云南省高速公路棄渣場土壤流失特征研究——以昆明—石林高速公路為例

李艷梅,胡兵輝,陳平平

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,云南昆明 650224;2.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院,云南昆明 650051)

云南省高速公路棄渣場土壤流失特征研究
——以昆明—石林高速公路為例

李艷梅1,胡兵輝1,陳平平2

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,云南昆明 650224;2.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院,云南昆明 650051)

高速公路建設(shè);棄渣場;土壤流失;特征;云南

為探求云南省高速公路建設(shè)過程中棄渣場的土壤流失特征,以昆明—石林高速公路棄渣場為研究對象,在棄渣場邊坡上布設(shè)觀測小區(qū)進(jìn)行了定位監(jiān)測,分析了渣體粒徑、降雨、堆渣坡度對棄渣場土壤流失的影響以及渣體坡面土壤流失的特點。結(jié)果表明:在不考慮其他影響渣體坡面侵蝕因素的情況下,棄渣場渣體的土壤顆粒粒徑越大、礫石含量越高,土壤流失量就越大;降雨量越大,土壤流失量就越大;坡度越大,土壤流失量也越大;在渣體坡面侵蝕中,溝蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,有的流失強度高達(dá) 37 656 t/km2,且以細(xì)溝、淺溝侵蝕為主,細(xì)溝、淺溝侵蝕量占溝蝕總量的 60%以上。

高速公路建設(shè)大大促進(jìn)了國民經(jīng)濟的又好又快發(fā)展,但在公路建設(shè)過程中,大面積、高強度的開挖擾動嚴(yán)重破壞了原生的自然地表植被,損壞了地表原有的水土保持功能,尤其是棄土棄渣結(jié)構(gòu)較為松散,這就為土壤侵蝕的發(fā)生提供了新的物質(zhì)來源,隱患極大。云南省是山嶺重丘區(qū)[1],在高速公路修建中往往要開山鑿洞,挖方量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填方量,會產(chǎn)生大量的棄土棄渣,因此也就需要布設(shè)很多的棄渣場。進(jìn)入雨季后,棄渣場極易誘發(fā)滑坡和泥石流等自然災(zāi)害。鑒于此,開展云南省高速公路棄渣場土壤流失特征研究,對于科學(xué)進(jìn)行高速公路棄渣場植被恢復(fù)和重建具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

本研究的研究對象為昆石(昆明—石林)高速公路,公路全長 78.06 km,途經(jīng)昆明市的官渡區(qū)、呈貢縣、宜良縣、石林縣和玉溪市的澄江縣。氣候?qū)俚途暥雀咴撅L(fēng)氣候,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,四季如春,干濕分明,冬半年為干季,夏半年為雨季;極端最高氣溫 32.7℃,極端最低氣溫 -5.3℃,年均氣溫 16.1℃,年均日照時數(shù) 2 079.2h;主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)和南風(fēng),平均風(fēng)速為 3.13m/s;年均降雨量為 952.5mm,降雨主要集中在 5—10月份的雨季,期間降雨量占全年降雨量的 88%,干季(11月—翌年 4月)降雨量占全年的 12%。區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜,地勢總體表現(xiàn)為東南高、西北低,高差大約為 950m;公路沿線峰巒疊嶂,溝壑縱橫,立體地貌突出,為晚古生代濱?！獪\海環(huán)境,沉積了大量的石灰?guī)r、白云巖,經(jīng)后期地質(zhì)抬升作用成為陸地;地下水和地表水長期沿巖石裂隙進(jìn)行溶蝕,故以水力侵蝕為主,局部有重力侵蝕發(fā)生。土壤以紅壤和紫色土為主,植被屬半濕潤常綠闊葉林類型,覆蓋率約 25%。

2 研究方法

在公路棄渣區(qū)選取3個典型棄渣場(表 1),在堆渣體邊坡上布設(shè)長 50m、寬 20m的觀測小區(qū)。采用插釬法觀測面蝕發(fā)生過程及侵蝕量[2],具體布設(shè)方法是:在樣方內(nèi)將直徑 0.6 cm、長 30 cm的鐵釘分上中下、左中右間隔 100 cm沿坡面垂直方向打入。為了避免流失土壤在釘帽處淤積,在釘帽和坡面間留出一定距離,并在釘帽上涂上油漆,將鐵釘進(jìn)行編號并登記入冊。每次暴雨和汛期結(jié)束后,觀測釘帽出露地面的高度與原出露高度的差值,計算出棄渣場坡面的土壤流失量。在各觀測小區(qū)的附近安裝便攜式自記雨量計,觀測每次降雨的降雨量及降雨歷時,同時在觀測小區(qū)內(nèi)采用體積法估算坡面溝蝕總量[3]。

