植物篱措施下工程堆积体坡面减流减沙效益研究

袁普金, 张 翔, 王万君, 郭超颖, 程 复, 孔东莲, 高照良

(1.水利部 水土保持监测中心, 北京 100055; 2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨陵 712100;3.北京水保生态工程咨询有限公司, 北京 100055; 4.西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西 杨凌712100)



植物篱措施下工程堆积体坡面减流减沙效益研究

袁普金1, 张 翔2, 王万君3, 郭超颖3, 程 复3, 孔东莲3, 高照良4

(1.水利部 水土保持监测中心, 北京 100055; 2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨陵 712100;3.北京水保生态工程咨询有限公司, 北京 100055; 4.西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西 杨凌712100)

为探讨植物篱措施下工程堆积体坡面不同坡段的减流减沙效益，选取了35，45，55 L/min放水流量，模拟0.3，0.4，0.5 mm/min的雨强条件，对24°坡度的堆积体边坡进行模拟径流冲刷试验。结果表明：植物篱可以很好地阻延坡面径流，且产流时间随着放水流量的增加呈线性递减趋势；对照坡面的平均产流量沿着水流方向呈先增后减的趋势，而植物篱坡面呈相反趋势；根据产流产沙量在不同坡段上的对比情况可知，植物篱措施的合理配置应着重加强中间坡段的防治；55 L/min流量下的累计减沙量显著大于另外两个流量的累计减沙量，累计减沙量与时间呈三次函数关系；时段产沙量随着时段产流量的增大而增大，二者呈幂函数关系；累计产沙量与累计径流量呈二次函数关系，累计产沙量存在最大值，且二者的函数关系存在定义域。该研究可为工程堆积体坡面防治措施的优化配置提供一定的理论支持。

植物篱; 工程堆积体; 放水冲刷; 减流减沙效益

20世纪80年代中期以来，我国的城市化、工业化、现代化进程逐年加快，开发建设项目急剧增加，由于在建设活动中严重破坏了原本处于平衡状态的原地貌、植被和水系条件，并产生大量的弃土弃渣堆积形成工程堆积体，造成严重的水土流失，甚至引发地质灾害、破坏水土资源、恶化生态环境，导致土地生产力急剧降或丧失[1-2]。由于工程堆积体边坡陡、无植被、结构体破坏、表层土壤疏松、地面组成物质复杂等特点，比原地貌更易发生水土流失。水土保持防治措施的合理布置便显得尤为重要。

植物篱作为一种水土保持措施已在热带、亚热带、温带的坡耕地中得到广泛应用。已有的大量研究表明，植物篱措施的布设对坡面水土流失的防治具有显著的效果[3-5]。武菊英[6]等在华北地区对狼尾草属和野古草属的两种植物篱研究结果显示植物篱的减流作用可以达到36%～72%，减沙效益可以达到65%～94%。Cullum 等[7]研究得出植物篱的减沙效益可以达到90%。Donjadee等[8]研究得出了植物篱影响下的产流产沙回归方程，取得了较好的预测效果。Rachman等[9]认为植物篱提高了土壤入渗能力、导水率，进而促进减流减沙。卜崇峰等[10]认为植物篱改变了坡面径流流速分布进而影响了径流侵蚀量。袁久芹[11-12]等研究表明，植物篱具有明显的减流减沙效益，且在大降雨强度条件下更显著，其对不同植物篱配置模式的研究发现，各植物篱模式均不同程度地改善了土壤理化性质，减少了水土流失量，组合植物篱模式的减流减沙效益优于单一植物篱模式。可以看出，已有研究主要集中于缓坡条件下的坡耕地坡面，而对工程堆积体坡面植物篱应用方法、植物篱的减流减沙过程及其机理鲜有研究。

