Hydrological effects of highway vegetation slope model under artificial rain conditions

doi:10.11686/cyxb2023137

Abstract

Abstract:

Ecological methods are often used in highway slope protection， in particular， the best effect is achieved through vegetation cover. In order to define the optimal slope protection parameters， this study explored the hydrological effects on runoff when different mulch， rainfall intensity， and slope vegetation protection parameters， were tested in a model system utilizing artificial rain. It was found that when the rainfall intensity was 120 mm·h^-1， the runoff of slopes covered with coconut grass blanket， straw fiber blanket and straw curtain was reduced by 23.25%， 15.66% and 17.94%， respectively， compared with that of a bare soil slope， while the water infiltration of the lope increased by 65.19%， 48.10% and 27.89%， respectively. In addition， obvious differences were found in the protective effects of vegetation established for different vegetation growth periods. A model slope with vegetation established 4 months had the smallest runoff， the largest water infiltration， and the strongest resistance to rainwater erosion. At a rainfall intensity of 60 mm·h^-1， no runoff was detected from the model slope due to the vegetation protection effect， compared to bare soil. With successive increases in artificial rainfall intensity， the start time of runoff and water exfiltration in bare soil slope and vegetated slopes incrementally advanced， and the runoff and sediment showed a corresponding increasing trend. In general， a silty subgrade slope mixed sowing with Cynodon dactylon （sowing rate： 12 g·m^-2）， Amorpha fruticosa （sowing rate： 14 g·m^-2）， Lespedeza bicolor （sowing rate： 10 g·m^-2）， and covered with coconut grass blanket （specification： 300 g·m^-2）， under normal management and maintenance conditions， after 3 months of plant growth， exhibited a significantly enhanced ability to resist rainwater erosion. At a rainfall intensity not exceeding 120 mm·h^-1， the combination of vegetation and covering shows extraordinary protective effects. The combination of plants and mulch reduces the impact of rainwater on the slope， and reduces the runoff. In addition， the plant root system facilitates the infiltration of rainwater into the slope， and aids water and soil conservation as well.

Key words: artificial rain, slope model, slope runoff, seepage amount of slope, protective effect

Ya-ru ZHAO, Yun-xiang CAO, Cheng-can YANG, Feng-hou SHI, Hong-xiang FU, Lei CHU. Hydrological effects of highway vegetation slope model under artificial rain conditions[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(3): 24-33.

