王大為, 王 立, 王小平, 曲富榮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州730070; 2.甘肅省定西市水土保持研究所, 甘肅 定西 743000)

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臨洮縣生產(chǎn)建設項目棄渣場土壤流失特征
——以肖家河水電站二期工程為例

王大為1, 王 立1, 王小平2, 曲富榮2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州730070; 2.甘肅省定西市水土保持研究所, 甘肅 定西 743000)

[目的] 探討水電類生產(chǎn)建設項目棄渣場坡面水土流失特性，為黃土丘陵區(qū)生產(chǎn)建設項目水土保持綜合治理提供科學的理論依據(jù)。 [方法] 以甘肅省定西市臨洮縣2013年降雨數(shù)據(jù)為依托，通過肖家河水電站二期工程徑流小區(qū)對不同處理下的水土流失特征進行研究。 [結(jié)果] (1) 臨洮縣2013年降水量為580.2 mm，定義為平雨年； (2) 研究區(qū)降雨量和平均降雨強度的乘積與土壤侵蝕量呈線性正相關關系(相關系數(shù)大于0.85)； (3) 不同植被類型對棄渣場水土流失有影響，其中油松與苜?；觳ツ苡行Ы档屯寥狼治g量和徑流量； (4) 表層土前期含水量對棄渣場土壤流失量有顯著影響，下層土前期含水量對棄渣場土壤流失量無顯著影響。 [結(jié)論] 水電類生產(chǎn)建設項目棄渣場土壤流失受降雨量和降雨時間乘積、植被類型和表層土前期土壤含水量的影響。

生產(chǎn)建設項目; 棄渣場; 土壤流失; 降雨前土壤含水量

文獻參數(shù)： 王大為, 王立, 王小平, 等.臨洮縣生產(chǎn)建設項目棄渣場土壤流失特征[J].水土保持通報，2016,36(4)：51-55.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.010

近年來，隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西北地區(qū)投資了大量的基礎設施，出現(xiàn)了大批生產(chǎn)建設項目，同時，也帶來了許多環(huán)境問題。例如，在水電類生產(chǎn)建設項目中，建設過程對地表擾動大，造成了嚴重的水土流失現(xiàn)象。而在生產(chǎn)建設項目中，棄渣場往往是水土流失最為嚴重的區(qū)域[1]。目前，已經(jīng)有很多學者對生產(chǎn)建設項目棄渣場進行研究。例如，儲小院等[2]對滬蓉高速公路不同棄土場土壤流失特征進行研究，發(fā)現(xiàn)降雨、工程防護措施及生物措施綜合防治、棄土場表土物質(zhì)組成對土壤流失量有影響；何凡等[3]對青海省平阿高速公路棄土場進行天然降雨試驗研究，發(fā)現(xiàn)在40°左右的坡度條件下，坡度變化對土壤侵蝕量的影響很大，坡度稍有增加，水土流失就會大幅增加；陳宗偉等[4]得出棄土場坡面土壤流失量與降雨量、平均降雨強度和徑流深有顯著相關性；但是大多數(shù)研究[5-9]主要集中在水土流失發(fā)生時間、部位、水土保持措施布設、水土流失發(fā)生規(guī)律等方面，且對于高速公路棄土場研究較多[10-12]，而關于水電站生產(chǎn)建設項目的研究較少[13]，針對黃土丘陵區(qū)生產(chǎn)建設項目中棄渣場土壤流失特征研究更少。基于此，本研究對甘肅省定西市臨洮縣肖家河水電站二期工程布設的棄渣場恢復期土壤流失狀況進行研究，探討不同降雨條件、防護措施、土壤含水量對棄渣場土壤流失的影響，通過1 a的監(jiān)測，對天然降雨在棄渣場土壤流失特征及產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進行研究，為黃土丘陵區(qū)生產(chǎn)建設項目水土保持綜合治理提供科學的理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

