模擬降雨檢驗不同植被對水庫邊坡的保護作用研究

0 引言

水庫作為調控水資源時空分布、有效應對洪澇災害的重要工程措施，在維護生態平衡、保障人民生命財產安全、促進經濟建設等方面發揮著重要作用。通過合理調節蓄水與放水，水庫能夠有效緩解旱澇災害對農業生產的影響，能夠在洪水期間發揮防洪減災的重要功能，從而確保社會生產生活的正常進行[1-3]。

水庫邊坡的穩定十分重要，不少學者對植物護坡進行了研究。黃陽等[4對比分析了貴州紅黏土邊坡上的狗牙根與香根草在不同雨強和坡角下的徑流與侵蝕情況，數據顯示兩者均能減少徑流和侵蝕，其中狗牙根效果更佳。竇增寧等[5]研究了西寧盆地寒旱環境下灌木與草本固土護坡的作用，模擬降雨試驗結果顯示了裸坡的產流量、產沙量均高于灌木及草本植物保護的邊坡，且草本植物的阻力系數大、阻滯徑流作用強于灌木。

金銀花作為一種具有強大根系和茂密枝葉的植物，能夠牢固地抓住土壤，可有效防止水土流失，增強坡面的穩定性。本文采用金銀花加固水庫邊坡，通過在土壩背水坡區域進行模擬降雨試驗，分析了不同降雨強度條件下金銀花護坡與雜草護坡對土壩的影響，研究了這兩種植物護坡在抵抗水流沖刷方面的效能差異。

1水庫概況

某水庫于1998年全面建成并投入使用，經過十多年運行后，為了增強其結構穩定性和防洪能力，于2013年進行了全面加固與改造。該水庫大壩呈南北走向，長度為 600m ，總庫容量為220萬 m³ ，控制流域面積覆蓋了5.4km² 的區域，具有防洪與蓄水兩大核心功能。在水庫下游，為了確保其邊坡免受雨水侵蝕，采用了植被護坡的生態治理模式，所種植的植物主要是金銀花和雜草，形成了金銀花植被區域和雜草植被區域。

2植被護坡模擬降雨試驗的材料與方法

2.1 試驗材料

為了檢驗該水庫植被護坡的效果，需進行模擬降雨試驗。該試驗采用的降雨設備是便攜式垂直下噴式人工降雨模擬器。模擬之前，預設降雨強度、歷時等參數，通過調節預設參數控制降雨過程。模擬的雨滴粒徑接近自然降雨，可模擬不同強度的降雨場景，彌補自然降雨的條件限制，適用于室內外需控制降雨條件的試驗。

2.2試驗方法

降雨設備安裝在該水庫土壩的背水坡上，為了確保試驗結果的準確性和可比性，試驗場地選擇了分別種植著金銀花和雜草的植被區域，選定試驗區域的面積嚴格設定為 3m×3m 。

在降雨強度的選擇上，研究人員經過深思熟慮最終確定了4個不同的級別，分別是50mm/h、100mm/h、150mm/h、 200mm/h ，按照由弱到強的順序每個強度區域試驗15min，持續試驗1h，同時對不同降雨級別沖刷下來的坡面水沙進行收集，以便全面檢驗不同降雨強度對土壩背水面土體侵蝕及植被防護效果的影響。植被護坡模擬降雨試驗方案如表1所示。

表1植被護坡模擬降雨試驗方案

3植被護坡模擬降雨試驗結果與分析3.1產流量的試驗結果與分析

3.1.1 試驗結果

在金銀花和雜草兩種不同植被護坡、不同降雨強度的條件下，經過試驗獲取了邊坡產流量數據，在此基礎上繪制出的不同降雨強度的邊坡產流量變化曲線圖，如圖1所示。

3.1.2對試驗結果的分析

從圖1中可以看到，在相同的降雨強度、相同的植被護坡條件下，降雨時間的增加會導致土壩背水坡坡面產流量增加。分析認為，隨著降雨時間的延長，更多的雨水會滲透進土體，而植被雖然能起到一定的保持水土作用，但在持續的強降雨下，其截留和滲透能力會逐漸飽和。此時，多余的雨水無法被植被和土體迅速吸收，便會形成地表徑流并沿著土壩背水坡流下，從而導致坡面產流量的顯著增加。

