暴雨条件下植被对沟坡重力侵蚀速率和规模的影响

2021-10-11徐向舟肖培青张红武

水土保持研究 2021年6期

高航,徐向舟,肖培青,张红武

(1.大连理工大学水利工程学院,辽宁大连 116024;2.水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室, 郑州 450003;3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

重力侵蚀是指斜坡上的岩土体在重力作用下发生变形、破坏、移动和堆积的过程，其形式包括崩塌、滑坡、泥流等[1]。黄土高原是世界上重力侵蚀最严重的地区之一，重力侵蚀不仅破坏黄河流域的生态健康，还严重威胁当地人民的生命财产安全。随着退耕还林(草)及其他水土保持措施的实施[2]，黄土高原生态环境明显好转[3]。但仍需看到的是，目前黄土高原的水土流失仍旧严重。2019年习近平总书记明确提出将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。黄土高原作为黄河流域最重要的组成部分，对其生态保护修复也是未来研究的重点。

降雨是诱发重力侵蚀重要的外部因素之一。我国气象部门将12 h累计雨量30～69.9 mm或24 h累计雨量为50～99.9 mm定义为暴雨[4]。植被作为影响重力侵蚀的内部因素之一，它与重力侵蚀间复杂的相互作用是地表过程研究领域中一个重要但尚未解决的问题[5]。杨吉山等[6]认为沟坡上的植被发育对小型重力侵蚀有比较明显的遏制作用。但孙尚海等[7]认为植被根系对黄土有分离的作用，所以治理程度较高后，重力侵蚀还是相当活跃。已有研究利用模型试验或者数学分析探讨了不同植被的护坡效应，以及不同植被的布置方式对沟坡侵蚀的影响[8-9]。如李国荣等[10]对寒旱黄土区不同灌木根系进行了力学性质的测量选出最佳护坡植被。张霞等[11]利用模型试验探讨了坡沟系统中草带的种植位置与侵蚀的关系。但上述研究对植被对沟坡的重力侵蚀的影响关注较少。笔者曾对植被影响下沟坡发生在雨中、雨后以及不同重力侵蚀类型的侵蚀量有初步探讨，但对不同植被及不同布置方式对沟坡重力侵蚀的作用没有进一步量化研究[12]。特别是在暴雨情况下，不同灌木以及不同布置方式影响下的沟坡重力侵蚀发生的时间、侵蚀强度、发展速率等规律仍需要更深入的探讨。

本研究以黄土高塬沟壑区的沟坡系统为主要研究对象，采用室内降雨模拟的方法，通过设计不同灌木及其不同布设方式探讨植被对沟坡重力侵蚀发生时间、强度和侵蚀速率的影响，为揭示植被影响下沟坡重力侵蚀规律、确定黄土高原水土保持治理方针提供参考。

1 材料与方法

本试验于2016年8—10月在位于北京市顺义区的清华大学黄河研究中心试验基地(116°48′E，40°11′N)进行。根据黄土高塬沟壑区的地貌特征，设计沟坡坡度为70°、缓坡坡度3°的沟坡系统概化物理模型，模型长宽为2.5 m×3.0 m，高为1.5 m。采用的模型土壤是一种与原型土壤接近的李各庄试验场附近的黄土，粒径分布与黄土高原的午城黄土和马兰黄土粒径分布相似[13-14]。模型土壤的干容重为1.38×103kg/m3。采用经过1 cm孔隙筛网筛选的模型土壤，将筛选好的材料用手工拍实的方法分层构筑裸地沟坡模型。植被覆盖沟坡是在裸地沟坡建成后埋植植被构筑的，是一种大型的根土复合模型[15]。试验设计4种植被布置方式，选取黄土高原两种常见的乡土灌木——连翘[Forsythiasuspensa(Thunb.)Vahl]和棣棠[Kerriajaponiaca(L.)DC]进行试验，共计7组不同的下垫面类型(图1和表1)。不同植被的根系特征按照径级进行分类，平均根茎及根面积比(Root area ratio，RAR)统计指标见表2，RAR被认为与土壤抗剪强度的大小有一定的正相关性[16]。其中连翘根系表现出更为成熟的根系，主根、侧根和须根完整，棣棠根系处于年幼期，侧根发育不完整。裸地沟坡模型和植被覆盖沟坡模型分别布置在同一个试验水槽中，放置几小时后，在严格控制地形和降雨条件下进行。根据黄土高塬沟壑区的降雨特点，设计每场降雨总量为48 mm的暴雨，共5场，依次应用于每一个下垫面。降雨强度和降雨历时分别为0.8 mm/min和60 min。相邻两次连续降雨间的时间间隔约为12 h。在每次模拟降雨试验前，先利用小强度降雨湿润地形，以获得一致的土壤初始含水量。

