植被配置方式對侵蝕性降雨下徑流的影響

2022-12-26 12:02:26杜廣榮

水利科技與經濟 2022年12期

杜廣榮

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510610)

1 概述

植被種植是防止水土流失的一項基本措施，植被合理的配置方式能增強土壤的抗蝕能力，有效防止土壤被侵蝕。對此，學者們進行了多方面研究。呂皎等[1]對太行山中山區6種植被配置模式的水土保持功能進行了研究，結果表明不同植物的混交種植，能有效防止土壤流失，增強水土保持功能。侯曉龍等[2]對安溪崩崗侵蝕區不同植被配置模式與恢復效果進行了研究，結果表明不同植被配置模式能有效防止土壤侵蝕。亢偉等[3]對不同植被配置對坡面土壤侵蝕的影響進行了研究，結果表明不同植被配置能有效減少坡面徑流量和產沙量。許玉姣等[4]對黃土丘陵溝壑區不同植被配置模式徑流產沙量進行了研究，結果表明設置不同植被配置模式，能有效減少土壤徑流產生，增加了水土保持效益。孫一等[5]對坡面植被覆蓋度對泥沙輸移的影響特性進行了研究，結果表明坡面植被覆蓋能有效減少流水的輸沙能力，覆蓋度越大，減沙效果越明顯。石智宇等[6]對沂河流域植被覆蓋時空演變及其與徑流的關系進行了研究，結果表明植被覆蓋度越大，地表徑流減少越顯著，能有效加強生態環境保護。孫佳美等[7]對植被覆蓋坡面土壤侵蝕的水動力學機理進行了研究，結果表明坡面植被覆蓋具有良好的減流減沙效果，能有效減少坡面土壤侵蝕。楊凱祥等[8]對三峽庫區土壤侵蝕和植被覆蓋變化進行了分析，結果表明增加植被覆蓋度，能有效減少土壤侵蝕，增強生態環境保護。

以上研究均未針對植被配置方式對侵蝕性降雨下徑流進行分析。因此，本文對灌木和草本不同配置方式，在不同強度降雨條件下的產沙量和產流量進行試驗。

2 研究材料與方法

2.1 研究區概況

本次模擬降雨試驗土壤為棕壤性土壤，取自膠東半島南部某市境內的森林公園，該地區為低山丘陵區，坡面坡度為5°～45°，主峰海拔549.7 m，年平均降水量698.4 mm。研究區內植物主要為景觀林，林中野生灌木和草本交互分布。公園內常見的樹木有赤松、黑松、刺槐等，灌木有胡枝子、映山紅、野薔薇等，草本有山菊花、鳳仙花、石竹等。

2.2 試驗設計與方法

本次模擬降雨試驗在室內水土保持大廳內進行，設置3種降雨強度，分別是20、50、100 mm/h，降雨歷時30 min。降雨大廳采用下噴式降雨系統和降雨集流系統相結合，通過設備的電腦控制器調節降雨強度的大小，該設備可實現降雨強度0.5～5 mm/min的連續變化過程，降雨有效高度最高可達10 m，降雨均勻度>90%。試驗用坡面為可調節坡度的不銹鋼槽，鋼槽規格長×寬×高為4 mm×0.8 mm×0.5 mm。

根據研究區坡度現狀和植被分布情況，以20°坡度為試驗坡度，以常用灌木和草本為試驗對象，灌木選取映山紅，草本選取山菊花。根據灌木和草本在坡面分布的差異性，設置不同的配置方式，配置方式包括灌木和草本在坡面的覆蓋度及在坡面分布的位置。試驗根據映山紅和山菊花覆蓋度設置不同配比，分別是2∶1(圖1)和1∶1(圖2)，將灌木和草本種植在不同的坡位實現空間配置，當灌木覆蓋度60%，草本覆蓋度30%，灌木草本覆蓋度2∶1，灌木種植在坡上見圖1(a)、坡中見圖1(b)、坡下見圖1(c)。當灌木覆蓋度30%，草本覆蓋度30%，灌木草本覆蓋度1∶1，灌木種植在坡上見圖2(a)、坡中見圖2(b)、坡下見圖2(c)。

圖1 灌木和草本覆蓋度2∶1示意圖

圖2 灌木和草本覆蓋度1∶1示意圖

將土壤從研究區取回后，經自然風干，將土壤研細并過孔徑為15 mm的篩孔，去除土壤里的礫石和植物根莖殘渣。然后對鋼槽進行分層填土，填土高度為45 cm，分3層，每層為15 cm。每填充一層土壤均抹平壓實，再填充下一層。填土完成后，將表面進行粗糙度處理，再移栽灌木和撒播草本種子，并進行多次澆水，保證植被成活率。

進行試驗前，測量土壤含水率，保證各坡面土壤含水率基本一致。開始降雨后，記錄開始產流時間，出現徑流后，前2 min進行一次采樣，后面每4 min進行一次采樣。開始產流30 min后，停止降雨，收集的徑流靜置24 h后，進行產流量測量。再將沉積的泥沙取出，放入烘箱烘干后稱重，計算產沙量。

