不同植被恢复年限弃渣场入渗性能研究

于亚莉，汪三树，彭旭东，史东梅

(1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400020；2.西南大学 资源环境学院 水土保持生态环境研究所，重庆 400715)



不同植被恢复年限弃渣场入渗性能研究

于亚莉1，汪三树1，彭旭东2，史东梅2

(1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400020；2.西南大学 资源环境学院 水土保持生态环境研究所，重庆 400715)

[摘要]为科学预测弃渣场水土流失量及评价其植被恢复效应，采用双环入渗法研究了不同植被恢复年限的弃渣场平台及边坡处的入渗特征，结果表明：不同植被恢复年限的弃渣土体容重、有机质含量及毛管孔隙度均随植被恢复年限的增加而增大，植被恢复从1年变化到2年，其容重差异在0.07～0.14 g/cm3之间；弃渣入渗过程大致存在入渗率迅速降低(9 min内)、缓慢降低(10～60 min)和趋于稳定(60 min后)三个阶段；平台处的稳定入渗率随植被恢复年限的增加呈先增加后减小趋势，而边坡处的稳定入渗率则随植被恢复年限的增加呈先减小后增加趋势；Horton模型对弃土弃渣入渗过程拟合的相关系数最大(平均0.923)，是反映其入渗过程的适宜模型。

随着我国经济社会的迅速发展，水利水电、矿产资源开发、公路铁路交通运输、输油输气、工业与民用建筑工程等各类生产建设项目日益增多[1-2]。生产建设项目不仅对原地貌造成扰动、破坏，而且在工程建设过程中受挖填方施工时段、材料质量、标段划分、运输距离等诸多因素的影响，不可避免地产生大量的弃土弃渣，由此造成的水土流失强度高、范围广、危害大，严重危及人类赖以生存的水土资源和自然环境[3]。为减少水土流失，弃土弃渣场的生态修复和土地复垦逐渐成为相关专家、学者的研究重点[4]。植被恢复作为生产建设项目区弃渣场防治水土流失的根本措施[5-6]，其原因在于植被可以重新分配降水和降低降雨强度，还可以通过改善弃渣的物理、化学及力学性能，增加其抗侵蚀能力，而且随着时间的延长植被发挥的作用越来越好。土壤水分入渗性能决定了产生地表径流的水量，从而对土壤侵蚀产生影响。目前，对弃土弃渣的入渗及产流过程[7-10]研究较多，而针对不同植被恢复年限的弃土弃渣入渗特征的研究较少。因此，我们以重庆市北碚区不同植被恢复年限的弃渣场为研究对象，通过分析其理化性质及结构上的变化特征，研究其水分入渗过程及入渗特征，以期为生产建设项目区弃渣场植被恢复效应的评价提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

研究区位于重庆市北碚区，地处东经106°18′14″～106°56′ 53″、北纬29°39′10″～30°11′21″，年平均气温18.3 ℃，年平均降水量105.4 mm，5—9月的降水量占全年降水量的70%。试验选取的3个弃渣场坡面土壤均为中生代侏罗纪沙溪庙组砂泥岩母质及其发育而成的紫色土，植被恢复均以灌草为主，主要植被有蕨类、狗尾草、宽叶苔草等，其中1#弃渣场形成时间为2个月，2#弃渣场为1年，3#弃渣场为2年，各弃渣场基本情况见表1。

表1　弃渣场基本概况

1.2研究方法

土壤容重、毛管孔隙度和饱和含水率均采用环刀法测定；土壤入渗采用双环入渗仪现场测定，外环直径30 cm，内环直径15 cm，环高15 cm，在每种恢复年限弃渣场平台和边坡坡面进行。初始入渗率为最初入渗时段内渗透量与入渗时间的比值，本研究选取初始2 min求算初始入渗率；平均渗透速率为达稳渗时的渗透总量与时间的比值；稳定入渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率。

本研究采用Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型来对不同植被恢复年限的弃渣入渗过程进行拟合。

(1)Horton模型。模型公式为

(1)

