人工降雨条件下高速公路植被边坡模型水文效应测试

赵娅如，曹雲翔，杨成参，史锋厚*，付红祥，初磊

（1. 南京林业大学林学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2. 江苏源顺环保科技有限公司，江苏 南京 210000；3. 华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

在高速公路建设和运营过程中，边坡是最脆弱的部分，边坡崩塌、滑坡、泥石流等灾害大多与雨水有关，由降雨引起的径流和土壤侵蚀是高速公路边坡防护中需要解决的重要问题。据统计，平均每修建1 km 高速公路所形成的裸露坡面面积可达5 万～7 万m2，而裸露边坡所产生的土壤侵蚀量高达9 kg·m-2·a-1，若无科学的边坡防护措施，全国因修建高速公路所产生的土壤流失量将是一个庞大的数值[1］。因此，研究边坡土壤侵蚀和水土流失控制对于改善高速公路生态环境具有重要意义。为了探索降雨诱发滑坡、泥石流等的影响因素，许多学者开展了相关研究工作，涉及引发滑坡的因素分析[2］、影响边坡雨水入渗的因素[3］、边坡渗流状态[4］、侵蚀破坏黄土边坡的影响因素[5］等。在降雨强度较小的情况下，裸地和坡耕地产生的泥沙量约为草地的20 倍，但随着降雨强度的增大，泥沙量可达到草坡的100 倍以上[6］；高速公路边坡使用工程和植物相结合的防护措施，可有效防止土壤侵蚀[7］。上述研究大多是在室外自然降雨条件下开展的边坡测试，但天气因素对于降雨的影响较大，尤其降雨强度和降雨时间不可控制，因此，在自然降雨条件下常常难以准确得出边坡失稳的作用机理。目前，人工模拟降雨已经成为边坡侵蚀问题的重要研究手段；孙狂飙等[8］设计了一种可循环、可移动式的人工降雨装置，其产生的降雨与天然降雨相似度较高，可用于边坡足尺模型试验；苏溦娜等[9］采用3种不同规格的喷嘴式喷头设计制造人工降雨装置，利用不同喷头的启闭与组合调控降雨强度；王洁等[10］对人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用进行了综述，提出人工模拟降雨可以避免自然因素影响，具有加速土壤侵蚀、降雨产流及入渗等作用，能够迅速获得试验数据。本研究旨在通过建立室内边坡模型，开展人工降雨，观测不同材料覆盖边坡、不同生长期植被边坡、不同降雨强度下边坡模型的坡面径流产生和坡体水分渗透情况，为海启高速公路植被边坡生态防护方案的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

江苏鸿土苗木有限公司玻璃温室，位于江苏省句容市天王镇竹园村（E 119°11'58″、N 31°39'20″，海拔26 m）。

1.2 试验材料与设备

1）NLJY-10 型人工模拟降雨系统：由南京南林科技有限责任公司设计开发，系统由支架管路、自动化控制系统、水箱、动力系统组成。有效降雨面积为3.0 m×4.0 m，降雨高度4.0 m，12 组降雨喷头（每组4个），降雨强度调节为5～250 mm·h-1，均匀度系数大于0.9。

2）边坡模型装置：模型按照高速公路边坡坡比（1∶1.5），由不锈钢材料制作，长60 cm、宽55 cm。模型下部连接坡面径流收集装置，底部连接坡体渗透水分收集装置。坡面径流收集装置为25 L 塑料桶，坡面出现水土流失时，此装置收集坡面径流。坡体渗透水分收集装置为10 L 塑料桶，在模型底部放置透水土工布起到过滤作用，坡体土壤水分饱和后从下部渗出，汇集至收集装置中。边坡模型装置制作3 套。

