堆渣邊坡生態棒護坡措施的水土保持效益

田 野, 葛 德, 楊建英, 馮明明, 林田苗, 安 云, 趙廣祥

(1.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.云南省交通規劃設計

研究院, 云南 昆明 650011; 3.水利部 水土保持植物開發管理中心, 北京 100038;

4.河北省水利水電勘測設計研究院, 天津 300250; 5.北京市延慶縣水保工作站, 北京 延慶 102100)

堆渣邊坡生態棒護坡措施的水土保持效益

田 野1, 葛 德1, 楊建英1, 馮明明2, 林田苗3, 安 云4, 趙廣祥5

(1.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.云南省交通規劃設計

研究院, 云南 昆明 650011; 3.水利部 水土保持植物開發管理中心, 北京 100038;

4.河北省水利水電勘測設計研究院, 天津 300250; 5.北京市延慶縣水保工作站, 北京 延慶 102100)

摘要：[目的] 探究堆渣邊坡生態棒防護措施的綜合防護效果，為露天采石場裸露邊坡的生態修復提供依據。 [方法] 利用人工降雨模擬試驗，收集不同降雨強度下地表層和礦渣層的產流量、產沙量，并建立綜合貢獻度模型。 [結果] 隨著坡度的增加地表層的徑流總量和泥沙總量呈遞增趨勢，而礦渣層的徑流總量和泥沙總量呈遞減趨勢，與徑流總量相比泥沙總量變化趨勢不明顯；對照組與生態棒防護措施下，地表層的產流—產沙相關性均高于礦渣層；當降雨強度為30和120 mm/h時，生態棒防護邊坡在坡度為15°時具有較佳的防護效果，當降雨強度為60 mm/h時，徑流量和泥沙量受坡度變化的影響不顯著。 [結論] 生態棒防護措施具有攔蓄坡面徑流和泥沙的功能，與對照組相比可以更有效地防治坡面水土流失。

關鍵詞：生態棒; 坡度; 降雨強度; 徑流; 泥沙

自20世紀80年代以來，隨著國家對礦產資源需求的迅速增加以及礦冶經濟的迅猛發展，因礦山開采而造成的生態破壞問題也日趨嚴重，原本穩定健康的生態系統遭受嚴重破壞[1]。由于礦產資源的不合理開發，加上管理粗放、缺乏規劃，不僅造成資源的巨大浪費，而且嚴重破壞了當地的生態環境[2]。邊坡植被裸露、土壤結構破壞造成水土流失加劇，并較易引發滑坡、塌方等自然地質災害，嚴重威脅人類的生存環境，阻礙我國生態環境建設的可持續發展[3-4]。

許多學者[5-8]致力于露天采石場邊坡植被恢復的相關研究，例如張華等[5]采用徑流小區觀測法研究了生態袋技術在不同降雨強度和不同坡度條件下對裸露松散體坡面的水土保持效應；趙永軍[6]從邊坡防護技術、渣土攔擋技術、截排水技術及植被恢復技術等方面，介紹了我國生產建設項目水土流失狀況及特點。史文娟等[7]通過模擬人工降雨，研究不同地形(不同坡度和坡長)條件下的坡地產流產沙規律，并建立WEPP模型參數的數據庫，對不同場次降雨運用模型進行預測；傅濤等[8]研究了三峽庫區紫色土在不同降雨強度和坡度條件下的養分流失規律，指出泥沙中養分含量與雨強無關，但隨坡度增加而降低。以上學者均對防護措施下的邊坡產流產沙規律進行了一定程度的研究，但多數是在土質邊坡條件下進行，基于露天采石場堆渣邊坡水土流失規律的研究較少。

本研究基于北京市房山區周口店鎮黃院采石場的水土流失現狀，選擇常見的生態棒防護措施進行人工降雨試驗，設置3種不同的坡度(15°，30°和45°)，分別收集地表層和礦渣層的徑流量和泥沙量，并構建綜合貢獻度模型，對比不同坡度、降雨強度條件下生態棒防護邊坡的水土流失情況。旨在為北京露天采石場裸露邊坡的生態修復提供參考依據。

1實驗觀測數據與方法

1.1　試驗區概況

本研究所用采石場礦渣取自北京市房山區周口店鎮黃院采石場，地理坐標115°25′—116°15′E，39°30′—39°55′N，海拔約為70～250 m。附近區域工礦業發達，主要有石灰石、大理石、及花崗巖等[9]。地形西高東低，相對高差191 m，地貌類型屬于華北低山丘陵區[10]。屬大陸性季風氣候，雨季主要集中于6—8月份，占全年降雨量的80%以上[11]。北京市強降雨具有局部地帶性特征，且降雨分布不均，呈東北—西南向帶狀分布[12]。礦區植被覆蓋度較低，以菊科、蘿藦科以及禾本科等植被為主，常見植物種有豬毛菜(Salsolacollina)、荊條(Vitexnegundoheterophylla)、鬼針草(Bidenspilosa)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)等。

