植物籬措施下工程堆積體坡面減流減沙效益研究

袁普金, 張 翔, 王萬(wàn)君, 郭超穎, 程 復(fù), 孔東蓮, 高照良

(1.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心, 北京 100055; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊陵 712100;3.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司, 北京 100055; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

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植物籬措施下工程堆積體坡面減流減沙效益研究

袁普金1, 張 翔2, 王萬(wàn)君3, 郭超穎3, 程 復(fù)3, 孔東蓮3, 高照良4

(1.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心, 北京 100055; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊陵 712100;3.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司, 北京 100055; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

為探討植物籬措施下工程堆積體坡面不同坡段的減流減沙效益，選取了35，45，55 L/min放水流量，模擬0.3，0.4，0.5 mm/min的雨強(qiáng)條件，對(duì)24°坡度的堆積體邊坡進(jìn)行模擬徑流沖刷試驗(yàn)。結(jié)果表明：植物籬可以很好地阻延坡面徑流，且產(chǎn)流時(shí)間隨著放水流量的增加呈線性遞減趨勢(shì)；對(duì)照坡面的平均產(chǎn)流量沿著水流方向呈先增后減的趨勢(shì)，而植物籬坡面呈相反趨勢(shì)；根據(jù)產(chǎn)流產(chǎn)沙量在不同坡段上的對(duì)比情況可知，植物籬措施的合理配置應(yīng)著重加強(qiáng)中間坡段的防治；55 L/min流量下的累計(jì)減沙量顯著大于另外兩個(gè)流量的累計(jì)減沙量，累計(jì)減沙量與時(shí)間呈三次函數(shù)關(guān)系；時(shí)段產(chǎn)沙量隨著時(shí)段產(chǎn)流量的增大而增大，二者呈冪函數(shù)關(guān)系；累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量呈二次函數(shù)關(guān)系，累計(jì)產(chǎn)沙量存在最大值，且二者的函數(shù)關(guān)系存在定義域。該研究可為工程堆積體坡面防治措施的優(yōu)化配置提供一定的理論支持。

植物籬; 工程堆積體; 放水沖刷; 減流減沙效益

20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，我國(guó)的城市化、工業(yè)化、現(xiàn)代化進(jìn)程逐年加快，開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目急劇增加，由于在建設(shè)活動(dòng)中嚴(yán)重破壞了原本處于平衡狀態(tài)的原地貌、植被和水系條件，并產(chǎn)生大量的棄土棄渣堆積形成工程堆積體，造成嚴(yán)重的水土流失，甚至引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、破壞水土資源、惡化生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力急劇降或喪失[1-2]。由于工程堆積體邊坡陡、無(wú)植被、結(jié)構(gòu)體破壞、表層土壤疏松、地面組成物質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，比原地貌更易發(fā)生水土流失。水土保持防治措施的合理布置便顯得尤為重要。

植物籬作為一種水土保持措施已在熱帶、亞熱帶、溫帶的坡耕地中得到廣泛應(yīng)用。已有的大量研究表明，植物籬措施的布設(shè)對(duì)坡面水土流失的防治具有顯著的效果[3-5]。武菊英[6]等在華北地區(qū)對(duì)狼尾草屬和野古草屬的兩種植物籬研究結(jié)果顯示植物籬的減流作用可以達(dá)到36%～72%，減沙效益可以達(dá)到65%～94%。Cullum 等[7]研究得出植物籬的減沙效益可以達(dá)到90%。Donjadee等[8]研究得出了植物籬影響下的產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸方程，取得了較好的預(yù)測(cè)效果。Rachman等[9]認(rèn)為植物籬提高了土壤入滲能力、導(dǎo)水率，進(jìn)而促進(jìn)減流減沙。卜崇峰等[10]認(rèn)為植物籬改變了坡面徑流流速分布進(jìn)而影響了徑流侵蝕量。袁久芹[11-12]等研究表明，植物籬具有明顯的減流減沙效益，且在大降雨強(qiáng)度條件下更顯著，其對(duì)不同植物籬配置模式的研究發(fā)現(xiàn)，各植物籬模式均不同程度地改善了土壤理化性質(zhì)，減少了水土流失量，組合植物籬模式的減流減沙效益優(yōu)于單一植物籬模式?？梢钥闯?，已有研究主要集中于緩坡條件下的坡耕地坡面，而對(duì)工程堆積體坡面植物籬應(yīng)用方法、植物籬的減流減沙過(guò)程及其機(jī)理鮮有研究。

