黃土高原溝頭侵蝕柔性防護措施研究

周明月, 王文剛, 朱首軍, 王 健, 高 晗

(西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌712100)

黃土高原(34°—40°N，103°—114°E)總面積6.42×105km2，其中水土流失面積4.3×105km2 [1]，地形破碎，主要由塬墚峁組成，其中塬面對當地農業與社會發展發揮著重要作用。溝頭侵蝕致使塬面不斷萎縮，如董志塬每年的農田損失量為42 hm2 [2]，給人們帶來巨大的經濟損失和生態損失。溝谷發育是黃土塬面不斷減少的主要原因[3]，塬面水流下溝，導致切溝發育，切溝發展導致塬面溝壑縱橫，朱顯謨[4]將切溝發育分為3個階段，黃土塬區溝頭和溝谷上游應是保護塬面的重點[3]。目前防治措施主要是“固溝保塬”,固溝大多通過建淤地壩、擋土墻、溝道排洪工程、谷坊等剛性防護措施[5]，而保塬主要是通過溝頭防護工程[5-9]。其中一種溝頭防護工程是排水式，由半環式溝埂(攔截坡面徑流，防止徑流沖刷溝道，加劇侵蝕，同時能夠為塬面耕地提供灌溉用水)與排水管(當集水面積大，來水量超過溝埂的攔截水量時，應及時排出)組成；當排水時，要避免水流對溝底進行沖刷，目前主要采用混凝土或漿砌石將溝底進行硬化，但這種剛性防護措施存在工程量大，造價高，施工困難等弊端；在應用中常因地基變形導致破壞。近年來，許多學者對于秸稈覆蓋防治水土流失效果進行了許多研究[10-17]，但大多是采用坡面全面覆蓋防治坡面侵蝕、秸稈緩沖帶防治細溝侵蝕或者是秸稈溝頭覆蓋防治溝頭侵蝕，徐錫蒙等[12]對玉米秸稈防治淺溝溝頭侵蝕的研究是通過玉米秸稈淺溝溝頭覆蓋與溝道覆蓋結合的辦法，研究的是地面徑流產生的溝蝕作用。而針對溝壁和溝底的采用柔性防護的研究較少。而相關研究表明，陡立溝壁陡坎形成的下跌水流能夠導致嚴重的溯源侵蝕[18,19]，針對下跌水流導致溝頭前進的問題尚未發現相關研究。由此本試驗提出采用柔性防護措施(在土壤表面鋪設麥草、土工布)代替剛性防護措施進行對溝底、溝壁的防護，通過室內模擬下跌水流沖擊試驗，測定柔性防護措施的防護作用，為黃土高原的溝頭防治提供新思路并完善溝頭防護措施。

1 試驗概述與方法

1.1 試驗概述

溝頭沖刷變化受土壤抗沖性、前期土壤含水量、沖刷水流流量、水流動能等多種因素影響，為研究柔性防護措施的作用，試驗中確定恒定水頭和流量、同一土壤質地和密度，僅分析防護變化對沖刷坑的影響。試驗在西北農林科技大學降雨大廳實驗室進行，用4.93 m的高水頭來模擬野外下跌水流，將試驗槽的土夯實到自然土容重，通過在土表面覆不同厚度的麥草、鋪設土工布來模擬柔性防護措施，用模擬水流沖擊土面，研究在不同重量麥草及土工布防護作用下，沖刷坑的大小及深度，探尋最佳防護措施。

