（自然地理学专业论文）公路边坡生态防护的防冲刷机理及防治效果研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 i i iiir l 1 lei i jll lllli 19 0 2 312 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期： 年月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：锄、j 垃 指导教师签名：俐 日期：如f 戽i r 朋7 日日期：2 口i o 年- - l 胡- 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：翻，舷 日期：支，f 年f 湖夕日 指导教师签名： 日期：) j l o 年 啊多智 l 胡7 日 摘要 中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，其中公路边坡造成的水土流失 占有很大比重。公路在修建过程中，对沿线地貌、地形以及植被覆盖层造成极大 的破坏，不仅带来了严重的水土流失问题，而且给当地生态环境带来了巨大影响。 因此，对公路建设过程中及今后的运营过程中采取必要的生态护坡技术是解决边 坡水土流失及维持生态环境稳定的有效措施。 在对降雨、土壤、坡度等影响边坡土壤流失的主要影响因子进行必要说明外， 就生态护坡中植被在防冲刷机理方面进行了分析。通过植被水平根系和垂直根系， 系统阐述了植被根系在维持边坡稳定功能的力学效应；同时就植被茎叶在防冲刷 的水文效应进行研究。 在试验研究中，选取菱形骨架生态护坡、裸坡、植草生态护坡、乔木生态护 坡等护坡类型，在同等降雨作用下，采用土壤侵蚀量、植被覆盖度、土壤组成成 份等量化指标进行试验综合比较分析。结果表明，在公路边坡综合防护效果方面： 菱形骨架生态护坡优于乔木生态护坡；乔木生态护坡优于植草生态护坡；植草生 态护坡优于裸坡。 关键词：公路边坡；冲刷；生态护坡；防护效果 a b s t r a c t c h i n ai so n eo ft h em o s ts e r i o u sc o u n t r i e so fs o i le r o s i o ni nt h ew o r l d ，a n dt h e r e h a sal a r g ep r o p o r t i o no fs o i le r o s i o nc a u s e db yt h eh i g h w a ys i d es l o p e i f sc a u s e da g r e a td a m a g et o t h et o p o g r a p h ya l o n g ，t e r r a i na n dv e g e t a t i o nc o v e rd u r i n gt h e c o n s t r u c t i o no ft h eh i g h w a y i tb r i n g sn o to n l ys e r i o u ss o i le r o s i o np r o b l e mb u ta l s o e n o r m o u si n f l u e n c ef o r t h el o c a l e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t a k e i n g a n e c e s s a r yp r o t e c t i o no fe c o l o g i c a ls l o p ei n t h e h i g h w a y sc o n s t r u c t i o na n df u t u r e o p e r a t i o ni sa ne f f e c t i v em e a s u r et os o l v et h es l o p es t a b i l i t yo fs o i le r o s i o na n d m a i n t a i nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i na d d i t i o nt ot h en e c e s s a r ye x p l a n a t i o n so ft h em a i nf a c t o r so fs o i le r o s i o no i lt h e s l o p e ，e g r a i n f a l l ，s o i l ，s l o p e ，s o i ll o s s ，e t c t h e a r t i c l ea l s oa n a l y z e di t se r o s i o n c