黃土區溝道階梯狀邊坡水土流失防治措施與機理探討

李 寧，閆 璐

(1.志丹縣水土保持工作隊，陜西 延安 717500；2.志丹縣水土保持監督監測站，陜西 延安 717500)

現階段為了有效提升耕地的質量與數量、保持退耕還林還草成績，更好地控制黃土區生態環境，提出了黃土區溝道土地整治措施，其核心目的是為了減少山體邊坡的水土流失。實施方法由實際情況而定，在開挖面區域按照每3～5 m的高度修建成階梯形狀[1]。在實施溝道土地整治工程中發現，溝道中的泥是由細溝侵蝕發育而形成，但未出現滑塌的情況[2]。當前關于溝道階梯狀邊坡的研究主要側重于邊坡坡率、水與順層滑坡的關系、黃土邊坡變形破壞機理方面，但關于降雨沖刷與階梯狀邊坡侵蝕發育相關的研究卻較少[3]。本研究將采用模擬試驗的方式，探究不同降雨強度下溝道階梯狀邊坡在不同水土保持措施中的水沙效應及邊坡土壤侵蝕過程，探究在不同降水條件作用下邊坡的產沙特征、邊坡土壤侵蝕過程以及溝道階梯狀邊坡的水土流失特征，并驗證利用截排水及反坡措施下的減沙效果，為黃土區溝道土地提供合理、科學的整治依據。

1 材料與方法

1.1 案例概括

黃土區某地年降水量為550 mm，降水期為夏、秋兩季強降雨，該地區土壤為黃棉土，土質疏松、綿軟，其顆粒構成主要以黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、細砂粒(50～250 μm)，分別占比為9.1%、59.6%、31.3%，pH值為7.17～8.16，地區耕地土壤有機質含量為3～10 g/kg，草地土壤有機質含量為10～30 g/kg。區域內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 試驗準備

取研究區域土壤在實驗室內進行自然風干處理后，采用2 mm樣品篩去除土壤樣本中雜質。根據前期的研究發現，降雨試驗高度設置為16.0 m能夠獲得最佳的雨滴終點速度，并使用直接率定法選定受雨試驗區域，保證降雨均勻度不低于90%；徑流小區規格為1.5 m×1.0 m×1.5 m(長×寬×高)三面封閉型式。采用分層鋪設方式將樣品土壤均勻地鋪設在試驗小區上，單層厚度為10.0 cm，共鋪設10層，試驗小區土壤的容重應由上向下遞增，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、反坡平臺面坡度設置為向坡腳方向減少5°。

試驗中降雨強度參數根據當地歷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度；試驗降雨時間設置為60 min；邊坡模型采用水平及反坡5°階梯狀邊坡平臺面，并以階梯狀邊坡平臺面水平處理為試驗的參照。通過放水試驗模擬無坡頂匯水面截排水措施情況下的土體侵蝕狀態。通過綜合考慮，最終選定B條件為截排水措施試驗中的降雨強度；參考地區中實際情況，設置截排水措施試驗中放水量為90.0 L，放水時間為60 min[4]。

1.3 試驗實施

本次降雨、放水試驗過程中出現產流開始實施取樣，并相隔3 min進行一次取樣，樣品經過稱重，取泥沙進行烘干后稱重，計算并記錄各次發生的產流量、產沙量。試驗結束后統計發生侵蝕深度大于10.0 mm區域的表面積與總表面積的比值作為坡面破壞指標。

2 試驗結果及分析

2.1 雨強與產沙量

根據試驗數據顯示在A、B、C三種不同程度降雨強度下，徑流小區的產流量與時間變化呈現正比，流速分別為567 g/min、712 g/min、1157 g/min；產沙量方面A、B條件下產沙速率分別為8.5 g/min、15.1 g/min，較為穩定，但在C條件下產沙量趨勢具有顯著的變化，在試驗的前30 min、31～50 min以及51～60 min產沙速率趨勢發生改變，分別為43.2 g/min、31.5 g/min、278.5 g/min，呈現大幅度的提升，分析原因是由于在C條件下局部坡面受到破壞，導致滲入情況加劇，而在C條件下產沙量發生波動同樣是由于局部坡面在不同時間段內受到了破壞，在強降雨下將會產生較大程度的濺蝕，導致徑流挾沙水平的增加，因此坡面侵蝕發育極為顯著；三種不同條件下的坡面破壞指標分別達到5%、10%、32%，C條件下坡面破壞指標較大也是導致產沙量提升的主要原因[5-6]。不同降雨條件下產沙量、產流量如圖1所示。

