張樂濤，董俊武，袁 琳，朱雅琴，黃增玉，李婉璐，王慧慧，唐林昊，田紅衛(wèi)，高照良

黃土區(qū)工程堆積體陡坡坡面徑流調(diào)控工程措施的減沙效應(yīng)

張樂濤1，董俊武1，袁 琳1，朱雅琴1，黃增玉1，李婉璐1，王慧慧1，唐林昊1，田紅衛(wèi)2，高照良3※

（1. 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院環(huán)境與規(guī)劃國家級實驗教學(xué)示范中心，開封 475004； 2. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100）

定量分析減少徑流和改變水沙關(guān)系在泥沙調(diào)控中的不同作用，對于深刻理解徑流調(diào)控措施的水土保持效益具有重要意義。以黃土區(qū)工程堆積體陡坡坡面（36°）為例，探討了野外模擬徑流沖刷試驗條件下，不同工程措施及其組合調(diào)控坡面徑流的水沙效應(yīng)及其作用效率。結(jié)果表明：1）不同工程措施均能較好地調(diào)控坡面徑流侵蝕過程，不同情形下的產(chǎn)流時間控制比為2～20，徑流量控制比為0.45～0.78，產(chǎn)沙量控制比為0.20～0.59；平均含沙量控制比為0.38～0.79；2）減流控沙作用是工程措施調(diào)控坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要原因，水沙關(guān)系調(diào)沙作用則受減流控沙作用的制約；3）水平階類措施的水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量呈線性正相關(guān)，當(dāng)減流控沙量超過一定臨界值時，水沙關(guān)系才開始發(fā)揮調(diào)沙作用；水平溝類措施的水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量呈二次函數(shù)關(guān)系，水沙關(guān)系調(diào)沙量存在極大值；4）水平溝類措施調(diào)控泥沙的作用效率高于水平階類措施，水平溝+魚鱗坑的組合可很好地發(fā)揮減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙作用的潛力（55%），使二者在較高的水平上維持相對平衡；因此，不同工程措施與組合的實際應(yīng)用應(yīng)以具體的水土保持效益和防治目標(biāo)為布設(shè)依據(jù)。研究可為堆積體陡坡治理的工程措施優(yōu)化提供理論參考。

侵蝕；泥沙；徑流；水沙關(guān)系；泥沙調(diào)控能力；效率系數(shù)；棄土堆積體

0 引 言

工程堆積體是由生產(chǎn)建設(shè)活動所產(chǎn)生的棄（廢）土、棄（廢）渣等廢棄材料積聚而成的人工技術(shù)結(jié)構(gòu)體，是人類地貌活動的產(chǎn)物和典型的人工地貌景觀。從地貌過程的規(guī)模和維度看，工程堆積體是最為壯觀的人造積聚形態(tài)之一[1]。從景觀功能的角度看，工程堆積體的形成是人工選擇作用主導(dǎo)下的低洼地、溝谷甚至農(nóng)田改造為人造山丘的景觀逆轉(zhuǎn)過程。土體、地形等景觀要素的人為重組喪失了自然生態(tài)系統(tǒng)原有景觀功能的整體性和持久性。與自然坡面相比，工程堆積體地邊坡失調(diào)、地表組成物質(zhì)松散、穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)體缺失、土壤組分的質(zhì)地及肥力均遭到破壞，植被及有機(jī)質(zhì)匱乏、水文地質(zhì)條件惡化，其對降雨、風(fēng)速等自然營力的抵抗能力下降[2-4]。因此，與自然過程相比，工程堆積體的地表過程發(fā)生速度與強(qiáng)度發(fā)生了明顯改變[5-6]，是生產(chǎn)建設(shè)區(qū)新增水土流失的重要策源地[7-8]。

黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水分是制約該區(qū)生態(tài)修復(fù)的限制性因子。因此，“28字方略”仍是黃土區(qū)工程堆積體土地資源整治的指導(dǎo)性策略，以促進(jìn)地表徑流攔蓄、增加土壤入滲，為植被的迅速恢復(fù)創(chuàng)造水分條件。在此背景下，實施以工程措施為基礎(chǔ)的陡坡治理進(jìn)而恢復(fù)土壤水文功能成為促進(jìn)該區(qū)工程堆積體生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵和前提。然而，筆者在野外考察中發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)數(shù)量的工程堆積體高陡邊坡在治理、恢復(fù)過程中嚴(yán)重忽視植被分布的地帶性規(guī)律，片面強(qiáng)調(diào)植被的生態(tài)治理功能，一味盲目地追求提高植被覆蓋度，導(dǎo)致植物成活率低和局部生態(tài)環(huán)境惡化的惡性循環(huán)。