工程區(qū)位于臨洮縣城南部，氣候類型為溫帶半濕潤區(qū)，多年平均氣溫7.0 ℃，極端最高氣溫34.6 ℃，極端最低氣溫-29.6 ℃，最大積雪深度14 cm，最大凍土深度82 cm，年降水量為565.2 mm，年蒸發(fā)量為1 259.3 mm，年日照時數(shù)2 437.9 h，最大風速15 m/s。屬黃土丘陵溝壑第四副區(qū)，侵蝕類型有水力侵蝕和風力侵蝕，以水力侵蝕為主。雨季出現(xiàn)在5—9月，降雨主要集中在這一時期，多為大雨或暴雨，雨季平均降雨量487.23 mm，是水力侵蝕的主要來源。項目區(qū)范圍沿洮河左右岸零星分布有楊樹和柳樹，并分布有以柳、沙棘為主的落葉闊葉灌叢，作物主要以小麥、玉米、油菜為主，經(jīng)濟作物有胡麻、土豆和蔬菜。分布的草類主要為扁穗冰草(Agropyroncristatum)、芨芨草(Achnatherumsplendensi)、野苜蓿(Medicagofalcata)和紫花苜蓿(Medicagosativa)。建群種以地面芽及一年生植物為主，有貝加爾針茅(StipaBaicalensis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、百里香(Thymusmongolicus)。伴生種較豐富，有虎尾草(Chlorisvirgata)、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、野決明(Thermopsislupinoides)等，植被覆蓋度50%左右。

肖家河水電站2期是洮河干流的一個梯級電站，位于定西市臨洮縣衙下鎮(zhèn)肖家河村境內(nèi)的洮河左岸，采用無壩引水開發(fā)方式，進水口設在肖家河水電站1期尾水入洮河處，尾水設在洮河姬家河橋上游100 m處入洮河。上游電站設計引水流量45 m3/s，平均水頭3.8 m，安裝4臺軸流式機組，裝機容量1 450 kW。工程設計規(guī)劃棄碴場兩處，分別位于洮河左岸渠首下游約0.6 km和電站廠房下游1.1 km，均為河漫灘地，此處河道較寬闊，背靠農(nóng)田面向洮河。棄渣在堆放時要求遠離主行洪河道，棄碴場防護設計考慮河道洪水對棄碴場的影響。選擇2#棄渣場為研究對象，2#棄渣場位于渠首下游1.1 km處，棄渣來源主要為廠房、動力渠棄渣，棄渣理化性狀相似。棄渣場位于水電站廠房下游左岸0.16 km處，現(xiàn)為河灘地，渣土沿河灘順坡堆放，棄渣場長約為40 m，寬約為240 m，總面積為0.93 hm2，棄渣量約為40 050 m3棄渣場進行平坡處理，坡度約為15°，設置擋渣墻進行防護，擋渣墻地面墻高2.4 m，坡面覆土，進行不同人工植被恢復處理，不同植被類型具體立地條件詳見表1。

表1　不同植被類型立地條件

2　研究方法

2.1試驗設計

共設6個處理，各處理設一個徑流小區(qū)。每個小區(qū)都配備了自記雨量計，主要目的是記錄降雨時的降雨量，并記錄降雨發(fā)生的過程和時間。每個小區(qū)下部都設V形集流槽，集流槽連接徑流收集池，徑流收集池內(nèi)放置集流桶，用以收集每次降雨的徑流和泥沙。小區(qū)設計為中型小區(qū)，根據(jù)土地利用方式進行小區(qū)的設立，其中荒地(wasteland)、紫花苜蓿的面積為5 m×10 m，沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinustabuliformis)、沙棘+紫花苜蓿、油松+紫花苜蓿為10 m×10 m。

2.2測定項目與方法

2.2.1降雨觀測降雨觀測主要采用自記雨量計。觀測記錄2013年5—9月的降雨量和降雨強度。

2.2.2土壤侵蝕量測量方法盡量減少破壞地表的情況下，對土壤侵蝕量和徑流量進行測量，在產(chǎn)流開始后，每次間隔5 min測量一次徑流，并靜置徑流樣24 h，之后除去清水部分，用濾紙過濾得到泥沙，烘干8 h后稱重，測定徑流樣泥沙含量。

徑流產(chǎn)生后，每隔5 min在集流桶中用體積法求得渾水總量(ml)，同時采集混合水樣500 ml，過濾后烘干稱重，計算水樣的泥沙含量，進一步計算侵蝕量。

侵蝕量(kg/hm2)=渾水總量(ml)×

樣品泥沙含量(g/ml)×10-3/(2×10-4)徑流量(m3/hm2)=〔渾水總量(ml)-侵蝕量(g)/

坡面土壤比重〕×10-6/(2×10-4)

2.2.3土壤含水量測量方法提前關注天氣預報并時刻注意天氣，對雨前土壤水分進行測量，取土樣方法主要采用土鉆法。每隔20 cm取一個土樣，分5個層次，共取1 m。每個層次3個重復，每次降雨后將取樣部位填平，盡量避免對樣地水土流失影響過大。

