曾仕美

(貴州省畢節(jié)市赫章縣水務(wù)局,貴州 赫章 553200)

0 引言

受自然因素、地理因素、人為因素影響下我國各個地區(qū)水土流失程度不同。赫章縣珠雉風(fēng)電場在珠市鄉(xiāng)、雉街鄉(xiāng)和興發(fā)鄉(xiāng)交界處,區(qū)內(nèi)大部分海拔高程在 2 100～2 600 m 之間,相對高差小于1 000 m,屬剝蝕、溶蝕中山地貌,風(fēng)電場建設(shè)擾動的地表面積較大,土石方開挖量也較大,造成的水土流失影響較為明顯,特別是上下邊坡,受地理環(huán)境及氣候的影響,植被恢復(fù)慢,成活率低[1-3]。因此為了應(yīng)對日益嚴(yán)重的水土流失問題,需要給出相應(yīng)的措施[4],然而目前針對水土流失的防治問題,除了砌檔墻、修建排水溝,植樹種草等,對于高海拔地區(qū)[5],無法從根本上改變水土流失加劇的現(xiàn)狀。噴漿護坡種草是一種結(jié)合了免灌和噴薄而成的新型綠化技術(shù),對于土層薄、海拔高、成活率的這種項目,是目前很好的一種治理方式。主要通過將土壤基質(zhì)與草籽、肥料、黏合劑與保水劑進行混合攪拌,形成膠狀漿液,最后采用泥漿泵將其噴灑于坡面,借助混合質(zhì)本身的粘聚力和草根的根系錨固作用對坡面水土起到保持最用。噴漿護坡種草以其高效性和環(huán)保性受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,不少學(xué)者針對噴漿護坡種草與土壤坡面的水土保持效果進行了研究[6-7],并充分論證了噴漿護坡種草對防治土壤中的水土流失具有一定的可行性,基于其土壤粘結(jié)和根系錨固效果,在水土流失相關(guān)防治中的可行性提供了一定的思考。

以赫章縣范圍內(nèi)的珠雉風(fēng)電場為背景,這個項目本身有些邊坡就是用噴漿種草來實施治理,效果明顯。通過設(shè)計室內(nèi)降雨裝置來研究降雨侵蝕下噴漿種草對于黃棕壤坡面的物理性質(zhì)及產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,為該水土流失的防治提供一定的參考依據(jù)。

1 研究概況

赫章縣珠雉風(fēng)電場位于貴州省畢節(jié)市赫章縣珠市鄉(xiāng)、雉街鄉(xiāng)和興發(fā)鄉(xiāng)交界區(qū)域。場址區(qū)整體呈北西向狹長多邊形展布,區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)海拔高程在2 100～2 600 m 之間,相對高差小于1 000 m,屬剝蝕、溶蝕中山地貌。場區(qū)總體為一北西向延伸山脊,最高點為中部銅爐上附近峰頂(海拔2 651 m)。場區(qū)沿線山脊為地表分水嶺,東北側(cè)沖溝切割較深,沖溝底部高程1 900 m左右,溝底旱季水流量小,雨季水量大。

場區(qū)出露地層以非可溶巖為主,山脊頂部及西南側(cè)多為非可溶巖,山脊北東側(cè)多為陡坡,且因巖層傾角較陡,場區(qū)中部及南部山脊北東側(cè)逆向坡分布較多陡壁,較緩邊坡多為草地,陡坡地帶多見灌木及樹林分布?？扇軒r主要分布于山脊東北側(cè)斜坡地帶、西南側(cè)邊 緣較低高程部位,該區(qū)巖溶洼地、落水洞、溶溝、溶槽、溶蝕殘丘發(fā)育,緩坡地帶多為耕地和草地,樹林及灌木林多分布于較陡邊坡。

項目區(qū)土壤類型主要為山地黃棕壤。植被屬于中亞熱帶常綠闊葉林亞帶。林草覆蓋率為 55.13%。 項目區(qū)水土流失類型主要是水力侵蝕。經(jīng)實地調(diào)查,本項目區(qū)域?qū)佥p度侵蝕區(qū),土壤侵蝕模數(shù)背景值平均為1 455 t/km2·a。項目區(qū)屬烏江赤水河上中游國家級水土流失重點治理區(qū)和貴州省水土流失重點治理區(qū)。

