丘陵溝壑區(qū)植被過濾帶對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響試驗(yàn)研究

楊章泉

(上饒市科信水土保持監(jiān)測(cè)有限公司，江西 上饒 334000)

水土流失是制約我國許多地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸因素，是我國生態(tài)建設(shè)過程中必須要解決的重要問題。由于受到氣候特征的影響，我國大部分地區(qū)降水集中于夏季，且大雨、暴雨頻發(fā)，并由此產(chǎn)生大量的地表徑流，這不僅是山地丘陵區(qū)水土流失的主要來源，同時(shí)也給水源涵養(yǎng)造成諸多不利影響[1]。另一方面，我國的丘陵地區(qū)存在著大量的坡耕地，雖然在國家政策的支持下在逐步實(shí)施退耕還林，但是為保證群眾收入，在還林過程中一般選擇的是以果樹為主的經(jīng)濟(jì)林品種。由于現(xiàn)在的果園普遍采用清耕制，需要人為除去地表的雜草，使地表保持裸露狀態(tài)，因此區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重問題難以得到有效解決[2]。顯然，對(duì)降雨徑流進(jìn)行有效調(diào)控，不僅可以消弱水土流失的源動(dòng)力，同時(shí)還可以將土壤水分的增量加以有效利用，實(shí)現(xiàn)雨水的資源化利用[3]。坡面植被過濾帶指位于水土流失發(fā)生區(qū)域下游方向的帶狀植物區(qū)，一般沿與坡線垂直的方向分段設(shè)置，可以充分發(fā)揮阻止坡面徑流以及泥沙和污染物的下移的作用，屬于行之有效的水土保持植被措施[4]?；诖耍舜窝芯坷矛F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，探討植被過濾帶及其不同的設(shè)計(jì)方式對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，為其工程應(yīng)用和發(fā)揮作用提供有力的支持。

1 研究材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

此次實(shí)驗(yàn)選擇某地退耕還林種植臍橙的坡耕地作為背景研究區(qū)，其自然坡度為25°～32°，屬于典型的丘陵溝壑區(qū)，研究區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫為15.2℃，多年平均降水量為884.5mm。流域內(nèi)的主要土壤類型為紅壤，土壤厚度較大，物理性質(zhì)較好，適合植物的生長。

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，研究中選擇30°作為試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)坡度，設(shè)置植被過濾帶試驗(yàn)小區(qū)，并以裸坡為對(duì)照[5]。試驗(yàn)區(qū)的長為6m，對(duì)小區(qū)利用鋼板進(jìn)行分割，分為寬度為1m的多個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)利用方管搭建防風(fēng)棚，四周利用彩條布進(jìn)行包圍和遮擋，以避免試驗(yàn)中自然風(fēng)力對(duì)降雨可能產(chǎn)生的影響，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的末端設(shè)置三角形集流槽，以便收集試驗(yàn)中的徑流和泥沙樣[6]。

試驗(yàn)中的模擬降雨采用的是側(cè)噴式降雨器，其主要構(gòu)成見表1。該降雨器可以通過更換不同規(guī)格的噴頭以及壓力閥，對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，其降雨高度最高可達(dá)7m，有效降雨面積4m×9m，降雨均勻度為85%以上，完全滿足試驗(yàn)需求。

表1 人工降雨模擬器的構(gòu)成

1.2 試驗(yàn)方案

香根草屬于多年生草本植物，廣泛分布于我國的南方省份，其根須含有香油精，幼葉是良好的飼料，莖稈可以做造紙?jiān)?，具有一定的?jīng)濟(jì)價(jià)值。其根系能夠穿透堅(jiān)硬的紅黏土，可長至2～3m深，同時(shí)其根系數(shù)量多，可以有效提升土體的抗剪強(qiáng)度，起到良好的穩(wěn)定邊坡和防止水土流失的作用?；诖耍舜卧囼?yàn)選擇香根草作為植被過濾帶的植物種類。結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)和工程實(shí)際，此次研究選擇植被過濾帶的寬度和過濾帶數(shù)量作為主要影響因素，在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置寬度為0、0.5、1、1.5、2.0、2.5m的過濾帶進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取過濾帶寬度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響規(guī)律，從而獲取最佳過濾帶寬度[7]。然后在最佳寬度的基礎(chǔ)上，對(duì)不同過濾帶設(shè)置數(shù)量對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲取最佳的過濾帶設(shè)置方式。結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和降雨特征，研究中選擇研究中選擇40、80、120、160mm/h 4種不同的降雨雨強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)，降雨歷時(shí)20min。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行平整和小區(qū)劃分，然后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過濾帶的栽植。在進(jìn)行正式降雨模擬之前，首先用遮雨不遮蓋試驗(yàn)小區(qū)，然后采用梅花樁定點(diǎn)率定的方式對(duì)降雨雨強(qiáng)進(jìn)行率定，并將誤差控制在5%以內(nèi)；在雨強(qiáng)率定完成之后，迅速揭開遮雨布進(jìn)行試驗(yàn)并計(jì)時(shí)，對(duì)坡面的產(chǎn)流時(shí)間進(jìn)行記錄[8]；在產(chǎn)流開始之后，每間隔1min接一個(gè)徑流泥沙樣本，稱量其總重量，泥沙量采用烘干法測(cè)定，兩者的差值為徑流量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 過濾帶寬度

