人工降雨條件下高速公路植被邊坡模型水文效應測試

趙婭如，曹雲翔，楊成參，史鋒厚*，付紅祥，初磊

（1. 南京林業大學林學院，南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2. 江蘇源順環?？萍加邢薰?，江蘇 南京 210000；3. 華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

在高速公路建設和運營過程中，邊坡是最脆弱的部分，邊坡崩塌、滑坡、泥石流等災害大多與雨水有關，由降雨引起的徑流和土壤侵蝕是高速公路邊坡防護中需要解決的重要問題。據統計，平均每修建1 km 高速公路所形成的裸露坡面面積可達5 萬～7 萬m2，而裸露邊坡所產生的土壤侵蝕量高達9 kg·m-2·a-1，若無科學的邊坡防護措施，全國因修建高速公路所產生的土壤流失量將是一個龐大的數值[1］。因此，研究邊坡土壤侵蝕和水土流失控制對于改善高速公路生態環境具有重要意義。為了探索降雨誘發滑坡、泥石流等的影響因素，許多學者開展了相關研究工作，涉及引發滑坡的因素分析[2］、影響邊坡雨水入滲的因素[3］、邊坡滲流狀態[4］、侵蝕破壞黃土邊坡的影響因素[5］等。在降雨強度較小的情況下，裸地和坡耕地產生的泥沙量約為草地的20 倍，但隨著降雨強度的增大，泥沙量可達到草坡的100 倍以上[6］；高速公路邊坡使用工程和植物相結合的防護措施，可有效防止土壤侵蝕[7］。上述研究大多是在室外自然降雨條件下開展的邊坡測試，但天氣因素對于降雨的影響較大，尤其降雨強度和降雨時間不可控制，因此，在自然降雨條件下常常難以準確得出邊坡失穩的作用機理。目前，人工模擬降雨已經成為邊坡侵蝕問題的重要研究手段；孫狂飆等[8］設計了一種可循環、可移動式的人工降雨裝置，其產生的降雨與天然降雨相似度較高，可用于邊坡足尺模型試驗；蘇溦娜等[9］采用3種不同規格的噴嘴式噴頭設計制造人工降雨裝置，利用不同噴頭的啟閉與組合調控降雨強度；王潔等[10］對人工模擬降雨裝置在水土保持方面的應用進行了綜述，提出人工模擬降雨可以避免自然因素影響，具有加速土壤侵蝕、降雨產流及入滲等作用，能夠迅速獲得試驗數據。本研究旨在通過建立室內邊坡模型，開展人工降雨，觀測不同材料覆蓋邊坡、不同生長期植被邊坡、不同降雨強度下邊坡模型的坡面徑流產生和坡體水分滲透情況，為海啟高速公路植被邊坡生態防護方案的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

江蘇鴻土苗木有限公司玻璃溫室，位于江蘇省句容市天王鎮竹園村（E 119°11'58″、N 31°39'20″，海拔26 m）。

1.2 試驗材料與設備

1）NLJY-10 型人工模擬降雨系統：由南京南林科技有限責任公司設計開發，系統由支架管路、自動化控制系統、水箱、動力系統組成。有效降雨面積為3.0 m×4.0 m，降雨高度4.0 m，12 組降雨噴頭（每組4個），降雨強度調節為5～250 mm·h-1，均勻度系數大于0.9。

2）邊坡模型裝置：模型按照高速公路邊坡坡比（1∶1.5），由不銹鋼材料制作，長60 cm、寬55 cm。模型下部連接坡面徑流收集裝置，底部連接坡體滲透水分收集裝置。坡面徑流收集裝置為25 L 塑料桶，坡面出現水土流失時，此裝置收集坡面徑流。坡體滲透水分收集裝置為10 L 塑料桶，在模型底部放置透水土工布起到過濾作用，坡體土壤水分飽和后從下部滲出，匯集至收集裝置中。邊坡模型裝置制作3 套。