2 研究方法

2.1 試驗材料

試驗研究所用黃棕壤分別隨機取自珠雉風(fēng)電場6個不同的區(qū)域用以保證結(jié)果的隨機和代表性。為了研究噴漿種草對降雨侵蝕的防治效果,膠狀漿液依照室內(nèi)自制,主要以催芽的草坪種子、纖維覆蓋物、粘合劑、肥料、保水劑、泥炭混合制成。將膠狀漿液對黃土邊坡的噴播覆蓋程度分別設(shè)置20%、40%、60%、80%4個梯度進行試驗,并設(shè)置膠狀漿液噴播覆蓋度為0的坡面對照組。漿液覆蓋度的測算方式主要采用網(wǎng)格法并借助照片進行測定。

2.2 試驗裝置

試驗裝置主要以降雨裝置和土槽裝置兩部分構(gòu)成。其中降雨裝置采用的是BX-1側(cè)噴降雨系統(tǒng),該系統(tǒng)的降雨高度控制在6 m,通過閥門為模擬降雨提供給水壓強,在將水輸送到上部噴淋裝置后,通過調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的噴片孔板的孔徑大小對降雨的強度進行調(diào)控,使用該裝置的降雨均勻度能夠達到85%以上。通過結(jié)合赫章縣氣象觀測站的降雨數(shù)據(jù),本文擬定降雨裝置的降雨強度為2.0 mm/min,降雨時長設(shè)定為30 min,總降雨量設(shè)定為30 mm。

土槽裝置用以模擬赫章縣水土流失區(qū)域。土槽規(guī)格設(shè)計為長寬高分別為1.5 m、0.8 m、0.4 m的長方體鋼槽。根據(jù)赫章縣地形特征,設(shè)定土槽坡度為3‰。土槽內(nèi)包含4塊試驗用地和一塊對照組,試驗地中均用生物結(jié)皮覆蓋黃壤表面,覆蓋程度分別為20%、40%、60%、80%4個梯度,對照組則不做任何處理。

2.3 數(shù)據(jù)處理

降雨試驗展開前需要對試驗組和對照組中土壤含水率進行調(diào)節(jié),保證各坡面在同一條件下進行試驗。在試驗展開后,降雨流經(jīng)各坡面后會經(jīng)由坡面徑流流下,通過在徑流末端加裝容積為1 500 ml的塑料瓶對流出的泥沙水混合物進行收集,并每隔3 min對樣本進行一次采集。流速則采用KMnO4溶液每隔3 min進行一次記錄。待模擬降雨完成后將裝有泥沙的塑料瓶帶回試驗室沉淀并測算徑流量和泥沙量。對于水動力參數(shù)的計算,主要采用以下公式:

(1)

ω=τ·V=γ·R·J·g·V

(2)

(3)

式中:Re為雷諾數(shù);V為水流流速(m/s);h為水深(m);v為動力粘滯系數(shù)(m2/s);τ為徑流剪切力(kPa);γ為含沙水流密度(kg3/m);R為水力半徑(m);J為水力能坡(Pa);g為重力加速度(10m/s2)a為矯正系數(shù)(a=1);θ為坡度。

針對最終的減流減沙效益分析,根據(jù)《水土保持綜合治理效益計算方法》中規(guī)定的公式為:

(4)

(5)

式中:fr為減流率;fs為減沙率;Ld為試驗組徑流量;Lc為對照組徑流量;Sd為試驗組泥沙量;Sc為對照組泥沙量。

3 結(jié)果分析

3.1 物理影響結(jié)果分析

通過收集的試驗數(shù)據(jù)進行處理得到了如表1所示的不同噴播覆蓋度下的流量特征數(shù)據(jù)。

表1 不同噴播覆蓋度下的流量特征

從表1中可以看出在保持降雨強度一定的條件下,隨著噴播覆蓋的增大,初始的流量產(chǎn)生時間點會隨之延后,隨著噴播覆蓋程度從20%增長到80%,對比對照組延后時長分別延長了2.3、2.8、4.8、6.3倍,且對比對照組,峰值時期的流量大小從2.2依次較小到了0.6,流量峰值顯著減小,峰值出現(xiàn)時間點也由明顯的延后。綜上可知生物結(jié)皮對于土壤持水能力,降低坡面峰值流量及延緩峰值出現(xiàn)時間具有明顯的改善作用。

