狗牙根護坡不同實施處理方式下堤壩產流產沙特征

湯崇軍，楊潔，陳曉安，涂安國，汪邦穩

(江西省水土保持科學研究所，330029，南昌)

淮河，是我國重要的河流之一，是淮河平原城市用水、工業用水和農業用水的主要水源。由于自然和歷史原因，淮河洪澇災害頻繁，威脅著當地的社會穩定和生命、財產安全。淮河大堤為防治淮河洪澇災害提供了重要的保障;但由于土壤質地和降雨條件的原因，淮河大堤水土流失嚴重，雨淋溝發育程度高，給淮河大堤帶來了嚴重的隱患［1－2］，因此，加強淮河大堤護坡技術研究十分必要。狗牙根是匍匐莖植物，由于其生理和物候特性適應力強，近年來得到廣泛研究［3－6］。狗牙根根系密度大，固結土壤能力強，在河庫消落帶和大堤護坡上得到了普遍應用［7－10］;但是，針對實際河堤壩體，狗牙根護坡不同實施方式對大堤產流產沙影響效應方面的定量研究尚鮮見報道。人工模擬降雨試驗是小尺度研究的常用手段［11］，可以方便、準確地測定不同降雨條件下不同土地利用類型的徑流、泥沙變化規律［12－14］。人工模擬降雨試驗在水土流失研究中已成為主要方法之一［15－18］。筆者以人工模擬降雨為手段，以淮河大堤蚌埠懷遠段的壩體為研究對象，研究狗牙根護坡不同實施處理方式下的堤壩產流產沙特征，以期為提煉淮河大堤狗牙根護坡最優實施方式提供參考。

1 研究區概況

淮河流域位于E 112°～121°，N 31°～36°之間，東西長約700 km，南北寬約400 km，面積27 萬km2。淮河以北屬暖溫區，淮河以南屬北亞熱帶區，淮河中游地區地處南北氣候過渡帶，年平均氣溫為11 ～16℃，蒸發量南小北大，年均水面蒸發量為900 ～1 500 mm。流域多年平均降水量750 ～1 400 mm，由南向北遞減，年內和年際變化很大。流域內的植被，北部主要是落葉林與針葉松林混交，中部低山丘陵區是落葉闊葉林與常綠闊葉林混交，南部山區主要是常綠闊葉、落葉闊葉與針葉松混交林。流域土壤主要是黃棕壤和黃褐土，800 ～1 700 m 為山地棕壤，1 700 m 以上為山地暗壤土和山地灌從草間土，淮北平原區主要為砂姜黑土，淮南平原區主要為黃棕壤、黃褐土和水稻土。淮北大堤處于淮河中游正陽關以下干流河道左岸干堤，是淮河中游防洪工程體系中保護面積最大的主要堤防，堤身土質可分為中～重粉質壤土，夾輕粉質壤土和砂壤土，輕粉質壤土夾砂壤土以及少許中、重粉質壤土。地表裸露時，壩體水土流失嚴重。

2 研究方法

2.1 人工模擬降雨設備

人工模擬降雨設備由運輸設備和降雨監測系統2 部分組成。運輸設備為江西省水土保持科學研究所自主研發的水土流失監測車，車上配備1.5 m3的水箱、2 kW 的發電機、1.1 kW 的水泵、操作平臺等配套設施。降雨監測系統由中國科學院水利部水土保持研究所與西安清遠測控技術有限公司共同研發，主要由人工模擬降雨器、雨量計、主控制器、徑流泥沙測量儀和數據采集器等組成(表1)。

表1 人工模擬降雨監測系統參數表Tab.1 Parameters of artificial simulated rainfall observation system

2.2 人工模擬降雨下墊面設計

根據淮河大堤狗牙根護坡實施方式，選取4 種不同實施處理(表2)方式進行人工模擬降雨試驗。對每種實施處理采用配備的不銹鋼隔板在選定的下墊面圍建2 m×3 m 的徑流小區。

2.3 人工模擬降雨雨量、降雨強度設計

根據試驗區歷史資料以及實際情況，針對實施處理方式，設計4 場不同降雨強度的降雨，降雨強度分別為20、40、90 和120 mm/h。每場降雨歷時為1 h，每種土地利用方式每場降雨進行2 次重復。野外人工模擬降雨試驗在研究區的少雨季節進行，日期為2011－11－03—09，試驗期間研究區沒有天然降水。試驗時搭建腳手架用帆布擋風，保證人工模擬降雨試驗順利進行和采集數據的真實性和可靠性。利用雨量計并結合人工觀測方式，對降雨、徑流和泥沙數據進行采集。

