降雨強(qiáng)度和植被覆蓋對(duì)巖土邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響研究

汪海濤,林 洋

(1.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 ,江蘇 淮安 223001;2.淮安市清江浦區(qū)順河洞灌區(qū)管理所,江蘇 淮安 223001)

0 引言

土壤侵蝕是影響生態(tài)環(huán)境的重要生態(tài)問(wèn)題,將會(huì)使土地和植被遭受破壞,導(dǎo)致生態(tài)失調(diào),加劇了干旱的發(fā)展。為防止土壤侵蝕,芮茂剛等[1]對(duì)礫石作用下松散紅壤堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:降雨強(qiáng)度和礫石均會(huì)改變堆積體坡面徑流產(chǎn)沙和流速,差異顯著且呈“水大沙多”特點(diǎn);司英凡等[2]對(duì)不同水土保持措施下徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:種植經(jīng)果林、農(nóng)作物、喬木林、草地均能夠有效攔蓄徑流泥沙;草地植被蓋度高,生長(zhǎng)快,可作為短時(shí)間內(nèi)防治水土流失的有效手段;茍俊菲等[3]對(duì)紫色土坡面細(xì)溝形態(tài)變化及其對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:流量與產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率和細(xì)溝侵蝕速率呈正相關(guān)關(guān)系,坡長(zhǎng)與產(chǎn)沙率呈正相關(guān)關(guān)系,而與產(chǎn)流率和細(xì)溝侵蝕速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;范德政等[4]對(duì)寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其影響因素量化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:20°坡度減流效益最好,陡坡則具有更好的減沙效益;不同水土保持措施中,人工灌木林地的減流效益和減沙效益較高。以上學(xué)者對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進(jìn)行了研究,分析了坡面形態(tài)變化對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

基于此,本文參考以上學(xué)者的研究成果,通過(guò)模擬降雨試驗(yàn),依托坡耕地水土保持工程,分析了降雨強(qiáng)度和植被覆蓋率對(duì)巖土邊坡的徑流量和產(chǎn)沙量影響。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次降雨模擬試驗(yàn)依托坡耕地水土保持工程,根據(jù)坡耕地坡度和降雨強(qiáng)度,設(shè)置了65 mm/h、100 mm/h、125 mm/h三種降雨強(qiáng)度,邊坡的坡度為30°,試驗(yàn)選擇了兩種本地常見(jiàn)的植物作為研究對(duì)象,分別為狗牙根(草本)和多花木藍(lán)(灌木),兩種植物根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)貧瘠土壤生長(zhǎng)。試驗(yàn)前,使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)試驗(yàn)基地內(nèi)地塊的地表垂直拍照,根據(jù)照片測(cè)量植被覆蓋,通過(guò)拔草的方式控制犬齒龍的覆蓋率,育苗和移栽的方法控制多花木藍(lán)的覆蓋率。

試驗(yàn)土壤取自丘陵區(qū)坡耕地表層紅壤,試驗(yàn)紅土的粒徑由9.8%的沙子、72.8%的淤泥和17.4%的粘土組成,并將直徑大于2 mm的所粗碎片統(tǒng)稱(chēng)粗顆粒。將粗顆粒的質(zhì)量百分比表征試驗(yàn)地塊中粗顆粒的數(shù)量,試驗(yàn)設(shè)計(jì)粗顆粒的含量為土壤質(zhì)量的10%,基于當(dāng)?shù)氐[石分布情況將粗顆粒分布在試驗(yàn)土壤中。紅土自然干燥,粗顆粒充分混合,最大限度地減少與野外土壤之間的差異,將48 cm厚的土壤以每層12 cm的增量填充在每個(gè)土壤倉(cāng)中,保持土壤倉(cāng)中土壤體積密度為1.25 g/cm3,每層紅土和粗顆粒的重量由土壤倉(cāng)體積、土壤容重和粗顆粒含量決定。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備由土壤箱和降雨模擬器組成,試驗(yàn)土壤倉(cāng)尺寸長(zhǎng)×寬×高分別為2.5 m×0.7 m×0.5 m,徑流收集設(shè)備中兩個(gè)取水口位于距離斜坡底部不同的高度,用于收集地表徑流和地下徑流,試驗(yàn)總共制作了8個(gè)試驗(yàn)徑流小區(qū),其中1個(gè)徑流小區(qū)為荒地,土壤表面沒(méi)有植被覆蓋,3個(gè)徑流小區(qū)覆蓋狗牙根,2個(gè)徑流小區(qū)覆蓋多花木藍(lán),剩下2個(gè)徑流小區(qū)覆蓋狗牙根和多花木藍(lán)兩種植物,各土壤倉(cāng)植物的覆蓋模式及覆蓋率如表1所示。