表1 试验设计方案

表2 植被根系特征

本试验利用自行研发的SX2009微喷头式降雨模拟器模拟降雨过程。利用自行设计的地貌仪实时观测地形动态变化。采用地貌仪记录和人工现场判断相结合的方式记录了降雨过程中和降雨后20 min内的重力侵蚀发生时间和地点、重力侵蚀类型和崩滑面形式等。每个滑坡体的体积是通过比较每次侵蚀事件前后坡体的体积差得到的。其中对重力侵蚀量的观测误差在±10%以内[17]。利用RR-1008自动测湿监测系统，每30秒记录一次降雨过程中的土壤含水量。在上述7组模型中，Ⅳ，Ⅶ为全植被覆盖沟坡(p)，Ⅰ为裸地沟坡模型(b)，分别与Ⅳ，Ⅶ进行组间比较(图1)；Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ为混合模型，分成左右两侧进行统计：一侧是植被覆盖沟坡(p)，一侧是裸地沟坡(b)。在混合模型中进行植被覆盖率统计时，只计算模型一半的面积，以进行植被侧和裸地侧的对比。而且Ⅲ，Ⅵ中的植被覆盖沟坡(p)与对应同种植被的Ⅱ，Ⅴ中的植被覆盖沟坡(p)相比，在沟坡和缓坡的交界附近的位置缺少了4棵植被覆盖。对各组重力侵蚀发生时间、侵蚀量以及重力侵蚀速率进行统计。其中侵蚀速率分成平均重力侵蚀速率和瞬时重力侵蚀速率进行计算。计算公式为：

注：1为降雨模拟器，2为地貌仪(a摄像机，b等距激光发射器)，3为校准点，4为坡面(a沟缘线，b沟坡，c缓坡)，5为等距激光线，6为集流池，7为植被。

(1)平均重力侵蚀速率

(2)瞬时重力侵蚀速率

2 结果与分析

2.1 植被对重力侵蚀发生时间及累积量的影响

7组试验分别分成5组裸地和植被进行比较，各组重力侵蚀累积量随时间的变化见图2。其中在混合模型Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ组的比较中，图2A—D中，裸地侧第一次发生重力侵蚀的时间总是早于植被侧，相差的时间分别为23.7，17.8，9.5以及4.6 min。而Ⅳ，Ⅶ第一次重力侵蚀发生时间均要早于Ⅰ的。图2E中Ⅳ组第一次重力侵蚀早于Ⅰ组8.6 min发生，而Ⅶ组则早半个多小时发生。平均几组数据，重力侵蚀在裸地沟坡中第一次发生时间在降雨30.6 min左右，而在植被覆盖沟坡中时间则为35.1 min左右。整体来讲，沟坡系统上的植被对第一次重力侵蚀的发生有一定的延后作用。两种植被进行比较发现，连翘覆盖沟坡第一次发生重力侵蚀的平均时间为44.8 min，而种植棣棠的沟坡发生第一次重力侵蚀的平均时间为25.4 min。由此可见，在本试验条件下，连翘覆盖的沟坡对重力侵蚀的延后作用要长于棣棠覆盖的沟坡。

如图2所示，裸坡处理(Ⅱ-b，Ⅲ-b，Ⅴ-b，Ⅵ-b，Ⅰ)比植被覆盖处理(Ⅱ-p，Ⅲ-p，Ⅴ-p，Ⅵ-p，Ⅳ和Ⅶ)的次降雨重力侵蚀总量分别多3.84万，9.13万，5.76万，7.81万，5.05万，9.48万cm3。通过对不同植被覆盖沟坡模型进行对比，连翘植被覆盖的沟坡模型的次降雨重力侵蚀总量的平均值为39.71万cm3，比棣棠覆盖的沟坡模型的重力侵蚀总量多7.22万cm3。此外，Ⅲ-p与Ⅱ-p相比，Ⅵ-p和Ⅴ-p相比，种植模式均是靠近沟缘线(缓坡和沟坡交界处)附近的沟坡和缓坡上缺少植被，但是Ⅲ-p中总重力侵蚀量为21.65万cm3，要少于Ⅱ-p中侵蚀总量39.88万cm3；而Ⅴ-p中重力侵蚀量为23.74万cm3，也比Ⅵ-p中累计重力侵蚀量多3.20万cm3。虽然Ⅱ-p，Ⅴ-p组的植被覆盖率高于相应的Ⅲ-p，Ⅵ-p组，但是重力侵蚀量并没有减少反而有所增多。

