鱼鳞坑工程措施下不同坡度坡面土壤侵蚀过程研究

张丽萍

(大连市水务事务服务中心，辽宁 大连 116001)

工程措施是水土保持综合治理措施的重要组成部分。鱼鳞坑是常用的水土保持工程措施之一，在坡度较陡或者地形狭窄难以修建水平截水沟的地方使用鱼鳞坑整地，可以取得较好的蓄水、保土、保肥作用。但是，目前对鱼鳞坑水土保持效益的研究成果主要集中在黄土高原地区[1-3]，而不同地区坡面具有不同的产汇流特性，因此需要了解鱼鳞坑在其他地区的适用情况。本研究以东北黑土区水土流失综合防治第一期工程项目复州河流域辽宁省瓦房店市东风项目区为研究区，开展鱼鳞坑整地后不同坡度坡面侵蚀过程对比试验，希望能为东北黑土区鱼鳞坑工程的设计和应用提供参考。

1 研究区概况及鱼鳞坑设计

辽宁省瓦房店市东风项目区地处低山丘陵地带，总面积247.3 km2；年均气温8.3～10.3 ℃，年均水面蒸发量1 839 mm，年均降水量670 mm；坡耕地面积大，水土流失严重。

根据项目区相关防治措施设计原则，在坡度较陡(20°～35°)的山地大量采用鱼鳞坑整地措施。具体来说，在造林前一年的雨季人工挖坑设置鱼鳞坑；第二年春季人工植苗造林，苗木直立于穴中，保持根系舒展，不窝根，先置表土，后踏实；造林前三年每年松土除草2次，以后每年1次；禁牧。鱼鳞坑结构设计见图1。

2 试验设计

2.1 小区布设

项目区沟壑密布，坡面坡度变化较大(多集中于20°～35°)，坡度会对鱼鳞坑措施的实施效果产生一定的影响，因此选择项目区内某荒山边坡(海拔约550 m)进行鱼鳞坑整地后不同坡度坡面侵蚀过程对比试验。建立了3个试验小区，坡度分别为22°、28°、34°，均为20 m×5 m。按照上节设计尺寸进行鱼鳞坑开挖，之后进行野外放水冲刷试验。放水流量按照项目区暴雨发生频率在试验小区产生的单宽流量设计(40 L/min)，水流经稳流、消能，通过防渗布流出后均匀分散在坡面顶端，记录产流时间，产流开始后对流速、径流宽、径流泥沙样品等进行记录和取样。前6 min内每隔2 min取一次径流泥沙样，之后扩大取样时间间隔，4 min做一次取样记录，总试验时长为30 min。试验重复3次，取平均值，试验结束后对试验数据进行统计分析。野外放水冲刷试验装置示意见图2。

图1 鱼鳞坑结构设计(单位：m)

图2 野外放水冲刷试验装置示意

2.2 试验数据测定

试验前用环刀法测定小区附近土壤容重和含水量。试验开始后，坡面流速测量采用高锰酸钾染色示踪法，流速起始线与流速结束线之间的测量间距为1.5 m，将测得的流速乘以0.75作为断面平均流速；径流宽采用自制测量标绳进行量测，每个小区共设置5个观测断面，将测得的5个断面径流宽取平均值得到平均径流宽；用径流桶收集径流泥沙样品，用烘干法计算含沙量，乘以径流量得到产沙量。

根据径流桶收集得到的实测径流量计算产流强度，计算公式为

(1)

式中：H为产流强度，mm/min；qT为某时段内实测径流量，L；b为某时段内的平均流宽，m；L为坡长，m；T为取样时段，min。

根据不同时段的产沙情况计算土壤剥蚀率，计算公式为

(2)

