黄土区沟道阶梯状边坡水土流失防治措施与机理探讨

李 宁，闫 璐

(1.志丹县水土保持工作队，陕西 延安 717500；2.志丹县水土保持监督监测站，陕西 延安 717500)

现阶段为了有效提升耕地的质量与数量、保持退耕还林还草成绩，更好地控制黄土区生态环境，提出了黄土区沟道土地整治措施，其核心目的是为了减少山体边坡的水土流失。实施方法由实际情况而定，在开挖面区域按照每3～5 m的高度修建成阶梯形状[1]。在实施沟道土地整治工程中发现，沟道中的泥是由细沟侵蚀发育而形成，但未出现滑塌的情况[2]。当前关于沟道阶梯状边坡的研究主要侧重于边坡坡率、水与顺层滑坡的关系、黄土边坡变形破坏机理方面，但关于降雨冲刷与阶梯状边坡侵蚀发育相关的研究却较少[3]。本研究将采用模拟试验的方式，探究不同降雨强度下沟道阶梯状边坡在不同水土保持措施中的水沙效应及边坡土壤侵蚀过程，探究在不同降水条件作用下边坡的产沙特征、边坡土壤侵蚀过程以及沟道阶梯状边坡的水土流失特征，并验证利用截排水及反坡措施下的减沙效果，为黄土区沟道土地提供合理、科学的整治依据。

1 材料与方法

1.1 案例概括

黄土区某地年降水量为550 mm，降水期为夏、秋两季强降雨，该地区土壤为黄棉土，土质疏松、绵软，其颗粒构成主要以黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、细砂粒(50～250 μm)，分别占比为9.1%、59.6%、31.3%，pH值为7.17～8.16，地区耕地土壤有机质含量为3～10 g/kg，草地土壤有机质含量为10～30 g/kg。区域内黄棉土具有较好的透水性及蓄水能力，透水率>0.5 mm/s，下渗深度1.6～2.0 m，土壤有效水含量为80～170 g/kg。

1.2 试验准备

取研究区域土壤在实验室内进行自然风干处理后，采用2 mm样品筛去除土壤样本中杂质。根据前期的研究发现，降雨试验高度设置为16.0 m能够获得最佳的雨滴终点速度，并使用直接率定法选定受雨试验区域，保证降雨均匀度不低于90%；径流小区规格为1.5 m×1.0 m×1.5 m(长×宽×高)三面封闭型式。采用分层铺设方式将样品土壤均匀地铺设在试验小区上，单层厚度为10.0 cm，共铺设10层，试验小区土壤的容重应由上向下递增，并保持在1.40～1.52 g/cm3，土壤的含水率保持在15.0%；土层铺设完毕后修筑阶梯状边坡，阶梯的高度为50.0 cm、里面的坡度保持在60°、边坡平面的宽度为20.0 cm、反坡平台面坡度设置为向坡脚方向减少5°。

试验中降雨强度参数根据当地历史气象资料作为参考，最终确定为A(60 mm/h)、B(90 mm/h)、C(120 mm/h)三种不同程度的典型降雨强度；试验降雨时间设置为60 min；边坡模型采用水平及反坡5°阶梯状边坡平台面，并以阶梯状边坡平台面水平处理为试验的参照。通过放水试验模拟无坡顶汇水面截排水措施情况下的土体侵蚀状态。通过综合考虑，最终选定B条件为截排水措施试验中的降雨强度；参考地区中实际情况，设置截排水措施试验中放水量为90.0 L，放水时间为60 min[4]。

1.3 试验实施

本次降雨、放水试验过程中出现产流开始实施取样，并相隔3 min进行一次取样，样品经过称重，取泥沙进行烘干后称重，计算并记录各次发生的产流量、产沙量。试验结束后统计发生侵蚀深度大于10.0 mm区域的表面积与总表面积的比值作为坡面破坏指标。

2 试验结果及分析

2.1 雨强与产沙量

根据试验数据显示在A、B、C三种不同程度降雨强度下，径流小区的产流量与时间变化呈现正比，流速分别为567 g/min、712 g/min、1157 g/min；产沙量方面A、B条件下产沙速率分别为8.5 g/min、15.1 g/min，较为稳定，但在C条件下产沙量趋势具有显著的变化，在试验的前30 min、31～50 min以及51～60 min产沙速率趋势发生改变，分别为43.2 g/min、31.5 g/min、278.5 g/min，呈现大幅度的提升，分析原因是由于在C条件下局部坡面受到破坏，导致渗入情况加剧，而在C条件下产沙量发生波动同样是由于局部坡面在不同时间段内受到了破坏，在强降雨下将会产生较大程度的溅蚀，导致径流挟沙水平的增加，因此坡面侵蚀发育极为显著；三种不同条件下的坡面破坏指标分别达到5%、10%、32%，C条件下坡面破坏指标较大也是导致产沙量提升的主要原因[5-6]。不同降雨条件下产沙量、产流量如图1所示。

