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Laboratory test and engineering numerical simulation of rainfall utilization of gully slope slabs in rocky desertification areas
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摘要:
石漠化地区雨季虽然降雨丰沛，但由于复杂的岩溶地质结构渗漏导致边坡缺土少水，从而制约了石漠化边坡的植被恢复，如何实现降雨集蓄利用，成为目前绿色公路建设中石漠化边坡植被恢复的热点问题。在广西贺巴高速来都段某石漠化边坡，应用梯级新型板槽的植被恢复技术，并基于该技术开展了植被板槽降雨集蓄利用的室内试验及工程模拟数值分析。结果表明，由于没有模拟坡面径流汇入板槽，植株对板槽蓄水过程的影响主要体现在植物冠层对降雨的截流作用上。在降雨之后的干燥期，板槽内填土可在一段时间内保持适合植物生长的含水率。通过工程模拟数值分析，探究了不同降雨特征下植被板槽的降雨集蓄及持水能力，有助于揭示在雨季和旱季石漠化边坡板槽底部蓄水层的雨水集蓄及上部填土层含水率的空间分布特征，发现工程实施中可能出现的问题并提出对策。该研究结果可为在石漠化边坡现场应用植被板槽提供理论依据，促进石漠化地区绿色公路的建设发展。
Abstract:Although rainfall is abundant during the rainy season in rocky desertification areas, the complex karst geological structure results in leakage, leading to soil and water shortage on the slopes, which restricts the vegetation restoration of rocky desertification slopes. How to achieve the collection and utilization of rainfall has become a hot issue in the vegetation restoration of rocky desertification slopes in green highway construction. At a rocky desertification slope section of the Heba Expressway in Guangxi, the vegetation restoration technology of a new type of stepped slope slab was applied, and the indoor experiment and engineering numerical simulation analysis of rainfall collection and utilization of the vegetation slab were carried out based on this technology. The results show that, due to the lack of simulation of slope surface runoff inflow into the slabs, the influence of plants on the water storage process of the slabs is mainly reflected in the interception of rainfall by the plant canopy. During the dry period after rainfall, the soil in the slabs can maintain a suitable moisture content for plant growth for a period of time. Through the engineering numerical simulation analysis, the rainfall collection and water-holding capacity of the vegetation slabs under different rainfall characteristics were explored, which helps to reveal the spatial distribution characteristics of rainwater collection in the water storage layer at the bottom of the rocky desertification slope slabs and the moisture content in the upper soil layer during the rainy and dry seasons, and identify potential problems in the engineering implementation and propose countermeasures. The research results can provide a theoretical basis for the on-site application of vegetation slabs on rocky desertification slopes, and promote the development of green highway construction in rocky desertification areas.
