基于WEPP模型的工程建设中施工便道边坡水土流失特征——以林芝市巴宜区为例.pdf

第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 7 资助项目:国家重点研发计划中美合作项目(2 0 1 9 Y F E 0 1 1 6 5 0 0);国家自然科学基金项目(4 1 9 0 1 2 3 4,3 1 8 7 0 7 0 6)第一作者:于洋(1 9 9 9),女,在读硕士研究生,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-m a i l:y u y a n g 9 9 0 2 1 11 6 3.c o m 通信作者:姜群鸥(1 9 8 1),女,教授,博士生导师,主要从事3 S技术在资源环境的应用。E-m a i l:j i a n g q o.d l s 1 6 3.c o m基于WE P P模型的工程建设中施工便道边坡水土流失特征 以林芝市巴宜区为例于 洋1,2,姜群鸥1,2,王紫璇1,2,甄子雲1,2,刘兰华3,何财松3,周 扬3(1.北京林业大学水土保持学院,北京1 0 0 0 8 3;2.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京1 0 0 0 8 3;3.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所,北京1 0 0 0 8 1)摘要:工程建设中施工便道导致的水土流失与传统土壤侵蚀不同,施工便道改变原自然坡面形态及水文过程,致使植被破坏、地表裸露,并形成路面、挖填边坡等多个侵蚀产沙部位,结构松散的路堑及边坡对降雨的响应更强、速度更快,土质低等级道路所引起的土壤侵蚀问题占比很大,因此研究可为工程扰动中施工便道的水土流失防治提供基础依据。以林芝市巴宜区为研究对象,采用WE P P模型对工程扰动下不同降雨条件、不同坡度坡长情况下施工便道边坡径流量、土壤流失量进行模拟分析,揭示施工便道边坡水土流失特征规律和关键影响因素。结果表明:(1)开始产生径流的6 0m i n最大雨强(I6 0)为1 1.1 6mm/h,降雨量为1 2.4 0mm;I6 0处于1 01 7mm/h范围内径流量低于0.5 0mm,土壤流失量低于0.0 1 0k g/m2,当I6 0超过1 7mm/h后,I6 0与径流量、土壤流失量具有线性关系。(2)径流量随坡度增加呈“快速增加增速减慢逐渐减小”3个阶段,坡度在5 以下时产生最低径流量5 6.9 85 8.0 0mm,坡度在3 0 3 5 时产生最高径流量7 6.1 97 7.0 1mm;土壤流失量随坡度增加呈“先快速增加后趋于稳定”2个阶段,坡度在5 以下边坡土壤流失量最小,坡度在5 0 后趋于稳定。(3)靠山边坡径流量随坡长增加而降低,不靠山边坡径流量则随坡长变化保持稳定,坡长在5 0m后靠山边坡径流量低于不靠山边坡,且差异随坡长的增加而增大;靠山边坡土壤流失量随坡长的增加呈“先快速增加后增速减小”趋势,不靠山边坡土壤流失量随坡长的增加基本保持匀速增加。研究结果用于高寒区工程扰动后边坡水土流失驱动机制分析。关键词:施工便道;水土流失;边坡;WE P P模型中图分类号:S 1 5 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 0 3 1-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 0 4S o i l a n dW a t e rL o s sC h a r a c t e r i s t i c so fC o n s t r u c t i o nS e r v i c eR o a dH i l l s i d e i nE n g i n e e r i n gC o n s t r u c t i o nB a s e do nWE P PM o d e l-T a k eB a y iD i s t r i c t,N y i n g c h iC i t ya sA nE x a m p l eYUY a n g1,2,J I ANGQ u n o u1,2,WANGZ i x u a n1,2,Z HE NZ i y u n1,2,L I UL a n h u a3,HEC a i s o n g3,Z HOU Y a