降雨作用下坡面水土流失试验研究

曾仕美

(贵州省毕节市赫章县水务局,贵州 赫章 553200)

0 引言

受自然因素、地理因素、人为因素影响下我国各个地区水土流失程度不同。赫章县珠雉风电场在珠市乡、雉街乡和兴发乡交界处,区内大部分海拔高程在 2 100～2 600 m 之间,相对高差小于1 000 m,属剥蚀、溶蚀中山地貌,风电场建设扰动的地表面积较大,土石方开挖量也较大,造成的水土流失影响较为明显,特别是上下边坡,受地理环境及气候的影响,植被恢复慢,成活率低[1-3]。因此为了应对日益严重的水土流失问题,需要给出相应的措施[4],然而目前针对水土流失的防治问题,除了砌档墙、修建排水沟,植树种草等,对于高海拔地区[5],无法从根本上改变水土流失加剧的现状。喷浆护坡种草是一种结合了免灌和喷薄而成的新型绿化技术,对于土层薄、海拔高、成活率的这种项目,是目前很好的一种治理方式。主要通过将土壤基质与草籽、肥料、黏合剂与保水剂进行混合搅拌,形成胶状浆液,最后采用泥浆泵将其喷洒于坡面,借助混合质本身的粘聚力和草根的根系锚固作用对坡面水土起到保持最用。喷浆护坡种草以其高效性和环保性受到了学术界的广泛关注,不少学者针对喷浆护坡种草与土壤坡面的水土保持效果进行了研究[6-7],并充分论证了喷浆护坡种草对防治土壤中的水土流失具有一定的可行性,基于其土壤粘结和根系锚固效果,在水土流失相关防治中的可行性提供了一定的思考。

以赫章县范围内的珠雉风电场为背景,这个项目本身有些边坡就是用喷浆种草来实施治理,效果明显。通过设计室内降雨装置来研究降雨侵蚀下喷浆种草对于黄棕壤坡面的物理性质及产流产沙的影响,为该水土流失的防治提供一定的参考依据。

1 研究概况

赫章县珠雉风电场位于贵州省毕节市赫章县珠市乡、雉街乡和兴发乡交界区域。场址区整体呈北西向狭长多边形展布,区内大部分地区海拔高程在2 100～2 600 m 之间,相对高差小于1 000 m,属剥蚀、溶蚀中山地貌。场区总体为一北西向延伸山脊,最高点为中部铜炉上附近峰顶(海拔2 651 m)。场区沿线山脊为地表分水岭,东北侧冲沟切割较深,冲沟底部高程1 900 m左右,沟底旱季水流量小,雨季水量大。

场区出露地层以非可溶岩为主,山脊顶部及西南侧多为非可溶岩,山脊北东侧多为陡坡,且因岩层倾角较陡,场区中部及南部山脊北东侧逆向坡分布较多陡壁,较缓边坡多为草地,陡坡地带多见灌木及树林分布。可溶岩主要分布于山脊东北侧斜坡地带、西南侧边 缘较低高程部位,该区岩溶洼地、落水洞、溶沟、溶槽、溶蚀残丘发育,缓坡地带多为耕地和草地,树林及灌木林多分布于较陡边坡。

项目区土壤类型主要为山地黄棕壤。植被属于中亚热带常绿阔叶林亚带。林草覆盖率为 55.13%。 项目区水土流失类型主要是水力侵蚀。经实地调查,本项目区域属轻度侵蚀区,土壤侵蚀模数背景值平均为1 455 t/km2·a。项目区属乌江赤水河上中游国家级水土流失重点治理区和贵州省水土流失重点治理区。

2 研究方法

2.1 试验材料

试验研究所用黄棕壤分别随机取自珠雉风电场6个不同的区域用以保证结果的随机和代表性。为了研究喷浆种草对降雨侵蚀的防治效果,胶状浆液依照室内自制,主要以催芽的草坪种子、纤维覆盖物、粘合剂、肥料、保水剂、泥炭混合制成。将胶状浆液对黄土边坡的喷播覆盖程度分别设置20%、40%、60%、80%4个梯度进行试验,并设置胶状浆液喷播覆盖度为0的坡面对照组。浆液覆盖度的测算方式主要采用网格法并借助照片进行测定。

2.2 试验装置

试验装置主要以降雨装置和土槽装置两部分构成。其中降雨装置采用的是BX-1侧喷降雨系统,该系统的降雨高度控制在6 m,通过阀门为模拟降雨提供给水压强,在将水输送到上部喷淋装置后,通过调节装置内的喷片孔板的孔径大小对降雨的强度进行调控,使用该装置的降雨均匀度能够达到85%以上。通过结合赫章县气象观测站的降雨数据,本文拟定降雨装置的降雨强度为2.0 mm/min,降雨时长设定为30 min,总降雨量设定为30 mm。

土槽装置用以模拟赫章县水土流失区域。土槽规格设计为长宽高分别为1.5 m、0.8 m、0.4 m的长方体钢槽。根据赫章县地形特征,设定土槽坡度为3‰。土槽内包含4块试验用地和一块对照组,试验地中均用生物结皮覆盖黄壤表面,覆盖程度分别为20%、40%、60%、80%4个梯度,对照组则不做任何处理。

