黄土区工程堆积体陡坡坡面径流调控工程措施的减沙效应

张乐涛，董俊武，袁 琳，朱雅琴，黄增玉，李婉璐，王慧慧，唐林昊，田红卫，高照良

黄土区工程堆积体陡坡坡面径流调控工程措施的减沙效应

张乐涛1，董俊武1，袁 琳1，朱雅琴1，黄增玉1，李婉璐1，王慧慧1，唐林昊1，田红卫2，高照良3※

（1. 河南大学环境与规划学院环境与规划国家级实验教学示范中心，开封 475004； 2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010； 3. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100）

定量分析减少径流和改变水沙关系在泥沙调控中的不同作用，对于深刻理解径流调控措施的水土保持效益具有重要意义。以黄土区工程堆积体陡坡坡面（36°）为例，探讨了野外模拟径流冲刷试验条件下，不同工程措施及其组合调控坡面径流的水沙效应及其作用效率。结果表明：1）不同工程措施均能较好地调控坡面径流侵蚀过程，不同情形下的产流时间控制比为2～20，径流量控制比为0.45～0.78，产沙量控制比为0.20～0.59；平均含沙量控制比为0.38～0.79；2）减流控沙作用是工程措施调控坡面侵蚀产沙的主要原因，水沙关系调沙作用则受减流控沙作用的制约；3）水平阶类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈线性正相关，当减流控沙量超过一定临界值时，水沙关系才开始发挥调沙作用；水平沟类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈二次函数关系，水沙关系调沙量存在极大值；4）水平沟类措施调控泥沙的作用效率高于水平阶类措施，水平沟+鱼鳞坑的组合可很好地发挥减流控沙和水沙关系调沙作用的潜力（55%），使二者在较高的水平上维持相对平衡；因此，不同工程措施与组合的实际应用应以具体的水土保持效益和防治目标为布设依据。研究可为堆积体陡坡治理的工程措施优化提供理论参考。

侵蚀；泥沙；径流；水沙关系；泥沙调控能力；效率系数；弃土堆积体

0 引 言

工程堆积体是由生产建设活动所产生的弃（废）土、弃（废）渣等废弃材料积聚而成的人工技术结构体，是人类地貌活动的产物和典型的人工地貌景观。从地貌过程的规模和维度看，工程堆积体是最为壮观的人造积聚形态之一[1]。从景观功能的角度看，工程堆积体的形成是人工选择作用主导下的低洼地、沟谷甚至农田改造为人造山丘的景观逆转过程。土体、地形等景观要素的人为重组丧失了自然生态系统原有景观功能的整体性和持久性。与自然坡面相比，工程堆积体地边坡失调、地表组成物质松散、稳定性结构体缺失、土壤组分的质地及肥力均遭到破坏，植被及有机质匮乏、水文地质条件恶化，其对降雨、风速等自然营力的抵抗能力下降[2-4]。因此，与自然过程相比，工程堆积体的地表过程发生速度与强度发生了明显改变[5-6]，是生产建设区新增水土流失的重要策源地[7-8]。

黄土高原地区生态环境脆弱，水分是制约该区生态修复的限制性因子。因此，“28字方略”仍是黄土区工程堆积体土地资源整治的指导性策略，以促进地表径流拦蓄、增加土壤入渗，为植被的迅速恢复创造水分条件。在此背景下，实施以工程措施为基础的陡坡治理进而恢复土壤水文功能成为促进该区工程堆积体生态修复的关键和前提。然而，笔者在野外考察中发现，相当数量的工程堆积体高陡边坡在治理、恢复过程中严重忽视植被分布的地带性规律，片面强调植被的生态治理功能，一味盲目地追求提高植被覆盖度，导致植物成活率低和局部生态环境恶化的恶性循环。