本文在工程堆积体坡面布置植物篱，通过野外放水冲刷试验，模拟不同雨强条件下汇水径流对堆积体坡面冲刷过程，分析植物篱措施下堆积体坡面不同坡段产流产沙过程及其减流减沙效益，以期为工程堆积体坡面防治措施的优化配置提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于陕西省长武县王东沟小流域内(N35°14′34″；E107°41′31″)，属暖温带半湿润、大陆性季风气候，年均降水量583.9 mm，年均气温9.1℃[13]。地带性土壤为黑垆土，土壤母质为深厚的中壤质马兰黄土，重力侵蚀严重，土壤侵蚀模数1 860 t/km2，降水多集中在7—9月份，占全年降水总量的55%。试验小区建在人工开挖坡面上，开挖面达到土壤母质层，小区所填土壤来自附近边坡开挖产生的废弃黄土，事先清除杂草和有机残落物层，经现场机械开挖后进行人工回填，小区弃土为当年回填，坡面无任何植被覆盖，小区坡面投影长度20 m，宽5 m。堆积体表层土壤类型为黑垆土，土石比超过9∶1，粒径多在1 mm以下，土壤颗粒粒径0.2～0.1，0.1～0.05，0.05～0.02，0.02～0.01，0.01～0.005，0.005～0.002,<0.002 mm含量依次为0.3%，6.47%，32.95%，24.56%，10.57%，6.50%和18.65%。采用人工模拟径流试验，用稳压水箱保持放水流量恒定，调节阀与水表配合进行率定流量，通过稳流槽获得平稳、恒定的出流。

1.2 试验设计与方法

试验小区布设见图1，每个小区设置5个测量断面，分别距坡顶2，6，10，14，18 m处。选取两个24°坡度，其中一个为裸坡作为对照小区，另一个采用植物篱措施。在植物篱小区内布置4道植物篱，从距离坡顶3 m处开始布设，篱间距4 m。植物篱带栽植平均株距为20 cm的紫穗槐幼苗，以67 kg/hm2的密度种植紫花苜蓿，直至试验前篱带内覆盖率达到90%以上，植物篱带宽约60 cm。在各断面处测定土壤容重、土壤含水量等。试验开始前，为控制土壤容重和含水率，对坡面进行平整，人工压实，并在试验开始前24 h对坡面进行均匀洒水，直到坡面即将产流为止并用塑料薄膜覆盖至试验开始，试验前土壤容重在1.30～1.40 g/cm3范围内，土壤含水率在10.5%～18.85%。按照试验区一年中发生的最大暴雨等级，设置放水流量梯度为35，45，55 L/min，分别相当于0.3，0.4，0.5 mm/min的降雨强度下产生的坡面径流量，产流后每场次冲刷历时为39 min。试验开始后，通过阀门和精密流量计控制流量，泥沙样在产流开始后6 min内每隔2 min取一次，其后每隔3 min取一次，径流桶接收全部泥沙和径流，同时于测量断面处测流宽及流速，流速采用高锰酸钾示踪法测定，测距为1.5 m[14]，通过计算5个断面的流速，求其平均值，并乘以修正系数0.75作为水流断面平均流速[15]；流宽的测量采用自制的彩色测尺，精度为1 cm，通过观测有水流的彩色测尺进行准确的读数，然后计算出流宽。用烘干法测定泥样瓶中的含沙量，试验土采用激光粒度分析仪分析。试验供水引自王东沟民用泉水井，经自流到蓄水桶。

图1 试验小区布设

1.3 数据分析方法

(1) 不同坡段断面产流量(Qi)。单位距离内不同坡段的平均径流量。

(1) 式中：Qi为不同坡段断面产流量(L)；M为观测时段内的产流量(L)；ti为水流流经不同测量断面的时间(s)；T为取样的时间间隔(s)；L为观测断面长度(m)。

(2) 不同坡段断面产沙量(Si)。单位距离内不同坡段的平均产沙量。

(2)