o n t r o l m e n tm e c h a n i s mo fe c o l o g i c a ls l o p ev e g e t a t i o n i ts y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d t h em e c h a n i c a le f f e c t so fi t sf u n c t i o no fm a i n t a i nt h es l o p es t a b i l i t yb yv e g e t a t i o n s l e v e lr o o t sa n dv e r t i c a lr o o t s ，a n ds t u d i e dt h es t e m sa n dl e a v e so fv e g e t a t i o n s h y d r o l o g i c a le f f e c t si ne r o s i o nc o n t r o l m e n ta tt h em e a n t i m e i ne x p e r i m e n t a ls t u d y , t h et y p eo fs l o p ep r o t e c t i o n ，s e l e c t i o nd i a m o n ds k e l e t o n e c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o n ，b a r es l o p e ，p l a n t e rt h eg r a s se c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o n ，t r e e e c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o n ，e t c w e r e s e l e c t e d u n d e rs i m i l a rr a i n f a l lc o n d i t i o n ， q u a n t i t a t i v e i n d i c a t o r s ，s o i le r o s i o nq u a n t i t y , v e g e t a t i o nd e g r e eo fc o v e r a g e ，s o i l c o m p o s i t i o ni n g r e d i e n t ，e t c w e r eu s e dt ot e s tc o m p r e h e n s i v ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a ts y n t h e s i sp r o t e c t i o ne f f e c ti nh i g h w a ys i d es l o p ea s p e c t ：d i a m o n d s k e l e t o ne c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o ni sb e t t e rt h a nt r e ee c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o n ，t r e e e c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o ni sb e t t e rt h a np l a n t e rt h eg r a s se c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o n , p l a n t e rt h eg r a s se c o l o g ys l o p ep r o t e c t i o ni sb e t t e rt h a nb a r es l o p e k e y w o r d s ：h i g h w a ys l o p e ；s c o u r ；e c o l o g i c a lf o rs l o p ep r o t e c t i o n ；p r o t e c t i v ee f f e c t 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 生态护坡的护坡方案概述2 1 2 1 菱形骨架植草护坡2 1 2 2 挖沟植草护坡3 1 2 3 乔木植被护坡3 1 3 研究现状及发展动态3 1 3 1 国外研究现状及发展动态3 1 3 2 国内研究现状及发展动态5 1 4 