表1 土壤倉(cāng)植物覆蓋模式及覆蓋率

降雨模擬器由9組噴嘴組成,噴嘴的高度為4 m,通過(guò)壓力和噴嘴間距調(diào)整試驗(yàn)期間的降雨強(qiáng)度,降雨強(qiáng)度的均勻性大于0.85,進(jìn)行降雨試驗(yàn)前,對(duì)降雨設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試,為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,選擇無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行了降雨模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)前,先施加25 mm/h的降雨強(qiáng)度,直到降雨徑流開(kāi)始,然后使用塑料片覆蓋地塊24 h,使水完全滲透到土壤中,將試驗(yàn)土壤的水分保持在接近自然土壤條件的水平,并確保每次降雨時(shí)土壤水分保持不變。

降雨試驗(yàn)過(guò)程中,每次降雨試驗(yàn)持續(xù)40 min,間隔4 min在塑料容器中收集徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后,將降雨和沉積物樣品在塑料容器中沉淀24 h,直到沉積物完全沉積在塑料容器底部,從樣品中倒出上清液,收集沉積物,將沉積物在105℃的烘箱中干燥至恒重7～9 h,對(duì)干沉積物進(jìn)行稱(chēng)重,試驗(yàn)中的徑流量和侵蝕率通過(guò)將單位面積的徑流量和輸沙量分別除以降雨時(shí)間確定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同雨強(qiáng)下徑流量變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),不同降雨強(qiáng)度條件下,各徑流小區(qū)的徑流量如圖1所示。

圖1 不同降雨強(qiáng)度下小區(qū)徑流量變化

由圖1(a)可知,降雨強(qiáng)度為65 mm/h時(shí),相較其它小區(qū)徑流量,荒地(A小區(qū))的徑流量最大。小區(qū)表面為單一的狗牙根(草本)植被和多花木藍(lán)(灌木)時(shí),隨著植被覆蓋率的增大,草本小區(qū)(B1～B3)和灌木小區(qū)(B4～B5)的徑流量均逐漸減小,且單一的灌木小區(qū)(B4和B5)的徑流量大于草本小區(qū)(B1～B3)。小區(qū)的植被為狗牙根和多花木藍(lán)的混合植被時(shí),小區(qū)混合植被的覆蓋率越高,小區(qū)的徑流量越低。

由圖1(b)可知,降雨強(qiáng)度為100 mm/h時(shí),降雨的初期階段,由于土壤的入滲和植被的阻擋,植被覆蓋的小區(qū)徑流量無(wú)明顯規(guī)律,降雨時(shí)間持續(xù)20 min后,各小區(qū)的徑流趨于穩(wěn)定,小區(qū)的徑流量呈小幅度變化趨勢(shì)。降雨時(shí)間持續(xù)20 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的徑流量分別為10.3 L、6.2 L、4.8 L、3.6 L、6.6 L、6.4 L、5.7 L、3.8 L;降雨時(shí)間持續(xù)32 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的徑流量分別為12.1 L、6.9 L、6.3 L、4.5 L、8.4 L、7.5 L、5.8 L、4.1 L;當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)40 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的徑流量分別為12.1 L、7.3 L、6.4 L、4.8 L、8.5 L、8.1 L、6.0 L、4.2 L?；牡?A小區(qū))的徑流量最大,覆蓋率為65%的灌木小區(qū)(B4小區(qū))的徑流量次之,覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))徑流量最小。