n g3(1.S c h o o l o fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,B e i j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 8 3;2.K e yL a b o r a t o r yo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o na n dD e s e r t i f i c a t i o nC o m b a t i n g,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,B e i j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 8 3;3.E n e r g yS a v i n ga n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o na n dO c c u p a t i o n a lS a f e t ya n dH e a l t hR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h i n aA c a d e m yo fR a i l w a yS c i e n c e sC o r p o r a t i o nL i m i t e r,B e i j i n g1 0 0 0 8 1)A b s t r a c t:T h e s o i l a n dw a t e r l o s s c a u s e db yt h ec o n s t r u c t i o ns e r v i c e r o a d i ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a l s o i l e r o s i o n.T h e c o n s t r u c t i o ns e r v i c e r o a dc h a n g e s t h eo r i g i n a l n a t u r a l s l o p em o r p h o l o g ya n dh y d r o l o g i c a l p r o c e s s,r e s u l t i n g i nv e g e t a t i o nd e s t r u c t i o n,s u r f a c e e x p o s u r e,a n dh a s f o r m e d r o a ds u r f a c e,e x c a v a t i n ga n df i l l i n gs l o p ea n do t h e re r o s i o na n ds a n dp r o d u c t i o ns i t e s.T h er o a dc u ta n ds l o p eo f s i d ew i t hl o o s es t r u c t u r eh a v es t r o n g e ra n df a s t e rr e s p o n s et or a i n f a l l.S o i le r o s i o nc a u s e db ys o i ll o wg r a d er o a d sa c c o u n t s f o ra l a r g ep r o p o r t i o n,s o t h e s t u d yp r o v i d e s ab a s i s f o r t h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o l o f s o i l e r o s i o n i nt h ec o n s t r u c t i o no fr o a d w a y s.T a k i n gB a y iD i s t r i c t,N y i n g c h iC i t y,a st h er e s e a r c ho b j e c t,u s i n g WE P Pm o d e l t os i m u l