三峽庫區(qū)低等級土質(zhì)道路侵蝕及防護研究.pdf

1、道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，是促進不同區(qū)域之間能流、物流、信息流交換的重要通道。然而道路作為一種純粹的人為景觀，必然對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。在三峽庫區(qū)，地形起伏大，人為建設(shè)活動頻繁，道路建設(shè)與維修活動所形成的土壤侵蝕已經(jīng)成為不可忽視的土壤流失類型，影響流域水文過程、受納水體水質(zhì)，加速庫區(qū)淤積，成為一個亟待解決的環(huán)境問題。開展道路，尤其是低等級土質(zhì)道路的侵蝕規(guī)律及防護的研究，弄清道路侵蝕-水文過程及其防控途徑，對于完善區(qū)

2、域-坡面土壤侵蝕過程研究有重要理論意義，對解決三峽庫區(qū)道路侵蝕防護有重要的實踐意義。本文以土質(zhì)道路為研究對象，將道路系統(tǒng)分解為路塹邊坡、路面和路堤邊坡，通過設(shè)置不同邊坡植被防護模式如自然恢復(fù)(NR)、草灌結(jié)合(GS)、草本(GR)、梯坎&草灌結(jié)合(TGS)、植生帶(SS)、坡耕地(FL)、草本&坡耕地(GF)，結(jié)合人工模擬降雨試驗、模擬沖刷試驗、原位剪切試驗等，分析不同植被防護模式對道路路塹和路堤邊坡土壤性質(zhì)改良、強度提升、侵蝕規(guī)律和防

3、護等方面影響，遴選出最佳防護模式。通過室內(nèi)模擬降雨試驗，研究不同路面結(jié)構(gòu)降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及邊溝對路面侵蝕水沙輸移影響，借助臨時路面徑流小區(qū)，通過野外自然降雨觀測試驗，探討不同交通荷載和雨型等條件下，路面侵蝕及污染物初始沖刷等相關(guān)問題。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴通過在道路邊坡進行植物防護和原位剪切試驗，研究了不同植被防護措施對邊坡抗剪強度(τ)影響。結(jié)果表明，植被根系隨土壤深度增加而減少，表層(0～10 cm)根系長度密度(Root

4、 length density, RLD)占總RLD的34％～78％;植被根系含量及蓋度與土壤水分含量(Soil water content，SWC)呈指數(shù)正相關(guān)。表層(0～10 cm)土壤抗剪強度主要受植被根系及蓋度影響，隨著根系長度密度（RLD）、根系重量密度（Root weight density, RWD）、植被蓋度(Vegetation cover,VC)增加呈指數(shù)形式增大。30 cm深度土壤抗剪強度值顯著低于10 cm值和5

5、0 cm值。隨著土壤深度增加，土壤容重和水分對抗剪強度影響力增大，在50 cm處兩者分別與抗剪強度呈線性正相關(guān)和指數(shù)負相關(guān)關(guān)系。
　?、七吰轮脖辉诮?jīng)過8個月自然生長之后，選擇路塹和路堤30°邊坡小區(qū)作為模擬降雨對象。試驗結(jié)果表明:路塹邊坡侵蝕量高于路堤邊坡侵蝕量。草灌結(jié)合措施，由于致密的地表覆蓋（蓋度91.4％，地上生物量1.44 kg m-2）和發(fā)育良好的地下根系系統(tǒng)(RWD3.94 kg m-3)，徑流系數(shù)(4.3％)和土壤侵

6、蝕率(1.99g m-2 min-1)顯著低于其它防護措施。雖然植生帶措施和草本措施選擇相同的品種，但是由于植生帶措施尚未完全發(fā)育的地下根系(RWD1.50 kg m-3，RLD2.11km m-3)，土壤侵蝕量(38.5 g m-2 min-1)顯著高于草本措施。土壤侵蝕量、徑流系數(shù)等隨植被根系含量、地表生物量增加而呈對線下降。模擬降雨前后，草灌結(jié)合措施土壤抗剪切強度最高(分別為59.29 kPa和53.73 kPa)，其次為草本措施

