挡水埂对弃土场雨水资源利用的影响研究

刘 燕，周建海

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

1 引言

随着用水压力与日俱增，雨水资源利用越来越受到人们的重视，特别是在人口快速增长、水资源紧缺的城市，多种雨水资源利用的技术和方式被开发和应用[1～3]。以径、集、渗、储、蓄、净为一体的海绵城市雨水生态系统，在很多城市陆续建成[4～6]。在水土流失非常严重的西北黄土高原区，雨水资源利用更为重要，有研究表明，通过调整植被类型，雨水资源可基本满足植被恢复耗水需求，这在一定程度上缓解了水资源的供需矛盾[7]。充分利用雨水资源对干旱的西北黄土高原区具有非常重要的意义[8]，一些学者对黄土高原区不同类型的雨水资源利用进行了研究，比如，周媚芳对梯田果园集水补灌技术进行试验研究，可提升果园雨水利用效率9.7%～19.7%[9]。余海龙等[10]在阐述雨水资源利用各阶段技术的基础上，分析了雨水资源利用对区域水土保持的意义。高学睿等[11]利用基于分布式水文模拟技术的雨水资源潜力模型，对当地的雨水资源化潜力进行评价，雨水资源可以基本满足区域植被恢复的用水需求。赵旗[12]构建SWAT分布式水文模型定量评估研究区雨水资源化潜力，分析了未来研究区雨水资源化潜力的时空演变趋势。一些学者对弃土场水土保持工程进行了研究，比如，杨世君等提出弃土场边坡柔性生态修复技术，为黄土高原弃土场水土流失治理提供了更多选择[13]。然而，挡水埂作为弃土场常见的水土保持措施，关于挡水埂对弃土场雨水资源利用影响的研究，目前还没有系统的科学认识。

鉴于此，本文以“中兰客专”的3个弃土场为研究对象，每个弃土场选择一定数量的样地，测定雨季前后挡水埂内和挡水埂上土壤含水率，分析挡水埂对工程建设项目弃土场雨水利用的影响，以期为研究区的弃土场水土流失治理提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

“中兰客专”(银兰高铁中卫-兰州段)沿线属于以中度水力侵蚀为主、兼具轻度风力侵蚀的西北黄土高原区，原地表平均土壤侵蚀模数约为3000 t/(km2·a)。线路所经白银市的靖远县、兰州市的西固区和七里河区属于甘青宁黄土丘陵国家级水土流失重点治理区；白银市的白银区、靖远县、平川区和兰州市的皋兰县、兰州新区、永登县、西固区、七里河区属甘肃省水土流失重点治理区。沿线地貌类型主要为中低山丘陵区，土壤类型主要为黄绵土、灰钙土和黑炉土[14]。植被类型为温带荒漠植被，沿线河流属于黄河流域[15]。项目区地处中温带干旱和半干旱气候区，年平均气温7.4～9.5 ℃，年降水量176.5～319.6 mm，年平均蒸发量1457.7～1974.2 mm；年平均风速0.9～2.4 m/s[16]。

2.2 试验设计

经野外调研和筛选，在“中兰客专”沿线选取3个弃土场进行土壤含水率的测定，分别是区间路基52#弃土场、双庙沟弃土场和白银南4号弃土场。使用土壤水分速测仪测定挡水埂内和挡水埂上0～15 cm土层的土壤含水率，每块样地均匀布设10个采样点，每个采样点进行3次测量后取平均值，得到每块样地的0～15 cm土层的土壤含水率。研究区的降雨主要集中在6～8月份，分别在2021年4月底和8月底进行土壤含水率的测定，得出研究区雨季前后挡水埂内和挡水埂上的0～15 cm土层的土壤含水率。

2.3 数据处理

对每块样地的10个采样点实测土壤含水率取平均值，计算雨季后相比雨季前挡水埂内0～15 cm土层土壤含水率的增长率。分别计算雨季前后挡水埂内相比挡水埂上0～15 cm土层土壤含水率的增长率，分析挡水埂对弃土场土壤含水率的影响。

3 结果与分析

3.1 雨季前后弃土场土壤含水率变化

3.1.1 区间路基52#弃土场雨季前后土壤含水率变化

区间路基52#弃土场的整治时间是2018年11月份到2020年5月份，田块12 m×12 m，挡水埂宽40 cm，高20 cm。选择8块样地进行0～15 cm土层土壤含水率测定，标号为样地A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8。使用土壤水分速测仪，每块样地均匀布设10个采样点，每个采样点进行3次测量后取平均值，分别计算这8块样地雨季前后挡水埂内0～15 cm土层土壤含水率的增长率，计算结果如表1所示，区间路基52#弃土场8块样地的土壤含水率均在雨季后大幅增长，增长率在71.96%～125.21%，增长幅度较高。

表1 区间路基52#弃土场雨季前后0～15 cm土层土壤含水率 %

3.1.2 双庙沟弃土场雨季前后土壤含水率变化

双庙沟弃土场的整治时间是2018年11月到2019年10月份，田块12 m×12 m，挡水埂宽50 cm，高20 cm。选择4块样地进行土壤含水率测定，标号为样地B1、B2、B3、B4。使用土壤水分速测仪，每块样地均匀布设10个采样点，每个采样点进行3次测量后取平均值，分别计算这4块样地雨季前后挡水埂内0～15 cm土层土壤含水率的增长率，计算结果如表2所示，双庙沟弃土场4块样地的土壤含水率均在雨季后大幅增长，增长率在88.28%～110.99%，增长幅度较高。