表2 試驗區不同實施處理方式Tab.2 Basic condition of runoff plot with different treatments

3 結果與分析

3.1 不同實施處理方式在不同降雨強度條件下的徑流泥沙特征

通過監測獲取各實施處理方式在不同降雨強度條件下的徑流、泥沙數據，分析得出各實施處理方式在不同降雨強度條件下的徑流系數特征，結果見圖1。

圖1 不同實施處理方式徑流系數隨降雨強度的變化Fig.1 Variation of runoff coefficient with different treatments under different rainfall intensity

3.1.1 不同實施處理方式不同降雨強度條件下的徑流系數特征 從圖1 可以看出，各處理的徑流系數隨降雨強度增加變化趨勢不同。狗牙根成坪處理徑流系數隨著降雨強度的增加，呈現先減小后增大的趨勢，在20、40、90 和120 mm/h 的降雨條件下，徑流系數分別為0.63、0.34、0.31 和0.48。狗牙根成坪處理覆蓋度高，在強度較小的降雨條件下，降雨徑流還沒有達到土壤表面就從草面形成徑流流走，所以，開始徑流系數較高;但隨著降雨強度增大，降雨徑流沿順莖根到達土壤地面，形成土壤入滲，因此，徑流系數下降，然而降雨強度增大到一定程度后，超過土壤入滲能力時，徑流系數開始增大。

狗牙根栽植處理徑流系數變化趨勢隨著降雨強度的增強而增大，在20、40、90 和120 mm/h 降雨條件下徑流系數分別為0.09、0.24、0.41 和0.44。狗牙根栽植處理是等高溝栽植，覆蓋度在50%左右，所以，降雨形成徑流時，等高溝攔蓄了部分徑流，同時土壤地表又有充分的入滲;但隨著降雨強度的增加，等高溝的攔蓄徑流作用越來越小，土壤入滲達到穩滲后，徑流系數就會逐漸增大，從而形成種植處理的徑流系數隨著降雨強度的增大而增加的趨勢。

狗牙根莖植處理徑流系數相對較大，其變化趨勢是隨著降雨強度的增強而增大，在20 mm/h 降雨條件下，其徑流系數最小，為0.54，在降雨強度120 mm/h 時，其徑流系數最大，為0.7。狗牙根莖植敷蓋度達100%，降低了降雨徑流與土壤的接觸，削弱了土壤入滲，從而導致其徑流系數大，且隨著降雨強度的增強而增大。

狗牙根種植處理的徑流系數隨降雨強度變化不大，其值都在0.66 左右。狗牙根種植處理地表裸露，但經過平整壓實，糙率小，土壤孔隙少，從而導致降雨很快形成徑流，徑流系數較高;但隨著降雨強度的增大，地表被剝蝕、搬運侵蝕后，地表糙率增大，土壤入滲增加，同時，壩堤又是沙土，入滲率較大，因此，降雨強度增大的同時，地表入滲也增大。

綜合以上分析可知，狗牙根護坡不同實施處理方式的堤壩徑流系數變化對降雨強度的響應程度不同，依據單位變化降雨強度引起徑流系數變化量，確定各處理徑流系數變化對降雨強度的響應程度的順序為栽植處理＞成坪處理＞莖植處理＞種植處理。

從圖1 還可以看出，不同處理方式在各降雨強度下其徑流系數也存在較大差異。成坪處理徑流系數相對較低，栽植處理徑流系數最低，平均徑流系數為0.30。莖植處理和種植處理的徑流系數較高，平均徑流系數在0.6 以上，說明狗牙根護坡不同實施處理方式對徑流系數影響較大，不同實施處理方式平均徑流系數為種植處理＞莖植處理＞成坪處理＞栽植處理。種植處理徑流系數高，是因為地表經過平整壓實同時沒有植被，地表糙率小，土壤入滲低，所以，徑流系數較大;由于莖植處理草莖敷蓋地表，經過壓實，所以，降低了降雨徑流與土壤表面的接觸，在高強度的降雨條件下，徑流來不及下滲，直接從敷蓋的草面形成徑流，從而導致徑流系數較高;成坪處理雖然植被覆蓋度高，但是其植被是從土壤中長出，具有了很強的根系，因此，在高強度降雨條件下，雨水順著植物莖根流向地表，增加了地表入滲，所以，徑流系數相對較小;由于栽植處理是等高溝種植，增加了地表糙率，攔蓄了部分徑流，同時植被沒有完全覆蓋地表，所以，增加了土壤入滲能力，使得其徑流系數最小。