本文研究的内容及研究方法6 1 4 1 研究的主要内容6 1 4 2 研究的主要方法7 1 4 3 研究的技术路线7 第二章公路生态护坡的防冲届机理分析9 2 1 公路边坡冲刷影响因子9 2 1 1 降雨9 2 1 2 土壤1 l 2 1 3 坡长、坡度地形因子1 6 2 1 4 植被1 8 2 2 生态护坡的防冲刷机理1 8 2 2 1 工程措施方面1 8 2 2 2 植物措施方面2 0 第三章试验方案及监测区概况2 8 3 1 试验方案2 8 3 1 1 降雨量测定2 8 3 1 2 土壤侵蚀量测定2 8 3 1 3 植被覆盖度2 9 3 1 4 土壤组成成份的测定3 0 3 2 监测区概况3 4 3 2 1 裸坡3 4 3 2 2 菱形骨架植草护坡3 5 3 2 3 乔木护坡3 6 3 2 4 植草护坡3 6 第四章监测结果及数据分析3 8 4 1 土壤流失量3 8 4 2 植被覆盖度4 0 4 3 土壤组成成份流失量4 0 4 3 1 土壤中有机质含量4 0 4 3 2 土壤中全氮含量4 l 4 3 3 土壤中全磷含量4 2 4 3 4 土壤中全钾含量4 3 4 3 5 土壤中钙离子含量4 3 4 3 6 土壤中镁离子含量4 4 4 3 7 土壤中锌离子含量4 5 4 3 8 土壤中铁离子含量4 6 4 3 9 土壤组成成份综合分析4 7 4 4 生态护坡效果综合分析4 7 第五章结论与展望4 9 5 1 结论4 9 5 2 展望4 9 致谢5 0 参考文献5 1 在学期间发表的论著及取得的科研成果5 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 水土流失问题一直是中国重大的环境影响问题之一，同时中国也是世界上水 土流失最严重和受威胁程度最高的国家之一。近年来，中国每年因人为因素造成 的新增水土流失面积超过了1 5 万平方公里，增加的水土流失量超过了3 亿吨。 这当中包括公路建设中以及营运过程中造成的水土流失。截止2 0 0 9 年，全国公路 里程己达到3 8 6 0 8 万公里，在2 0 0 8 年的基础上增加1 3 0 4 万公里。快速的公路 建设给经济的发展带来了巨大的收益，同时也给水土流失的防治带来考验。水土 流失极大地造成沿线生态环境的恶化，改变了原先的地形、地貌，导致洪涝和干 旱灾害的发生，不仅威胁到人民生命、财产的安全问题，也严重影响到交通、水 电、通讯等国家基础设施的运行安全，极大地制约着国家社会经济的可持续发展。 公路在建设过程中，特别是山区，由于经常要开挖大量边坡，严重扰动和改 变着原生植被覆盖层，导致造成大量的次生裸地以及严重的水土流失问题。为此， 在公路建设过程中以及运营过程中必须要进行水土流失的防治和治理，特别是公 路边坡水土流失的防治尤为重要，因此对公路的边坡生态防护是控制和治理水土 流失的必要措施。 为此，在选题方面，综合考虑，认为有如下两个方面问题需要解决： 第一，由于新开挖的公路破坏了原先的生态环境以及地貌特点，造成一系列 不稳定因素，快速加剧水土的侵蚀，使得该地的生态系统不断恶化。研究公路边 坡冲刷的机理是研究边坡生态防护的前提条件，也是选择合适护坡技术的依据。 ( 1 ) 目前在边坡防护方面，主要是考虑边坡的稳定性，运用各种工程措施对 边坡进行防护。在对公路边坡的抗冲刷能力的定量数据研究和各种生态护坡能起 到的综合研究效果方面量化成果还是很少。 ( 2 ) 即便在边坡防护上考虑到了冲刷因素，但由于对边坡的冲刷特性研究方 面还是比较少，现有的公路水文水力理论和通用水土流失公式并不能直接套用在 在边坡水流冲刷的分析上，其防治技术缺乏理论支持，没有建立在冲刷量化的基 础之上l jj 。虽然国外有较著名的w i s c h m e i e r 和s m i t h 在1 9 7 8 年提出的通用土壤 流失公式( u s l e ) 公式，在预报侵蚀和设计抗侵蚀措施方面有广泛的可能性，但在 应用此公式进行预测土壤时，误差可能达到4 0 0 。另外尽管2 0 世纪9 0 年代国内 很多专家开始尝试建立了坡面土壤流失预报模型，由于主要考虑的是自然状态的 坡面，所以对有其自身规律的公路边坡还是没有实用性和借鉴性。 第一章绪论 2 ( 3 ) 国内对土壤侵蚀的研究主要集中在黄土高原地区、坡耕地水土保持研 究方面，但是公路边坡坡度对水流阻力、流速影响的结果不尽相同，同时几乎所 有的国内外相关研究都是在2 0 坡度一下进行的，对一般均大于3 0 的公路边坡而 言，如果直接将现有的研究成果和侵蚀理论直接应用于公路边坡会得到什么样的 结果并不清楚，所以并没有实际可利用的研究成果。 ( 4 ) 公路边坡坡面土为均被扰动后再经压实后，表土具有土粒紧密度大、容 重大、土体抗冲刷性较普通土体强，由于以上特性，路堤边坡土在可蚀性方面与 坡耕地的土壤有很大差别，侵蚀冲刷有其自身的规律，其现有的黄土高原地区、 坡耕地水土保持研究成果不能直接套用。 