生产建设项目工程和植物相结合边坡防护措施水土保持效益分析

2015-03-23李子轩李志梅王海余徐晨曦

海河水利 2015年4期

国铭，李子轩，李志梅，王海余，徐晨曦

（1.北京市延庆县水土保持工作站，北京 102100；2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；3.海河流域水土保持监测中心站，天津 300170）

随着我国经济建设的高速发展，基础设施建设及新领域的开发突飞猛进，虽然带动经济发展和资源开发，但是也导致人为水土流失日趋严重。大规模的公路建设、河道整治、矿产生产等工程对当地生态环境产生破坏，尤其是水土流失问题异常突出，如何实现生产建设本身与生态环境的和谐共存、有效降低土壤侵蚀、保护水土资源是当今生产建设项目水土保持研究的重点工作之一。李海东等[1]通过介绍河道生态护坡的模式、生态护坡设计的原则等，探讨研究不同生态功能需求的河道，采用不同的生态护坡技术，不仅满足河道边坡防护的要求，又能起到保持水土、净化水体的生态作用。肖培青等[2]通过对不同土壤、坡度和植物措施配置的高速公路边坡设置试验小区并进行相关试验研究，探讨在暴雨和径流冲刷条件下边坡的细沟形成机理及其侵蚀特征。史彦林[3]通过对哈尔滨至同江高速公路设置简易径流小区，测定公路路基边坡在不同防护措施作用下的径流量、土壤侵蚀量，分析不同防护措施的水土保持效果。但是，针对不同边坡防护措施的长期效果及措施改进的研究较少。

本研究主要以北京市延庆县水土保持科技示范园内11 个工程和植物相结合边坡防护措施小区为对象，对小区的土壤侵蚀量、径流量及植物生长进行6年的连续观测，研究不同防护措施下的水土流失规律及水土保持效果，提出更加适合北方生产建设项目边坡防护的措施，为施工单位提供必要的技术服务，为相关科研单位改善护坡设计提供科学的数据。

1 研究区概况

延庆县水土保持科技示范园位于北京市延庆县境内，园区相对高程范围为527.9～722.8 m，具有黄土区和土石山区2种地貌类型特点，设有气象站、化验室等必要设施设备，多年平均年降雨量为474.5 mm，降雨的年际年内变化较大，6—9月多年平均降雨量为398.8 mm，占全年降雨总量的84%，多年平均风速为3.1 m/s；园区内生产建设项目护坡措施监测小区于2008年投入观测，区域面积2.18 hm2，分布不同坡比、工程措施、植物措施以及对比监测小区共计39 个。各小区主要用来研究北方地区工程和植物相结合的边坡防护措施对水土流失的影响，工程措施的设计主要采用北方地区生产建设项目常用方式，植物措施的设计主要采用北方乡土乔灌草类。本研究选取了其中11 个工程和植物相结合边坡防护措施小区，1个自然恢复小区和1个空白裸露小区作为研究区。各小区基本情况，见表1。

表1 小区基本情况

2 资料来源与研究方法

本研究基于延庆县生产建设项目护坡措施监测小区2008—2013年56 场次有效降雨的径流泥沙观测结果，对工程和植物相结合的边坡防护措施小区水土保持效益进行分析。

2.1 资料来源

园区内降雨数据由翻斗式数字雨量计和虹吸式自记雨量计精确记录；利用植被覆盖度自动计算系统（PCOVER）准确计算小区植被覆盖度[4]，及时对13号小区进行除草，确保地表植被覆盖度控制在5%以内；现场观测过程中，使用全剖面采样器[5，6]对桶内泥水进行采集，确保泥水样品的代表性，采用烘干法测量含沙量[5]。根据降雨量监测规范[7]每天检查雨量监测设备，确保仪器正常运行，计量准确；每天巡视护坡措施小区，清除小区径流桶、分流桶、集流槽内杂物，保证通道顺畅。通过实地调查、测量，记录生物演替和退化数据。完善监测规章制度，对监测人员进行定期培训，整理资料。

