两种驱动力作用下植被调控堆积体坡面减水减沙效益

分类：论文范文 发表时间：2021-11-19 11:33

　　摘要：定量分析侵蚀驱动力的变化对于植被调控堆积体坡面水文和产沙过程的影响，对于深刻理解植被防护堆积体侵蚀及其水土保持效益具有重要作用。该研究以陡坡工程堆积体（30°）作为研究对象，采用野外模拟降雨和降雨+上方汇水试验研究苜蓿对工程堆积体侵蚀过程的影响及其减水减沙效益。结果表明：1）两种驱动力下苜蓿对工程堆积体坡面减沙和减流效益分别为57.28%～98.51%和13.17%～83.11%，加入上方汇水后减沙和减流效益分别减少17.01%和68.74%；2）降雨条件下苜蓿对堆积体坡面减流减沙效益随降雨强度增大降低，而加入上方汇水后减沙效益随降雨强度增大而增大，但减流效益减小。显著性差异分析表明降雨强度对裸坡和苜蓿堆积体的径流和产沙均有显著影响（P<0.01），且上方汇水的作用大于降雨；3）两种驱动力下裸坡堆积体侵蚀速率总体随产流历时减少，而苜蓿堆积体在降雨条件下侵蚀速率总体增大。加入上方汇水后裸坡及苜蓿堆积体坡面侵蚀和径流随产流历时的波动性显著增强；4）裸坡堆积体在降雨和降雨+上方汇水条件下产流前期的平均侵蚀速率是后期的1.06～2.90倍，苜蓿堆积体在降雨条件下产流前期平均侵蚀速率小于后期。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失防治和植被措施布设提供科学指导，具有显著的科学意义和工程实践指导价值。

　　关键词：土壤；泥沙；径流；降雨；堆积体；苜蓿；上方汇水

　　0引言

　　随着经济的快速发展，在人为生产活动加之极端气候影响下，土壤侵蚀已成为世界上主要的环境问题之一，直接威胁有限土地资源的可持续利用[1-4]。据统计，“十五”至“十三五”期间每5a的弃土弃渣总量均接近百亿吨，由于未能有效实现弃土弃渣的资源化利用，现有弃土弃渣存量已成为新增人为水土流失主要策源地[5]。生产建设项目工程堆积体是弃土弃渣堆弃形成且发生土壤侵蚀的主要人为扰动地貌单元，是由项目施工过程中开挖和回填后产生的多余土壤及砾石等混合堆积形成的高陡边坡[6]，其主要特征是物质成分不均，分散性大，结构疏松，平均摩擦角、内聚力及有机质含量低等[7]，不仅破坏了原有土体结构[8]，更严重的会造成坍塌、滑坡甚至泥石流等地质灾害[9-11]。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　试验在科学院水利部水土保持研究所陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站进行（35°14′23.97″N，107°41′20.27″E）。研究区域属于温带大陆性季风气候，年平均气温为9.1℃，降雨量为560mm，大部分降雨介于5－9月并且以短历时高强度降雨为主，研究区的土壤属于黄土土质[23]。

　　1.2试验设计

　　将2010－2012年对全国368座工程堆积体的野外实地调查结果和2019年对黄土高原区域典型堆积体植被防护野外调查结果作为本试验工程堆积体相关参数设计依据[5,8]。模拟工程堆积体小区长×宽×高为3.46m×2m×0.6m，小区的投影坡长为3m，坡度设计为30°。利用薄钢板将小区分为2个1m宽的试验区域，互为重复。工程堆积体是将土石按照砾石质量分数10%通过人工堆填形成，如图1所示。使用的土壤来源于修建G312国道长武县域堆弃土，根据国际土壤质地分类标准，归为粉壤土，其砂粒、粉粒、黏粒的占比分别为9.90%、66.69%和23.41%，有机质质量分数为12.07%。试验土壤首先风干后过10mm网筛，剔除石粒、根系等杂质。使用的砾石为工程常用的破口石，依据前期调查结果，选用的砾石粒径为15～25mm。将砾石与经过风干过筛的土壤按照质量比为1:9的比例进行均匀混合。随后将混合后的土石混合物填进小区，在底层装填5cm的细沙，保证底部排水通畅。因此，堆积体实际土石混合物的装填深度为55cm，由下至上分为4层进行装填，底部3层各15cm厚按照容重1.35g/cm3进行填筑，表层10cm容重1.30g/cm3，其中底部3层装填过程中需要压实，装填完一层后表层打毛，防止2层之间粘贴松散，发生整体滑动，表层10cm装填后用木板拍实并打毛，模拟现实中堆积体表层松散的状态。小区的边界及中间分割的钢板埋入地下20cm，表面出露15cm用于消除边界效应。在小区出口处采用砖块及水泥砌筑三角堰，作为接样口。

