采石場松散體坡面兩種治理措施的水土保持效益

馮明明，楊建英，史常青，張 華，康 勇，周千里

（1.北京林業大學 水土保持學院，北京100083；2.水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083；3.云南省交通規劃設計研究院，云南 昆明650011；4.北京市工程咨詢公司，北京100031）

為了滿足建設工程對石材的需求，全國各地興建了大量采石場。但在我國采石場數量多、規模小、分布零散布局不合理［1］。其中，中小型采石場絕大部分為山坡型采石場，年生產規模小，僅為3.00×104～5.00×104t，開采范圍一般不足0.01km2，采石場最大采高一般為20～50m［2］。由于開采技術落后以及后期不及時的治理等原因造成了大規模的水土流失，自然景觀破壞，生態環境惡化，生物多樣性銳減等問題［2－5］。許多學者在采石場植被恢復重建以及水土流失的治理方面開展了很多相關研究。鄭濤［6］、楊海軍［7］等利用混合噴播技術、生態石籠護坡技術、邊坡掛網技術、擋土墻措施穩定采石場邊坡，避免滑坡、泥石流，采用植被措施和工程措施相結合的方式在采石場水土保持和植被恢復治理中取得了一定的成果。袁劍剛等［8］以采石場懸崖這種嚴重受損生態系統自然演替早期階段的土壤和植被特征為研究對象，為采石場懸崖的生態恢復提供參考。結合工作實踐，羅松、鄭天媛［9］提出階梯整形覆土綠化方法，為治理采石場遺留的石質開采面提供了新思路。此外，張艷等［10］研究了不同時間梯度的采石場植被多樣性動態規律以及土壤分異特征，為礦山廢棄地植被恢復和重建提供可借鑒的理論依據。本研究以北京市房山區周口店鎮黃院采石場為試驗區進行坡面徑流量、徑流泥沙含量的監測，對采石場區域的土壤、植被、降雨等方面進行觀測與調查，對比分析不同坡度、不同治理措施、不同時間段、不同降雨強度下的水土流失情況。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗區位于北京市房山區周口店鎮建設工程損毀林地植被修復試驗示范區（115°25′—116°15′E，39°30′—39°55′N），南北跨緯度25′，東西經度相間50′［11］。該區域為典型的北方土石山區，屬暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多風，秋季秋高氣爽而短促。年平均氣溫10～12℃，多年平均降水量為655 mm左右［12］。試驗區山高、坡陡，降水較集中，水土流失嚴重［13］。試驗區主要組成樹種有油松（Pinus tabuliformis）、側 柏 〔Platycladus orientalis（L）Franco〕、遼 東 櫟 （Quercus wutaishanica）、槲 櫟（Quercus aliena）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、槲樹（Quercus dentata）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、白樺 （Betula platyphylla）、山 楊 （Populus davidiana）、毛白楊（Populus tomentosa）、五角楓（Acer mone）、小葉白蠟（Fraxinus sogdiana）等。黃院采石場于20世紀40年代開始開采，開采面積約10km2，近10a來亂采現象日益嚴重，導致該區域地面支離破碎，地表植被遭到毀滅性破壞，表土剝離導致山體裸露，自然景觀遭到了嚴重的破壞，廢棄土石隨處堆放，經雨水沖刷后，采石場多次發生滑坡、坍塌現象。2010年采用工程措施與植物措施相結合的方法開始對該區域進行綠化恢復，其中工程措施主要包括壓實處理、擋墻措施、建立水平臺、生態袋護坡措施、生態棒攔擋措施等；植被措施包括容器苗、成苗，播撒草籽；主要喬灌木包括油松、火炬樹（Rhus typhina）、黃櫨（Cotinus coggygria），主要草本植物為高羊茅（Festuca elata）、小冠花（Coronilla varia）、紫花苜蓿（Medicago sativa）等。

1.2 試驗設計

標準徑流小區規格為5m×20m（水平距），且順坡向為長邊；排水系統設置在徑流小區上部和左右兩側，規格大小按20年一遇暴雨設計。每組小區之間隔板采用石材（厚3cm，高40cm），隔板上沿為一側坡尖（向小區外呈60°傾斜，埋深20cm），小區頂部設截水溝，底部設集雨池，將徑流泥沙導入集雨池。徑流小區坡度設置選取20°，25°，30°，35°共4種坡度，坡向選取正西、東南、東北、正北4個坡向（表1）。

