降雨强度和植被覆盖对岩土边坡产流产沙的影响研究

汪海涛,林 洋

(1.江苏淮源工程建设监理有限公司 ,江苏 淮安 223001;2.淮安市清江浦区顺河洞灌区管理所,江苏 淮安 223001)

0 引言

土壤侵蚀是影响生态环境的重要生态问题,将会使土地和植被遭受破坏,导致生态失调,加剧了干旱的发展。为防止土壤侵蚀,芮茂刚等[1]对砾石作用下松散红壤堆积体坡面产流产沙特征进行了研究,结果表明:降雨强度和砾石均会改变堆积体坡面径流产沙和流速,差异显著且呈“水大沙多”特点;司英凡等[2]对不同水土保持措施下径流小区产流产沙与降雨关系进行了研究,结果表明:种植经果林、农作物、乔木林、草地均能够有效拦蓄径流泥沙;草地植被盖度高,生长快,可作为短时间内防治水土流失的有效手段;苟俊菲等[3]对紫色土坡面细沟形态变化及其对产流产沙的影响进行了研究,研究结果表明:流量与产流率、产沙率和细沟侵蚀速率呈正相关关系,坡长与产沙率呈正相关关系,而与产流率和细沟侵蚀速率呈负相关关系;范德政等[4]对宁夏黄土丘陵沟壑区产流产沙特征及其影响因素量化进行了研究,结果表明:20°坡度减流效益最好,陡坡则具有更好的减沙效益;不同水土保持措施中,人工灌木林地的减流效益和减沙效益较高。以上学者对坡面产流产沙特征进行了研究,分析了坡面形态变化对产流产沙的影响。

基于此,本文参考以上学者的研究成果,通过模拟降雨试验,依托坡耕地水土保持工程,分析了降雨强度和植被覆盖率对岩土边坡的径流量和产沙量影响。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本次降雨模拟试验依托坡耕地水土保持工程,根据坡耕地坡度和降雨强度,设置了65 mm/h、100 mm/h、125 mm/h三种降雨强度,边坡的坡度为30°,试验选择了两种本地常见的植物作为研究对象,分别为狗牙根(草本)和多花木蓝(灌木),两种植物根系发达、适应贫瘠土壤生长。试验前,使用数码相机对试验基地内地块的地表垂直拍照,根据照片测量植被覆盖,通过拔草的方式控制犬齿龙的覆盖率,育苗和移栽的方法控制多花木蓝的覆盖率。

试验土壤取自丘陵区坡耕地表层红壤,试验红土的粒径由9.8%的沙子、72.8%的淤泥和17.4%的粘土组成,并将直径大于2 mm的所粗碎片统称粗颗粒。将粗颗粒的质量百分比表征试验地块中粗颗粒的数量,试验设计粗颗粒的含量为土壤质量的10%,基于当地砾石分布情况将粗颗粒分布在试验土壤中。红土自然干燥,粗颗粒充分混合,最大限度地减少与野外土壤之间的差异,将48 cm厚的土壤以每层12 cm的增量填充在每个土壤仓中,保持土壤仓中土壤体积密度为1.25 g/cm3,每层红土和粗颗粒的重量由土壤仓体积、土壤容重和粗颗粒含量决定。

1.2 试验方法

试验设备由土壤箱和降雨模拟器组成,试验土壤仓尺寸长×宽×高分别为2.5 m×0.7 m×0.5 m,径流收集设备中两个取水口位于距离斜坡底部不同的高度,用于收集地表径流和地下径流,试验总共制作了8个试验径流小区,其中1个径流小区为荒地,土壤表面没有植被覆盖,3个径流小区覆盖狗牙根,2个径流小区覆盖多花木蓝,剩下2个径流小区覆盖狗牙根和多花木蓝两种植物,各土壤仓植物的覆盖模式及覆盖率如表1所示。

表1 土壤仓植物覆盖模式及覆盖率

降雨模拟器由9组喷嘴组成,喷嘴的高度为4 m,通过压力和喷嘴间距调整试验期间的降雨强度,降雨强度的均匀性大于0.85,进行降雨试验前,对降雨设备进行了校准测试,为了保证实验的准确性,选择无风条件下进行了降雨模拟实验。试验前,先施加25 mm/h的降雨强度,直到降雨径流开始,然后使用塑料片覆盖地块24 h,使水完全渗透到土壤中,将试验土壤的水分保持在接近自然土壤条件的水平,并确保每次降雨时土壤水分保持不变。

