斜坡綠地的階梯式改造對(duì)紅壤徑流過程的影響

李雨航

摘 要：以25°斜坡式綠地為研究對(duì)象，采用人工模擬自然降雨的試驗(yàn)方法，研究斜坡綠地的不同階梯式改造對(duì)徑流總量控制效果的影響，并提出梯坡比的概念，研究結(jié)果表面將斜坡綠地改造成階梯式可以有效提高綠地的入滲能力，延長(zhǎng)徑流的起始產(chǎn)流時(shí)間。

關(guān)鍵詞：上凸綠地;階梯改造;徑流雨水

0 引言

我國(guó)華南地區(qū)多為凸起式綠地，在降雨量大時(shí)易形成較大的坡面徑流，造成雨水外排，對(duì)坡面土壤造成沖刷侵蝕[1]，達(dá)不到削峰滯洪的效果。梯田是治理坡耕地水土流失的有效措施，蓄水、保土作用十分顯著[2]。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)在廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓旁邊的露天分倉式人工降雨滲透床進(jìn)行。滲透床利用噴灌系統(tǒng)模擬下噴式降雨裝置，有效高度3.0m，可進(jìn)行30-100mm/h的各種雨強(qiáng)模擬降雨，均勻度>75%，雨滴大小、落地速度、均勻性和自然降雨相似。在實(shí)驗(yàn)單元格四個(gè)方位角各放置一個(gè)直徑67mm、容量1000ml的量筒，實(shí)際降雨強(qiáng)度由量筒測(cè)得，并進(jìn)行降雨強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)滲透床為自制鋼槽，槽體規(guī)格為1.0m*1.0m*0.5m，槽體上部裝配徑流收集水槽，規(guī)格為0.9m*0.1m*0.1m，用于收集地表雨水徑流。槽體下部為滲流收集系統(tǒng)，槽底兩側(cè)為傾斜混凝土基礎(chǔ)，便于槽體雨水的收集和匯合。底部中間設(shè)置不銹鋼穿孔管以收集滲流的雨水，外表面纏繞尼龍塞網(wǎng)，防止土壤進(jìn)入穿孔管導(dǎo)致堵塞。

試驗(yàn)供試土壤采自廣東省廣州市番禺區(qū)瀛洲生態(tài)公園，經(jīng)測(cè)定粘粒含量38.41%，粉粒含量39.74，砂粒含量21.85%，平均容重1.3g/cm3，將剔除雜物并風(fēng)干后大塊的土壤打碎并過15mm篩子。采用分層法裝填槽體。每層厚度為15cm，實(shí)驗(yàn)床槽體中土壤厚度35cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

25°為《水土保持法》規(guī)定的開荒限制坡度，水土流失最為嚴(yán)重，不準(zhǔn)開荒種植農(nóng)作物[3]，本試驗(yàn)以25°坡度為例，對(duì)應(yīng)于25°的斜坡式綠地，S為階梯式綠地的面積，S為斜坡式綠地總面積，試驗(yàn)按照階梯式綠地占斜坡式綠地面積比（梯坡比）S/S=0、50%、100%共設(shè)計(jì)三種不同的綠地地形改造，35mm/h，60mm/h，80mm/h三組不同的雨強(qiáng)，進(jìn)行組合試驗(yàn)，每種條件重復(fù)一次，試驗(yàn)共18場(chǎng)。

1.3 試驗(yàn)過程

每次模擬降雨試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)降雨，使土壤含水率大致保持一致。從開始降雨記時(shí)，并記錄產(chǎn)流時(shí)間，降雨開始后每隔5min測(cè)量試驗(yàn)床的徑流出水量和下滲出水量，降雨歷時(shí)為60min，測(cè)量徑流歷時(shí)70min，測(cè)量下滲歷時(shí)130min，通過稱重法測(cè)量，根據(jù)水的密度進(jìn)行重量和體積的轉(zhuǎn)換。降雨結(jié)束后，記錄試驗(yàn)單元格四個(gè)方位角的量筒數(shù)據(jù)，并進(jìn)行雨量的校核。