表 1 棄渣場基本情況

3 結(jié)果與分析

3.1 棄渣場土壤流失強度與渣體粒徑之間的關(guān)系

渣場渣體的粒徑組成不同,不但比表面積有很大的差異,而且土粒間的孔隙度、膠結(jié)性也有顯著的差異。對各觀測小區(qū)的土壤顆粒樣品進(jìn)行顆粒粒徑分選后,按照國際制土壤粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn),單粒直徑 ＞2mm的稱為礫石。各觀測小區(qū)土壤粒徑組成與土壤流失強度的關(guān)系見表 2。

從表 2看出:七星棄渣場和陽宗棄渣場渣體粒徑從小于 2 mm至 8 cm以上都有分布,且七星棄渣場＞2mm的礫石含量高達(dá) 84.80%,渣體組成中土壤細(xì)粒含量極低,土壤流失強度最高,達(dá)到 25 720 t/km2;陽宗棄渣場 ＞2 mm的礫石含量達(dá)57.50%,土壤流失強度也較高,達(dá)到 20 900 t/km2;王家營棄渣場細(xì)粒含量幾乎是七星棄渣場的 4倍,其土壤流失強度最小,只有 12 540 t/km2。由此知道,在坡度相近的情況下,各棄渣場的土壤流失強度與土壤礫石含量呈正相關(guān),即土壤礫石含量越高,土壤顆粒間的孔隙越大,細(xì)粒與礫石間的膠結(jié)性就越差,在地表徑流作用下細(xì)粒就容易隨徑流的沖刷而流失,土壤流失就嚴(yán)重。

表 2 土壤粒徑組成與土壤流失強度的關(guān)系

3.2 棄渣場土壤流失強度與降雨的關(guān)系

降雨是導(dǎo)致土壤流失最直接的因素。雨季土壤經(jīng)常處于濕潤狀態(tài),為高強度暴雨的劇烈侵蝕打下了水分基礎(chǔ),使得很多地方雨季土壤流失量往往占到全年流失量的 2/3以上[4-5]。為此,本研究選用 2004年 5—9月的降雨與土壤流失資料進(jìn)行對比,旨在揭示渣場土壤流失與降雨的關(guān)系。降雨量、平均降雨強度與渣場土壤流失強度的關(guān)系見圖 1和表3。

圖1 棄渣場降雨量與土壤流失強度關(guān)系

從圖 1可以看出,棄渣場邊坡土壤流失強度與降雨量呈一元線性正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為 0.878 7,說明在不考慮影響渣場土壤流失的其他因素的情況下,降雨量越大,渣場土壤流失就越嚴(yán)重。因此,雨季來臨之前,在棄渣場邊坡及時采取水土保持措施顯得尤為重要。

表 3 棄渣場平均降雨強度與平均土壤流失強度的對應(yīng)關(guān)系

從表 3可以看出,棄渣場平均降雨強度與平均土壤流失強度并沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,與未擾動的自然坡面的侵蝕有所不同[6]。這可能是棄渣相對于自然坡面土壤而言較為疏松,降雨的入滲率較大,如雨量不大則產(chǎn)生地表徑流的幾率就很小,而隨著降雨次數(shù)的增加和降雨時間的延續(xù),渣體會產(chǎn)生沉降,入滲率可能減小,也使得平均降雨強度與平均土壤流失強度之間的對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化。

3.3 棄渣場土壤流失強度與坡度的關(guān)系

坡度是影響土壤侵蝕的重要因子,坡度越大,降雨到達(dá)地表后就越難以入滲,大量的降雨就變成了地表徑流,為渣體的侵蝕提供了動力源。為研究坡度與棄渣場土壤流失強度的關(guān)系,參照公路工程棄渣場中通常設(shè)計的堆渣坡比,把同一棄渣場的渣體削成不同的坡度,觀測到的土壤流失情況見表 4。

