红壤区生产建设项目边坡防护措施保水减沙效益研究

徐爱珍，汤崇军，刘 宇，郭利平，赵佳鼎

(1.江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌330029；2. 中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)

生产建设项目开挖边坡、修建路基等形成的高陡边坡严重破坏原始地貌，容易导致严重的水土流失，对周围景观和环境产生不利影响[1]。有效减少土壤侵蚀、保护水土资源，实现生产建设与生态环境的和谐共存是生产建设项目水土保持研究的重要内容[2]。长期以来，生产建设项目边坡防护主要采用喷射砂浆护坡、喷射混凝土护坡、抹面护坡、护面墙、砼预制块护坡、混凝土骨架护坡等工程防护措施，主要关注边坡防护的稳定性与安全性，较少考虑硬质化边坡防护对生态环境产生的巨大负面影响[3-4]，而对兼顾生态效益、采用植被覆盖的边坡防护措施研究较少。本研究以位于江西水土保持生态科技园的不同边坡防护措施小区为研究对象，在一般性边坡防护的基础上开展植物防护技术研究，探索红壤区适宜的护坡植被配置模式，希望能为同类地区边坡生态防护提供参考。

1 试验区概况

江西水土保持生态科技园地处江西省北部的九江市德安县燕沟小流域，鄱阳湖水系博阳河西岸，位于115°42′38″～115°43′06″E、29°16′37″～29°17′40″N。园区属亚热带湿润季风气候区，降雨充沛，多年平均降水量1 350.9 mm，降水季节分配极不均匀，干湿季明显，最大年降水量为1 807.7 mm，最小年降水量为865.6 mm，平均气温16.7 ℃，年日照时数1 650～2 100 h，年无霜期249 d。园区位于我国红壤分布中心区域，属全国土壤侵蚀二级类型区中的南方红壤区，在江西省具有典型代表性。所在地层为元古界板溪群泥质岩、新生界第四纪红色黏土、近代冲积与残积物，地貌类型为浅丘岗地，海拔30～100 m，坡度多在5°～25°。园区所在地生态环境脆弱，建园初期水土流失面积达72.0 hm2，占土地总面积的85.7%，其中轻度流失面积35.2 hm2、中度流失面积7.5 hm2、强烈流失面积29.3 hm2，年土壤侵蚀总量2 122.6 t，土壤侵蚀模数为2 948 t/(km2·a)，土壤侵蚀以水力侵蚀为主。

2 护坡措施小区布设

表1 护坡措施小区基本情况

3 试验设计与研究方法

3.1 降雨量观测

江西水土保持生态科技园内建有标准气象观测场，配备有漏斗式雨量计、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、激光雨滴谱仪等设备，可进行实时降雨量观测，并自动化获取次降雨量、平均降雨强度、次降雨特征等降雨数据，观测时段为2016年1—12月。

3.2 径流和泥沙观测

以次降雨为单位，测定逐次降雨产生的径流量。泥沙观测参照《径流小区和小流域水土保持监测手册》，采用人工取样法。

3.3 保水减沙效益计算

本研究涉及的水土保持效益包括减少地表径流和控制侵蚀产沙效益。利用观测得到的次降雨量和各小区径流量和产沙量数据，分别计算不同护坡措施小区保水、减沙效益。保水效益用径流减少率表示，计算公式为

(1)

式中：ΔW为相对保水效益；Wb为裸露小区(对照)降雨径流深，mm；Wp为护坡措施小区降雨径流深，mm。

减沙效益用产沙减少率表示，计算公式为

(2)

式中：ΔY为相对减沙效益；Yb为裸露小区(对照)土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；Yp为护坡措施小区土壤侵蚀模数，t/(km2·a)。

3.4 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 22进行数据处理。

4 结果分析

4.1 降雨特征分析

观测期内共观测到降雨136场，总降雨量1 797 mm，其中侵蚀性降雨28场。最大降雨量出现在2016年6月30日至7月5日，降雨量385 mm，降雨历时6 560 min，平均雨强3.52 mm/h。最小降雨量出现在2016年8月20日，降雨量10 mm，平均雨强6.32 mm/h，降雨历时95 min。侵蚀性降雨量总计1 483.7 mm，占总降雨量的82.6%，且主要分布在4—8月。4—6月份降雨以连续性降雨为主，平均雨强为3.12 mm/h；7—9月份降雨以暴雨为主，降雨量大但历时较短，平均雨强达5.68 mm/h；10月份之后，降雨量相对较少，且平均雨强趋于稳定。

4.2 护坡措施小区保水减沙效益分析

4.2.1 坡比1∶1.5护坡措施小区保水减沙效益分析

表2为坡比1∶1.5护坡措施小区保水减沙效益计算结果。由表2知，11种护坡措施小区产流量和产沙量均显著小于裸露小区(对照)，具有明显的保水减

表2 坡比1∶1.5护坡措施小区保水减沙效益

沙效益。与裸露小区(对照)相比，护坡措施小区平均减少径流率为62.13%，其中土工格室+植草护坡、三维网植草护坡、混凝土空心砖+植草护坡3种护坡措施小区保水效益较好，径流减少率分别为86.32%、82.30%和77.50%。与裸露小区(对照)相比，各护坡措施小区减沙效益均非常明显，减沙率都在95%以上。

4.2.2 坡比1∶2护坡措施小区保水减沙效益分析

表3为坡比1∶2护坡措施小区保水减沙效益。由表3知，坡比1∶2护坡措施小区同样具有明显的保水减沙效果。各护坡措施小区径流减少率为18.49%～84.14%，其中以等高绿篱埂护坡效果最为明显，草灌护坡次之；减沙率均在99%以上，以等高绿篱埂护坡减沙效果最好。

表3 坡比1∶2护坡措施小区保水减沙效益

5 结 语

通过对2016年18个径流小区28次侵蚀性降雨进行观测试验，分析了两种坡度下多种护坡措施小区的保水减沙效益，主要结论如下：

(1)2016年园区侵蚀性降雨量为1 483.7 mm，占总降雨量的82.6%，主要集中在4—8月份，且以长历时降雨为主。

(2)与裸露小区(对照)相比，各护坡措施小区具有较好的保水减沙效益。坡比1∶1.5护坡措施小区以土工格室+植草护坡、三维网植草护坡、混凝土空心砖+植草护坡3种保水效果最为明显，同时各护坡措施小区减沙效益都在95%以上，说明工程措施与生物措施相结合的护坡措施保水减沙效果较好[6]。坡比1∶2护坡措施小区也具有较好的保水减沙效益，其中以等高绿篱埂护坡保水减沙效果最好，这可能与其小区内植被种类丰富和覆盖度高有关。