為合理有效優(yōu)化工程堆積體的管理維護(hù)、維持并提升工程堆積體的生態(tài)景觀功能，工程堆積體的微地形整治、生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建日益成為關(guān)注焦點(diǎn)與研究熱點(diǎn)[9-15]。水平階、水平溝、魚鱗坑等傳統(tǒng)陡坡治理工程廣泛應(yīng)用于工程堆積體微地形整治中，其具有縮短徑流流線、降低徑流流速、攔截坡面上方來水，促進(jìn)局地降水徑流的富集疊加等徑流調(diào)節(jié)功能，進(jìn)而在減輕土壤沖刷的同時有效改善土壤水文條件[16-22]，提高植被存活幾率、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。目前，在工程堆積體陡坡土地整治背景下，研究者多聚焦于工程措施減水減沙的綜合效益分析[10,23-25]，未能密切關(guān)注陡坡條件下工程措施的水沙調(diào)控效率，即徑流與水沙關(guān)系變化對坡面侵蝕泥沙輸出的不同調(diào)控作用，因而不能進(jìn)一步精細(xì)地量化表達(dá)工程措施的水土保持效益，以為促進(jìn)坡面水資源富集、提高水資源利用效率、提升堆積體陡坡治理水平奠定理論基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步探討工程措施對堆積體陡坡坡面侵蝕泥沙的調(diào)節(jié)作用，本文在對“神府高速公路”沿線棄土堆積體全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，以黃土區(qū)典型工程堆積體陡坡坡面為例，設(shè)計水平階、水平溝、魚鱗坑等不同的工程措施及其組合形式，采用野外放水沖刷的試驗方法，對工程措施及其組合影響下的徑流減沙（因徑流量改變引起的減沙）和水沙關(guān)系調(diào)沙（因水沙關(guān)系改變引起的減沙）過程進(jìn)行了研究，以期為堆積體陡坡工程治理過程中的措施優(yōu)化與管理維護(hù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黃河的一級支流—石馬川小流域，流域面積為243 km2。該區(qū)原生地貌主要為黃土丘陵溝壑，屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，處于440 mm等降水量線附近，降水量不足，降水主要集中在6－9月，時間分布不均，夏季平均降水284.6 mm，占全年62.77%，極易形成山洪。本區(qū)氣候干燥，日照充足，年平均氣溫8.0～8.5 ℃，無霜期平均173 d。石馬川小流域水量貧乏，年徑流總量約為0.2144億m3，年輸沙量約為597萬t。原生植主要包括檸條（Kom）、沙棘（Linn.）、酸棗（Mill. var.(Bunge) Hu ex H. F. Chow）等落葉闊葉灌叢，原生土壤類型主要為黃綿土和風(fēng)沙土，該流域土壤侵蝕形式以水蝕為主，多年平均年土壤侵蝕模數(shù)為3.04×104t/(km2·a)，水土流失嚴(yán)重[26]。

神木至府谷高速公路在建設(shè)過程中產(chǎn)生頂部平臺面積大于250 m2的工程堆積體120座，坡度變化范圍為30°～50°，陡坡斜長變化范圍為5～80 m，其中，35°～40°和10～25 m的堆積體數(shù)量最多，占比分別為67.5%（81座）和62.5%（75座）。

布設(shè)徑流試驗小區(qū)的工程堆積體位于神木—府谷高速公路沿線的一處棄土場（38°56′15.5″N，110°53′10.0″E），由依溝傾倒棄土形成，距石馬川收費(fèi)站約0.8 km，海拔高度966 m。堆積體為“頂部平臺+高陡邊坡”結(jié)構(gòu)，于2012年達(dá)到堆積的穩(wěn)定狀態(tài)。平臺面積約為2.8 hm2，邊坡平均坡度為36°，陡坡平均斜長為78 m，坡面未布設(shè)水土保持措施。自然恢復(fù)的植被主要以沙蓬（(Linn.)Moq）、沙柳（）等沙地植被為主，植被覆蓋率低。坡面地表組成物質(zhì)以黃綿土為主，土石比超過9:1，粒徑多在1 mm以下（表1）。

表1 土壤顆粒組成

1.2 試驗設(shè)計與觀測

徑流小區(qū)的頂端與頂部平臺的距離為63 m，沿坡長方向布設(shè)，長12 m，寬2.5 m，坡度為36°。工程措施布設(shè)方式及規(guī)格如下：

1）為紊亂坡面徑流流線、改變徑流運(yùn)動方向，緩解徑流強(qiáng)度，沿坡寬方向修筑的長2.5 m、寬30 cm的水平階，布設(shè)方式為：①均勻型，4個水平階，沿坡長方向的間距為3 m；②增加型（間距），4個水平階，沿坡長方向的間距分別為1、2、3、4 m；

2）為存蓄坡面徑流、攔截侵蝕泥沙，沿坡寬方向修建長2.5 m、頂寬30 cm、深10 cm的水平溝，斷面為梯形，布設(shè)方式為：①均勻型，4條水平溝，沿坡長方向的間距為3 m；②增加型（間距），4條水平溝，沿坡長方向的間距分別為1、2、3、4 m；

3）工程措施組合方式：①水平階+水平溝組合（規(guī)格與前述統(tǒng)一），按“水平階+水平溝+水平階+水平溝”的格局布設(shè)，沿坡長方向的間距分別為1、2、3、4 m；②水平階+魚鱗坑組合，水平階的規(guī)格與前述統(tǒng)一，魚鱗坑的半徑為25 cm，深為10 cm，魚鱗坑呈“品”字形布設(shè)，總體沿坡長方向按“水平階+魚鱗坑+魚鱗坑+水平溝”的格局布設(shè)，沿坡長方向的間距分別為1、2、3、4 m；③水平溝+魚鱗坑組合（水平溝、魚鱗坑的規(guī)格與前述統(tǒng)一），沿坡長方向按“水平溝+魚鱗坑+魚鱗坑+水平溝”的格局布設(shè)，沿坡長方向的間距分別為1、2、3、4 m。為對比試驗結(jié)果，設(shè)置裸露坡面的對照試驗，不布設(shè)任何措施。試驗過程中，共有8種試驗情形產(chǎn)生有效觀測，各場次試驗的放水時間視情況持續(xù)時間約為30 min，各情形設(shè)置重復(fù)一次。