1.2　試驗設計

采用大型人工降雨裝置進行堆渣邊坡水土流失測定試驗。人工降雨裝置采用下噴式降雨系統，有效降雨高度8 m，由6個可以任意組合的獨立降雨試驗區組成，單個試驗區面積為10 m×3.5 m。人工降雨裝置的模擬降雨強度范圍從12 mm/h到180 mm/h，降雨模擬試驗系統采用軟件集成操作管理，全部操作過程由計算機控制，具備數據記錄功能。

試驗所用移動式人工降雨侵蝕槽規格為0.8 m高，1 m寬，2 m長，坡度可自行調節(圖1)。高度較低一端每0.1 m設有出流口，出流口直徑15 mm，出流口的設置特別便于礦渣層產流與產沙的數據采集，增加試驗可信度和精準度。礦渣層填裝高度是70 cm，礦渣表層布設北京地區具有代表性的生態棒防護措施[13-15]，生態棒選用無紡布材料，具無毒，不降解，透水不透土的特性。填裝土壤后的規格為長1 m，寬10 cm，厚10 cm，用底部削尖的竹簽固定于坡面表層，均勻布設3層(圖1)。

圖1　移動式人工降雨侵蝕槽設計圖

生態棒內填裝土壤取自北京市房山區周口店鎮黃院采石場周邊未破壞山體邊坡，試驗礦渣取自該采石場巖質碎渣堆砌邊坡，主要由石礫和渣土組成。石礫含量(>2 mm)約為88.63%，渣土含量(<2 mm)約為11.37%。依據美國農業部(USDA)分類系統[16,17]判斷試驗渣土為砂壤土，生態棒內填裝土壤為砂質粘壤土。渣土的粒徑組成包括56.10%的砂粒(0.050～2.000 mm)，31.79%的粉砂(0.002～0.050 mm)以及12.11%的黏粒(<0.002 mm)，容重為1.61 g/cm-3，pH均值為8.34。生態棒內填裝土壤的粒徑組成包括52.97%的砂粒(0.050～2.000 mm)，25.62%的粉砂(0.002～0.050 mm)，以及21.41%的黏粒(<0.002 mm)，容重為1.12 g/cm3，pH值均為8.11。初始土壤水分含量變化范圍為20%~25%。試驗土樣的物理性質詳見表1。

表1　試驗土樣的物理性質

1.3　試驗觀測及分析方法

查閱相關文獻資料[18-22]，本試驗布設了3個不同的降雨強度(30，60，120 mm/h)，以及3個不同的試驗坡度(15°，30°，45°)，并設置無防護措施的空白對照，于2013年8—10月開展人工降雨試驗。每隔10 min用廣口瓶收集地表層與礦渣層各出流口的徑流樣品，用以測定徑流量和泥沙量，泥沙量用烘干法進行測定，整個觀測過程持續1 h。根據各出流口測定的徑流量和泥沙量，計算出不同降雨歷時礦渣層的徑流量與泥沙量，依據測定的徑流過程線和泥沙過程線，計算出每次降雨地表層與礦渣層的徑流總量和泥沙總量。因本文的主要目的是分析堆渣邊坡生態棒護坡措施的水土保持效益分析，因此對于礦渣層不同深度的徑流量與泥沙量不做分析。試驗設置3次重復。侵蝕箱內土壤填裝完畢后以及每次人工降雨完成后，均需在自然通風環境靜置3 d，并測定土壤水分含量，保證土壤水分含量在20%~25%的范圍內[23]，方可進行下次人工降雨試驗觀測。

1.4　模型構建

(1) 邊坡防護措施下，減流效益(Pri)[24]和減沙效益(Psi)[24]能有效反映降雨強度與坡度變化對產流和產沙的影響，可按下式計算：

(1)

(2)

式中：Qbi，Qmi——不同坡度條件下(i=15°，30°，45°)對照組和生態棒防護邊坡的產流量；Sbi，Smi——不同坡度條件下對照組和生態棒防護邊坡的產沙量。

(2) 引入徑流相對貢獻度(ηri)[24]與泥沙相對貢獻度(ηsi)[24]，建立綜合貢獻度模型分析降雨強度、坡度的不同對坡面產流和侵蝕產沙的變化影響程度，綜合貢獻度η[24]可按下式計算：

(3)

(4)

(5)