为合理有效优化工程堆积体的管理维护、维持并提升工程堆积体的生态景观功能，工程堆积体的微地形整治、生态系统的恢复与重建日益成为关注焦点与研究热点[9-15]。水平阶、水平沟、鱼鳞坑等传统陡坡治理工程广泛应用于工程堆积体微地形整治中，其具有缩短径流流线、降低径流流速、拦截坡面上方来水，促进局地降水径流的富集叠加等径流调节功能，进而在减轻土壤冲刷的同时有效改善土壤水文条件[16-22]，提高植被存活几率、恢复生态环境。目前，在工程堆积体陡坡土地整治背景下，研究者多聚焦于工程措施减水减沙的综合效益分析[10,23-25]，未能密切关注陡坡条件下工程措施的水沙调控效率，即径流与水沙关系变化对坡面侵蚀泥沙输出的不同调控作用，因而不能进一步精细地量化表达工程措施的水土保持效益，以为促进坡面水资源富集、提高水资源利用效率、提升堆积体陡坡治理水平奠定理论基础。

为进一步探讨工程措施对堆积体陡坡坡面侵蚀泥沙的调节作用，本文在对“神府高速公路”沿线弃土堆积体全面调查的基础上，以黄土区典型工程堆积体陡坡坡面为例，设计水平阶、水平沟、鱼鳞坑等不同的工程措施及其组合形式，采用野外放水冲刷的试验方法，对工程措施及其组合影响下的径流减沙（因径流量改变引起的减沙）和水沙关系调沙（因水沙关系改变引起的减沙）过程进行了研究，以期为堆积体陡坡工程治理过程中的措施优化与管理维护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黄河的一级支流—石马川小流域，流域面积为243 km2。该区原生地貌主要为黄土丘陵沟壑，属中温带半干旱大陆性季风气候，处于440 mm等降水量线附近，降水量不足，降水主要集中在6－9月，时间分布不均，夏季平均降水284.6 mm，占全年62.77%，极易形成山洪。本区气候干燥，日照充足，年平均气温8.0～8.5 ℃，无霜期平均173 d。石马川小流域水量贫乏，年径流总量约为0.2144亿m3，年输沙量约为597万t。原生植主要包括柠条（Kom）、沙棘（Linn.）、酸枣（Mill. var.(Bunge) Hu ex H. F. Chow）等落叶阔叶灌丛，原生土壤类型主要为黄绵土和风沙土，该流域土壤侵蚀形式以水蚀为主，多年平均年土壤侵蚀模数为3.04×104t/(km2·a)，水土流失严重[26]。

神木至府谷高速公路在建设过程中产生顶部平台面积大于250 m2的工程堆积体120座，坡度变化范围为30°～50°，陡坡斜长变化范围为5～80 m，其中，35°～40°和10～25 m的堆积体数量最多，占比分别为67.5%（81座）和62.5%（75座）。

布设径流试验小区的工程堆积体位于神木—府谷高速公路沿线的一处弃土场（38°56′15.5″N，110°53′10.0″E），由依沟倾倒弃土形成，距石马川收费站约0.8 km，海拔高度966 m。堆积体为“顶部平台+高陡边坡”结构，于2012年达到堆积的稳定状态。平台面积约为2.8 hm2，边坡平均坡度为36°，陡坡平均斜长为78 m，坡面未布设水土保持措施。自然恢复的植被主要以沙蓬（(Linn.)Moq）、沙柳（）等沙地植被为主，植被覆盖率低。坡面地表组成物质以黄绵土为主，土石比超过9:1，粒径多在1 mm以下（表1）。

表1 土壤颗粒组成

1.2 试验设计与观测

径流小区的顶端与顶部平台的距离为63 m，沿坡长方向布设，长12 m，宽2.5 m，坡度为36°。工程措施布设方式及规格如下：

1）为紊乱坡面径流流线、改变径流运动方向，缓解径流强度，沿坡宽方向修筑的长2.5 m、宽30 cm的水平阶，布设方式为：①均匀型，4个水平阶，沿坡长方向的间距为3 m；②增加型（间距），4个水平阶，沿坡长方向的间距分别为1、2、3、4 m；

2）为存蓄坡面径流、拦截侵蚀泥沙，沿坡宽方向修建长2.5 m、顶宽30 cm、深10 cm的水平沟，断面为梯形，布设方式为：①均匀型，4条水平沟，沿坡长方向的间距为3 m；②增加型（间距），4条水平沟，沿坡长方向的间距分别为1、2、3、4 m；