模擬放水試驗的放水流量按如下方式計算：放水流量=（模擬寬度/實際溝間距）×降水強(qiáng)度×匯水面積×產(chǎn)流系數(shù)，徑流系數(shù)取值0.65；最大1 h降水強(qiáng)度取100 mm/h，溝蝕發(fā)生的臨界匯水面積變化取300 m2，溝間距30 m，試驗中的模擬寬度為2.5 m，利用上述算法計算得出放水流量為27 L/min。因此，根據(jù)前期試驗結(jié)果[27]和該區(qū)暴雨產(chǎn)流在試驗小區(qū)產(chǎn)生的單寬流量，設(shè)計供水流量為25 L/min。試驗開始前，利用流量計和用標(biāo)有刻度的徑流桶率定放水流量2～3次，沿坡長方向設(shè)置4個等間距的觀測斷面（圖2）。試驗開始后，待小區(qū)出口產(chǎn)生徑流時，記錄出流時間，并在小區(qū)出口處接取徑流泥沙樣品。徑流泥沙樣在產(chǎn)流后3 min內(nèi)每1 min取1次，3 min后每隔2 min取1次。徑流桶的半徑為0.49 m，高1 m，不設(shè)分流設(shè)施，徑流桶接收全部泥沙和徑流。徑流桶內(nèi)設(shè)置一把量程為150 mm、精度為1 mm的直尺，根據(jù)徑流桶內(nèi)的水位變化過程推算小區(qū)徑流、泥沙過程。泥沙樣品烘干后用天平稱其質(zhì)量（精度為0.01 g），徑流均換算為清水體積，含沙量為渾水樣品中泥沙質(zhì)量與清水體積的比值。試驗結(jié)束后，將小區(qū)全部進(jìn)行翻新、填土，重新布設(shè)工程措施，盡可能使不同場次試驗的地表狀況一致，表面進(jìn)行灑水（翻新期間如遇晚間降雨，則不灑水），晾置12 h后，重新進(jìn)行試驗。試驗期間，土壤容重變化范圍為1.32～1.41 g/cm3，前期質(zhì)量含水率變化范圍為13.6%～14.6%。

試驗系統(tǒng)、試驗過程和觀測參照參考文獻(xiàn)[2,7]，不同工程措施斷面的設(shè)計規(guī)格及坡面措施布局如圖1和圖2所示。

圖1 工程措施的橫斷面設(shè)計

圖2 坡面工程措施布設(shè)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1）控制比（）

為表征工程措施對坡面徑流侵蝕的實際控制作用，采用控制比反映工程措施實施前后堆積體坡面徑流、侵蝕泥沙的變化情況。

式中表示產(chǎn)流時間，min；徑流量，m3；產(chǎn)沙量，kg；平均徑流含沙量，kg/m3等觀測指標(biāo)，1表示裸露坡面的觀測結(jié)果，2表示不同工程措施情形下的觀測結(jié)果。

2）泥沙調(diào)控能力（）

徑流驅(qū)動的侵蝕泥沙輸出過程受徑流量和水沙關(guān)系的制約[20]，水土保持措施調(diào)節(jié)下的侵蝕泥沙變化可以分解為兩種來源：徑流量變化引起的侵蝕泥沙變化和水沙關(guān)系改變引起的侵蝕泥沙變化[28-30]。

工程措施實施前后的產(chǎn)沙量變化可用下式表示

式中Δ為工程措施發(fā)揮作用后的總減沙量，kg；1為工程措施實施前的總產(chǎn)沙量，kg；2為工程措施實施后的總產(chǎn)沙量，kg；Δ為工程措施發(fā)揮作用后的產(chǎn)流變化總量，m3；1為工程措施實施前的總產(chǎn)流量，m3；2為工程措施實施后的總產(chǎn)流量，m3；Δ為工程措施發(fā)揮作用后徑流含沙量的變化量，kg/m3；1為工程措施實施前的徑流平均含沙量，kg/m3；2為工程措施實施后的徑流平均含沙量，kg/m3。

式（2）中，1Δ項可被認(rèn)為是徑流量改變所引起的泥沙量的變化，定義為減流控沙量（SR）；而Δ2項則可被認(rèn)為是徑流含沙量也即水沙關(guān)系改變引起的泥沙量的變化，定義為水沙關(guān)系調(diào)沙量（SR）。

式（1）左右兩邊同時除以Δ，可得

式（3）中，定義SRC、1和2Δ/Δ分別為不同措施條件下單位徑流的泥沙調(diào)控能力、減流控沙能力（SRC）和水沙關(guān)系調(diào)沙能力（SRC），kg/m3。

式（3）表明，不同措施條件下單位徑流對泥沙的調(diào)控作用表現(xiàn)為兩個方面：一為對原始坡面含沙水流的阻滯，包括攔蓄泥沙、增加“沙匯”和減少徑流量，表現(xiàn)為減流控沙能力；一為降低徑流含沙量，改善水沙傳遞關(guān)系，表現(xiàn)為水沙關(guān)系調(diào)沙能力。