3.1.2 不同實施處理方式不同降雨強度條件下的泥沙含量特征 通過監測獲取不同實施處理方式在不同降雨強度條件下徑流、泥沙數據，分析得出不同實施處理方式在不同降雨強度條件下的泥沙含量特征，結果見圖2。

圖2 不同實施處理方式徑流含沙量隨降雨強度的變化Fig.2 Variation of sediment concentration with different treatments under different rainfall intensity

從圖2 可以看出，狗牙根成坪處理在20 mm/h的降雨條件下，含沙量較高，為3.2 g/L，在40 mm/h的降雨條件下，含沙量最低，為0.52 g/L;而后，隨著降雨強度的增大其含沙量逐漸增大。這可能因為長期沒有降雨，狗牙根成坪處理地表存積了大量灰塵和泥土，經過此次降雨徑流，把存積的灰塵和泥土溶解帶走，地表存積的灰塵和泥土被徑流帶走后，徑流含沙量迅速降低;但隨著降雨強度的增大，徑流順著狗牙根莖根流向地表，開始剝蝕地表土壤，隨之徑流剝蝕能力增加，其含沙量逐漸增大。

狗牙根栽植處理的含沙量在降雨強度為20 mm/h 的降雨條件下最大，為6.62 g/L，在降雨強度為120 mm/h 的降雨條件下最小，為3.71 g/L。可見，含沙量呈現出隨著降雨強度的增強而逐漸減小的趨勢。這是因為狗牙根種植處理經過了人為擾動，地表土壤松散，所以，開始時徑流含沙量較高;但隨著地表松散土壤被剝蝕后，徑流繼續剝蝕深層土壤，由于深層土壤擾動小、結構好，所以，剝蝕難度加大，因而造成狗牙根種植處理的含沙量隨著降雨強度的增大而減小的趨勢。

狗牙根莖植處理的含沙量在降雨強度為40 mm/h 的降雨條件下含沙量最大，為1.32 g/L，在降雨強度為120 mm/h 的降雨條件下其含沙量最小，為0.83 g/L。可見，其含沙量變化態勢隨著降雨強度的增強先增大后減小。這是因為狗牙根草莖鋪敷在地表并用土壓實，在用于壓實的表土沒有被剝蝕盡前，其含沙量隨著降雨強度的增強而增大，而當用于壓實的表土被剝蝕殆盡后，其含沙量隨著降雨強度的增強而減小，從而導致該處理的含沙量呈現出隨著降雨強度的增強先增大后減小的趨勢。

狗牙根種植處理含沙量沒有明顯的規律，在降雨強度40 mm/h 的降雨條件下含沙量最小，為14.41 g/L，在降雨強度90 mm/h 的降雨條件下含沙量最大，為18.14 g/L。由于種植處理表土經過翻動壓實，地表糙率小，孔隙度少，降雨徑流需要經過降雨濺蝕、徑流剝蝕使地表土壤被剝離搬運［16］，隨著侵蝕的產生，地表土壤逐漸變得松散，此時，隨著降雨強度的增大，徑流含沙量會增多;但隨著侵蝕的發展，表土的流失，表層土以下的緊實土壤露出地面，此時侵蝕難度加大，因此，含沙量會變小，從而導致種植處理的含沙量沒有明顯的規律。

綜合以上分析可知，狗牙根護坡不同實施處理方式的壩堤泥沙含量對降雨強度的響應程度明顯不同。

從圖2 還可以看出，不同實施處理方式在不同降雨強度條件下的含沙量存在明顯差別。不同降雨強度條件下，不同實施處理方式的徑流含沙量順序是種植處理＞栽植處理＞成坪處理＞莖植處理，其平均含沙量分別為16.4、5.11、1.44 和1.03 g/L。與種植和栽植處理相比，莖植處理的徑流含沙量分別減少93.7%和79.8%。種植處理徑流含沙量最高，主要因為地表裸露沒有植被覆蓋，同時由于地表土壤充沛，可以源源不斷地提供給降雨徑流的剝蝕和搬運物質來源［17］，而栽植處理徑流的含沙量也比較高，這主要是因為該處理雖然栽植了狗牙根，地表達到了一定蓋度;但由于地表經過人為擾動，表層土松散，因此，給降雨徑流的剝蝕搬運提供了物質基礎。狗牙根成坪處理和莖植處理的徑流含沙量都相對較小，而莖植處理最小，這主要是因為狗牙根成坪處理和莖植處理的植被蓋度很高，削弱了降雨徑流的動能，阻隔了徑流與土壤地表的接觸，同時，狗牙根成坪處理中降雨徑流可以沿順狗牙根的莖根到達土壤表面產生侵蝕，而狗牙根莖植處理草莖敷蓋地表并用土壓實，降雨徑流很難到達土壤表面產生侵蝕，該處理的徑流含沙量取決于用于壓實狗牙根莖植的土壤量。

