程龍飛,李林燕

（重慶三峽學(xué)院建筑工程系,重慶萬州 404000）

重慶三峽庫區(qū)地處長江上游,在全國水土流失類型區(qū)劃中屬于西南土石山區(qū),是國家級水土流失重點監(jiān)督區(qū)和水土流失重點治理區(qū)。由于投資不足,前期水土流失治理中科技含量嚴重偏低,治理措施簡單,基本上還是沿用傳統(tǒng)的工程治理模式,只是一定程度上降低了土壤的侵蝕強度。植被措施是水土保持中最有效和最根本的方法,研究庫區(qū)坡面有效的植被水土保持生態(tài)建設(shè)模式,可望從根本上解決庫區(qū)面臨的水土流失問題,改善流域自然和人居生態(tài)環(huán)境[1-2]。

1 坡面產(chǎn)沙動力學(xué)機理分析

當坡面流逐漸加強超過一定限度后,坡面土壤團粒開始脫離靜止狀態(tài)進入運動狀態(tài),研究坡面團粒在坡面徑流的動力學(xué)特征,是分析坡面水土流失機理的基礎(chǔ)[3-5]。坡面上土壤團粒在水流作用下,由靜止到起動是各種力綜合作用的結(jié)果,團粒在坡面上受力情況如圖1所示。

坡面流作用下土壤顆粒受到的動力平衡條件是:(G′+Fy)(sinθ-cosθ tanφ)+(FD+FLtanφ)≤C(1)式中:Fy——雨滴擊濺力;G′——土顆粒在水中受到的浮重力;FD——水流的拖拽力;FL——水流上舉力;C——黏聚力;φ——泥沙在水下的有效內(nèi)摩擦角,0≤tanφ≤1;θ——坡角。

圖1 坡面顆粒受力分析

顯然由式(1)可以得出減小水流拖拽力、水流上舉力以及增大土壤的黏聚力都有利于水土保持;對于坡度較大的坡面,減小浮重力G′有利于水土保持。雨滴擊濺力Fy對水土保持作用影響相對較小,當坡面飽和時,可以忽略雨滴擊濺力對于土壤侵蝕的影響[6-7]。

2 植被水土保持機理分析

式中:Vr——碰撞前雨滴終速;dr——雨滴中徑;M,N——土性質(zhì)、坡面形態(tài)及徑流深度有關(guān)的量。由式(3)中分析得出:減小碰撞前雨滴的速度Vr、減小雨滴中徑dr,可以減小雨滴擊濺力Fy。

2.1 冠層及干枝對水土保持的影響

2.1.1 植被冠層的水分截留 植被冠層形成了一個天然屏障,對降落到坡體表面的雨水起到了阻隔截留作用[8]。一部分降雨在到達坡面之前就被植被莖葉截留并暫時貯存在其中,植被通過截留作用降低了到達坡面的有效降雨量,從而減少了雨水向坡體的入滲量,減弱了雨水對坡面土體的侵蝕。植被截留降雨量E可近似采用如下計算方法[6]:

式中:E——植被截留降雨量;E′——最大截留降雨量;λ′——最大截留降雨系數(shù);p——降雨量;p′——臨界降雨量。

2.1.2 植被可削弱濺蝕功能 雨滴的濺蝕是雨滴對地面的擊濺作用。降雨時的雨滴從高空落下,落地時產(chǎn)生一定的打擊力量,裸露的表土在這種力量打擊下,土壤粘結(jié)力被削除導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)即遭破壞,發(fā)生分離、破裂、位移并濺起。當其它因素一定的情況下,雨滴擊濺力Fy的大小可以表示為

草本、灌木林能夠攔截高速落下的雨滴,通過地上莖葉的緩沖作用,則雨滴落到植被上后由于其動能被覆蓋植被的緩沖作用所消耗,因此雨滴的速度大大減小甚至為零;通過與葉面的相互作用,雨滴又被分散為多個粒徑更小的雨滴。部分喬木林,由于干枝高大,攔截雨滴后可生成比原雨滴更大的雨滴,雨滴速度也和原雨滴差不多,這樣反而可能導(dǎo)致雨滴擊濺力的增大。