a t ea n da n a l y z et h er u n o f fa n ds o i l l o s so fu n d e rd i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o nc o n d i t i o n s,d i f f e r e n ts l o p ea n ds l o p e l e n g t hu n d e re n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c e,s oa s t or e v e a l t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e y i n f l u e n c i n gf a c t o r so fw a t e r a n ds o i l l o s s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)Wh e n t h em a x i m u mr a i n i n t e n s i t y i n6 0m i n(I6 0)w a s1 1.1 6mm/ha n dt h er a i n f a l lw a s1 2.4 0mm,r u n o f fb e g a nt oo c c u r;Wh e nI6 0w a s i nt h er a n g eo f1 0t o1 7mm/h,t h er u n o f fw a s l e s st h a n0.5 0mm,a n dt h es o i l l o s sw a s l e s st h a n0.0 1 0k g/m2.Wh e nI6 0w a sm o r e t h a n1 7mm/h,I6 0h a dal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h er u n o f fa n ds o i l l o s s.(2)T h er u n o f fp r e s e n t e dt h r e es t a g e so f“r a p i d i n c r e a s e-s l o wd o w n-g r a d u a l d e c r e a s e”w i t h t h e i n c r e a s eo f s l o p e.T h e l o w e s t r u n o f fw a s5 6.9 8t o5 8.0 0mmw h e n t h e s l o p ew a s 5,a n d t h eh i g h e s t r u n o f fw a s 7 6.1 9t o7 7.0 1mmw h e n t h e s l o p ew a s3 0 t o3 5 .S o i l l o s sp r e s e n t e dt w os t a g e so f“f i r s t r a p i d i n c r e a s ea n dt h e ns t a b l e”w i t ht h e i n c r e a s eo f s l o p e.Wh e nt h es l o p ew a sb e l o w5,t h e a m o u n t o f s o i l a n dw a t e r l o s sw a s s m a l l,a n d t h e s l o p eb e c a m e s t a b l e a f t e r5 0 .(3)W i t ht h ei n c r e a s eo fs l o p el e n g t h,t h er u n o f fo fb a c k e rs l o p ed e c r e a s e s,w h i l et h er u n o f fo fn o n-b a c k e rs l o p er e m a i n ss t a b l e.T h e r u n o f f o fb a c k e r s l o p ew a s l o w e r t h a nt h a t o fn o n-b a c k e r s l o p ea f t e r 5 