魚鱗坑工程措施下不同坡度坡面土壤侵蝕過程研究

張麗萍

(大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116001)

工程措施是水土保持綜合治理措施的重要組成部分。魚鱗坑是常用的水土保持工程措施之一，在坡度較陡或者地形狹窄難以修建水平截水溝的地方使用魚鱗坑整地，可以取得較好的蓄水、保土、保肥作用。但是，目前對(duì)魚鱗坑水土保持效益的研究成果主要集中在黃土高原地區(qū)[1-3]，而不同地區(qū)坡面具有不同的產(chǎn)匯流特性，因此需要了解魚鱗坑在其他地區(qū)的適用情況。本研究以東北黑土區(qū)水土流失綜合防治第一期工程項(xiàng)目復(fù)州河流域遼寧省瓦房店市東風(fēng)項(xiàng)目區(qū)為研究區(qū)，開展魚鱗坑整地后不同坡度坡面侵蝕過程對(duì)比試驗(yàn)，希望能為東北黑土區(qū)魚鱗坑工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況及魚鱗坑設(shè)計(jì)

遼寧省瓦房店市東風(fēng)項(xiàng)目區(qū)地處低山丘陵地帶，總面積247.3 km2；年均氣溫8.3～10.3 ℃，年均水面蒸發(fā)量1 839 mm，年均降水量670 mm；坡耕地面積大，水土流失嚴(yán)重。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)相關(guān)防治措施設(shè)計(jì)原則，在坡度較陡(20°～35°)的山地大量采用魚鱗坑整地措施。具體來說，在造林前一年的雨季人工挖坑設(shè)置魚鱗坑；第二年春季人工植苗造林，苗木直立于穴中，保持根系舒展，不窩根，先置表土，后踏實(shí)；造林前三年每年松土除草2次，以后每年1次；禁牧。魚鱗坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 小區(qū)布設(shè)

項(xiàng)目區(qū)溝壑密布，坡面坡度變化較大(多集中于20°～35°)，坡度會(huì)對(duì)魚鱗坑措施的實(shí)施效果產(chǎn)生一定的影響，因此選擇項(xiàng)目區(qū)內(nèi)某荒山邊坡(海拔約550 m)進(jìn)行魚鱗坑整地后不同坡度坡面侵蝕過程對(duì)比試驗(yàn)。建立了3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，坡度分別為22°、28°、34°，均為20 m×5 m。按照上節(jié)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行魚鱗坑開挖，之后進(jìn)行野外放水沖刷試驗(yàn)。放水流量按照項(xiàng)目區(qū)暴雨發(fā)生頻率在試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生的單寬流量設(shè)計(jì)(40 L/min)，水流經(jīng)穩(wěn)流、消能，通過防滲布流出后均勻分散在坡面頂端，記錄產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流開始后對(duì)流速、徑流寬、徑流泥沙樣品等進(jìn)行記錄和取樣。前6 min內(nèi)每隔2 min取一次徑流泥沙樣，之后擴(kuò)大取樣時(shí)間間隔，4 min做一次取樣記錄，總試驗(yàn)時(shí)長為30 min。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。野外放水沖刷試驗(yàn)裝置示意見圖2。

圖1 魚鱗坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位：m)

圖2 野外放水沖刷試驗(yàn)裝置示意

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測定

試驗(yàn)前用環(huán)刀法測定小區(qū)附近土壤容重和含水量。試驗(yàn)開始后，坡面流速測量采用高錳酸鉀染色示蹤法，流速起始線與流速結(jié)束線之間的測量間距為1.5 m，將測得的流速乘以0.75作為斷面平均流速；徑流寬采用自制測量標(biāo)繩進(jìn)行量測，每個(gè)小區(qū)共設(shè)置5個(gè)觀測斷面，將測得的5個(gè)斷面徑流寬取平均值得到平均徑流寬；用徑流桶收集徑流泥沙樣品，用烘干法計(jì)算含沙量，乘以徑流量得到產(chǎn)沙量。

根據(jù)徑流桶收集得到的實(shí)測徑流量計(jì)算產(chǎn)流強(qiáng)度，計(jì)算公式為

(1)

式中：H為產(chǎn)流強(qiáng)度，mm/min；qT為某時(shí)段內(nèi)實(shí)測徑流量，L；b為某時(shí)段內(nèi)的平均流寬，m；L為坡長，m；T為取樣時(shí)段，min。

根據(jù)不同時(shí)段的產(chǎn)沙情況計(jì)算土壤剝蝕率，計(jì)算公式為

(2)

式中：Dr為土壤剝蝕率，g/(m2·s)；Ms為某時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)沙量，g；T為取樣時(shí)段，s；其余符號(hào)意義同上。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 產(chǎn)流特征分析