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边坡植被恢复方法包括加筋生态护坡技术、植被联合植筋带护坡技术、格构梁骨架内填土植草、液压喷播植草护坡技术、喷射植被混凝土技术等[1-8]。石漠化边坡复杂的岩溶地质结构导致土壤水分流失严重，石漠化边坡在降雨作用下不仅有坡面径流、岩溶带或石渣层的壤中流，还有喀斯特地区独特岩溶裂隙通道的地下渗漏，使得边坡缺土少水、不能实现降雨集蓄利用，制约了石漠化边坡的植被恢复，也预示着喷播植草等常规的技术措施不宜作为石漠化边坡植被恢复的优选方案。
在降雨作用下，利用坡面框格填土植草（约10 cm厚填土），填土不匀或填土局部失稳，会导致框格内植被恢复失败[9]。为此有人在框格内采用植被水泥土[10-11]或微生物矿化填土表层[12-13]，再在框格内固化填土的预留孔中种植灌草容器苗，这样降雨就不会冲刷破坏框格内填土，雨水径流会变成优先流汇聚到植株孔内蓄积起来，从而避免了无法蓄积雨水利用的问题；Wang等[14]类似地提出了人工坡面钻孔种植植物的方法，试图提高植物的存活能力。但这些方法由于填土较薄，干旱时蒸发失水严重，造成植被由于缺水而无法正常生长的难题，从而制约了石漠化边坡的植被恢复。中国西南石漠化区域位于亚热带季风气候区，降雨具有明显的季节性，旱季时雨强小、雨量少，雨季时大雨频发，甚至出现大暴雨；但是特殊的喀斯特地质结构导致石漠化边坡存在岩溶带和石渣层，下覆基岩的岩溶裂隙通道也极为发育，石漠化边坡地下渗漏严重，即使在降雨季节坡面也没有降雨集蓄能力，植被恢复的难度极大。因此，解决石漠化边坡降雨集蓄利用技术难题，促进植被恢复，迫在眉睫。
本文拟针对石漠化边坡植被板槽[15]的概化模型，开展降雨集蓄利用模拟观测的室内试验及工程模拟数值分析，观测在雨季和旱季石漠化边坡板槽模型的降雨集蓄利用特征，分析在不同降雨特征及降雨随后干燥的条件下，石漠化边坡植被板槽中填土的体积含水率分布规律，揭示植被板槽类似坎儿井的“上层蓄土、下层蓄水、竖向吸水带吸水”的工作机理，为石漠化边坡植被板槽的工程应用提供理论依据，促进石漠化地区绿色公路建设的蓬勃发展。
1. 石漠化边坡及其降雨集蓄利用的植被板槽技术
广西贺巴高速来都段石漠化边坡覆盖第四系残坡积土层，地表无基岩出露，地面高程145~180 m，相对高差35 m。该区域的地表水属季节性流水，主要接受大气降水补给，水量受季节影响较大。该石漠化边坡长约280 m，最大垂直坡高26 m。设计施工分三级路堑开挖，第1级和第2级坡率约为1∶1.75，第三级坡率约为1∶2.58（图1(a)）。在该石漠化边坡的植被恢复中，采用梯级新型植被板槽技术[16]，结合石漠化边坡的路堑开挖工程，在石漠化坡面建设水土共蓄的新型板槽——“上层蓄土、下层蓄水、竖向吸水带吸水”（图1(d)）。通过填土的集约化利用，不仅为石漠化边坡上植被生长提供足够的土壤及水分条件，而且还能够缓解水土流失的问题。在降雨时，除了板槽填土传统的降雨入渗，石漠化边坡坡面上的人工集雨面，也会将坡面降雨形成坡面径流（而不是地下渗漏）汇入至板槽底部的蓄水腔沟进行降雨集蓄，雨水流入板槽填土层及其下部的蓄水腔沟内不断积蓄，暴雨季节蓄水腔沟内多余的积水可以从两侧的端口溢流出来；在干旱季节，吸水带将蓄存于蓄水腔沟内的积水吸至土层内的根系分布区，从而保证植被在缺土少水的石漠化边坡上持续正常生长；如果遇到长期干旱的季节，可以人工水车水管沿着坡面预设的台阶（图1(e)）拾级而上，从每排板槽底部的蓄水腔沟（类似坎儿井）的端口往里补水，而不是传统的人工在坡面洒水养护植物（表层水分易蒸发殆尽）。
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图 1 石漠化边坡上降雨集蓄利用的梯级新型植被板槽Figure 1. New type of vegetated terrace-channel system for rainwater harvesting on sloping rocky desertified slope该石漠化边坡上梯级分布的植被板槽的现场施工情况如图2所示，分3个坡段、3个坡比设计施工。石漠化坡面上暂设为了减少地下渗漏而设置集雨面材料，例如喷射混凝土层、喷射水泥土层、喷洒有机硅土[17]、微生物菌液和胶结液混合喷洒土，或两布一膜植被垫层[15]。由于本文研究针对的是现场石漠化工程边坡，该边坡的坡级、坡度和坡长已经确定，经多方商讨确定采用本文的板槽结构形式，室内试验及现场工程模拟数值分析研究也结合该板槽结构进行。
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图 2 贺巴高速来都段石漠化边坡植被板槽施工（周成拍摄）Figure 2. Construction of the vegetated terrace-channel system on the sloping rocky desertified slope along the Heba Expressway (photographed by Zhou Cheng)2. 石漠化边坡植被板槽降雨集蓄利用的室内试验
为了验证石漠化边坡植被板槽的降雨集蓄利用能力，采用自行设计的石漠化边坡植被板槽组合蓄水和持水养护的试验模型[16]，进行作为植被恢复单元的植被板槽的模拟试验。试验装置和材料包括由格栅板和有机玻璃组合而成的试验槽体、土体、防渗透保护层、蓄水层或蓄水腔、吸水带、传感器、植株、降雨模拟装置、底座支撑结构等。
