狗牙根护坡不同实施处理方式下堤坝产流产沙特征

2012-01-02汤崇军杨洁陈晓安涂安国汪邦稳

中国水土保持科学 2012年5期

汤崇军，杨洁，陈晓安，涂安国，汪邦稳

(江西省水土保持科学研究所，330029，南昌)

淮河，是我国重要的河流之一，是淮河平原城市用水、工业用水和农业用水的主要水源。由于自然和历史原因，淮河洪涝灾害频繁，威胁着当地的社会稳定和生命、财产安全。淮河大堤为防治淮河洪涝灾害提供了重要的保障;但由于土壤质地和降雨条件的原因，淮河大堤水土流失严重，雨淋沟发育程度高，给淮河大堤带来了严重的隐患［1－2］，因此，加强淮河大堤护坡技术研究十分必要。狗牙根是匍匐茎植物，由于其生理和物候特性适应力强，近年来得到广泛研究［3－6］。狗牙根根系密度大，固结土壤能力强，在河库消落带和大堤护坡上得到了普遍应用［7－10］;但是，针对实际河堤坝体，狗牙根护坡不同实施方式对大堤产流产沙影响效应方面的定量研究尚鲜见报道。人工模拟降雨试验是小尺度研究的常用手段［11］，可以方便、准确地测定不同降雨条件下不同土地利用类型的径流、泥沙变化规律［12－14］。人工模拟降雨试验在水土流失研究中已成为主要方法之一［15－18］。笔者以人工模拟降雨为手段，以淮河大堤蚌埠怀远段的坝体为研究对象，研究狗牙根护坡不同实施处理方式下的堤坝产流产沙特征，以期为提炼淮河大堤狗牙根护坡最优实施方式提供参考。

1 研究区概况

淮河流域位于E 112°～121°，N 31°～36°之间，东西长约700 km，南北宽约400 km，面积27 万km2。淮河以北属暖温区，淮河以南属北亚热带区，淮河中游地区地处南北气候过渡带，年平均气温为11 ～16℃，蒸发量南小北大，年均水面蒸发量为900 ～1 500 mm。流域多年平均降水量750 ～1 400 mm，由南向北递减，年内和年际变化很大。流域内的植被，北部主要是落叶林与针叶松林混交，中部低山丘陵区是落叶阔叶林与常绿阔叶林混交，南部山区主要是常绿阔叶、落叶阔叶与针叶松混交林。流域土壤主要是黄棕壤和黄褐土，800 ～1 700 m 为山地棕壤，1 700 m 以上为山地暗壤土和山地灌从草间土，淮北平原区主要为砂姜黑土，淮南平原区主要为黄棕壤、黄褐土和水稻土。淮北大堤处于淮河中游正阳关以下干流河道左岸干堤，是淮河中游防洪工程体系中保护面积最大的主要堤防，堤身土质可分为中～重粉质壤土，夹轻粉质壤土和砂壤土，轻粉质壤土夹砂壤土以及少许中、重粉质壤土。地表裸露时，坝体水土流失严重。

2 研究方法

2.1 人工模拟降雨设备

人工模拟降雨设备由运输设备和降雨监测系统2 部分组成。运输设备为江西省水土保持科学研究所自主研发的水土流失监测车，车上配备1.5 m3的水箱、2 kW 的发电机、1.1 kW 的水泵、操作平台等配套设施。降雨监测系统由中国科学院水利部水土保持研究所与西安清远测控技术有限公司共同研发，主要由人工模拟降雨器、雨量计、主控制器、径流泥沙测量仪和数据采集器等组成(表1)。

表1 人工模拟降雨监测系统参数表Tab.1 Parameters of artificial simulated rainfall observation system

2.2 人工模拟降雨下垫面设计

根据淮河大堤狗牙根护坡实施方式，选取4 种不同实施处理(表2)方式进行人工模拟降雨试验。对每种实施处理采用配备的不锈钢隔板在选定的下垫面围建2 m×3 m 的径流小区。

2.3 人工模拟降雨雨量、降雨强度设计

根据试验区历史资料以及实际情况，针对实施处理方式，设计4 场不同降雨强度的降雨，降雨强度分别为20、40、90 和120 mm/h。每场降雨历时为1 h，每种土地利用方式每场降雨进行2 次重复。野外人工模拟降雨试验在研究区的少雨季节进行，日期为2011－11－03—09，试验期间研究区没有天然降水。试验时搭建脚手架用帆布挡风，保证人工模拟降雨试验顺利进行和采集数据的真实性和可靠性。利用雨量计并结合人工观测方式，对降雨、径流和泥沙数据进行采集。