3）坡体土壤：土壤取自江苏省如东市袁庄镇西北方向1 km 处-海启高速如东一标工程段修筑路基土壤，为粉砂性土，土壤中石灰掺拌量为6%左右。

4）植被边坡模型：植被边坡坡面采用狗牙根（Cynodon dactylon）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）和胡枝子（Lespedeza bicolor）种子进行混播，3 种植物种子均为市售种子，播种量为狗牙根12 g·m-2+紫穗槐14 g·m-2+胡枝子10 g·m-2；坡面土壤厚度均为10 cm，种子充分混合后均匀播种，播种后少量覆土将种子掩盖即可，坡面覆盖椰丝草毯（300 g·m-2），播种后和养护过程中洒水均以土壤湿润不出现积水为宜。提前进行播种以培育不同生长期的植被边坡模型，分别制作成2、3 和4 月生植被边坡模型。

1.3 试验设计

1.3.1 降雨对不同材料覆盖边坡的影响 在裸土边坡模型（坡面厚度10 cm）上分别覆盖椰丝草毯（300 g·m-2）、秸秆纤维毯（500 g·m-2）和草帘（2200 g·m-2），设置人工降雨强度120 mm·h-1、降雨时间45 min，以无覆盖的裸土边坡模型为对照，测试各边坡水文效应，试验设3 次重复。

1.3.2 降雨对不同生长期植被边坡的影响 降雨强度设为120 mm·h-1，采用2、3、4 月生植被边坡模型，以无覆盖的裸土边坡模型为对照，测试各边坡水文效应，试验设3 次重复。

1.3.3 不同降雨强度对边坡的影响 降雨量相同，降雨强度（降雨时间）分别设为60（90 min）、90（60 min）、120 mm·h-1（45 min），采用4 月生植被边坡和裸土边坡模型，测试各边坡水文效应，试验设3 次重复。

1.4 指标测定

1）坡面产流起始时间和坡体水分渗出时间：观察降雨后坡面产生径流和坡体渗出水分情况，记录坡面产流起始时间（min）和坡体渗出水分时间（min）。

2）坡面产流率、产沙率、雨水收集量、泥沙收集量和径流量：坡面产生径流后，前5 min 每隔1 min、之后每隔5 min 分别收集径流水，直至不再产生径流，将坡面径流收集装置中的径流水静置，测量上清液体积，采用烘干法测量泥沙质量，计算产流率（mL·m-2·min-1）和产沙率（g·m-2·min-1）。降雨结束后，待径流场出口不再产生径流后，将所有收集的径流雨水量和泥沙量分别累加，即为雨水收集量（g·m-2）和泥沙收集量（g·m-2）；将雨水收集量和泥沙收集量累加，即为坡面径流量（g·m-2）。

3）坡体水分渗透量：雨水完全浸润坡体后从模型底部渗出水分，降雨结束后，坡体底部不再渗出水分，测定坡体渗透水分收集装置中的水分，即为坡体水分渗透量（mL·m-2）。

1.5 数据分析

采用SPSS 23.0 软件对数据进行方差分析和多重比较（LSD 法，P＜0.05，P＜0.01），采用Excel 2016 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同材料覆盖的边坡水文指标测定结果

2.1.1 不同材料覆盖坡面径流测定结果 由图1 可知，加盖覆盖物的坡面产流率和产沙率均小于裸土边坡。覆盖椰丝草毯的边坡产流率和产沙率最小。不同材料覆盖坡面产流率和产沙率都经历着激增、波动和稳定过程；在降雨初始阶段，坡面产流率和产沙率急剧增大至最大值，然后趋于稳定。

图1 不同材料覆盖坡面产流率和产沙率的变化Fig.1 Changes of runoff yield and sediment yield of slope covered with different materials