由圖1(c)可知,降雨強(qiáng)度為125 mm/h時(shí),各小區(qū)徑流量隨著降雨時(shí)間的持續(xù)逐漸增大,降雨持續(xù)16 min時(shí),小區(qū)徑流量逐漸趨于穩(wěn)定,增大趨勢(shì)減小。降雨時(shí)間持續(xù)16 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的徑流量分別為15.6 L、12.3 L、10.2 L、8.5 L、11.2 L、8.6 L、9.8 L、8.2 L;當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)28 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的徑流量分別為16.3 L、13.3 L、12.4 L、9.4 L、13.8 L、12.1 L、12.4 L、8.0 L;降雨時(shí)間持續(xù)40 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的徑流量分別為16.5 L、14.5 L、12.6 L、10.2 L、15.6 L、14.7 L、12.9 L、7.9 L?；牡?A小區(qū))的徑流量最大,覆蓋率為65%的灌木小區(qū)(B4小區(qū))的徑流量次之,覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))徑流量最小。

由圖1可知,相同的降雨強(qiáng)度下,整個(gè)模擬降雨過(guò)程中,荒地(A小區(qū))的徑流量始終大于植被覆蓋的小區(qū)。在相同的降雨強(qiáng)度和不同類(lèi)型植被覆蓋下,徑流量隨著植被覆蓋率的增加而減少,且灌木小區(qū)的徑流量大于草本小區(qū),覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))徑流量最小。徑流量隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加而變化,降雨前期表現(xiàn)為徑流量的不穩(wěn)定增加,隨著降雨時(shí)間的持續(xù),徑流量逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),徑流量變化幅度小,直至每次模擬降雨結(jié)束。因此,采取草本和灌木混合種植,植被覆蓋率大于85%的水土保持措施,可防止巖土邊坡遭受降雨侵蝕。

2.2 不同雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),不同降雨強(qiáng)度條件下,各徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量如圖2所示。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下小區(qū)產(chǎn)沙量變化

由圖2(a)可知,降雨強(qiáng)度為65 mm/h時(shí),相較其它小區(qū)徑流量,荒地(A小區(qū))的產(chǎn)沙量最大。降雨時(shí)間小于20 min時(shí),荒地(A小區(qū))和植被覆蓋率為65%的灌木小區(qū)(B4小區(qū))產(chǎn)沙量快速增大,且B4小區(qū)的產(chǎn)沙量大于A小區(qū),降雨時(shí)間大于20 min時(shí),B4小區(qū)產(chǎn)沙量增大趨勢(shì)減小,A小區(qū)的產(chǎn)沙量大于B4小區(qū),隨著降雨的持續(xù)逐漸增大。小區(qū)表面為單一的狗牙根(草本)植被和多花木藍(lán)(灌木)時(shí),隨著植被覆蓋率的增大,草本小區(qū)(B1～B3)和灌木小區(qū)(B4～B5)的產(chǎn)沙量均逐漸減小,其中,植被覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))產(chǎn)沙量最小。

由圖2(b)可知,降雨強(qiáng)度為100 mm/h時(shí),降雨的初期階段,由于土壤的入滲和植被的阻擋,植被覆蓋的小區(qū)產(chǎn)沙量無(wú)明顯規(guī)律,降雨時(shí)間持續(xù)20 min后,各小區(qū)的產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定,小區(qū)的產(chǎn)沙量呈小幅度變化趨勢(shì)。降雨時(shí)間持續(xù)20 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為10.5 g、1.6 g、0.8 g、0.9 g、11.0 g、6.8 g、7.4 g、1.3 g;降雨時(shí)間持續(xù)32 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為13.1 g、2.1 g、1.1 g、1.4 g、13.0 g、6.7 g、9.7 g、1.6 g;降雨時(shí)間持續(xù)40 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為13.5 g、2.4 g、1.3 g、1.4 g、12.8 g、6.2 g、10.1 g、1.6 g?；牡?A小區(qū))的產(chǎn)沙量最大,覆蓋率為65%的灌木小區(qū)(B4小區(qū))的產(chǎn)沙量次之,植被覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))產(chǎn)沙量最小。