因此，专门对公路生态护坡的冲刷机理进行研究就显得很有必要，并在此基 础上进一步对各种边坡的抗冲刷防护技术进行综合效益的研究。 第二，几种常用的公路生态护坡技术在抗冲刷能力的综合防护效果。 在边坡生态防护的设计技术方面，常用的几种生态防护技术抗冲刷能力效果 如何? 还没有一个定量的数据，这些问题还缺乏系统的研究。 正在实施的西部大开发战略计划，交通建设将进一步向中西部特别是西部地 区加快发展，这无疑给西部地区经济的快速发展提供了重要保障。然而，西部又 是水土流失比较严重，地形、地貌较为复杂，生态环境极为脆弱的地区，在公路 具体规划建设过程中，由于地质条件、地形地貌类型较为复杂、多变以及本身的 气候条件，这些都会加剧该地区公路路域水土流失，造成自然环境和生态系统的 破坏。并且，在一般情况下，路线的距离越长，经过的地区地形、地貌越复杂， 对其生态系统造成的破坏就越大。因此，加快对公路边坡水土流失的防冲刷机理 研究并以此为基础，对现有的公路生态护坡技术的防治效果进行综合分析，将研 究成果应用到实际护坡工程中，是西部公路建设的迫切需求。 1 2 生态护坡的护坡方案概述 从一开始只以稳定边坡的纯工程护坡到以绿化为主的植物护坡再到现在应用 普遍的综合性能最好的生态护坡。所谓边坡生态防护是指单独用植物或者植物与 土木工程和非生命的植物材料相集合的固坡措施汹。目前，较为多见的有如下几 种护坡类型。 1 2 1 菱形骨架植草护坡 菱形浆砌片石骨架植草护坡是指用浆砌片石在坡面形成菱形框架，然后再集 合铺草皮、土木格室、喷播草种、植草、栽种苗木的一种边坡护坡技术。这种浆 砌片石骨架，有很好的截水效果，对减轻降雨形成的坡面冲刷，保护框架内植物 第一章绪论 的生长起到很好的效果。从而避免其它单纯的植物护坡的不足。此类护坡类型适 用于边坡高度不高且坡度较缓的各种土质、强风化岩石边坡。 1 2 2 挖沟植草护坡 挖沟植草护坡是指在坡面上按一定的行距人工开挖楔形沟，在沟内回填改良 客土，并铺设三维植被网( 或土工网、土木格栅) ，然后进行喷播绿化的一种护坡 技术，它是传统沟播、三维植被网和液压喷播三种植草护坡方法的有机结合，充 分发挥了三者的优点，实施了优势互补。挖沟植草护坡具有适用范围广、固土 性能优良、消能作用明显、网络加筋突出、成坪速度快、覆盖度大、质量高等特 点。适用于坡率不超过1 ：0 7 5 的边坡。 1 2 3 乔木植被护坡 乔木植被护坡是指应用根系较发达，枝叶量大的乔木、灌木等栽种于边坡的一 种防护形式。乔木通过冠层对降雨的截留，使得边坡的降雨量、强度、分布等发 生改变，影响到降雨对坡面冲刷过程和强度。该种护坡形式应用的不是很多，一 般山区为了恢复原生态环境使用的较多。其适宜的坡度不能大于3 0 。其缺陷就 是，初期栽种必须很好的固定，否则发生树木歪斜会导致坡面发生坍塌，加剧水 土侵蚀的过程。 1 3 研究现状及发展动态 1 3 1 国外研究现状及发展动态 国外在边坡防护防冲刷机理方面的研究现状和发展动态 国外研究的重点内容主要是针对土壤本身侵蚀机理提出的，研究者在这方面 已经开展了将近1 0 0 年的研究。1 9 世纪7 0 年代，德国科学家w o l l n y 建立了世界 上第一批径流小区，研究土壤、覆被、坡度等与土壤侵蚀关系。此后，美国科学 家m i l l e r 建立了研究作物类型及其轮作对土壤侵蚀影响的试验小区。但到2 0 世 纪4 0 年代以前，研究工作主要是对侵蚀现象的观察和一般性描述n 1 。2 0 世纪7 0 年代，e l l i s o n r u 将水蚀过程分为4 个子过程，即雨滴侵蚀过程、径流侵蚀过程、 雨滴搬运过程和径流搬运过程，标志着土壤侵蚀研究已经发展到对侵蚀过程及其 机理进行研究的阶段。2 0 世纪6 0 年代后，由于相关学科的发展，测试方法的改 进以及计算机的应用，土壤侵蚀过程及其机理的研究才得以深入。 1 9 7 8 年，基于当时对土壤侵蚀过程及其机理的认识和对大量的径流泥沙观测 资料，美国的w i s c h m e i e r 、s m i t h 等为代表组织全美有关政府部门及科研、教学 和生产单位联合攻关，建立了著名的通用土壤流失公式( u s l e ) 。该公式在各流 第一章绪论 4 失因子方面较为完整，在预报侵蚀和设计防治侵蚀措施方面有着广泛的适用性。 但在具体的应用过程中，由于1 ) 是在拟定的标准小区进行的且为耕地；2 ) 该模 型所使用的数据主要来自美国洛基山山脉以东地区，仅适用缓坡地形；3 ) 该模型 只是一个经验模型，模型的外推应用受到限制。在预测过程中会出现达到4 0 0 的 误差。因此，侵蚀的理论模型研究有比较实际应用价值。相对来说，研究侵蚀的 土壤模型更有前景，它建立在研究自然界及斜坡水流和土壤分离、搬运和沉积过 程形成规律基础之上。 1 9 8 5 年，1 9 9 0 年，为了克服u s l e 的一些误差大的缺点，美国农业部开始新 一代水蚀预报模型的研究( w e p p ) ，该模式中，将土壤侵蚀过程分为3 个过程， 分别是：侵蚀、搬运和沉积。