表2 试验区不同实施处理方式Tab.2 Basic condition of runoff plot with different treatments

3 结果与分析

3.1 不同实施处理方式在不同降雨强度条件下的径流泥沙特征

通过监测获取各实施处理方式在不同降雨强度条件下的径流、泥沙数据，分析得出各实施处理方式在不同降雨强度条件下的径流系数特征，结果见图1。

图1 不同实施处理方式径流系数随降雨强度的变化Fig.1 Variation of runoff coefficient with different treatments under different rainfall intensity

3.1.1 不同实施处理方式不同降雨强度条件下的径流系数特征从图1 可以看出，各处理的径流系数随降雨强度增加变化趋势不同。狗牙根成坪处理径流系数随着降雨强度的增加，呈现先减小后增大的趋势，在20、40、90 和120 mm/h 的降雨条件下，径流系数分别为0.63、0.34、0.31 和0.48。狗牙根成坪处理覆盖度高，在强度较小的降雨条件下，降雨径流还没有达到土壤表面就从草面形成径流流走，所以，开始径流系数较高;但随着降雨强度增大，降雨径流沿顺茎根到达土壤地面，形成土壤入渗，因此，径流系数下降，然而降雨强度增大到一定程度后，超过土壤入渗能力时，径流系数开始增大。

狗牙根栽植处理径流系数变化趋势随着降雨强度的增强而增大，在20、40、90 和120 mm/h 降雨条件下径流系数分别为0.09、0.24、0.41 和0.44。狗牙根栽植处理是等高沟栽植，覆盖度在50%左右，所以，降雨形成径流时，等高沟拦蓄了部分径流，同时土壤地表又有充分的入渗;但随着降雨强度的增加，等高沟的拦蓄径流作用越来越小，土壤入渗达到稳渗后，径流系数就会逐渐增大，从而形成种植处理的径流系数随着降雨强度的增大而增加的趋势。

狗牙根茎植处理径流系数相对较大，其变化趋势是随着降雨强度的增强而增大，在20 mm/h 降雨条件下，其径流系数最小，为0.54，在降雨强度120 mm/h 时，其径流系数最大，为0.7。狗牙根茎植敷盖度达100%，降低了降雨径流与土壤的接触，削弱了土壤入渗，从而导致其径流系数大，且随着降雨强度的增强而增大。

狗牙根种植处理的径流系数随降雨强度变化不大，其值都在0.66 左右。狗牙根种植处理地表裸露，但经过平整压实，糙率小，土壤孔隙少，从而导致降雨很快形成径流，径流系数较高;但随着降雨强度的增大，地表被剥蚀、搬运侵蚀后，地表糙率增大，土壤入渗增加，同时，坝堤又是沙土，入渗率较大，因此，降雨强度增大的同时，地表入渗也增大。

综合以上分析可知，狗牙根护坡不同实施处理方式的堤坝径流系数变化对降雨强度的响应程度不同，依据单位变化降雨强度引起径流系数变化量，确定各处理径流系数变化对降雨强度的响应程度的顺序为栽植处理＞成坪处理＞茎植处理＞种植处理。

从图1 还可以看出，不同处理方式在各降雨强度下其径流系数也存在较大差异。成坪处理径流系数相对较低，栽植处理径流系数最低，平均径流系数为0.30。茎植处理和种植处理的径流系数较高，平均径流系数在0.6 以上，说明狗牙根护坡不同实施处理方式对径流系数影响较大，不同实施处理方式平均径流系数为种植处理＞茎植处理＞成坪处理＞栽植处理。种植处理径流系数高，是因为地表经过平整压实同时没有植被，地表糙率小，土壤入渗低，所以，径流系数较大;由于茎植处理草茎敷盖地表，经过压实，所以，降低了降雨径流与土壤表面的接触，在高强度的降雨条件下，径流来不及下渗，直接从敷盖的草面形成径流，从而导致径流系数较高;成坪处理虽然植被覆盖度高，但是其植被是从土壤中长出，具有了很强的根系，因此，在高强度降雨条件下，雨水顺着植物茎根流向地表，增加了地表入渗，所以，径流系数相对较小;由于栽植处理是等高沟种植，增加了地表糙率，拦蓄了部分径流，同时植被没有完全覆盖地表，所以，增加了土壤入渗能力，使得其径流系数最小。

