新疆伊犁河谷地區填方邊坡水土保持效果評價

郭麗娟

(新疆綠疆源生態工程有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830099)

新疆地處半干旱的內陸地區，降雨量少且分布不均，水土流失現象極為嚴重，具有侵蝕類型復雜，空間異質性和侵蝕敏感性強等特點，給當地的生態環境和社會經濟發展帶來諸多影響[1- 2]。公路工程作為重要的基礎設施，對于促進地區經濟社會發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環境造成破壞，尤其是一些挖方、填方邊坡，由于土體受到了擾動，導致其穩定性顯著降低，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公路工程的填方邊坡為研究對象，通過現場踏查，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，尋找當地適宜的最佳水土保持措施和影響水土保持效果的因素，為將來在該地區建設公路時進行邊坡植被恢復提供借鑒。

1 區域概況

伊犁河谷位于新疆維吾爾自治區西部伊犁河上游，東、北、南3個方向均環山，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℃，年平均風速為1.7～2.7m/s，年平均日照數為2541.8～2930.4h。伊犁河谷地區擁有豐富的水資源，主要以降水和高山融冰融雪水為主，境內年平均徑流量高達167億m3。經調查，伊犁河谷地區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、重力和風力侵蝕為主[5- 7]。

2 水土保持措施類型

對伊犁河谷地區的不同工程填方邊坡進行了調查，發現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(編號為1)、方格網+自然恢復(編號為2)、拱形骨架+撒播草種(編號為3)、方格網+撒播草種(編號為4)、自然恢復(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、坡長等參數相等或者相似的幾個區域進行取樣調查和分析，調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 調查結果分析

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、容重和孔隙結構特征如圖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，相比自然恢復措施，土壤含水率增加近250%，相比方格網+自然恢復以及方格網+撒播草種也提升約70%；布設水土保持措施時，改變了地表原有的形態，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構(減小毛管孔隙度的占比)，導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+自然恢復的土壤孔隙度是最高的，采用拱形骨架+撒播草種和方格網+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+自然恢復的方式下土壤毛管孔隙占比最高，采用方格網+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和抗沖系數對比結果如圖3所示。

圖3 不同水土保持措施的土壤抗侵蝕指數、抗沖系數對比

由圖3可知，不管是抗侵蝕指數還是抗沖系數，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結與樁固土壤，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。采用自然恢復方式時，土壤的抗蝕性和抗沖性系數變化較大，這主要是因為在自然恢復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+自然恢復和方格網+自然恢復的水土保持方式時，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+撒播草種的植被覆蓋率分別為33%和30%，采用自然恢復的植被覆蓋率僅為19%。采用撒播草種方式的植被覆蓋率不如自然恢復的主要原因為：在工程建設過程中，為了盡快達到植被恢復效果，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當地的自然環境，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植被覆蓋，同時還能為后期自然恢復截蓄足夠的水分，因此撒播草種的水土保持方式應用比較廣泛。

3.4 綜合評價

采用灰色關聯法和變異系數法對不同水土保持措施的各調查指標進行相關度和相關系數計算，結果見表2。

表2 不同水土保持措施綜合評價結果

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；對于灰色關聯度指標的相關系數ri而言，總孔隙度>毛管孔隙度>容重>含水率>抗蝕指數>抗沖系數，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生效果的影響相對較大，而抗蝕指數、抗沖系數對于水土保持措施產生效果的影響相對較小，這2個指標也是造成不同措施水土保持效果存在差異的主要原因。

4 結論

基于現場調查和計算分析，對新疆伊犁河谷地區填方邊坡不同水土措施的效果進行綜合評價，得出如下結論。

(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，抗沖系數對水土保持措施產生效果的影響最小，也是造成不同措施水土保持效果存在差異的主要因素。