0ms l o p e l e n g t h,a n dt h ed i f f e r e n c ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs l o p el e n g t h;W i t ht h ei n c r e a s eo fs l o p el e n g t h,t h es o i l l o s so f t h eb a c k e rs l o p es h o w e dat r e n do f“f i r s t r a p i di n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e”,a n dt h es o i l l o s so ft h en o n-b a c k e rs l o p eb a s i c a l l yk e p tau n i f o r mi n c r e a s e.T h er e s u l t sc a nb eu s e dt oa n a l y z et h ed r i v i n gm e c h a n i s mo f s o i l a n dw a t e r l o s s i ns l o p ea f t e re n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c e i nh i g ha n dc o l dr e g i o n.K e y w o r d s:c o n s t r u c t i o ns e r v i c er o a d;w a t e ra n ds o i l l o s s;h i l l s i d e;WE P Pm o d e l 水土流失是当前人类关注的全球性重要生态环境问题1-2,不仅导致土地资源生态环境遭到破坏、水灾旱灾频繁,还对生态平衡、经济社会发展造成严重影响。青藏高原位于高海拔地区,地形条件复杂,生态环境脆弱,也是我国水土流失易发生且较为严重的区域3。除自然环境因素影响外,人类不合理的开发生产活动也是水土流失的重要诱发因素。近年来,随着我国对西藏地区开发建设强度增大,坡面道路、电网等基本设施建设带来不同程度的水土流失。工程扰动造成的水土流失不仅破坏当地环境,同时还对工程本身造成严重破坏4-5。因此,工程建设对生态环境的破坏尤其是水土流失影响,已经成为国家和当地政府部门关注的重要问题之一6-8。目前,国内外对于工程建设水土流失开展了大量研究。L a l9研究发现,道路建设两侧形成的裸露路面加速土壤侵蚀过程;M a c D o n a l d等1 0研究道路建设使地形地貌特征改变,进而改变原地表径流路径和水土流失特征;F o r m a n等1 1通过研究降雨和地表径流对公路侵蚀影响发现,山区道路建设加速土壤侵蚀,改变当地水文要素,容易引发各种地质灾害。我国相关研究集中于坡面侵蚀的影响因素分析。沈海鸥等1 2研究表明,对于黑土区土质便道土壤侵蚀,影响显著因子为降雨强度和坡度,改变地表性质可以防治土壤侵蚀;刘窑军等1 3研究表明,山区道路建设后,草灌结合植被恢复模式的水土流失防治效益最好,相较于其他植被模式有明显的低产流量和低产沙量;及莹等1 4通过WE P P模型模拟凉山自然保护区内2 0个路段的侵蚀特征表明,道路产沙量与道路长度显著相关。这些研究发现工程建设中道路边坡是影响土壤侵蚀的重要影响因素之一1 5。传统水土流失调查方法具有历时长、可重复性低等局限性。美国通用土壤流失方程(U S L E)是基于经验统计方法估算水土流失量,应用较广,但是对于工程扰动等人类活动导致水土流失量估算具有一定的限制性。WE P P(w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t)模型是连续物理过程模型1 6,是迄今为止描述水蚀相关参数最多的土壤侵蚀模型1 7-1 9,该模型可以根据土壤类型、气候、地表覆盖类型和地形,预测土壤侵蚀和泥沙量2 0-2 1。以林芝市巴宜区为研究区,基于气象、地形、地貌、地质、土壤、植被、水文等数据,采用WE P P模型坡面版模拟不同降雨、坡度、坡长条件下施工便道上下边坡径流量、土壤流失量,分析施工便道边坡水土流失规律,解析工程扰动下降雨、坡度与坡长对径流量和产沙量的影响趋势2 2-2 4。