2.3 数据处理

降雨试验展开前需要对试验组和对照组中土壤含水率进行调节,保证各坡面在同一条件下进行试验。在试验展开后,降雨流经各坡面后会经由坡面径流流下,通过在径流末端加装容积为1 500 ml的塑料瓶对流出的泥沙水混合物进行收集,并每隔3 min对样本进行一次采集。流速则采用KMnO4溶液每隔3 min进行一次记录。待模拟降雨完成后将装有泥沙的塑料瓶带回试验室沉淀并测算径流量和泥沙量。对于水动力参数的计算,主要采用以下公式:

(1)

ω=τ·V=γ·R·J·g·V

(2)

(3)

式中:Re为雷诺数;V为水流流速(m/s);h为水深(m);v为动力粘滞系数(m2/s);τ为径流剪切力(kPa);γ为含沙水流密度(kg3/m);R为水力半径(m);J为水力能坡(Pa);g为重力加速度(10m/s2)a为矫正系数(a=1);θ为坡度。

针对最终的减流减沙效益分析,根据《水土保持综合治理效益计算方法》中规定的公式为:

(4)

(5)

式中:fr为减流率;fs为减沙率;Ld为试验组径流量;Lc为对照组径流量;Sd为试验组泥沙量;Sc为对照组泥沙量。

3 结果分析

3.1 物理影响结果分析

通过收集的试验数据进行处理得到了如表1所示的不同喷播覆盖度下的流量特征数据。

表1 不同喷播覆盖度下的流量特征

从表1中可以看出在保持降雨强度一定的条件下,随着喷播覆盖的增大,初始的流量产生时间点会随之延后,随着喷播覆盖程度从20%增长到80%,对比对照组延后时长分别延长了2.3、2.8、4.8、6.3倍,且对比对照组,峰值时期的流量大小从2.2依次较小到了0.6,流量峰值显著减小,峰值出现时间点也由明显的延后。综上可知生物结皮对于土壤持水能力,降低坡面峰值流量及延缓峰值出现时间具有明显的改善作用。

图1 不同喷播覆盖度下的径流率变化图

图1所示为不同喷播覆盖度下的径流率变化图,从图中可以看出,在不同喷播覆盖度下,各坡面的径流趋势大致相当,均表现出在降雨初期径流率增大,在降雨末期径流率逐渐减小至稳定的过程,但不同之处在于不同生物结皮覆盖度下的坡面径流率会随着覆盖度的增大而减小。

图2 不同喷播覆盖度下的累计径流量变化图

图2所示为不同喷播覆盖度下的累计径流量变化图,从图中可以看出在不同喷播覆盖度下,随着降雨时间的增长,各坡面的累计径流量均会随之增大,但对于不同喷播覆盖度下的坡面,增长幅度不同,按照斜率从大到小依次为0%、20%、40%、60%、80%,可以看出,累计径流量会随喷播覆盖度的增大而减小,在保持降雨强度一定的情况下,80%喷播覆盖度的减流效果最好。

通过装置收集的泥沙量来研究喷播对模拟坡面侵蚀效果及产沙效果的影响,将数据收集汇总得到了图3和图4。

图3 不同喷播覆盖度下的土壤侵蚀速率变化图 图4 不同喷播覆盖度下的累计泥沙量变化图

图3所示为不同喷播覆盖度下的土壤侵蚀速率变化图,从图中可以看出对于0、20%、40%喷播覆盖度下的坡面,土壤侵蚀速率随着降雨时间的增长呈现出上下波动的趋势,但随着喷播覆盖度的增大,波动趋势放缓;相较于前三种覆盖度,60%和80%覆盖度下的坡面侵蚀速率较低,较为稳定,80%覆盖度的侵蚀速率最低。

图4所示为不同喷播覆盖度下的累计泥沙量变化图,从图中可以看出在不同喷播覆盖度下,各个坡面的累计泥沙量变化趋势相同,随着降雨时间的增长,各坡面的累计泥沙量均会随之增大。但随着喷播覆盖度的增大,累计泥沙量增长幅度逐渐放缓,其中80%喷播覆盖度的累计泥沙量最低,对坡面减沙效果贡献度最高。

3.2 减流减沙影响分析

上文分析结果均表明,喷播种草对于减流减沙效果有着显著的作用,但不同覆盖程度的坡面减流减沙效果不同,为了探明具体的减流减沙效益,根据(4)和(5)对采集的数据进行计算,并得到了图5。

图5 不同喷播覆盖度下的减流减沙效益图

图5所示为不同喷播覆盖度下的减流减沙效益图,从图中可以看出在降雨强度一定的情况下,不同喷播覆盖度的减流减沙效益不同,减沙效益与减流效益从高到低依次为80%覆盖度、60%覆盖度、40%覆盖度、20%覆盖度,可以看出80%喷播覆盖度下的坡面减沙减流效益均最高,能够很好地抵抗降雨过程中的雨水侵蚀作用,对防止红壤地区水土流失起到显著的作用。

4 结语

本文以赫章县珠雉风电场为对象,通过设计室内降雨装置来研究降雨侵蚀下喷浆种草对于黄棕壤坡面的物理性质及产流产沙的影响,并得出了如下结论:

(1)喷浆种草对于土壤持水能力,降低坡面峰值流量及延缓峰值出现时间具有明显的改善作用。

(2)随着喷播种草覆盖度的增大,累计泥沙量增长幅度逐渐放缓,其中80%喷播覆盖度的累计泥沙量最低,对坡面减沙效果贡献度最高。

(3)在降雨强度一定的情况下,不同喷播覆盖度的减流减沙效益不同,80%喷播覆盖度下的坡面减沙减流效益均最高,能够很好地抵抗降雨过程中的雨水侵蚀作用,对防止黄棕壤地区水土流失起到显著的作用。