黄土高原沟头侵蚀柔性防护措施研究

周明月, 王文刚, 朱首军, 王 健, 高 晗

(西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌712100)

黄土高原(34°—40°N，103°—114°E)总面积6.42×105km2，其中水土流失面积4.3×105km2 [1]，地形破碎，主要由塬墚峁组成，其中塬面对当地农业与社会发展发挥着重要作用。沟头侵蚀致使塬面不断萎缩，如董志塬每年的农田损失量为42 hm2 [2]，给人们带来巨大的经济损失和生态损失。沟谷发育是黄土塬面不断减少的主要原因[3]，塬面水流下沟，导致切沟发育，切沟发展导致塬面沟壑纵横，朱显谟[4]将切沟发育分为3个阶段，黄土塬区沟头和沟谷上游应是保护塬面的重点[3]。目前防治措施主要是“固沟保塬”,固沟大多通过建淤地坝、挡土墙、沟道排洪工程、谷坊等刚性防护措施[5]，而保塬主要是通过沟头防护工程[5-9]。其中一种沟头防护工程是排水式，由半环式沟埂(拦截坡面径流，防止径流冲刷沟道，加剧侵蚀，同时能够为塬面耕地提供灌溉用水)与排水管(当集水面积大，来水量超过沟埂的拦截水量时，应及时排出)组成；当排水时，要避免水流对沟底进行冲刷，目前主要采用混凝土或浆砌石将沟底进行硬化，但这种刚性防护措施存在工程量大，造价高，施工困难等弊端；在应用中常因地基变形导致破坏。近年来，许多学者对于秸秆覆盖防治水土流失效果进行了许多研究[10-17]，但大多是采用坡面全面覆盖防治坡面侵蚀、秸秆缓冲带防治细沟侵蚀或者是秸秆沟头覆盖防治沟头侵蚀，徐锡蒙等[12]对玉米秸秆防治浅沟沟头侵蚀的研究是通过玉米秸秆浅沟沟头覆盖与沟道覆盖结合的办法，研究的是地面径流产生的沟蚀作用。而针对沟壁和沟底的采用柔性防护的研究较少。而相关研究表明，陡立沟壁陡坎形成的下跌水流能够导致严重的溯源侵蚀[18,19]，针对下跌水流导致沟头前进的问题尚未发现相关研究。由此本试验提出采用柔性防护措施(在土壤表面铺设麦草、土工布)代替刚性防护措施进行对沟底、沟壁的防护，通过室内模拟下跌水流冲击试验，测定柔性防护措施的防护作用，为黄土高原的沟头防治提供新思路并完善沟头防护措施。

1 试验概述与方法

1.1 试验概述

沟头冲刷变化受土壤抗冲性、前期土壤含水量、冲刷水流流量、水流动能等多种因素影响，为研究柔性防护措施的作用，试验中确定恒定水头和流量、同一土壤质地和密度，仅分析防护变化对冲刷坑的影响。试验在西北农林科技大学降雨大厅实验室进行，用4.93 m的高水头来模拟野外下跌水流，将试验槽的土夯实到自然土容重，通过在土表面覆不同厚度的麦草、铺设土工布来模拟柔性防护措施，用模拟水流冲击土面，研究在不同重量麦草及土工布防护作用下，冲刷坑的大小及深度，探寻最佳防护措施。