3）坡體土壤：土壤取自江蘇省如東市袁莊鎮西北方向1 km 處-海啟高速如東一標工程段修筑路基土壤，為粉砂性土，土壤中石灰摻拌量為6%左右。

4）植被邊坡模型：植被邊坡坡面采用狗牙根（Cynodon dactylon）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）和胡枝子（Lespedeza bicolor）種子進行混播，3 種植物種子均為市售種子，播種量為狗牙根12 g·m-2+紫穗槐14 g·m-2+胡枝子10 g·m-2；坡面土壤厚度均為10 cm，種子充分混合后均勻播種，播種后少量覆土將種子掩蓋即可，坡面覆蓋椰絲草毯（300 g·m-2），播種后和養護過程中灑水均以土壤濕潤不出現積水為宜。提前進行播種以培育不同生長期的植被邊坡模型，分別制作成2、3 和4 月生植被邊坡模型。

1.3 試驗設計

1.3.1 降雨對不同材料覆蓋邊坡的影響 在裸土邊坡模型（坡面厚度10 cm）上分別覆蓋椰絲草毯（300 g·m-2）、秸稈纖維毯（500 g·m-2）和草簾（2200 g·m-2），設置人工降雨強度120 mm·h-1、降雨時間45 min，以無覆蓋的裸土邊坡模型為對照，測試各邊坡水文效應，試驗設3 次重復。

1.3.2 降雨對不同生長期植被邊坡的影響 降雨強度設為120 mm·h-1，采用2、3、4 月生植被邊坡模型，以無覆蓋的裸土邊坡模型為對照，測試各邊坡水文效應，試驗設3 次重復。

1.3.3 不同降雨強度對邊坡的影響 降雨量相同，降雨強度（降雨時間）分別設為60（90 min）、90（60 min）、120 mm·h-1（45 min），采用4 月生植被邊坡和裸土邊坡模型，測試各邊坡水文效應，試驗設3 次重復。

1.4 指標測定

1）坡面產流起始時間和坡體水分滲出時間：觀察降雨后坡面產生徑流和坡體滲出水分情況，記錄坡面產流起始時間（min）和坡體滲出水分時間（min）。

2）坡面產流率、產沙率、雨水收集量、泥沙收集量和徑流量：坡面產生徑流后，前5 min 每隔1 min、之后每隔5 min 分別收集徑流水，直至不再產生徑流，將坡面徑流收集裝置中的徑流水靜置，測量上清液體積，采用烘干法測量泥沙質量，計算產流率（mL·m-2·min-1）和產沙率（g·m-2·min-1）。降雨結束后，待徑流場出口不再產生徑流后，將所有收集的徑流雨水量和泥沙量分別累加，即為雨水收集量（g·m-2）和泥沙收集量（g·m-2）；將雨水收集量和泥沙收集量累加，即為坡面徑流量（g·m-2）。

3）坡體水分滲透量：雨水完全浸潤坡體后從模型底部滲出水分，降雨結束后，坡體底部不再滲出水分，測定坡體滲透水分收集裝置中的水分，即為坡體水分滲透量（mL·m-2）。

1.5 數據分析

采用SPSS 23.0 軟件對數據進行方差分析和多重比較（LSD 法，P＜0.05，P＜0.01），采用Excel 2016 軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同材料覆蓋的邊坡水文指標測定結果

2.1.1 不同材料覆蓋坡面徑流測定結果 由圖1 可知，加蓋覆蓋物的坡面產流率和產沙率均小于裸土邊坡。覆蓋椰絲草毯的邊坡產流率和產沙率最小。不同材料覆蓋坡面產流率和產沙率都經歷著激增、波動和穩定過程；在降雨初始階段，坡面產流率和產沙率急劇增大至最大值，然后趨于穩定。

圖1 不同材料覆蓋坡面產流率和產沙率的變化Fig.1 Changes of runoff yield and sediment yield of slope covered with different materials