(2)Kostiakov模型。模型公式为

(2)

(3)Philip模型。模型公式为

(3)

2结果与分析

2.1不同植被恢复年限弃土弃渣理化性质特征

土壤物理性质是影响土壤入渗特性的重要因素。弃土弃渣结构特征对土体入渗能力的影响主要是通过土体孔隙状况影响土体水力传导度和土体水分运动的驱动力来实现的。土体容重作为反映弃土弃渣结构特征的重要指标，直接或间接地反映了土体的松紧程度和通气状况。由表2可知，不同植被恢复年限弃渣场的物理性质存在较大差异，但无论是弃渣平台还是边坡，其土体容重均呈现出随着堆积年限的增加而增大的趋势。弃渣由堆积2个月到1年，容重变化较小，其差异在0～0.01 g/cm3之间；弃渣由堆积1年到2年，容重变化较大，其差异在0.07～0.14 g/cm3之间。综合分析表明，随着堆积年限的增加，弃渣容重变大，其入渗能力会变小。

表2　弃土弃渣理化性质特征

弃土弃渣作为土壤及母质的混合物，其所含的植物根系与有机质较少。有机质作为土体团粒结构形成的胶体物质之一，对弃土弃渣的结构有重要影响。在一定情况下，有机质含量越多，则土体形成团粒结构的可能性越大，故其结构会变好，入渗性能也会得到改善。由表2可见，弃土弃渣有机质含量随植被恢复年限的增加而增大，新堆积弃渣(2个月)有机质含量仅为1.77～2.38 g/kg，堆积1年的弃渣有机质含量为5.33～5.79 g/kg，堆积2年的弃渣有机质含量为5.93～6.36 g/kg。弃土弃渣毛管孔隙度也表现出随植被恢复年限增加而增大的趋势，就弃渣平台而言，2个月、1年及2年弃渣的毛管孔隙度依次为16.49%、16.97%和18.41%，这说明年限越长则植物可吸收利用的毛管水量越大。

2.2不同植被恢复年限弃土弃渣入渗性能

在弃土弃渣平台及边坡，当降雨强度小于其表面入渗率时，降水全部进入弃渣体内部，不形成地表径流，而当雨强大于其表面入渗率时，降水会在弃渣表面形成径流，进而引发水土流失。不同植被恢复年限弃渣的入渗过程差异明显(图1)。由图1可见：不同植被恢复年限弃渣场的土体入渗率在初期的9 min内随时间的延长而迅速降低，在10～60 min时段土体入渗率下降变缓，60 min后入渗率趋于稳定。就弃渣平台而言，2个月、1年和2年弃渣的入渗率趋稳于1.13、6.56和2.16 mm/min；对于弃渣边坡，其入渗率依次趋稳于8.21、1.64和6.79 mm/min。

图1　不同植被恢复年限弃土弃渣入渗过程

根据弃渣的入渗率变化过程，分析得到其初始入渗率、稳定入渗率及平均入渗率等入渗特征值，见图2。就初始入渗率而言，2个月弃渣边坡的初始入渗率最大，为23.20 mm/min，而其平台处的初始入渗率则最小，为4.11 mm/min；不同弃渣平台的初始入渗率相比，植被恢复2个月的较小，而植被恢复1年及2年的较大。对于稳定入渗率而言，弃渣平台处的稳定入渗率随植被恢复年限的增加呈先增加后减小的趋势，但2个月的弃渣稳定入渗率小于1年及2年的；弃渣边坡处的稳定入渗率则表现为随植被恢复年限的增加呈先减小后增加的趋势，但2个月的弃渣稳定入渗率高于1年及2年的。综合分析表明，植被恢复对弃土弃渣的入渗特性影响较大，植被恢复时间达到1年后，弃渣场平台的入渗率会变大，而边坡的入渗率会变小。

