草被覆盖度对黄土坡面径流产沙影响的试验研究

2010-05-24杨春霞陈月娥郭丽娜

中国水土保持 2010年9期

吴卿，杨春霞，甄斌，陈月娥，郭丽娜

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003;3.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

草被是黄土高原地区重要的水土保持措施之一[1]，它在荒山荒坡绿化、退耕还林还草以及裸露边坡绿化防护等方面已被广泛应用，具有良好的减蚀作用[2]。为了探寻草被覆盖坡面的减水减沙规律，为给黄土高原地区草被建设提供可资借鉴的依据，我们利用室外人工径流冲刷模拟试验装置开展了草被覆盖度对黄土坡面径流产沙影响的研究。

1 试验设计

1.1 土槽设计

试验用土槽采用钢板焊接而成，土槽长 6 m(试验用有效长为5m)、宽3 m、深0.8m，在槽内沿纵向用不透水 PVC板将槽平均分成3个小区，每个小区长 5m、宽1m。为使试验坡面土壤透水性及下渗接近自然坡面，土槽底部设透水孔，同时人为增加粗糙度，以减少填土和钢板之间的边界差别。试验用土槽可以模拟15°、20°、25°三种坡度坡面的土壤侵蚀试验。

1.2 填土设计

试验用土采用郑州邙山野外坡面的表层黄土，土槽最终填土深度为50～70cm。填土采用分层(每层 20cm)填埋、分层拍实的方法，使土槽填土自然容重、干容重分别达到1.65～1.69g/cm3和1.29～1.34g/cm3，保证填土密实度均匀并接近于野外自然状态。试验前在试验土槽坡面均匀洒水，使土壤含水量控制在 24.08%～26.94%之间，以消除试验坡面与自然坡面土壤含水量的差异。

1.3 草被设计

草被的草种选用黑麦草和高羊茅，采用混合撒播的方式播种草籽，通过控制播种量和生长期来控制草被覆盖度。试验土槽坡面草被的覆盖情况见表1。

表1 试验土槽坡面草被覆盖情况

1.4 冲刷设计

径流冲刷系统由蓄水池、水泵、电源及供电线路、水箱、阀门、PVC水管、稳流槽组成:水箱布设在试验坡面的上方，通过水泵将蓄水池中的水抽到水箱里，水箱上部设有溢流孔，以保持水箱内水位与水压稳定;稳流槽也布设在试验坡面的上方，其宽度与坡面相同，深 50cm，稳流槽与试验坡面之间的过渡区采用水泥抹面进行缓冲处理，以降低坡面冲刷受上方来水条件的影响;水箱水通过带阀门的 PVC水管从底部供给稳流槽，供给流量用阀门控制，保证在设计冲刷流量条件下稳流槽内水面平稳和下泄水流分布均匀。

设计的试验冲刷流量 Q=5 L/min(相当于雨强 i=1.0mm/min的降雨)。

2 试验方法

2.1 边界条件控制

试验前一天在土槽坡面均匀洒水至饱和状态，静置 24 h以消除土壤含水量差异对试验产生的影响，于试验前测定土壤容重和含水量。

稳流槽下泄冲刷流量采用阀门控制，选定试验冲刷流量级后，在试验开始前率定流量，使流量的精度控制在 5%之内。

草被生长期控制在15～20d，以黑麦草高度在10cm以上、高羊茅高度在5cm左右为宜。这两种草的根系均为须状根系，长度与其株高相当。

2.2 试验观测方法

自小区出口处有径流产生的时刻开始计时，次径流冲刷试验历时为30mi n，产流后以 2 min为时段单位收集过程径流泥沙样品，试验结束后将全部过程径流泥沙样品进行重量和体积称量，并用比重法分别换算出坡面产水量和产沙量。换算式为

上三式中:W总为径流泥沙样品总质量，g;V总为径流泥沙样品总体积，mL;W沙为泥沙质量，g;V沙为泥沙体积，m L;W水为产水总质量，g;V水为产水总体积，m L;1.65为泥沙密度，g/cm3。