不同坡度坡面在魚鱗坑整地后的產(chǎn)流參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3知，相同流量條件下，產(chǎn)流時(shí)間隨坡面坡度的增大而縮短。分析其原因，在一定條件下，坡度越陡徑流的入滲損失越小，坡面越容易匯聚成徑流，魚鱗坑起到的攔蓄徑流的效益越低。分析不同坡度坡面魚鱗坑整地后的產(chǎn)流強(qiáng)度：在產(chǎn)流前期(0～6 min)，產(chǎn)流強(qiáng)度迅速增大，基本隨坡度的增大而增大，坡面侵蝕形式由面蝕向細(xì)溝侵蝕轉(zhuǎn)變；產(chǎn)流后期(6～30 min)，28°坡面的產(chǎn)流強(qiáng)度仍在快速增長，而22°和34°坡面的徑流強(qiáng)度則呈波動(dòng)狀態(tài)，這是因?yàn)?8°坡面的部分魚鱗坑在試驗(yàn)過程中被沖毀，導(dǎo)致攔蓄作用減弱，產(chǎn)流強(qiáng)度增大。不考慮28°坡面，僅對(duì)比22°和34°坡面的產(chǎn)流強(qiáng)度，可發(fā)現(xiàn)34°坡面的產(chǎn)流強(qiáng)度大于22°坡面，即在產(chǎn)流后期產(chǎn)流強(qiáng)度仍隨坡度的增大而增大，此時(shí)坡面侵蝕形式由細(xì)溝侵蝕向深溝侵蝕轉(zhuǎn)變，加劇了坡面狀況的復(fù)雜性，導(dǎo)致產(chǎn)流強(qiáng)度波動(dòng)情況更加復(fù)雜。

(b)產(chǎn)流強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系

3.2 產(chǎn)沙特征分析

不同坡度坡面在魚鱗坑整地后的徑流含沙量隨時(shí)間增加呈兩階段變化特征：在產(chǎn)沙過程前期，含沙量迅速升高，之后隨著徑流沖刷時(shí)間的增加，含沙量呈波動(dòng)狀態(tài)。由于在徑流沖刷過程中伴隨著坡面的侵蝕崩塌，原已沉積的泥沙被再次搬運(yùn)，因此試驗(yàn)過程中含沙量變化呈波動(dòng)狀態(tài)；由于28°坡面試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了部分魚鱗坑被沖毀的現(xiàn)象，原本沉積下來的泥沙隨坡面徑流一起流入徑流桶，造成含沙量顯著增大，因此其含沙量試驗(yàn)結(jié)果明顯高于其他兩坡面，但是當(dāng)被沖毀的魚鱗坑泥沙完全流入徑流桶后，其含沙量逐漸降低，并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)的含沙量介于坡度22°和34°坡面的徑流含沙量之間，即穩(wěn)定后的含沙量呈隨坡度的增大而增大的變化趨勢(shì)，這也說明坡度越陡越容易發(fā)生水土流失。

不同坡度坡面在魚鱗坑整地后的產(chǎn)沙過程可以分為三個(gè)階段：第一階段為快速上升階段(0～10 min)，隨著徑流切應(yīng)力的逐漸增大，坡面表層松散物質(zhì)被徑流侵蝕帶走，使得產(chǎn)沙量陡增；第二階段為波動(dòng)階段(10～20 min)，此時(shí)細(xì)溝逐漸產(chǎn)生并發(fā)育完成，坡面大部分物質(zhì)已被水流搬運(yùn)出去，坡面對(duì)泥沙的補(bǔ)給能力顯著降低，整個(gè)過程實(shí)質(zhì)上為“一次侵蝕，多次搬運(yùn)”，坡面在經(jīng)過反復(fù)的沉積搬運(yùn)作用后形成了產(chǎn)沙量的動(dòng)態(tài)變化特征；第三階段為穩(wěn)定階段(20～30 min)，此時(shí)細(xì)溝侵蝕發(fā)育已基本成熟，徑流對(duì)坡面的侵蝕能力逐步達(dá)到穩(wěn)定，使得坡面輸沙能力逐漸達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。正是坡度的差異，造就了陡坡復(fù)雜多變的土壤侵蝕產(chǎn)沙過程。

3.3 土壤剝蝕率分析

不同坡度坡面在魚鱗坑整地后的土壤剝蝕率變化過程見圖4。從圖4中可以看到：各坡面土壤剝蝕率整體上處于較高水平，其變化趨勢(shì)與產(chǎn)沙過程基本保持一致；根據(jù)“最小耗能”和“熱力學(xué)”原理，坡面徑流的發(fā)育總是往“最小阻力途徑”發(fā)展，在魚鱗坑對(duì)徑流的攔蓄和再分配作用下，不同坡度坡面土壤侵蝕形態(tài)呈現(xiàn)出較大差異。總體而言，魚鱗坑對(duì)一般坡度的坡面能夠產(chǎn)生較好的減流減沙作用，但是會(huì)隨著坡度的增加而逐漸減弱，因此在坡度較陡地區(qū)魚鱗坑的水土流失治理效益還有待進(jìn)一步研究。

圖4 不同坡度坡面在魚鱗坑整地后的土壤剝蝕率變化過程曲線

4 結(jié) 語

開展魚鱗坑工程措施下不同坡度坡面土壤侵蝕過程野外放水沖刷試驗(yàn)，分析了坡面的產(chǎn)流、產(chǎn)沙和土壤剝蝕等特征，得出如下結(jié)論：隨著坡度的逐漸增大，產(chǎn)流時(shí)間逐漸縮短，產(chǎn)流強(qiáng)度隨時(shí)間增加呈較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化特征；受魚鱗坑沖毀情況差異的影響，在陡坡出現(xiàn)復(fù)雜多變的土壤侵蝕產(chǎn)沙過程，但徑流含沙量和產(chǎn)沙量總體上遵循隨坡度增大而增大的規(guī)律；通常情況下，魚鱗坑對(duì)東北黑土區(qū)一般坡度的坡面能夠產(chǎn)生較好的減流減沙作用，但是會(huì)隨著坡度的增加而逐漸減弱，因此對(duì)魚鱗坑在東北黑土區(qū)坡度較陡地區(qū)的水土流失治理效益還需做進(jìn)一步的探討。