生態袋選用無紡布材料，具無毒、不降解、抗酸堿鹽以及微生物侵蝕的的理化優點，透水不透土，且不妨礙袋中種子生長［14］，規格為80cm×40cm。袋中填充種子為小冠花、高羊茅、紫花苜蓿。平鋪生態袋措施為沿坡面順直整齊壓實平鋪，常規整地法指坡面壓實、覆土、播撒草籽，其中覆土厚度為30cm，播撒主要草籽為高羊茅、小冠花、紫花苜蓿。

表1 徑流小區設計標準

1.3 數據采集與分析

利用Vantage pro2型自動氣象站進行降雨數據的采集。泥沙采樣分兩種情況進行記錄：（1）無泥沙層，將桶中水樣混勻取樣，每個坡面至少取3個樣本。（2）有泥沙層，測量徑流桶中水層厚度及泥沙層厚度，至少在不同方位測量3次并取下層泥沙。泥沙樣本均取200ml［15］。將樣本稱重、烘干（105 ℃）并計算徑流小區的次降雨徑流量以及水土流失量。計算公式為：

式中：H徑流深——次降雨徑流桶內水深；S底——徑流桶的底面積。

式中：m干——泥沙取樣烘干的干重；v樣——取樣體積；v總——徑流桶內泥沙總體積。

2 結果與分析

2.1 植被調查結果分析

采用樣方法調查徑流小區內的植被覆蓋度，在每個小區的上坡、中坡、下坡各設置1個1m×1m的小樣方，主要調查樣方內的植物種和植被覆蓋度。由表2可以看出，松散體坡面治理當年地表擾動較大，植被覆蓋度較低。隨著時間的推移，徑流小區內部的植被覆蓋度逐漸增加，其中2011年7—9月的植被覆蓋度增長速度最快，平均增長率為294.17%，主要植被為高羊茅、小冠花、紫花苜蓿等人工栽植植被；2012年6—10月植被覆蓋的平均增長速度降低為11.78%，但是總覆蓋度明顯增大，小區內部逐漸出現圓葉牽牛、葎草、鬼針草等自然演替植被。

表2 2011－2012年各小區植被蓋度

2.2 相同降雨條件下不同措施的水土保持效益

對相同降雨強度下不同治理措施的徑流量以及水土流失量進行對比研究，降雨強度取當年降雨的中雨、大雨和暴雨。降雨強度根據2006年水文手冊分類，對施工當年和施工翌年的徑流小區內徑流量和土壤流失量分別進行論述，分別對中雨、大雨、暴雨下不同年份的徑流量和土壤流失量進行分析。由表3—4可以看出，施工當年，地表擾動幅度較大，坡面土壤較松散，植被覆蓋度為15%左右，不同措施、不同坡度的坡面徑流量與土壤流失量均較大，經過幾次降雨之后，表層的土壤越來越少，坡面土壤的孔隙度增大，在發生較大降雨強度時地表徑流和徑流泥沙含量反而減少，其主要原因是坡面徑流隨著土壤空隙下滲形成壤中流。隨著時間的推移，不同措施小區內部的植被覆蓋度出現了一定的差異，在相同降雨條件下，水土流失狀況產生明顯的差異。當植被覆蓋度達到80%左右，坡面植被攔蓄徑流能力和保土能力增強，在降雨強度較小的情況下，相同降雨條件產生的降雨徑流量和水土流失量明顯的減少，各小區之間的差異性也逐漸縮小；在較大降雨條件下，盡管徑流量較大，但是只能產生少量的土壤流失量。尤其是在2012年7月21日，試驗區降雨量達到103mm，集水池均發生漫溢現象，但是集水池內水質較清澈，僅含有少量泥沙，其主要原因是坡面植被根系保土效果較好，坡面表層土壤不易被沖刷。