图2 不同下垫面重力侵蚀累积量随降雨时间的变化

2.2 植被影响下重力侵蚀规模分布的变化

重力侵蚀的发生具有很强的随机性，规模大小也不同，重力侵蚀规模的大小对后续沟道的输沙问题有很大的影响。试验中重力侵蚀规模数量级大小不等，按照由小到大4个数量级规模进行统计，分别为：<0.1万cm3，(0.1～1)万cm3，(1～10)万cm3，>10万cm3，对应等级分别为小、中、大、极大规模。表3为各沟坡系统在植被覆盖和裸地情况下在不同等级规模内发生的重力侵蚀总量。计算各组裸地沟坡中发生小、中、大、极大侵蚀规模的重力侵蚀总量的平均值分别为0.57万，4.77万，13.18万，20.12万cm3，而相应的植被覆盖沟坡为0.89万，4.76万，16.56万，10.50万cm3，可见植被覆盖显著降低了沟坡在极大规模等级内重力侵蚀的崩滑量。此外，沟缘线有植被的Ⅱ-p，Ⅴ-p比相应与Ⅲ-p，Ⅵ-p，发生的极大、大规模重力侵蚀量要多。

表3 不同下垫面中不同等级规模内发生重力侵蚀总量万cm3

为了进一步研究植被对重力侵蚀规模分布影响的变化规律，并且使对比更加精确，仅使用混合模型中裸地沟坡共发生的111次重力侵蚀和植被覆盖沟坡中共发生的107次重力侵蚀，分别计算不同沟坡系统中重力侵蚀规模的概率密度(图3)。其中图3A表示重力侵蚀体积分布的累积频率，图3B为概率密度增长最快区域不同重力侵蚀体积分布展示图。由图3B可知，裸地沟坡和植被覆盖沟坡中重力侵蚀的发生频率随着规模的增大而减小。当单个崩滑体体积<0.25万cm3时，植被覆盖沟坡中发生重力侵蚀累积频率已经达到了0.72，而裸地沟坡则仅为0.65。相比而言，在本试验条件下，植被覆盖降低了极大规模重力侵蚀的发生频率，增加了小规模重力侵蚀的发生。图4代表连翘、棣棠两种植被覆盖沟坡重力侵蚀发生情况，图4A中，在10万cm3规模处，棣棠累计发生频率已达到1，而连翘为0.97。图4B中在单个崩滑体积<0.25万cm3时，棣棠覆盖沟坡的累积频率达到了0.77，而连翘覆盖沟坡仅为0.63。由此可见，棣棠覆盖沟坡在小规模重力侵蚀发生频率要高于连翘覆盖沟坡，而大规模侵蚀发生频率上要低于连翘覆盖沟坡。

