库区坡面植被水土保持生态建设模式

2010-06-21程龙飞李林燕

水土保持研究 2010年5期

程龙飞,李林燕

（重庆三峡学院建筑工程系,重庆万州 404000）

重庆三峡库区地处长江上游,在全国水土流失类型区划中属于西南土石山区,是国家级水土流失重点监督区和水土流失重点治理区。由于投资不足,前期水土流失治理中科技含量严重偏低,治理措施简单,基本上还是沿用传统的工程治理模式,只是一定程度上降低了土壤的侵蚀强度。植被措施是水土保持中最有效和最根本的方法,研究库区坡面有效的植被水土保持生态建设模式,可望从根本上解决库区面临的水土流失问题,改善流域自然和人居生态环境[1-2]。

1 坡面产沙动力学机理分析

当坡面流逐渐加强超过一定限度后,坡面土壤团粒开始脱离静止状态进入运动状态,研究坡面团粒在坡面径流的动力学特征,是分析坡面水土流失机理的基础[3-5]。坡面上土壤团粒在水流作用下,由静止到起动是各种力综合作用的结果,团粒在坡面上受力情况如图1所示。

坡面流作用下土壤颗粒受到的动力平衡条件是:(G′+Fy)(sinθ-cosθ tanφ)+(FD+FLtanφ)≤C(1)式中:Fy——雨滴击溅力;G′——土颗粒在水中受到的浮重力;FD——水流的拖拽力;FL——水流上举力;C——黏聚力;φ——泥沙在水下的有效内摩擦角,0≤tanφ≤1;θ——坡角。

图1 坡面颗粒受力分析

显然由式(1)可以得出减小水流拖拽力、水流上举力以及增大土壤的黏聚力都有利于水土保持;对于坡度较大的坡面,减小浮重力G′有利于水土保持。雨滴击溅力Fy对水土保持作用影响相对较小,当坡面饱和时,可以忽略雨滴击溅力对于土壤侵蚀的影响[6-7]。

2 植被水土保持机理分析

式中:Vr——碰撞前雨滴终速;dr——雨滴中径;M,N——土性质、坡面形态及径流深度有关的量。由式(3)中分析得出:减小碰撞前雨滴的速度Vr、减小雨滴中径dr,可以减小雨滴击溅力Fy。

2.1 冠层及干枝对水土保持的影响

2.1.1 植被冠层的水分截留植被冠层形成了一个天然屏障,对降落到坡体表面的雨水起到了阻隔截留作用[8]。一部分降雨在到达坡面之前就被植被茎叶截留并暂时贮存在其中,植被通过截留作用降低了到达坡面的有效降雨量,从而减少了雨水向坡体的入渗量,减弱了雨水对坡面土体的侵蚀。植被截留降雨量E可近似采用如下计算方法[6]:

式中:E——植被截留降雨量;E′——最大截留降雨量;λ′——最大截留降雨系数;p——降雨量;p′——临界降雨量。

2.1.2 植被可削弱溅蚀功能雨滴的溅蚀是雨滴对地面的击溅作用。降雨时的雨滴从高空落下,落地时产生一定的打击力量,裸露的表土在这种力量打击下,土壤粘结力被削除导致土壤结构即遭破坏,发生分离、破裂、位移并溅起。当其它因素一定的情况下,雨滴击溅力Fy的大小可以表示为

草本、灌木林能够拦截高速落下的雨滴,通过地上茎叶的缓冲作用,则雨滴落到植被上后由于其动能被覆盖植被的缓冲作用所消耗,因此雨滴的速度大大减小甚至为零;通过与叶面的相互作用,雨滴又被分散为多个粒径更小的雨滴。部分乔木林,由于干枝高大,拦截雨滴后可生成比原雨滴更大的雨滴,雨滴速度也和原雨滴差不多,这样反而可能导致雨滴击溅力的增大。

2.1.3 风荷载对林地水土保持的影响植物能传递风荷载,可对表层含根土产生附加荷载。风荷载大小可以近似表示为

式中:wk——风荷载标准值;βgz——高度z处的阵风系数;μs——风荷载体型系数;μz——风压高度变化系数;w0——基本风压。

显然,植株越高、冠层越大,所受的风荷载越大;风荷载通过杆茎传到表层含根土,由根系锚固力分力承担。由于风荷载的方向不定,一般按对水土保持不利考虑。在基本风压较大的陡坡上,冠幅高大的乔木、以及部分阔叶灌木都将不利于水土保持。

2.1.4 植被抑制地表径流流速功能水流对泥沙颗粒上的水流拖拽力FD和水流上升力FL可以分别表示以下两式表示:

式中:V——直接作用在泥沙颗粒上的流速;Cd——渗流方向上土颗粒形状有关的参数;CL——垂直渗流方向上土颗粒形状有关的参数。

由式(5)可以看出,直接作用在土颗粒上的流速越小,渗流拖拽力及水流上升力也就越小。草本植物分支多,丛状生长,径流在草丛间迂回流动,从而增大了流程,使径流由直流变为绕流,水力坡降减小,流速减缓。

