不同植被恢復(fù)年限棄渣場入滲性能研究

于亞莉，汪三樹，彭旭東，史東梅

(1.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 400020；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶 400715)

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不同植被恢復(fù)年限棄渣場入滲性能研究

于亞莉1，汪三樹1，彭旭東2，史東梅2

(1.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 400020；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶 400715)

[摘要]為科學(xué)預(yù)測棄渣場水土流失量及評價其植被恢復(fù)效應(yīng)，采用雙環(huán)入滲法研究了不同植被恢復(fù)年限的棄渣場平臺及邊坡處的入滲特征，結(jié)果表明：不同植被恢復(fù)年限的棄渣土體容重、有機質(zhì)含量及毛管孔隙度均隨植被恢復(fù)年限的增加而增大，植被恢復(fù)從1年變化到2年，其容重差異在0.07～0.14 g/cm3之間；棄渣入滲過程大致存在入滲率迅速降低(9 min內(nèi))、緩慢降低(10～60 min)和趨于穩(wěn)定(60 min后)三個階段；平臺處的穩(wěn)定入滲率隨植被恢復(fù)年限的增加呈先增加后減小趨勢，而邊坡處的穩(wěn)定入滲率則隨植被恢復(fù)年限的增加呈先減小后增加趨勢；Horton模型對棄土棄渣入滲過程擬合的相關(guān)系數(shù)最大(平均0.923)，是反映其入滲過程的適宜模型。

隨著我國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，水利水電、礦產(chǎn)資源開發(fā)、公路鐵路交通運輸、輸油輸氣、工業(yè)與民用建筑工程等各類生產(chǎn)建設(shè)項目日益增多[1-2]。生產(chǎn)建設(shè)項目不僅對原地貌造成擾動、破壞，而且在工程建設(shè)過程中受挖填方施工時段、材料質(zhì)量、標(biāo)段劃分、運輸距離等諸多因素的影響，不可避免地產(chǎn)生大量的棄土棄渣，由此造成的水土流失強度高、范圍廣、危害大，嚴(yán)重危及人類賴以生存的水土資源和自然環(huán)境[3]。為減少水土流失，棄土棄渣場的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾逐漸成為相關(guān)專家、學(xué)者的研究重點[4]。植被恢復(fù)作為生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)棄渣場防治水土流失的根本措施[5-6]，其原因在于植被可以重新分配降水和降低降雨強度，還可以通過改善棄渣的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，增加其抗侵蝕能力，而且隨著時間的延長植被發(fā)揮的作用越來越好。土壤水分入滲性能決定了產(chǎn)生地表徑流的水量，從而對土壤侵蝕產(chǎn)生影響。目前，對棄土棄渣的入滲及產(chǎn)流過程[7-10]研究較多，而針對不同植被恢復(fù)年限的棄土棄渣入滲特征的研究較少。因此，我們以重慶市北碚區(qū)不同植被恢復(fù)年限的棄渣場為研究對象，通過分析其理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)上的變化特征，研究其水分入滲過程及入滲特征，以期為生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)棄渣場植被恢復(fù)效應(yīng)的評價提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)，地處東經(jīng)106°18′14″～106°56′ 53″、北緯29°39′10″～30°11′21″，年平均氣溫18.3 ℃，年平均降水量105.4 mm，5—9月的降水量占全年降水量的70%。試驗選取的3個棄渣場坡面土壤均為中生代侏羅紀(jì)沙溪廟組砂泥巖母質(zhì)及其發(fā)育而成的紫色土，植被恢復(fù)均以灌草為主，主要植被有蕨類、狗尾草、寬葉苔草等，其中1#棄渣場形成時間為2個月，2#棄渣場為1年，3#棄渣場為2年，各棄渣場基本情況見表1。

表1　棄渣場基本概況

1.2研究方法

土壤容重、毛管孔隙度和飽和含水率均采用環(huán)刀法測定；土壤入滲采用雙環(huán)入滲儀現(xiàn)場測定，外環(huán)直徑30 cm，內(nèi)環(huán)直徑15 cm，環(huán)高15 cm，在每種恢復(fù)年限棄渣場平臺和邊坡坡面進行。初始入滲率為最初入滲時段內(nèi)滲透量與入滲時間的比值，本研究選取初始2 min求算初始入滲率；平均滲透速率為達(dá)穩(wěn)滲時的滲透總量與時間的比值；穩(wěn)定入滲率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率。