1 研究区概况本研究选取西藏林芝市巴宜区施工便道为研究点,巴宜区(2 9 2 1 3 0 1 5 N,9 3 2 7 9 5 1 7 E)地处青藏高原念青唐古拉山东南麓,雅鲁藏布江与尼洋河在此相汇,行政区域总面积1 02 3 8k m2。巴宜区南部为冈底斯山余脉,北部属念青唐古拉山支脉高山地段,境内平均海拔30 0 0m。该地区属温带湿润季风气候,雨量充沛,日照充足,冬季温和干燥,夏季湿润无高温。年平均气温8.5,无霜期1 7 5天,年日照时间20 2 2h,年平均降水量6 5 4mm,其中,59月降水量占全年降水量的9 0%。研究区主要土地利用23水土保持学报 第3 7卷类型为林地,其次为草地和耕地。区域植物资源丰富,呈垂直分带,从亚热带到寒带都有生长,木材资源丰富,主要树种资源有云杉、冷杉、桦树、榆树、漆树、高山松、落叶松等数十种。随着西藏地区社会经济发展和基础设施建设,加上其显著的地形高差、敏感的生态环境、恶劣的气候条件等特征,研究区水土流失生态风险逐渐增大。2 数据与方法2.1 数据来源本研究采用的气候数据来源于美国国家海洋和大气管理局(N a t i o n a lO c e a n i ca n dA t m o s p h e r i cA d-m i n i s t r a t i o n),选取国家级基本、基准气象站点NY-I NG CH I站2 0 1 12 0 2 0年气温和降水数据;太阳辐射数据来源于“国家青藏高原科学数据中心”(h t-t p:/d a t a.t p d c.a c.c n),选取林芝2 0 0 12 0 1 0年日平均太阳辐射数据;土壤数据来源于世界土壤数据库(h a r m o n i z e dw o r l ds o i ld a t a b a s e,HWS D),包含土壤类型、相位、理化性质等信息;D EM数据来源于A S T E R(a d v a n c e ds p a c e b o r n et h e r m a l e m i s s i o na n dr e f l e c t i o nr a d i o m e t e r)、G D EM(g l o b a ld i g i t a le l e v a-t i o nm a p),其全球数字高程模型空间分辨率为3 0m;径流泥沙数据来源于微型径流小区观测,该试验于2 0 2 2年89月在巴宜区施工便道进行。2.2 研究方法本研究采用WE P P(坡面版)模型,定量估算不同降雨条件下研究区施工便道上下边坡径流量和土壤流失量,揭示工程建设中施工便道上下边坡水土流失状况。由于研究区地势起伏大,道路与施工地点通常存在较大高差,需建造施工便道盘山而行,因此针对施工便道修建过程中形成靠山和不靠山2种类型边坡进行分析(图1),其中,施工便道靠山边坡包含上、下边坡,不靠山情况则只含下边坡。重点针对水土流失影响因素,采用控制变量法,模拟不同降雨条件、不同地形条件下施工便道水土流失情况,研究不同情况下坡面径流量和土壤流失量变化特征。图1 施工便道靠山边坡和不靠山边坡示意 WE P P模型基本数据文件(库)包括气候、土壤、坡长坡度和作物管理4个基础数据库,所需输入参数见表1。其中,气候文件输入选择C L I G E N气候生成器,用于连续性数据输入,参数较多,对数据收集的要求也较高;选择WE P P模块中与研究区域气候相近的气象站,分别比较每个气象站气象数据与当地气象数据的差异性,选择差异性最小的气象数据进行本地化数据的输入,包括海拔、经纬度、最高气温、最低气温、露点温度、降水量、降水天数、太阳辐射等,生成本地气候数据;运行后可输入单次降雨量、6 0m i n最大雨强(I6 0)、降雨历时、达到最大雨强的时间比(T P)等实际观测数据,模拟次降雨水土流失量。土壤文件按土层深度进行分层输入,每一层包括深度、砂粒含量、黏粒含量、有机质含量、阳离子交换量和砾石含量,计算生成土壤参数:土壤初始饱和导水率、土壤反照率、土壤临界剪切力、有效水力传导系数、细沟土壤可蚀性、细沟间土壤可蚀性。坡长坡度数据库包括投影坡长、坡降比,针对本试验设计建立多个地形文件,坡度为5 6 0,变化梯度为5;坡长分别为1 01 2 0 m,变化梯度为1 0m;施工便道作为进出场临时道路,为了运输大型设备、弃土弃渣等,设置为土质两向车道,因此路面设为8m。作物管理数据库参数包括耕作措施参数、土壤状况参数、作物类型等方面,研究区经工程扰动,植被遭到破坏导致土石裸露,因此设置为裸地。