不同降雨強度條件下，綜合貢獻度η值范圍在0～1之間，η值越大，表明邊坡的減沙減流效果越好。

2結果與分析

2.1　生態棒防護措施對坡面產流產沙量過程的影響

生態棒防護坡面與對照組坡面的徑流總量與泥沙總量，如圖2所示。由圖2可知，生態棒和對照組地表層的徑流總量分別是48 680和55 103.06ml，泥沙總量分別為389.78和544.93g，生態棒防護邊坡地表層的產流產沙量均小于對照組，說明生態棒防護措施能夠有效防治坡面表層的水土流失，具有攔蓄坡面徑流和泥沙的功能，發揮了較好的水土保持效果。生態棒和對照組礦渣層的徑流總量分別為35 486.67和36 942.84ml，泥沙總量分別為35.58和28.64g，與地表層相比，生態棒與對照組礦渣層的產流產沙量差異較小，說明生態棒防護措施對礦渣層的產流產沙防治效果不明顯。

產流量與產沙量隨著降雨歷時的變化表現出不同的規律(圖3)。由圖3可以看出，當降雨強度為30，60，120mm/h時，生態棒防護邊坡的徑流率均值分別為15.17，27.47，50.15ml/s，對照組邊坡的徑流率均值分別為16.66，29.68，55.14ml/s，說明隨著降雨強度的增加，生態棒與對照組的產流率明顯增加，當降雨強度為120mm/h，降雨歷時為60min時，生態棒與對照組的產流率達到峰值。最大產沙率的出現時間受一場降雨過程中降雨時間與降雨強度的影響而有所差別。不同降雨強度下，生態棒防護邊坡與無防護措施邊坡的產沙率表現出先增大后減小，并逐漸趨于穩定的變化趨勢。當降雨強度為30mm/h，生態袋與對照組的最大產沙率分別為2.33，2.80g/(m2·s)，出現在降雨開始后40min；當降雨強度為60mm/h，生態袋與對照組的最大產沙率分別為11.85，15.02g/(m2·s)，出現在降雨開始后10min；當降雨強度為120mm/h，生態袋與對照組的最大產沙率分別為40.20，54.65g/(m2·s)，出現在降雨開始后10min，說明在相同邊坡處理條件下，最大產沙率的出現時間隨降雨強度的減小而延長。

圖2　生態棒防護措施對地表層和礦渣層產流量、產沙量的影響

圖3　不同降雨強度下生態棒防護措施對產流率、產沙率的影響

2.2　坡度對坡面產流產沙量的影響

坡度作為土壤侵蝕的主要影響因子之一，對坡面產流產沙有顯著影響[25-27]，坡度不同對生態棒的攔水阻沙效應也存在一定的影響，各因素共同作用于坡面的產流產沙過程，增加了影響機制的復雜度。圖4—5給出了不同坡度條件下生態棒和對照組邊坡的徑流總量和泥沙總量變化。從圖4—5可知，生態棒和對照組邊坡礦渣層的徑流總量和泥沙總量均小于地表層。隨著坡度的增加地表層的徑流總量和泥沙總量均增加，且生態棒防護措施下地表層的徑流含沙量在人工降雨過程中受坡度變化的影響最小，說明生態棒防護措施能夠起到有效防治坡度升高造成的土壤侵蝕。隨著坡度的增加礦渣層的徑流總量呈顯著遞減趨勢，但泥沙總量變化不顯著，這一現象主要由于坡度的升高可縮短坡面產流所需時間，徑流入滲量減少、地表產流量增加，因此礦渣層的徑流量較小，且坡度越高礦渣層的徑流量越少。而礦渣層的產沙過程主要受徑流的攜帶作用，因此隨著坡度增加，礦渣層產流量減小，礦渣層的產沙量隨之減小，但由于礦渣層的產沙總量數值較小，均值僅為32.11g，因此礦渣層的泥沙總量變化不顯著。

2.3　生態棒防護邊坡產流量與產沙量的回歸分析

建立生態棒與對照組邊坡產流—產沙的線性回歸方程(表2)，相關系數均在大于0.05置信區間呈顯著的相關性。通過分析人工降雨過程中地表層與礦渣層的產流—產沙關系可知，生態棒與對照組邊坡地表層的相關系數R2分別為0.944 7，0.935 8，均大于0.900，說明地表層的產流量與產沙量具有較好的相關性，產沙現象的發生主要受產流攜帶作用的影響，且隨著產流量的增大，產沙量也隨之增加。生態棒與對照組邊坡礦渣層的相關系數R2均小于地表層，分別為0.763 6，0.791 1，由于礦渣層產流、產沙的發生時間均滯后于地表層，且在徑流入滲過程中受降雨強度、坡度、邊坡防護攔擋等作用的影響，其產流產沙過程更為復雜，因而礦渣層的產流—產沙相關性弱于地表層。

