黄土高原植物路防蚀机理与控制指标研究

节水中心2009届硕士研究生牛皓，在导师高建恩研究员的指导下，经过三年努力完成了黄土高原植物路防蚀机理与控制指标研究。

研究方向：农业水土资源利用与水土环境保护

黄土高原道路侵蚀严重，为了探索黄土高原地区不同植物道路侵蚀产沙规律，为道路设计提供依据，本研究基于土力学、土壤学、水力学，土壤侵蚀学等学科的基本原理，利用室内快速剪切及室外放水冲刷试验相结合的方法，借助软件ImageJ1.41及PhotoshopCS3，重点分析了多年生草本植物地肤根系的抗剪切力学性质，及其生育期内叶面积生长变化趋势，分析了已有植物路结构模式及通过固化剂改造路面结构，形成的新型植物路在不同放水流量冲刷条件下路面的侵蚀过程及坡面各径流要素水沙响应关系。通过研究得出以下主要结论：

1.ImageJ1.41与PhotoshopCS3相结合是测定植被覆盖度较准确及稳定的新方法，计算绝对误差在2%左右。

2.地肤对于提高土壤抗剪切强度效果明显，其生长迅速且单株叶面覆盖度大，有利于减缓雨滴对路面溅蚀，株径与叶面积两者呈幂相关；室内直剪试验结果表明含有地肤根系比不含地肤根系重塑土样的抗剪切强度在100Kpa、200Kpa、300Kpa、400Kpa垂直荷载压力下分别增加9.51%、14.62%、17.03%、7.34%，根系直径与土样抗剪切强度增强值两者呈线性相关。

3.坡面在暴雨冲刷流量条件下，植物路路面结构形式与含有固化带固化的植物路路面水沙响应关系不同。前者径流含沙量（kg/m3）与产流时间(min)呈幂相关，坡面侵蚀率（g?m-2?min-1）随产流时间(min)变化趋势平稳，整个产流过程各覆盖度条件变化差别不大，均有一个峰值出现；后者径流含沙量（kg/m3）与产流时间(min)的关系较为复杂，可用6次多项式相关关系描述，坡面侵蚀率（g?m-2?min-1）随产流时间(min)变化趋势剧烈，不同覆盖度条件下变化差别大，整个冲刷过程有两次以上波动，覆盖度大小是主要影响因素。

由于两种结构路面不同之处为植物路上加固化带，因此，一些水力参数变化表现出相同的规律。径流入渗率（%）与时间（min）关系两类坡面较为相似，均呈幂相关，地肤覆盖度越高，坡面入渗率越大，侵蚀产沙量越小。新型路面的无固化部分与原始植物路路面径流流速随时间变化的关系相同，均呈对数相关；含有固化带部分坡面流速随着覆盖度增大，变化趋势逐渐趋于平缓，两者呈5次多项式相关关系。

4.覆盖度是影响坡面径流产沙的主导因素，60%覆盖度是有效覆盖度参考值。

稳流槽出水单宽流量 为1.67×10-4m3?s-1?m-1，地肤覆盖度为60%时，原始植物路路面结构形式下坡面最终侵蚀产沙量分别是覆盖度为0、20%、40%的1/12、1/6、及7/12, 是80%覆盖度条件下的2.4倍；含有固化带坡面最终侵蚀产沙量分别是覆盖度为0、20%、40%条件下的1/11、4/11、9/11同时仅为80%覆盖度条件下的1.18倍。当稳流槽出水单宽流量 增大到3.88×10-4m3?s-1?m-1（相当于30min内4.64mm/min雨强下的降雨量）覆盖度为60%坡面侵蚀产沙量较 为1.11×10-4m3?s-1?m-1（相当于30min内1.34mm/min雨强下的降雨量）时，增幅比相同条件下地肤覆盖度为0、20%、40%、80%的都小。

5.从植物路路面防蚀角度基于前人和上述研究，初步得出植物路建设规划设计控制应遵循的指标有：

（1）路面植物选择：植物应具有耐干旱、耐冲刷、生长周期短、根系发达、繁殖力旺盛、栽种简单、耐践踏、根系抗剪切强度高、单株叶面积大，具有一定经济价值等特性的草本植物。

（2）纯植物路路面结构：路宽4～6m，拱形路面设计，坡度小于20°，道路边坡坡下修筑梯田拦截雨水，道路边侧开挖水窖蓄积道路径流，发展节水灌溉，遵循“上坡拦、下坡护、路壕蓄、合理灌”的原则。

（3）植物路加车轮碾压防护带：路面纯植物路结构基础上，根据通行车辆轮距宽，用MBER等工程材料设计修筑单宽60cm的固化抗碾压带，厚度不小于20cm，当道路坡度大于10°时，设计抗碾压带抗压能力要大于300t?次/年。

（4）植被栽种以条播方式为好，覆盖度设计以60%为宜，既有效防治路面侵蚀又保证人、畜车辆通行安全。

关键词：道路侵蚀；地肤；放水冲刷；力学性质