2 結(jié)果分析

2.1 產(chǎn)流起始過程分析

起始產(chǎn)流時(shí)間如表1所示。

不同的地表構(gòu)型對(duì)于坡面產(chǎn)流時(shí)間具有一定的影響，初始產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度的增大呈冪函數(shù)遞減的形勢(shì)，在0.58mm/min的降雨強(qiáng)度條件下，為進(jìn)行斜坡綠地的臺(tái)階改造時(shí)，起始產(chǎn)流時(shí)間為6.5min、5.2min，進(jìn)行階梯式改造后，起始產(chǎn)流時(shí)間為24.5min、18.5min，延后了18.0min、13.3min，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度一定時(shí)，將斜坡改造呈階梯使雨滴落在地表的垂直分力增大，坡面入滲率增大，導(dǎo)致地表產(chǎn)流出現(xiàn)延遲，隨著降雨強(qiáng)度的增加，產(chǎn)流時(shí)間提前，1.25mm/min的降雨條件下梯坡比為0的起始產(chǎn)流時(shí)間為2.7min、1.3min，較0.58mm/min的相同地形提前了3.8min、3.9min，進(jìn)行階梯式改造后，起始產(chǎn)流時(shí)間為8.7min、8.9min，較未進(jìn)行階梯改造的起始產(chǎn)流時(shí)間延后了6min、7.6min，由此可見，產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度和地形改造有關(guān)，隨著降雨強(qiáng)度增大，產(chǎn)流開始時(shí)刻提前，雨強(qiáng)一致的情況下，坡面的起始產(chǎn)流時(shí)間隨著梯坡比（S/S）的增加而延后，且存在明顯的滯后，但降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流起始時(shí)間的影響更為顯著。

2.2 不同雨強(qiáng)下階梯式改造對(duì)徑流過程的影響

試驗(yàn)條件下各梯坡比的地形改造在不同降雨條件下產(chǎn)流的過程基本上一致，在相同的梯坡比S/S的條件下，不同的降雨強(qiáng)度發(fā)生徑流的過程有顯著的不同，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為0.58mm/min的小雨強(qiáng)時(shí)，徑流過程較為緩慢，產(chǎn)生徑流的時(shí)間相對(duì)滯后，穩(wěn)定徑流強(qiáng)度較小，穩(wěn)定徑流強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間也短，產(chǎn)流的總量小;雨強(qiáng)越大時(shí)，徑流過程較為迅速，產(chǎn)流時(shí)間越提前，穩(wěn)定徑流強(qiáng)度越大，穩(wěn)定徑流強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，累積徑流總量也越大。累積徑流總量和降雨強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系。隨著梯坡比的增加會(huì)使降雨在垂直坡面的分力增大，水平坡面方向的分力減少，從而增加土壤的下滲，削減徑流總量。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到一定數(shù)值時(shí)，穩(wěn)定入滲率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，即土壤的入滲量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)降雨強(qiáng)度不再影響土壤的穩(wěn)定入滲率，未入滲的雨水會(huì)形成徑流，降雨強(qiáng)度成為影響徑流的唯一因素。1.25mm/min的降雨強(qiáng)度時(shí)，徑流削減的作用并不明顯，這是由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯砍叨容^小，階梯式改造對(duì)地表徑流的效果不如大尺度的坡面。

3 結(jié)論

綠地的起始產(chǎn)流時(shí)間隨著降雨強(qiáng)度增加呈冪函數(shù)減少的關(guān)系，徑流總量和降雨強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行階梯式改造能延長(zhǎng)綠地的起始產(chǎn)流時(shí)間，同時(shí)能夠增加土壤的入滲率，在中小雨強(qiáng)的條件下效果更為明顯，能達(dá)到一定的徑流總量控制的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗園，查軒，黃少燕，陳世發(fā)，戴金梅，劉川.不同雨強(qiáng)條件下坡度對(duì)紅壤坡面侵蝕的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2017，31（05）：40-44.

[2]孔磊，康威，譚松明，吳鴻，胡學(xué)斌，柴宏祥.綠色建筑小區(qū)階梯式綠地設(shè)計(jì)與應(yīng)用探究[J].中國(guó)給水排水，2016，32（01）：90-93.

[3]王學(xué)強(qiáng)，蔡強(qiáng)國(guó)，和繼軍.紅壤丘陵區(qū)水保措施在不同坡度坡耕地上優(yōu)化配置的探討[J].資源科學(xué)，2007（06）：68-74.