在相同的時間段、相同的降雨強度條件下，金銀花護坡與雜草護坡相比，金銀花在土壩背水坡面的產流量較少。分析認為，主要是金銀花與雜草在水土保持能力上差異顯著。金銀花根系深入且廣布，緊密纏繞土粒，可有效抗沖刷、保持土體完整；而雜草根系淺顯稀疏，固定作用較弱，降雨時土體易受沖刷流失，也增加了地表徑流。采用金銀花護坡，其發達的根系和良好水土保持能力，可有效減緩雨水下滲速度，增加滲透量，減少地表徑流和土壩背水坡面產流量，提高土壩穩定性和安全性。

在相同的植被護坡、相同的時間段條件下，降雨強度的增加會導致土壩背水坡坡面產流量增加。分析認為，這是由于降雨強度的增加造成單位時間內降落到土壩背水坡坡面的雨水量增多，超出了植被和土體的滲透和吸收能力。即便植被能夠減緩部分雨水的下滲速度，但在高強度降雨的沖擊下，雨水很容易形成地表徑流，并沿著土壩背水坡坡面迅速流下，從而導致坡面產流量的顯著增加。

圖1不同降雨強度的邊坡產流量變化曲線

3.2累積產流量的試驗結果與分析

3.2.1 試驗結果

在金銀花和雜草兩種不同植被護坡、不同降雨強度的條件下，經過試驗獲取了邊坡累積產流量數據，在此基礎上繪制出的不同降雨強度的邊坡累積產流量變化柱狀圖，如圖2所示。

3.2.2對試驗結果的分析

從圖2中可以看到，隨著降雨強度的增加以及降雨時間的延長，導致背水坡土體水分飽和度提升，進而使得背水坡的累積產流量增加。分析認為，這是因為更強的降雨和更長的降雨時間，促使更多的水分無法被土體迅速吸收、只能順坡流下。

在護坡效果方面，金銀花護坡比雜草護坡展現出更優的性能。其原因在于金銀花根系更為發達，能夠有效穩固土體，減少水土流失；其枝葉也能更好地攔截雨水，減輕雨水對坡面的直接沖刷。金銀花護坡在降雨強度為 50mm/h 時，1h累積產流量為 4529.41mL ；在降雨強度為 200mm/h 時，一小時累積產流量為 23383.91mL 。雜草護坡在降雨強度為 50mm/h 時，1h累積產流量為17982.75mL；在降雨強度為 200mm/h 時，1h累積產流量為 39870.42mL 。雜草護坡的累積產流量是金銀花護坡的1.71～3.97倍。由此證明，金銀花護坡在實際應用中具有更好的綜合效益。

3.3產沙量試驗結果與分析

圖2不同降雨強度的邊坡累積產流量變化柱狀圖

3.3.1 試驗結果

在金銀花和雜草兩種不同植被護坡、不同降雨強度的條件下，經過試驗獲取了邊坡產流量數據，在此基礎上繪制出的不同降雨強度的邊坡產沙量變化曲線圖，如圖3所示。

3.3.2對試驗結果的分析

從圖3中可以看到，在相同的降雨強度、相同的植被護坡條件下，降雨時間的延長會導致土壩背水坡坡面產沙量的增加。分析認為其原因有兩個方面：一方面，長時間的降雨會使土體內部的水分逐漸累積直到飽和狀態，飽和狀態土體顆粒之間的黏結力減弱，土體的抗侵蝕能力大幅度下降，變得更容易被水流沖刷；另一方面，隨著降雨的持續和增強，土體表層的含水量不斷增加，當土體不能再有效吸收更多水分時，多余的水分便會形成地表徑流，徑流在流動過程中對坡面土體產生強烈的沖刷作用，持續沖刷下的

