小開河引黃灌區泥沙堆積區綜合治理的蓄水效應評價

王景元，劉翠莉，李 雪，王 力，鮑建平

（1.濱州市小開河引黃灌溉管理局，山東濱州 256613；2.東營市水利局，山東東營 257091）

小開河引黃灌區（117°42′～118°04′E，37°17′～38°03′N）位于黃河下游利津水文站上游60 km 處，處于黃河三角洲腹地，屬黃河沖積平原。灌區為半干旱、半濕潤季風氣候，年均降水量584 mm，6—9月平均降水量為457 mm，占全年的78.25%；多年年均水面蒸發量為1 154 mm；多年年均氣溫為12.3 ℃，極端最低氣溫為-22.7 ℃，極端最高氣溫為40.8 ℃；多年年均無霜期為210 d，年光照時數為2 400～2 700 h。

小開河引黃灌區采取長距離輸沙技術，沉沙池建在距離渠首51.3 km 處，采取集中沉沙、以挖待沉方法。由于年年清淤30 萬m3，66.1 hm2的棄土場堆積了大量泥沙，因缺乏植被保護，土地沙化和水土流失現象特別嚴重。2011年進行了水土保持治理并開展了跟蹤監測。填筑擋土壩圍堰長8.89 km，將棄土場分割成12 個長200～300 m、寬200～250 m 的網格池，既作為清淤時的排淤圍堰，又作為綠化平臺。圍堰頂寬3 m、高2.5 m、邊坡1∶2，種植刺槐、草皮；網格池內土地平整，種植楊樹、大豆、花生。

1 監測方法

1.1 樣地設置與樣品采集

以不同工程措施及配套生物修復措施下的典型植被為研究對象，并以侵蝕區內的裸地作為對照，主要分析不同植被類型下的防風固沙、蓄水保土功能。

在侵蝕區內選取典型工程技術及配套生物修復措施下的不同樣地，具體樣地類型見表1。

表1 試驗樣地概況

選取楊樹+花生農林間作和大豆農田作為研究對象，同時選取棄土場外圍擋土壩上的刺槐純林作為研究對象，并以該區的裸地作為對照。

侵蝕區內，在各植被類型標準地內分別選取200～300 m2不等的標準樣地3 個，在各樣地內按S形均勻布設4個試驗樣點，分0～20、20～40 cm兩層進行分層采樣，土壤樣品風干后測定土壤理化性質。

1.2 土壤水文物理參數測定

以烘干法測定土壤含水量；以環刀浸水法測定土壤容重、孔隙度等，并計算蓄水量等各項水文物理指標。以單環滲透筒法測定不同時段的土壤入滲率，并制作入滲過程曲線，應用Horton入滲模型和通用（一般）入滲模型擬合灌溉后的土壤入滲過程，求解初滲率、穩滲率等入滲特征參數。

霍頓（Horton）公式為：

式中：f 為入滲率（mm/min）；f0為初滲率（mm/min）；fc為穩滲率（mm/min）；t 為入滲時間（min）；k 為經驗參數。

通用經驗公式為：

式中：a，b，n均為經驗參數；其他符號意義同上。

一定土層深度內的土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量計算公式分別為：

式中：Wc，Wnc和Wt分別為土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量（t/hm2）；Pc，Pnc和Pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度（%）；h為計算土層深度（m），本研究按0.2 m深度計算。