模型槽体采用钢格栅板与有机玻璃板，通过老虎夹连接而成，拆装便捷。将2块钢格栅板（300 mm×1 000 mm×30 mm、300 mm×550 mm×30 mm）与2块有机玻璃板（550 mm×1 000 mm×10 mm）连接，形成尺寸为550 mm×1 000 mm×300 mm的试验槽体，长度较大的钢格栅板为槽体底板。板槽内防渗漏保护层覆盖在试验槽体下侧壁和底板上，以透明塑料膜为止水层模拟材料。格栅板架设在试验槽体的下侧壁和底板之间，与下侧壁、底板共同围成蓄水腔。在试验过程中，可透过有机玻璃板观测种植土层湿润锋与蓄水腔内蓄水深度的变化。根据现场石漠化边坡的实际情况，通过支撑结构将试验槽体的底板调整到相应的30°坡度。蓄水腔与种植土层之间采用塑料格栅板分隔，格栅板与水平面呈15°角，种植土层厚度为30 cm，蓄水腔最大蓄水深度为15 cm。吸水带埋设在土体中且延伸至蓄水层或蓄水腔底部，最终形成宽1 039 mm、深450 mm、厚300 mm（现场每道板槽呈条形分布）的植被板槽模型，如图3所示。
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图 3 植被板槽降雨集蓄及随后干燥条件下室内试验观测模型（单位：mm）Figure 3. Indoor experimental observation model for the vegetated terrace-channel system's rainwater harvesting and subsequent drying conditions (unit: mm)考虑到旱季填土表层蒸腾蒸发最厉害，EC5型探针式体积含水率传感器埋设在板槽填土表面以下5 cm处。埋设位置分别在板槽填土的最厚处（即图3所示的竖向虚线处）、其左右各两处（约距中间传感器12 cm）。试验时开启降雨模拟装置开关，当各试验组板槽模型底部蓄水腔的蓄水深度达到最大值（15 cm）且集蓄的雨水开始外溢时停止降雨，然后开展模拟雨后干旱时植被板槽的蒸腾蒸发试验。
图4为不同强度降雨作用下植被板槽模型观测到的入渗量与溢水量随降雨历时的变化曲线，图5为植株数量不同时植被板槽模型的入渗量与溢水量随降雨历时的变化曲线。
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图 4 不同降雨强度、植株数量为1株时模型的入渗量与溢水量的时程曲线Figure 4. Time series curves of the infiltration and overflow volumes of the model under different rainfall intensities with 1 plant specimen![]()
图 5 降雨强度为222 mm/h、植株数量不同时模型的入渗量与溢水量的时程曲线Figure 5. Time series curves of the infiltration and overflow volumes of the model with different numbers of plant specimens under a rainfall intensity of 222 mm/h由图4和图5可知，随着降雨过程的推进，各板槽模型的降雨入渗与溢水过程均表现为明显的两阶段变化。在降雨初期，雨水降至土表随即入渗，入渗量迅速增大；降雨强度越大，雨水入渗量与溢水量也越大。随着板槽填土表面稳定积雨水头的形成，雨水入渗量逐渐变小，呈现为稳定入渗阶段，此时各试验组的入渗量与溢水量均在一定值附近波动。
图6为不同降雨强度或不同植株数量时板槽模型蓄水腔的蓄水深度随降雨历时的变化曲线。由图6（a）可知，降雨强度较小的试验组（98 mm/h、1株）的蓄水腔最先开始蓄水，比另外2个试验组提前了约30 min，但蓄水深度最小（8.2 cm），在不同强度的降雨作用下，各试验组在相同时间（225 min）内蓄水腔的蓄水深度分别为15.0（蓄水腔最大深度值）、11.3、8.2 cm。由图6（b）可见，在降雨强度222 mm/h时，无植株试验组开始蓄水的时间比植株试验组早50 min，到达蓄水腔最大深度的时刻也比植株试验组早135 min。由于植株叶片数量较少，1株和3株的模型的蓄水深度随时间的变化几乎同步且二者曲线接近，在后续研究中需要开展考虑实际叶片数量的模型试验来进一步验证试验结论。
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图 6 不同降雨强度或不同植株数量时模型蓄水深度时程曲线Figure 6. Time series curves of the water storage depth of the model under different rainfall intensities or with different numbers of plant specimens在室内试验中发现，由于没有模拟坡面径流汇入板槽，植株数量对板槽蓄水过程的影响主要体现在植物冠层对雨水的截流作用上。因此，植被生长导致的冠层影响雨水利用效果的问题不会很突出，如果某些植株生长速度过快，可以在公路养护部门的协助下进行修剪处理。
在不同降雨强度作用下，板槽填土表面以下5 cm处填土的体积含水率如图7所示。由图7可以看出，在降雨集蓄期间，不同位置填土的饱和含水率响应时间差异不大，但填土最厚处（中间点）的含水率数值比其左右两处测定的体积含水率数值都要高，土层越薄体积含水率越小，这可能和测点不同的水力边界及制模时填土不同的初始物理状态有关。