图1 不同降雨条件下产沙量、产流量

2.2 截排水措施与产沙量

在放水试验中按照B条件验证削切边坡在有无截排水措施情况下的产沙量变化趋势。根据试验结果显示，在具有截排水措施的情况下，坡面破坏指标为10%，累计产沙量为938.1 g，试验过程中产沙量较为平缓、变化幅度极小；在无截排水措施情况下坡面破坏指标为18%，累计产沙量为12 817.6 g。两种不同情况下单位时间内具有不同的产沙量变化规律：试验开始15 min内均较为稳定，但自16 min开始产沙量均发生较大的改变，其中16～30 min内的变化程度最大，31～45 min 时间段内产沙量逐渐稳定，但在46 min至试验结束产沙量为先上升后平稳的状态。经过对比试验数据可知，不具有截排水措施情况下坡面破坏指标以及产沙量分别是具有截排水措施情况下的1.80倍、13.66倍，分析原因是由于在不具有截排水措施时，坡面细沟下切侵蚀发育显著，造成大量的泥沙外流。有无截排水措施情况下径流小区产沙量对比如图2所示，有截排水措施情况下径流小区减沙效益见图3。

图2 有无截排水措施情况下径流小区产沙量对比

图3 有截排水措施情况下径流小区减沙效益

利用截排水措施能够起到截留坡顶汇水的效果，避免对其发生过度的冲刷，平均减沙效益能达到92.6%，对沟道阶梯状边坡土地整治具有重要的作用[7]。

2.3 平台反坡与产流量、产沙量

试验中在A、B、C三种不同降雨强度下的减沙效益分别为58.5%、35.3%、62.5%；在C条件无反坡状态下产沙量趋势具有显著的变化，坡面破坏指标达到了32%，并且径流小区坡体的表面受到极为严重的侵蚀，而其他条件下产沙量较为稳定，变化规律一致。根据试验中所获得的数据可以发现，相比于无反坡小区，反坡小区在减少径流方面更为显著，并且在A、B、C三种不同降雨强度与措施的应用中入渗速率均能够保持较为稳定的状态，减水效益分别为69.5%、26.4%、60.7%。不同降雨强度有无反坡时各指标参数对比如表1所示。

表1 不同降雨强度有无应用措施时各指标参数对比

根据表1显示，相对于无反坡小区，在小区具有反坡的状态下泥沙量将会显著的降低，而入渗量将会有所增加，导致这个结果的主要原因是由于反坡特殊的结构所致，能够使其上阶坡面在遇到降雨后，径流与反坡面相接触时将部分的动能消除，之后径流便会反向流至坡脚区域，并且随着雨水在平台上的聚积，反坡面上的水流速度将逐渐为零，动能最终消失，当雨水完全覆盖反坡平面之后将会以较小的动能流至下一处坡面，由此极大地降低了水流对坡面的冲刷以及因受到侵蚀破坏而出现的泥沙量。另外，当水流中夹杂泥沙量增加后将降低水流的挟沙水平，造成泥沙淤积在平台表面，因此，通过反坡可以有效地减少泥沙的产量，并且由于泥沙是在反坡平台面所形成的淤积，将会提升入渗时间及水压，从而提升入渗量[8]。

根据相关研究资料显示，水土保持的措施一般情况下是与降水强度成反比，本研究中C条件下的水土保持效益显著优于B条件，分析原因是在强降雨的冲蚀下将会加剧侵蚀沟的发育，虽然会产生大量的泥沙，但并不会出现泥沙进入、聚积在沟道的情况，因此C条件下的减沙效益会优于其他条件，但在此条件下已发生坡面积水并无法有效地排出，因此C条件下的减水效益优于其他条件[9]。

3 结 论

通过对黄土区沟道阶梯状边坡在实际应用中存在的抗蚀性较弱问题进行试验研究后发现，造成阶梯状边坡受到侵蚀破坏的主要原因为较大的降雨强度，当降雨强度达到120 mm/h后将显著地提升产沙量，坡面的侵蚀发育形式为面蚀，雨水对于坡脚处的冲刷程度极为显著，并且由底而上呈现为溯源侵蚀，造成坡体边缘处损坏严重；当采用截排水措施后可以显著降低坡顶面因雨水聚积导致坡体边缘的冲刷破坏；试验中显示反坡措施具有减水减沙、提升入渗以及减缓坡面侵蚀发育的特性。因此，利用截排水措施以及反坡措施能够显著提升黄土区沟道阶梯状边坡的抗蚀性，在黄土区沟道土地的治理中具有重要的作用。