不同植被恢復年限棄渣場入滲性能研究

于亞莉，汪三樹，彭旭東，史東梅

(1.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020；2.西南大學 資源環境學院 水土保持生態環境研究所，重慶 400715)

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不同植被恢復年限棄渣場入滲性能研究

于亞莉1，汪三樹1，彭旭東2，史東梅2

(1.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020；2.西南大學 資源環境學院 水土保持生態環境研究所，重慶 400715)

[摘要]為科學預測棄渣場水土流失量及評價其植被恢復效應，采用雙環入滲法研究了不同植被恢復年限的棄渣場平臺及邊坡處的入滲特征，結果表明：不同植被恢復年限的棄渣土體容重、有機質含量及毛管孔隙度均隨植被恢復年限的增加而增大，植被恢復從1年變化到2年，其容重差異在0.07～0.14 g/cm3之間；棄渣入滲過程大致存在入滲率迅速降低(9 min內)、緩慢降低(10～60 min)和趨于穩定(60 min后)三個階段；平臺處的穩定入滲率隨植被恢復年限的增加呈先增加后減小趨勢，而邊坡處的穩定入滲率則隨植被恢復年限的增加呈先減小后增加趨勢；Horton模型對棄土棄渣入滲過程擬合的相關系數最大(平均0.923)，是反映其入滲過程的適宜模型。

隨著我國經濟社會的迅速發展，水利水電、礦產資源開發、公路鐵路交通運輸、輸油輸氣、工業與民用建筑工程等各類生產建設項目日益增多[1-2]。生產建設項目不僅對原地貌造成擾動、破壞，而且在工程建設過程中受挖填方施工時段、材料質量、標段劃分、運輸距離等諸多因素的影響，不可避免地產生大量的棄土棄渣，由此造成的水土流失強度高、范圍廣、危害大，嚴重危及人類賴以生存的水土資源和自然環境[3]。為減少水土流失，棄土棄渣場的生態修復和土地復墾逐漸成為相關專家、學者的研究重點[4]。植被恢復作為生產建設項目區棄渣場防治水土流失的根本措施[5-6]，其原因在于植被可以重新分配降水和降低降雨強度，還可以通過改善棄渣的物理、化學及力學性能，增加其抗侵蝕能力，而且隨著時間的延長植被發揮的作用越來越好。土壤水分入滲性能決定了產生地表徑流的水量，從而對土壤侵蝕產生影響。目前，對棄土棄渣的入滲及產流過程[7-10]研究較多，而針對不同植被恢復年限的棄土棄渣入滲特征的研究較少。因此，我們以重慶市北碚區不同植被恢復年限的棄渣場為研究對象，通過分析其理化性質及結構上的變化特征，研究其水分入滲過程及入滲特征，以期為生產建設項目區棄渣場植被恢復效應的評價提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

研究區位于重慶市北碚區，地處東經106°18′14″～106°56′ 53″、北緯29°39′10″～30°11′21″，年平均氣溫18.3 ℃，年平均降水量105.4 mm，5—9月的降水量占全年降水量的70%。試驗選取的3個棄渣場坡面土壤均為中生代侏羅紀沙溪廟組砂泥巖母質及其發育而成的紫色土，植被恢復均以灌草為主，主要植被有蕨類、狗尾草、寬葉苔草等，其中1#棄渣場形成時間為2個月，2#棄渣場為1年，3#棄渣場為2年，各棄渣場基本情況見表1。

表1　棄渣場基本概況

1.2研究方法

土壤容重、毛管孔隙度和飽和含水率均采用環刀法測定；土壤入滲采用雙環入滲儀現場測定，外環直徑30 cm，內環直徑15 cm，環高15 cm，在每種恢復年限棄渣場平臺和邊坡坡面進行。初始入滲率為最初入滲時段內滲透量與入滲時間的比值，本研究選取初始2 min求算初始入滲率；平均滲透速率為達穩滲時的滲透總量與時間的比值；穩定入滲率為單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率。

