不同降雨强度条件下植被毯护坡技术的产流特性

岳桓陛,杨建英†,杨阳,史常青,赵平,沈毅

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京东方园林股份有限公司,100087,北京; 3.交通运输部公路科学研究所,100088,北京)

不同降雨强度条件下植被毯护坡技术的产流特性

岳桓陛1,杨建英1†,杨阳1,史常青1,赵平2,沈毅3

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京东方园林股份有限公司,100087,北京; 3.交通运输部公路科学研究所,100088,北京)

为了研究不同气候条件下植被毯技术的适用性,分析不同降雨强度条件对径流、入渗系数、入渗深度的影响,设置3种降雨强度(0.56、1.01、2.02 mm/min),通过侵蚀槽填土并布设各类植被毯,模拟施工边坡,并设置无覆盖对照组,使用侧喷式人工降雨大厅对侵蚀槽进行人工模拟降雨试验。结果表明:1)植被毯能够增加径流入渗,在降雨强度为1.01 mm/min时,麦秸秆植被毯和椰丝纤维植被毯最多分别能够增加27.7%和28%的入渗量;2)不同材料植被毯径流过程有明显的差异,在降雨强度为0.50、1.01 mm/min时,入渗系数为麦秸秆＞椰丝纤维,降雨强度为2.02 mm/min时,入渗系数为椰丝纤维植＞麦秸秆;3)同种材料不同质量的植被毯径流总量有较大差异,同种材料中,200～300 g/m2的植被毯在3种降雨强度条件下均能够取得较其他质量植被毯更好的保水效果。

植被毯;人工降雨;公路边坡;入渗特性

交通网络建设是近年来国家生产建设项目的重要组成部分[1]。高速公路的相继开通,铁路的不断延伸,形成了大量无植被覆盖的裸露边坡,导致了严重的水土流失[2-3]。针对这些问题,前人提出了很多行之有效的边坡防护措施[4-5],而工程措施与植物措施相结合的边坡防护方式,以其效果好、成本低、效率高的特点,逐渐得到了广泛应用[6-8]。 大量研究表明,坡面铺设覆盖物能够有效改善水分条件,促进破坏坡体植被生长,减少坡面水土流失[9-11]。植被毯技术作为新型的边坡绿化技术,以其良好的生态效益和低廉的施工成本,在国内外得到了广泛的关注。顾小华等[12]研究发现,植被毯技术在施工中针对劣质土边坡和岩质边坡有着良好的生态修复效果和显著的经济技术优势。赵方莹等[13]通过径流小区尺度上多种绿化方式的水土保持效果对比得出,植被毯可以有效减少边坡水土流失,改善植被生长环境,是一项经济可行、效果理想的技术措施。马文宝等[14]指出,人工植被毯防护技术是十几年来国际公认的有效、简便、廉价的环保型边坡防护技术。然而,植被毯技术及其生产线主要引进于国外,由于自然条件的差异,植被毯在实际施工过程中也出现许多因为“水土不服”导致施工效果不理想的情况;因此,研究植被毯本身的性质,探索其使用方法,将是植被毯技术进一步推广的必要条件。笔者以铺设有各种类型植被毯的公路边坡为研究对象,通过人工降雨试验,研究对比各类植被毯在不同降雨强度条件下的保水性能,以期为成熟的植被毯使用规程编制提供试验依据,为道路边坡绿化施工提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料与装置

试验采用的植被毯是以麦秸、椰丝等为原料,添加了营养土、草种、保水剂等材料,专门用于岩石、劣质土坡、陡坡的水土保持技术。从坡面上到下依次为上网、植物纤维层、种子与营养土层、木浆纸层、下网5层。试验使用侵蚀槽模拟施工边坡,在坡面上铺设植被毯,并使用人工降雨大厅进行模拟降雨试验完成数据测定。降雨高度8 m,有效降雨面积0.45 m2,实际降雨面积0.39 m2。降雨大厅全程由计算机操控,工作原理如图1所示。