本文在工程堆積體坡面布置植物籬，通過(guò)野外放水沖刷試驗(yàn)，模擬不同雨強(qiáng)條件下匯水徑流對(duì)堆積體坡面沖刷過(guò)程，分析植物籬措施下堆積體坡面不同坡段產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程及其減流減沙效益，以期為工程堆積體坡面防治措施的優(yōu)化配置提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于陜西省長(zhǎng)武縣王東溝小流域內(nèi)(N35°14′34″；E107°41′31″)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)、大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量583.9 mm，年均氣溫9.1℃[13]。地帶性土壤為黑壚土，土壤母質(zhì)為深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，重力侵蝕嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)1 860 t/km2，降水多集中在7—9月份，占全年降水總量的55%。試驗(yàn)小區(qū)建在人工開(kāi)挖坡面上，開(kāi)挖面達(dá)到土壤母質(zhì)層，小區(qū)所填土壤來(lái)自附近邊坡開(kāi)挖產(chǎn)生的廢棄黃土，事先清除雜草和有機(jī)殘落物層，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械開(kāi)挖后進(jìn)行人工回填，小區(qū)棄土為當(dāng)年回填，坡面無(wú)任何植被覆蓋，小區(qū)坡面投影長(zhǎng)度20 m，寬5 m。堆積體表層土壤類型為黑壚土，土石比超過(guò)9∶1，粒徑多在1 mm以下，土壤顆粒粒徑0.2～0.1，0.1～0.05，0.05～0.02，0.02～0.01，0.01～0.005，0.005～0.002,<0.002 mm含量依次為0.3%，6.47%，32.95%，24.56%，10.57%，6.50%和18.65%。采用人工模擬徑流試驗(yàn)，用穩(wěn)壓水箱保持放水流量恒定，調(diào)節(jié)閥與水表配合進(jìn)行率定流量，通過(guò)穩(wěn)流槽獲得平穩(wěn)、恒定的出流。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)見(jiàn)圖1，每個(gè)小區(qū)設(shè)置5個(gè)測(cè)量斷面，分別距坡頂2，6，10，14，18 m處。選取兩個(gè)24°坡度，其中一個(gè)為裸坡作為對(duì)照小區(qū)，另一個(gè)采用植物籬措施。在植物籬小區(qū)內(nèi)布置4道植物籬，從距離坡頂3 m處開(kāi)始布設(shè)，籬間距4 m。植物籬帶栽植平均株距為20 cm的紫穗槐幼苗，以67 kg/hm2的密度種植紫花苜蓿，直至試驗(yàn)前籬帶內(nèi)覆蓋率達(dá)到90%以上，植物籬帶寬約60 cm。在各斷面處測(cè)定土壤容重、土壤含水量等。試驗(yàn)開(kāi)始前，為控制土壤容重和含水率，對(duì)坡面進(jìn)行平整，人工壓實(shí)，并在試驗(yàn)開(kāi)始前24 h對(duì)坡面進(jìn)行均勻?yàn)⑺钡狡旅婕磳a(chǎn)流為止并用塑料薄膜覆蓋至試驗(yàn)開(kāi)始，試驗(yàn)前土壤容重在1.30～1.40 g/cm3范圍內(nèi)，土壤含水率在10.5%～18.85%。按照試驗(yàn)區(qū)一年中發(fā)生的最大暴雨等級(jí)，設(shè)置放水流量梯度為35，45，55 L/min，分別相當(dāng)于0.3，0.4，0.5 mm/min的降雨強(qiáng)度下產(chǎn)生的坡面徑流量，產(chǎn)流后每場(chǎng)次沖刷歷時(shí)為39 min。試驗(yàn)開(kāi)始后，通過(guò)閥門(mén)和精密流量計(jì)控制流量，泥沙樣在產(chǎn)流開(kāi)始后6 min內(nèi)每隔2 min取一次，其后每隔3 min取一次，徑流桶接收全部泥沙和徑流，同時(shí)于測(cè)量斷面處測(cè)流寬及流速，流速采用高錳酸鉀示蹤法測(cè)定，測(cè)距為1.5 m[14]，通過(guò)計(jì)算5個(gè)斷面的流速，求其平均值，并乘以修正系數(shù)0.75作為水流斷面平均流速[15]；流寬的測(cè)量采用自制的彩色測(cè)尺，精度為1 cm，通過(guò)觀測(cè)有水流的彩色測(cè)尺進(jìn)行準(zhǔn)確的讀數(shù)，然后計(jì)算出流寬。用烘干法測(cè)定泥樣瓶中的含沙量，試驗(yàn)土采用激光粒度分析儀分析。試驗(yàn)供水引自王東溝民用泉水井，經(jīng)自流到蓄水桶。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