3）泥沙調(diào)控效率系數(shù)（、）

令Δ=1，即為徑流量改變所能引起的減沙潛力，定義為減流控沙潛力

SRP

R=

S

1

Q

1

（4）

令Δ=1，此時即為徑流含沙量即水沙關(guān)系改變所能引起的泥沙調(diào)節(jié)潛力，定義為水沙關(guān)系調(diào)沙潛力

SRP

S

=

S

1

Q

2

（5）

式中SRP、SRP分別表示徑流的控沙潛力和水沙關(guān)系的調(diào)沙潛力，kg。

因此，式（2）可變?yōu)?/p>

本文定義、分別為減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙作用的效率系數(shù)。

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 18.0，繪圖使用SigmaPlot 13.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工程措施的徑流泥沙調(diào)控效益

受工程措施特點(diǎn)和布設(shè)方式的影響，不同工程措施配置對徑流、侵蝕的控制比差距較大（表2）。水平溝+魚鱗坑組合對延遲坡面出流歷時（水流從坡頂（進(jìn)水端）匯流至小區(qū)出口（出水端）所需要的時間）、控制產(chǎn)水量的作用最佳（控制比分別為20.0、0.45），而均勻型水平溝攔蓄坡面泥沙、降低徑流含沙量的效果最佳（控制比分為0.20、0.38）；相反地，均勻型水平階對延長坡面出流歷時、減小坡面徑流量的作用最差（控制比分別為2.0、0.78），而增加型水平階控制坡面產(chǎn)沙量、減小徑流含沙量的效果最差（控制比分別為0.59、0.79）。上述結(jié)果表明，與水平階類措施相比，水平溝類措施的坡面徑流泥沙調(diào)控效益較佳。

簡單回歸分析發(fā)現(xiàn)，在工程措施的調(diào)控下，隨著CR的提高，CR、CR、CR呈下降趨勢，表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。出流時間、徑流量、產(chǎn)沙量、平均含沙量間的控制比存在如下相關(guān)關(guān)系

CR

W

=1.23CR

Q

–0.37

R

2

=0.89 （10）

式中CR、CR、CR、CR分別表示工程措施調(diào)控下出流時間、徑流量、產(chǎn)沙量和平均含沙量的控制比，擬合的數(shù)據(jù)樣本量為7。

表2 不同工程措施影響下的坡面徑流侵蝕響應(yīng)

2.2 減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙動態(tài)過程

根據(jù)式（2）分別計算不同工程措施配置影響下不同觀測時段內(nèi)的減流控沙量和水沙關(guān)系調(diào)沙量，得到減流控沙量和水沙關(guān)系調(diào)沙量隨時間變化的變化趨勢（圖3）。

不同工程措施布局情形影響下的減流控沙量和水沙關(guān)系調(diào)沙量呈現(xiàn)出不同的時間變化特征：1）減流控沙量隨時間呈現(xiàn)先迅速增大后迅速減小的單峰“拋物線”變化趨勢，控沙量峰值均出現(xiàn)在坡面產(chǎn)流后的9～12 min（以對照組產(chǎn)流時間計），且減流控沙量均為正值；2）水沙關(guān)系調(diào)沙量隨時間呈現(xiàn)非單峰的波動變化趨勢，不同措施組合的水沙關(guān)系調(diào)沙量峰值出現(xiàn)在坡面產(chǎn)流后的不同時段，水平階類措施的水沙關(guān)系調(diào)沙量峰值出現(xiàn)在坡面產(chǎn)流后的6～12 min，水平溝類措施的水沙關(guān)系調(diào)沙量峰值出現(xiàn)在坡面產(chǎn)流后的15～18 min（以對照組產(chǎn)流時間計），而到試驗后期，水平階類措施的水沙關(guān)系調(diào)沙量出現(xiàn)負(fù)值；3）針對不同的措施組合，減流控沙量始終明顯高于同時段的水沙關(guān)系調(diào)沙量。上述現(xiàn)象表明，不同措施組合通過控制徑流減少侵蝕泥沙輸出的作用過程類似，對減流控沙量的影響具有一致性（如峰現(xiàn)時間、總體趨勢等）；而通過調(diào)節(jié)水流攜沙力減少泥沙輸移數(shù)量的作用過程則因不同措施組合而有不同，對水沙關(guān)系調(diào)沙量的影響具有不確定性（如峰現(xiàn)時間、正負(fù)效應(yīng)等）；通過控制徑流減少泥沙，也即發(fā)揮減流控沙能力是不同工程措施組合發(fā)揮泥沙調(diào)控作用的主要方面。

圖3 不同工程措施下減流控沙量和水沙關(guān)系調(diào)沙量的時間變化特征

通過回歸分析可得到不同工程措施布局情形下水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量之間的數(shù)量關(guān)系（表3）。

表3 水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量間的回歸關(guān)系

注：回歸結(jié)果均在=0.01水平上具有顯著性。

Note: All the regression results are statistically significant at 0.01 levels.