2.2 植被根系对水土保持的影响

2.2.1 菌根及分泌物能降低土层重度、增加土层的黏聚力根土层水稳定性团粒网络由小根与菌根真菌、腐生真菌和其他真菌菌丝构成,同时,围绕腐朽的根系物质也可能形成团聚体。大团聚体是微团聚体形成后在根系和菌丝的缠绕作用下形成的;这些大的团粒,很多直径在3 mm以上,其强度和性质取决于根系统的形态,具有较强的水稳定性和疏散多孔性,相对于土颗粒而言,具有较低的重度G′。

活根提供分泌物,主要是菌根吸附微团聚体多糖,作为土粒团聚体的胶结剂,保护菌根和根系与根际土团粒不被分解;根系的穿插、缠结、挤压作用,能增强土层的黏聚力。土中根系的分布如同加筋纤维的分布;这种加筋为土层提供了附加“黏聚力”ΔC[7]。

2.2.2 增加土体的有效孔隙度,改善土体的渗透性能根系能将土壤单粒粘结起来,同时也能将板结密实的土体分散,并通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质,使土壤有良好团聚结构和孔隙状况。植物根系的作用可相应增加土壤的孔隙度,使土壤微生物的活性增加,土壤有机质氧化分解速度加快,死亡的根系又可增加土壤中有机质的含量,这样就可以使土壤处于良性的循环过程中,进一步有效提高土壤的有效孔隙率,明显地改善了土壤的渗透性能。根据达西定律,有[8-9]:

式中:Q——断面A的流量;n——孔隙率;A——渗流断面。

须根通过在土壤中的交错穿插作用和积累有机质,促使土壤中大粒级水稳团粒的增加,明显地改善了土壤的渗透性能。由以上分析可知,当流量一定时,孔隙率越大,流速就越小;根据式(5)分析,将减小渗流的上举力和拖拽力,有利于水土保持。

由以上分析可以得出,根系能增加土体的孔隙率,降低土壤的浮重度G′,增加土体的黏聚力C,提高土壤的抗冲蚀的性能。

3 坡面植被水土保持建设模式

3.1 库区栽植条件分析

三峡库区属于亚热带湿润季风气候区,年平均气温在16～18℃,年降水量1 000～1 200 mm;但降雨多集中于5-9月,全年70%,且多暴雨。三峡库区常见的土壤是黄棕壤、山地黄壤、紫色土和石灰土。库区的气候适合于大部分植物的生长;春季是最好的施工季节,秋夏季也是可以施工的季节,因为此时热量和雨水组合较好,适宜植物发芽生长。

3.2 库区坡面植被建设模式

3.2.1 坡顶封山育林坡顶风化作用强烈,岩石风化成土时间不长,土层极为贫瘠,即C接近于0;其土层厚度较薄,且风荷载相对较大,在某些情况下,表层根系的锚固力可能不足以平衡较大的风荷载。在坡顶,式(1)可变形为:

式中:w′k——剩余风荷载。

式(7)即为坡顶不发生土壤流失的必要条件;由式(7)可以看出,若在坡顶栽植松土,当发生暴雨时,水流拖拽力FD和水流上升力FL急剧增大;即使在θ很小的坡面,也极易引起水土流失;若伴有大风,水土流失更会加剧。故应对坡顶实施封山育林,划定范围,专人管护等措施,靠自然修复生态,减轻水土流失。确出于需要,要在较短时间内恢复坡面的植被覆盖,应选择耐贫瘠、生长快、根系发达、固土能力强、不会引起附加风荷载的先锋树种。

3.2.2 坡面采取垄沟结合的建设模式坡面在山区农业生产中占有重要地位,是径流的策源地;在库区,坡面又是主要的居民聚集地,集中了大量的人口,是垦殖系数最高的地区;因此该区域水土流失严重。为了减轻坡面侵蚀,应根据坡向、坡度、土壤、沟壑分布等条件,垄沟结合,以垄护沟等与坡改梯配套工程。在坡面垄上,几乎没有与水流作用相关的力。在坡面垄上,式(1)可变形为

式(8)即为坡面垄上不发生土壤流失的必要条件;由式(8)可以看出,与坡改梯配合,将θ控制在一定的范围内,即使由于耕作,导致黏聚力C等于0也不会产生水土流失。当然,要保证居民收入水平不下降,应在坡面种植附加值较高的经济作物。

3.3 实例及效果分析

龙驹镇距万州主城区50 km,海拔310～1 244 m,由于采矿和居民的耕作,镇内水土流失严重,且人均纯收入在2 000元左右。从2002年开始,根据国家“退耕还林”的政策,龙驹镇提出了“依山丰林”的总体工作思路。土地贫瘠的坡顶,以村为单位,封山育林;在坡面,按照“协会+大户+基地”的植被栽植模式,种植优质的笋竹、黑木耳、花椒、猕猴桃等。在居民聚积区,留有一定面积的自留地,根据地势,设置好排水沟,由居民在地里种植番茄、青椒、茄子、黄瓜、韭菜等时令菜蔬。通过治理,林草植被增加,生态环境向良好发展,水土流失明显减少,流失程度大部分下降一两个等级。到2007年,林地面积增加达到0.92万hm2,占总面积的81.12%,其中高附加值的经济林木也占有一定的比例;群众生活水平显著提高,到2009年底农民纯收入达到4 000元。