　　2结果与分析

　　2.1植被减水减沙效益

　　不同试验条件下裸坡和苜蓿堆积体坡面平均侵蚀速率、径流率及苜蓿的减流减沙效益如表1所示。显著性差异分析结果表明，降雨和降雨+上方汇水2种驱动力条件下，3种降雨强度下裸坡的平均侵蚀速率（径流率）均存在显著差异（P＜0.05），苜蓿的平均径流率在2种驱动力下也存在显著差异（P＜0.05），苜蓿平均侵蚀速率在降雨+上方汇水时呈显著差异（P＜0.05），而在降雨时R0.8和R1.2之间无显著差异（P＞0.05），R0.8和R1.8、R1.2和R1.8之间也呈显著差异（P＜0.05）。总体而言，无论有无上方汇水，降雨强度对于裸坡及苜蓿堆积体的水文过程和产沙过程均有显著影响。

　　2.2堆积体坡面水文产沙过程特征

　　2.2.1侵蚀速率随产流历时变化

　　不同驱动力下裸坡和苜蓿堆积体坡面侵蚀速率变化如图3所示。总体上，在不同驱动力作用下，裸坡堆积体侵蚀速率在产流10min以后随产流历时呈递减趋势，在0～10min呈波动变化，在降雨+上方汇水条件下侵蚀速率在侵蚀过程中的波动变化趋势较降雨条件下显著。当坡面种植苜蓿后，不同驱动力作用下，侵蚀速率变化趋势不同：在降雨条件下，侵蚀速率随产流历时逐渐增大，而在降雨+上方汇水条件下，侵蚀速率变化还与降雨强度有关，R0.8S侵蚀速率呈先递减—相对稳定—再增加—最后递减变化，而R1.2S和R1.8S的侵蚀速率呈波动递增—相对稳定变化。

　　2.2.2径流率随产流历时变化

　　相对于侵蚀速率，裸坡和苜蓿堆积体的径流率随产流历时的变化幅度较小且相近。不同驱动力下裸坡和苜蓿堆积体坡面径流率变化如图4所示。

　　3讨论

　　生产建设项目弃土弃渣侵占有限的土地资源及其造成的水土流失危害已受到广泛关注[1-2]，而采用植被防护坡面侵蚀已有丰富研究[19]，但定量化分析植被对工程堆积体坡面防护效益的研究较少，尤其是堆积体平台汇水是否改变了植被对堆积体边坡侵蚀的防护尚不清晰。本项研究对比分析有无上方汇水条件下苜蓿对陡坡堆积体坡面水文和侵蚀过程的影响。结果表明，加入上方汇水后裸坡堆积体侵蚀速率随产流历时的变化由波动增加后递减转变为整体波动递减趋势，而苜蓿堆积体在大降雨强度条件下侵蚀速率由持续增加趋势变为相对稳定（图3）；上方汇水使裸坡堆积体径流率随产流历时波动幅度增大，而苜蓿堆积体径流率也在初期呈现快速递增的变化趋势（图4）。总体而言，堆积体平台汇水会改变边坡侵蚀和水文特征，使得植被调控堆积体促渗减蚀效益降低，还改变了降雨过程的侵蚀形式。上方汇水造成边坡侵蚀和水文过程发生改变的原因主要是坡面接受上方汇水后，侵蚀形式演变速度明显加快，侵蚀产沙量也迅速增加，上方汇水对坡面侵蚀的作用甚至超过降雨[26]。张乐涛等[24]通过冲刷试验也表明汇流作为坡面径流侵蚀驱动力和水流能量的传递纽带以及泥沙输移载体，影响并参与坡面侵蚀的各个环节，加速了坡面侵蚀发生发展，其本质是汇流改变了坡面下部的水文输入条件，径流侵蚀力进行了重新分配。牛耀彬等[11]通过野外模拟试验分析降雨和降雨+上方汇水条件下堆积体侵蚀特征研究，表明加入上方汇水后堆积体坡面均出现侵蚀沟，甚至发生滑塌，且侵蚀形态由单独降雨条件下的溅蚀→面蚀→沟蚀发展为面蚀→沟蚀→重力侵蚀。由于本研究的投影坡长仅为3m，外加苜蓿防护，并未出现明显侵蚀沟，但侵蚀形态也发生了改变。因此，加入上方汇水后会显著增加堆积体坡面侵蚀，本研究结果表明相同降雨条件下，加入一个固定的上方汇水，裸坡和苜蓿堆积体在降雨+上方汇水条件下的平均侵蚀速率和径流率分别是降雨条件下的4.92～192.81倍和4.96～44.04倍，加入上方汇水后苜蓿堆积体平均侵蚀速率和径流率的增大幅度大于裸坡（表1）。在工程实际中，对于含有汇水平台的堆积体坡面，尤其要注重其水土流失防护，避免发生严重的侵蚀。