表3結(jié)果顯示，水平階類措施影響下的水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量的變化同頻（正相關(guān)），由受水平階單一影響的線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槭芩诫A+水平溝、水平階+魚鱗坑復(fù)合影響的對數(shù)關(guān)系，表明此類措施及其組合情形下徑流量的調(diào)控對水沙關(guān)系的改善具有重要影響?；貧w關(guān)系表明，當(dāng)減流控沙量達(dá)到某一臨界時，水沙關(guān)系的調(diào)節(jié)才能發(fā)揮調(diào)控泥沙的作用。試驗條件下，均勻型水平階、增加型水平階、水平階+水平溝和水平階+魚鱗坑四種情形下這一減流控沙量的臨界值分別為7.5、16.8、14.6、25 kg。

水平溝類措施影響下的水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量的變化則出現(xiàn)異頻現(xiàn)象（呈現(xiàn)先增大后減小的單峰拋物線趨勢），表明此類措施及其組合情形下當(dāng)徑流的調(diào)節(jié)功能達(dá)到某一臨界時，水沙關(guān)系的調(diào)沙功能達(dá)到極限，當(dāng)減流控沙量超越這一臨界時，水沙關(guān)系調(diào)沙量開始下降，此時徑流量的調(diào)控已不能顯著改善坡面水沙關(guān)系。試驗條件下，均勻型水平溝、增加型水平溝和水平溝+魚鱗坑3種情形下的臨界減流控沙量值和最大水沙關(guān)系調(diào)沙量值分別為：40.5、24.4 kg；47.7、22.5 kg；44.5、31.2 kg。

2.3 不同工程措施的泥沙調(diào)控效率

不同措施影響下減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙作用的效率系數(shù)變化及其相互關(guān)系列于表4。

綜合泥沙調(diào)控過程可以發(fā)現(xiàn)，水平階類措施影響下減流控沙作用的效率系數(shù)波動范圍與變異性整體低于水平溝類措施，水沙關(guān)系調(diào)沙作用的效率系數(shù)波動范圍與變異性則呈現(xiàn)相反的變化（表4），表明水平階類措施能夠維持較為穩(wěn)定的減流控沙功能，而水平溝類措施則能夠維持較為穩(wěn)定的水沙關(guān)系調(diào)沙功能。水平階類措施條件下水沙關(guān)系調(diào)沙作用的效率系數(shù)與減流控沙作用的效率系數(shù)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系；水平溝類措施條件下則呈線性函數(shù)關(guān)系。就綜合值而言，水平階類措施條件下的減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙作用均處于較低水平（效率系數(shù)分別為0.22～0.47、0.21～0.28）；與水平階類措施相比，水平溝類措施能明顯提高減流控沙作用和水沙關(guān)系調(diào)沙作用的作用效率（效率系數(shù)分別為0.48～0.55、0.55～0.62），表明水平溝類措施更容易發(fā)揮減流控沙作用和水沙關(guān)系調(diào)沙作用。從、綜合值的對比關(guān)系來看，不同措施類型及組合條件下減流控沙與水沙關(guān)系調(diào)沙作用的對比關(guān)系不同：增加型水平階、水平階+魚鱗坑條件下減流控沙作用的調(diào)控效率高于水沙關(guān)系調(diào)沙作用（:＞1），均勻型水平階、水平階+水平溝、均勻型水平溝、增加型水平溝條件下減流控沙作用的調(diào)控效率低于水沙關(guān)系調(diào)沙作用（:＜1），水平溝+魚鱗坑條件下二者作用效率相當(dāng)（:=1）。

不同工程措施情形下的減流控沙與水沙關(guān)系調(diào)沙占比及其減沙能力列于表5。表5顯示水平溝+魚鱗坑組合情形下減流控沙占比最大，水沙關(guān)系調(diào)沙占比最??；均勻型水平階與均勻型水平溝情形下減流控沙占比最小，水沙關(guān)系調(diào)沙占比最大。均勻型水平階與水平階+水平溝情形下的單位徑流調(diào)控能力與水沙關(guān)系調(diào)沙能力最大，而水平階+魚鱗坑情形下的單位徑流調(diào)控能力與水沙關(guān)系調(diào)沙能力最小。

注：回歸結(jié)果均在=0.01水平上具有顯著性。

Note: All the regression results are statistically significant at 0.01 levels.

表5 不同工程措施的減沙能力

3 討 論

地表徑流是誘發(fā)坡面侵蝕產(chǎn)沙的根本原因和直接動力，坡面徑流調(diào)控是防治土壤侵蝕的關(guān)鍵。減流控沙作用和水沙關(guān)系調(diào)沙作用是坡面徑流調(diào)控水沙效應(yīng)的兩個重要方面。各類工程措施及其組合均能通過明顯削減洪峰流量、有效控制徑流總量，降低徑流含沙量、減少侵蝕泥沙輸出。從泥沙調(diào)控的時間變化特征中可以看出，不同工程措施類型影響下的減流控沙量及其在總減沙量中的占比明顯高于水沙關(guān)系調(diào)沙量（圖3），當(dāng)水沙關(guān)系調(diào)沙量為負(fù)值時，減流控沙量甚至能達(dá)到總減沙量的400倍以上；而從綜合作用結(jié)果看，不同工程措施的減流控沙量在總減沙量中的占比均超過50%，最低為均勻型水平階的52%，最高為水平溝+魚鱗坑的77%。因此，工程措施影響下的坡面徑流調(diào)控主要是通過發(fā)揮減流控沙作用來減少坡面侵蝕產(chǎn)沙的數(shù)量。

從作用效率及其對比關(guān)系上看，減流控沙作用與水沙關(guān)系調(diào)沙作用相互制約、相互影響。除水平溝+魚鱗坑的組合類型外，水平階、水平溝、魚鱗坑（水毀無效）等單一的工程措施均不能在較高的效率水平上維持減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙作用的相對平衡。在此情形下，坡面徑流調(diào)控的減流控沙潛力和水沙關(guān)系調(diào)沙潛力均得到了相當(dāng)程度的發(fā)揮（55%），徑流量和產(chǎn)沙量的控制比也達(dá)到最低，是最優(yōu)措施布設(shè)方案（調(diào)控效率和調(diào)控效果而言）。