式中：Dr为土壤剥蚀率，g/(m2·s)；Ms为某时段内的产沙量，g；T为取样时段，s；其余符号意义同上。

3 试验结果分析

3.1 产流特征分析

不同坡度坡面在鱼鳞坑整地后的产流参数试验结果见图3。由图3知，相同流量条件下，产流时间随坡面坡度的增大而缩短。分析其原因，在一定条件下，坡度越陡径流的入渗损失越小，坡面越容易汇聚成径流，鱼鳞坑起到的拦蓄径流的效益越低。分析不同坡度坡面鱼鳞坑整地后的产流强度：在产流前期(0～6 min)，产流强度迅速增大，基本随坡度的增大而增大，坡面侵蚀形式由面蚀向细沟侵蚀转变；产流后期(6～30 min)，28°坡面的产流强度仍在快速增长，而22°和34°坡面的径流强度则呈波动状态，这是因为28°坡面的部分鱼鳞坑在试验过程中被冲毁，导致拦蓄作用减弱，产流强度增大。不考虑28°坡面，仅对比22°和34°坡面的产流强度，可发现34°坡面的产流强度大于22°坡面，即在产流后期产流强度仍随坡度的增大而增大，此时坡面侵蚀形式由细沟侵蚀向深沟侵蚀转变，加剧了坡面状况的复杂性，导致产流强度波动情况更加复杂。

(b)产流强度与时间的关系

3.2 产沙特征分析

不同坡度坡面在鱼鳞坑整地后的径流含沙量随时间增加呈两阶段变化特征：在产沙过程前期，含沙量迅速升高，之后随着径流冲刷时间的增加，含沙量呈波动状态。由于在径流冲刷过程中伴随着坡面的侵蚀崩塌，原已沉积的泥沙被再次搬运，因此试验过程中含沙量变化呈波动状态；由于28°坡面试验过程中出现了部分鱼鳞坑被冲毁的现象，原本沉积下来的泥沙随坡面径流一起流入径流桶，造成含沙量显著增大，因此其含沙量试验结果明显高于其他两坡面，但是当被冲毁的鱼鳞坑泥沙完全流入径流桶后，其含沙量逐渐降低，并趋于稳定，稳定时的含沙量介于坡度22°和34°坡面的径流含沙量之间，即稳定后的含沙量呈随坡度的增大而增大的变化趋势，这也说明坡度越陡越容易发生水土流失。

不同坡度坡面在鱼鳞坑整地后的产沙过程可以分为三个阶段：第一阶段为快速上升阶段(0～10 min)，随着径流切应力的逐渐增大，坡面表层松散物质被径流侵蚀带走，使得产沙量陡增；第二阶段为波动阶段(10～20 min)，此时细沟逐渐产生并发育完成，坡面大部分物质已被水流搬运出去，坡面对泥沙的补给能力显著降低，整个过程实质上为“一次侵蚀，多次搬运”，坡面在经过反复的沉积搬运作用后形成了产沙量的动态变化特征；第三阶段为稳定阶段(20～30 min)，此时细沟侵蚀发育已基本成熟，径流对坡面的侵蚀能力逐步达到稳定，使得坡面输沙能力逐渐达到平稳状态。正是坡度的差异，造就了陡坡复杂多变的土壤侵蚀产沙过程。

3.3 土壤剥蚀率分析

不同坡度坡面在鱼鳞坑整地后的土壤剥蚀率变化过程见图4。从图4中可以看到：各坡面土壤剥蚀率整体上处于较高水平，其变化趋势与产沙过程基本保持一致；根据“最小耗能”和“热力学”原理，坡面径流的发育总是往“最小阻力途径”发展，在鱼鳞坑对径流的拦蓄和再分配作用下，不同坡度坡面土壤侵蚀形态呈现出较大差异。总体而言，鱼鳞坑对一般坡度的坡面能够产生较好的减流减沙作用，但是会随着坡度的增加而逐渐减弱，因此在坡度较陡地区鱼鳞坑的水土流失治理效益还有待进一步研究。

图4 不同坡度坡面在鱼鳞坑整地后的土壤剥蚀率变化过程曲线

4 结 语

开展鱼鳞坑工程措施下不同坡度坡面土壤侵蚀过程野外放水冲刷试验，分析了坡面的产流、产沙和土壤剥蚀等特征，得出如下结论：随着坡度的逐渐增大，产流时间逐渐缩短，产流强度随时间增加呈较为复杂的动态变化特征；受鱼鳞坑冲毁情况差异的影响，在陡坡出现复杂多变的土壤侵蚀产沙过程，但径流含沙量和产沙量总体上遵循随坡度增大而增大的规律；通常情况下，鱼鳞坑对东北黑土区一般坡度的坡面能够产生较好的减流减沙作用，但是会随着坡度的增加而逐渐减弱，因此对鱼鳞坑在东北黑土区坡度较陡地区的水土流失治理效益还需做进一步的探讨。