3）工程措施组合方式：①水平阶+水平沟组合（规格与前述统一），按“水平阶+水平沟+水平阶+水平沟”的格局布设，沿坡长方向的间距分别为1、2、3、4 m；②水平阶+鱼鳞坑组合，水平阶的规格与前述统一，鱼鳞坑的半径为25 cm，深为10 cm，鱼鳞坑呈“品”字形布设，总体沿坡长方向按“水平阶+鱼鳞坑+鱼鳞坑+水平沟”的格局布设，沿坡长方向的间距分别为1、2、3、4 m；③水平沟+鱼鳞坑组合（水平沟、鱼鳞坑的规格与前述统一），沿坡长方向按“水平沟+鱼鳞坑+鱼鳞坑+水平沟”的格局布设，沿坡长方向的间距分别为1、2、3、4 m。为对比试验结果，设置裸露坡面的对照试验，不布设任何措施。试验过程中，共有8种试验情形产生有效观测，各场次试验的放水时间视情况持续时间约为30 min，各情形设置重复一次。

模拟放水试验的放水流量按如下方式计算：放水流量=（模拟宽度/实际沟间距）×降水强度×汇水面积×产流系数，径流系数取值0.65；最大1 h降水强度取100 mm/h，沟蚀发生的临界汇水面积变化取300 m2，沟间距30 m，试验中的模拟宽度为2.5 m，利用上述算法计算得出放水流量为27 L/min。因此，根据前期试验结果[27]和该区暴雨产流在试验小区产生的单宽流量，设计供水流量为25 L/min。试验开始前，利用流量计和用标有刻度的径流桶率定放水流量2～3次，沿坡长方向设置4个等间距的观测断面（图2）。试验开始后，待小区出口产生径流时，记录出流时间，并在小区出口处接取径流泥沙样品。径流泥沙样在产流后3 min内每1 min取1次，3 min后每隔2 min取1次。径流桶的半径为0.49 m，高1 m，不设分流设施，径流桶接收全部泥沙和径流。径流桶内设置一把量程为150 mm、精度为1 mm的直尺，根据径流桶内的水位变化过程推算小区径流、泥沙过程。泥沙样品烘干后用天平称其质量（精度为0.01 g），径流均换算为清水体积，含沙量为浑水样品中泥沙质量与清水体积的比值。试验结束后，将小区全部进行翻新、填土，重新布设工程措施，尽可能使不同场次试验的地表状况一致，表面进行洒水（翻新期间如遇晚间降雨，则不洒水），晾置12 h后，重新进行试验。试验期间，土壤容重变化范围为1.32～1.41 g/cm3，前期质量含水率变化范围为13.6%～14.6%。

试验系统、试验过程和观测参照参考文献[2,7]，不同工程措施断面的设计规格及坡面措施布局如图1和图2所示。

图1 工程措施的横断面设计

图2 坡面工程措施布设

1.3 数据分析方法

1）控制比（）

为表征工程措施对坡面径流侵蚀的实际控制作用，采用控制比反映工程措施实施前后堆积体坡面径流、侵蚀泥沙的变化情况。

式中表示产流时间，min；径流量，m3；产沙量，kg；平均径流含沙量，kg/m3等观测指标，1表示裸露坡面的观测结果，2表示不同工程措施情形下的观测结果。

2）泥沙调控能力（）

径流驱动的侵蚀泥沙输出过程受径流量和水沙关系的制约[20]，水土保持措施调节下的侵蚀泥沙变化可以分解为两种来源：径流量变化引起的侵蚀泥沙变化和水沙关系改变引起的侵蚀泥沙变化[28-30]。

工程措施实施前后的产沙量变化可用下式表示

式中Δ为工程措施发挥作用后的总减沙量，kg；1为工程措施实施前的总产沙量，kg；2为工程措施实施后的总产沙量，kg；Δ为工程措施发挥作用后的产流变化总量，m3；1为工程措施实施前的总产流量，m3；2为工程措施实施后的总产流量，m3；Δ为工程措施发挥作用后径流含沙量的变化量，kg/m3；1为工程措施实施前的径流平均含沙量，kg/m3；2为工程措施实施后的径流平均含沙量，kg/m3。

式（2）中，1Δ项可被认为是径流量改变所引起的泥沙量的变化，定义为减流控沙量（SR）；而Δ2项则可被认为是径流含沙量也即水沙关系改变引起的泥沙量的变化，定义为水沙关系调沙量（SR）。