2.1.3 風(fēng)荷載對林地水土保持的影響 植物能傳遞風(fēng)荷載,可對表層含根土產(chǎn)生附加荷載。風(fēng)荷載大小可以近似表示為

式中:wk——風(fēng)荷載標準值;βgz——高度z處的陣風(fēng)系數(shù);μs——風(fēng)荷載體型系數(shù);μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0——基本風(fēng)壓。

顯然,植株越高、冠層越大,所受的風(fēng)荷載越大;風(fēng)荷載通過桿莖傳到表層含根土,由根系錨固力分力承擔。由于風(fēng)荷載的方向不定,一般按對水土保持不利考慮。在基本風(fēng)壓較大的陡坡上,冠幅高大的喬木、以及部分闊葉灌木都將不利于水土保持。

2.1.4 植被抑制地表徑流流速功能 水流對泥沙顆粒上的水流拖拽力FD和水流上升力FL可以分別表示以下兩式表示:

式中:V——直接作用在泥沙顆粒上的流速;Cd——滲流方向上土顆粒形狀有關(guān)的參數(shù);CL——垂直滲流方向上土顆粒形狀有關(guān)的參數(shù)。

由式(5)可以看出,直接作用在土顆粒上的流速越小,滲流拖拽力及水流上升力也就越小。草本植物分支多,叢狀生長,徑流在草叢間迂回流動,從而增大了流程,使徑流由直流變?yōu)槔@流,水力坡降減小,流速減緩。

2.2 植被根系對水土保持的影響

2.2.1 菌根及分泌物能降低土層重度、增加土層的黏聚力 根土層水穩(wěn)定性團粒網(wǎng)絡(luò)由小根與菌根真菌、腐生真菌和其他真菌菌絲構(gòu)成,同時,圍繞腐朽的根系物質(zhì)也可能形成團聚體。大團聚體是微團聚體形成后在根系和菌絲的纏繞作用下形成的;這些大的團粒,很多直徑在3 mm以上,其強度和性質(zhì)取決于根系統(tǒng)的形態(tài),具有較強的水穩(wěn)定性和疏散多孔性,相對于土顆粒而言,具有較低的重度G′。

活根提供分泌物,主要是菌根吸附微團聚體多糖,作為土粒團聚體的膠結(jié)劑,保護菌根和根系與根際土團粒不被分解;根系的穿插、纏結(jié)、擠壓作用,能增強土層的黏聚力。土中根系的分布如同加筋纖維的分布;這種加筋為土層提供了附加“黏聚力”ΔC[7]。

2.2.2 增加土體的有效孔隙度,改善土體的滲透性能 根系能將土壤單粒粘結(jié)起來,同時也能將板結(jié)密實的土體分散,并通過根系自身的腐解和轉(zhuǎn)化合成腐殖質(zhì),使土壤有良好團聚結(jié)構(gòu)和孔隙狀況。植物根系的作用可相應(yīng)增加土壤的孔隙度,使土壤微生物的活性增加,土壤有機質(zhì)氧化分解速度加快,死亡的根系又可增加土壤中有機質(zhì)的含量,這樣就可以使土壤處于良性的循環(huán)過程中,進一步有效提高土壤的有效孔隙率,明顯地改善了土壤的滲透性能。根據(jù)達西定律,有[8-9]:

式中:Q——斷面A的流量;n——孔隙率;A——滲流斷面。

須根通過在土壤中的交錯穿插作用和積累有機質(zhì),促使土壤中大粒級水穩(wěn)團粒的增加,明顯地改善了土壤的滲透性能。由以上分析可知,當流量一定時,孔隙率越大,流速就越小;根據(jù)式(5)分析,將減小滲流的上舉力和拖拽力,有利于水土保持。

由以上分析可以得出,根系能增加土體的孔隙率,降低土壤的浮重度G′,增加土體的黏聚力C,提高土壤的抗沖蝕的性能。

3 坡面植被水土保持建設(shè)模式

3.1 庫區(qū)栽植條件分析

三峽庫區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫在16～18℃,年降水量1 000～1 200 mm;但降雨多集中于5-9月,全年70%,且多暴雨。三峽庫區(qū)常見的土壤是黃棕壤、山地黃壤、紫色土和石灰土。庫區(qū)的氣候適合于大部分植物的生長;春季是最好的施工季節(jié),秋夏季也是可以施工的季節(jié),因為此時熱量和雨水組合較好,適宜植物發(fā)芽生長。

