草被覆蓋度對(duì)黃土坡面徑流產(chǎn)沙影響的試驗(yàn)研究

吳 卿，楊春霞，甄 斌，陳月娥，郭麗娜

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011;2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003;3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

草被是黃土高原地區(qū)重要的水土保持措施之一[1]，它在荒山荒坡綠化、退耕還林還草以及裸露邊坡綠化防護(hù)等方面已被廣泛應(yīng)用，具有良好的減蝕作用[2]。為了探尋草被覆蓋坡面的減水減沙規(guī)律，為給黃土高原地區(qū)草被建設(shè)提供可資借鑒的依據(jù)，我們利用室外人工徑流沖刷模擬試驗(yàn)裝置開(kāi)展了草被覆蓋度對(duì)黃土坡面徑流產(chǎn)沙影響的研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 土槽設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土槽采用鋼板焊接而成，土槽長(zhǎng) 6 m(試驗(yàn)用有效長(zhǎng)為5m)、寬3 m、深0.8m，在槽內(nèi)沿縱向用不透水 PVC板將槽平均分成3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng) 5m、寬1m。為使試驗(yàn)坡面土壤透水性及下滲接近自然坡面，土槽底部設(shè)透水孔，同時(shí)人為增加粗糙度，以減少填土和鋼板之間的邊界差別。試驗(yàn)用土槽可以模擬15°、20°、25°三種坡度坡面的土壤侵蝕試驗(yàn)。

1.2 填土設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土采用鄭州邙山野外坡面的表層黃土，土槽最終填土深度為50～70cm。填土采用分層(每層 20cm)填埋、分層拍實(shí)的方法，使土槽填土自然容重、干容重分別達(dá)到1.65～1.69g/cm3和1.29～1.34g/cm3，保證填土密實(shí)度均勻并接近于野外自然狀態(tài)。試驗(yàn)前在試驗(yàn)土槽坡面均勻?yàn)⑺?，使土壤含水量控制?24.08%～26.94%之間，以消除試驗(yàn)坡面與自然坡面土壤含水量的差異。

1.3 草被設(shè)計(jì)

草被的草種選用黑麥草和高羊茅，采用混合撒播的方式播種草籽，通過(guò)控制播種量和生長(zhǎng)期來(lái)控制草被覆蓋度。試驗(yàn)土槽坡面草被的覆蓋情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)土槽坡面草被覆蓋情況

1.4 沖刷設(shè)計(jì)

徑流沖刷系統(tǒng)由蓄水池、水泵、電源及供電線路、水箱、閥門(mén)、PVC水管、穩(wěn)流槽組成:水箱布設(shè)在試驗(yàn)坡面的上方，通過(guò)水泵將蓄水池中的水抽到水箱里，水箱上部設(shè)有溢流孔，以保持水箱內(nèi)水位與水壓穩(wěn)定;穩(wěn)流槽也布設(shè)在試驗(yàn)坡面的上方，其寬度與坡面相同，深 50cm，穩(wěn)流槽與試驗(yàn)坡面之間的過(guò)渡區(qū)采用水泥抹面進(jìn)行緩沖處理，以降低坡面沖刷受上方來(lái)水條件的影響;水箱水通過(guò)帶閥門(mén)的 PVC水管從底部供給穩(wěn)流槽，供給流量用閥門(mén)控制，保證在設(shè)計(jì)沖刷流量條件下穩(wěn)流槽內(nèi)水面平穩(wěn)和下泄水流分布均勻。

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)沖刷流量 Q=5 L/min(相當(dāng)于雨強(qiáng) i=1.0mm/min的降雨)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 邊界條件控制

試驗(yàn)前一天在土槽坡面均勻?yàn)⑺溜柡蜖顟B(tài)，靜置 24 h以消除土壤含水量差異對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響，于試驗(yàn)前測(cè)定土壤容重和含水量。

穩(wěn)流槽下泄沖刷流量采用閥門(mén)控制，選定試驗(yàn)沖刷流量級(jí)后，在試驗(yàn)開(kāi)始前率定流量，使流量的精度控制在 5%之內(nèi)。