表 4 不同坡度棄渣場土壤流失強度

從表 4可以看出,坡度越大土壤流失強度就越大。但值得注意的是,棄渣場渣體坡面的侵蝕并不像自然坡面侵蝕那樣存在轉(zhuǎn)折坡度[5],這主要是由于坡度越大,降雨到達(dá)地表后變成地表徑流就越容易,而坡面是個裸露的松散體,在地表徑流的作用下很容易產(chǎn)生土壤流失,且流失嚴(yán)重。

3.4 棄渣場溝蝕特征

溝蝕是棄渣場邊坡最為普遍的一種水力侵蝕形式。為了便于統(tǒng)計,將溝深和溝寬均不超過20 cm的侵蝕溝劃為細(xì)溝,將溝深在0.5m以下逐漸加深到 1m且溝寬大于溝深的侵蝕溝劃為淺溝,將溝頭有一定高度的跌水、溝岸不斷坍塌的侵蝕溝劃為切溝[4]。將細(xì)溝概化為三角形、淺溝與切溝概化為梯形[7]計算觀測坡面上的土壤流失量。雨季結(jié)束后各觀測小區(qū)的坡面溝蝕量觀測結(jié)果見表 5。

從表 5看出,棄渣場邊坡的溝蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,其中:王家營棄渣場的土壤流失量為 15.79m3,流失強度達(dá) 25 264 t/km2;七星棄渣場的土壤流失量為 17.90m3,流失強度達(dá) 27 030 t/km2;陽宗棄渣場的土壤流失量為 20.92m3,流失強度達(dá) 37 656 t/km2。研究表明,渣場棄渣體以細(xì)溝侵蝕和淺溝侵蝕為主:王家營棄渣場由于渣體粒徑較小,觀測小區(qū)內(nèi)的侵蝕全部為細(xì)溝和淺溝侵蝕,其中細(xì)溝 18條,占侵蝕溝總數(shù)的 72%;七星棄渣場細(xì)溝、淺溝占到侵蝕溝總數(shù)的 95.45%,其流失量占總流失量的 81.73%;陽宗棄渣場礫石含量較高,細(xì)溝、淺溝也占侵蝕溝總數(shù)的 88.89%,其流失量也占總流失量的 66.68%。從溝壑密度看,細(xì)溝、淺溝的溝壑密度也在溝壑密度中占有較大比重。

4 結(jié) 語

棄渣場渣體中礫石含量越高,土壤流失強度就越大。在不考慮影響渣體坡面侵蝕的其他因素的情況下,降雨量與棄渣場土壤流失強度呈一元線性正相關(guān)關(guān)系,即降雨量越大,土壤流失強度就越大。同時,棄渣場渣體坡面的坡度越大,土壤流失強度就越大。在渣體坡面侵蝕中,溝蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重,有的土壤流失強度高達(dá) 37 656 t/km2,且以細(xì)溝和淺溝侵蝕為主,流失量占溝蝕流失總量的 60%以上。

表 5 觀測小區(qū)坡面溝蝕觀測結(jié)果

[1]張長生.云南公路綠化工作的思考與探索[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(5):212-217.

[2]李朝霞,王天巍,史志華,等.降雨過程中紅壤表土結(jié)構(gòu)變化與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系[J].水土保持學(xué)報,2005,19(1):1-4,9.

[3]李文銀,王治國,蔡繼清.工礦區(qū)水土保持[M].北京:科學(xué)出版社,1996:124-125.

[4]王禮先,朱金兆.水土保持學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2005.

[5]王美芝,許兆義,楊成永.鐵路工程建設(shè)棄渣流失試驗研究[J].中國水土保持,2004(1):24-26.

[6]王青杵.煤炭開采區(qū)廢棄物堆置體坡面侵蝕特征研究[J].中國水土保持,1998(8):26-29.

[7]陳宗偉.在建高速公路土壤侵蝕規(guī)律及其防治體系研究——以湖北滬蓉西高速公路宜長段為例[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2006.

S157.1

A

1000-0941(2011)02-0062-03

李艷梅(1978—),女,云南昆明市人,副教授,碩士,主要從事退化生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)理論與技術(shù)研究。

2011-01-17

(責(zé)任編輯 趙文禮)