圖3不同降雨強度的邊坡產沙量變化曲線

在相同的時間段內與相同的降雨條件下，金銀花護坡與雜草護坡相比，金銀花護坡的產沙量較少。分析認為，主要是金銀花根系更為發達，能夠深入土壤，形成強大的網絡結構，可有效固定土壤顆粒、減少水土流失。同時金銀花枝葉茂盛，能減緩雨水對坡面的直接沖刷，降低徑流的侵蝕力。而雜草根系相對淺顯，對土壤的固定作用較弱，且枝葉稀疏，對雨水的截留和緩沖作用有限。因此在相同降雨條件下，金銀花護坡的土壩背水坡面產沙量較少。土體顆粒被大量帶走、侵蝕過程加劇，最終導致土壩背水坡坡面的產沙量大幅增加。

在相同植被護坡與相同的時間段內，降雨強度的增加會導致土壩背水坡坡面產沙量增加。分析認為，主要是高強度的降雨會加速雨水對坡面的沖刷作用，土體顆粒在強降雨的沖擊下更容易被剝離和攜帶，從而增加了坡面的水土流失，導致產沙量上升。

3.4累積產沙量試驗結果與分析

3.4.1 試驗結果

圖4不同降雨強度的邊坡累積產沙量變化柱狀圖

在金銀花和雜草兩種不同植被護坡、不同降雨強度的條件下，經過試驗獲取了邊坡累積產沙量數據，在此基礎上繪制出不同降雨強度的邊坡累積產沙量變化柱狀圖，如圖4所示。

4結論

本文通過在土壩背水坡區域進行模擬降雨試驗，研究不同降雨強度條件下，金銀花護坡與雜草護坡對土壩背水坡的影響。通過研究這兩種植被護坡在抵御水流沖刷方面的效能差異，得出以下結論：

1）在相同的降雨強度和相同的植被護坡的條件下，降雨時間的增加會導致土壩背水坡坡面產流量增加；在相同的時間段和相同的降雨條件下，金銀花護坡比雜草護坡在土壩背水坡面的產流量少；在相同植被護坡與相同的時間段內，降雨強度的增加會導致土壩背水坡坡面產流量增加。

2）在相同的降雨強度和相同植被護坡的條件下，降雨時間的增加會導致土壩背水坡坡面產沙量增加；在相同的時間段內與相同的降雨條件下，金銀花護坡比雜草護坡在土壩背水坡面的產沙量少；在相同的植被護坡和相同的時間段內，降雨強度的增加會導致土壩背水坡坡面產沙量增加。

3）降雨強度和降雨時間的增加會導致背水坡累積產流量和累積產沙量均增加。雜草護坡的累積產流量是金銀花護坡的1.71～3.97倍。雜草護坡的累積產沙量是金銀花護坡的1.77～2.98倍，由此證明金銀花護坡效果更佳。

3.4.2對試驗結果的分析

從圖4中可以看到，隨著降雨強度的增加、降雨時間的延長，使背水坡的土體受到越來越強的沖刷作用，導致累積產沙量顯著增加，金銀花護坡優于雜草護坡。圖中數據表明，金銀花護坡在降雨強度為 50mm/h 時，1h累積產沙量為 19.76g ；在降雨強度為 200mm/h 時，1h累積產沙量為73.01g。

雜草護坡在降雨強度為50mm/h時，1h累積產沙量為58.91g；在降雨強度為 200mm/h 時，1h累積產沙量為 129.58g 。雜草護坡的累積產沙量是金銀花護坡的1.77～2.98倍。

參考文獻

[1]劉萍，劉根祥.植被護坡對河岸坡體穩定性影響及機理研究[J].云南水力發電，2025，41（1）：31-33.

[2]侯萌萌.生態河道建設中生態護坡植被監測試驗研究[J].水利技術監督，2024（12）：38-41+59.

[3]盧俊廷.四種護坡植物根系對紅黏土邊坡支護效果研究[J].中國水運，2023，23（12）：55-57.

[4]黃陽，陳筠，黃洋，等.貴陽紅黏土植物護坡抗沖刷性研究[J].中國水運，2022，22（4）：54-56.

[5]竇增寧，胡夏嵩，劉昌義，等.模擬降雨條件下黃土區邊坡植物護坡效應[J].人民黃河，2018，40（3）：83-87.