草被生長(zhǎng)期控制在15～20d，以黑麥草高度在10cm以上、高羊茅高度在5cm左右為宜。這兩種草的根系均為須狀根系，長(zhǎng)度與其株高相當(dāng)。

2.2 試驗(yàn)觀測(cè)方法

自小區(qū)出口處有徑流產(chǎn)生的時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，次徑流沖刷試驗(yàn)歷時(shí)為30mi n，產(chǎn)流后以 2 min為時(shí)段單位收集過(guò)程徑流泥沙樣品，試驗(yàn)結(jié)束后將全部過(guò)程徑流泥沙樣品進(jìn)行重量和體積稱量，并用比重法分別換算出坡面產(chǎn)水量和產(chǎn)沙量。換算式為

上三式中:W總為徑流泥沙樣品總質(zhì)量，g;V總為徑流泥沙樣品總體積，mL;W沙為泥沙質(zhì)量，g;V沙為泥沙體積，m L;W水為產(chǎn)水總質(zhì)量，g;V水為產(chǎn)水總體積，m L;1.65為泥沙密度，g/cm3。

觀察組防護(hù)顯效、有效和無(wú)效分別為24、9、3例，患者急性和遠(yuǎn)期手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生1例，并發(fā)癥率2.78%；對(duì)照組患者防護(hù)顯效8例，有效21例，無(wú)效7例，患者急性和遠(yuǎn)期手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生2例，并發(fā)癥率5.56%。兩組患者的急性和遠(yuǎn)期手術(shù)并發(fā)癥率無(wú)明顯差異，不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在防護(hù)效果上，觀察組具有顯著優(yōu)勢(shì)（P＜0.05）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 草被覆蓋度對(duì)黃土坡面產(chǎn)沙參數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)15°試驗(yàn)坡面徑流泥沙樣品進(jìn)行分離處理和換算，得出產(chǎn)沙總量、坡面侵蝕率和徑流含沙量3個(gè)產(chǎn)沙參數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2 15°試驗(yàn)坡面產(chǎn)沙結(jié)果

由表 2可知，3種草被覆蓋度坡面的產(chǎn)沙量分別為109.53、15.20、6.70k g，覆蓋度30%～40%坡面的產(chǎn)沙量是裸坡產(chǎn)沙量的13.88%，覆蓋度70%～80%坡面的產(chǎn)沙量是裸坡的6.12%，覆蓋度 70%～80%坡面產(chǎn)沙量不足覆蓋度30%～40%坡面產(chǎn)沙量的 50%;3種草被覆蓋度坡面侵蝕率分別為3422.97、475.04、183.99 g/min，徑流含沙量分別為0.69、0.29、0.15 g/m L，同產(chǎn)沙量表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致。由此知道，在15°坡面、5 L/min沖刷流量試驗(yàn)條件下，坡面產(chǎn)沙總量、侵蝕率和徑流含沙量隨著草被覆蓋度的增加而呈遞減趨勢(shì)。

采用同樣的方法對(duì) 20°、25°試驗(yàn)坡面在 5 L/mi n沖刷流量條件下的徑流泥沙樣品進(jìn)行分離處理和換算，得到3種坡度試驗(yàn)坡面在不同草被覆蓋度下的產(chǎn)沙量∑W沙(裸)、∑ W沙(低)和∑W沙(高)，其中∑ W沙(裸)為裸坡坡面產(chǎn)沙量，∑ W沙(低)為30% ～40%低草被覆蓋度坡面產(chǎn)沙量，∑ W沙(高)為70% ～80%高草被覆蓋度坡面產(chǎn)沙量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同坡度及草被覆蓋度坡面產(chǎn)沙情況

由表3可知，草被覆蓋度 70%～80%的坡面產(chǎn)沙量最小，裸坡產(chǎn)沙量最大;草被覆蓋度 70%～80%的坡面產(chǎn)沙量最大不到裸坡產(chǎn)沙量的10%，草被覆蓋度30%～40%坡面產(chǎn)沙量最大僅占裸坡產(chǎn)沙量的 40%;隨著草被覆蓋度的提高，坡面產(chǎn)沙量之比明顯降低，表明草被對(duì)黃土坡面減蝕有顯著的效果。