它们是相继发生的。其参数包括降雨、温度、风、 降雪量、水文、侵蚀、沉积等等。目前开发研制成功的主要是坡面版和流域版本， 其目的是创新一代模型以预测及防止土壤水蚀。 此外，还有欧洲土壤侵蚀模型( e r o s e m ) ；基于地理信息系统的水蚀预报模 型( 荷兰的l i s e m 模型、美国的g e o w e p p 模型) ；1 9 9 3 年颁布的修正通用土壤流 失方程( r u s l e ) 等等。 这些土壤侵蚀预报模型的研究，对今后认识水土流失的机理有一定的科学化 和定量性，从而为防治水土水土流失包括边坡的水土流失具有一定的借鉴。 国外在公路边坡生态防护防护效果方面的研究现状和发展动态 生态护坡形成一门学科，还是近十几年的事情，直至今日甚至连一个很贴切 的专业术语都还没有形成，英文有称b i o t e c h n i q u e ，s o i lb i o e n g i n e e r i n g 等“。 生态护坡是近年来继工程护坡和植物护坡之后提出的一种护坡形式。它有着工程 措施和生物措施护坡的各自优点，是两种护坡形式的完美结合。现今的生态护坡 技术主要有：浆砌片石骨架植草护坡、挖沟植草护坡、植生带护坡、三维植被网 护坡、土工格式植草护坡等等。 1 9 9 4 年9 月在牛津首次举行国际上专门以植物护坡为主题的国际会议。国外 一般把植被护坡定义为：“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非生 命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀 。 国外对边坡的各种生态防护技术研究比较多，在具体的生态防护的综合防护 效果方面研究不是很多。在具体实施时存在的较大的随意性，没有经过防护效果 的比选而直接套用先前的模式，采用惯用的植物，不重视该地的生态环境进行施 工，这样的防护即使耗费的费用再高其效果并不理想。 在生态护坡方面，美国等发达国家在2 0 世纪三、四十年代就开始对公路边坡 的植被恢复得到重视，2 0 世纪5 0 年代，制定法律要求新建的公路必须进行绿化， 于此喷播技术应运而生。2 0 世纪6 0 年代开始，喷播技术等新技术在稳定边坡、 第一章绪论 5 土壤侵蚀方面得到了广泛的应用。日本这方面的技术已经发展为工程措施与植物 措施相结合，如植生袋技术等。 当前，发达国家主要存在两种不同的边坡生态防护模式，一种是以欧美为代 表的高养护型一湿式喷播快速植草技术和一种日本为代表的高投入型一客土及厚 层生长基础喷播技术。这两种生态防护基础分别再与工程护坡技术相互结合，将 获得最好的水土防冲刷效果。 1 3 2 国内研究现状及发展动态 国内在边坡防护防冲刷机理方面的研究现状和发展动态 国内对土壤的侵蚀机理研究始于2 0 世纪5 0 年代，主要是根据径流小区试验 观测资料，建立估算次降雨土壤侵蚀量的统计模型。2 0 世纪8 0 年代以来，以美 国通用土壤流失预报方程u s l e 为蓝本，根据各地研究区的实际情况，进行修正， 建立了若干个地区性的土壤侵蚀预报模型。基于土壤侵蚀过程的研究成过，尝试 建立基于物理过程的侵蚀预报模型。2 0 世纪9 0 年代国内很多专家开始尝试建立 了坡面土壤流失预报模型。如江忠善和郑粉莉。等基于以往我国坡面水蚀预报 模型研究成果，考虑浅沟侵蚀坡面侵蚀产沙的重要影响，研发了包含浅沟侵蚀的 坡面土壤侵蚀预报模型。该模型结构形式为a = r k l s g c p 。 式中，a _ 土壤流失量 t l ( h m 2 a ) ；r - 降雨侵蚀力e m j m m l ( h m 2 h a ) ； l ( 土壤可蚀性因子 t h m 2 h ( h m 2 m j m i l l ) ；卜坡长因子；s 一坡度因子； 卜浅沟侵蚀因子；卜植物管理因子；p _ 水土保持措施因子。 蔡强国刘等基于坡面侵蚀产沙分带性规律，利用g i s 技术，建立了坡面土 壤流失预报模型。该模型结构包括两种：一种为次降雨坡面溅蚀分散量方程，一 种为坡面细沟侵蚀估算方程；l i u 等w 借鉴美国u s l e 的成功经验，根据实测资料 建立了坡面土壤流失预报方程，该结构为a = r k l s b e t 等等，这些模型都在一定程 度上对预测土壤侵蚀流失量提供了预测。 在具体的公路边坡生态防护的防冲刷机理方面，我国学者提出了生态护坡中， 一方面，在生态护坡中应用的工程措施中的浆砌片等，对于高陡边坡的防护上保 持坡面的稳定很有作用，同时也起到了坡面的侵蚀。一方面，植物在护坡过程中， 主要是依靠植物地下根系的力学效应和植物茎叶的水文效应。并且有较为深入的 研究。为此，提出了将工程措施和植被护坡的生态护坡模式。 国内在公路边坡生态防护防护效果方面的研究现状和发展动态 在国内，对公路边坡防护与绿化方面的设计研究起步比较晚，防护技术在理 论方面的研究涉及不多，依据也不是很清楚，设计工作者很多是通过以前的经验 来进行设计，缺乏必要的理论支持，在设计过程中也只是考虑到边坡的稳定性因 第一章绪论 6 素，很少考虑雨水对边坡的冲刷作用。