3.1.3 白银南4#弃土场雨季前后土壤含水率变化

白银南4号弃土场的整治时间是2019年10月份到2020年6月份，田块10 m×10 m，挡水埂呈梯形状，上底宽30 cm，下底宽50 cm，高30 cm。选择4块样地进行土壤含水率测定，标号为样地C1、C2、C3、C4。使用土壤水分速测仪，每块样地均匀布设10个采样点，每个采样点进行3次测量后取平均值，分别计算这4块样地雨季前后挡水埂内0～15 cm土层土壤含水率的增长率，计算结果如表3所示，白银南4#弃土场4块样地的土壤含水率均在雨季后大幅增长，增长率在91.92%～128.72%，增长幅度较高。

表2 双庙沟弃土场雨季前后0～15 cm土层土壤含水率 %

表3 白银南4#弃土场雨季前后0～15 cm土层土壤含水率 %

以上3个弃土场所有样地的挡水埂内0～15 cm土层土壤含水率均在雨季后大幅增长，说明雨水资源对于研究区弃土场有非常重要的意义，在干旱的西北黄土高原区，利用雨水资源对于弃土场水土流失防治是非常必要的，良好的水源涵养能力也为弃土场配套的植物措施提供更好的生长条件。另外，区间路基52#弃土场和双庙沟弃土场的田块规格和挡水埂高度均相同，只有挡水埂的宽度不同，雨季后土壤含水率的增长率没有显著差别，白银南4#弃土场的田块规格和挡水埂形状均与前述2个不同，但雨季后土壤含水率的增长率亦没有显著差别。

3.2 挡水埂对弃土场土壤含水率的影响

3.2.1 挡水埂对区间路基52#弃土场土壤含水率的影响

选择的8块样地与前述测量挡水埂内土壤含水率相同，分别测量这8块样地雨季前后挡水埂埂上土壤含水率，并计算雨季前后挡水埂内土壤含水率相比挡水埂上土壤含水率的增长率，结果见表4。雨季前区间路基52#弃土场挡水埂内相比挡水埂上土壤含水率的变化幅度不大，增长率为-5.70%～2.99%，说明雨季前挡水埂内和挡水埂上的土壤含水率没有明显差异。雨季后区间路基52#弃土场挡水埂内相比挡水埂上土壤含水率的变化幅度较大，增长率为8.07%～13.67%。

表4 区间路基52#弃土场雨季前后挡水埂上0～15 cm土层土壤含水率 %

3.2.2 挡水埂对双庙沟弃土场土壤含水率的影响

选择的4块样地与前述测量挡水埂内土壤含水率相同，分别测量这4块样地雨季前后挡水埂埂上土壤含水率，并计算雨季前后挡水埂内土壤含水率相比挡水埂上土壤含水率的增长率，结果见表5。雨季前双庙沟弃土场挡水埂内相比挡水埂上土壤含水率的变化幅度不大，增长率为-2.60%～4.19%，说明雨季前挡水埂内和挡水埂上的土壤含水率没有明显差异。雨季后双庙沟弃土场挡水埂内相比挡水埂上土壤含水率的变化幅度较大，增长率为8.70%～12.52%。

表5 双庙沟弃土场雨季前后挡水埂上0～15 cm土层土壤含水率 %

3.2.3 挡水埂对白银南4#弃土场土壤含水率的影响

选择的4块样地与前述测量挡水埂内土壤含水率相同，分别测量这4块样地雨季前后挡水埂埂上土壤含水率，并计算雨季前后挡水埂内土壤含水率相比挡水埂上土壤含水率的增长率，结果见表6。雨季前双庙沟弃土场挡水埂内相比挡水埂上土壤含水率的变化幅度不大，增长率为-1.49%～2.63%，说明雨季前挡水埂内和挡水埂上的土壤含水率没有明显差异。雨季后双庙沟弃土场挡水埂内相比挡水埂上土壤含水率的变化幅度较大，增长率为9.00%～12.05%。

表6 白银南4#弃土场雨季前后挡水埂上0～15 cm土层土壤含水率 %

以上3个弃土场所有样地挡水埂内相比挡水埂上的0～15 cm土层土壤含水率，雨季前没有显著差异，雨季后增长率较高，说明挡水埂可以有效地利用雨水资源，对防治水土流失有非常重要的意义。另外，挡水埂蓄集雨水为弃土场的植物措施补充水分，有利于区域生态环境的修复。挡水埂施工简便，建设成本较低，是一种性价比较高的水土保持工程措施。

4 结论

(1)研究区所有样地的挡水埂内0～15 cm土层土壤含水率均在雨季后大幅增长，增长幅度高达71.96%～128.72%，对于干旱半干旱地区的建设工程项目弃土场整治，有效地利用雨水资源对于弃土场水土流失防治是非常必要的。

(2)研究区所有样地挡水埂内相比挡水埂上的0～15 cm土层土壤含水率，雨季前没有显著差异，雨季后增长率较高，增幅为8.07%～13.67%，挡水埂对弃土场雨水资源利用具有积极的作用，良好的涵养水源为植被恢复提供有利条件。

相关结果可为西北黄土高原区生产建设项目弃土场水土流失防治提供参考，今后将进一步加强不同深度不同季节的弃土场土壤水分对雨水的响应机制，深化对弃土场水土流失防治技术的认识。