3.1.2 不同实施处理方式不同降雨强度条件下的泥沙含量特征通过监测获取不同实施处理方式在不同降雨强度条件下径流、泥沙数据，分析得出不同实施处理方式在不同降雨强度条件下的泥沙含量特征，结果见图2。

图2 不同实施处理方式径流含沙量随降雨强度的变化Fig.2 Variation of sediment concentration with different treatments under different rainfall intensity

从图2 可以看出，狗牙根成坪处理在20 mm/h的降雨条件下，含沙量较高，为3.2 g/L，在40 mm/h的降雨条件下，含沙量最低，为0.52 g/L;而后，随着降雨强度的增大其含沙量逐渐增大。这可能因为长期没有降雨，狗牙根成坪处理地表存积了大量灰尘和泥土，经过此次降雨径流，把存积的灰尘和泥土溶解带走，地表存积的灰尘和泥土被径流带走后，径流含沙量迅速降低;但随着降雨强度的增大，径流顺着狗牙根茎根流向地表，开始剥蚀地表土壤，随之径流剥蚀能力增加，其含沙量逐渐增大。

狗牙根栽植处理的含沙量在降雨强度为20 mm/h 的降雨条件下最大，为6.62 g/L，在降雨强度为120 mm/h 的降雨条件下最小，为3.71 g/L。可见，含沙量呈现出随着降雨强度的增强而逐渐减小的趋势。这是因为狗牙根种植处理经过了人为扰动，地表土壤松散，所以，开始时径流含沙量较高;但随着地表松散土壤被剥蚀后，径流继续剥蚀深层土壤，由于深层土壤扰动小、结构好，所以，剥蚀难度加大，因而造成狗牙根种植处理的含沙量随着降雨强度的增大而减小的趋势。

狗牙根茎植处理的含沙量在降雨强度为40 mm/h 的降雨条件下含沙量最大，为1.32 g/L，在降雨强度为120 mm/h 的降雨条件下其含沙量最小，为0.83 g/L。可见，其含沙量变化态势随着降雨强度的增强先增大后减小。这是因为狗牙根草茎铺敷在地表并用土压实，在用于压实的表土没有被剥蚀尽前，其含沙量随着降雨强度的增强而增大，而当用于压实的表土被剥蚀殆尽后，其含沙量随着降雨强度的增强而减小，从而导致该处理的含沙量呈现出随着降雨强度的增强先增大后减小的趋势。

狗牙根种植处理含沙量没有明显的规律，在降雨强度40 mm/h 的降雨条件下含沙量最小，为14.41 g/L，在降雨强度90 mm/h 的降雨条件下含沙量最大，为18.14 g/L。由于种植处理表土经过翻动压实，地表糙率小，孔隙度少，降雨径流需要经过降雨溅蚀、径流剥蚀使地表土壤被剥离搬运［16］，随着侵蚀的产生，地表土壤逐渐变得松散，此时，随着降雨强度的增大，径流含沙量会增多;但随着侵蚀的发展，表土的流失，表层土以下的紧实土壤露出地面，此时侵蚀难度加大，因此，含沙量会变小，从而导致种植处理的含沙量没有明显的规律。

综合以上分析可知，狗牙根护坡不同实施处理方式的坝堤泥沙含量对降雨强度的响应程度明显不同。

从图2 还可以看出，不同实施处理方式在不同降雨强度条件下的含沙量存在明显差别。不同降雨强度条件下，不同实施处理方式的径流含沙量顺序是种植处理＞栽植处理＞成坪处理＞茎植处理，其平均含沙量分别为16.4、5.11、1.44 和1.03 g/L。与种植和栽植处理相比，茎植处理的径流含沙量分别减少93.7%和79.8%。种植处理径流含沙量最高，主要因为地表裸露没有植被覆盖，同时由于地表土壤充沛，可以源源不断地提供给降雨径流的剥蚀和搬运物质来源［17］，而栽植处理径流的含沙量也比较高，这主要是因为该处理虽然栽植了狗牙根，地表达到了一定盖度;但由于地表经过人为扰动，表层土松散，因此，给降雨径流的剥蚀搬运提供了物质基础。狗牙根成坪处理和茎植处理的径流含沙量都相对较小，而茎植处理最小，这主要是因为狗牙根成坪处理和茎植处理的植被盖度很高，削弱了降雨径流的动能，阻隔了径流与土壤地表的接触，同时，狗牙根成坪处理中降雨径流可以沿顺狗牙根的茎根到达土壤表面产生侵蚀，而狗牙根茎植处理草茎敷盖地表并用土压实，降雨径流很难到达土壤表面产生侵蚀，该处理的径流含沙量取决于用于压实狗牙根茎植的土壤量。