(1) 不同坡段斷面產(chǎn)流量(Qi)。單位距離內(nèi)不同坡段的平均徑流量。

(1) 式中：Qi為不同坡段斷面產(chǎn)流量(L)；M為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)流量(L)；ti為水流流經(jīng)不同測(cè)量斷面的時(shí)間(s)；T為取樣的時(shí)間間隔(s)；L為觀測(cè)斷面長(zhǎng)度(m)。

(2) 不同坡段斷面產(chǎn)沙量(Si)。單位距離內(nèi)不同坡段的平均產(chǎn)沙量。

(2)

式中：Si為不同坡段斷面產(chǎn)沙量(kg)；ω為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的平均含沙量(kg/L)。

(3) 累計(jì)減沙量(Mr)。不同時(shí)段內(nèi)植物籬坡面相比對(duì)照坡面的累計(jì)減沙量。

(3)

式中：Mr為累積減沙量(kg)；Mc(t)為沖刷歷時(shí)t時(shí)刻時(shí)對(duì)照小區(qū)的累積產(chǎn)沙量(kg)；Mh(t)沖刷歷時(shí)t時(shí)刻時(shí)植物籬小區(qū)的累積產(chǎn)沙量(kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物籬措施下不同坡段產(chǎn)流過(guò)程分析

2.1.1 植物籬措施對(duì)坡面產(chǎn)流時(shí)間的阻延作用 產(chǎn)流時(shí)間指坡面徑流漫流至小區(qū)出口所需要的時(shí)間，在野外人工模擬放水沖刷試驗(yàn)中，影響產(chǎn)流時(shí)間的因素主要包括植被類型(空間格局)、放水流量、坡度、坡長(zhǎng)、下墊面以及土壤初始含水量等。在試驗(yàn)前對(duì)坡面取土樣測(cè)量土壤含水量，以確保坡面土壤初始含水量一致。在24°坡度下，對(duì)照坡面在35，45，55 L/min放水流量條件下的產(chǎn)流時(shí)間分別為2.623，2.434，2.383 min，植物籬坡面對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流時(shí)間分別為5.059，4.709，4.449 min。對(duì)比不同措施下坡面的產(chǎn)流時(shí)間，3個(gè)流量條件下植物籬小區(qū)的產(chǎn)流時(shí)間分別是對(duì)照小區(qū)的1.929，1.935，1.867倍，表明植物籬措施對(duì)阻延坡面徑流的產(chǎn)生貢獻(xiàn)率較大，且隨著放水流量的增加，坡面產(chǎn)流時(shí)間呈現(xiàn)線性遞減趨勢(shì)。

2.1.2 不同坡段斷面產(chǎn)流量對(duì)比及其減流效益 在試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)小區(qū)設(shè)置5個(gè)測(cè)量斷面，分別距坡頂2，6，10，14，18 m處，每個(gè)斷面的測(cè)距1.5 m。