由圖2(c)可知,降雨強(qiáng)度為125 mm/h時(shí),各小區(qū)產(chǎn)沙量隨著降雨時(shí)間的持續(xù)逐漸增大,然后再逐漸趨于穩(wěn)定,增大趨勢(shì)減小。當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)16 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為66.1 g、46.1 g、34.2 g、14.3 g、40.6 g、20.8 g、38.6 g、16.2 g;降雨時(shí)間持續(xù)28 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為69.9 g、62.8 g、38.1 g、30.1 g、53.3 g、34.7 g、44.5 g、20.2 g;降雨時(shí)間持續(xù)40 min時(shí),A小區(qū)和B1～B7小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為81.4 g、72.8 g、39.1 g、32.1 g、63.0 g、37.2 g、45.3 g、20.3 g。荒地(A小區(qū))的產(chǎn)沙量最大,植被覆蓋率為65%的草木小區(qū)(B1小區(qū))的產(chǎn)沙量次之,覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))徑流量最小。

由圖2可知,整個(gè)模擬降雨過(guò)程中,產(chǎn)沙量的增長(zhǎng)趨勢(shì)較徑流量變化大。隨著降雨時(shí)間的持續(xù),各小區(qū)的產(chǎn)沙量均逐漸增大,降雨前期變化無(wú)明顯規(guī)律,降雨時(shí)間的持續(xù)逐漸增大再趨于平穩(wěn)。相同的降雨強(qiáng)度下,荒地(A小區(qū))的產(chǎn)沙量明顯高于其他小區(qū)的產(chǎn)沙量,同一類(lèi)型植被覆蓋下,植被覆蓋率越大的徑流小區(qū),產(chǎn)沙量越小。不同強(qiáng)度降雨條件下,植被覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))產(chǎn)沙量最小,防止巖土邊坡侵蝕措施中,可采用草本和灌木混合種植措施。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)模擬降雨試驗(yàn),研究了降雨強(qiáng)度和植被覆蓋對(duì)巖土邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,得到以下結(jié)論:

(1)隨著降雨強(qiáng)度的增大,各徑流小區(qū)的徑流量均逐漸增大,在相同雨強(qiáng)條件下,荒地(A小區(qū))的徑流量始終大于植被覆蓋的小區(qū),相同類(lèi)型植被覆蓋條件下,植被覆蓋率大的小區(qū),徑流量越小,且灌木小區(qū)的徑流量大于草本小區(qū)。

(2)不同雨強(qiáng)條件下,荒地(A小區(qū))的徑流量最大,覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))徑流量最小,在防止邊坡侵蝕措施中,可采取草本和灌木混合種植、種植的植被覆蓋率大于85%的種植方式,防止邊坡遭受降雨侵蝕。

(3)相同的降雨強(qiáng)度下,荒地(A小區(qū))的產(chǎn)沙量明顯高于其他小區(qū)的產(chǎn)沙量,同一類(lèi)型植被覆蓋下,植被覆蓋率越大的徑流小區(qū),產(chǎn)沙量越小。不同雨強(qiáng)條件下,荒地(A小區(qū))的產(chǎn)沙量最大,覆蓋率為85%混合植被小區(qū)(B7小區(qū))產(chǎn)沙量最小。因此,在水土保持工程中,建議采用草本和灌木混合種植的模式,并提高坡面植被覆蓋率,可降低巖土坡面的徑流量和產(chǎn)沙量,防止巖土邊坡遭受降雨侵蝕。