3.2 庫區(qū)坡面植被建設(shè)模式

3.2.1 坡頂封山育林 坡頂風(fēng)化作用強烈,巖石風(fēng)化成土?xí)r間不長,土層極為貧瘠,即C接近于0;其土層厚度較薄,且風(fēng)荷載相對較大,在某些情況下,表層根系的錨固力可能不足以平衡較大的風(fēng)荷載。在坡頂,式(1)可變形為:

式中:w′k——剩余風(fēng)荷載。

式(7)即為坡頂不發(fā)生土壤流失的必要條件;由式(7)可以看出,若在坡頂栽植松土,當發(fā)生暴雨時,水流拖拽力FD和水流上升力FL急劇增大;即使在θ很小的坡面,也極易引起水土流失;若伴有大風(fēng),水土流失更會加劇。故應(yīng)對坡頂實施封山育林,劃定范圍,專人管護等措施,靠自然修復(fù)生態(tài),減輕水土流失。確出于需要,要在較短時間內(nèi)恢復(fù)坡面的植被覆蓋,應(yīng)選擇耐貧瘠、生長快、根系發(fā)達、固土能力強、不會引起附加風(fēng)荷載的先鋒樹種。

3.2.2 坡面采取壟溝結(jié)合的建設(shè)模式 坡面在山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位,是徑流的策源地;在庫區(qū),坡面又是主要的居民聚集地,集中了大量的人口,是墾殖系數(shù)最高的地區(qū);因此該區(qū)域水土流失嚴重。為了減輕坡面侵蝕,應(yīng)根據(jù)坡向、坡度、土壤、溝壑分布等條件,壟溝結(jié)合,以壟護溝等與坡改梯配套工程。在坡面壟上,幾乎沒有與水流作用相關(guān)的力。在坡面壟上,式(1)可變形為

式(8)即為坡面壟上不發(fā)生土壤流失的必要條件;由式(8)可以看出,與坡改梯配合,將θ控制在一定的范圍內(nèi),即使由于耕作,導(dǎo)致黏聚力C等于0也不會產(chǎn)生水土流失。當然,要保證居民收入水平不下降,應(yīng)在坡面種植附加值較高的經(jīng)濟作物。

3.3 實例及效果分析

龍駒鎮(zhèn)距萬州主城區(qū)50 km,海拔310～1 244 m,由于采礦和居民的耕作,鎮(zhèn)內(nèi)水土流失嚴重,且人均純收入在2 000元左右。從2002年開始,根據(jù)國家“退耕還林”的政策,龍駒鎮(zhèn)提出了“依山豐林”的總體工作思路。土地貧瘠的坡頂,以村為單位,封山育林;在坡面,按照“協(xié)會+大戶+基地”的植被栽植模式,種植優(yōu)質(zhì)的筍竹、黑木耳、花椒、獼猴桃等。在居民聚積區(qū),留有一定面積的自留地,根據(jù)地勢,設(shè)置好排水溝,由居民在地里種植番茄、青椒、茄子、黃瓜、韭菜等時令菜蔬。通過治理,林草植被增加,生態(tài)環(huán)境向良好發(fā)展,水土流失明顯減少,流失程度大部分下降一兩個等級。到2007年,林地面積增加達到0.92萬hm2,占總面積的81.12%,其中高附加值的經(jīng)濟林木也占有一定的比例;群眾生活水平顯著提高,到2009年底農(nóng)民純收入達到4 000元。

4 結(jié)論

(1)減小水流拖拽力、水流上舉力以及增大土壤的黏聚力都有利于水土保持;對于坡度較大的坡面,減小浮重力G'有利于水土保持。

(2)植被冠層及枝干的水土保持作用主要體現(xiàn)在植被冠層的水分截留、削弱降雨的濺蝕功能以及抑制地表徑流等幾個方面;而根系的水土保持作用主要體現(xiàn)在菌根及分泌物能降低土層重度、增加土層的黏聚力,根系能增加土體的有效孔隙度、改善土體的滲透性能。

(3)庫區(qū)坡面有效的水土保持栽植模式應(yīng)該是:在坡頂,以封山育林為主;確出于需要,應(yīng)選擇耐貧瘠、生長快、根系發(fā)達、固土能力強的先鋒樹種;在坡面,應(yīng)根據(jù)坡向、坡度、土壤等條件,壟溝結(jié)合,輔以坡改梯等配套工程措施,種植附加值較高的經(jīng)濟作物。

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