式中：Si为不同坡段断面产沙量(kg)；ω为观测时段内的平均含沙量(kg/L)。

(3) 累计减沙量(Mr)。不同时段内植物篱坡面相比对照坡面的累计减沙量。

(3)

式中：Mr为累积减沙量(kg)；Mc(t)为冲刷历时t时刻时对照小区的累积产沙量(kg)；Mh(t)冲刷历时t时刻时植物篱小区的累积产沙量(kg)。

2 结果与分析

2.1 植物篱措施下不同坡段产流过程分析

2.1.1 植物篱措施对坡面产流时间的阻延作用 产流时间指坡面径流漫流至小区出口所需要的时间，在野外人工模拟放水冲刷试验中，影响产流时间的因素主要包括植被类型(空间格局)、放水流量、坡度、坡长、下垫面以及土壤初始含水量等。在试验前对坡面取土样测量土壤含水量，以确保坡面土壤初始含水量一致。在24°坡度下，对照坡面在35，45，55 L/min放水流量条件下的产流时间分别为2.623，2.434，2.383 min，植物篱坡面对应的产流时间分别为5.059，4.709，4.449 min。对比不同措施下坡面的产流时间，3个流量条件下植物篱小区的产流时间分别是对照小区的1.929，1.935，1.867倍，表明植物篱措施对阻延坡面径流的产生贡献率较大，且随着放水流量的增加，坡面产流时间呈现线性递减趋势。

2.1.2 不同坡段断面产流量对比及其减流效益 在试验过程中，每个小区设置5个测量断面，分别距坡顶2，6，10，14，18 m处，每个断面的测距1.5 m。

图2 植物篱与对照坡面不同坡段的

通过描绘植物篱与对照坡面的平均产流量在不同坡段上的对比以及减流效益在坡面的分布情况，见图2。由图2可知，在三个流量条件下，对照坡面的平均产流量沿着水流方向呈现先增加后减小的趋势，而植物篱坡面下的平均产流量沿着上坡到下坡方向呈先减小再增加的相反趋势。这是因为在裸坡条件下，上坡面的水流主要受到重力沿坡面向下的分力作用以及坡面微地形和跌坎的阻力作用，在上坡面重力的分力大于阻力作用，使得水流流速一直处于加速状态，流过单位距离断面的流量逐渐增加，到达中间坡段时重力与阻力相等，达到最大流速，而后在下坡面，阻力不断加大以致大于重力作用，导致坡面水流处于减速状态，所以下坡面的单位距离断面的产流量不断减小。植物篱措施下，随着上坡面的水流流速越大，植物篱的阻流作用越大，此阶段阻力大于重力作用，以致在中间坡段时出现最小流速，单位距离的产流量达到最小，而下坡面刚好相反，流速较小，植物篱的阻流作用不明显，此阶段重力作用大于阻力作用，因此流速逐渐增大，产流量也就呈增加趋势。

在35 L/min流量下，对照坡面在坡段5处的平均产流量小于植物篱措施下坡面，45 L/min流量下，对照坡面不同坡段的平均产流量均大于植物篱措施坡面，而在55 L/min放水流量下，对照坡面只是在坡段2，3处的平均产流量大于植物篱措施下的产流量，并且随着流量的增加，坡面平均减流效益呈先增加后减小的趋势，表明随着放水流量的增大，植物篱措施的减流效益并不是呈简单的减弱趋势，而是存在最佳放水流量，因此坡面植物篱措施在此放水强度下可发挥最大的减流效益。

通过分析不同坡段的减流效益分布趋势可知，顺着坡面水流方向，减流效益呈先增加后减小的趋势，在坡段3处即中间坡段处达到最大的减流效益。由此表明，植物篱措施的合理配置应着重加强中间坡段的防治措施，根据裸坡坡面的产流量分布也可知，措施应该主要布置在2，3，4坡段处。