圖2 植物籬與對(duì)照坡面不同坡段的

通過(guò)描繪植物籬與對(duì)照坡面的平均產(chǎn)流量在不同坡段上的對(duì)比以及減流效益在坡面的分布情況，見(jiàn)圖2。由圖2可知，在三個(gè)流量條件下，對(duì)照坡面的平均產(chǎn)流量沿著水流方向呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而植物籬坡面下的平均產(chǎn)流量沿著上坡到下坡方向呈先減小再增加的相反趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诼闫聴l件下，上坡面的水流主要受到重力沿坡面向下的分力作用以及坡面微地形和跌坎的阻力作用，在上坡面重力的分力大于阻力作用，使得水流流速一直處于加速狀態(tài)，流過(guò)單位距離斷面的流量逐漸增加，到達(dá)中間坡段時(shí)重力與阻力相等，達(dá)到最大流速，而后在下坡面，阻力不斷加大以致大于重力作用，導(dǎo)致坡面水流處于減速狀態(tài)，所以下坡面的單位距離斷面的產(chǎn)流量不斷減小。植物籬措施下，隨著上坡面的水流流速越大，植物籬的阻流作用越大，此階段阻力大于重力作用，以致在中間坡段時(shí)出現(xiàn)最小流速，單位距離的產(chǎn)流量達(dá)到最小，而下坡面剛好相反，流速較小，植物籬的阻流作用不明顯，此階段重力作用大于阻力作用，因此流速逐漸增大，產(chǎn)流量也就呈增加趨勢(shì)。

在35 L/min流量下，對(duì)照坡面在坡段5處的平均產(chǎn)流量小于植物籬措施下坡面，45 L/min流量下，對(duì)照坡面不同坡段的平均產(chǎn)流量均大于植物籬措施坡面，而在55 L/min放水流量下，對(duì)照坡面只是在坡段2，3處的平均產(chǎn)流量大于植物籬措施下的產(chǎn)流量，并且隨著流量的增加，坡面平均減流效益呈先增加后減小的趨勢(shì)，表明隨著放水流量的增大，植物籬措施的減流效益并不是呈簡(jiǎn)單的減弱趨勢(shì)，而是存在最佳放水流量，因此坡面植物籬措施在此放水強(qiáng)度下可發(fā)揮最大的減流效益。

通過(guò)分析不同坡段的減流效益分布趨勢(shì)可知，順著坡面水流方向，減流效益呈先增加后減小的趨勢(shì)，在坡段3處即中間坡段處達(dá)到最大的減流效益。由此表明，植物籬措施的合理配置應(yīng)著重加強(qiáng)中間坡段的防治措施，根據(jù)裸坡坡面的產(chǎn)流量分布也可知，措施應(yīng)該主要布置在2，3，4坡段處。

2.2 植物籬措施下不同坡段產(chǎn)沙過(guò)程分析

2.2.1 不同坡段斷面產(chǎn)沙量對(duì)比以及不同坡段的減沙效益 探討坡面不同坡段的產(chǎn)沙量分布規(guī)律，能為工程堆積體坡面植物措施、工程措施等的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)描繪植物籬與對(duì)照坡面的平均產(chǎn)沙量在不同坡段上的對(duì)比以及減沙效益在坡面的分布情況，見(jiàn)圖3。由圖3可知，不同流量條件下，對(duì)照坡面的不同坡段處的產(chǎn)沙量均大于植物籬措施下的坡面，可以看出，植物籬措施起到了很好的減沙效果，但不同流量下植物籬措施的平均減沙效益卻不盡相同，對(duì)應(yīng)三個(gè)流量的平均減沙效益依次是46.47%，34.75%，36.85%?？芍诘土髁壳闆r下，植物籬措施能發(fā)揮更好的減沙效益。

根據(jù)不同坡段的減沙效益曲線可知，不同流量條件下，沿著坡面水流方向，減沙效益均呈先增加后減小的趨勢(shì)，在35 L/min和45 L/min放水流量下，坡段3處即中間坡段達(dá)到最大減沙效益，而在55 L/min流量下，最大減沙效益提前到坡段2處即中間偏上坡段。這是因?yàn)樵诖罅髁肯?，在坡?到坡段3之間的水流動(dòng)能最大，由于植物籬的作用，流速越大阻流作用也就越強(qiáng)，因此水流在此階段侵蝕的泥沙大大減少。由減沙效益的在坡面的分布趨勢(shì)可以得出，坡面措施的優(yōu)化配置應(yīng)主要集中在中間坡段，即圖中的2，3，4坡段處。