表3 施工當年（2011年）相同降雨條件下徑流量和土壤流失量調查結果

表4 施工翌年（2012年）相同降雨條件下徑流量和土壤流失量調查結果

2.3 不同年份徑流小區土壤流失量對比分析

對2011和2012年不同徑流小區的土壤流失量進行對比分析。圖1顯示，2011年的土壤流失量較大，常規整地自然恢復坡面土壤流失量最高達到686.83kg，平鋪生態袋的小區護坡措施出現不同程度的土壤流失，坡面土壤流失量最高達到494.73kg，坡度為25°時，平鋪生態袋坡面產生的土壤流失量最小，與常規整理自然恢復坡面相比減少了58.8%的土壤流失量；坡度為30°坡，平鋪生態袋坡面產生的土壤流失量較大，與常規整地自然恢復坡面相比僅減少了14.2%。與2011年相比較，2012年的土壤流失量明顯減少，松散體坡面坡度選取25°時治理效果最明顯，土壤流失量分別減少了97.0%和95.8%。整體減少了95%。施工當年與施工翌年徑流小區內產生的土壤流失量有較大差異的主要原因為：施工當年對松散體坡面擾動面積較大，土壤較松散，表層土壤容易隨著地表徑流移動產生水土流失。在施工當年經歷雨季之后，徑流小區內植被長勢良好，項目區域的植被覆蓋度逐步增長。隨著植被覆蓋度的增加，徑流小區內的土壤流失量明顯減少。

圖1 各徑流小區不同年度土壤流失量對比

2.4 不同時間段的土壤流失量動態分析

2.4.1 施工當年不同徑流小區水土流失動態分析

由圖2可以看出，在礦山植被恢復初期，降雨量較小，但是土壤流失量很大，其主要原因是，土壤較松散，植被覆蓋度極低，一旦出現降雨，坡面容易產生較大的地表徑流，表層松散體土壤將隨著雨水向坡下移動，產生較大水土流失量。

在7月上旬到中旬，產生的水土流失量較少，主要原因可能是由于此階段的降雨較少，次降雨量多在10mm左右，產生的地表徑流較??；此外，松散體土壤的孔隙度較大，大部分降雨產生入滲形成壤中流，減少了地表徑流。7月下旬至8月中旬，降雨的頻率與降雨量明顯增加，相對應的土壤流失量也明顯增加并呈正相關關系。

2.4.2 施工翌年不同徑流小區水土流失動態分析觀測數據表明，2011與2012年的土壤流失量規律存在較大差別，主要表現為2012年的植被覆蓋度均超過80%，植被土壤流失量明顯減少。

由圖3可以看出，當植被的覆蓋度達到80%以上，總的土壤流失量較小，次降雨的土壤流失量基本在0.05kg／m2以下，不同坡度對水土流失的影響無明顯差異，降雨強度對土壤流失的影響也無明顯區別。

2012年7月21日研究區突降強降雨，35°-W-2坡度與30°-EN-2坡度的土壤流失量明顯增加，但是由于植被覆蓋度較大，產生的土壤流失量與2011年7月份相比仍有明顯的減少。

圖2 不同徑流小區2011年土壤流失動態

圖3 2012年不同徑流小區土壤流失動態

3 結論

（1）采石場恢復治理的當年，不同坡度采用常規整地自然恢復措施和平鋪生態袋綠化措施，所減少的水土流失量有較大的差異性。其中，坡度為25°時鋪設生態袋措施與自然恢復相比減少的水土流失量較多，減少了58.8%的土壤流失量；坡度為30°時鋪設生態袋與自然恢復相比減少水土流失量較少，僅減少了14.2%的土壤流失量。因此，在采石場恢復治理中，盡量避免出現較大坡度，當坡度為25°時，建議采用鋪設生態袋措施。

（2）采石場恢復治理不同年份的土壤流失量差異性明顯。2012年徑流小區的土壤流失總量與2011年相比，常規整地自然狀態恢復條件下水土流失總量減少了90%左右；平鋪生態袋綠化措施下，水土流失總量減少了97%左右。其主要影響因素是植被覆蓋度，松散體土壤粒徑組成，坡面土壤孔隙度。當覆蓋度小于15%時，不同徑流小區產生的水土流失量均較大且差異性?。划敻采w度在15%～50%之間，各小區的產生的水土流失量的差異性較大且隨著植被覆蓋度的增加而減少；當覆蓋度大于50%時，各小區土壤流失量的差異性逐漸減小；植被覆蓋度大于80%，土壤流失量與差異性均非常小。

（3）在相同的降雨情況下不同徑流小區產生的徑流量和土壤流失量有較大的差異。在植被恢復初期最為明顯，主要原是土地平整過程中，不同坡面土壤的粒徑組成、土壤的孔隙度差異性較大，大部分徑流入滲形成壤中流。隨著植被覆蓋度的增加，相同坡度地表徑流量和土壤流失量的差異性逐漸減小。當植被的的覆蓋度大于50%以后，影響地表徑流和土壤流失量的主要因素不再是土壤的粒徑組成和夯實程度，植物根系固定土壤的效果成為主要影響因素，水土流失量與植被覆蓋率、降雨量、降雨強度呈正相關關系。

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