表1 WE P P模型数据库所需输入数据数据库类型输入参数C L I G E N气候生成器气候数据库降水量最高温最低气温露点温度太阳辐射单次降雨气候数据库降雨量降雨历时6 0m i n最大雨强(I6 0)达到最大雨强的时间比(TP)土壤数据库土层深度砂粒含量粉粒含量有机质含量阳离子交换量岩屑含量地形数据库坡长坡降比作物管理数据库裸地 通过计算N a s hS u t c l i f f e效率系数(ME)和决定系数(R2)对WE P P模型模拟值和实测值的接近程度进行评价。R2表示模拟结果与实测值的拟合关系,通过线性拟合得到,其值越接近1时,表示模拟结果33第5期 于洋等:基于WE P P模型的工程建设中施工便道边坡水土流失特征与实测值吻合。N a s hS u t c l i f f e效率系数(ME)计算公式为:ME=1-(Ye-Yf)2(Ye-Ya v e)2(1)式中:Ye为实测值;Yf模拟值;Ya v e为实测值的平均值。ME=1表示模拟值与实测值的每对数据均相等,ME=0表示模拟值与实测值的平均值具有同样的精度;负值表示实测值的平均值优于模型的模拟值。ME值越接近1,模拟效果越好。一般当ME0.5时,模型的模拟效果较好。为了描述坡度、坡长对径流泥沙的影响作用,引入环比增长率概念,环比增长率一般是指本期数据和上期相比较的增长率。本文中径流环比增长率指坡度、坡长每增加1个梯度后径流量相对于上个梯度径流量的增长率,土壤流失量环比增长率指坡度、坡长增加1个梯度后土壤流失量相对于上一梯度土壤流失量的增长率。计算公式为:CR=RS-RORO1 0 0%(2)CS=SS-SOSO1 0 0%(3)式中:CR为径流量环比增长率(%);RS为坡度、坡长增加1个梯度后的径流量(mm);RO为上个梯度径流量(mm);CS为土壤流失量环比增长率(%);SS为坡度、坡长增加1个梯度后的土壤流失量(k g/m2);SO为上个梯度土壤流失量(k g/m2)。3 结果与分析3.1 WE P P模型在施工便道边坡的适用性评价选取1 0场人工降雨数据,由图2可以看出,径流量模拟值与实测值、土壤流失量模拟值与实测值均呈线性关系,决定系数(R2)分别为0.8 9 04和0.7 9 19,N a s hS u t c l i f f e效率系数分别达到0.6 1 73和0.6 3 22,即WE P P模型对于巴宜区施工便道边坡的模拟效果较好,也进一步说明利用WE P P模型模拟该地区径流量和土壤流失量特征及驱动机制是可行的。最终率定的有效水力传导系数、临界剪切力和细沟可蚀性分别为4.4 0 00mm/h,5.6 0 00P a和0.0 3 90s/m。图2 径流量、土壤流失量实测值与模拟值的对比3.2 不同降雨条件下施工便道边坡水土流失特征坡度、坡长作为工程建设过程中的可控因子,同时也是影响坡面侵蚀产沙过程的重要地貌因素,决定着坡面水土流失的沿程变化。因此,基于巴宜区施工便道实际坡度为1 0、坡长为3 0m条件,为深入了解不同降雨类型下水土流失规律,随机选取2 0 2 2年的7次侵蚀性降雨作为样本,运用WE P P模型模拟施工便道上下边坡径流量和土壤流失量(表2、图3)。表2 不同场次降雨下降雨过程参数及WE P P模型预测值序号降雨量/mm降雨历时/hI6 0/(mmh-1)T P靠山径流量/mm土壤流失量/(k gm-2)不靠山径流量/mm土壤流失量/(k gm-2)11 3.9 05.3 02 4.2 30.8 61.7 90.1 4 01.8 10.1 0 0 022 1.2 03.7 23 2.7 70.4 76.0 00.4 7 06.0 20.5 1 0 031 4.8 03.9 81 7.0 70.4 20.2 30.0 0 90.2 50.0 0 2 041 6.0 06.4 11 9.8 90.9 81.7 60.1 2 01.8 00.0 8 8 052 6.6 05.1 01 1.1 60.3 00.1 80.0 0 50.2 20.0 0 0 463 6.8 01 0.8 71 1.9 200.3 20.0 0 20.2 20.0 0 0 671 2.4 06.8 71 3.4 50.9 10.1 70.0 0 50.2 10.0 0 0 6 降雨产生径流是引起水土流失的主要驱动力,径流分离土壤作为侵蚀泥沙的主要来源。