圖3 植物籬與對(duì)照坡面不同坡段的

2.2.2 植物籬累計(jì)減沙量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系 累計(jì)減沙量可以反映隨著放水歷時(shí)的延長(zhǎng)，植物籬減沙能力的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)點(diǎn)繪累計(jì)減沙量與沖刷時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)圖4，擬合二者之間的關(guān)系，見(jiàn)表1。圖4體現(xiàn)了不同流量條件下，在24°坡度下植物籬小區(qū)累積減沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。在前9 min的時(shí)候，35 L/min和45 L/min兩流量的累計(jì)減沙量，相差不大，甚至小流量的累計(jì)減沙量稍大于45 L/min的累計(jì)減沙量，而后，大流量較小流量的累計(jì)減沙量要大，但在55 L/min流量下，累計(jì)減沙量顯著大于另外兩個(gè)流量的累計(jì)減沙量。這是因?yàn)椋S著流量的增大，累計(jì)產(chǎn)沙量也在明顯增加，由圖3可知，三個(gè)流量分布對(duì)應(yīng)的平均減沙效益依次是46.47%，34.75%，36.85%，流量在35 L/min時(shí)的平均減沙效益最好，而45 L/min的平均減沙效益最差，因此前者的累計(jì)減沙量增加的幅度會(huì)比較大，而后者增加幅度比較平緩，二者會(huì)越來(lái)越接近，這也與圖4曲線走向一致；而在55 L/min流量下，減沙效益較好，加上本身?xiàng)l件下的累計(jì)產(chǎn)沙量較大，因此與另外兩個(gè)流量的累計(jì)減沙量存在明顯差距。由表1可見(jiàn)，各個(gè)流量條件下的累計(jì)減沙量與時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化均能用三次函數(shù)進(jìn)行很好的擬合，各種情況下的決定系數(shù)在0.98以上，且F檢驗(yàn)Sig.<0.001，說(shuō)明回歸方程均達(dá)到極顯著水平。

2.3 坡面流的水沙關(guān)系

2.3.1 時(shí)段產(chǎn)沙量與時(shí)段產(chǎn)流量的關(guān)系 通過(guò)整合兩個(gè)坡面時(shí)段產(chǎn)流量與時(shí)段產(chǎn)沙量的數(shù)據(jù)，建立二者之間的關(guān)系，見(jiàn)圖5，各時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)沙量與徑流量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，時(shí)段產(chǎn)沙量隨著時(shí)段產(chǎn)流量的增大而增大，對(duì)二者之間的相互關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明用冪函數(shù)方程對(duì)時(shí)段產(chǎn)沙量與時(shí)段徑流量擬合效果最佳，建立經(jīng)驗(yàn)公式如下，

對(duì)照坡面：

y=1.757x0.613(R2=0.534，N=42)

(1)

植物籬坡面：

y=0.288x0.944(R2=0.817，N=42)

(2)

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)式(1)、(2)的F檢驗(yàn)Sig.<0.001，說(shuō)明回歸方程均達(dá)到極顯著水平。

圖4 累計(jì)減沙量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系

流量/(L·min-1)擬合公式樣本數(shù)決定系數(shù)R235Mr=-0.0018t3-0.095t2+12.133t-1.419N=150.996**45Mr=-0.0005t3-0.0024t2+4.164t-3.433N=150.984**55Mr=-0.0032t3-0.179t2+4.823t-0.234N=150.994**

注：其中*表示(p<0.05)，**表示(p<0.01)。

圖5 時(shí)段產(chǎn)沙量與時(shí)段產(chǎn)流量的關(guān)系

2.3.1 累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)產(chǎn)流量的關(guān)系 通過(guò)分析24°坡度下，兩種措施在不同流量條件下，累計(jì)產(chǎn)沙量和累計(jì)產(chǎn)流量的數(shù)據(jù)，建立二者的關(guān)系，見(jiàn)圖6。由圖可知，在本試驗(yàn)條件下，累計(jì)產(chǎn)沙量均隨著累計(jì)徑流量的增加先迅速增加而后緩慢增加，且在相同徑流量下，對(duì)照坡面的累計(jì)產(chǎn)沙量均大于植物籬坡面的累計(jì)產(chǎn)沙量，說(shuō)明植物籬措施起到了很好的減沙效果，但不同流量下植物籬措施的減沙效益卻不盡相同。