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图 7 不同降雨强度时板槽填土深度5 cm处体积含水率的历时曲线Figure 7. Time history curves of the volumetric water content at the 5 cm depth of the soil in the terrace-channel system under different rainfall intensities在人工降雨停止后，对应蓄水腔不同蓄水深度（8.2 和15 cm）作为初始干燥条件，随后室内干燥30 d期间，埋设在板槽填土表面以下5 cm处体积含水率传感器的测试结果如图8所示。
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图 8 不同蓄水深度下填土深度5 cm处土体体积含水率随干燥历时的变化曲线Figure 8. Curves showing the change of volumetric water content at the 5 cm soil depth with the drying history under different water storage depths由图8可以看出，虽然人工降雨后进入干燥期填土最厚处（中间点）的初始含水率数值比其左右两处测定的数值都要高，但在不同的初始蓄水深度下，板槽填土表面以下5 cm处3个测点含水率随干燥时间下降曲线的趋势比较一致。虽然室内模拟干燥期所观测的土体体积含水率在30 d时能够满足植物生长的需求（20%以上体积含水率），但在旱季和野外更复杂的干燥条件下，填土含水率可能会更低，可以人工水车水管沿着图1（e）坡面预设的台阶拾级而上，从每排板槽底部的蓄水腔沟（类似坎儿井）的端口往里补水，从而使板槽中土壤可以从下往上吸水，使得含水量满足植物的生长需求。
3. 工程模拟数值分析
上述植被板槽室内试验人工降雨集蓄、随后进入干燥期的模拟方法简单易行，便于揭示石漠化边坡植被板槽的降雨集蓄利用和持水保水特性。由于在现场石漠化边坡上开展梯级分布的新型植被板槽降雨集蓄利用的试验难度很大，因此进一步采用现场工程模拟数值分析的方法，开展现场降雨集蓄利用的模拟研究。
3.1 数值试验模型的建立
根据图1和图2的现场梯级板槽植被恢复工程，采取概化分析的方法，直接在边坡基岩上设置一层等厚度的强破碎带（碎石层），坡体的计算厚度取50.0 cm，计算宽度（垂直纸面）取4.5 m。在坡比为1∶2.58（坡角21°）、坡长为16.1 m的坡段，每间隔3.0 m布置1道植被板槽，共布置5道板槽，板槽的最大深度为50.0 cm，开口宽度为129.1 cm，种植土层最大厚度为30.0 cm，蓄水腔最大蓄水深度为20.0 cm，吸水带呈“V”字形布设于种植土层，每道板槽内吸水带的纵向（垂直纸面）间距为30.0 cm。选择采用Hydrus-3D有限元软件建立石漠化边坡梯级植被板槽的计算模型，将计算模型划分为115 560个边长为5.0 cm、高为15.0 cm的三棱柱单元，如图9所示。
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图 9 石漠化边坡上梯级植被板槽计算模型（单位：mm）Figure 9. Computational model of the vegetated terrace-channel system on the sloping rocky desertified slope (unit: mm)将石漠化边坡坡面和每一级板槽的填土表面设置为大气边界即上蒸发面，边坡的岩溶带底侧为自由排水边界，左右两侧面为不透水边界。计算域内板槽3个侧面均为不透水边界，板槽蓄水腔最大蓄水深度以上部分为渗出面边界，即蓄土层和蓄水层的分界面为下蒸发面，以保证蓄水腔内积水不超过最大蓄水深度。设置板槽内填土的初始水头高度为−50 cm，即初始水位在板槽最底部（从板槽底到顶的距离为50 cm），如图10所示。在板槽中间位置及地表以下5和20 cm深度处共设置3个竖向和横向的观测断面，如图11所示。
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图 10 石漠化边坡上植被板槽计算模型边界条件Figure 10. Boundary conditions for the computational model of the vegetated terrace-channel system on the sloping rocky desertified slope![]()
图 11 植被板槽纵横向观测断面（单位：mm）Figure 11. Longitudinal and transverse observation sections of the vegetated terrace-channel system (unit: mm)3.2 计算模型参数的选取
首先采用Van Genuchten（V-G）模型对板槽内土体的土水特征函数中体积含水率和渗透系数进行拟合计算，如式（1）和（2）所示。
$$ \theta = {\theta _{\text{r}}} + \left( {{\theta _{\text{s}}} - {\theta _{\text{r}}}} \right){\left[ {1 + {{(\alpha \psi )}^n}} \right]^{( - m)}} $$ (1) $$ K_{\text{w}}=\frac{K_{\text{s}}\left[1-\alpha\varphi^{(n-1)}\left(1+(\alpha\psi)^n\right)^{(-m)}\right]^2}{\left[(1+\alpha\psi)^n\right]^{\frac{m}{2}}} $$ (2) 式中：$ \theta $为体积含水率；$ {\theta _{\text{s}}} $为饱和体积含水率；$ {\theta _{\text{r}}} $为残余体积含水率；$ \psi $为基质吸力；$ {K_{\text{w}}} $为非饱和水力传导系数；$ {K_{\text{s}}} $为饱和水力传导系数；$ \alpha $、$ n $、$ m $均为V-G模型拟合参数，取值如表1所示。