式（1）左右两边同时除以Δ，可得

式（3）中，定义SRC、1和2Δ/Δ分别为不同措施条件下单位径流的泥沙调控能力、减流控沙能力（SRC）和水沙关系调沙能力（SRC），kg/m3。

式（3）表明，不同措施条件下单位径流对泥沙的调控作用表现为两个方面：一为对原始坡面含沙水流的阻滞，包括拦蓄泥沙、增加“沙汇”和减少径流量，表现为减流控沙能力；一为降低径流含沙量，改善水沙传递关系，表现为水沙关系调沙能力。

3）泥沙调控效率系数（、）

令Δ=1，即为径流量改变所能引起的减沙潜力，定义为减流控沙潜力

SRP

R=

S

1

Q

1

（4）

令Δ=1，此时即为径流含沙量即水沙关系改变所能引起的泥沙调节潜力，定义为水沙关系调沙潜力

SRP

S

=

S

1

Q

2

（5）

式中SRP、SRP分别表示径流的控沙潜力和水沙关系的调沙潜力，kg。

因此，式（2）可变为

本文定义、分别为减流控沙和水沙关系调沙作用的效率系数。

数据分析使用SPSS 18.0，绘图使用SigmaPlot 13.0。

2 结果与分析

2.1 不同工程措施的径流泥沙调控效益

受工程措施特点和布设方式的影响，不同工程措施配置对径流、侵蚀的控制比差距较大（表2）。水平沟+鱼鳞坑组合对延迟坡面出流历时（水流从坡顶（进水端）汇流至小区出口（出水端）所需要的时间）、控制产水量的作用最佳（控制比分别为20.0、0.45），而均匀型水平沟拦蓄坡面泥沙、降低径流含沙量的效果最佳（控制比分为0.20、0.38）；相反地，均匀型水平阶对延长坡面出流历时、减小坡面径流量的作用最差（控制比分别为2.0、0.78），而增加型水平阶控制坡面产沙量、减小径流含沙量的效果最差（控制比分别为0.59、0.79）。上述结果表明，与水平阶类措施相比，水平沟类措施的坡面径流泥沙调控效益较佳。

简单回归分析发现，在工程措施的调控下，随着CR的提高，CR、CR、CR呈下降趋势，表现出显著的负相关关系。出流时间、径流量、产沙量、平均含沙量间的控制比存在如下相关关系

CR

W

=1.23CR

Q

–0.37

R

2

=0.89 （10）

式中CR、CR、CR、CR分别表示工程措施调控下出流时间、径流量、产沙量和平均含沙量的控制比，拟合的数据样本量为7。

表2 不同工程措施影响下的坡面径流侵蚀响应

2.2 减流控沙和水沙关系调沙动态过程

根据式（2）分别计算不同工程措施配置影响下不同观测时段内的减流控沙量和水沙关系调沙量，得到减流控沙量和水沙关系调沙量随时间变化的变化趋势（图3）。

不同工程措施布局情形影响下的减流控沙量和水沙关系调沙量呈现出不同的时间变化特征：1）减流控沙量随时间呈现先迅速增大后迅速减小的单峰“抛物线”变化趋势，控沙量峰值均出现在坡面产流后的9～12 min（以对照组产流时间计），且减流控沙量均为正值；2）水沙关系调沙量随时间呈现非单峰的波动变化趋势，不同措施组合的水沙关系调沙量峰值出现在坡面产流后的不同时段，水平阶类措施的水沙关系调沙量峰值出现在坡面产流后的6～12 min，水平沟类措施的水沙关系调沙量峰值出现在坡面产流后的15～18 min（以对照组产流时间计），而到试验后期，水平阶类措施的水沙关系调沙量出现负值；3）针对不同的措施组合，减流控沙量始终明显高于同时段的水沙关系调沙量。上述现象表明，不同措施组合通过控制径流减少侵蚀泥沙输出的作用过程类似，对减流控沙量的影响具有一致性（如峰现时间、总体趋势等）；而通过调节水流携沙力减少泥沙输移数量的作用过程则因不同措施组合而有不同，对水沙关系调沙量的影响具有不确定性（如峰现时间、正负效应等）；通过控制径流减少泥沙，也即发挥减流控沙能力是不同工程措施组合发挥泥沙调控作用的主要方面。