由表1 可知，不同材料覆盖边坡模型产流起始时间、坡面径流量、泥沙收集量及雨水收集量之间的差异均达到了极显著水平（P＜0.01）。由表2 可知，加盖覆盖物的坡面径流量均小于裸土边坡，覆盖椰丝草毯、秸秆纤维毯和草帘的边坡坡面径流量分别比裸土边坡减少了23.25%、15.66%和17.94%。分析原因在于裸土边坡加盖覆盖物之后，减缓了雨水冲刷速度，降低了坡面径流量，且不同覆盖物减阻坡面径流量存在差异。当降雨强度为120 mm·h-1时，裸土边坡坡面径流中的泥沙收集量明显高于覆盖边坡，其中，覆盖椰丝草毯边坡的坡面径流中泥沙收集量最少，仅是对照的38.7%，其次是覆盖秸秆纤维毯的边坡，泥沙收集量为对照的42.8%，而覆盖草帘的边坡泥沙收集量有所增大。边坡进行覆盖后，由降雨产生的坡面径流多在覆盖物表面产生，减轻了对坡面土壤的冲刷，坡面泥沙流失量减少；草帘与坡面的结合性差于椰丝草毯和秸秆纤维毯，覆盖草帘坡面产生的泥沙收集量要大于其他两种覆盖坡面。

表1 人工降雨条件下边坡水文测试指标方差分析Table 1 ANOVA of hydrological testing indicators of slope under artificial rainfall

表2 不同材料覆盖边坡坡面产流起始时间、坡面径流、泥沙及雨水收集量Table 2 Runoff onset time， slope runoff， sediment and rainwater collection of slope surface covered with different materials

2.1.2 不同材料覆盖坡体水分渗透测定结果 由表1 可知，各处理坡体水分渗出时间和渗透量之间的差异均达到了极显著水平（P＜0.01）。由表3 可知：覆盖边坡水分渗透量大于裸土边坡，覆盖椰丝草毯的坡体水分渗透量最大，比对照值高65.2%。4 种边坡水分渗透量的排序依次为：椰丝草毯＞秸秆纤维毯＞草帘＞无覆盖。坡面进行覆盖后，增加了坡面粗糙性，同时减缓了雨水下落时的速度，延长了径流在坡面的停留时间，增大了雨水入渗，但不同覆盖物所产生的影响效果存在差异，水分开始渗出时间也不同。椰丝草毯和秸秆纤维毯与坡面贴合紧密，促进雨水入渗到坡体，水分渗透量增加；草帘和坡面接触不紧密，在遭遇120 mm·h-1强降雨时容易分层裸露，使得一部分坡面无覆盖，但由于草帘有一定厚度，可以拦截部分坡面径流，同样可以促进雨水向坡体渗透。

表3 不同材料覆盖边坡坡体水分渗出时间和渗透量Table 3 Seepage time and seepage amount of the slope covered with different materials

2.2 不同生长时间植被边坡水文指标测定结果

2.2.1 不同生长时间植被边坡坡面径流测定结果

由图2 可知，植被边坡的坡面产流率与产沙率均小于裸土边坡。当植被边坡的生长时间为4个月时，其产流率和产沙率最小，其次为3 月生的植被边坡，但两者差异较小，说明当植物生长期超过3个月时就可以发挥良好的防护效果。不同生长期的植被边坡坡面产流经历着激增、波动和稳定阶段，在降雨初始阶段，坡面产流率急剧增大至最大值，然后趋于稳定。由于3 和4 月生植被边坡防护效果较好，收集的径流产沙量较小，无法获悉产沙量的具体变化情况。

图2 不同生长时间植被坡面产流率和产沙率的变化Fig.2 Changes of runoff yield and sediment yield of vegetation slope with different growing time

由表1 可知，各处理边坡之间的坡面产流起始时间、坡面径流量、雨水收集量及泥沙收集量的差异均达到了极显著水平（P＜0.01）。由表4 可知，在相同降雨条件下，4 月生植被边坡的坡面径流量最小，表明其抗雨水冲刷和涵养水源的能力最强，植物边坡抗雨水冲刷能力与植物生长时间呈正相关关系。结合边坡植物形态特征，4 和3 月生的植物茎叶较2 月生的植物茂密且生长较好，从而减缓了雨水下落的速度，雨水冲刷坡面的力度较小，保护了坡面的完整性。植被边坡抗冲蚀效果显著，且抗冲蚀能力随着植物生长而增强，产流起始时间逐渐延后，坡面径流中泥沙含量均极显著低于裸土边坡。

表4 不同生长时间植被边坡产流起始时间、坡面径流、泥沙及雨水收集量Table 4 Runoff onset time， slope runoff， sediment and rainwater collection of vegetation slope with different growing time