该地区降雨主要集中在41 0月,7次降雨数据中降雨量为1 2.4 0 3 6.8 0mm,降雨历时为3.7 2 1 0.8 7h,6 0m i n最大雨强(I6 0)为1 1.1 6 3 2.7 7mm/h,该地区产生径流的最低降雨量高于刘志伟等2 5的研究,即青藏高原中部色林错流43水土保持学报 第3 7卷域形成产流的最低降雨量1.8 0 5.0 0mm。靠山边坡与不靠山边坡在单场降雨中的产流产沙情况差异不大,根据第1,2,4场降雨的I6 0、径流量和土壤流失量同时最高,而降雨量高低不定,可以得出边坡水土流失主要由I6 0控制。降雨初期表土含水量较低,I6 0较小时降雨较为平缓,坡面入渗速率大,故雨水几乎均下渗。I6 0越大,表土含水量上升越快,使得入渗量减少,逐渐产生径流;第5,6,7场降雨I6 0几乎相同,径流量和土壤流失量主要由降雨量和降雨历时共同控制,与降雨量、降雨历时呈正相关。降雨后期土壤含水量已达到饱和,侵蚀沟发育完整。因此,降雨历时越久、降雨量越大,产流越多,并且土壤流失量与径流量呈显著正相关,具有水沙同源的特征。图4采用I6 0表征径流量、土壤流失量模拟值的变化规律,径流量与土壤流失量随着I6 0增加呈分段式增长。当I6 01 0mm/h时不产生径流以及泥沙;当I6 0为1 01 7mm/h时,径流量与土壤流失量很少且变化幅度较小,径流量为0.1 70.3 2mm,土壤流失量仅为0.0 0 040.0 0 90k g/m2,说明整体雨强偏低情况下所产生的径流量、土壤流失量处于极低水平,此时I6 0的影响作用甚微;当I6 0为1 73 5mm/h,径流量与土壤流失量迅速增加并保持一定增长速度,当I6 0由1 7.0 7mm/h增加到1 9.8 9mm/h时,径流量增加1.5 0mm,土壤流失量增加0.0 90.1 1k g/m2,当I6 0由2 4.2 3mm/h增加到3 2.7 7mm/h时,径流量增加4.2 1mm,土壤流失量增加0.3 30.4 1k g/m2。说明1 7mm/h是侵蚀效果增强的临界I6 0,I6 0超过1 7mm/h后每增加1mm/h,径流量增长0.5 0mm,土壤流失量增加0.0 4k g/m2。靠山边坡与不靠山边坡的水土流失情况差异不大,分析认为,I6 0处于较低水平时雨滴动能较小,到达地表时溅蚀程度较轻,此时土壤入渗率较高;随着I6 0增大,降雨量相对更高,雨滴具有更强的动能,从而对坡面表层土壤的破坏作用增强,形成超渗产流,因此径流量明显增加。径流较强的冲刷能力能够携带更多地表泥沙,并进一步侵蚀表土以下土层,使得坡面土壤流失量增加。图3 不同降雨条件下施工便道边坡径流量与土壤流失量模拟值图4 不同降雨条件下径流量与土壤流失量的变化 选取降雨强度、降雨历时等都处于平均水平的第1场降雨分析靠山和不靠山施工便道边坡的土壤流失曲线特征(图5)。靠山施工便道边坡土壤流失过程显示,从坡顶向下到1 4m处左右,开始产生土壤流失,1 42 7m属于侵蚀加速区,2 73 0m侵蚀速率降低,在3 0m处(施工便道区)泥沙开始堆积;下坡面开始至6 6m为第2个侵蚀加速区,6 6m后侵蚀速度减缓。上边坡土壤流失量低于下边坡,原因为下边坡在施工便道处已开始产生径流,导致实际土壤流失面积增加。不靠山施工便道(此处只分析右边下边坡)边坡土壤流失过程显示,从坡顶向下到1 5m处开始发生侵蚀,1 53 2m属于侵蚀加速区,3 2m后侵蚀速率逐渐减小,堆积速率增加。土壤流失量随坡度增加呈现出加速增加的动态趋53第5期 于洋等:基于WE P P模型的工程建设中施工便道边坡水土流失特征势,土壤流失量随坡长增加呈现出先匀速增加、后增加速度减慢2种动态形式。二者共同影响了边坡侵蚀-堆积的运动形式,导致坡面侵蚀、搬运、沉积过程交替发生。3.3 不同坡度、坡长条件下施工便道边坡水土流失演变规律模拟无植被措施情况下坡度5 6 0(变化梯度为5)、坡长1 01 2 0m(变化梯度为1 0m)年均径流量、土壤流失量,分析不同条件下水土流失演变规律,同时引用增长速度、环比增长率分析地形对施工便道边坡水土流失演变规律的影响,为后期需要进行生态恢复提供水土流失阈值标准。其中随坡度的增加,径流量呈先增加后减小,土壤流失量呈先增加后趋于稳定;随坡长的增加,径流量不靠山边坡保持稳定,靠山边坡稍有降低,土壤流失量不断增加。图5 单次降雨靠山边坡、不靠山边坡土壤流失曲线 径流量模拟结果(表3、图6)显示,坡度对径流量的影响作用较小,随坡度增加径流量呈“快速增加增速减慢逐渐减小”趋势,靠山边坡径流量与不靠山边坡基本一致。