植被配置方式对侵蚀性降雨下径流的影响

2022-12-26杜广荣

水利科技与经济 2022年12期

杜广荣

(广东河海工程咨询有限公司，广州 510610)

1 概述

植被种植是防止水土流失的一项基本措施，植被合理的配置方式能增强土壤的抗蚀能力，有效防止土壤被侵蚀。对此，学者们进行了多方面研究。吕皎等[1]对太行山中山区6种植被配置模式的水土保持功能进行了研究，结果表明不同植物的混交种植，能有效防止土壤流失，增强水土保持功能。侯晓龙等[2]对安溪崩岗侵蚀区不同植被配置模式与恢复效果进行了研究，结果表明不同植被配置模式能有效防止土壤侵蚀。亢伟等[3]对不同植被配置对坡面土壤侵蚀的影响进行了研究，结果表明不同植被配置能有效减少坡面径流量和产沙量。许玉姣等[4]对黄土丘陵沟壑区不同植被配置模式径流产沙量进行了研究，结果表明设置不同植被配置模式，能有效减少土壤径流产生，增加了水土保持效益。孙一等[5]对坡面植被覆盖度对泥沙输移的影响特性进行了研究，结果表明坡面植被覆盖能有效减少流水的输沙能力，覆盖度越大，减沙效果越明显。石智宇等[6]对沂河流域植被覆盖时空演变及其与径流的关系进行了研究，结果表明植被覆盖度越大，地表径流减少越显著，能有效加强生态环境保护。孙佳美等[7]对植被覆盖坡面土壤侵蚀的水动力学机理进行了研究，结果表明坡面植被覆盖具有良好的减流减沙效果，能有效减少坡面土壤侵蚀。杨凯祥等[8]对三峡库区土壤侵蚀和植被覆盖变化进行了分析，结果表明增加植被覆盖度，能有效减少土壤侵蚀，增强生态环境保护。

以上研究均未针对植被配置方式对侵蚀性降雨下径流进行分析。因此，本文对灌木和草本不同配置方式，在不同强度降雨条件下的产沙量和产流量进行试验。

2 研究材料与方法

2.1 研究区概况

本次模拟降雨试验土壤为棕壤性土壤，取自胶东半岛南部某市境内的森林公园，该地区为低山丘陵区，坡面坡度为5°～45°，主峰海拔549.7 m，年平均降水量698.4 mm。研究区内植物主要为景观林，林中野生灌木和草本交互分布。公园内常见的树木有赤松、黑松、刺槐等，灌木有胡枝子、映山红、野蔷薇等，草本有山菊花、凤仙花、石竹等。

2.2 试验设计与方法

本次模拟降雨试验在室内水土保持大厅内进行，设置3种降雨强度，分别是20、50、100 mm/h，降雨历时30 min。降雨大厅采用下喷式降雨系统和降雨集流系统相结合，通过设备的电脑控制器调节降雨强度的大小，该设备可实现降雨强度0.5～5 mm/min的连续变化过程，降雨有效高度最高可达10 m，降雨均匀度>90%。试验用坡面为可调节坡度的不锈钢槽，钢槽规格长×宽×高为4 mm×0.8 mm×0.5 mm。

根据研究区坡度现状和植被分布情况，以20°坡度为试验坡度，以常用灌木和草本为试验对象，灌木选取映山红，草本选取山菊花。根据灌木和草本在坡面分布的差异性，设置不同的配置方式，配置方式包括灌木和草本在坡面的覆盖度及在坡面分布的位置。试验根据映山红和山菊花覆盖度设置不同配比，分别是2∶1(图1)和1∶1(图2)，将灌木和草本种植在不同的坡位实现空间配置，当灌木覆盖度60%，草本覆盖度30%，灌木草本覆盖度2∶1，灌木种植在坡上见图1(a)、坡中见图1(b)、坡下见图1(c)。当灌木覆盖度30%，草本覆盖度30%，灌木草本覆盖度1∶1，灌木种植在坡上见图2(a)、坡中见图2(b)、坡下见图2(c)。