1.2 試驗設計

供試土壤為楊凌土,0～0.002 mm，0.002～0.005 mm，0.005～0.01 mm，0.01～0.02 mm，0.02～0.05 mm，0.05～0.1 mm，0.1～0.2 mm，>0.2 mm 的粒徑分別占25.90%，4.47%，12.92%，28.77%，24.45%，3.36%，0.13%，0%，屬重粉質壤土。土樣去除大塊雜質，風干晾曬，過5 mm 篩后填入移動式試驗鋼槽(2 m(長)×1 m(寬)×0.5 m(高))，根據目標容重1.6 g/cm3，在試驗準備階段填土處理時，每填土厚度為10 cm時，進行灑水夯實，取樣測取土壤容重，進行調整；總共填土厚度為50 cm；在試驗處理前，再次取樣測定，使土壤容重平均值保證在1.6～1.7 g/cm3，試驗時利用環刀測定土壤容重。試驗覆蓋材料為楊凌本地自然風干小麥秸稈和規格為200 g/m2的土工布。將試驗槽坡度調為3°，排除地面積水，用以消除積水厚度對水流動能消減的影響。在土面上分別覆不同厚度的麥草、不同厚度麥草與土工布的組合，在實驗室4.93 m的水頭下沖土面3 min，平均用水量100 600 cm3，每個處理做3個重復。通過測針測定沖刷坑斷面形狀并確定最大坑深；利用直尺測定沖刷坑坑徑；利用填土法[20]測定沖刷坑容積，在沖刷結束后，用滴管吸出留在沖刷坑中的部分殘留水，直至沖刷坑入滲水分不再析出，將試驗土過5 mm篩，裝入1 000 ml量杯，記錄量杯初始讀數V1，向沖刷坑填入過篩土，等沖刷坑基本被填滿時，用刮刀抹平過篩土表面，多余土收集至量杯，使沖刷坑基本恢復沖刷前其平面與周圍表面相平的狀態，此時記錄量杯最終讀數V2，沖刷坑容積則為(V1-V2)；垂直坡面拍攝沖刷坑照片，導入電腦，利用AutoCAD軟件處理沖刷坑照片來計算坑面積；比較不同處理的沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑、坑面積及坑容積較裸地條件下的變化情況。

1.3 試驗設計

根據預設試驗設計，麥稈量比較少(<200 g/m2)時，基本沒有任何防護效果，故試驗從200 g/m2開始，參照預試驗及相關研究[10-11]，試驗設計200，300，400，500，600，800，1 200，1 600，2 000，2 400 g/m210個厚度試驗，以裸地為對照；另外單設一層土工布和土工布與不同厚度覆草的組合，試驗設計見表1。

表1 試驗設計

2 結果與分析

2.1 裸露地沖刷坑特點

當土表裸露時，水流沖刷土壤時，土面出現沖刷坑，隨著沖刷時間的增加，沖刷坑逐漸增大；沖刷坑的形狀呈喇叭口狀(圖1)；試驗測得沖刷坑特征見表2。

圖1 裸露地表沖刷坑

參數土干容重/(g·cm-3)坑深hmax/cm坑徑/cm坑面積/cm2坑容積/cm3平均1.617.6316.92165.10395最大1.668.0520.80187.60410最小1.587.2014.50146.75380

裸土在水流沖刷下，沖刷坑發育迅速，沖刷坑呈現喇叭口狀；多次試驗的沖刷坑平均最大坑深hmax為7.63 cm，平均坑徑d為16.92 cm，平均坑面積S為165.10 cm2，平均坑容積V為395 cm3。

2.2 僅覆麥草的防護作用分析

在土面覆麥草可以起到減弱沖刷坑的發育，當覆麥草較少時，其對水流的沖擊動能雖能起到一定的削減作用，但其消減效果差，防護作用未完全發揮出來，沖刷坑與裸露地表的沖刷坑差別不大；隨著覆麥草量的增大，其對水流沖擊動能的消減作用慢慢體現出來，沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V均呈遞減趨勢，圖2為沖刷坑的最大坑深hmax和坑容積V與覆麥草量的變化關系。

圖2 沖刷坑最大坑深hmax、坑容積V隨覆麥草厚度增大的變化情況

隨著覆麥草量的增大，沖刷坑的深度總體呈現降低趨勢，二者近似于線性關系，對其擬合可通過線性函數y=-0.0028x+7.9298來描述，其決定系數為0.95；隨著覆麥草量的增大，沖刷坑的坑容積總體也呈現降低趨勢，其與單位面積覆麥草量的關系近似于指數關系，對其擬合可通過y=513.78e-0.001x來描述，其決定系數為0.94。