降雨试验过程中,每次降雨试验持续40 min,间隔4 min在塑料容器中收集径流量和输沙量数据。试验结束后,将降雨和沉积物样品在塑料容器中沉淀24 h,直到沉积物完全沉积在塑料容器底部,从样品中倒出上清液,收集沉积物,将沉积物在105℃的烘箱中干燥至恒重7～9 h,对干沉积物进行称重,试验中的径流量和侵蚀率通过将单位面积的径流量和输沙量分别除以降雨时间确定。

2 试验结果与分析

2.1 不同雨强下径流量变化

根据试验数据,不同降雨强度条件下,各径流小区的径流量如图1所示。

图1 不同降雨强度下小区径流量变化

由图1(a)可知,降雨强度为65 mm/h时,相较其它小区径流量,荒地(A小区)的径流量最大。小区表面为单一的狗牙根(草本)植被和多花木蓝(灌木)时,随着植被覆盖率的增大,草本小区(B1～B3)和灌木小区(B4～B5)的径流量均逐渐减小,且单一的灌木小区(B4和B5)的径流量大于草本小区(B1～B3)。小区的植被为狗牙根和多花木蓝的混合植被时,小区混合植被的覆盖率越高,小区的径流量越低。

由图1(b)可知,降雨强度为100 mm/h时,降雨的初期阶段,由于土壤的入渗和植被的阻挡,植被覆盖的小区径流量无明显规律,降雨时间持续20 min后,各小区的径流趋于稳定,小区的径流量呈小幅度变化趋势。降雨时间持续20 min时,A小区和B1～B7小区的径流量分别为10.3 L、6.2 L、4.8 L、3.6 L、6.6 L、6.4 L、5.7 L、3.8 L;降雨时间持续32 min时,A小区和B1～B7小区的径流量分别为12.1 L、6.9 L、6.3 L、4.5 L、8.4 L、7.5 L、5.8 L、4.1 L;当降雨时间持续40 min时,A小区和B1～B7小区的径流量分别为12.1 L、7.3 L、6.4 L、4.8 L、8.5 L、8.1 L、6.0 L、4.2 L。荒地(A小区)的径流量最大,覆盖率为65%的灌木小区(B4小区)的径流量次之,覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)径流量最小。

由图1(c)可知,降雨强度为125 mm/h时,各小区径流量随着降雨时间的持续逐渐增大,降雨持续16 min时,小区径流量逐渐趋于稳定,增大趋势减小。降雨时间持续16 min时,A小区和B1～B7小区的径流量分别为15.6 L、12.3 L、10.2 L、8.5 L、11.2 L、8.6 L、9.8 L、8.2 L;当降雨时间持续28 min时,A小区和B1～B7小区的径流量分别为16.3 L、13.3 L、12.4 L、9.4 L、13.8 L、12.1 L、12.4 L、8.0 L;降雨时间持续40 min时,A小区和B1～B7小区的径流量分别为16.5 L、14.5 L、12.6 L、10.2 L、15.6 L、14.7 L、12.9 L、7.9 L。荒地(A小区)的径流量最大,覆盖率为65%的灌木小区(B4小区)的径流量次之,覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)径流量最小。

由图1可知,相同的降雨强度下,整个模拟降雨过程中,荒地(A小区)的径流量始终大于植被覆盖的小区。在相同的降雨强度和不同类型植被覆盖下,径流量随着植被覆盖率的增加而减少,且灌木小区的径流量大于草本小区,覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)径流量最小。径流量随降雨持续时间的增加而变化,降雨前期表现为径流量的不稳定增加,随着降雨时间的持续,径流量逐渐趋于稳定状态,径流量变化幅度小,直至每次模拟降雨结束。因此,采取草本和灌木混合种植,植被覆盖率大于85%的水土保持措施,可防止岩土边坡遭受降雨侵蚀。