2.2 数据统计

本研究共收集现场观测数据56组、植被覆盖度数据92 组，整编水土流失数据8 985 条。降雨根据黄锡荃等[8]的降雨等级划分标准进行分类，在56 次有效降雨中，发生小雨、中雨、大雨和暴雨的次数分别为5、36、10 和5 次，出现的概率分别为8.9%、64.3%、17.9%、8.9%，年均有效降雨为248.5 mm。由于观测小区紧靠山体、排列密集，植被发生明显生物演替和衰退，各小区的工程措施保存完整；平均生物演替程度达到45%、原始植被退化率达到24%（14、20、21小区旱柳没有发生演替和退化）。

2.3 研究方法

根据2008—2013年观测到的边坡防护措施小区降雨、径流和产沙量数据，分别计算各边坡防护措施小区保水保土效益。通过保水保土效益对比分析，总结各小区的优劣。

保水效益采用的计算方法为：

式中：η水为相对保水效益；W1为空白裸露小区降雨径流深（mm）；W2为护坡措施小区降雨径流深（mm）。

保土效益采用的计算方法为：

式中：η土为相对保土效益；S1为空白裸露单位面积冲刷量（t/km2）；S2为护坡措施小区单位面积冲刷量（t/km2）。

3 研究结果分析

3.1 长期观测水土保持效益分析

通过对11个护坡措施小区及2个对比小区进行长达6年的连续观测，汇总径流深和土壤侵蚀量，获得不同小区的保水保土效益，见表2。

（1）不同小区与保水效益的关系。11种边坡防护措施小区的径流深明显低于空白对比裸露小区（见表2）。不同护坡措施的保水效益也有较大差别，如连锁砖植草小区砖体无透水性，砖体占小区面积85%，降雨过程中产生大量径流，造成保水效益最低（37.3%），其余10 种护坡措施的保水效益都高于51.0%，其中层叠铅丝石笼插柳条小区保水效益最高（69.3%）。

（2）不同小区与保土效益的关系。11种边坡防护措施小区的土壤侵蚀量明显低于空白对比裸露小区（见表2）。不同护坡措施的保土效益同样存在差别，如仿木桩拦挡栽植灌草小区的保土效益较低（58.7%），其余10种护坡措施的保土效益都高于65.3%，其中连锁砖植草和网嵌三维植生袋的保土效益高于85.3%。自然恢复小区的保水保土效益较好（50.0%/65.3%），由于建设项目护坡措施主要目的是护坡固土、防止冲刷，兼顾美化环境等，所以不建议采用。

表2 2008—2013年小区径流深和土壤侵蚀量结果汇总

3.2 暴雨条件下水土保持效果分析

56次有效降雨中，暴雨5次，平均单次降雨量为67.3 mm（I30为20.3 mm，I60为33.5 mm），在此对收集的5次观测数据进行汇总分析，如图1-2所示。

图1 采用工程和植物相结合边坡防护措施的各小区径流深

图2 采用工程和植物相结合边坡防护措施的各小区单位面积冲刷量

在暴雨过程中，层叠铅丝石笼插柳条和橡胶轮胎骨架植灌草小区保水效益均为87.1%，但是由于层叠铅丝石笼插柳条小区坡面以瀑布形式从上到下垂直冲刷，土壤侵蚀强度增大，保土效益（58.6%）低于自然恢复小区（67.9%）；由于连锁砖砖体所占小区面积大，所以其保土效益最高为95.3%，但是其保水效益只有55.3%；网嵌三维植生袋小区，保水保土效益分别为80.6%和86.0%。橡胶轮胎骨架植灌草和网嵌三维植生袋小区的综合保水保土效益良好，但由于废旧轮胎具有一定危害性[9]，所以不建议大量使用。