2.2.2 不同生长时间植被坡体水分渗透测定结果 由表1 可知，不同处理坡体之间水分渗出时间和渗透量的差异均达到了极显著水平（P＜0.01）。由表5 可知，植被坡体水分渗透量均极显著大于裸土坡体，其中，4 月生植被坡体水分渗透量最大，是对照的3.15 倍，随着植物的生长，坡体水分渗透量极显著增大。植物降低了雨水通过坡面的速度，同时引导雨水入渗坡体，随着植物生长，坡体水分渗出时间逐渐缩短，但3 和4 月生植被坡体之间的水分渗出时间并无显著差异。

表5 不同生长时间植被坡体水分渗出时间和渗透量Table 5 Seepage time and seepage amount of vegetation slope with different growing time

2.3 不同降雨强度下的边坡水文指标测定结果

2.3.1 不同降雨强度下的坡面径流测定结果 由图3 可知，裸土边坡和植被边坡坡面产流率和产沙率均随着降雨强度的增大而增大（当降雨强度为60 mm·h-1时，植被边坡未产生坡面径流，未能在图中绘出；当降雨强度为90 mm·h-1时，植被边坡产沙量很小，未能在图中绘出）。强度为60 mm·h-1的降雨在90 min 之内并未对植被边坡坡面产生冲刷作用，坡面未产生径流，除该处理外，其余强度和时间的降雨对于裸土边坡和植被边坡坡面均产生了一定程度的冲刷，各坡面产流率和产沙率均经历着上升、达到峰值和稳定3个阶段。随着降雨强度的增大，裸土边坡坡面产流时间逐渐缩短。在强降雨条件下，裸土边坡坡面产流率和产沙率均较高；植被坡面产生径流的时间滞后且产流率和产沙率也低于裸土边坡，植被发挥了较好的防护效果。

图3 不同降雨强度下坡面产流率和产沙率的变化Fig.3 Changes of runoff yield and sediment yield under different rainfall intensity

由表1 可知，在不同降雨强度条件下，各处理边坡之间坡面产流起始时间、坡面径流量、泥沙收集量和雨水收集量的差异均达到极显著水平（P＜0.01），降雨强度严重影响坡面径流产生时间和坡面径流量，相比于裸土边坡，植被对于坡面具有极好的保护效果。裸土边坡和植被边坡坡面产流起始时间和坡面径流量见表6。随着降雨强度的增大，裸土边坡和植被边坡坡面径流量均逐渐增大；在相同的降雨强度下，植被边坡坡面抗冲刷能力远远大于裸土边坡。随着降雨强度的增大，雨水对于裸土边坡的侵蚀性逐渐增强，坡面产流时间逐渐缩短，坡面径流量、泥沙收集量、雨水收集量均逐渐增大，降雨强度为120 mm·h-1时的裸土边坡坡面径流量是降雨强度为60 mm·h-1时的1.46 倍。在降雨强度为60 mm·h-1时，降雨全过程中植被边坡坡面始终未产生径流；当降雨强度为90 mm·h-1时，降雨45 min 后，坡面开始产生径流，但径流量较低，且泥沙占比只有0.29%；随着降雨强度继续增大，坡面径流量持续增大，同时径流中泥沙占比有所增大，但仍仅有0.47%。当降雨强度为60～120 mm·h-1，裸土边坡和植被边坡坡面径流量、泥沙收集量和雨水收集量均随着降雨强度的增大而增大，但植被边坡抗雨水冲刷侵蚀能力较强，径流量各项指标均显著低于裸土边坡，且径流产生的时间明显滞后于裸土边坡。

表6 不同降雨强度下边坡坡面径流量对比Table 6 Comparison of slope runoff under different rainfall intensities