图1 人工模拟降雨大厅工作示意图Fig.1 Sketch map of artificial rainfall machinery

1.2 试验布设

试验采用0.9 m×0.5 m×0.1 m的侵蚀槽,铺设植被毯模拟公路边坡。试验所用营养土为植被毯内置腐殖土(有机质≥50%、氮磷钾≥5%、保水剂5%、厚度0.5 cm),草种采用华北地区常用绿化先锋植物高羊茅(Festuca elata)。布设11个种类3次重复共33个侵蚀槽,进行人工降雨试验。每个侵蚀槽分别进行3次不同降雨强度(0.56、1.01、2.02 mm/min)的模拟降雨,各降雨强度条件下侵蚀槽降雨先后顺序由抽签法得出。具体布设条件见表1。

1.3 试验数据测定及计算方法

1)径流量。在降雨过程中,进行径流量的观测。分别在降雨开始0～10 min内每2 min,10～20 min内每5 min,20～40 min内每10 min,40～60 min内每20 min各段时间内测量径流总量和烘干后泥沙体积。径流量计算方法[15]为

式中:Q为径流量,mL/min;W为本段时间侵蚀槽产生的径流量,mL;V为本段时间侵蚀槽产生的泥沙烘干体积,cm3;t表示时长,min。

试验中铺设植被毯的侵蚀槽测得的泥沙体积较之径流总量数量级很小,为了计算方便全部按0计,不影响径流量的测定结果。

表1 试验布设因素表Tab.1 Factors in experiment

2)入渗指数。包括入渗量Pr,入渗系数α,入渗深度H。利用水量平衡方程确定侵蚀槽的入渗量,侵蚀槽内输入水量(降雨量)和输出水量(径流、入渗、蒸发)相等。计算公式[16-18]如下:

式中:Pr为入渗量,mL;P、E、R分别为降水总量、蒸散量、径流总量,mL;S为实际降雨面积,m2;H为入渗深度,mm。

试验中测得蒸发量E较之降水量P和径流量R数量级很小,为了计算方便全部按0计,不影响径流总量和入渗指数的测定结果。

3)分析工具。运用PASW Statistics 18.0进行数据统计和单因素ANOVA方差分析,使用Excel处理数据和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度植被毯覆盖对入渗系数的影响

图2为各试验组的入渗系数随降雨强度变化情况。可以看出:椰丝纤维组和麦秸秆组的入渗系数随着降雨强度的增加逐渐增大,呈现先增大后减小的趋势;对照组入渗系数随降雨强度的增加呈现先减小后增大的趋势。可知,椰丝纤维组在降雨强度较大(1.01～2.02 mm/min)时入渗量变化较小,麦秸秆组在降雨强度较小(0.56～1.01 mm/min)和较大(1.01～2.02 mm/min)的情况下入渗量都呈现明显变化。

图2 不同降雨强度条件下入渗系数变化Fig.2 Change of infiltration coefficient on slope at different rainfall intensities

不同降雨强度不同覆盖条件下入渗系数单因素方差分析结果见表2。可以看出:在降雨强度为1.01 mm/min时入渗系数差异显著,麦秸秆组＞椰丝纤维组＞对照组,麦秸秆组、椰丝纤维组的入渗系数分别比对照组增加11.1%和7.5%;在降雨强度为0.56、2.02 mm/min时,各组入渗系数区别不明显;在降雨强度为0.56 mm/min时,麦秸秆组入渗系数大于椰丝纤维组,为对照组的94.3%;在降雨强度为2.02 mm/min时,椰丝纤维组入渗系数大于麦秸秆组,为对照组的102%。

表2 不同覆盖条件下的入渗系数Tab.2 Characteristics of infiltration coefficient ton slope with different mulches____________________