3　結(jié)果與分析

3.1降雨對棄渣場土壤流失量的影響

高于平均降水量20%的年份定為豐水年，低于平均降水量20%的年份定為枯水年，降水量為二者之間定為平雨年[14]。監(jiān)測區(qū)2013年降水量為580.2 mm，較臨洮縣平均降水量相差不多，定義為平雨年；研究區(qū)全年降雨集中在5—9月，這一時期降水量達到515.5 mm，占全年降水量的88.85%，通常把這一時期稱為汛期。本試驗測量數(shù)據(jù)主要集中在這一時期。在所有降雨中，只有部分降雨產(chǎn)生徑流，從而引發(fā)土壤侵蝕，發(fā)生真正意義上的土壤流失，這部分降雨稱為侵蝕性降雨[15]，一般在黃土丘陵區(qū)把日降雨量大于12 mm的降雨定義為侵蝕性降雨[16]。從表2中可以看出，2013年侵蝕性降雨有9次，侵蝕性降雨量為179.5 mm，占全年降水量的30.94%，平均降雨強度為10.53 mm/h。

針對2013年5—9月9次侵蝕性降雨進行分析，測量并計算出每次降雨的降雨量、降雨強度和侵蝕量。降雨侵蝕力因子是影響土壤流失的重要原因，其主要受降雨量和降雨強度的聯(lián)合作用[2]；因此，以每次侵蝕性降雨的土壤侵蝕量(E)為因變量，降雨量和平均降雨強度的乘積(PI)為自變量，采用一次線性回歸分析，得到降雨量和平均降雨強度乘積與次降雨土壤侵蝕量的線性關系。

表2　研究區(qū)2013年侵蝕性降雨特征

研究區(qū)的降雨量和平均降雨強度的乘積與土壤侵蝕量可以很好地擬合。由表3可以看出，各處理間均呈一元線性正相關關系，相關系數(shù)大于0.85，表明二者擬合性良好，隨著降雨量和平均降雨強度乘積的增加，土壤流失量也增大。由表2可以看出，9次侵蝕性降雨中有7次出現(xiàn)在7—9月中，而對于黃土丘陵區(qū)來說，這一時期正是項目施工的最佳時期，勢必出現(xiàn)棄渣堆放量大、防護措施薄弱的現(xiàn)象，可能發(fā)生大規(guī)模的土壤侵蝕。建議項目施工方盡力避開這一時期，并采取緊急有效的水土保持措施。

表3　土壤流失量與降雨量和平均降雨強度間的關系

注:*表示在0.05水平上差異顯著； **表示在0.01水平上差異顯著。下同。

3.2不同防護措施對棄渣場土壤流失量的影響

3.2.1不同防護措施對徑流的影響在2013年9次侵蝕性降雨中選取1次典型天然降雨進行分析(2013年8月24日)，按國家氣象部門規(guī)定，大雨為降雨強度12 h內(nèi)降雨量達到15～29.9 mm，或24 h內(nèi)降雨量達到25～49.9 mm的降雨，及試驗地降雨土壤侵蝕發(fā)生程度來確定。本次降雨降雨量為46.5 mm，降雨時間54 min，平均降雨強度為51.7 mm/h，屬于典型大雨，在監(jiān)測區(qū)產(chǎn)生明顯降雨性土壤侵蝕，具有較好代表性。在降雨開始的5 min里，各處理均沒有產(chǎn)生徑流。隨著降雨時間的增長，土層漸漸濕潤，土壤表層入滲率減少。隨著降雨強度的持續(xù)增大，未入滲的雨水在地表形成徑流。如圖1所示，荒地產(chǎn)流時間最早，為6.3 min，緊接著紫花苜蓿開始產(chǎn)流，為6.5 min，最晚產(chǎn)流的是油松+紫花苜蓿，為7.8 min。各處理間所用產(chǎn)流時間順序為：油松+紫花苜蓿>沙棘+紫花苜蓿>油松>沙棘>紫花苜蓿>荒地。不同處理產(chǎn)流過程都包括了產(chǎn)流、峰值、穩(wěn)定和消減4個表征時刻。處理間徑流量差異顯著，紫花苜蓿徑流量最大；油松+紫花苜蓿徑流量最小。徑流量由大到小順序為：紫花苜蓿>荒地>油松>沙棘>沙棘+紫花苜蓿>油松+紫花苜蓿。