2.2 植物篱措施下不同坡段产沙过程分析

2.2.1 不同坡段断面产沙量对比以及不同坡段的减沙效益 探讨坡面不同坡段的产沙量分布规律，能为工程堆积体坡面植物措施、工程措施等的优化配置提供科学依据。

通过描绘植物篱与对照坡面的平均产沙量在不同坡段上的对比以及减沙效益在坡面的分布情况，见图3。由图3可知，不同流量条件下，对照坡面的不同坡段处的产沙量均大于植物篱措施下的坡面，可以看出，植物篱措施起到了很好的减沙效果，但不同流量下植物篱措施的平均减沙效益却不尽相同，对应三个流量的平均减沙效益依次是46.47%，34.75%，36.85%。可知，在低流量情况下，植物篱措施能发挥更好的减沙效益。

根据不同坡段的减沙效益曲线可知，不同流量条件下，沿着坡面水流方向，减沙效益均呈先增加后减小的趋势，在35 L/min和45 L/min放水流量下，坡段3处即中间坡段达到最大减沙效益，而在55 L/min流量下，最大减沙效益提前到坡段2处即中间偏上坡段。这是因为在大流量下，在坡段2到坡段3之间的水流动能最大，由于植物篱的作用，流速越大阻流作用也就越强，因此水流在此阶段侵蚀的泥沙大大减少。由减沙效益的在坡面的分布趋势可以得出，坡面措施的优化配置应主要集中在中间坡段，即图中的2，3，4坡段处。

图3 植物篱与对照坡面不同坡段的

2.2.2 植物篱累计减沙量与冲刷历时的关系 累计减沙量可以反映随着放水历时的延长，植物篱减沙能力的动态变化。通过点绘累计减沙量与冲刷时间的关系，见图4，拟合二者之间的关系，见表1。图4体现了不同流量条件下，在24°坡度下植物篱小区累积减沙量随时间的动态变化。在前9 min的时候，35 L/min和45 L/min两流量的累计减沙量，相差不大，甚至小流量的累计减沙量稍大于45 L/min的累计减沙量，而后，大流量较小流量的累计减沙量要大，但在55 L/min流量下，累计减沙量显著大于另外两个流量的累计减沙量。这是因为，随着流量的增大，累计产沙量也在明显增加，由图3可知，三个流量分布对应的平均减沙效益依次是46.47%，34.75%，36.85%，流量在35 L/min时的平均减沙效益最好，而45 L/min的平均减沙效益最差，因此前者的累计减沙量增加的幅度会比较大，而后者增加幅度比较平缓，二者会越来越接近，这也与图4曲线走向一致；而在55 L/min流量下，减沙效益较好，加上本身条件下的累计产沙量较大，因此与另外两个流量的累计减沙量存在明显差距。由表1可见，各个流量条件下的累计减沙量与时间的动态变化均能用三次函数进行很好的拟合，各种情况下的决定系数在0.98以上，且F检验Sig.<0.001，说明回归方程均达到极显著水平。

2.3 坡面流的水沙关系

2.3.1 时段产沙量与时段产流量的关系 通过整合两个坡面时段产流量与时段产沙量的数据，建立二者之间的关系，见图5，各时段内的产沙量与径流量存在显著的相关关系，时段产沙量随着时段产流量的增大而增大，对二者之间的相互关系进行回归分析，结果表明用幂函数方程对时段产沙量与时段径流量拟合效果最佳，建立经验公式如下，

对照坡面：

y=1.757x0.613(R2=0.534，N=42)

(1)

植物篱坡面：

y=0.288x0.944(R2=0.817，N=42)

(2)

分析数据发现式(1)、(2)的F检验Sig.<0.001，说明回归方程均达到极显著水平。

图4 累计减沙量与冲刷历时的关系

流量/(L·min-1)拟合公式样本数决定系数R235Mr=-0.0018t3-0.095t2+12.133t-1.419N=150.996**45Mr=-0.0005t3-0.0024t2+4.164t-3.433N=150.984**55Mr=-0.0032t3-0.179t2+4.823t-0.234N=150.994**