由表1 可知，不同材料覆蓋邊坡模型產流起始時間、坡面徑流量、泥沙收集量及雨水收集量之間的差異均達到了極顯著水平（P＜0.01）。由表2 可知，加蓋覆蓋物的坡面徑流量均小于裸土邊坡，覆蓋椰絲草毯、秸稈纖維毯和草簾的邊坡坡面徑流量分別比裸土邊坡減少了23.25%、15.66%和17.94%。分析原因在于裸土邊坡加蓋覆蓋物之后，減緩了雨水沖刷速度，降低了坡面徑流量，且不同覆蓋物減阻坡面徑流量存在差異。當降雨強度為120 mm·h-1時，裸土邊坡坡面徑流中的泥沙收集量明顯高于覆蓋邊坡，其中，覆蓋椰絲草毯邊坡的坡面徑流中泥沙收集量最少，僅是對照的38.7%，其次是覆蓋秸稈纖維毯的邊坡，泥沙收集量為對照的42.8%，而覆蓋草簾的邊坡泥沙收集量有所增大。邊坡進行覆蓋后，由降雨產生的坡面徑流多在覆蓋物表面產生，減輕了對坡面土壤的沖刷，坡面泥沙流失量減少；草簾與坡面的結合性差于椰絲草毯和秸稈纖維毯，覆蓋草簾坡面產生的泥沙收集量要大于其他兩種覆蓋坡面。

表1 人工降雨條件下邊坡水文測試指標方差分析Table 1 ANOVA of hydrological testing indicators of slope under artificial rainfall

表2 不同材料覆蓋邊坡坡面產流起始時間、坡面徑流、泥沙及雨水收集量Table 2 Runoff onset time， slope runoff， sediment and rainwater collection of slope surface covered with different materials

2.1.2 不同材料覆蓋坡體水分滲透測定結果 由表1 可知，各處理坡體水分滲出時間和滲透量之間的差異均達到了極顯著水平（P＜0.01）。由表3 可知：覆蓋邊坡水分滲透量大于裸土邊坡，覆蓋椰絲草毯的坡體水分滲透量最大，比對照值高65.2%。4 種邊坡水分滲透量的排序依次為：椰絲草毯＞秸稈纖維毯＞草簾＞無覆蓋。坡面進行覆蓋后，增加了坡面粗糙性，同時減緩了雨水下落時的速度，延長了徑流在坡面的停留時間，增大了雨水入滲，但不同覆蓋物所產生的影響效果存在差異，水分開始滲出時間也不同。椰絲草毯和秸稈纖維毯與坡面貼合緊密，促進雨水入滲到坡體，水分滲透量增加；草簾和坡面接觸不緊密，在遭遇120 mm·h-1強降雨時容易分層裸露，使得一部分坡面無覆蓋，但由于草簾有一定厚度，可以攔截部分坡面徑流，同樣可以促進雨水向坡體滲透。

表3 不同材料覆蓋邊坡坡體水分滲出時間和滲透量Table 3 Seepage time and seepage amount of the slope covered with different materials

2.2 不同生長時間植被邊坡水文指標測定結果

2.2.1 不同生長時間植被邊坡坡面徑流測定結果

由圖2 可知，植被邊坡的坡面產流率與產沙率均小于裸土邊坡。當植被邊坡的生長時間為4個月時，其產流率和產沙率最小，其次為3 月生的植被邊坡，但兩者差異較小，說明當植物生長期超過3個月時就可以發揮良好的防護效果。不同生長期的植被邊坡坡面產流經歷著激增、波動和穩定階段，在降雨初始階段，坡面產流率急劇增大至最大值，然后趨于穩定。由于3 和4 月生植被邊坡防護效果較好，收集的徑流產沙量較小，無法獲悉產沙量的具體變化情況。

圖2 不同生長時間植被坡面產流率和產沙率的變化Fig.2 Changes of runoff yield and sediment yield of vegetation slope with different growing time

由表1 可知，各處理邊坡之間的坡面產流起始時間、坡面徑流量、雨水收集量及泥沙收集量的差異均達到了極顯著水平（P＜0.01）。由表4 可知，在相同降雨條件下，4 月生植被邊坡的坡面徑流量最小，表明其抗雨水沖刷和涵養水源的能力最強，植物邊坡抗雨水沖刷能力與植物生長時間呈正相關關系。結合邊坡植物形態特征，4 和3 月生的植物莖葉較2 月生的植物茂密且生長較好，從而減緩了雨水下落的速度，雨水沖刷坡面的力度較小，保護了坡面的完整性。植被邊坡抗沖蝕效果顯著，且抗沖蝕能力隨著植物生長而增強，產流起始時間逐漸延后，坡面徑流中泥沙含量均極顯著低于裸土邊坡。