Figures/Tables 10

References 27

1	Lu H. Study on the loess highway slope erosion mechanism and experimental adaptability of grass-mud protection. Xi’an： Chang’an University， 2014.
	卢浩. 黄土公路边坡冲刷机理及草泥防护适应性试验研究. 西安：长安大学， 2014.
2	Wu R X. Research on landslides mechanism induced by rainfall. Changsha： Central South University， 2013.
	吴仁铣. 降雨诱发的滑坡作用机制研究. 长沙：中南大学， 2013.
3	Wang J H. Research the principle of water-soil interaction in soil-slope and analyze and predict its stability in condition of rain infiltration. Changsha： Central South University， 2006.
	王继华. 降雨入渗条件下土坡水土作用机理及其稳定性分析与预测预报研究. 长沙：中南大学， 2006.
4	Li A G， Yue Z Q， Tan G H， et al. Soil moisture and suction measurement and its effect on slope stability. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2003， 25（3）： 278-282.
	李爱国，岳中琦，谭国焕，等. 土体含水率和吸力量测及其对边坡稳定性的影响. 岩土工程学报， 2003， 25（3）： 278-282.
5	Song P R. The erosion damage characteristics and numerical simulation of loess slope. Changchun： Jilin University， 2013.
	宋朋燃. 黄土边坡冲刷破坏特征及数值模拟. 长春：吉林大学， 2013.
6	Shen Z Z， Yao W Y， Li M， et al. Study on soil erosion sediment under different underlying horizon. Research of Soil and Water Conservation， 2010， 17（1）： 6-9.
	申震洲，姚文艺，李勉，等. 不同下垫面对坡面侵蚀特征的影响. 水土保持研究， 2010， 17（1）： 6-9.
7	Shi D M. Study on eroded environment and its soil and water loss characteristics during expressway construction. Journal of Soil and Water Conservation， 2006， 20（2）： 5-9.
	史东梅. 高速公路建设中侵蚀环境及水土流失特征的研究. 水土保持学报， 2006， 20（2）： 5-9.
8	Sun K B， Luo Y， Yuan C， et al. Design and parameter calibration of artificially simulated rainfall device for full-scale mode： Test of slope. Safety and Environmental Engineering， 2019， 26（2）： 69-75.
	孙狂飙，罗易，袁超，等. 边坡足尺模型试验人工模拟降雨装置的设计与参数率定. 安全与环境工程， 2019， 26（2）： 69-75.
9	Su W N， Tian Y M， Gao B， et al. Design and calibration of an artificial rainfall simulator. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2015， 35（6）： 120-123.
	苏溦娜，田一梅，高波，等. 人工模拟降雨装置的设计及其参数率定. 水土保持通报， 2015， 35（6）： 120-123.
10	Wang J， Hu S W， Zhou Y. Application of artificial simulation of rainfall devices to soil and water conservation. Research of Soil and Water Conservation， 2005， 12（4）： 188-190.
	王洁，胡少伟，周跃. 人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用. 水土保持研究， 2005， 12（4）： 188-190.
11	Alvarez-mozos J， Abad E， Gimenez R， et al. Evaluation of erosion control geotextiles on steep slopes. Part1： Effects on runoff and soil loss. Catena， 2014， 118（1）： 168-178.
12	Shao Q， Gu W， Dai Q Y， et al. Effectiveness of geotextile mulches for slope restoration in semi-arid northern China. Catena， 2014， 116（5）： 1-9.
13	Won C H， Choi Y H， Shin M H， et al. Effects of rice straw mats on runoff and sediment discharge in a laboratory rainfall simulation. Geoderma， 2012， 189（6）： 164-169.
14	Zhang J S， Zhang M H， Li Q H， et al. Effects of eco-mat mulch on soil temperature and water content in desert. Journal of Desert Research， 2008（2）： 280-283.
	张建生，张梅花，李庆会，等. 生态垫覆盖对沙漠土壤水分和温度的影响. 中国沙漠， 2008（2）： 280-283.
15	Li H J， Kong Y P， Zhang Y， et al. Effect of geotextile on road slope microhabitat. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2016， 33（6）： 146-151.
	李宏钧，孔亚平，张岩，等. 植物纤维毯对道路边坡微生境的影响. 公路交通科技， 2016， 33（6）： 146-151.
16	Chen Z P. Application of plant fiber blanket in high speed side slope protection. Henan Science and Technology， 2017（6）： 132-134.
	陈振平. 植物纤维毯在高速边坡防护中的应用. 河南科技， 2017（6）： 132-134.
17	Rickson R J. Controlling sediment at source： An evaluation of erosion control geotextiles. Earth Surface Processes and Landforms， 2006， 31（5）： 550-560.
18	Sutherland R A， Ziegler A D. Effectiveness of coir-based rolled erosion control systems in reducing sediment transport from hillslopes. Applied Geography， 2007， 27（3/4）： 150-164.
19	Liu H Y， Liu L， Li X J， et al. Comprehensive benefit evaluation on the protection technique of plant fiber blanket on the road side slope. Journal of Soil and Water Conservation， 2019， 33（1）： 345-352.
	刘宏远，刘亮，李秀军，等. 植物纤维毯道路边坡防护技术综合效益评价. 水土保持学报， 2019， 33（1）： 345-352.
20	Yue H B， Yang J Y， Yang Y， et al. Evaluation on water retention benefit of side slope vegetation carpet. Journal of Sichuan Agricultural University， 2014， 32（1）： 23-27.
	岳恒陛，杨建英，杨旸，等. 边坡绿化中植被毯技术保水效益评价. 四川农业大学学报， 2014， 32（1）： 23-27.
21	Feng J C， Wang J H. Influence of the roots on the slope stability. Journal of East China Jiaotong University， 2003， 20（5）： 42-45.
	封金财，王建华. 植物根的存在对边坡稳定性的作用. 华东交通大学学报， 2003， 20（5）： 42-45.
22	Zhang P， Wang S S， Ma Y M， et al. Effects of plant fiber blankets of different herbaceous plant growth stages on runoff and sediment yield in the loess hilly and gully region. Journal of Soil and Water Conservation， 2020， 34（5）： 49-55.
	张平，王树森，马迎梅，等. 黄土丘陵沟壑区不同草本植物生长期植物纤维毯对沟道边坡产流产沙的影响. 水土保持学报， 2020， 34（5）： 49-55.
23	Wang D M， Chen S L. Analysis of the factors influencing soil infiltration. Water Sciences and Engineering Technology， 2016（1）： 64-66.
	王冬梅，陈胜利. 影响土壤入渗的因素分析. 水科学与工程技术， 2016（1）： 64-66.
24	Yin J. Influence of rainfall on stability of soil slope. Nanjing： Nanjing Technology University， 2008.
	尹俊. 降雨对土质边坡稳定性的影响. 南京：南京工业大学， 2008.
25	Wang X L. Model test study of the hydrological effect of slope vegetation under the action of artificial rainfall. Haikou： Hainan University， 2015.
	王晓亮. 人工降雨作用下边坡植被水文效应模型试验研究. 海口：海南大学， 2015.
26	Ji X L， Yang P. The exploration of the slope displacement with vegetation protection under different rainfall intensity. Journal of Forestry Engineering， 2020， 5（5）： 152-156.
	嵇晓雷，杨平. 不同降雨强度下植被护坡对边坡位移的影响. 林业工程学报， 2020， 5（5）： 152-156.
27	Wang B Y， Wang R H， Jing S S， et al. Effects of rainfall and slope gradient on runoff and sediment yield of subgrade slope. Journal of Nanjing Forestry University （Natural Sciences Edition）， 2019， 43（2）： 114-120.
	王保一，王荣华，荆莎莎，等. 降雨和坡度对路基边坡产流产沙的影响. 南京林业大学学报（自然科学版）， 2019， 43（2）： 114-120.