注：其中*表示(p<0.05)，**表示(p<0.01)。

图5 时段产沙量与时段产流量的关系

2.3.1 累计产沙量与累计产流量的关系 通过分析24°坡度下，两种措施在不同流量条件下，累计产沙量和累计产流量的数据，建立二者的关系，见图6。由图可知，在本试验条件下，累计产沙量均随着累计径流量的增加先迅速增加而后缓慢增加，且在相同径流量下，对照坡面的累计产沙量均大于植物篱坡面的累计产沙量，说明植物篱措施起到了很好的减沙效果，但不同流量下植物篱措施的减沙效益却不尽相同。

拟合不同流量条件下累计产沙量与累计产流量的变化过程(表2)可知，不同措施坡面累计产沙量均与累计径流量呈二次函数关系，二次函数开口向下，表明累计产沙量随着累计产流量的增加存在最大值，而不是一味地增大，一旦累计产沙量到达最大值，而后便会开始减小，但在实际试验过程中，累计产沙量一旦到达最大值，而后不可能会减小，所以二者的关系函数是存在定义域的，只有当累计径流量在零到临界值的范围内，才可用此模型对坡面累计产沙量进行精确预测。由表2可知最大累计产沙量对应的临界累计产流量，在对照坡面下，累计产沙量最大值随着流量的增大先增大后稍微减小，对应的累计产流量分别为1 202.5，2 240，1 565 L，在植物篱措施坡面下，累计产沙量最大值随着流量的增大而增大，对应的累计产流量分别为1 465，1 167.5，2 266.7 L，综合来看，累计产沙量最大值在不同措施下，随流量的增大变化情况并不一致，由于试验条件下，累计产流量均未达到临界值，因此累计产沙量均未到达最大值。

图6 累计产沙量与累计产流量的关系

流量/(L·min-1)措施拟合公式样本数决定系数R2Q临界值S最大值35对照S=-2E-4Q2+0.481Q+3.119N=14R2=0.999**1202.5292.3235植物篱S=-1E-4Q2+0.293Q-3.653N=14R2=0.999**1465210.9745对照S=-1E-4Q2+0.448Q-0.982N=14R2=0.999**2240500.7845植物篱S=-2E-4Q2+0.467Q-2.902N=14R2=0.999**1167.5269.7155对照S=-2E-4Q2+0.626Q+4.265N=14R2=0.999**1565494.1155植物篱S=-6E-5Q2+0.272Q-1.652N=14R2=0.999**2266.7306.61

注：其中*表示(p<0.05)，**表示(p<0.01)。

3 结论与讨论

3.1 讨 论

不同流量条件下，不同措施坡面的产流产沙分布规律不尽相同，裸坡坡面的产流产沙分布规律均是沿着坡面水流方向先增后减，波动幅度不大，植物篱措施下坡面的产流产沙分布规律主要为沿着水流方向先减后增，与裸坡呈相反趋势。由裸坡坡面侵蚀产沙分布情况可知，坡面侵蚀产沙较严重坡段主要集中在中间位置，水土保持防治措施的布设也应主要集中在中间坡段，由植物篱坡面的分布规律也可知，植物篱措施能起到很好的减流减沙效果，尤其是针对中间坡段的防蚀作用。坡面流水沙关系往往较为复杂，加上测量精度的限制，二者之间的关系尚无定论。于国强等[16]将累计产沙量与累计径流量进行回归分析，发现二者之间的关系均满足幂函数关系；吴淑芳等[17]通过分析调控坡面水沙关系发现，侵蚀量与径流量呈线性关系；本试验条件下，时段产沙量与时段径流量呈幂函数关系，累计产沙量与累计径流量呈二次函数关系，此结果也可能是由于工程堆积体这个独特下垫面情况导致的。