圖1　研究區(qū)不同處理徑流過程

3.2.2不同防護措施對土壤侵蝕量的影響在次降雨條件下，不同處理的侵蝕量差異顯著，由圖2可以看出，紫花苜蓿的侵蝕量最大，為2 943.962 kg/hm2；油松+紫花苜蓿的侵蝕量最小，為50.707 9 kg/hm2。各處理土壤侵蝕量由大到小分別為：紫花苜蓿>荒地>油松>沙棘>沙棘+紫花苜蓿>油松+紫花苜蓿。由圖1—2可以看出，侵蝕量和徑流量最大峰值并不一致。這與降雨前土壤含水量有直接關系。袁東海等[17]研究表明，在降雨初期，地表含水量極低，雨滴降落到地面發(fā)生擊濺侵蝕，濺起表層干燥土壤，雨滴的濺蝕作用明顯，所以在徑流峰值出現(xiàn)之前侵蝕量達到了峰值。隨著降雨時間的推移，地表形成結(jié)皮，侵蝕量出現(xiàn)消減。本研究中，單獨種植紫花苜蓿的土壤流失量遠大于荒地的土壤流失量，說明在生產(chǎn)建設項目棄渣場的恢復中，單純的進行人工耕作會加大水土流失，而沙棘+紫花苜蓿、油松+紫花苜蓿的恢復方式能起到良好的水土保持效果，因此，在生產(chǎn)建設項目棄渣場植被恢復過程中，應采用多年生草本與灌木或喬木混播的方式，并注意及時補播、補植。

圖2　研究區(qū)不同處理間侵蝕量

3.3不同土層前期土壤水分狀況對土壤流失量的影響

研究不同層次前期土壤水分狀況，也應該成為探討水土流失成因的一個重要方面[18]。由于不同土層土壤水分具有自相關關系，偏相關分析可以消除其他要素對研究中的兩要素的影響，偏相關系數(shù)可以說明兩要素間的密切程度。本研究對不同土層水分狀況和徑流量與侵蝕量的關系采用偏相關分析的方法。由表4可以看出，降雨前土壤含水量與徑流量偏相關系數(shù)為0.402，與侵蝕量偏相關系數(shù)為0.379。徑流量和侵蝕量在0—20 cm土層與土壤水分呈現(xiàn)顯著相關關系，說明這一土層含水量對土壤流失量有顯著影響(p=0.01水平)。徑流量在20—40 cm土層與土壤水分相關關系顯著，20—40 cm土層對土壤徑流量有顯著影響(p=0.01水平)。而與侵蝕量偏相關系數(shù)為顯著(p=0.05水平)，說明20—40 cm土層雖然能促進產(chǎn)流，但是對土壤侵蝕量的影響不明顯。其他土層無相關關系。由此可以說明，表土層含水量對土壤侵蝕有一定影響，表層土受到降雨作用時，土壤含水量大的，達到飽和速度更快，受到的降雨作用時間也更長，更容易產(chǎn)生徑流。由于含水量高更有利于土壤穩(wěn)定，在一定程度上降低了這一作用，但是隨著降雨強度增大，這一作用卻更加明顯。深層土壤含水量對土壤侵蝕無影響。

表4　不同土層水分和水土流失量的偏相關分析

4　結(jié) 論

(1) 試驗地的土壤流失量與降雨量和平均降雨強度的乘積呈一元線性正相關關系，能夠很好地擬合。在不考慮影響該試驗地水土流失的其他因素的前提下，黃土丘陵區(qū)的降雨量和平均降雨強度的乘積越大，土壤流失量越大。

(2) 不同植被防護措施徑流量和侵蝕量由大到小為：紫花苜蓿>荒地>油松>沙棘>沙棘+紫花苜蓿>油松+紫花苜蓿。較之人工種植紫花苜蓿，荒地土壤流失量比人工種植紫花苜蓿土壤流失量更少。建議在生產(chǎn)建設項目棄渣場的恢復過程中，應采用人工種植牧草和灌木或喬木混播的方式。

(3) 降雨前土壤含水量對土壤流失有影響。在0—20 cm土層土壤水分與土壤徑流量和土壤侵蝕量具有顯著相關關系，徑流量在20—40 cm土層與土壤水分相關關系顯著，侵蝕量在20—40 cm土層有微弱相關關系，與其他土層無相關關系。

[1]蘇芳莉,范昊明,安曉奇,等.遼寧棕壤區(qū)開發(fā)建設項目棄土流失特征研究[J].水土保持學報,2011,25(2):63-66.

[2]儲小院,張洪江,王玉杰,等.高速公路建設中不同類型棄土場的土壤流失特征[J].中國水土保持科學,2007,5(2):102-106.

[3]何凡,尹婧,陳宗偉,等.青海省公路棄土場土壤侵蝕規(guī)律天然降雨試驗研究[J].水土保持通報,2008,28(2):131-134.

[4]陳宗偉,江玉林,張洪江,等.青藏高原高速公路建設中棄土場土壤流失特征:以青海平阿高速公路為例[J].水土保持研究,2006,13(6):4-6.

