降雨強度和植被覆蓋對巖土邊坡產流產沙的影響研究

汪海濤,林 洋

(1.江蘇淮源工程建設監理有限公司 ,江蘇 淮安 223001;2.淮安市清江浦區順河洞灌區管理所,江蘇 淮安 223001)

0 引言

土壤侵蝕是影響生態環境的重要生態問題,將會使土地和植被遭受破壞,導致生態失調,加劇了干旱的發展。為防止土壤侵蝕,芮茂剛等[1]對礫石作用下松散紅壤堆積體坡面產流產沙特征進行了研究,結果表明:降雨強度和礫石均會改變堆積體坡面徑流產沙和流速,差異顯著且呈“水大沙多”特點;司英凡等[2]對不同水土保持措施下徑流小區產流產沙與降雨關系進行了研究,結果表明:種植經果林、農作物、喬木林、草地均能夠有效攔蓄徑流泥沙;草地植被蓋度高,生長快,可作為短時間內防治水土流失的有效手段;茍俊菲等[3]對紫色土坡面細溝形態變化及其對產流產沙的影響進行了研究,研究結果表明:流量與產流率、產沙率和細溝侵蝕速率呈正相關關系,坡長與產沙率呈正相關關系,而與產流率和細溝侵蝕速率呈負相關關系;范德政等[4]對寧夏黃土丘陵溝壑區產流產沙特征及其影響因素量化進行了研究,結果表明: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。以上學者對坡面產流產沙特征進行了研究,分析了坡面形態變化對產流產沙的影響。

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

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本次降雨模擬試驗依托坡耕地水土保持工程,根據坡耕地坡度和降雨強度,設置了65 mm/h、100 mm/h、125 mm/h三種降雨強度,邊坡的坡度為30°,試驗選擇了兩種本地常見的植物作為研究對象,分別為狗牙根(草本)和多花木藍(灌木),兩種植物根系發達、適應貧瘠土壤生長。試驗前,使用數碼相機對試驗基地內地塊的地表垂直拍照,根據照片測量植被覆蓋,通過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的覆蓋率。

試驗土壤取自丘陵區坡耕地表層紅壤,試驗紅土的粒徑由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的所粗碎片統稱粗顆粒。將粗顆粒的質量百分比表征試驗地塊中粗顆粒的數量,試驗設計粗顆粒的含量為土壤質量的10%,基于當地礫石分布情況將粗顆粒分布在試驗土壤中。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的增量填充在每個土壤倉中,保持土壤倉中土壤體積密度為1.25 g/cm3,每層紅土和粗顆粒的重量由土壤倉體積、土壤容重和粗顆粒含量決定。

1.2 試驗方法

試驗設備由土壤箱和降雨模擬器組成,試驗土壤倉尺寸長×寬×高分別為2.5 m×0.7 m×0.5 m,徑流收集設備中兩個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,試驗總共制作了8個試驗徑流小區,其中1個徑流小區為荒地,土壤表面沒有植被覆蓋,3個徑流小區覆蓋狗牙根,2個徑流小區覆蓋多花木藍,剩下2個徑流小區覆蓋狗牙根和多花木藍兩種植物,各土壤倉植物的覆蓋模式及覆蓋率如表1所示。

表1 土壤倉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,通過壓力和噴嘴間距調整試驗期間的降雨強度,降雨強度的均勻性大于0.85,進行降雨試驗前,對降雨設備進行了校準測試,為了保證實驗的準確性,選擇無風條件下進行了降雨模擬實驗。試驗前,先施加25 mm/h的降雨強度,直到降雨徑流開始,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,并確保每次降雨時土壤水分保持不變。

降雨試驗過程中,每次降雨試驗持續40 min,間隔4 min在塑料容器中收集徑流量和輸沙量數據。試驗結束后,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,對干沉積物進行稱重,試驗中的徑流量和侵蝕率通過將單位面積的徑流量和輸沙量分別除以降雨時間確定。

2 試驗結果與分析

2.1 不同雨強下徑流量變化

根據試驗數據,不同降雨強度條件下,各徑流小區的徑流量如圖1所示。

圖1 不同降雨強度下小區徑流量變化

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

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

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

由圖1可知,相同的降雨強度下,整個模擬降雨過程中,荒地(A小區)的徑流量始終大于植被覆蓋的小區。在相同的降雨強度和不同類型植被覆蓋下,徑流量隨著植被覆蓋率的增加而減少,且灌木小區的徑流量大于草本小區,覆蓋率為85%混合植被小區(B7小區)徑流量最小。徑流量隨降雨持續時間的增加而變化,降雨前期表現為徑流量的不穩定增加,隨著降雨時間的持續,徑流量逐漸趨于穩定狀態,徑流量變化幅度小,直至每次模擬降雨結束。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 不同雨強下產沙量變化

根據試驗數據,不同降雨強度條件下,各徑流小區的產沙量如圖2所示。

圖2 不同降雨強度下小區產沙量變化

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

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

由圖2(c)可知,降雨強度為125 mm/h時,各小區產沙量隨著降雨時間的持續逐漸增大,然后再逐漸趨于穩定,增大趨勢減小。當降雨時間持續16 min時,A小區和B1～B7小區的產沙量分別為66.1 g、46.1 g、34.2 g、14.3 g、40.6 g、20.8 g、38.6 g、16.2 g;降雨時間持續28 min時,A小區和B1～B7小區的產沙量分別為69.9 g、62.8 g、38.1 g、30.1 g、53.3 g、34.7 g、44.5 g、20.2 g;降雨時間持續40 min時,A小區和B1～B7小區的產沙量分別為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)的產沙量最大,植被覆蓋率為65%的草木小區(B1小區)的產沙量次之,覆蓋率為85%混合植被小區(B7小區)徑流量最小。

由圖2可知,整個模擬降雨過程中,產沙量的增長趨勢較徑流量變化大。隨著降雨時間的持續,各小區的產沙量均逐漸增大,降雨前期變化無明顯規律,降雨時間的持續逐漸增大再趨于平穩。相同的降雨強度下,荒地(A小區)的產沙量明顯高于其他小區的產沙量,同一類型植被覆蓋下,植被覆蓋率越大的徑流小區,產沙量越小。不同強度降雨條件下,植被覆蓋率為85%混合植被小區(B7小區)產沙量最小,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 結語

本文通過模擬降雨試驗,研究了降雨強度和植被覆蓋對巖土邊坡產流產沙的影響,得到以下結論:

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

(2)不同雨強條件下,荒地(A小區)的徑流量最大,覆蓋率為85%混合植被小區(B7小區)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)相同的降雨強度下,荒地(A小區)的產沙量明顯高于其他小區的產沙量,同一類型植被覆蓋下,植被覆蓋率越大的徑流小區,產沙量越小。不同雨強條件下,荒地(A小區)的產沙量最大,覆蓋率為85%混合植被小區(B7小區)產沙量最小。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沙量,防止巖土邊坡遭受降雨侵蝕。