3 試驗結果分析

3.1 坡地產流量分析

試驗結束后，根據采樣數據，在不同降雨條件下，灌木和草本不同配置方式坡面的產流過程變化趨勢見圖3。

圖3 灌木和草本坡面產流量表

圖3(a)中，當時間為2 min時，降雨強度為20 mm/h，灌木和草本各配置方式的產流量進行對比。A-PS(坡上)、A-PZ(坡中)、A-PX(坡下)、B-PS(坡上)、B-PZ(坡中)、B-PX(坡下)產流量分別為408、480、380、930、1 000、580 ml；當時間為6 min時，產流量分別為783、500、420、1 150、1 120、665 ml；當時間為14 min時，產流量分別為815、525、520、1 180、1 190、700 ml；當時間為22 min時，產流量分別為900、600、580、1 220、1 180、785 ml；當時間為26 min時，產流量分別為958、620、605、1 300、1 270、765 ml；當時間為30 min時，產流量分別為1 020、635、620、1 320、1 235、750 ml。由此可知，在降雨初期，各試驗區產流量均快速增加，在相同降雨強度下，A-PX植被配置方式較其它5種配置方式的產流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，出現徑流后前4min，灌木位于坡上的產流量較坡上、坡中高，隨著時間增加，灌木位于坡上的產流量最高，坡中的產流量次之，坡下的產流量最低。

圖3(b)中，當時間為2 min時，降雨強度為50 mm/h，灌木和草本各配置方式的產流量進行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產流量分別為1 250、1 000、400、1 320、1 290、800 ml；當時間為6 min時，產流量分別為1 330、1 280、660、1 600、1 350、1 160 ml；當時間為14 min時，產流量分別為1 520、1 450、960、1 700、1 455、1 465 ml；當時間為22 min時，產流量分別為1 620、1 510、1 040、1 790、1 520、1 560 ml；當時間為26 min時，產流量分別為1 680、1 580、1 080、1 800、1 560、1 620 ml；當時間為30 min時，產流量分別為1 690、1 590、1 110、1 800、1 580、1 785 ml。由此可知，在降雨初期，各試驗區產流量均快速增加，在相同降雨強度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產流量最高，A-PX植被配置方式的產流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產流量最高，坡中的產流量次之，坡下的產流量最低。

圖3(c)中，當時間為2 min時，降雨強度為100 mm/h，灌木和草本各配置方式的產流量進行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產流量分別為1 760、1 680、700、2 020、1 800、1 030 ml；當時間為6 min時，產流量分別為2 110、1 820、1 080、2 160、1 920、1 380 ml；當時間為14 min時，產流量分別為2 190、2 020、1 345、2 200、2 060、1 780 ml；當時間為22 min時，產流量分別為2 260、2 060、1 380、2 265、2 130、1 950 ml；當時間為26 min時，產流量分別為2 260、2 130、1 400、2 320、2 140、1 935 ml；當時間為30 min時，產流量分別為2 270、2 160、1 415、2 400、2 210、1 910 ml。由此可知，在降雨初期，各試驗區產流量均快速增加，在相同降雨強度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產流量最高，A-PX植被配置方式的產流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產流量最高，坡中的產流量次之，坡下的產流量最低。

3.2 坡地產沙量分析

根據采樣數據，在不同降雨強度下，灌木和草本不同配置方式坡面的產沙過程變化趨勢見圖4。

圖4 灌木和草本坡面產沙量表

圖4(a)中，當時間為2 min時，降雨強度為20 mm/h，灌木和草本各配置方式的產沙量進行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產沙量分別為0.48、0.48、0、1.6、0.45、0.3 g；當時間為6 min時，產沙量分別為0.65、0.6、0.2、2.4、0.65、0.45 g；當時間為14 min時，產沙量分別為1.1、0.67、0.32、2.85、1、0.6 g；當時間為22 min時，產沙量分別為1.25、0.7、0.35、3.15、1.15、0.68 g；當時間為26 min時，產沙量分別為1.45、0.73、0.38、3.25、1.25、0.72 g；當時間為30 min時，產沙量分別為1.75、0.72、0.4、3.35、1.35、0.75 g。由此可知，在相同降雨強度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產沙量最高，A-PX植被配置方式產沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產沙量最高，坡中的產沙量次之，坡下的產沙量最低。

圖4(b)中，當時間為2 min時，降雨強度為50 mm/h，灌木和草本各配置方式的產沙量進行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產沙量分別為0.6、0.8、0.35、1.6、1.4、1.15 g；當時間為6 min時，產沙量分別為1.48、1.2、0.46、2.35、1.515、1.25 g；當時間為14 min時，產沙量分別為1.53、1.35、0.63、2.75、1.68、1.4 g；當時間為22 min時，產沙量分別為2.45、1.4、0.69、2.95、1.735、1.4 g；當時間為26 min時，產沙量分別為2.52、1.45、0.72、3.1、1.95、1.5 g；當時間為30 min時，產沙量分別為2.35、1.52、0.76、3.25、2.05、1.53 g。由此可知，在相同降雨強度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產沙量最高，A-PX植被配置方式產沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，隨著時間的增加，灌木位于坡上的產沙量最高，坡中的產沙量次之，坡下的產沙量最低。

圖4(c)中，當時間為2 min時，降雨強度為100 mm/h，灌木和草本各配置方式的產沙量進行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產沙量分別為5.15、1.85、1.55、12.2、5.3、1.8 g；當時間為6 min時，產沙量分別為6、2.7、2.1、12.8、6.05、2.3 g；當時間為14 min時，產沙量分別為7.5、4.1、2.8、16.8、12、4 g；當時間為22 min時，產沙量分別為8.2、5、3、17.6、14.6、4.25 g；當時間為26 min時，產沙量分別為8.5、5.6、3、18、16.2、4.55 g；當時間為30 min時，產沙量分別為8.8、5.9、3.2、18.5、15.8、4.8 g。由此可知，在相同降雨強度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產沙量最高，A-PX植被配置方式產沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產沙量最高，坡中的產沙量次之，坡下的產沙量最低。

綜上所述，在相同強度的降雨條件下，灌木和草本配置方式從坡上到坡下，平均產流量與產沙量逐漸變小。當灌木位于坡下時，能較好地減少坡面徑流。灌木覆蓋度越大，產沙量越低。