表4 不同生長時間植被邊坡產流起始時間、坡面徑流、泥沙及雨水收集量Table 4 Runoff onset time， slope runoff， sediment and rainwater collection of vegetation slope with different growing time

2.2.2 不同生長時間植被坡體水分滲透測定結果 由表1 可知，不同處理坡體之間水分滲出時間和滲透量的差異均達到了極顯著水平（P＜0.01）。由表5 可知，植被坡體水分滲透量均極顯著大于裸土坡體，其中，4 月生植被坡體水分滲透量最大，是對照的3.15 倍，隨著植物的生長，坡體水分滲透量極顯著增大。植物降低了雨水通過坡面的速度，同時引導雨水入滲坡體，隨著植物生長，坡體水分滲出時間逐漸縮短，但3 和4 月生植被坡體之間的水分滲出時間并無顯著差異。

表5 不同生長時間植被坡體水分滲出時間和滲透量Table 5 Seepage time and seepage amount of vegetation slope with different growing time

2.3 不同降雨強度下的邊坡水文指標測定結果

2.3.1 不同降雨強度下的坡面徑流測定結果 由圖3 可知，裸土邊坡和植被邊坡坡面產流率和產沙率均隨著降雨強度的增大而增大（當降雨強度為60 mm·h-1時，植被邊坡未產生坡面徑流，未能在圖中繪出；當降雨強度為90 mm·h-1時，植被邊坡產沙量很小，未能在圖中繪出）。強度為60 mm·h-1的降雨在90 min 之內并未對植被邊坡坡面產生沖刷作用，坡面未產生徑流，除該處理外，其余強度和時間的降雨對于裸土邊坡和植被邊坡坡面均產生了一定程度的沖刷，各坡面產流率和產沙率均經歷著上升、達到峰值和穩定3個階段。隨著降雨強度的增大，裸土邊坡坡面產流時間逐漸縮短。在強降雨條件下，裸土邊坡坡面產流率和產沙率均較高；植被坡面產生徑流的時間滯后且產流率和產沙率也低于裸土邊坡，植被發揮了較好的防護效果。

圖3 不同降雨強度下坡面產流率和產沙率的變化Fig.3 Changes of runoff yield and sediment yield under different rainfall intensity

由表1 可知，在不同降雨強度條件下，各處理邊坡之間坡面產流起始時間、坡面徑流量、泥沙收集量和雨水收集量的差異均達到極顯著水平（P＜0.01），降雨強度嚴重影響坡面徑流產生時間和坡面徑流量，相比于裸土邊坡，植被對于坡面具有極好的保護效果。裸土邊坡和植被邊坡坡面產流起始時間和坡面徑流量見表6。隨著降雨強度的增大，裸土邊坡和植被邊坡坡面徑流量均逐漸增大；在相同的降雨強度下，植被邊坡坡面抗沖刷能力遠遠大于裸土邊坡。隨著降雨強度的增大，雨水對于裸土邊坡的侵蝕性逐漸增強，坡面產流時間逐漸縮短，坡面徑流量、泥沙收集量、雨水收集量均逐漸增大，降雨強度為120 mm·h-1時的裸土邊坡坡面徑流量是降雨強度為60 mm·h-1時的1.46 倍。在降雨強度為60 mm·h-1時，降雨全過程中植被邊坡坡面始終未產生徑流；當降雨強度為90 mm·h-1時，降雨45 min 后，坡面開始產生徑流，但徑流量較低，且泥沙占比只有0.29%；隨著降雨強度繼續增大，坡面徑流量持續增大，同時徑流中泥沙占比有所增大，但仍僅有0.47%。當降雨強度為60～120 mm·h-1，裸土邊坡和植被邊坡坡面徑流量、泥沙收集量和雨水收集量均隨著降雨強度的增大而增大，但植被邊坡抗雨水沖刷侵蝕能力較強，徑流量各項指標均顯著低于裸土邊坡，且徑流產生的時間明顯滯后于裸土邊坡。

表6 不同降雨強度下邊坡坡面徑流量對比Table 6 Comparison of slope runoff under different rainfall intensities

