水土保持措施对土壤侵蚀的影响研究

汪良萍

(江西省上饶市玉山县水利局，江西 上饶 334700)

水土壤是生命的基础，它支撑着农业、生态系统和生命的存在。土壤侵蚀会导致肥沃土壤的流失、水质污染、生物多样性损失和生态系统破坏。保护土壤充满营养、稳定和可持续，对于粮食安全、环境保护和可持续发展至关重要。植被毯、土工格室和被毯与土工格室联合处理措施是常用的水土保持措施，它们在减轻土壤侵蚀、保护地表覆盖和促进生态恢复方面发挥着重要作用。植被毯作为一种植被增强措施，通过将植被引入崩塌或裸露土壤的区域，可以有效地减缓水流速度、降低侵蚀力和抵抗冲刷作用。植被毯覆盖可以形成一个稳定的植被层，增加土壤的抗冲蚀能力，减少土壤的风蚀和水蚀。同时，植被毯通过根系系统的织网作用，可以固持土壤颗粒，增强土壤的抗剪强度，稳定土壤结构，从而减少土壤流失和坡面侵蚀。土工格室是一种通过设置格室单元形成一定的空隙来改善土壤侵蚀控制的措施。土工格室可以增加土壤的抗冲刷能力，通过保持水流的均匀分布和延缓水流速度的作用，减小水流对土壤的冲蚀破坏。土工格室的设置可以提高土壤的侵蚀阻力，减少土壤侵蚀的程度，并促进降水渗入土壤，降低地表径流生成，从而减少侵蚀的发生。被毯与土工格室联合处理措施结合了植被毯和土工格室的优点，形成了一种综合施工方法。联合处理措施不仅在保护地表覆盖和减缓水流速度方面具有植被毯的优势，还在坡面稳定性和土壤保持方面发挥了土工格室的作用。被毯与土工格室联合处理措施能够协同作用，达到更好的水土保持效果。本文以某项目为工程背景，通过室内实验从径流率、侵蚀量、减流效益、减沙效益等4个角度探究3种处理措施防止土壤侵蚀的效果。

1 工程概况

本文以某地的环境为研究背景，地势为长缓坡地，在夏冬季降雨量大，属于典型的丘陵漫岗区，大部分时间的瞬时降雨强度为0.71mm/min，侵蚀范围为23.4～103.2mm/h，降雨时常为20～80min，平均径流系数为0.3，浅沟的彼此间距为210～270m，汇水面积为3hm，沟蚀发生的临界坡度为5°～7°。

2 实验方法

实验在尺寸为3m×2m×0.45m的升降槽中进行，坡度为7°，在模型槽底部以10cm的间距布置孔径为5mm的排水孔。实验选用的土体有机质、pH、砂粒、粉粒、粘粒的含量分别为72.95g/kg、6.3、25.88%、67.55%、6.57%；植被毯由植物纤维和护网组成，重度为334g/m2，厚4mm，水平和竖向的抗拉强度为2和1.9kN/m；土工格室的强度为4000N，厚1.3mm，高60mm。所有的土体粒径小于1cm，在实验箱底板铺设纱布，并在其上方铺设5cm厚的细沙，接着在其上方继续铺设一层纱布后，分层填入重度为1.35g/cm3厚15cm的黄土和重度为1.25g/cm3厚20cm的黑土。为避免边界效应的影响，每次土体交界处刮松土体，并对模型箱附近的土体压实。实验分别在汇水流量为10、30、40、50L/min的条件下，研究裸坡、植被毯、土工格室和复合处理方式下土体的径流率、侵蚀量、减流效益、减沙效益的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 植被毯对土壤侵蚀的影响

汇流强度分别在10、30、40、50L/min的条件下，植被毯对土壤侵蚀的影响如图1所示。由图可知，不同回流强度下径流率变化规律均表现出了先快速增大后趋于稳定的现象。在初始阶段，当土壤未能完全吸收或渗透下降的降水时，增加回流强度可以迅速增加径流率。这是因为土壤的饱和能力有限，超过其最大持水能力后，降水将以径流的形式迅速流失。当回流水量增加时，土壤的渗透能力逐渐接近或达到其极限。相对于裸坡而言，在回流强度小于30L/min时，采取植被毯防护措施后，产流量显著小于裸坡，当回流强度为50L/min时，植被毯的效果几乎不明显。植被毯通过其植被覆盖层，能够拦截大部分降水，减少降水的冲击力，使水分更多地渗入土壤而不形成径流。这种拦截作用在流量较小的情况下表现得更为显著，可以有效减少产流量。此外，植被毯的根系能够牢固固定土壤颗粒，并形成一种多孔、有机质丰富的土壤结构。这种结构能够增加土壤的持水能力，使得土壤能更好地吸收和储存水分，减少径流的生成。高流量条件下，产生的径流具有更大的动能和冲击力，可能导致植被毯下部形成较多的小细沟，这些细沟为径流提供了通道，使得径流滞留的时间减少，从而减少了植被毯的减流作用。在采取植被毯防护措施后侵蚀产沙率显著降低并趋于稳定，在回流强度小于30L/min时，对照组的产沙率为采取植被毯措施的7.06倍和5.61倍，在回流强度大于30L/min时，植被毯的产沙率快速增大了432.1%和115.25%。