1.2 试验设计

供试土壤为杨凌土,0～0.002 mm，0.002～0.005 mm，0.005～0.01 mm，0.01～0.02 mm，0.02～0.05 mm，0.05～0.1 mm，0.1～0.2 mm，>0.2 mm 的粒径分别占25.90%，4.47%，12.92%，28.77%，24.45%，3.36%，0.13%，0%，属重粉质壤土。土样去除大块杂质，风干晾晒，过5 mm 筛后填入移动式试验钢槽(2 m(长)×1 m(宽)×0.5 m(高))，根据目标容重1.6 g/cm3，在试验准备阶段填土处理时，每填土厚度为10 cm时，进行洒水夯实，取样测取土壤容重，进行调整；总共填土厚度为50 cm；在试验处理前，再次取样测定，使土壤容重平均值保证在1.6～1.7 g/cm3，试验时利用环刀测定土壤容重。试验覆盖材料为杨凌本地自然风干小麦秸秆和规格为200 g/m2的土工布。将试验槽坡度调为3°，排除地面积水，用以消除积水厚度对水流动能消减的影响。在土面上分别覆不同厚度的麦草、不同厚度麦草与土工布的组合，在实验室4.93 m的水头下冲土面3 min，平均用水量100 600 cm3，每个处理做3个重复。通过测针测定冲刷坑断面形状并确定最大坑深；利用直尺测定冲刷坑坑径；利用填土法[20]测定冲刷坑容积，在冲刷结束后，用滴管吸出留在冲刷坑中的部分残留水，直至冲刷坑入渗水分不再析出，将试验土过5 mm筛，装入1 000 ml量杯，记录量杯初始读数V1，向冲刷坑填入过筛土，等冲刷坑基本被填满时，用刮刀抹平过筛土表面，多余土收集至量杯，使冲刷坑基本恢复冲刷前其平面与周围表面相平的状态，此时记录量杯最终读数V2，冲刷坑容积则为(V1-V2)；垂直坡面拍摄冲刷坑照片，导入电脑，利用AutoCAD软件处理冲刷坑照片来计算坑面积；比较不同处理的冲刷坑的最大坑深hmax、坑径、坑面积及坑容积较裸地条件下的变化情况。

1.3 试验设计

根据预设试验设计，麦秆量比较少(<200 g/m2)时，基本没有任何防护效果，故试验从200 g/m2开始，参照预试验及相关研究[10-11]，试验设计200，300，400，500，600，800，1 200，1 600，2 000，2 400 g/m210个厚度试验，以裸地为对照；另外单设一层土工布和土工布与不同厚度覆草的组合，试验设计见表1。

表1 试验设计

2 结果与分析

2.1 裸露地冲刷坑特点

当土表裸露时，水流冲刷土壤时，土面出现冲刷坑，随着冲刷时间的增加，冲刷坑逐渐增大；冲刷坑的形状呈喇叭口状(图1)；试验测得冲刷坑特征见表2。

图1 裸露地表冲刷坑

参数土干容重/(g·cm-3)坑深hmax/cm坑径/cm坑面积/cm2坑容积/cm3平均1.617.6316.92165.10395最大1.668.0520.80187.60410最小1.587.2014.50146.75380

裸土在水流冲刷下，冲刷坑发育迅速，冲刷坑呈现喇叭口状；多次试验的冲刷坑平均最大坑深hmax为7.63 cm，平均坑径d为16.92 cm，平均坑面积S为165.10 cm2，平均坑容积V为395 cm3。

2.2 仅覆麦草的防护作用分析

在土面覆麦草可以起到减弱冲刷坑的发育，当覆麦草较少时，其对水流的冲击动能虽能起到一定的削减作用，但其消减效果差，防护作用未完全发挥出来，冲刷坑与裸露地表的冲刷坑差别不大；随着覆麦草量的增大，其对水流冲击动能的消减作用慢慢体现出来，冲刷坑的最大坑深hmax、坑径d、坑面积S、坑容积V均呈递减趋势，图2为冲刷坑的最大坑深hmax和坑容积V与覆麦草量的变化关系。

图2 冲刷坑最大坑深hmax、坑容积V随覆麦草厚度增大的变化情况

随着覆麦草量的增大，冲刷坑的深度总体呈现降低趋势，二者近似于线性关系，对其拟合可通过线性函数y=-0.0028x+7.9298来描述，其决定系数为0.95；随着覆麦草量的增大，冲刷坑的坑容积总体也呈现降低趋势，其与单位面积覆麦草量的关系近似于指数关系，对其拟合可通过y=513.78e-0.001x来描述，其决定系数为0.94。