表 1 计算模型参数值Table 1. Parameter values for the computational V-G model土层 模型参数 $ {\theta _{\text{r}}} $ $ {\theta _{\text{s}}} $ $ \alpha /{\text{c}}{{\text{m}}^{ - 1}} $ $ n $ $ K_{\text{s}}/（\text{cm}/\text{d}^{ }） $ 土体 0.010 0.30 0.02 1.32 3.1 板槽植被土 0.001 0.31 0.03 1.32 65.0 吸水带 0.065 0.43 0.04 1.56 90.0 岩溶带石渣 0.045 0.43 0.15 2.68 100.2 槽底止水层 0.068 0.38 0.01 1.09 10−6 依据喀斯特地区2017—2018年降雨数据及石漠化边坡所在地的多年平均蒸发总量，确定计算模型水文计算参数，计算降雨-蒸发干燥循环条件下植被板槽内填土的降雨集蓄和水分波动情况。在雨季时，计算设置为1 d降雨、随后1 d蒸发干燥，循环进行，共15个循环，共计降雨15 d，晴天15 d；每次输入的降雨量为2.27 cm/d，蒸发量为0.38 cm/d。在旱季时，计算设置在第1、11、21天降雨，降雨1 d，随后蒸发干燥9 d，这样共3个循环；每次输入的降雨量为0.67 cm/d，蒸发量为0.25 cm/d。
3.3 数值模拟结果及分析
3.3.1 植被板槽概化模型的降雨集蓄的模拟分析
植被板槽概化模型数值模拟的降雨集蓄（降雨入渗）计算结果如图12所示，计算的板槽蓄水腔沟的总溢水量如图13所示。在雨季当蓄水腔沟的蓄水深度超过最大值时，多余的雨水将从两端溢出，而在旱季植被板槽蓄水量极少，蓄水腔沟没有发生溢出。
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图 12 梯级板槽概化模型模拟观测的总降雨入渗集蓄量Figure 12. Total rainfall infiltration and storage volume simulated by the simplified model of the terrace-channel system![]()
图 13 梯级板槽概化模型模拟观测的蓄水腔的总溢水量（雨季）Figure 13. Total overflow volume from the storage cavity simulated by the simplified model of the terrace-channel system (rainy season)由图12和图13可以看出，在降雨量大且降雨频繁的雨季，可在短时间内保证植被板槽足够且稳定的降雨集蓄量，且板槽蓄水腔沟的总溢水量随降雨-蒸发的循环过程表现为先增后减的趋势，这是由于初期降雨入渗使填土从非饱和变成饱和，集蓄大量雨水，使得蓄水腔溢水量较小且缓慢增大；后期干湿循环使得板槽填土吸力增大，竖向吸水带的吸水效率提高，板槽底部蓄水腔的蓄水量增加，溢水量开始逐渐减少。
3.3.2 植被板槽概化模型中填土的含水率分布的模拟分析
图14给出了在雨季第1、5、15次降雨（各降雨1 d，随后干燥1 d）时，板槽填土表面以下5、10和20 cm埋深处3个深测点的体积含水率在1 d降雨时间内的降雨集蓄表现。
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图 14 雨季每次1 d降雨时间板槽填土体积含水率的历时变化Figure 14. Time history of the volumetric water content in the terrace-channel system soil for a 1-day rainfall event in the rainy season由图14可知，在雨季频繁的降雨作用下，板槽内各深度观测点的降雨响应规律相差不大。板槽填土表面以下5、10和20 cm深处的含水率在干燥期有所降低，但含水率都在25%以上，在每次降雨时又恢复到饱和。即使降雨-干燥循环次数频繁，降雨过程中各测点的含水率变化量都很小，充分说明雨季频繁降雨的工况下，植被板槽具有较高的降雨集蓄利用能力。
图15给出了在旱季第1、2、3次降雨（各降雨1 d，干燥9 d）时，板槽填土表面以下5、10和20 cm埋深处3个测点的体积含水率在1 d降雨时间内的降雨集蓄情况。
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图 15 旱季每次1 d降雨时板槽填土体积含水率的历时变化Figure 15. Time history of the volumetric water content in the terrace-channel soil for a 1-day rainfall event in the dry season由图14（a）和15（a）可知，在旱季第1次降雨时各测点的含水率都可达到25%左右。但是在后面近30 d的降雨-干燥循环中，在每次1 d降雨、9 d干燥的作用下，降雨过程中只有靠近填土表面的测点（5 cm深）的含水率会增加约5%，填土下面其他测点（10和20 cm埋深）含水率变化都很小，甚至由于雨水没有下渗太多而不能渗入底部的蓄水腔沟，造成下部土体水分从板槽底部的下蒸发面损失。虽然板槽内各深度观测点的降雨响应随着降雨-干燥循环次数增加而表现有所不同，但都说明在旱季、小降雨的极端工况下，植被板槽的降雨集蓄利用能力减弱，需要人工水车水管沿着坡面台阶往板槽底部蓄水腔沟内补水。