從不同措施徑流調(diào)控的作用機(jī)制上看，水平階類措施影響下的徑流調(diào)控作用主要體現(xiàn)在改變坡面水流流線（如改變運(yùn)動方向、延長等路徑長度）而非徑流攔蓄，因而消減徑流量的作用并不突出，盡管提高了單位徑流的泥沙調(diào)控能力和水沙關(guān)系調(diào)沙能力（水平階+魚鱗坑較低除外），由于減流控沙的作用效率處于較低水平，水沙關(guān)系調(diào)沙的作用水平也較低（減流控沙是水沙關(guān)系調(diào)沙的前提）。水平溝類措施則與之相反，其徑流調(diào)控作用主要為徑流攔蓄，徑流量的控制比較低，減流控沙作用效率較高。然而，與水平階類措施持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)揮調(diào)節(jié)作用不同，水平溝類措施有限的攔蓄庫容決定了水沙關(guān)系調(diào)節(jié)作用的上限，措施被蓄滿、淤滿后，水沙關(guān)系調(diào)沙作用不再變化，甚至在措施發(fā)生水毀后加速泥沙的釋放。因此，盡管對泥沙的控制比較低、作用效率較高，單位徑流的泥沙調(diào)控能力和水沙關(guān)系調(diào)沙能力卻并不突出。因此，如以保有坡面水資源、提高減沙效率為目標(biāo)，應(yīng)考慮以布設(shè)水平溝類措施、降低水文連通度為主；如以增加坡面產(chǎn)水量、提高單位徑流泥沙調(diào)控能力并達(dá)到一定的減沙效果為目標(biāo)，則應(yīng)考慮以布設(shè)水平階類措施、提升坡面徑流的緩沖效果為主。

4 結(jié) 論

本文以黃土區(qū)工程堆積體陡坡坡面為例，設(shè)計不同的水土保持工程措施，通過野外模擬徑流沖刷試驗的方法，分析了工程措施徑流調(diào)控的水沙效應(yīng)及其作用效率。主要結(jié)論為：1）減少徑流、發(fā)揮減流控沙作用是工程措施抑制坡面侵蝕、調(diào)控泥沙的主要原因，水沙關(guān)系的調(diào)沙過程受減流控沙過程的制約；2）水平階類措施條件下水沙關(guān)系調(diào)沙量與減流控沙量之間呈線性函數(shù)關(guān)系，水平溝類措施下則呈二次函數(shù)關(guān)系；3）水平溝+魚鱗坑的組合措施能在較高的效率水平上維持減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙作用的相對平衡；4）水平階類措施下水沙關(guān)系調(diào)沙作用的效率系數(shù)與減流控沙作用的效率系數(shù)之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，水平溝類措施下則呈線性函數(shù)關(guān)系；5）水平階類措施的優(yōu)點(diǎn)為單位徑流泥沙調(diào)控能力和水沙關(guān)系調(diào)沙能力較大，不足為減流控沙和水沙關(guān)系調(diào)沙的作用效率較低；水平溝類措施的優(yōu)點(diǎn)為減流控沙量大、徑流調(diào)控作用效率高，缺點(diǎn)為徑流的消耗數(shù)量大；在生產(chǎn)實踐中，不同工程措施的選擇及組合措施的布設(shè)應(yīng)以具體目標(biāo)為依據(jù)。

[1] Anghel T, Balazsi K. Modelling processes on spoil heaps[J]. Revista de geomorfologie, 2005, 7: 133－140.

[2] Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Yang Shiwei, et al. Dynamic processes of soil erosion by runoff on engineered landforms derived from expressway construction: A case study of typical steep spoil heap[J]. Catena, 2015, 128: 108－121.

[3] Zhang Letao, Gao Zhaoiang, Li Zhanbin, et al. Downslope runoff and erosion response of typical engineered landform to variable inflow rate patterns from upslope[J]. Natural Hazards, 2016, 80(2): 775－796.

[4] Hancock G R, Crawter D, Fityus S G, et al. The measurement and modelling of rill erosion at angle of repose slopes in mine spoil[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2008, 33: 1006－1020.

[5] Lu Huizhong, Cao Longxi, Liang Yin, et al. Mineral-leaching chemical transport with runoff and sediment from severely eroded rare-earth tailings in southern China[J]. Solid Earth, 2017, 8(4): 845－855.

[6] 史東梅，蔣光毅，彭旭東，等. 不同土石比的工程堆積體邊坡徑流侵蝕過程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(17)：152－161.

Shi Dongmei, Jiang Guangyi, Peng Xudong, et al. Runoff erosion process on slope of engineering accumulation with different soil-rock ratio[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(17): 152－161. (in Chinese with English abstract)

[7] 張樂濤，高照良，田紅衛(wèi). 工程堆積體陡坡坡面土壤侵蝕水動力學(xué)過程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(24)：94－102.

Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Tian Hongwei. Hydrodynamic process of soil erosion in steep slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 94－102. (in Chinese with English abstract)

[8] 牛耀彬，高照良，李永紅，等. 工程堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)發(fā)育及其與產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(19)：154－161.

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Rill morphology development of engineering accumulation and its relationship with runoff and sediment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 154－161. (in Chinese with English abstract)

[9] 楊婭雙，王金滿，萬德鵬. 人工堆墊地貌微地形改造及其水土保持效果研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2018，37(2)：569－579.