3.2 草被覆蓋度對(duì)黃土坡面侵蝕率的影響

本研究中用單位時(shí)間徑流沖刷產(chǎn)生泥沙重量的多少來(lái)表示侵蝕率(不同草被覆蓋度坡面抗蝕能力的差異)，將各時(shí)段的侵蝕率進(jìn)行平均得出平均侵蝕率(Ev)。在 5 L/min沖刷流量條件下，對(duì)15°、20°、25°三種坡面在不同草被覆蓋度條件下的平均侵蝕率 Ev(裸)、Ev(低)和Ev(高)進(jìn)行計(jì)算(Ev(裸)為裸坡平均侵蝕率，Ev(低)為30%～40%低草被覆蓋度坡面平均侵蝕率，Ev(高)為70%～80%高草被覆蓋度坡面平均侵蝕率)，結(jié)果見(jiàn)表 4和圖1。

表4 不同坡度及草被覆蓋度條件下的坡面侵蝕率

由表 4和圖1可知:草被覆蓋度 70%～80%的坡面侵蝕率最小，裸坡侵蝕率最大;草被覆蓋度 70%～80%的坡面侵蝕率為裸坡的 5%左右，草被覆蓋度30%～40%的坡面侵蝕率不足裸坡的 40%;隨著草被覆蓋度的提高，坡面侵蝕率之比明顯降低，表明草被對(duì)增加黃土坡面土壤抗蝕能力、減輕侵蝕具有顯著作用。

3.3 草被覆蓋度對(duì)黃土坡面徑流含沙量的影響

徑流含沙量(Qs)指單位體積徑流泥沙樣品中所含干泥沙的重量，它是表征坡面草被減蝕作用的重要指標(biāo)。對(duì)15°、20°、25°試驗(yàn)坡面徑流泥沙樣品進(jìn)行分離處理與換算，得出在 5 L/mi n沖刷流量條件下不同草被覆蓋度坡面徑流含沙量Qs(裸)、Qs(低)和Qs(高)(Qs(裸)為裸坡徑流含沙量，Qs(低)為30% ～ 40%低草被覆蓋度坡面徑流含沙量，Qs(高)為70%～80%高草被覆蓋度坡面徑流含沙量)，結(jié)果見(jiàn)表 5和圖 2。

表5 不同坡度及草被覆蓋度坡面徑流含沙量結(jié)果

4 結(jié)果與討論

(1)在坡度和沖刷流量相同的條件下，黃土坡面產(chǎn)沙量隨草被覆蓋度的增大而減小，草被覆蓋度 70%～80%的坡面產(chǎn)沙量不到裸坡產(chǎn)沙量的10%。在相同沖刷流量級(jí)和草被覆蓋度條件下，坡度對(duì)產(chǎn)沙量的影響可能存在一個(gè)坡度臨界點(diǎn)，這有待于今后進(jìn)一步研究。

(2)在坡度和沖刷流量相同的條件下，黃土坡面侵蝕率與產(chǎn)沙量變化基本一致。草被對(duì)增強(qiáng)黃土坡面土壤抗蝕能力、減少侵蝕具有顯著作用，隨著草被覆蓋度的增加，其增加坡面土壤抗蝕力、減少土壤侵蝕的作用就越明顯。

(3)在坡度和沖刷流量相同的條件下，黃土坡面徑流含沙量隨草被覆蓋度的增大而減小;坡面徑流含沙量沿程基本呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，同一坡度和沖刷流量條件下草被覆蓋度高的坡面徑流沿程含沙量普遍低于草被覆蓋度低的坡面和裸坡;草被對(duì)減少黃土坡面土壤侵蝕具有顯著效果，且隨著草被覆蓋度的提高減蝕能力在增強(qiáng)。

[1]李勉，姚文藝，李占斌.黃土高原草本植被水土保持作用研究進(jìn)展[J]，地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20(1):74-80.

[2]羅偉祥，白立強(qiáng)，宋西德，等.不同覆蓋度林地和草地的徑流量與沖刷量[J].水土保持學(xué)報(bào)，1990，4(1):30-34.