[5]奚成剛,楊成永.鐵路工程施工期路塹邊坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究[J].中國環(huán)境科學,2002,22(2):174-178.

[6]高旭彪,黃成志,劉朝暉.開發(fā)建設項目水土流失防治模式[J].中國水土保持科學,2007,5(6):93-97.

[7]卓慕寧,李定強,鄭煜基.高速公路棄土場堆積邊坡的生態(tài)防護試驗[J].生態(tài)學雜志,2007,26(6):912-916.

[8]李忠武,蔡強國,吳淑安,等.內(nèi)昆鐵路施工期不同下墊面土壤侵蝕模擬研究[J].水土保持學報,2001,15(2):5-8.

[9]劉建偉,史東梅,馬曉剛,等.棄渣場邊坡穩(wěn)定性特征分析[J].水土保持學報,2007,21(5):192-195.

[10]董建志,張科利,王穎,等.黃土高原公路棄土場侵蝕規(guī)律及其模擬研究[J].水土保持學報,2011,25(2):67-71.

[11]史東梅.高速公路建設中侵蝕環(huán)境及水土流失特征的研究[J].水土保持學報,2006,20(2):5-9.

[12]周連兄,趙方瑩,祝小明.北京山區(qū)公路建設生態(tài)環(huán)境保護及水土流失防治對策[J].中國水土保持,2007 (6)：46-47.

[13]黎建強,陳奇伯,王克勤,等.水電站建設項目棄渣場巖土侵蝕研究[J].水土保持研究,2007，14(6):41-43.

[14]殷健,梁珊珊.城市化對上海市區(qū)域降水的影響[J].水文,2010,30(2):66-72.

[15]王萬忠.黃土地區(qū)降雨特性與土壤流失關系的研究(Ⅲ):關于侵蝕性降雨的標準問題[J].水土保持通報,1984,4(2):58-63.

[16]謝云,劉寶元,章文波.侵蝕性降雨標準研究[J].水土保持學報,2000,14(4):6-11.

[17]袁東海,王兆騫,陳欣,等.不同農(nóng)作措施紅壤坡耕地水土流失特征的研究[J].水土保持學報,2001,15(4):66-69.

[18]衛(wèi)偉,陳利頂,傅伯杰,等.半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)降水特征值和下墊面因子影響下的水土流失規(guī)律[J].生態(tài)學報,2006,26(11):3847-3853.

Characteristics of Soil Loss in Abandoned Dreg Field of Production and Construction Project in Lintao County-Taking Xiaojiahe Hydropower Station Ⅱ Project as an Example

WANG Dawei1, WANG Li1, WANG Xiaoping2, QU Furong2

(1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.DingxiInstituteofSoilandWaterConservation,Dingxi,Gansu743000,China)

[Objective] The research studied the characteristics of soil and water loss on slopping land of abandoned dreg field of hydropower production and construction projects, which was expected to help us to harness comprehensively the loss of soil and water in loess hilly region. [Methods] The experiment was conducted in 2013 and the corresponding precipitation data were collected in the same year in Linzhao County, Dingxi City of Gansu Province. The loss characteristics of soil and water were demonstrated in runoff plots at Xiaojiahe Hydropower Station Ⅱ project with different treatments. [Results] (1) In 2013, Lintao County had a normal precipitation of 580.2 mm. (2) The product of precipitation and mean rainfall density can be well fitted with the amount of soil erosion with a coefficient greater than 0.85. (3) Different vegetation pattern could affect soil and water loss of abandoned dreg field. The mixed pattern ofPinustabuliformisand alfalfa effectively reduced the soil erosion and runoff. (4) The initial soil moisture of topsoil had a significant impact on soil and water loss, and the initial subsoil moisture had no significant influence on them. [Conclusion] Soil loss of abandoned dreg field of hydropower production and construction projects were influenced by the product of precipitation and rainfall times, vegetation pattern and initial soil moisture status of topsoil.

production and construction project; abandoned dreg field; soil loss; initial soil moisture

2015-09-13

2015-10-26

甘肅省科技支撐計劃項目“定西市開發(fā)建設項目水土流失研究”(2010GS03890)

王大為(1987—),女(漢族),吉林省榆樹市縣人，碩士研究生,研究方向為水土保持。E-mail:dawei_wz@163.com。

王立(1963—),男(漢族), 甘肅省甘谷市人，博士,副教授,主要從事水土保持、荒漠化防治等方向的研究。E-mail:wangli@gsau.edu.cn。

A

1000-288X(2016)04-0051-05

S157.1