2 清淤棄土區不同植被類型蓄水效應

2.1 清淤棄土區不同植被類型改良土壤物理性狀

由表2 可知，在清淤棄土區，刺槐純林、楊樹＋花生農林間作和農作物大豆的土壤容重均值均低于裸地，該區土壤容重均值大小順序為：大豆種植區＜刺槐種植區＜花生＋楊樹種植區＜裸地。與裸地相比，刺槐林、楊樹＋花生農林間作、大豆容重均值分別降低22.00%、21.00%和31.00%。不同植被類型土壤總孔隙度、毛管孔隙度、孔隙比均值的變化趨勢相同，大小順序表現為：大豆種植區＞刺槐種植區＞花生＋楊樹種植區＞裸地。與裸地相比，刺槐、楊樹＋花生農林間作和農作物大豆總孔隙度均值上升了16.93%、13.77%和31.44%，刺槐種植區、楊樹＋花生種植區和大豆種植區毛管孔隙度均值上升了16.85%、13.14%和30.39%；農作物大豆種植區的孔隙比最大，其次為刺槐純林種植區，而楊樹+花生農林間作種植區較小。從垂直層次來看，各植被類型下，土壤表層的土壤容重低于20～40 cm土層，土壤表層的孔隙比較大。

表2 清淤棄土區不同植被類型的土壤容重和孔隙度

2.2 清淤棄土區不同植被類型的土壤蓄水性能

由表3可知，在清淤棄土區，土壤飽和蓄水量均值的大小順序為：大豆種植區＞刺槐種植區＞花生＋楊樹種植區＞裸地，最大值、最小值分別為113.84、53.46 mm，刺槐、花生＋楊樹和大豆種植區飽和蓄水量均值分別是裸地的1.59、1.47 和2.13 倍。毛管最大蓄水量、非毛管最大蓄水量與飽和蓄水量變化趨勢相同，刺槐純林、花生＋楊樹農林間作和農作物大豆的毛管最大蓄水量均值分別是裸地相對應均值的1.67、1.53 和2.2 倍，非毛管最大蓄水量分別是裸地的1.16、2.25和3.11倍。各植被類型下，土壤飽和蓄水量和毛管蓄水量多表現為土壤表層高于20～40 cm土層，而非毛管蓄水量則相反。

表3 清淤棄土區不同植被類型的土壤蓄水指標

在清淤棄土區，土壤含蓄降水量均值的大小順序為：大豆種植區＞刺槐種植區＞花生＋楊樹種植區＞裸地，與裸地相比，刺槐、花生＋楊樹種植區含蓄降水量均值分別上升了58.15%、42.53%。有效蓄水量均值的大小順序為：刺槐種植區＞花生＋楊樹種植區＞裸地，與裸地相比，刺槐純林、花生＋楊樹農林間作有效蓄水量均值分別上升了57.99%、41.28%。各植被類型下，土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量多表現為土壤表層高于20～40cm土層。

3 清淤棄土區不同植被類型的土壤滲透性能

由圖1和表4可知，在清淤棄土區，與對照裸地相比，刺槐純林、花生＋楊樹農林間作和農作物大豆種植區土壤的初滲速率分別提高了16.78、32.27 和10.33 倍，表明不同植被恢復措施增強了土壤對降水的初始入滲性能，并且楊樹+花生農林間作對土壤的改善效果最好。采用Horton 和通用經驗入滲模型進行擬合分析（結果見表4），2 種模型均能夠反映滲透曲線的變化特征，其滲透曲線變化趨勢一致，可分為3 個階段，即滲透初期、漸變階段、平穩階段。采用Horton 模型時，fc值在0.505～16.296 mm/min，與實測值比較接近，k 值在0.195～0.699。而通用模型b值均為負值，遠小于對應實測穩滲率，結合相關系數、實測初始入滲率、穩滲率值綜合分析，可以看出Horton 模型擬合結果比通用模型更接近實測值，這表明Horton 模型比較適用于描述清淤棄土區不同植被類型的土壤入滲特征。

表4 清淤棄土區不同植被類型土壤入滲的模型擬合

圖1 清淤棄土區不同植被類型的土壤入滲曲線

4 小結

在清淤棄土區，植被恢復措施能夠明顯改善土壤物理性質和蓄水性能，表現為土壤容重降低、孔隙度增大，其中農作物大豆改良效果最好，其次為刺槐純林，而楊樹+花生農林間作較差。但楊樹+花生種植區的土壤入滲性能得到明顯改善，而農作物大豆相對較差。