本研究采用Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型來對不同植被恢復年限的棄渣入滲過程進行擬合。

(1)Horton模型。模型公式為

(1)

(2)Kostiakov模型。模型公式為

(2)

(3)Philip模型。模型公式為

(3)

2結果與分析

2.1不同植被恢復年限棄土棄渣理化性質特征

土壤物理性質是影響土壤入滲特性的重要因素。棄土棄渣結構特征對土體入滲能力的影響主要是通過土體孔隙狀況影響土體水力傳導度和土體水分運動的驅動力來實現的。土體容重作為反映棄土棄渣結構特征的重要指標，直接或間接地反映了土體的松緊程度和通氣狀況。由表2可知，不同植被恢復年限棄渣場的物理性質存在較大差異，但無論是棄渣平臺還是邊坡，其土體容重均呈現出隨著堆積年限的增加而增大的趨勢。棄渣由堆積2個月到1年，容重變化較小，其差異在0～0.01 g/cm3之間；棄渣由堆積1年到2年，容重變化較大，其差異在0.07～0.14 g/cm3之間。綜合分析表明，隨著堆積年限的增加，棄渣容重變大，其入滲能力會變小。

表2　棄土棄渣理化性質特征

棄土棄渣作為土壤及母質的混合物，其所含的植物根系與有機質較少。有機質作為土體團粒結構形成的膠體物質之一，對棄土棄渣的結構有重要影響。在一定情況下，有機質含量越多，則土體形成團粒結構的可能性越大，故其結構會變好，入滲性能也會得到改善。由表2可見，棄土棄渣有機質含量隨植被恢復年限的增加而增大，新堆積棄渣(2個月)有機質含量僅為1.77～2.38 g/kg，堆積1年的棄渣有機質含量為5.33～5.79 g/kg，堆積2年的棄渣有機質含量為5.93～6.36 g/kg。棄土棄渣毛管孔隙度也表現出隨植被恢復年限增加而增大的趨勢，就棄渣平臺而言，2個月、1年及2年棄渣的毛管孔隙度依次為16.49%、16.97%和18.41%，這說明年限越長則植物可吸收利用的毛管水量越大。

2.2不同植被恢復年限棄土棄渣入滲性能

在棄土棄渣平臺及邊坡，當降雨強度小于其表面入滲率時，降水全部進入棄渣體內部，不形成地表徑流，而當雨強大于其表面入滲率時，降水會在棄渣表面形成徑流，進而引發水土流失。不同植被恢復年限棄渣的入滲過程差異明顯(圖1)。由圖1可見：不同植被恢復年限棄渣場的土體入滲率在初期的9 min內隨時間的延長而迅速降低，在10～60 min時段土體入滲率下降變緩，60 min后入滲率趨于穩定。就棄渣平臺而言，2個月、1年和2年棄渣的入滲率趨穩于1.13、6.56和2.16 mm/min；對于棄渣邊坡，其入滲率依次趨穩于8.21、1.64和6.79 mm/min。

圖1　不同植被恢復年限棄土棄渣入滲過程

根據棄渣的入滲率變化過程，分析得到其初始入滲率、穩定入滲率及平均入滲率等入滲特征值，見圖2。就初始入滲率而言，2個月棄渣邊坡的初始入滲率最大，為23.20 mm/min，而其平臺處的初始入滲率則最小，為4.11 mm/min；不同棄渣平臺的初始入滲率相比，植被恢復2個月的較小，而植被恢復1年及2年的較大。對于穩定入滲率而言，棄渣平臺處的穩定入滲率隨植被恢復年限的增加呈先增加后減小的趨勢，但2個月的棄渣穩定入滲率小于1年及2年的；棄渣邊坡處的穩定入滲率則表現為隨植被恢復年限的增加呈先減小后增加的趨勢，但2個月的棄渣穩定入滲率高于1年及2年的。綜合分析表明，植被恢復對棄土棄渣的入滲特性影響較大，植被恢復時間達到1年后，棄渣場平臺的入滲率會變大，而邊坡的入滲率會變小。

