土壤侵蝕總量2 122.6 t，土壤侵蝕模數為2 948 t/(km2·a)，土壤侵蝕以水力侵蝕為主。

2 護坡措施小區布設

表1 護坡措施小區基本情況

3 試驗設計與研究方法

3.1 降雨量觀測

江西水土保持生態科技園內建有標準氣象觀測場，配備有漏斗式雨量計、虹吸式雨量計、翻斗式雨量計、激光雨滴譜儀等設備，可進行實時降雨量觀測，并自動化獲取次降雨量、平均降雨強度、次降雨特征等降雨數據，觀測時段為2016年1—12月。

3.2 徑流和泥沙觀測

以次降雨為單位，測定逐次降雨產生的徑流量。泥沙觀測參照《徑流小區和小流域水土保持監測手冊》，采用人工取樣法。

3.3 保水減沙效益計算

本研究涉及的水土保持效益包括減少地表徑流和控制侵蝕產沙效益。利用觀測得到的次降雨量和各小區徑流量和產沙量數據，分別計算不同護坡措施小區保水、減沙效益。保水效益用徑流減少率表示，計算公式為

(1)

式中：ΔW為相對保水效益；Wb為裸露小區(對照)降雨徑流深，mm；Wp為護坡措施小區降雨徑流深，mm。

減沙效益用產沙減少率表示，計算公式為

(2)

式中：ΔY為相對減沙效益；Yb為裸露小區(對照)土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；Yp為護坡措施小區土壤侵蝕模數，t/(km2·a)。

3.4 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 22進行數據處理。

4 結果分析

4.1 降雨特征分析

觀測期內共觀測到降雨136場，總降雨量1 797 mm，其中侵蝕性降雨28場。最大降雨量出現在2016年6月30日至7月5日，降雨量385 mm，降雨歷時6 560 min，平均雨強3.52 mm/h。最小降雨量出現在2016年8月20日，降雨量10 mm，平均雨強6.32 mm/h，降雨歷時95 min。侵蝕性降雨量總計1 483.7 mm，占總降雨量的82.6%，且主要分布在4—8月。4—6月份降雨以連續性降雨為主，平均雨強為3.12 mm/h；7—9月份降雨以暴雨為主，降雨量大但歷時較短，平均雨強達5.68 mm/h；10月份之后，降雨量相對較少，且平均雨強趨于穩定。

4.2 護坡措施小區保水減沙效益分析

4.2.1 坡比1∶1.5護坡措施小區保水減沙效益分析

表2為坡比1∶1.5護坡措施小區保水減沙效益計算結果。由表2知，11種護坡措施小區產流量和產沙量均顯著小于裸露小區(對照)，具有明顯的保水減

表2 坡比1∶1.5護坡措施小區保水減沙效益

沙效益。與裸露小區(對照)相比，護坡措施小區平均減少徑流率為62.13%，其中土工格室+植草護坡、三維網植草護坡、混凝土空心磚+植草護坡3種護坡措施小區保水效益較好，徑流減少率分別為86.32%、82.30%和77.50%。與裸露小區(對照)相比，各護坡措施小區減沙效益均非常明顯，減沙率都在95%以上。

4.2.2 坡比1∶2護坡措施小區保水減沙效益分析

表3為坡比1∶2護坡措施小區保水減沙效益。由表3知，坡比1∶2護坡措施小區同樣具有明顯的保水減沙效果。各護坡措施小區徑流減少率為18.49%～84.14%，其中以等高綠籬埂護坡效果最為明顯，草灌護坡次之；減沙率均在99%以上，以等高綠籬埂護坡減沙效果最好。

表3 坡比1∶2護坡措施小區保水減沙效益

5 結 語

通過對2016年18個徑流小區28次侵蝕性降雨進行觀測試驗，分析了兩種坡度下多種護坡措施小區的保水減沙效益，主要結論如下：

(1)2016年園區侵蝕性降雨量為1 483.7 mm，占總降雨量的82.6%，主要集中在4—8月份，且以長歷時降雨為主。

(2)與裸露小區(對照)相比，各護坡措施小區具有較好的保水減沙效益。坡比1∶1.5護坡措施小區以土工格室+植草護坡、三維網植草護坡、混凝土空心磚+植草護坡3種保水效果最為明顯，同時各護坡措施小區減沙效益都在95%以上，說明工程措施與生物措施相結合的護坡措施保水減沙效果較好[6]。坡比1∶2護坡措施小區也具有較好的保水減沙效益，其中以等高綠籬埂護坡保水減沙效果最好，這可能與其小區內植被種類豐富和覆蓋度高有關。