植被板槽概化模型数值模拟的降雨集蓄在雨季和旱季，其填土含水率沿板槽竖向观测断面分布的模拟结果如图16所示。
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图 16 板槽概化模型竖向观测断面的体积含水率沿深度分布Figure 16. Vertical distribution of the volumetric water content along the depth in the observation section of the simplified terrace-channel model对比图16（a）中雨季的各曲线可知，在雨季时，较大的降雨量和板槽蓄水腔沟的雨水积蓄使得降雨-干燥循环次数的增加对沿板槽深度方向的土体持水量的影响较小，且沿板槽的深度方向土体一直保持较大的持水量。在15~20 cm深度范围，体积含水率较大，这是因为观测断面在此深度附近与吸水带相交，吸水带附近土体的持水量较其他部位更大。板槽底部土体的水分波动幅度大于表层土体的水分波动幅度，在降雨阶段土层底部的含水率明显增大，而在干燥阶段又明显减小，这是因为板槽内土层的底面是下蒸发面（蓄水腔沟水位下降，水面上会充满空气），蒸发使得底部的含水率降低，但鉴于遮荫效应，下蒸发面的蒸发量会远小于填土表面。
对比图16（b）中旱季的各曲线可知，在旱季时由于降雨量小，降雨-干燥循环次数的增加对沿板槽深度方向土体持水量的影响较大。在15~20 cm深度范围，第1次降雨-干燥循环时体积含水率较大，观测断面在此深度附近与吸水带相交，吸水带附近土体的持水量较其他部位大。在第2次循环后（第18 d），对应较小的降雨量，板槽填土沿深度一直保持较小的持水量（15%以下），且地表下约5 cm深度蒸发明显。随着干燥时间的增加，板槽底部的下蒸发面也作用强烈，该部位的持水量明显小于其他部位，在第2次干燥阶段干燥9 d后，板槽中间位置土体的含水率约15%；在第3次循环后板槽中间位置土体的含水率最小值达到了5.2%。
植被板槽概化模型在雨季和旱季的填土含水率沿板槽横向断面分布如图17所示，其中横坐标的起点对应板槽最左端。
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图 17 板槽概化模型5 cm和20 cm深度处横向断面的体积含水率分布Figure 17. Transverse distribution of the volumetric water content at the 5 cm and 20 cm depths in the observation section of the simplified terrace-channel model由图17可见，在雨季，即使经历了15次降雨-干燥（干燥9 d）循环，在板槽填土表面下5 cm深处的含水率依然大于24%，可以满足植物生长需求。但是在旱季，在经历第1次降雨及其干燥后，在板槽填土5 cm深处的含水率都低于24%；在降雨-蒸发干燥循环过程中，板槽概化模型埋深20 cm的横向断面上的水分波动情况和埋深5 cm类似。在旱季、小降雨的极端工况下，随着降雨-干燥循环次数增加，植被板槽的降雨集蓄利用能力减弱，需要向板槽底部蓄水腔沟内人工补水。
从以上在雨季和旱季板槽的降雨集蓄分析结果（图14至图17）可以看出，在雨季频繁降雨的工况下，植被板槽能有效地集蓄和利用降雨。但是，遇到如本文计算模拟的长达近1个月的少雨干燥天气，为了保证植被板槽的持水系统性能不失效，必须采用人工水车水管补水的方式沿图1（e）的台阶逐级往上，分别向各道植被板槽底部的蓄水腔沟内注水，使植被板槽的水分调控机制正常运行。由于板槽底部的蓄水腔沟类似“坎儿井”具有遮荫效应，蒸发损失的水分和时效会远远小于传统植被恢复技术（直接坡面喷洒水），“上层蓄土、下层蓄水、竖向吸水带吸水”，这也是本文新型植被板槽技术效果（公路右侧）优于传统框格填土（约10 cm厚）植草技术（公路左侧）的创新之处（图18）。另外，由于板槽底部具有遮荫效应，板槽下蒸发面水力边界的设置应不同于填土表面的上蒸发面，这一点应该在数值试验中引起注意，在科研设计时还应考虑梯级板槽系统的经济性、合理性和优化布置。
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图 18 新型植被板槽技术（公路右侧）和传统框格填土植草技术（公路左侧）现场实施效果对比Figure 18. Comparison of the field implementation effects between the new vegetated terrace-channel technology (right side of the road) and the traditional frame-filled soil and grass planting technology (left side of the road)4. 结 语
本文结合广西贺巴高速来都段石漠化边坡植被恢复的工程需求，针对植被板槽概化模型，利用室内小型模拟试验和工程模拟数值分析，探究了在降雨及干旱条件下植被板槽的蓄水和持水能力，以期为石漠化边坡植被板槽措施的工程应用提供理论依据。主要结论如下：
（1）新型植被板槽系统“上层蓄土、下层蓄水、竖向吸水带吸水”，其水分调控机制为：在降雨过程中，填土降雨入渗，蓄水腔沟的储水作用，结合吸水带的导水作用，能实现雨水的有效蓄积；在干燥过程中，吸力梯度使得蓄水腔沟内积水沿着竖向吸水带源源不断地运移至填土植物根系周围，实现水分的有效补给。
