劉 燕,周建海
(甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020)
隨著用水壓力與日俱增,雨水資源利用越來越受到人們的重視,特別是在人口快速增長、水資源緊缺的城市,多種雨水資源利用的技術(shù)和方式被開發(fā)和應(yīng)用[1~3]。以徑、集、滲、儲、蓄、凈為一體的海綿城市雨水生態(tài)系統(tǒng),在很多城市陸續(xù)建成[4~6]。在水土流失非常嚴(yán)重的西北黃土高原區(qū),雨水資源利用更為重要,有研究表明,通過調(diào)整植被類型,雨水資源可基本滿足植被恢復(fù)耗水需求,這在一定程度上緩解了水資源的供需矛盾[7]。充分利用雨水資源對干旱的西北黃土高原區(qū)具有非常重要的意義[8],一些學(xué)者對黃土高原區(qū)不同類型的雨水資源利用進(jìn)行了研究,比如,周媚芳對梯田果園集水補(bǔ)灌技術(shù)進(jìn)行試驗研究,可提升果園雨水利用效率9.7%~19.7%[9]。余海龍等[10]在闡述雨水資源利用各階段技術(shù)的基礎(chǔ)上,分析了雨水資源利用對區(qū)域水土保持的意義。高學(xué)睿等[11]利用基于分布式水文模擬技術(shù)的雨水資源潛力模型,對當(dāng)?shù)氐挠晁Y源化潛力進(jìn)行評價,雨水資源可以基本滿足區(qū)域植被恢復(fù)的用水需求。趙旗[12]構(gòu)建SWAT分布式水文模型定量評估研究區(qū)雨水資源化潛力,分析了未來研究區(qū)雨水資源化潛力的時空演變趨勢。一些學(xué)者對棄土場水土保持工程進(jìn)行了研究,比如,楊世君等提出棄土場邊坡柔性生態(tài)修復(fù)技術(shù),為黃土高原棄土場水土流失治理提供了更多選擇[13]。然而,擋水埂作為棄土場常見的水土保持措施,關(guān)于擋水埂對棄土場雨水資源利用影響的研究,目前還沒有系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識。
鑒于此,本文以“中蘭客專”的3個棄土場為研究對象,每個棄土場選擇一定數(shù)量的樣地,測定雨季前后擋水埂內(nèi)和擋水埂上土壤含水率,分析擋水埂對工程建設(shè)項目棄土場雨水利用的影響,以期為研究區(qū)的棄土場水土流失治理提供參考。
“中蘭客?!?銀蘭高鐵中衛(wèi)-蘭州段)沿線屬于以中度水力侵蝕為主、兼具輕度風(fēng)力侵蝕的西北黃土高原區(qū),原地表平均土壤侵蝕模數(shù)約為3000 t/(km2·a)。線路所經(jīng)白銀市的靖遠(yuǎn)縣、蘭州市的西固區(qū)和七里河區(qū)屬于甘青寧黃土丘陵國家級水土流失重點治理區(qū);白銀市的白銀區(qū)、靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)和蘭州市的皋蘭縣、蘭州新區(qū)、永登縣、西固區(qū)、七里河區(qū)屬甘肅省水土流失重點治理區(qū)。沿線地貌類型主要為中低山丘陵區(qū),土壤類型主要為黃綿土、灰鈣土和黑爐土[14]。植被類型為溫帶荒漠植被,沿線河流屬于黃河流域[15]。項目區(qū)地處中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū),年平均氣溫7.4~9.5 ℃,年降水量176.5~319.6 mm,年平均蒸發(fā)量1457.7~1974.2 mm;年平均風(fēng)速0.9~2.4 m/s[16]。