圖1 不同降雨條件下產沙量、產流量

2.2 截排水措施與產沙量

在放水試驗中按照B條件驗證削切邊坡在有無截排水措施情況下的產沙量變化趨勢。根據試驗結果顯示，在具有截排水措施的情況下，坡面破壞指標為10%，累計產沙量為938.1 g，試驗過程中產沙量較為平緩、變化幅度極小；在無截排水措施情況下坡面破壞指標為18%，累計產沙量為12 817.6 g。兩種不同情況下單位時間內具有不同的產沙量變化規律：試驗開始15 min內均較為穩定，但自16 min開始產沙量均發生較大的改變，其中16～30 min內的變化程度最大，31～45 min 時間段內產沙量逐漸穩定，但在46 min至試驗結束產沙量為先上升后平穩的狀態。經過對比試驗數據可知，不具有截排水措施情況下坡面破壞指標以及產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，坡面細溝下切侵蝕發育顯著，造成大量的泥沙外流。有無截排水措施情況下徑流小區產沙量對比如圖2所示，有截排水措施情況下徑流小區減沙效益見圖3。

圖2 有無截排水措施情況下徑流小區產沙量對比

圖3 有截排水措施情況下徑流小區減沙效益

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

2.3 平臺反坡與產流量、產沙量

試驗中在A、B、C三種不同降雨強度下的減沙效益分別為58.5%、35.3%、62.5%；在C條件無反坡狀態下產沙量趨勢具有顯著的變化，坡面破壞指標達到了32%，并且徑流小區坡體的表面受到極為嚴重的侵蝕，而其他條件下產沙量較為穩定，變化規律一致。根據試驗中所獲得的數據可以發現，相比于無反坡小區，反坡小區在減少徑流方面更為顯著，并且在A、B、C三種不同降雨強度與措施的應用中入滲速率均能夠保持較為穩定的狀態，減水效益分別為69.5%、26.4%、60.7%。不同降雨強度有無反坡時各指標參數對比如表1所示。

表1 不同降雨強度有無應用措施時各指標參數對比

根據表1顯示，相對于無反坡小區，在小區具有反坡的狀態下泥沙量將會顯著的降低，而入滲量將會有所增加，導致這個結果的主要原因是由于反坡特殊的結構所致，能夠使其上階坡面在遇到降雨后，徑流與反坡面相接觸時將部分的動能消除，之后徑流便會反向流至坡腳區域，并且隨著雨水在平臺上的聚積，反坡面上的水流速度將逐漸為零，動能最終消失，當雨水完全覆蓋反坡平面之后將會以較小的動能流至下一處坡面，由此極大地降低了水流對坡面的沖刷以及因受到侵蝕破壞而出現的泥沙量。另外，當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表面，因此，通過反坡可以有效地減少泥沙的產量，并且由于泥沙是在反坡平臺面所形成的淤積，將會提升入滲時間及水壓，從而提升入滲量[8]。

根據相關研究資料顯示，水土保持的措施一般情況下是與降水強度成反比，本研究中C條件下的水土保持效益顯著優于B條件，分析原因是在強降雨的沖蝕下將會加劇侵蝕溝的發育，雖然會產生大量的泥沙，但并不會出現泥沙進入、聚積在溝道的情況，因此C條件下的減沙效益會優于其他條件，但在此條件下已發生坡面積水并無法有效地排出，因此C條件下的減水效益優于其他條件[9]。

3 結 論

通過對黃土區溝道階梯狀邊坡在實際應用中存在的抗蝕性較弱問題進行試驗研究后發現，造成階梯狀邊坡受到侵蝕破壞的主要原因為較大的降雨強度，當降雨強度達到120 mm/h后將顯著地提升產沙量，坡面的侵蝕發育形式為面蝕，雨水對于坡腳處的沖刷程度極為顯著，并且由底而上呈現為溯源侵蝕，造成坡體邊緣處損壞嚴重；當采用截排水措施后可以顯著降低坡頂面因雨水聚積導致坡體邊緣的沖刷破壞；試驗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溝道階梯狀邊坡的抗蝕性，在黃土區溝道土地的治理中具有重要的作用。