图3 裸地沟坡模型和植被覆盖沟坡模型中发生不同规模重力侵蚀的概率分布

图4 不同植被覆盖沟坡模型发生不同规模重力侵蚀的概率分布

2.3 植被作用下的重力侵蚀速率的发展

为研究植被对重力侵蚀发展的影响，分别对裸地沟坡、植被覆盖沟坡中不同下垫面的重力侵蚀速率变化进行统计。并对发生重力侵蚀时地表以下15 cm的土壤含水率数据进行统计。由于Ⅴ组降雨中水分仪出现故障，所以该组的含水率数据没有记列。通过瞬时重力侵蚀速率得到每组重力侵蚀的最大重力侵蚀速率，见表4。其中Ⅱ-p，Ⅴ-p中最大重力侵蚀速率约是Ⅱ-b，Ⅴ-b的3倍和15倍。而Ⅲ-b，Ⅵ-b中最大重力侵蚀速率是Ⅲ-p，Ⅵ-p的16倍和13倍。组间的对比中，Ⅰ的最大重力侵蚀速率为711.29 cm3/(m2·s)，约是Ⅳ组的3倍，但是却是Ⅶ组的1/2。可见，在暴雨情况下的某些时刻，植被可能会加快重力侵蚀的发展。通过计算各组的平均重力侵蚀速率可知，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅰ中的裸地沟坡模型的平均侵蚀速率分别为6.48，4.56，4.37，5.48，4.64 cm3/(m2·s)，平均值为5.11 cm3/(m2·s)。而相应植被覆盖沟坡模型为5.91，3.21，3.52，3.97，4.27，3.94 cm3/(m2·s)，平均值为4.13 cm3/(m2·s)。在各组比较中，裸地沟坡中的平均重力侵蚀速率均要高于相应的植被覆盖沟坡。也就是说，在一组试验经过了5场累积300 min的降雨后，植被降低了平均重力侵蚀速率，减缓了重力侵蚀的发展。

表4 不同下垫面重力侵蚀速率

连翘覆盖沟坡的最大侵蚀速率为579.84 cm3/(m2·s)，略低于棣棠覆盖沟坡。但是平均侵蚀速率为4.46 cm3/(m2·s)，要高于棣棠覆盖的沟坡。总的来说，连翘覆盖沟坡的侵蚀发生发展要比棣棠组更快一些。此外，沟缘线附近有植被的Ⅱ-p，Ⅴ-p中的瞬时最大重力侵蚀速率分别是相应位置无植被覆盖的Ⅲ-p，Ⅵ-p组的41.8，1.6倍。计算平均值可知，沟缘线附近有植被覆盖沟坡模型的最大重力侵蚀速率、平均重力侵蚀速率分别是该位置上无植被覆盖沟坡模型的7.6，1.3倍。可见在强降雨条件下，布置在沟缘线附近的植被无论在长期和短期对重力侵蚀发展均可能有一定的促进作用。

3 讨论

在黄土高塬沟壑区的调查中发现，该区2015年平均林草覆盖率56.17%[18]。该区在生态建设下，植被覆盖已经有了很大的提高，但植被覆盖率偏低的地区仍存在。如在对陕西某县的1997—2016年植被覆盖度比例面积比例统计发现，1997年植被覆盖0～40%的面积比例占到53%，到了2016年虽然有所下降，但仍有36%左右[19]。本模型主要模拟的是沟坡系统靠近沟缘线的一部分，所以在这部分的植被覆盖度整体较小。而且植被对重力侵蚀的影响复杂，是植被冠层、根系对土壤水文、机械综合作用的结果。在某些情况下，当大量的高强度降雨直接落在土壤表面并超过水渗入土壤的速度时，灌木可以起到屏障的作用。在降雨事件初期，植物冠层上的临时降雨储存会减弱降雨强度[20-21]，从而起到延缓雨水进入土壤的时间。植被根系对土壤进行机械加固，有助于山坡的稳定性。在相同的含水量条件下，根土复合提供的加固强度比单独的土壤大得多。对每组重力侵蚀发生时缓坡面下15 cm的含水率进行统计(表4)。除了Ⅲ中重力侵蚀发生时植被侧的平均含水率要低于裸地侧以外，其余各组植被覆盖沟坡中重力侵蚀发生时的平均含水率都要高于相应的裸地沟坡。所以在有植被存在时，发生重力侵蚀需要更高的土壤含水率，这种情况在植被覆盖率高的组别下表现更加明显。

对比不同植被的作用，连翘的RAR系数要高于棣棠，其抗剪强度也较高。所以发生崩滑需要更大的下滑力，并且连翘的覆盖要高于棣棠，所以与棣棠覆盖沟坡相比，连翘覆盖沟坡发生重力侵蚀要滞后。此外，两种植被对土壤含水率的影响也不同，图5为在初始含水率相同的情况下两种植被覆盖沟坡中地表以下15 cm处土壤含水率随时间的变化情况。连翘覆盖沟坡的含水率在第19 min时开始上升，比棣棠覆盖沟坡的早8.5 min。由表2可知，连翘在各个径级均有根系分布，并且平均径级要大于棣棠组，所以根系的渗透速度要比棣棠快。黄土的水敏性使得其抗剪强度随着土壤含水率的升高急剧下降[22]，所以在降雨后期，即使有根系的存在，但是根土复合体提供的抗滑力也会减小，再加上之前积攒的能量，连翘覆盖沟坡更容易发生大规模的重力侵蚀。这可能也是在本试验条件下，连翘覆盖沟坡的重力侵蚀比棣棠覆盖沟坡更为严重的原因。由此可见，恢复初期灌木的固土作用对沟坡的稳定性作用的贡献不大。本试验也表现了植被种植初期时的状态，这与以往种植初期灌丛对边坡稳定性影响小的结论是一致的[23]。所以在植被种植初期，沟坡上的植被要选择根茎较小的植被以防过高的水分渗透，或与其他工程措施联合配置，以发挥沟坡稳定的最大效益。