2.3.2 不同降雨強度下坡體水分滲透測定結果 由表1 可知，各處理坡體之間水分滲出時間和滲透量的差異均達到了極顯著水平（P＜0.01）。由表7 可知，在3 種降雨強度條件下，植被邊坡的水分滲透量極顯著高于裸土邊坡；但隨著降雨強度的增大，裸土邊坡和植被邊坡的水分滲透量均在逐漸減??；當降雨強度為90 和120 mm·h-1時，植被坡體水分滲透量之間無明顯差異。隨著降雨強度逐漸增大，裸土邊坡和植被邊坡坡體水分滲出時間均逐漸縮短，且植被邊坡坡體水分滲出時間極顯著早于裸土邊坡。植被邊坡由于植物生長，當降雨來臨時，阻礙了雨水匯集成徑流，同時引導雨水滲入坡體，由此也減少了雨水對于坡面的沖刷，有效保護了坡面安全。

表7 不同降雨強度下坡體水分滲出時間和滲透量Table 7 Seepage time and seepage amount of slope under different rainfall intensities

3 討論

3.1 覆蓋材料對邊坡水文效應的影響

坡面覆蓋可以起到良好的防護效果，主要作用表現在水土保持、植被恢復和土壤改良3個方面。坡面覆蓋后可以起到很好的水土保持作用，在野外自然降雨條件下，坡度為45°和60°的邊坡覆蓋椰絲草毯后，邊坡土壤侵蝕量 分 別 降 低 了89.64% 和55.58%[11］；當 降 雨 強 度 為10、30、50 mm·h-1時，北 方 半 干 旱 地 區 邊 坡 覆 蓋 黃 麻（Corchorus capsularis）毯后，土壤侵蝕量降低了99.4%[12］；人工模擬降雨強度較小時，覆蓋植物纖維毯的坡面幾乎不產生侵蝕，但隨著降雨強度的增大，植物纖維毯減蝕作用降低[13］。在植被恢復過程中，坡面增加覆蓋可以防止植物種子被徑流沖走，同時通過提高土壤含水量、降低土壤溫差、改善土壤微環境等作用促進植物生長[14-15］。坡面覆蓋還可以改善土壤結構、提高土壤有機質及營養元素含量[16］。本研究中，裸土邊坡增加覆蓋物后，可以有效減少坡面徑流量；當降雨強度為120 mm·h-1時，覆蓋椰絲草毯、秸稈纖維毯和草簾的邊坡坡面徑流量分別比裸土邊坡減少了23.25%、15.66% 和17.94%。究其原因在于覆蓋物可以與裸土邊坡相結合，顯著提高了坡面抗侵蝕能力；吸水后的覆蓋物懸垂性增強，覆蓋物可以減少或避免雨滴直接沖擊坡面，減少坡面土壤濺蝕和雨滴對表土的破碎作用，同時減弱坡面結皮[17］；植物纖維能夠吸收水分，毯層結構增強截流，從而直接減少徑流總量[18］。裸土邊坡增加覆蓋物后，促使坡體的水分滲透量增大，覆蓋椰絲草毯的坡體水分滲透量最大，達到裸土邊坡的1.65 倍，這與劉宏遠等[19］的研究結果一致。各處理邊坡水分滲透量排序為：椰絲草毯邊坡＞秸稈纖維毯邊坡＞草簾邊坡＞裸土邊坡，這與岳恒陛等[20］的研究結果相同。此外，覆蓋不同材料的坡體土壤含水量幾乎相同，這些邊坡僅是覆蓋了不同材料，各邊坡坡體土壤孔隙度一致，坡體保水能力無差異。