圖4　不同坡度下生態棒與對照組邊坡的徑流總量變化

2.4　生態棒防護措施綜合效益評價

利用試驗測得徑流和泥沙基礎數據建立綜合貢獻度模型，探討降雨強度、坡度的不同對坡面產流和侵蝕產沙變化的影響程度。從表3可以看出，不同降雨強度下生態棒防護邊坡的減流、減沙效益存在一定的差異性，主要表現為隨著降雨強度的增加生態棒防護措施的減流效益明顯減弱，而減沙效益變化不明顯。當降雨強度為120mm/h，坡度為45°時，減流效益最差僅為1.54%。

圖5　不同坡度下生態棒與對照組邊坡的泥沙總量變化

注：R為產流率(ml/s)；S為產沙率〔g/(m2·s)〕。

表3　生態棒護坡邊坡的減流、減沙效益及其綜合貢獻度

當降雨強度為30 mm/h時，坡度為15°，30°和45°邊坡的綜合貢獻度分別為36.63%，33.64%和29.74%，即坡度為15°時生態棒的防護效果最好。當降雨強度為60 mm/h時，坡度為15°，30°和45°邊坡的綜合貢獻度分別為32.72%，33.73%和33.55%，3者之間差異較小，說明徑流量和泥沙量的產生受坡度的影響較小。當降雨強度為120 mm/h時，坡度為15°，30°和45°邊坡的綜合貢獻度分別為38.15%，36.75%和25.09%，即坡度為15°時生態棒的防護效果最好，而坡度為45°的邊坡具有最差的防護效果。說明在降雨強度較大地區，坡度達到45°時較易發生嚴重水土流失。

3結 論

(1) 生態棒與對照組的產流率隨著降雨歷時的增加而變大，在降雨開始后60 min達到峰值。而產沙率表現出先增大后減小的趨勢，低降雨強度(30 mm/h)的最大產沙率出現在降雨開始后40 min，高降雨強度(60，120 mm/h)的最大產沙率出現在降雨開始后10 min。

(2) 與對照組相比，生態棒防護措施具有較好的攔蓄坡面徑流和泥沙的功能，能夠更有效的防治坡面表層水土流失。在坡度相同的情況下，生態棒防護措施能有效降低產沙產流量。

(3) 通過對產流—產沙線性回歸方程的分析，可知對照組與生態棒防護措施下，地表層的產流—產沙相關性均優于礦渣層。

(4) 當降雨強度為30和120 mm/h時，生態棒防護邊坡在坡度為15°時具有最佳防護效果。當降雨強度為60 mm/h時，徑流量和泥沙量受坡度變化的影響不顯著。

(5) 在降雨強度較大地區(120 mm/h)，針對坡度大于45°的較陡邊坡，在其復綠過程中應采用削坡處理，通過降低坡度的方法達到防治水土流失的目的。

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Soil and Water Conservation Benefits of Ecological Rods on Mineral Waste-Piled Slopes

TIAN Ye1, GE De1, YANG Jianying1, FENG Mingming2,

LIN Tianmiao3, AN Yun4, ZHAO Guangxiang5

(1.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.BroadvisionEngineeringConsultants,Kunming,Yunnan650011,China; 3.PlantDevelopmentandManagementCenterforSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Beijing100038,China; 4.HebeiResearchInstituteofInvestigation&DesignofWaterConservancy&Hydropower,Tianjin300250,China; 5.YanqingSoilandWaterConservationStation,Beijing102100,China)

Abstract：[Objective] In order to provide some reliable bases for ecological restoration of quarry slopes， the comprehensive effects of ecological rod method on controlling the soil and water loss on slopes were investigated. [Methods] Large-scale artificial rainfall tests were conducted to collect information about the quantities of runoff and sediment from surface layer and debris flow, and upon which a comprehensive model was built. [Results] With the increase of slope degree, the quantities of runoff and sediment from surface increased while that from debris flow decreased. Total sediment did not change as significant as the total runoff did. The correlation of runoff and sediment from surface layer was higher than that from debris flow. Ecological rod protective measures built on <15° slopes had the highest benefits when rainfall intensities were 30 mm/h and 120 mm/h. Slope degree had little influence on runoff and sediment when rainfall intensity was 60 mm/h. [Conclusion] The ecological rod protective measure has significant effects on the control of soil and water loss by intercepting surface runoff and sediment.

Keywords:ecological rods; slope degree; rainfall intensity; runoff; sediment

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0196-06

中圖分類號：S157.1

通信作者：楊建英(1965—),女(漢族),河北省行唐市人,博士，副教授,主要從事開發建設項目水土保持研究。E-mail:jyyang@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-09-28修回日期：2014-10-27

資助項目：國家林業公益性項目“建設工程損毀林地植被修復關鍵技術研究與示范”(200904030); 長江科學院開放研究基金項目(CKWV2013203/KY)

第一作者：田野(1986—),男(漢族),天津市人,碩士研究生,研究方向為水土保持、工程綠化理論。E-mail:148066970@qq.com。