2.1.1產(chǎn)流時(shí)間

試驗(yàn)中對(duì)不同過濾帶寬度方案進(jìn)行不同雨強(qiáng)下的人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)不同試驗(yàn)方案下的產(chǎn)流時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，并繪制出如圖1所示的不同降雨強(qiáng)度下各方案的產(chǎn)流時(shí)間變化曲線。由圖1可以看出，隨著降雨雨強(qiáng)的增加，產(chǎn)流時(shí)間會(huì)不斷縮短。在不同雨強(qiáng)下，產(chǎn)流時(shí)間隨過濾帶寬度的增加呈現(xiàn)出先迅速增加后趨于平穩(wěn)的變化特征，當(dāng)過濾帶寬度大于1.5m時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間的增加極為有限。

圖1 產(chǎn)流時(shí)間隨過濾帶寬度變化曲線

2.1.2平均徑流率

試驗(yàn)中對(duì)不同過濾帶寬度方案進(jìn)行不同雨強(qiáng)下的人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)不同試驗(yàn)方案下的平均徑流率進(jìn)行測(cè)定，并繪制出如圖2所示的不同降雨強(qiáng)度下各方案的平均徑流率變化曲線。由圖2可以看出，在不同雨強(qiáng)下，平均徑流率隨過濾帶寬度的增加呈現(xiàn)出先迅速減小并趨于平穩(wěn)的變化特征，當(dāng)過濾帶寬度大于1.5m時(shí)，平均徑流率的變化幅度較為有限。

圖2 平均徑流率隨過濾帶寬度變化曲線

2.1.3平均產(chǎn)沙率

試驗(yàn)中對(duì)不同過濾帶寬度方案進(jìn)行不同雨強(qiáng)下的人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)不同試驗(yàn)方案下的平均產(chǎn)沙率進(jìn)行測(cè)定，并繪制出如圖3所示的不同降雨強(qiáng)度下各方案的平均產(chǎn)沙率變化曲線。由圖3可以看出，在不同雨強(qiáng)下，平均產(chǎn)沙率隨過濾帶寬度的增加呈現(xiàn)出先迅速減小并趨于平穩(wěn)的變化特征，當(dāng)過濾帶寬度大于1.5m時(shí)，平均產(chǎn)沙率的變化幅度較為有限。

圖3 平均產(chǎn)沙率隨過濾帶寬度變化曲線

2.2 過濾帶數(shù)量

由過濾帶寬度的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)過濾帶寬度大于1.5m時(shí)，再增加過濾帶的寬度對(duì)控制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的效果較為有限，因此最佳過濾帶寬度應(yīng)該為1.5m。因此，試驗(yàn)中保持過濾帶總寬度為1.5m不變，等距設(shè)置1，2、3、4、5條過濾帶進(jìn)行試驗(yàn)，以探討過濾帶條數(shù)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

2.2.1產(chǎn)流時(shí)間

根據(jù)不同雨強(qiáng)、不同過濾帶條數(shù)方案下的產(chǎn)流時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果，繪制出產(chǎn)流時(shí)間隨過濾帶條數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，在不同雨強(qiáng)下，產(chǎn)流時(shí)間隨過濾帶條數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特征，當(dāng)過濾帶為3條時(shí)的產(chǎn)流時(shí)間最長。由此可見，采用多條過濾帶設(shè)置有助于控制坡面的產(chǎn)流時(shí)間，但是過濾帶條數(shù)不宜設(shè)置過多。

圖4 產(chǎn)流時(shí)間隨過濾帶條數(shù)變化曲線

2.2.2平均徑流率

根據(jù)不同雨強(qiáng)、不同過濾帶條數(shù)方案下的平均徑流率試驗(yàn)結(jié)果，繪制出平均徑流率隨過濾帶條數(shù)的變化曲線，結(jié)果如如圖5所示。由圖5可以看出，在不同雨強(qiáng)下，平均徑流率隨過濾帶條數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特征，當(dāng)過濾帶條數(shù)為3條時(shí)，平均徑流率最小。

圖5 平均徑流率隨過濾帶條數(shù)變化曲線

2.2.3平均產(chǎn)沙率

試驗(yàn)中對(duì)不同過濾帶條數(shù)方案的平均產(chǎn)沙率進(jìn)行測(cè)定，繪制出平均產(chǎn)沙率隨過濾帶條數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，在不同雨強(qiáng)下，平均產(chǎn)沙率隨過濾帶條數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特征，當(dāng)過濾帶條數(shù)為3條時(shí)的平均產(chǎn)沙率最小。

圖6 平均產(chǎn)沙率隨過濾帶條數(shù)變化曲線

綜合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)過濾帶條數(shù)為3條時(shí)的產(chǎn)流時(shí)間最長，平均徑流率和平均產(chǎn)沙率最小，為最佳過濾帶條數(shù)的方案。

3 結(jié)語

在山地丘陵區(qū)設(shè)置坡面過濾帶不僅可以控制養(yǎng)分、污染物以及坡面徑流和泥沙的下移，其生物量該可以作為飼料、燃料和生物質(zhì)能源的來源，是一種兼有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)雙重功能的水土保持措施。此次研究以具體工程為依托，利用現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)的方式，探討了過濾帶寬度和條數(shù)對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)過濾帶的設(shè)置提出具體的意見和建議，對(duì)充分發(fā)揮過濾帶的生態(tài)價(jià)值和作用具有重要的支持和借鑒意義。當(dāng)然，此次研究僅針對(duì)單一草本植物展開，在今后的研究中需要進(jìn)一步探索不同草本植物乃至灌草結(jié)合的過濾帶設(shè)置方式，為過濾帶生態(tài)作用的發(fā)揮提供更有力的支持。