图3 不同工程措施下减流控沙量和水沙关系调沙量的时间变化特征

通过回归分析可得到不同工程措施布局情形下水沙关系调沙量与减流控沙量之间的数量关系（表3）。

表3 水沙关系调沙量与减流控沙量间的回归关系

注：回归结果均在=0.01水平上具有显著性。

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

表3结果显示，水平阶类措施影响下的水沙关系调沙量与减流控沙量的变化同频（正相关），由受水平阶单一影响的线性关系转变为受水平阶+水平沟、水平阶+鱼鳞坑复合影响的对数关系，表明此类措施及其组合情形下径流量的调控对水沙关系的改善具有重要影响。回归关系表明，当减流控沙量达到某一临界时，水沙关系的调节才能发挥调控泥沙的作用。试验条件下，均匀型水平阶、增加型水平阶、水平阶+水平沟和水平阶+鱼鳞坑四种情形下这一减流控沙量的临界值分别为7.5、16.8、14.6、25 kg。

水平沟类措施影响下的水沙关系调沙量与减流控沙量的变化则出现异频现象（呈现先增大后减小的单峰抛物线趋势），表明此类措施及其组合情形下当径流的调节功能达到某一临界时，水沙关系的调沙功能达到极限，当减流控沙量超越这一临界时，水沙关系调沙量开始下降，此时径流量的调控已不能显著改善坡面水沙关系。试验条件下，均匀型水平沟、增加型水平沟和水平沟+鱼鳞坑3种情形下的临界减流控沙量值和最大水沙关系调沙量值分别为：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调控效率

不同措施影响下减流控沙和水沙关系调沙作用的效率系数变化及其相互关系列于表4。

综合泥沙调控过程可以发现，水平阶类措施影响下减流控沙作用的效率系数波动范围与变异性整体低于水平沟类措施，水沙关系调沙作用的效率系数波动范围与变异性则呈现相反的变化（表4），表明水平阶类措施能够维持较为稳定的减流控沙功能，而水平沟类措施则能够维持较为稳定的水沙关系调沙功能。水平阶类措施条件下水沙关系调沙作用的效率系数与减流控沙作用的效率系数呈对数函数关系；水平沟类措施条件下则呈线性函数关系。就综合值而言，水平阶类措施条件下的减流控沙和水沙关系调沙作用均处于较低水平（效率系数分别为0.22～0.47、0.21～0.28）；与水平阶类措施相比，水平沟类措施能明显提高减流控沙作用和水沙关系调沙作用的作用效率（效率系数分别为0.48～0.55、0.55～0.62），表明水平沟类措施更容易发挥减流控沙作用和水沙关系调沙作用。从、综合值的对比关系来看，不同措施类型及组合条件下减流控沙与水沙关系调沙作用的对比关系不同：增加型水平阶、水平阶+鱼鳞坑条件下减流控沙作用的调控效率高于水沙关系调沙作用（:＞1），均匀型水平阶、水平阶+水平沟、均匀型水平沟、增加型水平沟条件下减流控沙作用的调控效率低于水沙关系调沙作用（:＜1），水平沟+鱼鳞坑条件下二者作用效率相当（:=1）。

不同工程措施情形下的减流控沙与水沙关系调沙占比及其减沙能力列于表5。表5显示水平沟+鱼鳞坑组合情形下减流控沙占比最大，水沙关系调沙占比最小；均匀型水平阶与均匀型水平沟情形下减流控沙占比最小，水沙关系调沙占比最大。均匀型水平阶与水平阶+水平沟情形下的单位径流调控能力与水沙关系调沙能力最大，而水平阶+鱼鳞坑情形下的单位径流调控能力与水沙关系调沙能力最小。