（2）在没有模拟坡面径流汇入板槽的情况下，植物冠层对雨水的阻碍作用比裸土的要大，但在实际工程中，板槽间的石漠化坡面上可设置集雨面，有利于降雨形成的坡面径流并汇入至板槽填土及其底部的蓄水腔沟内，从而实现对更多降雨的集蓄利用。另外，公路养护部门也会对植株进行修剪处理。
（3）植被板槽概化模型填土含水率横向和竖向观测断面分布的模拟结果表明，在雨季石漠化边坡上的植被板槽填土层的持水量较大，植被板槽底部的蓄水腔也能够蓄存足量的雨水，可以有效实现石漠化边坡降雨集蓄。
（4）在历经多次降雨-蒸发干燥循环后，雨季的板槽填土的持水量依然满足田间持水量的要求。但是在旱季，雨水不足以渗入到板槽底部的蓄水腔沟。如果遇到长期干旱的天气，应人工水车水管沿着坡面预设的台阶拾级而上，从每排板槽底部的蓄水腔沟（类似坎儿井）的端口往里补水，来保证蓄水腔沟蓄水充足以便填土从下往上吸水，而不采用传统坡面洒水的做法，避免了水分的快速蒸发。
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图 1 石漠化边坡上降雨集蓄利用的梯级新型植被板槽
Figure 1. New type of vegetated terrace-channel system for rainwater harvesting on sloping rocky desertified slope
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图 2 贺巴高速来都段石漠化边坡植被板槽施工（周成拍摄）
Figure 2. Construction of the vegetated terrace-channel system on the sloping rocky desertified slope along the Heba Expressway (photographed by Zhou Cheng)
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图 3 植被板槽降雨集蓄及随后干燥条件下室内试验观测模型（单位：mm）
Figure 3. Indoor experimental observation model for the vegetated terrace-channel system's rainwater harvesting and subsequent drying conditions (unit: mm)
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图 4 不同降雨强度、植株数量为1株时模型的入渗量与溢水量的时程曲线
Figure 4. Time series curves of the infiltration and overflow volumes of the model under different rainfall intensities with 1 plant specimen
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图 5 降雨强度为222 mm/h、植株数量不同时模型的入渗量与溢水量的时程曲线
Figure 5. Time series curves of the infiltration and overflow volumes of the model with different numbers of plant specimens under a rainfall intensity of 222 mm/h
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图 6 不同降雨强度或不同植株数量时模型蓄水深度时程曲线
Figure 6. Time series curves of the water storage depth of the model under different rainfall intensities or with different numbers of plant specimens
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图 7 不同降雨强度时板槽填土深度5 cm处体积含水率的历时曲线
Figure 7. Time history curves of the volumetric water content at the 5 cm depth of the soil in the terrace-channel system under different rainfall intensities
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图 8 不同蓄水深度下填土深度5 cm处土体体积含水率随干燥历时的变化曲线
Figure 8. Curves showing the change of volumetric water content at the 5 cm soil depth with the drying history under different water storage depths
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图 9 石漠化边坡上梯级植被板槽计算模型（单位：mm）
Figure 9. Computational model of the vegetated terrace-channel system on the sloping rocky desertified slope (unit: mm)