經(jīng)野外調(diào)研和篩選,在“中蘭客?!毖鼐€選取3個棄土場進(jìn)行土壤含水率的測定,分別是區(qū)間路基52#棄土場、雙廟溝棄土場和白銀南4號棄土場。使用土壤水分速測儀測定擋水埂內(nèi)和擋水埂上0~15 cm土層的土壤含水率,每塊樣地均勻布設(shè)10個采樣點,每個采樣點進(jìn)行3次測量后取平均值,得到每塊樣地的0~15 cm土層的土壤含水率。研究區(qū)的降雨主要集中在6~8月份,分別在2021年4月底和8月底進(jìn)行土壤含水率的測定,得出研究區(qū)雨季前后擋水埂內(nèi)和擋水埂上的0~15 cm土層的土壤含水率。
對每塊樣地的10個采樣點實測土壤含水率取平均值,計算雨季后相比雨季前擋水埂內(nèi)0~15 cm土層土壤含水率的增長率。分別計算雨季前后擋水埂內(nèi)相比擋水埂上0~15 cm土層土壤含水率的增長率,分析擋水埂對棄土場土壤含水率的影響。
3.1.1 區(qū)間路基52#棄土場雨季前后土壤含水率變化
區(qū)間路基52#棄土場的整治時間是2018年11月份到2020年5月份,田塊12 m×12 m,擋水埂寬40 cm,高20 cm。選擇8塊樣地進(jìn)行0~15 cm土層土壤含水率測定,標(biāo)號為樣地A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8。使用土壤水分速測儀,每塊樣地均勻布設(shè)10個采樣點,每個采樣點進(jìn)行3次測量后取平均值,分別計算這8塊樣地雨季前后擋水埂內(nèi)0~15 cm土層土壤含水率的增長率,計算結(jié)果如表1所示,區(qū)間路基52#棄土場8塊樣地的土壤含水率均在雨季后大幅增長,增長率在71.96%~125.21%,增長幅度較高。
表1 區(qū)間路基52#棄土場雨季前后0~15 cm土層土壤含水率 %
3.1.2 雙廟溝棄土場雨季前后土壤含水率變化
雙廟溝棄土場的整治時間是2018年11月到2019年10月份,田塊12 m×12 m,擋水埂寬50 cm,高20 cm。選擇4塊樣地進(jìn)行土壤含水率測定,標(biāo)號為樣地B1、B2、B3、B4。使用土壤水分速測儀,每塊樣地均勻布設(shè)10個采樣點,每個采樣點進(jìn)行3次測量后取平均值,分別計算這4塊樣地雨季前后擋水埂內(nèi)0~15 cm土層土壤含水率的增長率,計算結(jié)果如表2所示,雙廟溝棄土場4塊樣地的土壤含水率均在雨季后大幅增長,增長率在88.28%~110.99%,增長幅度較高。
3.1.3 白銀南4#棄土場雨季前后土壤含水率變化
白銀南4號棄土場的整治時間是2019年10月份到2020年6月份,田塊10 m×10 m,擋水埂呈梯形狀,上底寬30 cm,下底寬50 cm,高30 cm。選擇4塊樣地進(jìn)行土壤含水率測定,標(biāo)號為樣地C1、C2、C3、C4。使用土壤水分速測儀,每塊樣地均勻布設(shè)10個采樣點,每個采樣點進(jìn)行3次測量后取平均值,分別計算這4塊樣地雨季前后擋水埂內(nèi)0~15 cm土層土壤含水率的增長率,計算結(jié)果如表3所示,白銀南4#棄土場4塊樣地的土壤含水率均在雨季后大幅增長,增長率在91.92%~128.72%,增長幅度較高。
表2 雙廟溝棄土場雨季前后0~15 cm土層土壤含水率 %
表3 白銀南4#棄土場雨季前后0~15 cm土層土壤含水率 %
以上3個棄土場所有樣地的擋水埂內(nèi)0~15 cm土層土壤含水率均在雨季后大幅增長,說明雨水資源對于研究區(qū)棄土場有非常重要的意義,在干旱的西北黃土高原區(qū),利用雨水資源對于棄土場水土流失防治是非常必要的,良好的水源涵養(yǎng)能力也為棄土場配套的植物措施提供更好的生長條件。另外,區(qū)間路基52#棄土場和雙廟溝棄土場的田塊規(guī)格和擋水埂高度均相同,只有擋水埂的寬度不同,雨季后土壤含水率的增長率沒有顯著差別,白銀南4#棄土場的田塊規(guī)格和擋水埂形狀均與前述2個不同,但雨季后土壤含水率的增長率亦沒有顯著差別。
