生產建設項目工程和植物相結合邊坡防護措施水土保持效益分析

國 銘，李子軒，李志梅，王海余，徐晨曦

（1.北京市延慶縣水土保持工作站，北京 102100；2.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；3.海河流域水土保持監測中心站，天津 300170）

隨著我國經濟建設的高速發展，基礎設施建設及新領域的開發突飛猛進，雖然帶動經濟發展和資源開發，但是也導致人為水土流失日趨嚴重。大規模的公路建設、河道整治、礦產生產等工程對當地生態環境產生破壞，尤其是水土流失問題異常突出，如何實現生產建設本身與生態環境的和諧共存、有效降低土壤侵蝕、保護水土資源是當今生產建設項目水土保持研究的重點工作之一。李海東等[1]通過介紹河道生態護坡的模式、生態護坡設計的原則等，探討研究不同生態功能需求的河道，采用不同的生態護坡技術，不僅滿足河道邊坡防護的要求，又能起到保持水土、凈化水體的生態作用。肖培青等[2]通過對不同土壤、坡度和植物措施配置的高速公路邊坡設置試驗小區并進行相關試驗研究，探討在暴雨和徑流沖刷條件下邊坡的細溝形成機理及其侵蝕特征。史彥林[3]通過對哈爾濱至同江高速公路設置簡易徑流小區，測定公路路基邊坡在不同防護措施作用下的徑流量、土壤侵蝕量，分析不同防護措施的水土保持效果。但是，針對不同邊坡防護措施的長期效果及措施改進的研究較少。

本研究主要以北京市延慶縣水土保持科技示范園內11 個工程和植物相結合邊坡防護措施小區為對象，對小區的土壤侵蝕量、徑流量及植物生長進行6年的連續觀測，研究不同防護措施下的水土流失規律及水土保持效果，提出更加適合北方生產建設項目邊坡防護的措施，為施工單位提供必要的技術服務，為相關科研單位改善護坡設計提供科學的數據。

1 研究區概況

延慶縣水土保持科技示范園位于北京市延慶縣境內，園區相對高程范圍為527.9～722.8 m，具有黃土區和土石山區2種地貌類型特點，設有氣象站、化驗室等必要設施設備，多年平均年降雨量為474.5 mm，降雨的年際年內變化較大，6—9月多年平均降雨量為398.8 mm，占全年降雨總量的84%，多年平均風速為3.1 m/s；園區內生產建設項目護坡措施監測小區于2008年投入觀測，區域面積2.18 hm2，分布不同坡比、工程措施、植物措施以及對比監測小區共計39 個。各小區主要用來研究北方地區工程和植物相結合的邊坡防護措施對水土流失的影響，工程措施的設計主要采用北方地區生產建設項目常用方式，植物措施的設計主要采用北方鄉土喬灌草類。本研究選取了其中11 個工程和植物相結合邊坡防護措施小區，1個自然恢復小區和1個空白裸露小區作為研究區。各小區基本情況，見表1。

表1 小區基本情況

2 資料來源與研究方法

本研究基于延慶縣生產建設項目護坡措施監測小區2008—2013年56 場次有效降雨的徑流泥沙觀測結果，對工程和植物相結合的邊坡防護措施小區水土保持效益進行分析。

2.1 資料來源

園區內降雨數據由翻斗式數字雨量計和虹吸式自記雨量計精確記錄；利用植被覆蓋度自動計算系統（PCOVER）準確計算小區植被覆蓋度[4]，及時對13號小區進行除草，確保地表植被覆蓋度控制在5%以內；現場觀測過程中，使用全剖面采樣器[5，6]對桶內泥水進行采集，確保泥水樣品的代表性，采用烘干法測量含沙量[5]。根據降雨量監測規范[7]每天檢查雨量監測設備，確保儀器正常運行，計量準確；每天巡視護坡措施小區，清除小區徑流桶、分流桶、集流槽內雜物，保證通道順暢。通過實地調查、測量，記錄生物演替和退化數據。完善監測規章制度，對監測人員進行定期培訓，整理資料。

2.2 數據統計

本研究共收集現場觀測數據56組、植被覆蓋度數據92 組，整編水土流失數據8 985 條。降雨根據黃錫荃等[8]的降雨等級劃分標準進行分類，在56 次有效降雨中，發生小雨、中雨、大雨和暴雨的次數分別為5、36、10 和5 次，出現的概率分別為8.9%、64.3%、17.9%、8.9%，年均有效降雨為248.5 mm。由于觀測小區緊靠山體、排列密集，植被發生明顯生物演替和衰退，各小區的工程措施保存完整；平均生物演替程度達到45%、原始植被退化率達到24%（14、20、21小區旱柳沒有發生演替和退化）。