2.3.2 不同降雨强度下坡体水分渗透测定结果 由表1 可知，各处理坡体之间水分渗出时间和渗透量的差异均达到了极显著水平（P＜0.01）。由表7 可知，在3 种降雨强度条件下，植被边坡的水分渗透量极显著高于裸土边坡；但随着降雨强度的增大，裸土边坡和植被边坡的水分渗透量均在逐渐减小；当降雨强度为90 和120 mm·h-1时，植被坡体水分渗透量之间无明显差异。随着降雨强度逐渐增大，裸土边坡和植被边坡坡体水分渗出时间均逐渐缩短，且植被边坡坡体水分渗出时间极显著早于裸土边坡。植被边坡由于植物生长，当降雨来临时，阻碍了雨水汇集成径流，同时引导雨水渗入坡体，由此也减少了雨水对于坡面的冲刷，有效保护了坡面安全。

表7 不同降雨强度下坡体水分渗出时间和渗透量Table 7 Seepage time and seepage amount of slope under different rainfall intensities

3 讨论

3.1 覆盖材料对边坡水文效应的影响

坡面覆盖可以起到良好的防护效果，主要作用表现在水土保持、植被恢复和土壤改良3个方面。坡面覆盖后可以起到很好的水土保持作用，在野外自然降雨条件下，坡度为45°和60°的边坡覆盖椰丝草毯后，边坡土壤侵蚀量 分 别 降 低 了89.64% 和55.58%[11］；当 降 雨 强 度 为10、30、50 mm·h-1时，北 方 半 干 旱 地 区 边 坡 覆 盖 黄 麻（Corchorus capsularis）毯后，土壤侵蚀量降低了99.4%[12］；人工模拟降雨强度较小时，覆盖植物纤维毯的坡面几乎不产生侵蚀，但随着降雨强度的增大，植物纤维毯减蚀作用降低[13］。在植被恢复过程中，坡面增加覆盖可以防止植物种子被径流冲走，同时通过提高土壤含水量、降低土壤温差、改善土壤微环境等作用促进植物生长[14-15］。坡面覆盖还可以改善土壤结构、提高土壤有机质及营养元素含量[16］。本研究中，裸土边坡增加覆盖物后，可以有效减少坡面径流量；当降雨强度为120 mm·h-1时，覆盖椰丝草毯、秸秆纤维毯和草帘的边坡坡面径流量分别比裸土边坡减少了23.25%、15.66% 和17.94%。究其原因在于覆盖物可以与裸土边坡相结合，显著提高了坡面抗侵蚀能力；吸水后的覆盖物悬垂性增强，覆盖物可以减少或避免雨滴直接冲击坡面，减少坡面土壤溅蚀和雨滴对表土的破碎作用，同时减弱坡面结皮[17］；植物纤维能够吸收水分，毯层结构增强截流，从而直接减少径流总量[18］。裸土边坡增加覆盖物后，促使坡体的水分渗透量增大，覆盖椰丝草毯的坡体水分渗透量最大，达到裸土边坡的1.65 倍，这与刘宏远等[19］的研究结果一致。各处理边坡水分渗透量排序为：椰丝草毯边坡＞秸秆纤维毯边坡＞草帘边坡＞裸土边坡，这与岳恒陛等[20］的研究结果相同。此外，覆盖不同材料的坡体土壤含水量几乎相同，这些边坡仅是覆盖了不同材料，各边坡坡体土壤孔隙度一致，坡体保水能力无差异。