图2　不同植被恢复年限弃土弃渣入渗特征

2.3弃土弃渣入渗过程模型的优化

目前，国内外广泛采用的入渗拟合模型主要有Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型等。为比较不同拟合模型对弃土弃渣下垫面入渗过程的拟合优度，本研究分别采用Horton、Kostiakov和Philip这三种模型对不同植被恢复年限的弃土弃渣入渗过程进行了优化模拟，其结果见表3。

表3　弃土弃渣入渗模型回归分析结果

由表3可知，不同的入渗模型对弃渣场入渗的拟合优度存在差异。用Kostiakov模型对弃土弃渣入渗速率进行拟合时，平均相关系数为0.650；Philip模型拟合的平均相关系数为0.761，拟合效果较好；而Horton模型拟合的平均相关系数为0.923，其相关系数均在0.790以上，拟合效果最好。这说明Horton模型更适宜于弃土弃渣入渗过程的模拟，这与李叶鑫等[8]对紫色丘陵区不同弃土弃渣入渗特征的研究结论一致。从Horton模型对不同植被恢复年限的弃渣入渗拟合方程中(表3)可以看出，随着植被恢复年限增加，弃渣平台稳定入渗率表现为先增加后减小，其2个月、1年和2年弃渣稳定入渗率分别为1.13、4.75和1.81 mm/min，而其边坡的稳定入渗率则表现为先减小后增加，其数值依次为8.21、1.64和7.47 mm/min。

3结论

(1)不同植被恢复年限弃土弃渣的物理性质有明显差异。不同植被恢复年限弃渣土体容重随着堆积年限的增加而增大，植被恢复年限由1年增加到2年，弃渣容重变化较大，其差异在0.07～0.14 g/cm3之间；有机质含量、毛管孔隙度也随植被恢复年限的增加而增大，说明植被恢复年限越长则其水肥条件越好。

(2)不同植被恢复年限弃土弃渣入渗过程大致存在入渗率迅速降低(9 min内)、缓慢降低(10～60 min)和趋于稳定(60 min后)三个阶段。不同植被恢复年限弃渣的入渗能力差异较大，平台处的稳定入渗率随年限的增加呈先增加后减小趋势，而边坡处的稳定入渗率则随年限的增加呈先减小后增加趋势。

(3)Horton模型更适宜于弃渣场入渗过程的模拟，其拟合曲线的平均相关系数最大，达0.923。Horton模型拟合的入渗过程显示，植被恢复2个月、1年和2年的弃渣平台处稳定入渗率依次为1.13、4.75和1.81 mm/min，而其边坡的稳定入渗率依次为8.21、1.64和7.47 mm/min。

[参考文献]

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[4] 郭宏忠,蒋光毅,江东,等.生产建设项目弃土弃渣与林地土壤入渗特征分析[J].中国水土保持,2014(7):51-53.

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[7] 郭成久,安晓奇,武敏,等.弃土场侵蚀产沙模拟试验研究[J].中国水土保持,2003(3):29-31.

[8] 李叶鑫,郭宏忠,史东梅,等.紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面入渗特征及影响因素[J].环境科学学报,2014,34(5):1292-1297.

[9] 柳小强.工程弃土土壤侵蚀人工模拟降雨试验研究[J].亚热带水土保持,2009,21(2):1-5.

[10] Peng Xudong,Shi Dongmei,Jiang Dong,et al.Runoff erosion process on different underlying surfaces from disturbed soils in the Three Gorges Reservoir Area,China[J].Catena,2014,123:215-224.

(责任编辑徐素霞)

[基金项目]重庆水利科技项目“生产建设项目水土流失规律研究”(2011)；重庆市生产建设项目水土流失危害研究(2012)

[中图分类号]S151.9

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)06-0051-03

[作者简介]于亚莉(1977—)，女，四川资阳市人，高级工程师，学士，主要从事水土保持规划设计及水土保持咨询工作；通信作者史东梅(1970—)，女，甘肃灵台县人，教授，博士，主要从事土壤侵蚀与流域治理、水土保持等研究。

[收稿日期]2015-06-13

[关键词]弃渣场；入渗性能；植被恢复；边坡