云南省高速公路弃渣场土壤流失特征研究——以昆明—石林高速公路为例<br/>

云南省高速公路弃渣场土壤流失特征研究——以昆明—石林高速公路为例

2011-02-01李艳梅胡兵辉陈平平

中国水土保持 2011年2期

关键词：渣场降雨量坡面

李艳梅,胡兵辉,陈平平

(1.西南林业大学环境科学与工程系,云南昆明 650224;2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,云南昆明 650051)

云南省高速公路弃渣场土壤流失特征研究
——以昆明—石林高速公路为例

李艳梅1,胡兵辉1,陈平平2

(1.西南林业大学环境科学与工程系,云南昆明 650224;2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,云南昆明 650051)

高速公路建设;弃渣场;土壤流失;特征;云南

为探求云南省高速公路建设过程中弃渣场的土壤流失特征,以昆明—石林高速公路弃渣场为研究对象,在弃渣场边坡上布设观测小区进行了定位监测,分析了渣体粒径、降雨、堆渣坡度对弃渣场土壤流失的影响以及渣体坡面土壤流失的特点。结果表明:在不考虑其他影响渣体坡面侵蚀因素的情况下,弃渣场渣体的土壤颗粒粒径越大、砾石含量越高,土壤流失量就越大;降雨量越大,土壤流失量就越大;坡度越大,土壤流失量也越大;在渣体坡面侵蚀中,沟蚀现象比较严重,有的流失强度高达 37 656 t/km2,且以细沟、浅沟侵蚀为主,细沟、浅沟侵蚀量占沟蚀总量的 60%以上。

高速公路建设大大促进了国民经济的又好又快发展,但在公路建设过程中,大面积、高强度的开挖扰动严重破坏了原生的自然地表植被,损坏了地表原有的水土保持功能,尤其是弃土弃渣结构较为松散,这就为土壤侵蚀的发生提供了新的物质来源,隐患极大。云南省是山岭重丘区[1],在高速公路修建中往往要开山凿洞,挖方量远远大于填方量,会产生大量的弃土弃渣,因此也就需要布设很多的弃渣场。进入雨季后,弃渣场极易诱发滑坡和泥石流等自然灾害。鉴于此,开展云南省高速公路弃渣场土壤流失特征研究,对于科学进行高速公路弃渣场植被恢复和重建具有重要的意义。

1 研究区概况

本研究的研究对象为昆石(昆明—石林)高速公路,公路全长 78.06 km,途经昆明市的官渡区、呈贡县、宜良县、石林县和玉溪市的澄江县。气候属低纬度高原季风气候,冬无严寒,夏无酷暑,四季如春,干湿分明,冬半年为干季,夏半年为雨季;极端最高气温 32.7℃,极端最低气温 -5.3℃,年均气温 16.1℃,年均日照时数 2 079.2h;主导风向为西南风和南风,平均风速为 3.13m/s;年均降雨量为 952.5mm,降雨主要集中在 5—10月份的雨季,期间降雨量占全年降雨量的 88%,干季(11月—翌年 4月)降雨量占全年的 12%。区内地形地貌复杂,地势总体表现为东南高、西北低,高差大约为 950m;公路沿线峰峦叠嶂,沟壑纵横,立体地貌突出,为晚古生代滨海—浅海环境,沉积了大量的石灰岩、白云岩,经后期地质抬升作用成为陆地;地下水和地表水长期沿岩石裂隙进行溶蚀,故以水力侵蚀为主,局部有重力侵蚀发生。土壤以红壤和紫色土为主,植被属半湿润常绿阔叶林类型,覆盖率约 25%。

2 研究方法

在公路弃渣区选取3个典型弃渣场(表 1),在堆渣体边坡上布设长 50m、宽 20m的观测小区。采用插钎法观测面蚀发生过程及侵蚀量[2],具体布设方法是:在样方内将直径 0.6 cm、长 30 cm的铁钉分上中下、左中右间隔 100 cm沿坡面垂直方向打入。为了避免流失土壤在钉帽处淤积,在钉帽和坡面间留出一定距离,并在钉帽上涂上油漆,将铁钉进行编号并登记入册。每次暴雨和汛期结束后,观测钉帽出露地面的高度与原出露高度的差值,计算出弃渣场坡面的土壤流失量。在各观测小区的附近安装便携式自记雨量计,观测每次降雨的降雨量及降雨历时,同时在观测小区内采用体积法估算坡面沟蚀总量[3]。

表 1 弃渣场基本情况

3 结果与分析

3.1 弃渣场土壤流失强度与渣体粒径之间的关系

渣场渣体的粒径组成不同,不但比表面积有很大的差异,而且土粒间的孔隙度、胶结性也有显著的差异。对各观测小区的土壤颗粒样品进行颗粒粒径分选后,按照国际制土壤粒径划分标准,单粒直径＞2mm的称为砾石。各观测小区土壤粒径组成与土壤流失强度的关系见表 2。