Yang Yashuang, Wang Jinman, Wan Depeng. Mcro- topography modification and its effects on the conservation of soil and water in artificially piled landform area: A review[J]. Chinese Journal of Ecology, 2018, 37(2): 569－579. (in Chinese with English abstract)

[10] 郭建英，何京麗，李錦榮，等. 典型草原大型露天煤礦排土場邊坡水蝕控制效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(3)：296－303.

Guo Jianying, He Jingli, Li Jinrong, et al. Effects of different measures on water erosion control of dump slope at opencast coal mine in typical steppe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 296－303. (in Chinese with English abstract)

[11] Feng Tianjiao, Wei Wei, Chen Liding, et al. Effects of land preparation and artificial vegetation on soil moisture in a hilly loess catchment in China[J]. Land Degradation & Development, 2018, 29: 1427－1441.

[12] Novianti V, Marrs R H, Choesin D N, et al. Natural regeneration on land degraded by coal mining in a tropical climate: Lessons for ecological restoration from Indonesia[J]. Land Degradation & Development, 2018, 29: 4050－4060.

[13] Brofas O, Varelides C. Hydro-seeding and mulching for establishing vegetation on mining spoils in Greece[J]. Land Degradation & Development, 2000, 11: 375－382.

[14] Tizado E J, Nú?ez-Pérez E. Terrestrial arthropods in the initial restoration stages of anthracite coal mine spoil heaps in northwestern Spain: potential usefulness of higher taxa as restoration indicators[J]. Land Degradation & Development, 2016, 27: 1131－1140.

[15] Harantová L, Mudrák O, Kohout P, et al. Development of microbial community during primary succession in areas degraded by mining activities[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28: 2574－2584.

[16] 李萍，朱清科，趙磊磊，等. 黃土丘陵溝壑區(qū)魚鱗坑雨季土壤水分狀況[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(7)：76－81.

Li Ping, Zhu Qingke, Zhao Leilei, et al. Soil moisture of fish-scale pit during rainy season in Loess hilly and gully region[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 76－81. (in Chinese with English abstract)

[17] 周瑤，馬紅彬，賈希洋，等. 不同生態(tài)恢復(fù)措施下寧夏黃土丘陵典型草原土壤質(zhì)量評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(18)：102－110.

Zhou Yao, Ma Hongbin, Jia Xiyang, et al. Soil quality assessment under different ecological restoration measures in typical steppe in loess hilly area in Ningxia[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18): 102－110. (in Chinese with English abstract)

[18] 張海，張立新，柏延芳，等. 黃土峁?fàn)钋鹆陞^(qū)坡地治理模式對土壤水分環(huán)境及植被恢復(fù)效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(11)：108－113.

Zhang Hai, Zhang Lixin, Bai Yanfang, et al.Effects of management models in sloping fields on soil moisture and vegetation restoration in the hilly and gully regions of the Loess Plateau[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(11): 108－113. (in Chinese with English abstract)

[19] 張北贏，徐學(xué)選，劉文兆. 黃土丘陵溝壑區(qū)不同水保措施條件下土壤水分狀況[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(4)：54－58.

Zhang Beiying, Xu Xuexuan, Liu Wenzhao. Soil water condition under different measures of soil and water conservation in loess hilly and gully region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(4): 54－58. (in Chinese with English abstract)

[20] 任柯蒙，衛(wèi)偉，趙西寧，等. 基于水蝕預(yù)報模型的黃土高原水平階減流阻蝕效應(yīng)模擬[J]. 生態(tài)學(xué)報，2018，38(14)：5067－5077.

Ren Kemeng, Wei Wei, Zhao Xining, et al. Simulation of the effects of level bench terraces on water erosion reduction in the Loess Plateau based on the WEPP model[J]. Acta Ecologica, 2018, 38(14): 5067－5077. (in Chinese with English abstract)

[21] 張巖，楊松，李鎮(zhèn)，等. 陜北黃土區(qū)水平條帶整地措施對切溝發(fā)育的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(7)：125－130.

Zhang Yan, Yang Song, Li Zhen, et al. Effect of narrow terrace on gully erosion in Northern Shaanxi Loess area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 125－130. (in Chinese with English abstract)

[22] Li Lusheng, Gao Xiaodong, Wu Pute, et al. Soil water content and root patterns in a rain-fed jujube plantation across stand ages on the loess plateau of China[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28: 207－216.

[23] 楊波，王文龍，郭明明，等. 模擬降雨條件下棄渣體邊坡不同防護(hù)措施的減水減沙效益[J]. 土壤學(xué)報，2017，54(6)：1357－1368.

Yang Bo, Wang Wenlong, Guo Mingming, et al. Study on runoff and sediment reducing effects of erosion control measures on slopes of slag dumps with simulated rainfall[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(6): 1357－1368. (in Chinese with English abstract)

[24] Gilley J E, Gee G W, Bauer A, et al. Runoff and erosion characteristics of surface-mined sites in western North Dakota[J]. Transactions of the ASAE, 1977, 20(4): 697－700, 704.

[25] Martín-Moreno C, Martín Duque J F M, Nicolau Ibarra J M, et al. Effects of topography and surface soil cover on erosion for mining reclamation: The experimental spoil heap at EI Machorro mine (Central Spain)[J]. Land Degradation & Development, 2016, 27: 145－159.

[26] 府谷縣志編纂委員會. 府谷縣志[M]. 西安：陜西人民出版社，1994.

[27] 張樂濤，高照良，李永紅，等. 模擬徑流條件下工程堆積體陡坡土壤侵蝕過程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(8)：145－153.

Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Soil erosion process of engineering accumulation in steep slope under simulated runoff conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 145－153. (in Chinese with English abstract)

[28] Zhang Letao, Li Zhanbin, Wang He, et al. Influence of intra-event-based flood regime on sediment flow behavior from a typical agro-catchment of the Chinese Loess Plateau[J]. Journal of Hydrology, 2016, 538: 71－81.

[29] Zhang Jianjun, Zhang Xiaoping, Li Rui, et al. Did streamflow or suspended sediment concentration changes reduce sediment load in the middle reaches of the Yellow River?[J]. Journal of Hydrology, 2017, 546: 357－369.

[30] Zhang Jianjun, Gao Guangyao, Fu Bojie, et al. Explanation of climate and human impacts on sediment discharge change in Darwinian hydrology: Derivation of a differential equation[J]. Journal of Hydrology, 2018, 559: 827－834.

Sediment-reducing benefits by runoff regulation under engineering measures in steep slope of abandoned soil deposits in Chinese loessial region

Zhang Letao1, Dong Junwu1, Yuan Lin1, Zhu Yaqin1, Huang Zengyu1, Li Wanlu1, Wang Huihui1, Tang Linhao1, Tian Hongwei2, Gao Zhaoliang3※

(1.475004,;2.,,430010,; 3.,,712100,)

It is of significant sense to quantitatively distinguish the different role of decreasing runoff and changing flow-sediment relationship in sediment control, which will be helpful to profoundly understand the soil and water conservation benefits of runoff regulation measures. In order to explore the water-sediment effects and associated control efficiency of different engineering measures and their combinations in regulating runoff yield and sediment export from the deposit slope, a series of simulated runoff scouring experiments under the control of different engineering measures were conducted on a steep deposit slope (36°) along the Shenmu-Fugu Expressway in the loessial region of China. Several types of traditional engineering measures were designed in the study, among which individual measures included level terraces, level trenches, and fish-scale pits. In order to optimize the layouts of engineering measures on the slope, combined measures of level terraces + level trenches, level trenches + fish-scale pits, and level trenches+ fish-scale pits were also designed. Closed runoff plots with a size of 2.5×12 m2were established on the deposit slope, clean water was added at the top of the plot with an inflow rate of 25 L/min to simulate surface runoff processes. Runoff and sediment was funneled through a PVC tube down to a bucket with a radius of 0.49 m and a height of 1 m. Runoff and sediment samples from the plots were collected by were taken using1000 mL plastic bottles every 1 min in initial 3 min of each run and then every 2 min for the rest of the duration, for determining sediment concentration. Therefore, the runoff and sediment process was calculated under different scenarios. The results showed that slope runoff and erosion were well controlled by engineering measures, and the control ratio of runoff commencement time, runoff, sediment export, and mean sediment concentration varied from 2 to 20, 0.45 to 0.78, 0.20 to 0.59, and 0.38 to 0.79 under different situations, respectively. Overall, sediment reduction induced by decreasing runoff was the main cause for sediment reduction benefits by engineering measures. However, sediment reduction induced by flow-sediment relationship changes was highly dependent on the behavior of decreasing runoff in reducing sediment output. For level terrace-based measures, sediment reduction induced by flow-sediment relationship changes was positively and linearly correlated to sediment reduction induced by decreasing runoff. The sediment regulation effects of altering flow-sediment relationship initiated, when sediment reduction induced by decreasing runoff exceeded a certain threshold. For level trench-based measures, there was a quadratic function relationship between sediment reduction induced by flow-sediment relationship changes and sediment reduction induced by decreasing runoff. Furthermore, a climax existed for sediment reduction induced by flow-sediment changes. In terms of sediment control, the level trench-based measures were more efficient than level terrace-based measures. In the case of the combination of level trench and fish-scale pit, the potential of decreasing runoff and altering flow-sediment relationship in reducing sediment output was well exerted with the efficiency coefficient being 55%. It indicated that relative equilibrium between the two causes for sediment reduction was kept at a high level under this combination. Therefore, the application of different engineering measures and their combinations should be considered based on specific soil and water conservation benefits and erosion control goals. The study provides theoretical references for the optimization of engineering measure in soil and water conservation management of steep deposit slope.

erosion; sediment; runoff; flow-sediment relationship; sediment-reducing capacity; efficiency coefficient; abandoned soil deposits

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.014

S157.1

A

1002-6819(2019)-15-0101-09

2019-01-26

2019-07-28

國家自然科學(xué)基金項目（41807066，41671283，51309093）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFC0501706-02）；河南大學(xué)一流學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊培育項目（2018YLTD16）

張樂濤，講師，博士，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：letao_20062006@126.com

高照良，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

張樂濤，董俊武，袁琳，朱雅琴，黃增玉，李婉璐，王慧慧，唐林昊，田紅衛(wèi)，高照良. 黃土區(qū)工程堆積體陡坡坡面徑流調(diào)控工程措施的減沙效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(15)：101－109. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.014 http://www.tcsae.org

Zhang Letao, Dong Junwu, Yuan Lin, Zhu Yaqin, Huang Zengyu, Li Wanlu, Wang Huihui, Tang Linhao, Tian Hongwei, Gao Zhaoliang. Sediment-reducing benefits by runoff regulation under engineering measures in steep slope of abandoned soil deposits in Chinese loessial region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 101－109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.014 http://www.tcsae.org