3.2 不同实施处理方式在不同降雨条件下的径流量和泥沙量

基于不同降雨条件下不同实施处理小区的实测数据，计算得出的成坪、栽植、茎植和种植4 种实施处理方式下降雨径流量和土壤流失量，结果见图3和图4。

图3 不同实施处理方式在不同降雨强度下的径流量Fig.3 Runoff with different treatments under different rainfall intensity

图4 不同实施处理方式在不同降雨强度下的产沙量Fig.4 Sediment with different treatments under different rainfall intensity

从图3 可以看出，不同实施处理方式的径流量都是随着降雨强度的增强而增大，但在各降雨强度条件下，不同实施处理方式的径流量存在明显差异。如在40、60 和90 mm/h 降雨强度条件下，茎植处理和种植处理的径流量明显高于成坪处理和栽植处理，在60 和90 mm/h 降雨强度条件下，茎植处理径流量最高。这是因为狗牙根茎植处理是狗牙根草茎直接敷盖在地表表面，并用土压实，从而导致降雨径流短时间内很难下渗到地表进行土壤入渗，尤其在高强度降雨条件下，降雨直接在压实的狗牙根草面形成径流流走，所以，其径流量较大［18］。

从图4 可以看出，在不同降雨条件下，不同实施处理方式的泥沙量基本上随着降雨强度的增强而增大，但各实施处理的产沙量随降雨强度的增强而增大的幅度存在明显差异。如栽植处理的产沙量随降雨强度的变化幅度及产沙量明显低于种植处理，在120 mm/h 降雨强度条件下，其产沙量达到1 172 g，但明显高于茎植处理和成坪处理的产沙量。种植处理的产沙量随降雨强度的增强而增大的幅度最快，其泥沙产流也最高，在120 mm/h 降雨强度条件下，产沙量达到7 968 g。

综合以上分析可知，狗牙根护坡不同实施处理方式下堤坝产流系数、产沙量及径流泥沙量存在明显差异，这主要是由于狗牙根护坡各实施处理方式的施工工艺造成的。总体上，成坪处理径流系数、泥沙含量及径流泥沙量都相对较小，具有很好的保持水土的作用;栽植处理的径流系数较小，具有一定的拦截径流的作用，但其产沙量较大，尤其在高降雨强度条件下产沙量明显高于成坪和茎植处理;茎植处理径流量大，产沙量小，具有明显的减沙不减流的效果，其保土效果与成坪处理相当;种植处理的径流系数、含沙量及径流泥沙量大，且产沙量随降雨强度的增强而增大明显。由于狗牙根护坡成坪实施处理费用明显高于茎植实施处理，因此，狗牙根堤坝护坡时宜采用茎植实施处理方式;因为该处理方式能最大程度地把降雨形成径流，减少土壤入渗，避免坝体土壤饱和形成壤中流，造成坝体不稳定，同时，该处理能够很好地减少产沙量，具有优良的保持土壤的功能，可保护坝体不受破坏。

4 结论与讨论

1)狗牙根护坡不同实施处理方式下堤坝产流产沙特征差异明显，不同降雨强度条件下，栽植处理产流量小，但产沙量明显高于成坪处理和茎植处理;茎植处理产流量大，产沙量小，具有减沙不减流的特点;种植处理产流产沙量大，且随着降雨强度的增强而明显增大。

2)狗牙根堤坝护坡时宜采用茎植处理，因为该处理不仅成本低，同时产沙量小，径流入渗少，能够起到很好的保护坝体的作用。

坡长是影响水土流失的重要因素，人工模拟降雨是小尺度研究的常用手段，但用人工模拟降雨模拟实际产流产沙特征时，小区的坡长受到一定的限制，致使模拟的结果与实际存在差异。利用人工模拟降雨试验研究淮河堤坝狗牙根护坡不同实施处理方式对堤坝产流产沙特征的影响时，小区坡长为3 m，小于实际22 m 的堤坝坡长，但基于相同的小区，通过模拟狗牙根护坡不同实施处理方式下的堤坝产流产沙特征，可横向比较狗牙根护坡各实施处理方式拦沙截流效果，提出最优的狗牙根护坡实施处理方式，其分析结果具有相应的科学性。

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