3.2 植被生長時間對邊坡水文效應的影響

降雨常常導致土質邊坡發生滑坡，坡面植物可以起到護坡作用。一般情況下，植物發揮護坡作用主要通過兩個途徑：植物莖葉減弱降雨的濺蝕，截留徑流，減輕降雨對于坡面的侵蝕作用，減少水土流失；植物根系起到土壤加筋作用，維持邊坡的穩定性；植物地上部分和地下部分協調統一，相互影響，共同發揮作用，減少邊坡水土流失和維持邊坡穩定性。植物根系是天然的加筋材料，邊坡穩定性隨著根系數量的增加而增大[21］，但當根系數量達到一定值時，其對邊坡穩定性的促進作用將不再提高。植物根系長度、表面積和體積隨著植物生長而逐漸增大，這些指標在一定程度上與植物生長時間呈正相關關系，因此，植物生長時間也會影響邊坡水文效應[22］。本研究中，植被邊坡抗雨水侵蝕的效果明顯，且抗侵蝕能力隨著植物生長期的延長而顯著增強，3 和4 月生植被邊坡坡面徑流中的泥沙含量均不足0.5%，說明植物生長一定時間后已經具有了很好的護坡作用；植被坡體水分滲透量均極顯著大于裸土坡體，且滲透量隨著植物生長期延長而顯著增大；4 月生植被邊坡坡面徑流量最小，坡體水分滲透量最大，邊坡抗雨水沖刷和涵養水分的能力最強，反觀降雨對裸土邊坡坡面的侵蝕較為嚴重，且裸土坡體的水分滲透量較低。分析原因可知：隨著植物根系生長，根系與坡體土壤之間的固著力增強，同時不斷生長的植物枝葉也可以降低雨水下落的速度，保護坡面的完整性；在較大強度的雨水沖擊下，裸土邊坡表層孔隙被一些細小顆粒填塞，影響雨水入滲[23］；但植被邊坡生長的植物根系與土壤接觸面可以構成良好的導水通道，增加土壤中的大孔隙，雨水快速滲透，坡體水分滲透量較大。

3.3 降雨強度對邊坡水文效應的影響

水土流失受到土壤類型、降雨特征、植被狀況等因素的影響，降雨是邊坡水土流失的先決條件，其中核心要素就是降雨強度[24］。粉質土邊坡地表徑流量和雨水入滲量與降雨強度呈正相關關系[25］。植被護坡對深層土體有錨固的效果，對淺層土體有加筋的作用，植被覆蓋能夠減弱邊坡土體表面受到沖刷的作用[26］。本研究中，當降雨強度逐漸增大時，裸土邊坡和植被邊坡坡面產流時間均逐漸縮短，同時坡面徑流量、泥沙收集量和雨水收集量均呈逐漸增大的變化趨勢，這與王曉亮[25］的研究結論基本一致。隨著降雨強度的增大，裸土邊坡和植被邊坡坡體水分滲出時間均逐漸縮短，且滲透量均逐漸減少，原因在于高速下降的雨滴沖擊破壞坡面，坡面土體在雨滴沖擊和雨水滲透力的作用下被壓實，形成侵蝕、面蝕、細溝侵蝕的現象，坡面表層松散的土體被破壞剝離，坡面徑流量逐漸增大，坡面徑流的匯流作用不斷增強，徑流侵蝕土壤能力增強，導致侵蝕量增加[27］。在降雨總量相同時，當降雨強度為60 mm·h-1時，植被邊坡并未產生坡面徑流，說明植被對于坡面的保護作用可以消減該強度降雨對坡面的沖刷侵蝕，植被發揮了較好的坡面保護作用；但植被坡面的雨水入滲能力和植被截留能力有限，隨著降雨強度的逐漸增大，植被防護難以抵消降雨對坡面的沖刷，植被邊坡開始產生坡面徑流。

4 結論

邊坡覆蓋椰絲草毯和秸稈纖維毯后，可以有效降低坡面徑流量和泥沙含量，增加坡體水分滲透。不同生長期的植被邊坡模型中，覆蓋椰絲草毯的4 月生植被邊坡模型的護坡作用極為明顯，椰絲草毯和植物兩者相互作用消減了雨水對坡面的沖擊，同時增加了坡面的粗糙度，降低了坡面徑流流速，同時植物根系增加了雨水入滲，較好地維持了坡體滲透性。當降雨強度處于60～120 mm·h-1時，植被邊坡和裸土邊坡受侵蝕程度均隨著降雨強度的增大而增大，植被邊坡的測定指標明顯優于裸土邊坡，植被發揮了較好的防護能力。粉砂性路基邊坡采用植被結合覆蓋方式開展護坡時，坡面混播狗牙根（12 g·m-2）、紫穗槐（14 g·m-2）、胡枝子（10 g·m-2）種子后覆蓋椰絲草毯（300 g·m-2），經正常管理養護，待植物生長期超過3個月后，坡面抗雨水沖刷能力顯著增強，植物和覆蓋物兩者相互作用可以消減坡面徑流量、增加坡體水分滲透量。