7、（46.93 kPa和40.48 kPa）和植生帶措施(31.20 kPa和18.87 kPa)，自然恢復(fù)小區(qū)最低為25.31 kPa和9.36 kPa。而抗剪強度衰退值相反，自然恢復(fù)措施衰退值最高為15.95 kPa，草灌結(jié)合最低為5.56 kPa。土壤抗剪強度衰退值與植被根系及地上生物量呈極顯著線性負相關(guān)。降雨過程中，抗剪強度的變化與侵蝕過程密切相關(guān)，抗剪強度衰退值與徑流系數(shù)呈線性正增長關(guān)系與土壤侵蝕率呈冪函數(shù)增長關(guān)系。
　　

8、⑶通過模擬降雨（雨強90 mm h-1和120 mm h-1）與模擬沖刷（放水量15 L min-1和20 L min-1）試驗相結(jié)合的方式，研究降雨與路面匯水對路堤邊坡侵蝕影響。在模擬降雨試驗下，草灌結(jié)合產(chǎn)流和產(chǎn)沙量最低，截流和攔沙效率顯著高于其它防護模式。模擬沖刷試驗下，各措施的水文響應(yīng)要明顯比模擬降雨試驗下更迅速，初始產(chǎn)流時間更快。相同措施下，模擬沖刷試驗下侵蝕量要高于模擬降雨。水穩(wěn)性團聚體含量、飽和導(dǎo)水率、植被蓋度和根系含量在降

9、雨和沖刷試驗下均顯著影響路堤邊坡的土壤侵蝕量。模擬沖刷試驗下，草本措施致密的地下根系地面根莖增加入滲量，分散和消弱徑流侵蝕力，并提供額外的地表粗糙度，截流攔沙能力高于草灌結(jié)合措施，在路堤邊坡有集中水流影響下，防護效果最佳。
　?、韧ㄟ^模擬降雨試驗，研究拱型、側(cè)傾型、平直型和凹型等路形路面侵蝕特征。試驗結(jié)果顯示:路形對侵蝕特征有顯著影響，平直型和凹型路面降雨產(chǎn)流量和產(chǎn)流率高于拱型和側(cè)傾型。凹型土壤侵蝕率最高是拱型路面侵蝕率的11～1

10、4倍。路形通過改變路面降雨徑流水動力學(xué)參數(shù)來影響侵蝕過程。徑流流速、雷諾數(shù)和弗洛德數(shù)隨拱型＜側(cè)向型＜平直型＜凹型迅速增加，而徑流深、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)和曼寧慥率隨拱型＞側(cè)向型＞平直型＞凹型依次降低。不同路形條件下，邊溝改變路面侵蝕水沙輸移特征。拱型路面67％～82％的徑流和85％～94％的泥沙是通過兩側(cè)邊溝輸出的，路面輸出量比例低;凹型路面90％以上的水沙均通過路面進行輸出的，邊溝徑流輸出量僅為3％～5％，泥沙輸出量為

11、4％～7％。
　?、赏ㄟ^自然降雨觀測研究不同交通荷載及雨型條件下路面侵蝕規(guī)律和污染物流失特征。研究結(jié)果表明，交通荷載大的干道產(chǎn)流率和侵蝕率均高于交通荷載低的支道，對產(chǎn)流率影響顯著的因子主要為降雨量，對產(chǎn)沙率影響顯著的因子為降雨量、雨強。雨型對污染物的流失特征影響顯著，不同雨型下，污染物的濃度峰值和雨強峰值表現(xiàn)出不同的滯后性，氮素的流失以總氮為主，磷素流失則以泥沙結(jié)合態(tài)為主。雨型影響污染物的初始沖刷特征，泥沙的初始沖刷強度較弱，而總