图1 灌木和草本覆盖度2∶1示意图

图2 灌木和草本覆盖度1∶1示意图

将土壤从研究区取回后，经自然风干，将土壤研细并过孔径为15 mm的筛孔，去除土壤里的砾石和植物根茎残渣。然后对钢槽进行分层填土，填土高度为45 cm，分3层，每层为15 cm。每填充一层土壤均抹平压实，再填充下一层。填土完成后，将表面进行粗糙度处理，再移栽灌木和撒播草本种子，并进行多次浇水，保证植被成活率。

进行试验前，测量土壤含水率，保证各坡面土壤含水率基本一致。开始降雨后，记录开始产流时间，出现径流后，前2 min进行一次采样，后面每4 min进行一次采样。开始产流30 min后，停止降雨，收集的径流静置24 h后，进行产流量测量。再将沉积的泥沙取出，放入烘箱烘干后称重，计算产沙量。

3 试验结果分析

3.1 坡地产流量分析

试验结束后，根据采样数据，在不同降雨条件下，灌木和草本不同配置方式坡面的产流过程变化趋势见图3。

图3 灌木和草本坡面产流量表

图3(a)中，当时间为2 min时，降雨强度为20 mm/h，灌木和草本各配置方式的产流量进行对比。A-PS(坡上)、A-PZ(坡中)、A-PX(坡下)、B-PS(坡上)、B-PZ(坡中)、B-PX(坡下)产流量分别为408、480、380、930、1 000、580 ml；当时间为6 min时，产流量分别为783、500、420、1 150、1 120、665 ml；当时间为14 min时，产流量分别为815、525、520、1 180、1 190、700 ml；当时间为22 min时，产流量分别为900、600、580、1 220、1 180、785 ml；当时间为26 min时，产流量分别为958、620、605、1 300、1 270、765 ml；当时间为30 min时，产流量分别为1 020、635、620、1 320、1 235、750 ml。由此可知，在降雨初期，各试验区产流量均快速增加，在相同降雨强度下，A-PX植被配置方式较其它5种配置方式的产流量最低；在灌木和草本覆盖比相同时，出现径流后前4min，灌木位于坡上的产流量较坡上、坡中高，随着时间增加，灌木位于坡上的产流量最高，坡中的产流量次之，坡下的产流量最低。

图3(b)中，当时间为2 min时，降雨强度为50 mm/h，灌木和草本各配置方式的产流量进行对比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX产流量分别为1 250、1 000、400、1 320、1 290、800 ml；当时间为6 min时，产流量分别为1 330、1 280、660、1 600、1 350、1 160 ml；当时间为14 min时，产流量分别为1 520、1 450、960、1 700、1 455、1 465 ml；当时间为22 min时，产流量分别为1 620、1 510、1 040、1 790、1 520、1 560 ml；当时间为26 min时，产流量分别为1 680、1 580、1 080、1 800、1 560、1 620 ml；当时间为30 min时，产流量分别为1 690、1 590、1 110、1 800、1 580、1 785 ml。由此可知，在降雨初期，各试验区产流量均快速增加，在相同降雨强度下，B-PS植被配置方式较其它5种配置方式的产流量最高，A-PX植被配置方式的产流量最低；在灌木和草本覆盖比相同时，灌木位于坡上的产流量最高，坡中的产流量次之，坡下的产流量最低。

图3(c)中，当时间为2 min时，降雨强度为100 mm/h，灌木和草本各配置方式的产流量进行对比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX产流量分别为1 760、1 680、700、2 020、1 800、1 030 ml；当时间为6 min时，产流量分别为2 110、1 820、1 080、2 160、1 920、1 380 ml；当时间为14 min时，产流量分别为2 190、2 020、1 345、2 200、2 060、1 780 ml；当时间为22 min时，产流量分别为2 260、2 060、1 380、2 265、2 130、1 950 ml；当时间为26 min时，产流量分别为2 260、2 130、1 400、2 320、2 140、1 935 ml；当时间为30 min时，产流量分别为2 270、2 160、1 415、2 400、2 210、1 910 ml。由此可知，在降雨初期，各试验区产流量均快速增加，在相同降雨强度下，B-PS植被配置方式较其它5种配置方式的产流量最高，A-PX植被配置方式的产流量最低；在灌木和草本覆盖比相同时，灌木位于坡上的产流量最高，坡中的产流量次之，坡下的产流量最低。