至目前为止，中国在对公路边坡的防护与 设计仍然处于探索阶段。 2 0 世纪8 0 年代，由于公路建设的高速发展，对边坡的生态防护才得到应有 的重视。近年来，很多研究者在对边坡的防护和设计方面的研究后，提出了各种 不同方案，例如，铺草皮防护、植生带防护、喷播建植、三维网格植草等等，这 些在对公路边坡的水土流失问题起到了很好的防护效果。 公路的生态护坡技术在防治边坡水土的防冲刷效果是最好的，它不仅能很好 的防治公路的使用过程中边坡受各种自然力的作用而产生的水土流失有很好的实 际功能，同时在恢复并维持原有生态环境有积极的作用，保证公路使用的安全性。 在公路生态护坡技术防护的效果方面的研究，国内的研究成果主要有这样一 些： 1 ) 生态护坡中各种植被之间的筛选，用来确保护坡的效果。 2 ) 各种综合护坡技术的适用性效果情况，没有具体的量化数据。 3 ) 各种植物之间的组合效果，看其生长状况，从而把它看成具体的防护效 果。 4 ) 不同植被配置之间的土壤侵蚀量。 5 ) 不同植被覆盖度对土壤侵蚀量等。 虽然在边坡的防护研究成果取得了很多创新，但还是存在一些问题，在边坡 生态防护的设计技术方面，常用的几种生态防护技术抗冲刷能力效果之间在防护 效果( 水土流失量等) 的具体量化还没有深入的研究，得不到应有的数据。 为此，以公路边坡的生态防护冲刷机理为基础进行分析，应用当前的生态防 护模式、选择合适的植物群落结合传统的工程护坡相结合，就几种生态防护技术 之间的水土流失量定量研究，进行边坡的防冲刷效果试验，从而为以后的护坡方 案上提供参考依据。 1 4 本文研究的内容及研究方法 1 4 1 研究的主要内容 本文主要针对西南地区公路边坡的水土流失现状，对公路生态防护边坡的防 冲刷机理( 边坡类型、地质条件、水的冲刷、植物作用) 进行试验研究，并就裸 露边坡和经过生态防护治理后的菱形骨架植草护坡、挖沟植草护坡、乔木植被护 坡的水土流失量进行综合比较分析，从而由具体的数据比较得到上述几种常用的 生态护坡技术哪种防治效果最好。 具体研究内容如下： 公路生态防护边坡的防冲刷机理分析 第一章绪论 7 主要从降雨对公路边坡造成的水土流失成因的基础上，对植被护坡中植被力 学效应和水文效应的防冲刷机理进行系统分析。 公路生态防护在土壤流失方面的效果 通过现场测试的方法，通过对选定的集中护坡方案的水土流失量进行比较分 析植被护坡在防治公路边坡水土流失方面的必要性。 公路生态防护在植被覆盖度方面的效果 植被的覆盖度与水土流失量存在着一定的关系，通过对植被覆盖度测定来确 定生态护坡在防治土壤侵蚀方面的重要性。 公路生态防护在土壤组成份方面的效果 土壤的流失势必造成土壤本身成份的变化，通过化学实验的手段，就土壤中 有关成份的变动来说明生态护坡在维持和保证土壤成份的重要作用。 1 4 2 研究的主要方法 文献资料法 通过查阅相关资料，就植被护坡中植物在边坡防冲刷机理的力学效应和水文 效应进行理论分析，同时就实验方案进行确定并实施。 实地测试法 在对公路边坡水土流失量的测定中采用了实地测试法。实地测试法，主要是 应用标签定位在现场对所试验边坡降雨作用下水土流失量的实地测试的方法。 室内检测分析法 室内分析法，就是将在试验区所采集的样本，在实验室进行化学分析，主要 是对土壤有机质含量、土壤肥力元素、金属元素的测定，即土壤中有机质含量、 土壤中肥力元素的n 、p 、k 含量以及土壤中的f e 、m g 、c u 、z n 等金属元素的含量 的测定。 对比分析法 对比分析法，这里是将土壤流失量、植被覆盖度以及土壤组成成份的几类相 关数据进行对比分析的方法。具体就是对边坡在护坡前和护坡后的菱形骨架植草 护坡、挖沟植草、乔木护坡的水土流失量以及其它几个指标进行量化数据比较分 析，从实验的结果中可以很清楚的看出公路边坡的生态防护所能取得的各种效果。 1 4 3 研究的技术路线 本文采用的研究技术路线如图1 1 所示。 苎二皇丝笙_ 兰 _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ l - 一一 图1 1 研究技术路线图 f i g 1 1r e s e a r c ht e c h n o l o g y r o a d m a p 第二章公路生态护坡的防冲刷机理分析 9 第二章公路生态护坡的防冲刷机理分析 2 1 公路边坡冲刷影响因子 公路边坡的冲刷是个极其复杂的物理过程、化学过程以及生物过程。它受到 来至外界很多自然因素的影响，如土质、地形、气候、植被等，同时还受到人类 行为的干扰，各因素之间存在着错综复杂的相互作用。其影响结果有水蚀携持的 泥沙量、径流量大小，降雨对土表的溅蚀能力的大小等。这些参数又取决于雨滴 的动能、降雨量、降雨强度、地质特点， 壤本身的持水情况以及坡面水流的流量、 2 1 1 降雨 土质类型、土壤结构、坡度、植被、土 流速等特点。 