本研究采用Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型來對不同植被恢復(fù)年限的棄渣入滲過程進行擬合。

(1)Horton模型。模型公式為

(1)

(2)Kostiakov模型。模型公式為

(2)

(3)Philip模型。模型公式為

(3)

2結(jié)果與分析

2.1不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣理化性質(zhì)特征

土壤物理性質(zhì)是影響土壤入滲特性的重要因素。棄土棄渣結(jié)構(gòu)特征對土體入滲能力的影響主要是通過土體孔隙狀況影響土體水力傳導(dǎo)度和土體水分運動的驅(qū)動力來實現(xiàn)的。土體容重作為反映棄土棄渣結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，直接或間接地反映了土體的松緊程度和通氣狀況。由表2可知，不同植被恢復(fù)年限棄渣場的物理性質(zhì)存在較大差異，但無論是棄渣平臺還是邊坡，其土體容重均呈現(xiàn)出隨著堆積年限的增加而增大的趨勢。棄渣由堆積2個月到1年，容重變化較小，其差異在0～0.01 g/cm3之間；棄渣由堆積1年到2年，容重變化較大，其差異在0.07～0.14 g/cm3之間。綜合分析表明，隨著堆積年限的增加，棄渣容重變大，其入滲能力會變小。

表2　棄土棄渣理化性質(zhì)特征

棄土棄渣作為土壤及母質(zhì)的混合物，其所含的植物根系與有機質(zhì)較少。有機質(zhì)作為土體團粒結(jié)構(gòu)形成的膠體物質(zhì)之一，對棄土棄渣的結(jié)構(gòu)有重要影響。在一定情況下，有機質(zhì)含量越多，則土體形成團粒結(jié)構(gòu)的可能性越大，故其結(jié)構(gòu)會變好，入滲性能也會得到改善。由表2可見，棄土棄渣有機質(zhì)含量隨植被恢復(fù)年限的增加而增大，新堆積棄渣(2個月)有機質(zhì)含量僅為1.77～2.38 g/kg，堆積1年的棄渣有機質(zhì)含量為5.33～5.79 g/kg，堆積2年的棄渣有機質(zhì)含量為5.93～6.36 g/kg。棄土棄渣毛管孔隙度也表現(xiàn)出隨植被恢復(fù)年限增加而增大的趨勢，就棄渣平臺而言，2個月、1年及2年棄渣的毛管孔隙度依次為16.49%、16.97%和18.41%，這說明年限越長則植物可吸收利用的毛管水量越大。

2.2不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲性能

在棄土棄渣平臺及邊坡，當(dāng)降雨強度小于其表面入滲率時，降水全部進入棄渣體內(nèi)部，不形成地表徑流，而當(dāng)雨強大于其表面入滲率時，降水會在棄渣表面形成徑流，進而引發(fā)水土流失。不同植被恢復(fù)年限棄渣的入滲過程差異明顯(圖1)。由圖1可見：不同植被恢復(fù)年限棄渣場的土體入滲率在初期的9 min內(nèi)隨時間的延長而迅速降低，在10～60 min時段土體入滲率下降變緩，60 min后入滲率趨于穩(wěn)定。就棄渣平臺而言，2個月、1年和2年棄渣的入滲率趨穩(wěn)于1.13、6.56和2.16 mm/min；對于棄渣邊坡，其入滲率依次趨穩(wěn)于8.21、1.64和6.79 mm/min。

圖1　不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲過程

根據(jù)棄渣的入滲率變化過程，分析得到其初始入滲率、穩(wěn)定入滲率及平均入滲率等入滲特征值，見圖2。就初始入滲率而言，2個月棄渣邊坡的初始入滲率最大，為23.20 mm/min，而其平臺處的初始入滲率則最小，為4.11 mm/min；不同棄渣平臺的初始入滲率相比，植被恢復(fù)2個月的較小，而植被恢復(fù)1年及2年的較大。對于穩(wěn)定入滲率而言，棄渣平臺處的穩(wěn)定入滲率隨植被恢復(fù)年限的增加呈先增加后減小的趨勢，但2個月的棄渣穩(wěn)定入滲率小于1年及2年的；棄渣邊坡處的穩(wěn)定入滲率則表現(xiàn)為隨植被恢復(fù)年限的增加呈先減小后增加的趨勢，但2個月的棄渣穩(wěn)定入滲率高于1年及2年的。綜合分析表明，植被恢復(fù)對棄土棄渣的入滲特性影響較大，植被恢復(fù)時間達(dá)到1年后，棄渣場平臺的入滲率會變大，而邊坡的入滲率會變小。