观察组防护显效、有效和无效分别为24、9、3例，患者急性和远期手术并发症发生1例，并发症率2.78%；对照组患者防护显效8例，有效21例，无效7例，患者急性和远期手术并发症发生2例，并发症率5.56%。两组患者的急性和远期手术并发症率无明显差异，不具统计学意义（P＞0.05）；在防护效果上，观察组具有显著优势（P＜0.05）。

3 试验结果分析

3.1 草被覆盖度对黄土坡面产沙参数的影响

通过对15°试验坡面径流泥沙样品进行分离处理和换算，得出产沙总量、坡面侵蚀率和径流含沙量3个产沙参数，其结果见表 2。

表2 15°试验坡面产沙结果

由表 2可知，3种草被覆盖度坡面的产沙量分别为109.53、15.20、6.70k g，覆盖度30%～40%坡面的产沙量是裸坡产沙量的13.88%，覆盖度70%～80%坡面的产沙量是裸坡的6.12%，覆盖度 70%～80%坡面产沙量不足覆盖度30%～40%坡面产沙量的 50%;3种草被覆盖度坡面侵蚀率分别为3422.97、475.04、183.99 g/min，径流含沙量分别为0.69、0.29、0.15 g/m L，同产沙量表现出的规律基本一致。由此知道，在15°坡面、5 L/min冲刷流量试验条件下，坡面产沙总量、侵蚀率和径流含沙量随着草被覆盖度的增加而呈递减趋势。

采用同样的方法对 20°、25°试验坡面在 5 L/mi n冲刷流量条件下的径流泥沙样品进行分离处理和换算，得到3种坡度试验坡面在不同草被覆盖度下的产沙量∑W沙(裸)、∑ W沙(低)和∑W沙(高)，其中∑ W沙(裸)为裸坡坡面产沙量，∑ W沙(低)为30% ～40%低草被覆盖度坡面产沙量，∑ W沙(高)为70% ～80%高草被覆盖度坡面产沙量，结果见表3。

表3 不同坡度及草被覆盖度坡面产沙情况

由表3可知，草被覆盖度 70%～80%的坡面产沙量最小，裸坡产沙量最大;草被覆盖度 70%～80%的坡面产沙量最大不到裸坡产沙量的10%，草被覆盖度30%～40%坡面产沙量最大仅占裸坡产沙量的 40%;随着草被覆盖度的提高，坡面产沙量之比明显降低，表明草被对黄土坡面减蚀有显著的效果。

3.2 草被覆盖度对黄土坡面侵蚀率的影响

本研究中用单位时间径流冲刷产生泥沙重量的多少来表示侵蚀率(不同草被覆盖度坡面抗蚀能力的差异)，将各时段的侵蚀率进行平均得出平均侵蚀率(Ev)。在 5 L/min冲刷流量条件下，对15°、20°、25°三种坡面在不同草被覆盖度条件下的平均侵蚀率 Ev(裸)、Ev(低)和Ev(高)进行计算(Ev(裸)为裸坡平均侵蚀率，Ev(低)为30%～40%低草被覆盖度坡面平均侵蚀率，Ev(高)为70%～80%高草被覆盖度坡面平均侵蚀率)，结果见表 4和图1。

表4 不同坡度及草被覆盖度条件下的坡面侵蚀率

由表 4和图1可知:草被覆盖度 70%～80%的坡面侵蚀率最小，裸坡侵蚀率最大;草被覆盖度 70%～80%的坡面侵蚀率为裸坡的 5%左右，草被覆盖度30%～40%的坡面侵蚀率不足裸坡的 40%;随着草被覆盖度的提高，坡面侵蚀率之比明显降低，表明草被对增加黄土坡面土壤抗蚀能力、减轻侵蚀具有显著作用。

3.3 草被覆盖度对黄土坡面径流含沙量的影响

径流含沙量(Qs)指单位体积径流泥沙样品中所含干泥沙的重量，它是表征坡面草被减蚀作用的重要指标。对15°、20°、25°试验坡面径流泥沙样品进行分离处理与换算，得出在 5 L/mi n冲刷流量条件下不同草被覆盖度坡面径流含沙量Qs(裸)、Qs(低)和Qs(高)(Qs(裸)为裸坡径流含沙量，Qs(低)为30% ～ 40%低草被覆盖度坡面径流含沙量，Qs(高)为70%～80%高草被覆盖度坡面径流含沙量)，结果见表 5和图 2。