擬合不同流量條件下累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)產(chǎn)流量的變化過(guò)程(表2)可知，不同措施坡面累計(jì)產(chǎn)沙量均與累計(jì)徑流量呈二次函數(shù)關(guān)系，二次函數(shù)開(kāi)口向下，表明累計(jì)產(chǎn)沙量隨著累計(jì)產(chǎn)流量的增加存在最大值，而不是一味地增大，一旦累計(jì)產(chǎn)沙量到達(dá)最大值，而后便會(huì)開(kāi)始減小，但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，累計(jì)產(chǎn)沙量一旦到達(dá)最大值，而后不可能會(huì)減小，所以二者的關(guān)系函數(shù)是存在定義域的，只有當(dāng)累計(jì)徑流量在零到臨界值的范圍內(nèi)，才可用此模型對(duì)坡面累計(jì)產(chǎn)沙量進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。由表2可知最大累計(jì)產(chǎn)沙量對(duì)應(yīng)的臨界累計(jì)產(chǎn)流量，在對(duì)照坡面下，累計(jì)產(chǎn)沙量最大值隨著流量的增大先增大后稍微減小，對(duì)應(yīng)的累計(jì)產(chǎn)流量分別為1 202.5，2 240，1 565 L，在植物籬措施坡面下，累計(jì)產(chǎn)沙量最大值隨著流量的增大而增大，對(duì)應(yīng)的累計(jì)產(chǎn)流量分別為1 465，1 167.5，2 266.7 L，綜合來(lái)看，累計(jì)產(chǎn)沙量最大值在不同措施下，隨流量的增大變化情況并不一致，由于試驗(yàn)條件下，累計(jì)產(chǎn)流量均未達(dá)到臨界值，因此累計(jì)產(chǎn)沙量均未到達(dá)最大值。

圖6 累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)產(chǎn)流量的關(guān)系

流量/(L·min-1)措施擬合公式樣本數(shù)決定系數(shù)R2Q臨界值S最大值35對(duì)照S=-2E-4Q2+0.481Q+3.119N=14R2=0.999**1202.5292.3235植物籬S=-1E-4Q2+0.293Q-3.653N=14R2=0.999**1465210.9745對(duì)照S=-1E-4Q2+0.448Q-0.982N=14R2=0.999**2240500.7845植物籬S=-2E-4Q2+0.467Q-2.902N=14R2=0.999**1167.5269.7155對(duì)照S=-2E-4Q2+0.626Q+4.265N=14R2=0.999**1565494.1155植物籬S=-6E-5Q2+0.272Q-1.652N=14R2=0.999**2266.7306.61

注：其中*表示(p<0.05)，**表示(p<0.01)。

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

不同流量條件下，不同措施坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙分布規(guī)律不盡相同，裸坡坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙分布規(guī)律均是沿著坡面水流方向先增后減，波動(dòng)幅度不大，植物籬措施下坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙分布規(guī)律主要為沿著水流方向先減后增，與裸坡呈相反趨勢(shì)。由裸坡坡面侵蝕產(chǎn)沙分布情況可知，坡面侵蝕產(chǎn)沙較嚴(yán)重坡段主要集中在中間位置，水土保持防治措施的布設(shè)也應(yīng)主要集中在中間坡段，由植物籬坡面的分布規(guī)律也可知，植物籬措施能起到很好的減流減沙效果，尤其是針對(duì)中間坡段的防蝕作用。坡面流水沙關(guān)系往往較為復(fù)雜，加上測(cè)量精度的限制，二者之間的關(guān)系尚無(wú)定論。于國(guó)強(qiáng)等[16]將累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系均滿足冪函數(shù)關(guān)系；吳淑芳等[17]通過(guò)分析調(diào)控坡面水沙關(guān)系發(fā)現(xiàn)，侵蝕量與徑流量呈線性關(guān)系；本試驗(yàn)條件下，時(shí)段產(chǎn)沙量與時(shí)段徑流量呈冪函數(shù)關(guān)系，累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量呈二次函數(shù)關(guān)系，此結(jié)果也可能是由于工程堆積體這個(gè)獨(dú)特下墊面情況導(dǎo)致的。