指标 Index	不同材料覆盖边坡 The slope covered with different materials		不同生长时间植被边坡 The vegetation slope with different growing time		不同降雨强度下边坡 The slope under different rainfall intensities
指标 Index	自由度 Degree of freedom	F值 F value	自由度 Degree of freedom	F值 F value	自由度 Degree of freedom	F值 F value
坡面产流起始时间Runoff onset time	3	90.909**	3	205.393**	4	98.362**
坡面径流量Slope runoff	3	1005.459**	3	11416.809**	4	36887.711**
坡面泥沙收集量Sediment collection	3	1425.075**	3	6521.690**	4	1425.075**
坡面雨水收集量Rainwater collection	3	3318.008**	3	1276.718**	4	1867.413**
坡体水分渗出时间Seepage time	3	15.419**	3	15.419**	5	543.000**
坡体水分渗透量Seepage amount	3	787.637**	3	787.637**	5	10078.980**

指标 Index	不同材料覆盖边坡 The slope covered with different materials		不同生长时间植被边坡 The vegetation slope with different growing time		不同降雨强度下边坡 The slope under different rainfall intensities
指标 Index	自由度 Degree of freedom	F值 F value	自由度 Degree of freedom	F值 F value	自由度 Degree of freedom	F值 F value
坡面产流起始时间Runoff onset time	3	90.909**	3	205.393**	4	98.362**
坡面径流量Slope runoff	3	1005.459**	3	11416.809**	4	36887.711**
坡面泥沙收集量Sediment collection	3	1425.075**	3	6521.690**	4	1425.075**
坡面雨水收集量Rainwater collection	3	3318.008**	3	1276.718**	4	1867.413**
坡体水分渗出时间Seepage time	3	15.419**	3	15.419**	5	543.000**
坡体水分渗透量Seepage amount	3	787.637**	3	787.637**	5	10078.980**

处理 Treatment	产流起始时间 Runoff onset time （min）	坡面径流量 Slope runoff （g·m^-2）	泥沙收集量 Sediment collection （g·m^-2）	雨水收集量 Rainwater collection （g·m^-2）
无覆盖Uncovered （CK）	2±0.10Dd	61631±227.15Aa	4421±38.16Aa	57210±72.67Aa
椰丝草毯Coconut grass blanket	3±0.26Cc	47302±145.71Dd	1713±53.11Dd	45589±89.11Dd
秸秆纤维毯Straw fiber blanket	4±0.26Bb	51983±128.79Bb	1893±54.99Cc	50090±70.15Bb
草帘Straw curtain	5±0.26Aa	50580±602.72Cc	2699±74.64Bb	47081±281.17Cc

处理 Treatment	产流起始时间 Runoff onset time （min）	坡面径流量 Slope runoff （g·m^-2）	泥沙收集量 Sediment collection （g·m^-2）	雨水收集量 Rainwater collection （g·m^-2）
无覆盖Uncovered （CK）	2±0.10Dd	61631±227.15Aa	4421±38.16Aa	57210±72.67Aa
椰丝草毯Coconut grass blanket	3±0.26Cc	47302±145.71Dd	1713±53.11Dd	45589±89.11Dd
秸秆纤维毯Straw fiber blanket	4±0.26Bb	51983±128.79Bb	1893±54.99Cc	50090±70.15Bb
草帘Straw curtain	5±0.26Aa	50580±602.72Cc	2699±74.64Bb	47081±281.17Cc

处理 Treatment	渗出时间 Seepage time （min）	渗透量 Seepage amount （mL·m^-2）
无覆盖Uncovered （CK）	13±1.00Aa	17670±150.36Dd
椰丝草毯Coconut grass blanket	11±0.35Aa	29190±516.98Aa
秸秆纤维毯Straw fiber blanket	9±0.79Bb	26170±86.81Bb
草帘Straw curtain	12±0.72Aa	22599±276.73Cc