3.2 不同實施處理方式在不同降雨條件下的徑流量和泥沙量

基于不同降雨條件下不同實施處理小區的實測數據，計算得出的成坪、栽植、莖植和種植4 種實施處理方式下降雨徑流量和土壤流失量，結果見圖3和圖4。

圖3 不同實施處理方式在不同降雨強度下的徑流量Fig.3 Runoff with different treatments under different rainfall intensity

圖4 不同實施處理方式在不同降雨強度下的產沙量Fig.4 Sediment with different treatments under different rainfall intensity

從圖3 可以看出，不同實施處理方式的徑流量都是隨著降雨強度的增強而增大，但在各降雨強度條件下，不同實施處理方式的徑流量存在明顯差異。如在40、60 和90 mm/h 降雨強度條件下，莖植處理和種植處理的徑流量明顯高于成坪處理和栽植處理，在60 和90 mm/h 降雨強度條件下，莖植處理徑流量最高。這是因為狗牙根莖植處理是狗牙根草莖直接敷蓋在地表表面，并用土壓實，從而導致降雨徑流短時間內很難下滲到地表進行土壤入滲，尤其在高強度降雨條件下，降雨直接在壓實的狗牙根草面形成徑流流走，所以，其徑流量較大［18］。

從圖4 可以看出，在不同降雨條件下，不同實施處理方式的泥沙量基本上隨著降雨強度的增強而增大，但各實施處理的產沙量隨降雨強度的增強而增大的幅度存在明顯差異。如栽植處理的產沙量隨降雨強度的變化幅度及產沙量明顯低于種植處理，在120 mm/h 降雨強度條件下，其產沙量達到1 172 g，但明顯高于莖植處理和成坪處理的產沙量。種植處理的產沙量隨降雨強度的增強而增大的幅度最快，其泥沙產流也最高，在120 mm/h 降雨強度條件下，產沙量達到7 968 g。

綜合以上分析可知，狗牙根護坡不同實施處理方式下堤壩產流系數、產沙量及徑流泥沙量存在明顯差異，這主要是由于狗牙根護坡各實施處理方式的施工工藝造成的。總體上，成坪處理徑流系數、泥沙含量及徑流泥沙量都相對較小，具有很好的保持水土的作用;栽植處理的徑流系數較小，具有一定的攔截徑流的作用，但其產沙量較大，尤其在高降雨強度條件下產沙量明顯高于成坪和莖植處理;莖植處理徑流量大，產沙量小，具有明顯的減沙不減流的效果，其保土效果與成坪處理相當;種植處理的徑流系數、含沙量及徑流泥沙量大，且產沙量隨降雨強度的增強而增大明顯。由于狗牙根護坡成坪實施處理費用明顯高于莖植實施處理，因此，狗牙根堤壩護坡時宜采用莖植實施處理方式;因為該處理方式能最大程度地把降雨形成徑流，減少土壤入滲，避免壩體土壤飽和形成壤中流，造成壩體不穩定，同時，該處理能夠很好地減少產沙量，具有優良的保持土壤的功能，可保護壩體不受破壞。

4 結論與討論

1)狗牙根護坡不同實施處理方式下堤壩產流產沙特征差異明顯，不同降雨強度條件下，栽植處理產流量小，但產沙量明顯高于成坪處理和莖植處理;莖植處理產流量大，產沙量小，具有減沙不減流的特點;種植處理產流產沙量大，且隨著降雨強度的增強而明顯增大。

2)狗牙根堤壩護坡時宜采用莖植處理，因為該處理不僅成本低，同時產沙量小，徑流入滲少，能夠起到很好的保護壩體的作用。

坡長是影響水土流失的重要因素，人工模擬降雨是小尺度研究的常用手段，但用人工模擬降雨模擬實際產流產沙特征時，小區的坡長受到一定的限制，致使模擬的結果與實際存在差異。利用人工模擬降雨試驗研究淮河堤壩狗牙根護坡不同實施處理方式對堤壩產流產沙特征的影響時，小區坡長為3 m，小于實際22 m 的堤壩坡長，但基于相同的小區，通過模擬狗牙根護坡不同實施處理方式下的堤壩產流產沙特征，可橫向比較狗牙根護坡各實施處理方式攔沙截流效果，提出最優的狗牙根護坡實施處理方式，其分析結果具有相應的科學性。

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