3.2 結(jié) 論

(1) 植物籬措施對(duì)阻延坡面徑流的產(chǎn)生能起到很大的作用，隨著放水流量的增加，兩種坡面產(chǎn)流時(shí)間均呈現(xiàn)線性遞減趨勢(shì)；對(duì)照坡面的平均產(chǎn)流量沿著水流方向均呈先增后減的趨勢(shì)，而植物籬坡面呈相反趨勢(shì)；隨著放水流量的增大，植物籬措施下的平均減流效益并不是呈簡(jiǎn)單的減弱趨勢(shì)，而是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在45 L/min流量下達(dá)到最大減流效益；根據(jù)植物籬措施的減流效益和減沙效益在坡面的分布趨勢(shì)可知，植物籬措施的合理配置應(yīng)著重加強(qiáng)中間坡段的防治措施。

(2) 植物籬措施起到了很好的減沙效果，但不同流量下植物籬措施的平均減沙效益并不盡相同；在低流量情況下，植物籬措施能發(fā)揮更好的減沙效益；55 L/min流量下的累計(jì)減沙量顯著大于另外兩個(gè)流量的累計(jì)減沙量，各個(gè)流量條件下的累計(jì)減沙量與時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化均能用三次函數(shù)進(jìn)行很好的擬合。

(3) 時(shí)段產(chǎn)沙量隨著時(shí)段產(chǎn)流量的增大而增大，用冪函數(shù)方程對(duì)時(shí)段產(chǎn)沙量與時(shí)段徑流量進(jìn)行擬合效果最佳；在本試驗(yàn)條件下，累計(jì)產(chǎn)沙量均隨著累計(jì)徑流量的增加先迅速增加而后緩慢增加，且在相同徑流量下，對(duì)照坡面的累計(jì)產(chǎn)沙量均大于植物籬坡面的累計(jì)產(chǎn)沙量，不同措施坡面累計(jì)產(chǎn)沙量均與累計(jì)徑流量呈二次函數(shù)關(guān)系，累計(jì)產(chǎn)沙量存在最大值，但二者的關(guān)系函數(shù)存在定義域，只有當(dāng)累計(jì)徑流量在零到臨界值的范圍內(nèi)，才可用此模型對(duì)坡面累計(jì)產(chǎn)沙量進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。

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Conservation Benefit of Hedgerow Measures on Engineering Accumulation Slope

YUAN Pujin1, ZHANG Xiang2, WANG Wanjun3, GUO Chaoying3, CHENG Fu3, KONG Donglian3, GAO Zhaoliang4

(1.MonitorCenterofSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Beijing100055,China; 2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China; 3.BeijingSoilandWaterConservationEco-engineeringConsultationCo.,Ltd,Beijing100055,China; 4.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The contributions of different types of plant measures and different spatial patterns to efficiency about runoff and sediment reduction are different. In order to investigate effect of hedgerow measure on the engineering accumulation slope of different slope segments of runoff and sediment reduction benefits, the flow rates of 35, 45 and 55 L/min were selected to simulate the rainfall intensity of 0.3, 0.4 and 0.5 mm/min, and the simulation of the 24 degree slope of the accumulation body slope was carried out. The results show that the hedgerow can delay runoff and runoff-yielding time with the flow discharge increase which presents linearly decreasing trend. The average runoff on control slope along the flow direction increased firstly and then decreased, hedgerow slope presents the opposite trend. According to the runoff and sediment yield in different slope sections, the rational allocation of hedgerow measure should focus on strengthening the prevention and control measures for slope of the middle section. The cumulative sediment reduction under 55 L/min flow was much higher than those of the other two flows, the cumulative sediment reduction and time follow the cubic functional relationships. The sediment yield increases along with the increase of the flow rate in the period of time, and the two had a power function relationship. Cumulative sediment yield and cumulative runoff follow quadratic function relationships. The total sediment yield include maximum value, and the function relation is defined. This study can provide theoretical basis for the optimized allocation of control measures on the engineering accumulation body slope.

hedgerows; engineering accumulation; runoff and sediment yield; effects of runoff and sediment reduction

2015-11-20

2015-12-14

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“農(nóng)田水土保持關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2011BAD31B01)

袁普金(1975—),男,江西省余江縣人,工學(xué)碩士,高級(jí)工程師,主要從事開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)審查與管理工作。

E-mail:yuanpujin@163.com

高照良(1969—),男,河南靈寶人,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程和荒漠化防治。E-mail:gzl@ms.iswc.ac.cn

S157

A

1005-3409(2016)06-0374-07