沖刷結束后，沿著坑的橫軸，用測針每隔1 cm測定坑的深度[1]，畫出沖刷坑的斷面圖，見圖3。

圖3 覆不同厚度麥草量的沖刷坑斷面

由圖3可知，覆不同厚度麥草的沖刷坑的形狀相似，接近喇叭口狀；隨著鋪設麥草厚度的增加，沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S總體上呈降低趨勢，說明覆麥草能夠有效保護土面，削減水流動能，延緩沖刷坑發育。

以裸露地為對照，分析覆不同厚度麥草的沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V的變化情況，見表3。

由表3可知，當覆麥草量較少時，其對水流的沖擊動能消減作用較小，防治效果不穩定，沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V的數據出現上下波動，甚至處理2與對照組沖刷坑的指標大致接近；但當覆麥草量增加到1 200 g/m2時，防治效果具有顯著提升，最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S、坑容積V較裸露地分別減少36.8%，46.2%，81.4%，77.2%；當覆麥草量達到1 200 g/m2后，隨著覆麥草量的增大，防治效果呈上升趨勢。

2.3 增覆土工布的防護作用分析

當覆麥草太薄時，水流易沖散麥草，在麥草上增覆一層土工布，有效增加防護沖刷的效果，增強麥草的防護作用。以裸露地為對照，分析覆1層土工布與不同量麥草的共同作用下，對沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S和坑容積V的防治效果(表4)。

由表4可知，僅覆1層土工布(標號11)較裸露地的沖刷坑的最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S和坑容積V減少程度顯著，分別為43.6%，43.8%，65.2%，82.2%；覆1層土工布和不同厚度麥草，隨著覆麥草厚度的增加，最大坑深hmax、坑徑d、坑面積S和坑容積V不斷減小，隨覆草量增加，防護效果越好，但減小幅度相對較小。當覆麥草量2 400 g/m2輔以1層土工布時，沖刷坑完全消失，此時的防治效果最好。

表3 僅覆麥草與裸露地的沖刷坑對比

表4 增覆1層土工布與裸露地的沖刷坑對比

3 結 論

本研究表明麥草、水工布等柔性防護措施具有良好的削減下跌水流動能的作用，可作為固溝保塬溝頭防治的一種方式。在試驗條件下，不采用防護措施模擬水流作用下的沖刷坑的形狀呈喇叭口狀，沖刷坑最大坑深hmax達7.63 cm，坑容積達395 cm3；采用麥草覆蓋能有效削弱高水頭水流對土面的沖刷作用，隨著覆麥草量的增加，對土面的防護作用越強，沖刷坑最大坑深隨覆麥草量增加而降低，可用線性函數y=-0.0028x+7.9298來描述，沖刷坑的坑容積隨覆麥草量增加呈指數關系遞減；增覆1層土工布能防止麥草飄散，顯著削弱水流動能，增強抵御水流的沖刷作用，能大幅度增強麥草的防護作用；覆麥草量2 400 g/m2和1層土工布組合能夠抵消試驗水流的沖刷，地面未形成沖刷坑。

柔性防護可有效保護地面免受水流沖刷，削減水流動能，減緩沖刷坑發育。已有研究表明，秸稈填充覆蓋[11]可降低溝內水流流速，削弱徑流動能，抑制了水流的下切侵蝕和側蝕能力，減緩了溝蝕的發生發展。

本研究是在試驗條件下模擬了柔性防護對水流動能的削減作用。受試驗條件限制，僅分析了恒定水頭和流量作用下，夯實塿土沖刷坑的發展，并提出了在覆麥草量2 400 g/m2和1層土工布能夠完全抵消該條件水流的沖刷，但不同水流和土壤條件下沖刷坑發展尚需進一步研究。