3.2.1 擋水埂對區(qū)間路基52#棄土場土壤含水率的影響
選擇的8塊樣地與前述測量擋水埂內(nèi)土壤含水率相同,分別測量這8塊樣地雨季前后擋水埂埂上土壤含水率,并計算雨季前后擋水埂內(nèi)土壤含水率相比擋水埂上土壤含水率的增長率,結(jié)果見表4。雨季前區(qū)間路基52#棄土場擋水埂內(nèi)相比擋水埂上土壤含水率的變化幅度不大,增長率為-5.70%~2.99%,說明雨季前擋水埂內(nèi)和擋水埂上的土壤含水率沒有明顯差異。雨季后區(qū)間路基52#棄土場擋水埂內(nèi)相比擋水埂上土壤含水率的變化幅度較大,增長率為8.07%~13.67%。
表4 區(qū)間路基52#棄土場雨季前后擋水埂上0~15 cm土層土壤含水率 %
3.2.2 擋水埂對雙廟溝棄土場土壤含水率的影響
選擇的4塊樣地與前述測量擋水埂內(nèi)土壤含水率相同,分別測量這4塊樣地雨季前后擋水埂埂上土壤含水率,并計算雨季前后擋水埂內(nèi)土壤含水率相比擋水埂上土壤含水率的增長率,結(jié)果見表5。雨季前雙廟溝棄土場擋水埂內(nèi)相比擋水埂上土壤含水率的變化幅度不大,增長率為-2.60%~4.19%,說明雨季前擋水埂內(nèi)和擋水埂上的土壤含水率沒有明顯差異。雨季后雙廟溝棄土場擋水埂內(nèi)相比擋水埂上土壤含水率的變化幅度較大,增長率為8.70%~12.52%。
表5 雙廟溝棄土場雨季前后擋水埂上0~15 cm土層土壤含水率 %
3.2.3 擋水埂對白銀南4#棄土場土壤含水率的影響
選擇的4塊樣地與前述測量擋水埂內(nèi)土壤含水率相同,分別測量這4塊樣地雨季前后擋水埂埂上土壤含水率,并計算雨季前后擋水埂內(nèi)土壤含水率相比擋水埂上土壤含水率的增長率,結(jié)果見表6。雨季前雙廟溝棄土場擋水埂內(nèi)相比擋水埂上土壤含水率的變化幅度不大,增長率為-1.49%~2.63%,說明雨季前擋水埂內(nèi)和擋水埂上的土壤含水率沒有明顯差異。雨季后雙廟溝棄土場擋水埂內(nèi)相比擋水埂上土壤含水率的變化幅度較大,增長率為9.00%~12.05%。
表6 白銀南4#棄土場雨季前后擋水埂上0~15 cm土層土壤含水率 %
以上3個棄土場所有樣地?fù)跛?nèi)相比擋水埂上的0~15 cm土層土壤含水率,雨季前沒有顯著差異,雨季后增長率較高,說明擋水埂可以有效地利用雨水資源,對防治水土流失有非常重要的意義。另外,擋水埂蓄集雨水為棄土場的植物措施補(bǔ)充水分,有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。擋水埂施工簡便,建設(shè)成本較低,是一種性價比較高的水土保持工程措施。
(1)研究區(qū)所有樣地的擋水埂內(nèi)0~15 cm土層土壤含水率均在雨季后大幅增長,增長幅度高達(dá)71.96%~128.72%,對于干旱半干旱地區(qū)的建設(shè)工程項目棄土場整治,有效地利用雨水資源對于棄土場水土流失防治是非常必要的。
(2)研究區(qū)所有樣地?fù)跛?nèi)相比擋水埂上的0~15 cm土層土壤含水率,雨季前沒有顯著差異,雨季后增長率較高,增幅為8.07%~13.67%,擋水埂對棄土場雨水資源利用具有積極的作用,良好的涵養(yǎng)水源為植被恢復(fù)提供有利條件。
相關(guān)結(jié)果可為西北黃土高原區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目棄土場水土流失防治提供參考,今后將進(jìn)一步加強(qiáng)不同深度不同季節(jié)的棄土場土壤水分對雨水的響應(yīng)機(jī)制,深化對棄土場水土流失防治技術(shù)的認(rèn)識。