图1 植被毯的护坡效果

3.2 土工格室对土壤侵蚀的影响

汇流强度分别在10、30、40、50L/min的条件下，土工格室对土壤侵蚀的影响如图2所示。由图可知，在10、30、40、50L/min的条件下，产沙率分别为165.42、328.31、420.92和517.93mm/h，相对于裸坡而言，产流率分别减少了0%、8.69%、4.73%和0.14%，因此土工格室对产沙量的影响很小。土工格室是一种水文调控结构，通常具有一定的容积。在较低的汇流强度下，土工格室能有效地储存和延缓径流，通过增加蓄水空间，减少径流的快速排出。然而，当汇流强度超过土工格室的容积和处理能力时，格室的储水空间会迅速饱和，无法继续吸收和透水更多的径流，导致减流效果减弱。此外，在高汇流强度下，流体的动力能力和冲击力较大，可能导致土工格室结构的破坏或材料的移位。这些变化可能导致格室内部通道的堵塞或变形，进而影响格室的水流动态和减流效果。但整体土工格室对产沙量的影响有限。采取土工格室防护措施后，侵蚀产沙率由原来的2.22kg/m2·min增大到3.30kg/m2·min变成1.38kg/m2·min增大到2.13kg/m2·min，因此土工格室在汇流强度越大时，其防蚀效果显著。土工格室内部的结构和形状可以改变水流的流动路径和速度。当汇流强度增大时，径流流速也会增加。土工格室通过引导径流流经格室内部的空间和通道，使其经历多次流体-固体相互作用和转向，从而有效降低径流的速度。降低水流速度有助于减少冲刷和侵蚀的风险。此外，土工格室内部的结构和填充材料可以有效地分散水流的动能和能量。当汇流强度较大时，径流的动能和冲击力也相应增加。土工格室通过阻碍并分散水流，使其在格室内部产生涡流和紊流，从而分散和分散水流的能量，减轻对土壤表面的冲击力和侵蚀力。

图2 土工格室的护坡效果

3.3 植被毯和土工格室联合处理对土壤侵蚀的影响

汇流强度分别在10、30、40、50L/min的条件下，复合处理对土壤侵蚀的影响如图3所示。由图可知，径流减少率随着汇流强度为从10L/min增大到50L/min，由26.14%降低到1.86%。因此，复合处理下的径流减少率与汇流强度呈负相关。由此可知，汇流流量的增加导致直接径流增加和浅沟入渗量减少，影响了植被毯的拦截和吸收能力。然而，多亏土工格室的作用，在复合措施中能够保持较为稳定的减流效果。在汇流强度为10L/min时，径流率为裸坡的1.35倍，此时复合处理中的植被毯发挥主要作用。随着汇流强度的增加。土工格室逐渐露出表面，土工格室的结构和填充材料增加了水流与土壤的接触面积，使水流通过土工格室时，会与填充材料产生更多的接触和交互作用，进而阻碍水流速度和能量的传播，降低冲刷和侵蚀的风险。当汇流强度超过40L/min时，复合结构失去其功效，此时表面形成了径流，土体饱和无法增加其下渗。复合措施下的侵蚀产沙率相对于对照组在10、30、40、50L/min的条件下分别降低99.26%、78.13%、50.45%、46.47%。因此，复合措施中的植被毯和土工格室能够在高流量下对浅沟的侵蚀控制也可以起到较好的作用。植被毯通过拦截降水、吸收水分和提供抗侵蚀的表面保护，而土工格室通过减速和稳定水流，阻挡水流对土壤的直接侵蚀。这种组合利用了两者的协同效应，提供了持久而可靠的浅沟侵蚀控制措施。

图3 复合处理的护坡效果

3.4 各处理方法防止土壤侵蚀效果对比

相对于裸坡而言，3种防护方法对阻止土体侵蚀的效果对比如图4所示。由图可知，对于径流量而言，土工格室方法表现的最差，植被毯次之，复合措施最好。对于减沙效益而言，当汇流强度小于40L/min时，土工格室方法表现的最差，植被毯次之，复合措施最好；汇流强度超过40L/min时，植被毯表现的最差，土工格室方法次之，复合措施最好。随着汇流强度的增加，所有措施的减沙、减流效益均在降低，且复合措施的表现均优于其他两种处理方法。汇流强度在为10L/min时，复合的减沙效益可达85%，减流效果为19.55%，。因此复合处理方式能取长补短，实现1+1>2的效果，在土壤侵蚀的影响方面效果最佳。

图4 侵蚀效果对比

4 结语

本文以某地为研究背景，通过室内实验研究了裸坡、植被毯、土工格室和复合处理方式下土体的径流率、侵蚀量、减流效益、减沙效益的变化情况。主要结论如下。

(1)不同回流强度下径流率变化规律均表现出了先快速增大后趋于稳定的现象，当回流强度为50L/min时，植被毯的效果不明显。

(2)土工格室对产沙量的影响很小，而土工格室在汇流强度越大时，其防蚀效果显著。

(3)汇流流量的增加导致直接径流增加和浅沟入渗量减少，影响了植被毯的拦截和吸收能力，土工格室在复合措施中能够保持较为稳定的减流效果。