注：回归结果均在=0.01水平上具有显著性。

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

表5 不同工程措施的减沙能力

3 讨 论

地表径流是诱发坡面侵蚀产沙的根本原因和直接动力，坡面径流调控是防治土壤侵蚀的关键。减流控沙作用和水沙关系调沙作用是坡面径流调控水沙效应的两个重要方面。各类工程措施及其组合均能通过明显削减洪峰流量、有效控制径流总量，降低径流含沙量、减少侵蚀泥沙输出。从泥沙调控的时间变化特征中可以看出，不同工程措施类型影响下的减流控沙量及其在总减沙量中的占比明显高于水沙关系调沙量（图3），当水沙关系调沙量为负值时，减流控沙量甚至能达到总减沙量的400倍以上；而从综合作用结果看，不同工程措施的减流控沙量在总减沙量中的占比均超过50%，最低为均匀型水平阶的52%，最高为水平沟+鱼鳞坑的77%。因此，工程措施影响下的坡面径流调控主要是通过发挥减流控沙作用来减少坡面侵蚀产沙的数量。

从作用效率及其对比关系上看，减流控沙作用与水沙关系调沙作用相互制约、相互影响。除水平沟+鱼鳞坑的组合类型外，水平阶、水平沟、鱼鳞坑（水毁无效）等单一的工程措施均不能在较高的效率水平上维持减流控沙和水沙关系调沙作用的相对平衡。在此情形下，坡面径流调控的减流控沙潜力和水沙关系调沙潜力均得到了相当程度的发挥（55%），径流量和产沙量的控制比也达到最低，是最优措施布设方案（调控效率和调控效果而言）。

从不同措施径流调控的作用机制上看，水平阶类措施影响下的径流调控作用主要体现在改变坡面水流流线（如改变运动方向、延长等路径长度）而非径流拦蓄，因而消减径流量的作用并不突出，尽管提高了单位径流的泥沙调控能力和水沙关系调沙能力（水平阶+鱼鳞坑较低除外），由于减流控沙的作用效率处于较低水平，水沙关系调沙的作用水平也较低（减流控沙是水沙关系调沙的前提）。水平沟类措施则与之相反，其径流调控作用主要为径流拦蓄，径流量的控制比较低，减流控沙作用效率较高。然而，与水平阶类措施持续稳定的发挥调节作用不同，水平沟类措施有限的拦蓄库容决定了水沙关系调节作用的上限，措施被蓄满、淤满后，水沙关系调沙作用不再变化，甚至在措施发生水毁后加速泥沙的释放。因此，尽管对泥沙的控制比较低、作用效率较高，单位径流的泥沙调控能力和水沙关系调沙能力却并不突出。因此，如以保有坡面水资源、提高减沙效率为目标，应考虑以布设水平沟类措施、降低水文连通度为主；如以增加坡面产水量、提高单位径流泥沙调控能力并达到一定的减沙效果为目标，则应考虑以布设水平阶类措施、提升坡面径流的缓冲效果为主。

4 结 论

本文以黄土区工程堆积体陡坡坡面为例，设计不同的水土保持工程措施，通过野外模拟径流冲刷试验的方法，分析了工程措施径流调控的水沙效应及其作用效率。主要结论为：1）减少径流、发挥减流控沙作用是工程措施抑制坡面侵蚀、调控泥沙的主要原因，水沙关系的调沙过程受减流控沙过程的制约；2）水平阶类措施条件下水沙关系调沙量与减流控沙量之间呈线性函数关系，水平沟类措施下则呈二次函数关系；3）水平沟+鱼鳞坑的组合措施能在较高的效率水平上维持减流控沙和水沙关系调沙作用的相对平衡；4）水平阶类措施下水沙关系调沙作用的效率系数与减流控沙作用的效率系数之间呈对数函数关系，水平沟类措施下则呈线性函数关系；5）水平阶类措施的优点为单位径流泥沙调控能力和水沙关系调沙能力较大，不足为减流控沙和水沙关系调沙的作用效率较低；水平沟类措施的优点为减流控沙量大、径流调控作用效率高，缺点为径流的消耗数量大；在生产实践中，不同工程措施的选择及组合措施的布设应以具体目标为依据。

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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

国家自然科学基金项目（41807066，41671283，51309093）；国家重点研发计划项目（2016YFC0501706-02）；河南大学一流学科创新团队培育项目（2018YLTD16）

张乐涛，讲师，博士，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：letao_20062006@126.com

高照良，研究员，博士生导师，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

张乐涛，董俊武，袁琳，朱雅琴，黄增玉，李婉璐，王慧慧，唐林昊，田红卫，高照良. 黄土区工程堆积体陡坡坡面径流调控工程措施的减沙效应[J]. 农业工程学报，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