降雨特性与坡面抗蚀强度有重要关系。其两者相互联系而发生侵蚀，即侵蚀 力e 、抗蚀力e 。之间一系列复杂过程。可大致分为三种情况： 当e = e ，时，即降雨侵蚀力与地表抗蚀力相等，地表不发生侵蚀； 当e e 。时，即降雨侵蚀力大于地表抗蚀力，地表就会出现侵蚀现象； 与侵蚀力e 相比，抗蚀力e ，值越小侵蚀就越强烈h “。 雨滴谱特性与参数u 。 一定直径的雨滴，在空气中受重力的作用而作自由落体运动，除在雨滴形成 初期很短一段时间内有一加速过程外，其余时间段可以看作匀速直线运动。 单位体积( 1 立方米) 空间雨滴大小、数量及运动速度是降雨特征最基本的 参数。根据滤纸色斑法，求得雨滴浓度，即为单位体积空间里雨滴总数： 疗 e = 毛 f = l ( 2 1 ) 式中，再一单位体积( 立方米) 空间某一直径雨滴的个数； f 一雨滴直径分级数。 所有雨滴的平均速度k ，是一个与雨滴浓度及单个雨滴降落速度v ；有关联 的物理量，可以称为雨滴的平均下落速度，即： v i = 一 x i1 ，i f = l x ；i ，； = ! 苎! 雨滴的平均直径d l 与雨滴的数量存在如下关系： ( 2 2 ) 第二章公路生态护坡的防冲刷机理分析 l o x i d i x i d i d l = r 一= 丝_ 一 ( 2 3 ) x ； i = 1 式中，n 一单个雨滴直径( m ) 。 通过雨滴浓度和不同直径雨滴降落速度v ；，计算单位面积、单位时间内降 落的雨滴总数毛，即雨滴密度： n = x i v i = k ，暑l ( 2 4 ) 雨滴的平均降落速度，即雨滴在单位面积、单位时间内降落的平均速度， 它与雨滴密度存在如下关系： x i v i l ，i x i v ； v ，= 上每一= 上生一 ( 2 5 ) 月 d x 则平均直径可以表示为： x i v i d i x i v i d i d ，= 上l = 上l 一 ( 2 6 ) t _ b 通过对上面的公式分析得知，单位体积( 立方米) 空间里雨滴谱特性和单位 面积、单位时间内雨滴谱特性有如下特点： 1 ) 雨滴密度大于雨滴浓度； 2 ) 雨滴平均降落速度巧大于雨滴平均运动速度k ： 3 ) 一定时间内，单位面积上的雨滴平均直径及大于单位体积空间雨滴平均 直径n 。 降雨强度 土壤产生水力侵蚀的主要因素之一就是降雨强度。在单位时间、单位面积的 雨滴总量，用符号。表示，其表达式为： n 。= 詈研x i v i - l o o o ( 2 7 ) ui f f i l 式中，及一单个雨滴直径( r a m ) ； 毛一单位体积( 立方米) 空间某一直径雨滴的个数； 第二章公路生态护坡的防冲刷机理分析 i i v ，一雨滴降落速度。 由公式( 2 7 ) 可以得到雨强公式： i = 以f = 6 x 1 0 5 万研毛v i ( 2 8 ) i s l 式中，一雨强( m m h ) ，一一小时秒数，即3 6 0 0 s h 。 雨滴降落速度坼的平均值，用平均运动速度k 代入表示，单个雨滴直径b 的 平均值，用立方根平均数d ( m ) 替代，那么d 可以用公式表示为： d= ( 2 9 ) 因此雨强，可以表示为： ，= 6 1 0 5 z d 3 k 罗j r i = 6 1 0 5 加3 ( 2 1 0 ) _ 一 单个雨滴的动能巨公式表示为： 巨= 1 2 聊v 2 = 1 0 0 0 考趔v ? ( 2 那么，单位时间、单位面积内所有雨滴的总动能民就可以表示为： e o = 1 0 0 0 丢2 户喜研评拍 汜 其岛单位为j ( i s ) 。 由式( 2 1 2 ) 可以得到加权平方根速度k ： v 3= ( 2 1 3 ) 这里，单个雨滴直径d i 的平均值用雨滴直径的立方根平均数d 替代，雨滴 降落速度v ，用雨滴的平均运动速度k 替代，那么鼠表示为： e o = 1 0 0 0 云2p d 3 k 噶= 黑 汜 2 1 2 土壤 第二章公路生态护坡的防冲刷机理分析 1 2 不同性质的土壤，侵蚀效果存在极大的差异。影响水土流失的土壤性质有： 土壤的机械组成、容重、孔隙度、团粒结构含量、土壤剖面构型等一般理化性质， 还有几个综合的抗蚀性质，即土壤可蚀性，土壤抗蚀性和土壤渗透性u “。 土壤可蚀性 边坡土壤侵蚀过程其实是侵蚀力对土壤的分离和搬运的过程，表现为降雨和 径流的侵蚀营力与土壤抗侵蚀能力的综合，因而把土壤对侵蚀的易损性或敏感性， 即土壤对侵蚀抵抗力的倒数定义为土壤可蚀性( h u d s o n ) 。 根据土壤可蚀性概念可以知道，它表现为土壤抗侵蚀能力的综合特性。目前， 用于对土壤可蚀性的主要指标有：土壤侵蚀率( m i d d l e t t o n ，1 9 3 0 ) 、土壤硅铝铁 率( b e n e n t ，1 9 2 6 ) 、( 沙率+ 粘率) 粘率( b o u y o u c o s ，1 9 3 5 ) 、渗透率、悬浮率、 分散率以及土壤团聚体总量、有机质含量、水稳定性团聚体含量、团聚度、团聚 体分散度、分散率、侵蚀率等( 黄义端、王幼民等，1 9 8 5 ) 。 