3.2 植被生长时间对边坡水文效应的影响

降雨常常导致土质边坡发生滑坡，坡面植物可以起到护坡作用。一般情况下，植物发挥护坡作用主要通过两个途径：植物茎叶减弱降雨的溅蚀，截留径流，减轻降雨对于坡面的侵蚀作用，减少水土流失；植物根系起到土壤加筋作用，维持边坡的稳定性；植物地上部分和地下部分协调统一，相互影响，共同发挥作用，减少边坡水土流失和维持边坡稳定性。植物根系是天然的加筋材料，边坡稳定性随着根系数量的增加而增大[21］，但当根系数量达到一定值时，其对边坡稳定性的促进作用将不再提高。植物根系长度、表面积和体积随着植物生长而逐渐增大，这些指标在一定程度上与植物生长时间呈正相关关系，因此，植物生长时间也会影响边坡水文效应[22］。本研究中，植被边坡抗雨水侵蚀的效果明显，且抗侵蚀能力随着植物生长期的延长而显著增强，3 和4 月生植被边坡坡面径流中的泥沙含量均不足0.5%，说明植物生长一定时间后已经具有了很好的护坡作用；植被坡体水分渗透量均极显著大于裸土坡体，且渗透量随着植物生长期延长而显著增大；4 月生植被边坡坡面径流量最小，坡体水分渗透量最大，边坡抗雨水冲刷和涵养水分的能力最强，反观降雨对裸土边坡坡面的侵蚀较为严重，且裸土坡体的水分渗透量较低。分析原因可知：随着植物根系生长，根系与坡体土壤之间的固着力增强，同时不断生长的植物枝叶也可以降低雨水下落的速度，保护坡面的完整性；在较大强度的雨水冲击下，裸土边坡表层孔隙被一些细小颗粒填塞，影响雨水入渗[23］；但植被边坡生长的植物根系与土壤接触面可以构成良好的导水通道，增加土壤中的大孔隙，雨水快速渗透，坡体水分渗透量较大。

3.3 降雨强度对边坡水文效应的影响

水土流失受到土壤类型、降雨特征、植被状况等因素的影响，降雨是边坡水土流失的先决条件，其中核心要素就是降雨强度[24］。粉质土边坡地表径流量和雨水入渗量与降雨强度呈正相关关系[25］。植被护坡对深层土体有锚固的效果，对浅层土体有加筋的作用，植被覆盖能够减弱边坡土体表面受到冲刷的作用[26］。本研究中，当降雨强度逐渐增大时，裸土边坡和植被边坡坡面产流时间均逐渐缩短，同时坡面径流量、泥沙收集量和雨水收集量均呈逐渐增大的变化趋势，这与王晓亮[25］的研究结论基本一致。随着降雨强度的增大，裸土边坡和植被边坡坡体水分渗出时间均逐渐缩短，且渗透量均逐渐减少，原因在于高速下降的雨滴冲击破坏坡面，坡面土体在雨滴冲击和雨水渗透力的作用下被压实，形成侵蚀、面蚀、细沟侵蚀的现象，坡面表层松散的土体被破坏剥离，坡面径流量逐渐增大，坡面径流的汇流作用不断增强，径流侵蚀土壤能力增强，导致侵蚀量增加[27］。在降雨总量相同时，当降雨强度为60 mm·h-1时，植被边坡并未产生坡面径流，说明植被对于坡面的保护作用可以消减该强度降雨对坡面的冲刷侵蚀，植被发挥了较好的坡面保护作用；但植被坡面的雨水入渗能力和植被截留能力有限，随着降雨强度的逐渐增大，植被防护难以抵消降雨对坡面的冲刷，植被边坡开始产生坡面径流。

4 结论

边坡覆盖椰丝草毯和秸秆纤维毯后，可以有效降低坡面径流量和泥沙含量，增加坡体水分渗透。不同生长期的植被边坡模型中，覆盖椰丝草毯的4 月生植被边坡模型的护坡作用极为明显，椰丝草毯和植物两者相互作用消减了雨水对坡面的冲击，同时增加了坡面的粗糙度，降低了坡面径流流速，同时植物根系增加了雨水入渗，较好地维持了坡体渗透性。当降雨强度处于60～120 mm·h-1时，植被边坡和裸土边坡受侵蚀程度均随着降雨强度的增大而增大，植被边坡的测定指标明显优于裸土边坡，植被发挥了较好的防护能力。粉砂性路基边坡采用植被结合覆盖方式开展护坡时，坡面混播狗牙根（12 g·m-2）、紫穗槐（14 g·m-2）、胡枝子（10 g·m-2）种子后覆盖椰丝草毯（300 g·m-2），经正常管理养护，待植物生长期超过3个月后，坡面抗雨水冲刷能力显著增强，植物和覆盖物两者相互作用可以消减坡面径流量、增加坡体水分渗透量。