圖1 不同噴播覆蓋度下的徑流率變化圖

圖1所示為不同噴播覆蓋度下的徑流率變化圖,從圖中可以看出,在不同噴播覆蓋度下,各坡面的徑流趨勢大致相當(dāng),均表現(xiàn)出在降雨初期徑流率增大,在降雨末期徑流率逐漸減小至穩(wěn)定的過程,但不同之處在于不同生物結(jié)皮覆蓋度下的坡面徑流率會隨著覆蓋度的增大而減小。

圖2 不同噴播覆蓋度下的累計徑流量變化圖

圖2所示為不同噴播覆蓋度下的累計徑流量變化圖,從圖中可以看出在不同噴播覆蓋度下,隨著降雨時間的增長,各坡面的累計徑流量均會隨之增大,但對于不同噴播覆蓋度下的坡面,增長幅度不同,按照斜率從大到小依次為0%、20%、40%、60%、80%,可以看出,累計徑流量會隨噴播覆蓋度的增大而減小,在保持降雨強度一定的情況下,80%噴播覆蓋度的減流效果最好。

通過裝置收集的泥沙量來研究噴播對模擬坡面侵蝕效果及產(chǎn)沙效果的影響,將數(shù)據(jù)收集匯總得到了圖3和圖4。

圖3 不同噴播覆蓋度下的土壤侵蝕速率變化圖 圖4 不同噴播覆蓋度下的累計泥沙量變化圖

圖3所示為不同噴播覆蓋度下的土壤侵蝕速率變化圖,從圖中可以看出對于0、20%、40%噴播覆蓋度下的坡面,土壤侵蝕速率隨著降雨時間的增長呈現(xiàn)出上下波動的趨勢,但隨著噴播覆蓋度的增大,波動趨勢放緩;相較于前三種覆蓋度,60%和80%覆蓋度下的坡面侵蝕速率較低,較為穩(wěn)定,80%覆蓋度的侵蝕速率最低。

圖4所示為不同噴播覆蓋度下的累計泥沙量變化圖,從圖中可以看出在不同噴播覆蓋度下,各個坡面的累計泥沙量變化趨勢相同,隨著降雨時間的增長,各坡面的累計泥沙量均會隨之增大。但隨著噴播覆蓋度的增大,累計泥沙量增長幅度逐漸放緩,其中80%噴播覆蓋度的累計泥沙量最低,對坡面減沙效果貢獻度最高。

3.2 減流減沙影響分析

上文分析結(jié)果均表明,噴播種草對于減流減沙效果有著顯著的作用,但不同覆蓋程度的坡面減流減沙效果不同,為了探明具體的減流減沙效益,根據(jù)(4)和(5)對采集的數(shù)據(jù)進行計算,并得到了圖5。

圖5 不同噴播覆蓋度下的減流減沙效益圖

圖5所示為不同噴播覆蓋度下的減流減沙效益圖,從圖中可以看出在降雨強度一定的情況下,不同噴播覆蓋度的減流減沙效益不同,減沙效益與減流效益從高到低依次為80%覆蓋度、60%覆蓋度、40%覆蓋度、20%覆蓋度,可以看出80%噴播覆蓋度下的坡面減沙減流效益均最高,能夠很好地抵抗降雨過程中的雨水侵蝕作用,對防止紅壤地區(qū)水土流失起到顯著的作用。

4 結(jié)語

本文以赫章縣珠雉風(fēng)電場為對象,通過設(shè)計室內(nèi)降雨裝置來研究降雨侵蝕下噴漿種草對于黃棕壤坡面的物理性質(zhì)及產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,并得出了如下結(jié)論:

(1)噴漿種草對于土壤持水能力,降低坡面峰值流量及延緩峰值出現(xiàn)時間具有明顯的改善作用。

(2)隨著噴播種草覆蓋度的增大,累計泥沙量增長幅度逐漸放緩,其中80%噴播覆蓋度的累計泥沙量最低,對坡面減沙效果貢獻度最高。

(3)在降雨強度一定的情況下,不同噴播覆蓋度的減流減沙效益不同,80%噴播覆蓋度下的坡面減沙減流效益均最高,能夠很好地抵抗降雨過程中的雨水侵蝕作用,對防止黃棕壤地區(qū)水土流失起到顯著的作用。