从表 2看出:七星弃渣场和阳宗弃渣场渣体粒径从小于 2 mm至 8 cm以上都有分布,且七星弃渣场＞2mm的砾石含量高达 84.80%,渣体组成中土壤细粒含量极低,土壤流失强度最高,达到 25 720 t/km2;阳宗弃渣场＞2 mm的砾石含量达57.50%,土壤流失强度也较高,达到 20 900 t/km2;王家营弃渣场细粒含量几乎是七星弃渣场的 4倍,其土壤流失强度最小,只有 12 540 t/km2。由此知道,在坡度相近的情况下,各弃渣场的土壤流失强度与土壤砾石含量呈正相关,即土壤砾石含量越高,土壤颗粒间的孔隙越大,细粒与砾石间的胶结性就越差,在地表径流作用下细粒就容易随径流的冲刷而流失,土壤流失就严重。

表 2 土壤粒径组成与土壤流失强度的关系

3.2 弃渣场土壤流失强度与降雨的关系

降雨是导致土壤流失最直接的因素。雨季土壤经常处于湿润状态,为高强度暴雨的剧烈侵蚀打下了水分基础,使得很多地方雨季土壤流失量往往占到全年流失量的 2/3以上[4-5]。为此,本研究选用 2004年 5—9月的降雨与土壤流失资料进行对比,旨在揭示渣场土壤流失与降雨的关系。降雨量、平均降雨强度与渣场土壤流失强度的关系见图 1和表3。

图1 弃渣场降雨量与土壤流失强度关系

从图 1可以看出,弃渣场边坡土壤流失强度与降雨量呈一元线性正相关关系,相关系数为 0.878 7,说明在不考虑影响渣场土壤流失的其他因素的情况下,降雨量越大,渣场土壤流失就越严重。因此,雨季来临之前,在弃渣场边坡及时采取水土保持措施显得尤为重要。

表 3 弃渣场平均降雨强度与平均土壤流失强度的对应关系

从表 3可以看出,弃渣场平均降雨强度与平均土壤流失强度并没有明显的相关关系,与未扰动的自然坡面的侵蚀有所不同[6]。这可能是弃渣相对于自然坡面土壤而言较为疏松,降雨的入渗率较大,如雨量不大则产生地表径流的几率就很小,而随着降雨次数的增加和降雨时间的延续,渣体会产生沉降,入渗率可能减小,也使得平均降雨强度与平均土壤流失强度之间的对应关系发生变化。

3.3 弃渣场土壤流失强度与坡度的关系

坡度是影响土壤侵蚀的重要因子,坡度越大,降雨到达地表后就越难以入渗,大量的降雨就变成了地表径流,为渣体的侵蚀提供了动力源。为研究坡度与弃渣场土壤流失强度的关系,参照公路工程弃渣场中通常设计的堆渣坡比,把同一弃渣场的渣体削成不同的坡度,观测到的土壤流失情况见表 4。

表 4 不同坡度弃渣场土壤流失强度

从表 4可以看出,坡度越大土壤流失强度就越大。但值得注意的是,弃渣场渣体坡面的侵蚀并不像自然坡面侵蚀那样存在转折坡度[5],这主要是由于坡度越大,降雨到达地表后变成地表径流就越容易,而坡面是个裸露的松散体,在地表径流的作用下很容易产生土壤流失,且流失严重。

3.4 弃渣场沟蚀特征

沟蚀是弃渣场边坡最为普遍的一种水力侵蚀形式。为了便于统计,将沟深和沟宽均不超过20 cm的侵蚀沟划为细沟,将沟深在0.5m以下逐渐加深到 1m且沟宽大于沟深的侵蚀沟划为浅沟,将沟头有一定高度的跌水、沟岸不断坍塌的侵蚀沟划为切沟[4]。将细沟概化为三角形、浅沟与切沟概化为梯形[7]计算观测坡面上的土壤流失量。雨季结束后各观测小区的坡面沟蚀量观测结果见表 5。

从表 5看出,弃渣场边坡的沟蚀现象比较严重,其中:王家营弃渣场的土壤流失量为 15.79m3,流失强度达 25 264 t/km2;七星弃渣场的土壤流失量为 17.90m3,流失强度达 27 030 t/km2;阳宗弃渣场的土壤流失量为 20.92m3,流失强度达 37 656 t/km2。研究表明,渣场弃渣体以细沟侵蚀和浅沟侵蚀为主:王家营弃渣场由于渣体粒径较小,观测小区内的侵蚀全部为细沟和浅沟侵蚀,其中细沟 18条,占侵蚀沟总数的 72%;七星弃渣场细沟、浅沟占到侵蚀沟总数的 95.45%,其流失量占总流失量的 81.73%;阳宗弃渣场砾石含量较高,细沟、浅沟也占侵蚀沟总数的 88.89%,其流失量也占总流失量的 66.68%。从沟壑密度看,细沟、浅沟的沟壑密度也在沟壑密度中占有较大比重。

4 结语

弃渣场渣体中砾石含量越高,土壤流失强度就越大。在不考虑影响渣体坡面侵蚀的其他因素的情况下,降雨量与弃渣场土壤流失强度呈一元线性正相关关系,即降雨量越大,土壤流失强度就越大。同时,弃渣场渣体坡面的坡度越大,土壤流失强度就越大。在渣体坡面侵蚀中,沟蚀现象较严重,有的土壤流失强度高达 37 656 t/km2,且以细沟和浅沟侵蚀为主,流失量占沟蚀流失总量的 60%以上。