3.2 坡地产沙量分析

根据采样数据，在不同降雨强度下，灌木和草本不同配置方式坡面的产沙过程变化趋势见图4。

图4 灌木和草本坡面产沙量表

图4(a)中，当时间为2 min时，降雨强度为20 mm/h，灌木和草本各配置方式的产沙量进行对比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX产沙量分别为0.48、0.48、0、1.6、0.45、0.3 g；当时间为6 min时，产沙量分别为0.65、0.6、0.2、2.4、0.65、0.45 g；当时间为14 min时，产沙量分别为1.1、0.67、0.32、2.85、1、0.6 g；当时间为22 min时，产沙量分别为1.25、0.7、0.35、3.15、1.15、0.68 g；当时间为26 min时，产沙量分别为1.45、0.73、0.38、3.25、1.25、0.72 g；当时间为30 min时，产沙量分别为1.75、0.72、0.4、3.35、1.35、0.75 g。由此可知，在相同降雨强度下，B-PS植被配置方式较其它5种配置方式的产沙量最高，A-PX植被配置方式产沙量最低；在灌木和草本覆盖比相同时，灌木位于坡上的产沙量最高，坡中的产沙量次之，坡下的产沙量最低。

图4(b)中，当时间为2 min时，降雨强度为50 mm/h，灌木和草本各配置方式的产沙量进行对比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX产沙量分别为0.6、0.8、0.35、1.6、1.4、1.15 g；当时间为6 min时，产沙量分别为1.48、1.2、0.46、2.35、1.515、1.25 g；当时间为14 min时，产沙量分别为1.53、1.35、0.63、2.75、1.68、1.4 g；当时间为22 min时，产沙量分别为2.45、1.4、0.69、2.95、1.735、1.4 g；当时间为26 min时，产沙量分别为2.52、1.45、0.72、3.1、1.95、1.5 g；当时间为30 min时，产沙量分别为2.35、1.52、0.76、3.25、2.05、1.53 g。由此可知，在相同降雨强度下，B-PS植被配置方式较其它5种配置方式的产沙量最高，A-PX植被配置方式产沙量最低；在灌木和草本覆盖比相同时，随着时间的增加，灌木位于坡上的产沙量最高，坡中的产沙量次之，坡下的产沙量最低。

图4(c)中，当时间为2 min时，降雨强度为100 mm/h，灌木和草本各配置方式的产沙量进行对比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX产沙量分别为5.15、1.85、1.55、12.2、5.3、1.8 g；当时间为6 min时，产沙量分别为6、2.7、2.1、12.8、6.05、2.3 g；当时间为14 min时，产沙量分别为7.5、4.1、2.8、16.8、12、4 g；当时间为22 min时，产沙量分别为8.2、5、3、17.6、14.6、4.25 g；当时间为26 min时，产沙量分别为8.5、5.6、3、18、16.2、4.55 g；当时间为30 min时，产沙量分别为8.8、5.9、3.2、18.5、15.8、4.8 g。由此可知，在相同降雨强度下，B-PS植被配置方式较其它5种配置方式的产沙量最高，A-PX植被配置方式产沙量最低；在灌木和草本覆盖比相同时，灌木位于坡上的产沙量最高，坡中的产沙量次之，坡下的产沙量最低。

综上所述，在相同强度的降雨条件下，灌木和草本配置方式从坡上到坡下，平均产流量与产沙量逐渐变小。当灌木位于坡下时，能较好地减少坡面径流。灌木覆盖度越大，产沙量越低。