3.2 结 论

(1) 植物篱措施对阻延坡面径流的产生能起到很大的作用，随着放水流量的增加，两种坡面产流时间均呈现线性递减趋势；对照坡面的平均产流量沿着水流方向均呈先增后减的趋势，而植物篱坡面呈相反趋势；随着放水流量的增大，植物篱措施下的平均减流效益并不是呈简单的减弱趋势，而是呈现先增加后减小的趋势，在45 L/min流量下达到最大减流效益；根据植物篱措施的减流效益和减沙效益在坡面的分布趋势可知，植物篱措施的合理配置应着重加强中间坡段的防治措施。

(2) 植物篱措施起到了很好的减沙效果，但不同流量下植物篱措施的平均减沙效益并不尽相同；在低流量情况下，植物篱措施能发挥更好的减沙效益；55 L/min流量下的累计减沙量显著大于另外两个流量的累计减沙量，各个流量条件下的累计减沙量与时间的动态变化均能用三次函数进行很好的拟合。

(3) 时段产沙量随着时段产流量的增大而增大，用幂函数方程对时段产沙量与时段径流量进行拟合效果最佳；在本试验条件下，累计产沙量均随着累计径流量的增加先迅速增加而后缓慢增加，且在相同径流量下，对照坡面的累计产沙量均大于植物篱坡面的累计产沙量，不同措施坡面累计产沙量均与累计径流量呈二次函数关系，累计产沙量存在最大值，但二者的关系函数存在定义域，只有当累计径流量在零到临界值的范围内，才可用此模型对坡面累计产沙量进行精确预测。

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Conservation Benefit of Hedgerow Measures on Engineering Accumulation Slope

YUAN Pujin1, ZHANG Xiang2, WANG Wanjun3, GUO Chaoying3, CHENG Fu3, KONG Donglian3, GAO Zhaoliang4

(1.MonitorCenterofSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Beijing100055,China; 2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China; 3.BeijingSoilandWaterConservationEco-engineeringConsultationCo.,Ltd,Beijing100055,China; 4.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The contributions of different types of plant measures and different spatial patterns to efficiency about runoff and sediment reduction are different. In order to investigate effect of hedgerow measure on the engineering accumulation slope of different slope segments of runoff and sediment reduction benefits, the flow rates of 35, 45 and 55 L/min were selected to simulate the rainfall intensity of 0.3, 0.4 and 0.5 mm/min, and the simulation of the 24 degree slope of the accumulation body slope was carried out. The results show that the hedgerow can delay runoff and runoff-yielding time with the flow discharge increase which presents linearly decreasing trend. The average runoff on control slope along the flow direction increased firstly and then decreased, hedgerow slope presents the opposite trend. According to the runoff and sediment yield in different slope sections, the rational allocation of hedgerow measure should focus on strengthening the prevention and control measures for slope of the middle section. The cumulative sediment reduction under 55 L/min flow was much higher than those of the other two flows, the cumulative sediment reduction and time follow the cubic functional relationships. The sediment yield increases along with the increase of the flow rate in the period of time, and the two had a power function relationship. Cumulative sediment yield and cumulative runoff follow quadratic function relationships. The total sediment yield include maximum value, and the function relation is defined. This study can provide theoretical basis for the optimized allocation of control measures on the engineering accumulation body slope.

hedgerows; engineering accumulation; runoff and sediment yield; effects of runoff and sediment reduction

2015-11-20

2015-12-14

“十二五”国家科技支撑计划课题“农田水土保持关键技术研究与示范”(2011BAD31B01)

袁普金(1975—),男,江西省余江县人,工学硕士,高级工程师,主要从事开发建设项目水土保持方案技术审查与管理工作。

E-mail:yuanpujin@163.com

高照良(1969—),男,河南灵宝人,博士,博士生导师,主要研究方向为农业水土工程和荒漠化防治。E-mail:gzl@ms.iswc.ac.cn

S157

A

1005-3409(2016)06-0374-07