2.2 不同降雨强度植被毯入渗深度对比

表3为3种降雨强度不同类型植被毯的入渗深度对比结果。可知,5种不同干质量植被毯的入渗深度总量存在明显的区别:降雨强度为0.56 mm/ min时,因为室内试验模拟降雨溅蚀能量不足,裸地地表结皮未破坏,入渗深度反而较高;降雨强度为1.01 mm/min时,入渗深度整体趋势为麦秸秆＞椰丝纤维;降雨强度为2.02 mm/min时,入渗深度为椰丝纤维＞麦秸秆。同种材质不同质量植被毯保水效益差异较小,300 g/m2麦秸秆植被毯和200 g/m2的椰丝纤维植被毯在同种材料中最为突出。2

.3 不同降雨强度植被毯覆盖坡面径流过程对比

图3为100、200、300、400、500 g/m2麦秸秆覆盖组和椰丝纤维覆盖组在3种降雨强度条件下的坡面径流过程曲线。可以看出,各组坡面的径流有较大的差异,在过程上存在如下规律:降雨强度为0.56 mm/min时,对照组产流很快,径流变化较缓,前期径流值大于植被毯覆盖坡面,在降雨开始10 min左右被植被毯覆盖坡面超过,椰丝纤维组和麦秸秆组随降雨时间呈逐渐增大趋势,并趋近于指数分布;降雨强度为1.01 mm/min时,对照组径流在降雨全程明显大于麦秸秆组和椰丝纤维组,椰丝纤维组在降雨开始20 min左右趋于稳定,趋近于指数分布,麦秸秆组径流随降雨时间增加,在50 min左右趋于稳定;降雨强度为2.02 mm/min时,各组径流过程区别不明显,总体趋近于指数分布,在降雨5～15 min过程中径流曲线存在部分波动,可能是因为不同时长间径流取样不及时造成的试验误差。

表3 不同降雨强度不同类型植被毯入渗深度Tab.3 Infiltration depth on varied slopes

图3 不同植被毯不同覆盖情况下坡面径流过程曲线Fig.3 Surface runoff on slope with different mulches

在不同降雨强度条件下各类植被毯覆盖坡面的径流过程(图3)中,降雨强度为1.01、2.02 mm/min时,植被毯覆盖坡面保水性能均优于对照组,这与R.A.Sutherland等[1920]在加利福尼亚州南部与凯罗莱纳州南部进行人工降雨试验发现植被毯可以减少径流、增加入渗的试验结论相符,而降雨强度为0.56 mm/min时,对照组较铺设植被毯的坡面径流小,与R.A.Sutherland等[1920]的研究结果不一致。其主要原因是,在降雨强度较小的情况下,雨滴击打地面的动能小,入渗速率较小[21],同时对照组裸地因为雨滴击溅作用较弱,不易形成地表板结与坡面汇流,入渗速率较大[22]。植被毯能够增加坡面入渗,主要是由于覆盖植被毯的坡面更加粗糙,增加了局部范围的湍流和旋流,使坡面径流流速减小,从而增加径流在坡面上滞留的时间,增加坡面入渗量[2324];另外,植被毯本身的孔隙结构也能增加坡面水分的储存量,在降雨强度较大(1.01～2.02 mm/min)的情况下,覆盖植被毯的坡面入渗系数呈现减小趋势。一方面是由于降雨强度大,溅蚀强度大,会破坏地表完整性,增加雨水滞留在坡面上的时间,增加入渗速率[25];另一方面,植被毯本身渗水性较弱,入渗速率小于降雨强度,产生一部分超渗产流[2627],减小了坡面的入渗量。降雨强度条件为2.02 mm/min时的径流过程也表明,坡面径流流速快速增加并趋于稳定,也证明了降雨强度较大情况下植被毯覆盖坡面发生超渗产流的合理性。