坡度为5 以下产生最低径流量,约为5 6.9 85 8.0 0mm,在坡度为3 0 时靠山边坡产生径流量最高,为7 6.1 9mm,在坡度为3 5 时不靠山边坡产生径流量最高,为7 7.0 1mm,最高径流量约是5 以下径流量的1.3倍。5 1 0 为快速增长阶段,环比增长率为2 0.7 4%2 3.4 3%,坡度每增加1 径流量增长2.4 12.6 7mm;1 0 3 0 增长速度减慢,环比增长率几乎为0,增长速度也趋近于0;3 0 6 0 为径流量逐渐降低阶段,整体有小幅度下降趋势。坡度较缓时,低强度降雨时雨水几乎都入渗土壤,难以产生地表径流或者产生较低的径流量,并且径流流速缓慢;随着坡度增大,受雨面积有所减小,重力势能转为动能导致水流流速增快,土壤入渗率降低,因此径流量增大;当坡度达到阈值后,坡面投影面积有所减小,因此出现径流量减小的趋势。坡度对土壤流失量影响较大,随坡度增加土壤流失量呈“先快速增加后趋于稳定”的趋势,靠山边坡的土壤流失量在5 3 5 区间略高于不靠山边坡,但差异不大。坡度为5 以下产生土壤流失量最低,分别为0.9 5,1.6 7k g/m2,在坡度为5 0 时产生土壤流失量最高,分别为7 5.1 6,7 6.4 7k g/m2;5 5 0 为快速增长阶段,平均增长速度约为1.6 5k g/m2,此阶段环比增长率逐渐递减:当坡度为5 1 0 时,土壤流失量 3 5k g/m2时,环比增长率约为04 0%。5 0 6 0 为稳定阶段,并且开始出现土壤流失量减小的情况,最终土壤流失量稳定在7 0k g/m2。其坡度较缓时,径流量低、流速小,携沙能力弱,产沙能力也最低;随着坡度增加,径流量增大、流速增快,侵蚀能力增强,携沙能力提高,土壤流失量随之增大;当坡度增加到一定值时,径流量开始减小,因而土壤流失量也达到峰值。表3 不同坡度下径流量和土壤流失量坡度/()靠山径流量/mm土壤流失量/(k gm-2)不靠山径流量/mm土壤流失量/(k gm-2)55 8.0 01.6 65 6.9 80.9 51 07 0.0 39.9 37 0.3 35.7 51 57 1.2 11 9.0 27 2.0 01 3.6 22 07 3.4 33 5.3 47 4.1 72 3.9 22 57 4.9 43 6.9 87 4.7 33 3.3 03 07 6.1 94 4.8 47 5.1 74 2.4 63 57 4.9 75 2.3 97 7.0 15 1.4 04 07 4.3 25 8.3 17 6.4 25 8.4 04 57 4.8 56 3.9 47 3.7 36 5.0 65 07 5.4 47 6.4 77 5.3 07 5.1 65 57 2.7 07 0.7 47 2.8 57 2.9 66 07 0.7 97 1.9 67 0.1 57 4.2 6 不同坡长条件下径流量、土壤流失量模拟结果(表4、图7)显示,靠山边坡径流量在坡长为05 0m时略低于不靠山边坡,坡长为5 0m后随着坡长的增加径流量差距逐渐增加。靠山边坡径流量随坡长增加逐渐降低,坡长为3 0m时产生的径流量最高,为7 0.0 3mm,坡长为1 2 0m时产生的径流量最低,为63水土保持学报 第3 7卷6 3.5 7mm,最高径流量约是最低径流量的1.1 0倍。1 03 0m径流量随坡长的增加先减小后增大,径流量分别为6 9.5 7,6 7.7 5,7 0.0 3mm,即在2 0m处产生1个较低值;3 01 2 0m为径流量降低阶段,由7 0.0 3mm降低至6 3.5 7mm,平均每增加1m坡长径流量减少0.0 9mm,环比增长率类在0上下浮动,范围为3%。不靠山边坡径流量保持稳定,坡长为1 0 m时产生最大径流量为7 0.9 3mm,坡长为5 0m时产生最低径流量为6 8.8 6mm,平均每增加1m坡长径流量变化-0.1 60.1 8mm,环比增长率范围为5%。随着坡长增加,坡面承接雨水面积增大,径流不断汇集积累,流速增加,但是径流流动和携带表面泥沙均消耗能量,随着地表泥沙不断进入水流,能量消耗变大,能量降低则导致坡下部分的泥沙淤积增加,降低流速,并自发导致坡度变缓。因此,当坡长增大到一定程度后,径流量相对变小。图6 径流量与土壤流失量随坡度变化的模拟值、环比增长率和增长速度 坡长对边坡土壤流失量影响虽然不如坡度,但也非常显著,土壤流失量随坡长增加而增大。靠山施工便道边坡的土壤流失量坡长为1 07 0m时略高于不靠山边坡,在坡长为8 01 2 0m时略低于不靠山边坡。靠山边坡随坡长