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图 10 石漠化边坡上植被板槽计算模型边界条件
Figure 10. Boundary conditions for the computational model of the vegetated terrace-channel system on the sloping rocky desertified slope
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图 11 植被板槽纵横向观测断面（单位：mm）
Figure 11. Longitudinal and transverse observation sections of the vegetated terrace-channel system (unit: mm)
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图 12 梯级板槽概化模型模拟观测的总降雨入渗集蓄量
Figure 12. Total rainfall infiltration and storage volume simulated by the simplified model of the terrace-channel system
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图 13 梯级板槽概化模型模拟观测的蓄水腔的总溢水量（雨季）
Figure 13. Total overflow volume from the storage cavity simulated by the simplified model of the terrace-channel system (rainy season)
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图 14 雨季每次1 d降雨时间板槽填土体积含水率的历时变化
Figure 14. Time history of the volumetric water content in the terrace-channel system soil for a 1-day rainfall event in the rainy season
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图 15 旱季每次1 d降雨时板槽填土体积含水率的历时变化
Figure 15. Time history of the volumetric water content in the terrace-channel soil for a 1-day rainfall event in the dry season
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图 16 板槽概化模型竖向观测断面的体积含水率沿深度分布
Figure 16. Vertical distribution of the volumetric water content along the depth in the observation section of the simplified terrace-channel model
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图 17 板槽概化模型5 cm和20 cm深度处横向断面的体积含水率分布
Figure 17. Transverse distribution of the volumetric water content at the 5 cm and 20 cm depths in the observation section of the simplified terrace-channel model
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图 18 新型植被板槽技术（公路右侧）和传统框格填土植草技术（公路左侧）现场实施效果对比
Figure 18. Comparison of the field implementation effects between the new vegetated terrace-channel technology (right side of the road) and the traditional frame-filled soil and grass planting technology (left side of the road)
表 1 计算模型参数值
Table 1 Parameter values for the computational V-G model
土层 模型参数 $ {\theta _{\text{r}}} $ $ {\theta _{\text{s}}} $ $ \alpha /{\text{c}}{{\text{m}}^{ - 1}} $ $ n $ $ K_{\text{s}}/（\text{cm}/\text{d}^{ }） $ 土体 0.010 0.30 0.02 1.32 3.1 板槽植被土 0.001 0.31 0.03 1.32 65.0 吸水带 0.065 0.43 0.04 1.56 90.0 岩溶带石渣 0.045 0.43 0.15 2.68 100.2 槽底止水层 0.068 0.38 0.01 1.09 10−6 
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