不同降雨强度3组试验坡面的径流显著性方差分析和多重比较(α=0.05)结果见表4。可以得出:不同降雨强度各组径流均差异显著。在降雨强度较小(0.56 mm/min)时,径流大小为麦秸秆组＜对照组＜椰丝纤维组,降雨强度较大(1.01、2.02 mm/ min)时,径流大小为麦秸秆组＜椰丝纤维＜对照组。覆盖植被毯对最大径流的消减作用不明显,各组在3种降雨强度条件下均无明显差异(P＞0.05)。在降雨强度为1.01 mm/min时,覆盖植被毯使坡面径流系数有明显的减小,且椰丝纤维组＜麦秸秆组。

表4 不同覆盖条件下的坡面径流特性Tab.4 Characteristics of surface runoff on slope with different mulches

3 结论与讨论

1)铺设植被毯能够保护坡体,防止雨滴直接击溅,是有效的坡面防护措施。在降雨强度为1.01 mm/min时,植被毯减少径流、增加入渗的效果最显著。

2)不同材料植被毯径流过程有明显的差异。降雨强度为0.56、1.01 mm/min时,入渗系数为麦秸秆＞椰丝纤维;降雨强度为2.02 mm/min时,入渗系数为椰丝纤维植＞麦秸秆。

3)同种材料不同质量的植被毯径流总量有较大差异。同种材料中,200～300 g/m2的植被毯在3种降雨强度条件下均能够取得较其他质量植被毯更好的保水效果。

试验采用变时长分时段采集径流数据的方法,人工操作存在一定误差,导致降雨5～15 min时段上获得的径流数据发生上下波动,但并不影响径流过程总体趋势和入渗系数、径流总量的计算结果。另外,试验也发现,试验所用土壤对铺设植被毯坡面的径流过程也有较大的影响,不同土壤类型的试验将是下一步研究的重点。

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(责任编辑:宋如华)

Runoff producing characteristics of vegetation carpet greening technology at different rainfall intensities

Yue Huanbi1,Yang Jianying1,Yang Yang1,Shi Changqing1,Zhao Ping2,Shen Yi3
(1.College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Beijing Orient Landscape Co.,Lt., 100087,Beijing,China;3.Institute of Highway Since,Ministry of Transport of the People's Republic of China,100088,Beijing,China)

The objectives of this study were to explore the applicability of vegetation carpet technology in different climate conditions,and analyze the impact of different rainfall intensities on runoff,infiltration coefficients and infiltration depth.We set up three rainfall intensities(0.56,1.01,2.02 mm/min), filled earth into erosion boxes and arranged various types of vegetation carpets,and simulated construction slope.Non-coverage control groups were set up,and simulated rainfall was conducted over the erosion boxes in the tangential spraying hall.The results showed that:1)Vegetation carpet could increase runoff infiltration;at the rainfall intensity of 1.01 mm/min,wheat straw vegetation carpet and coconut fiber vegetation carpet can increase the infiltration by 27.7% and 28%,respectively.2)There were significant differences in runoff process of the vegetation carpets made by different materials;at the rainfall density of 0.56 and 1.01 mm/min,infiltration coefficient of wheat straw was higher than that of coconut fiber,while the opposite was true at 2.02 mm/min.3)There were marked differences between the total runoff of the vegetation carpets made by the same material but different masses;for the same material,the vegetation carpet with a mass of 200-300 g/m2had better water retention performance atthe three rainfall densities than the vegetation carpets of other masses.

vegetation carpet;rainfall simulation;highway slope;infiltration characteristics

S184

A

1672-3007(2015)01-0035-07

2014- 03- 26

2014- 11- 04

项目名称:国家级大学生创新创业训练计划资助项目(G201410022009);安徽省高速公路控股集团有限公司“高速公路生态型护坡技术应用研究”(AHGS2013 -5);公路交通环境保护技术交通行业重点实验室开放课题“植物纤维毯理化性质研究”

岳桓陛(1993—),男,本科生。主要研究方向:工程绿化与水土保持。E-mail:yeuhuanbi@163.com

†通信作者简介:杨建英(1965—),女,博士,副教授。主要研究方向:工程绿化与水土保持。E-mail:jyyang@bjfu.edu.cn