图5 不同植被覆盖地表下15 cm处含水率随时间变化

在本试验中还发现大规模的重力侵蚀虽然发生频率小，但是侵蚀量却很高。在调查中也发现大规模重力侵蚀在确定一个地区的重力侵蚀总量上有重要性的地位，一旦大规模侵蚀发生，对重力侵蚀量的贡献会很大[24-25]。本试验中，在暴雨条件下，植被存在并没有显著减少重力侵蚀发生次数，植被仅降低重力侵蚀的侵蚀规模总量，但却增加了小型重力侵蚀规模的发生频率。有研究表明植被的根系形成的孔隙流可能使得水从表面快速转移到潜在滑移面，导致破坏面的孔隙压力增加，从而增加了破坏的风险[26]。这也是植被没有降低重力侵蚀发生次数的重要原因。此外，植被增加中小重力侵蚀规模分布其实在一定程度上增加了土壤的破碎程度，黄土的易侵蚀性使得当降雨来临时可能会更容易形成高含沙水流，高含沙水流会造成高强度的坡面与沟道侵蚀[27]，进一步促进小型重力侵蚀的发生。

在本试验中发现，暴雨初期，植被由于延缓重力侵蚀发生而积攒了发生重力侵蚀的能量，而随着暴雨的持续，沟坡上的植被的根土复合起不到作用时，沟坡上的植被会带着大量的土壤滑落到沟坡底部，此时沟坡上会发生大规模的崩滑，增加了瞬时重力侵蚀速率。这可能也是本试验中的某些组最大侵蚀速率出现在植被覆盖沟坡模型中的原因。对黄土高原延河流域的野外调查发现，植被覆盖率较高的南部小流域的侵蚀要大于植被覆盖率相对较低的北部小流域[28]。在某次暴雨后植被覆盖率较好的地区，重力侵蚀更加严重[29]。在本试验中经历长序列的降雨时间5场降雨情况下，植被的存在还是会使得平均重力侵蚀速率降低的。对黄土高原较大流域长时间的监测中发现，重力侵蚀总量与植被覆盖度有较好的负相关关系[6]。可见植被对重力侵蚀速率的影响与统计的范围和时间有关。在对世界其他流域进行统计时发现，当退耕还林的开始阶段，重力侵蚀是在增加的，40 a之后这种趋势停止[26]。所以当计算侵蚀速率时，在短时间内，植被影响下重力侵蚀速率可能会增加，但以40 a或者更长时间为统计时间段，植被可能就会降低重力侵蚀速率。换句话说，在暴雨条件下，由于统计时空范围的差异，植被对重力侵蚀的短期和长期发展可能会起到不同的效应，造成不同的结果。

在本试验中，植被覆盖率的增加与重力侵蚀在规模和强度上没有一定的线性关系。与植被覆盖率相比，植被布局是影响重力侵蚀的更重要的因素。沟缘线附近的植被布置可能会对重力侵蚀有一定促进作用。沟缘线附近有植被的两组与对应无植被的两组相比，次降雨重力侵蚀总量和重力侵蚀平均速率均有增加。一般来说沟缘线附近是很少种植植被的，因为在该位置的植被根系很容易形成水流通道，导致边坡失稳，造成水土流失[30]。而且沟坡上部植被的自重影响要大于坡脚的位置，也会促进重力侵蚀的发生[31]。而且有试验表明，将植被布设在缓坡面的中下部而不是缓坡的下部，既可以有效减缓坡面水力侵蚀强度，还能够有效抑制减缓径流流速，降低对坡面下部和沟道范围的侵蚀[31]。所以在布设植被时，考虑到植被对水力侵蚀和重力侵蚀控制的双重功效，要将植被布设在距离沟缘线有一定距离的地方才能达到更好地防止沟坡侵蚀的效果。