土壤可蚀性在w i s c h m e i e r 和s m i t h 在1 9 7 8 年提出通用土壤流失公式( u s l e ) 的结构形式a = r k l s c p 中，k 即为土壤可蚀性因子，单位为t h m 2 。其k 值的确 定可以由公式计算。 1 0 0 k = 2 1 1 0 - 4 ( 1 2 一o m ) m 4 + 3 2 5 ( s - 2 ) + 2 5 ( p - 3 ) ( 2 1 5 ) ) 式中，o m 一有机质含量( ) ； m 一粉率含量( 粉率含量+ 沙率含量) 。其中，粉粒粒径为 0 0 0 2 - - o 1 m m ，沙粒粒径为0 1 2 0 r a m ； s 一土壤结构指数 p 一土壤渗透性等级。 1 9 9 0 年，w i l l i a m s 在e p i c 模型中对坡面复杂的情况提出精确的k 值计算方 法，其表达式为： k = o 7 5 r a m i r a i n ) 时，侵蚀量显著增大“。 2 1 4 植被 植被在防治土壤侵蚀方面具有非常重要的作用。从水文学角度看：它一方面 起到抑制坡面径流的形成，减缓径流的速度，另一方面在空间上阻碍降雨不能直 接到达地面而引起坡面土壤遭受强烈冲击而产生溅蚀；从力学角度看，植被的根 系能够起到稳固土壤的作用，能很好的防治边坡土壤侵蚀的效果。 植被对边坡防治效果的好劣，常会用下列指标来确定：郁闭度、覆盖度、盖 度。郁闭度，一般用于表述乔木或灌木的特征指标，它是指正午时分树冠能够遮 挡阳光透射到地面的量，遮挡的范围越大，说明郁闭度愈好。规定阳光投射不到 地面为1 ，没有植被裸露的地表其郁闭度为0 。覆盖度，是指植物覆盖地表的程度。 植被作为边坡防侵蚀的一个重要因子，研究表明：即使植被类型、降雨强度、 地表本身性质不一样，当植被覆盖度 7 0 时，地表的侵蚀极其微弱，侵蚀量还达 不到裸地的1 ；当植被覆盖度 乔木银杏护坡 菱形骨架三角梅护坡 植草麦冬护 坡，但从整个流失的趋势看菱形骨架三角梅护坡、乔木银杏护坡初期防护效果不 明显，所以整个恢复期土壤流失量较大，但随着后期的生长，达到稳定状态时， 其效果越来越明显。乔木银杏护坡、菱形骨架三角梅护坡、植草麦冬护坡的防水 土流失能力一样。 第四章监测结果及数据分析 2 ) 尽管起初由于不同的护坡措施造成各护坡类型不一样的植被覆盖度( 郁闭 度) ，随着坡体植被的生长，覆被度都出现变大的情况，导致最终的结果就是降雨 作用对边坡土壤侵蚀量不断减少。四类边坡经过一定的期间，最终达到一定的覆 盖度，而起到对边坡具备一定的防冲刷功能。相比较而言，菱形三角梅生态护坡 覆盖度最高，说明其恢复速度最快，这取决于植被本身的物种特性。 3 ) 在土壤流失量与各土壤组成成份方面，除植被本身会影响的有机质、氮元 素的含量外，其它几种组份都与土壤流失量存在一定的相关性。 第五章结论与展望 4 9 第五章结论与展望 5 1 结论 通过对生态护坡植被的防冲刷机理以及防冲刷效果的分析，可以获得以下结 论： 1 ) 植被根系在边坡防冲刷能力与植被本身的覆被度和植被根系的形态有关， 对不同类型的边坡进行生态防护时，需考虑边坡的构造特点及防护植物的种类。 2 ) 植被覆盖度是边坡土壤流失量的重要影响因素，同等降雨作用下，覆盖度 愈大，土壤流失量愈小。不同的植被防护措施其覆盖度差别很大，试验表明，菱 形骨架生态护坡三角梅覆盖度大于乔木银杏护坡，乔木银杏护坡大于植草麦冬护 坡，裸坡覆盖度最小。 3 ) 土壤中组成成份的变化不仅受土壤流失量的影响，而且植被本身也影响到 土壤组成成份的增减。 4 ) 植草麦冬护坡防土壤流失方面要略强于菱形骨架三角梅生态护坡，但在后 期的生长过程中，其覆盖度增长不快，对环境的恢复效果差于菱形骨架三角梅生 态护坡；同时，在土壤元素的流失方面，植物生长的必要元素，菱形骨架三角梅 生态护坡流失量相对比较均衡。 5 ) 综合分析，在三类生态护坡措施中，其护坡效果为：菱形骨架三角梅生态 护坡要优于乔木银杏护坡，乔木银杏护坡要大于植草麦冬护坡。 5 2 展望 由于试验条件的限制，试验周期较短，监测区选择较为困难等客观原因，加 之试验过程中选择的护坡类型不够多，不够全面。因此，通过试验只能得到几种 护坡类型在公路边坡的生态防护效果。 生态护坡不仅起到稳定坡体的作用，同时在美化环境方面，保持生态平衡的 角度发挥重要作用，生态护坡必将是今后公路建设中重要组成部分，也是今后公 路护坡的总趋势。为此，进行生态防护效果继续研究是十分必要的。 致谢 致谢 论文完成之际，太多的感慨无以言表。回首过去 中，收获颇丰。 感谢导师周富春教授，虽然2 年多的时间过于短 谨的治学态度、渊博的学术造诣使我深受启迪，受益 验的完成、论文的写作、论文的修改直到最终论文的