2.2 不同雨强下产沙量变化

根据试验数据,不同降雨强度条件下,各径流小区的产沙量如图2所示。

图2 不同降雨强度下小区产沙量变化

由图2(a)可知,降雨强度为65 mm/h时,相较其它小区径流量,荒地(A小区)的产沙量最大。降雨时间小于20 min时,荒地(A小区)和植被覆盖率为65%的灌木小区(B4小区)产沙量快速增大,且B4小区的产沙量大于A小区,降雨时间大于20 min时,B4小区产沙量增大趋势减小,A小区的产沙量大于B4小区,随着降雨的持续逐渐增大。小区表面为单一的狗牙根(草本)植被和多花木蓝(灌木)时,随着植被覆盖率的增大,草本小区(B1～B3)和灌木小区(B4～B5)的产沙量均逐渐减小,其中,植被覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)产沙量最小。

由图2(b)可知,降雨强度为100 mm/h时,降雨的初期阶段,由于土壤的入渗和植被的阻挡,植被覆盖的小区产沙量无明显规律,降雨时间持续20 min后,各小区的产沙量趋于稳定,小区的产沙量呈小幅度变化趋势。降雨时间持续20 min时,A小区和B1～B7小区的产沙量分别为10.5 g、1.6 g、0.8 g、0.9 g、11.0 g、6.8 g、7.4 g、1.3 g;降雨时间持续32 min时,A小区和B1～B7小区的产沙量分别为13.1 g、2.1 g、1.1 g、1.4 g、13.0 g、6.7 g、9.7 g、1.6 g;降雨时间持续40 min时,A小区和B1～B7小区的产沙量分别为13.5 g、2.4 g、1.3 g、1.4 g、12.8 g、6.2 g、10.1 g、1.6 g。荒地(A小区)的产沙量最大,覆盖率为65%的灌木小区(B4小区)的产沙量次之,植被覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)产沙量最小。

由图2(c)可知,降雨强度为125 mm/h时,各小区产沙量随着降雨时间的持续逐渐增大,然后再逐渐趋于稳定,增大趋势减小。当降雨时间持续16 min时,A小区和B1～B7小区的产沙量分别为66.1 g、46.1 g、34.2 g、14.3 g、40.6 g、20.8 g、38.6 g、16.2 g;降雨时间持续28 min时,A小区和B1～B7小区的产沙量分别为69.9 g、62.8 g、38.1 g、30.1 g、53.3 g、34.7 g、44.5 g、20.2 g;降雨时间持续40 min时,A小区和B1～B7小区的产沙量分别为81.4 g、72.8 g、39.1 g、32.1 g、63.0 g、37.2 g、45.3 g、20.3 g。荒地(A小区)的产沙量最大,植被覆盖率为65%的草木小区(B1小区)的产沙量次之,覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)径流量最小。

由图2可知,整个模拟降雨过程中,产沙量的增长趋势较径流量变化大。随着降雨时间的持续,各小区的产沙量均逐渐增大,降雨前期变化无明显规律,降雨时间的持续逐渐增大再趋于平稳。相同的降雨强度下,荒地(A小区)的产沙量明显高于其他小区的产沙量,同一类型植被覆盖下,植被覆盖率越大的径流小区,产沙量越小。不同强度降雨条件下,植被覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)产沙量最小,防止岩土边坡侵蚀措施中,可采用草本和灌木混合种植措施。

3 结语

本文通过模拟降雨试验,研究了降雨强度和植被覆盖对岩土边坡产流产沙的影响,得到以下结论:

(1)随着降雨强度的增大,各径流小区的径流量均逐渐增大,在相同雨强条件下,荒地(A小区)的径流量始终大于植被覆盖的小区,相同类型植被覆盖条件下,植被覆盖率大的小区,径流量越小,且灌木小区的径流量大于草本小区。

(2)不同雨强条件下,荒地(A小区)的径流量最大,覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)径流量最小,在防止边坡侵蚀措施中,可采取草本和灌木混合种植、种植的植被覆盖率大于85%的种植方式,防止边坡遭受降雨侵蚀。

(3)相同的降雨强度下,荒地(A小区)的产沙量明显高于其他小区的产沙量,同一类型植被覆盖下,植被覆盖率越大的径流小区,产沙量越小。不同雨强条件下,荒地(A小区)的产沙量最大,覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)产沙量最小。因此,在水土保持工程中,建议采用草本和灌木混合种植的模式,并提高坡面植被覆盖率,可降低岩土坡面的径流量和产沙量,防止岩土边坡遭受降雨侵蚀。