冲刷结束后，沿着坑的横轴，用测针每隔1 cm测定坑的深度[1]，画出冲刷坑的断面图，见图3。

图3 覆不同厚度麦草量的冲刷坑断面

由图3可知，覆不同厚度麦草的冲刷坑的形状相似，接近喇叭口状；随着铺设麦草厚度的增加，冲刷坑的最大坑深hmax、坑径d、坑面积S总体上呈降低趋势，说明覆麦草能够有效保护土面，削减水流动能，延缓冲刷坑发育。

以裸露地为对照，分析覆不同厚度麦草的冲刷坑的最大坑深hmax、坑径d、坑面积S、坑容积V的变化情况，见表3。

由表3可知，当覆麦草量较少时，其对水流的冲击动能消减作用较小，防治效果不稳定，冲刷坑的最大坑深hmax、坑径d、坑面积S、坑容积V的数据出现上下波动，甚至处理2与对照组冲刷坑的指标大致接近；但当覆麦草量增加到1 200 g/m2时，防治效果具有显著提升，最大坑深hmax、坑径d、坑面积S、坑容积V较裸露地分别减少36.8%，46.2%，81.4%，77.2%；当覆麦草量达到1 200 g/m2后，随着覆麦草量的增大，防治效果呈上升趋势。

2.3 增覆土工布的防护作用分析

当覆麦草太薄时，水流易冲散麦草，在麦草上增覆一层土工布，有效增加防护冲刷的效果，增强麦草的防护作用。以裸露地为对照，分析覆1层土工布与不同量麦草的共同作用下，对冲刷坑的最大坑深hmax、坑径d、坑面积S和坑容积V的防治效果(表4)。

由表4可知，仅覆1层土工布(标号11)较裸露地的冲刷坑的最大坑深hmax、坑径d、坑面积S和坑容积V减少程度显著，分别为43.6%，43.8%，65.2%，82.2%；覆1层土工布和不同厚度麦草，随着覆麦草厚度的增加，最大坑深hmax、坑径d、坑面积S和坑容积V不断减小，随覆草量增加，防护效果越好，但减小幅度相对较小。当覆麦草量2 400 g/m2辅以1层土工布时，冲刷坑完全消失，此时的防治效果最好。

表3 仅覆麦草与裸露地的冲刷坑对比

表4 增覆1层土工布与裸露地的冲刷坑对比

3 结 论

本研究表明麦草、水工布等柔性防护措施具有良好的削减下跌水流动能的作用，可作为固沟保塬沟头防治的一种方式。在试验条件下，不采用防护措施模拟水流作用下的冲刷坑的形状呈喇叭口状，冲刷坑最大坑深hmax达7.63 cm，坑容积达395 cm3；采用麦草覆盖能有效削弱高水头水流对土面的冲刷作用，随着覆麦草量的增加，对土面的防护作用越强，冲刷坑最大坑深随覆麦草量增加而降低，可用线性函数y=-0.0028x+7.9298来描述，冲刷坑的坑容积随覆麦草量增加呈指数关系递减；增覆1层土工布能防止麦草飘散，显著削弱水流动能，增强抵御水流的冲刷作用，能大幅度增强麦草的防护作用；覆麦草量2 400 g/m2和1层土工布组合能够抵消试验水流的冲刷，地面未形成冲刷坑。

柔性防护可有效保护地面免受水流冲刷，削减水流动能，减缓冲刷坑发育。已有研究表明，秸秆填充覆盖[11]可降低沟内水流流速，削弱径流动能，抑制了水流的下切侵蚀和侧蚀能力，减缓了沟蚀的发生发展。

本研究是在试验条件下模拟了柔性防护对水流动能的削减作用。受试验条件限制，仅分析了恒定水头和流量作用下，夯实塿土冲刷坑的发展，并提出了在覆麦草量2 400 g/m2和1层土工布能够完全抵消该条件水流的冲刷，但不同水流和土壤条件下冲刷坑发展尚需进一步研究。