2.3 研究方法

根據2008—2013年觀測到的邊坡防護措施小區降雨、徑流和產沙量數據，分別計算各邊坡防護措施小區保水保土效益。通過保水保土效益對比分析，總結各小區的優劣。

保水效益采用的計算方法為：

式中：η水為相對保水效益；W1為空白裸露小區降雨徑流深（mm）；W2為護坡措施小區降雨徑流深（mm）。

保土效益采用的計算方法為：

式中：η土為相對保土效益；S1為空白裸露單位面積沖刷量（t/km2）；S2為護坡措施小區單位面積沖刷量（t/km2）。

3 研究結果分析

3.1 長期觀測水土保持效益分析

通過對11個護坡措施小區及2個對比小區進行長達6年的連續觀測，匯總徑流深和土壤侵蝕量，獲得不同小區的保水保土效益，見表2。

（1）不同小區與保水效益的關系。11種邊坡防護措施小區的徑流深明顯低于空白對比裸露小區（見表2）。不同護坡措施的保水效益也有較大差別，如連鎖磚植草小區磚體無透水性，磚體占小區面積85%，降雨過程中產生大量徑流，造成保水效益最低（37.3%），其余10 種護坡措施的保水效益都高于51.0%，其中層疊鉛絲石籠插柳條小區保水效益最高（69.3%）。

（2）不同小區與保土效益的關系。11種邊坡防護措施小區的土壤侵蝕量明顯低于空白對比裸露小區（見表2）。不同護坡措施的保土效益同樣存在差別，如仿木樁攔擋栽植灌草小區的保土效益較低（58.7%），其余10種護坡措施的保土效益都高于65.3%，其中連鎖磚植草和網嵌三維植生袋的保土效益高于85.3%。自然恢復小區的保水保土效益較好（50.0%/65.3%），由于建設項目護坡措施主要目的是護坡固土、防止沖刷，兼顧美化環境等，所以不建議采用。

表2 2008—2013年小區徑流深和土壤侵蝕量結果匯總

3.2 暴雨條件下水土保持效果分析

56次有效降雨中，暴雨5次，平均單次降雨量為67.3 mm（I30為20.3 mm，I60為33.5 mm），在此對收集的5次觀測數據進行匯總分析，如圖1-2所示。

圖1 采用工程和植物相結合邊坡防護措施的各小區徑流深

圖2 采用工程和植物相結合邊坡防護措施的各小區單位面積沖刷量

在暴雨過程中，層疊鉛絲石籠插柳條和橡膠輪胎骨架植灌草小區保水效益均為87.1%，但是由于層疊鉛絲石籠插柳條小區坡面以瀑布形式從上到下垂直沖刷，土壤侵蝕強度增大，保土效益（58.6%）低于自然恢復小區（67.9%）；由于連鎖磚磚體所占小區面積大，所以其保土效益最高為95.3%，但是其保水效益只有55.3%；網嵌三維植生袋小區，保水保土效益分別為80.6%和86.0%。橡膠輪胎骨架植灌草和網嵌三維植生袋小區的綜合保水保土效益良好，但由于廢舊輪胎具有一定危害性[9]，所以不建議大量使用。

4 結論

（1）在各種降雨條件下，網嵌三維植生袋護坡措施的長期效益良好，今后可以通過在袋間扦插柳條或栽植灌木、袋內混種當地草種，繼續提高保水保土效益。

（2）在發生暴雨頻率高的地區，擇優選擇網嵌三維植生袋措施或重新設計層疊鉛絲石籠插柳條小區中的生物措施，利用柳條與灌草植物相結合，進而保證其護坡措施能夠達到更好的保水保土效益。

（3）改進部分工程措施及植物措施，提高保水保土效益。如，可以將磚體設計成具有透水功能的磚體，在低降雨強度下有效提高保水效益。

（4）由于各小區植物演替和退化現象的發生，而且施工坡度較大，所以在設計階段要盡量選擇鄉土植物種類，并且優化工程措施，以提高生物措施的美觀性和工程措施的可操作性。

[1]李海東，林杰，張金池，等.生態護坡技術在河道邊坡水土保持中的應用[J].南京林業大學學報（自然科學版），2008，32（1）：119-123.

[2]肖培青，史學建，陳江南，等.高速公路邊坡防護的降雨和徑流沖刷試驗研究[J].水土保持通報，2004，24（1）：16-18.

[3]史彥林.高速公路路基邊坡水土流失防治效果試驗研究[J].中國水土保持，2013，（6）：58-59.

[4]章文波，路炳軍，石偉.植被覆蓋度的照相測量及其自動計算[J].水土保持通報，2009，29（2）：39-42.

[5]路炳軍，袁愛萍，章文波.徑流小區集流桶（池）泥沙含量快速測定方法探討[J].水土保持通報，2009，29（2）：16-17.

[6]符素華，付金生，王曉嵐，等.徑流小區集流桶含沙量測量方法研究[J].水土保持通報，2003，23（6）：39-41.

[7]SL21—1990，降水量觀測規范[S].

[8]黃錫荃，李惠明，金伯欣.水文學[M].北京：高等教育出版社，1993.

[9]許冠英，彭曉春，周少奇，等.廢舊輪胎回收利用對策[J].廣州環境科學，2009，24（4）：25-31.