　　本研究结果表明，2种驱动力下苜蓿减沙效益为57.28%～98.51%，与现有研究结果植被减沙效益有差异，已有研究表明植被对坡面侵蚀的减沙效益可达到19.50%～43.60%[29]、45.00%～85.00%[30]、62.93%[31]、80.20%[32]、93.60%～99.20%[33]，造成以上差异的原因可能是植被特性（类型、覆盖度、恢复时间等）或下垫面特征（地形、物质组成、人为扰动程度等）差异引起的。苜蓿不仅能够减少堆积体侵蚀速率，而且延缓了堆积体坡面严重侵蚀发生的时间，在降雨条件下裸坡前期平均侵蚀速率是后期的1.36～1.89倍，而苜蓿在前期平均侵蚀速率仅是后期的35.21%～59.30%，即裸坡的严重侵蚀发生在产流前期，而植被条件下侵蚀总体后期大于前期；但在加入上方汇水后，裸坡和苜蓿堆积体的侵蚀均表现为前期大于后期。针对工程扰动边坡进行植被防护时，对于裸坡堆积体尤其要注重其初期防护，可以采用工程措施和临时措施作为植物措施的辅助，待植被达到一定生长周期能够发挥效益后在拆除，最大限度发挥水保措施的防护效益。而植被防护堆积体也需要注重发挥植被防护效益的持续性。

　　关于植被防护工程堆积体侵蚀机制方面，还需要从植被特性方面进行深入研究，阐明植被地上茎叶和地下根系在防护堆积体侵蚀方面的贡献，并考虑加入上方汇水后是否改变了植被防护堆积体侵蚀的动力机制，在后续研究中需要拓展分析，为生产建设项目工程堆积体植被防护侵蚀过程中植被类型选取、配置模拟优化，以及为侵蚀预报模型的建立提供科学依据。

　　4结论

　　本文采用野外模拟降雨+上方汇水和降雨试验定量研究有、无上方汇水条件下植被对陡坡工程堆积体坡面减流减沙效益、水文和侵蚀过程特性影响，得出主要结论是：

　　1）苜蓿能够减少工程堆积体坡面平均侵蚀速率达57.28%～98.51%，减少平均径流率为13.17%～83.11%，加入上方汇水后苜蓿对堆积体的平均减沙效益和减流效益分别减少17.01%和68.74%。植被不仅能够减少堆积体坡面侵蚀，也使得堆积体坡面的侵蚀过程趋于平缓；

　　2）3种雨强在加入一个固定上方汇水后，裸坡和苜蓿堆积体在降雨+上方汇水条件下的平均侵蚀速率分别降雨条件下的6.59～7.15倍和4.92～192.81倍，平均径流率分别是4.96～10.81倍和6.77～44.04倍。侵蚀驱动力的变化对苜蓿堆积体的影响比裸坡更大；

　　3）降雨条件下苜蓿对堆积体坡面减流减沙效益随降雨强度增大降低，而当堆积体边坡加入上方汇水后苜蓿的减沙效益随降雨强度增大而增大，但减流效益在减小。对于容易发生高强度、短历时暴雨等极端气候的区域，尤其要做好堆积体边坡的防护措施。裸坡堆积体在布设植被措施时可以辅以工程或者临时措施，达到良好的防蚀效果，植被措施需要注重措施发挥效益的持久性。

　　[参考文献]

　　[1]史志华，刘前进，张含玉，等.近十年土壤侵蚀与水土保持研究进展与展望[J].土壤学报，2020，57(5)：1117-1127.ShiZhihua,LiuQianjin,ZhangHanyu,etal.Studyonsoilerosionandconservationinthepast10years:Progressandprospects[J].ActaPedologicaSinica,2020,57(5):1117-1127.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]ViolaF,FrancipaneA,CaraccioloD,etal.Co-evolutionofhydrologicalcomponentsunderclimatechangescenariosintheMediterraneanarea[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2016,544:515-524.

　　[3]李建明，牛俊，王文龙，等.不同土质工程堆积体径流产沙差异[J].农业工程学报，2016，32(14)：187-194.LiJianming,NiuJun,WangWenlong,etal.Differencesincharacteristicsofrunoffandsedimentyieldingfromengineeringaccumulationswithdifferentsoiltextures[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2016,32(14):187-194.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[4]LvJR,LuoH,XieYS.Effectsofrockfragmentcontent,sizeandcoveronsoilerosiondynamicsofspoilheapsthroughmultiplerainfallevents[J].Catena,2019,172:179-189.

　　李建明1,2,3,4，牛俊3,4，孙蓓3,4，杨贺菲3,4，王文龙1,5※，黄金权3,4，聂慧莹5，蒲坚1,2,3,4，孙宝洋3,4，陈卓鑫5，何玺泓5

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