圖2　不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲特征

2.3棄土棄渣入滲過程模型的優(yōu)化

目前，國內(nèi)外廣泛采用的入滲擬合模型主要有Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型等。為比較不同擬合模型對棄土棄渣下墊面入滲過程的擬合優(yōu)度，本研究分別采用Horton、Kostiakov和Philip這三種模型對不同植被恢復(fù)年限的棄土棄渣入滲過程進行了優(yōu)化模擬，其結(jié)果見表3。

表3　棄土棄渣入滲模型回歸分析結(jié)果

由表3可知，不同的入滲模型對棄渣場入滲的擬合優(yōu)度存在差異。用Kostiakov模型對棄土棄渣入滲速率進行擬合時，平均相關(guān)系數(shù)為0.650；Philip模型擬合的平均相關(guān)系數(shù)為0.761，擬合效果較好；而Horton模型擬合的平均相關(guān)系數(shù)為0.923，其相關(guān)系數(shù)均在0.790以上，擬合效果最好。這說明Horton模型更適宜于棄土棄渣入滲過程的模擬，這與李葉鑫等[8]對紫色丘陵區(qū)不同棄土棄渣入滲特征的研究結(jié)論一致。從Horton模型對不同植被恢復(fù)年限的棄渣入滲擬合方程中(表3)可以看出，隨著植被恢復(fù)年限增加，棄渣平臺穩(wěn)定入滲率表現(xiàn)為先增加后減小，其2個月、1年和2年棄渣穩(wěn)定入滲率分別為1.13、4.75和1.81 mm/min，而其邊坡的穩(wěn)定入滲率則表現(xiàn)為先減小后增加，其數(shù)值依次為8.21、1.64和7.47 mm/min。

3結(jié)論

(1)不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣的物理性質(zhì)有明顯差異。不同植被恢復(fù)年限棄渣土體容重隨著堆積年限的增加而增大，植被恢復(fù)年限由1年增加到2年，棄渣容重變化較大，其差異在0.07～0.14 g/cm3之間；有機質(zhì)含量、毛管孔隙度也隨植被恢復(fù)年限的增加而增大，說明植被恢復(fù)年限越長則其水肥條件越好。

(2)不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲過程大致存在入滲率迅速降低(9 min內(nèi))、緩慢降低(10～60 min)和趨于穩(wěn)定(60 min后)三個階段。不同植被恢復(fù)年限棄渣的入滲能力差異較大，平臺處的穩(wěn)定入滲率隨年限的增加呈先增加后減小趨勢，而邊坡處的穩(wěn)定入滲率則隨年限的增加呈先減小后增加趨勢。

(3)Horton模型更適宜于棄渣場入滲過程的模擬，其擬合曲線的平均相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)0.923。Horton模型擬合的入滲過程顯示，植被恢復(fù)2個月、1年和2年的棄渣平臺處穩(wěn)定入滲率依次為1.13、4.75和1.81 mm/min，而其邊坡的穩(wěn)定入滲率依次為8.21、1.64和7.47 mm/min。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項目]重慶水利科技項目“生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失規(guī)律研究”(2011)；重慶市生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失危害研究(2012)

[中圖分類號]S151.9

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)06-0051-03

[作者簡介]于亞莉(1977—)，女，四川資陽市人，高級工程師，學(xué)士，主要從事水土保持規(guī)劃設(shè)計及水土保持咨詢工作；通信作者史東梅(1970—)，女，甘肅靈臺縣人，教授，博士，主要從事土壤侵蝕與流域治理、水土保持等研究。

[收稿日期]2015-06-13

[關(guān)鍵詞]棄渣場；入滲性能；植被恢復(fù)；邊坡