圖2　不同植被恢復年限棄土棄渣入滲特征

2.3棄土棄渣入滲過程模型的優化

目前，國內外廣泛采用的入滲擬合模型主要有Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型等。為比較不同擬合模型對棄土棄渣下墊面入滲過程的擬合優度，本研究分別采用Horton、Kostiakov和Philip這三種模型對不同植被恢復年限的棄土棄渣入滲過程進行了優化模擬，其結果見表3。

表3　棄土棄渣入滲模型回歸分析結果

由表3可知，不同的入滲模型對棄渣場入滲的擬合優度存在差異。用Kostiakov模型對棄土棄渣入滲速率進行擬合時，平均相關系數為0.650；Philip模型擬合的平均相關系數為0.761，擬合效果較好；而Horton模型擬合的平均相關系數為0.923，其相關系數均在0.790以上，擬合效果最好。這說明Horton模型更適宜于棄土棄渣入滲過程的模擬，這與李葉鑫等[8]對紫色丘陵區不同棄土棄渣入滲特征的研究結論一致。從Horton模型對不同植被恢復年限的棄渣入滲擬合方程中(表3)可以看出，隨著植被恢復年限增加，棄渣平臺穩定入滲率表現為先增加后減小，其2個月、1年和2年棄渣穩定入滲率分別為1.13、4.75和1.81 mm/min，而其邊坡的穩定入滲率則表現為先減小后增加，其數值依次為8.21、1.64和7.47 mm/min。

3結論

(1)不同植被恢復年限棄土棄渣的物理性質有明顯差異。不同植被恢復年限棄渣土體容重隨著堆積年限的增加而增大，植被恢復年限由1年增加到2年，棄渣容重變化較大，其差異在0.07～0.14 g/cm3之間；有機質含量、毛管孔隙度也隨植被恢復年限的增加而增大，說明植被恢復年限越長則其水肥條件越好。

(2)不同植被恢復年限棄土棄渣入滲過程大致存在入滲率迅速降低(9 min內)、緩慢降低(10～60 min)和趨于穩定(60 min后)三個階段。不同植被恢復年限棄渣的入滲能力差異較大，平臺處的穩定入滲率隨年限的增加呈先增加后減小趨勢，而邊坡處的穩定入滲率則隨年限的增加呈先減小后增加趨勢。

(3)Horton模型更適宜于棄渣場入滲過程的模擬，其擬合曲線的平均相關系數最大，達0.923。Horton模型擬合的入滲過程顯示，植被恢復2個月、1年和2年的棄渣平臺處穩定入滲率依次為1.13、4.75和1.81 mm/min，而其邊坡的穩定入滲率依次為8.21、1.64和7.47 mm/min。

[參考文獻]

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[8] 李葉鑫,郭宏忠,史東梅,等.紫色丘陵區不同棄土棄渣下墊面入滲特征及影響因素[J].環境科學學報,2014,34(5):1292-1297.

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[10] Peng Xudong,Shi Dongmei,Jiang Dong,et al.Runoff erosion process on different underlying surfaces from disturbed soils in the Three Gorges Reservoir Area,China[J].Catena,2014,123:215-224.

(責任編輯徐素霞)

[基金項目]重慶水利科技項目“生產建設項目水土流失規律研究”(2011)；重慶市生產建設項目水土流失危害研究(2012)

[中圖分類號]S151.9

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)06-0051-03

[作者簡介]于亞莉(1977—)，女，四川資陽市人，高級工程師，學士，主要從事水土保持規劃設計及水土保持咨詢工作；通信作者史東梅(1970—)，女，甘肅靈臺縣人，教授，博士，主要從事土壤侵蝕與流域治理、水土保持等研究。

[收稿日期]2015-06-13

[關鍵詞]棄渣場；入滲性能；植被恢復；邊坡