于亞莉，汪三樹，彭旭東，史東梅

(1.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶 400715)

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不同植被恢復(fù)年限棄渣場(chǎng)入滲性能研究

于亞莉1，汪三樹1，彭旭東2，史東梅2

(1.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶 400715)

[摘要]為科學(xué)預(yù)測(cè)棄渣場(chǎng)水土流失量及評(píng)價(jià)其植被恢復(fù)效應(yīng)，采用雙環(huán)入滲法研究了不同植被恢復(fù)年限的棄渣場(chǎng)平臺(tái)及邊坡處的入滲特征，結(jié)果表明：不同植被恢復(fù)年限的棄渣土體容重、有機(jī)質(zhì)含量及毛管孔隙度均隨植被恢復(fù)年限的增加而增大，植被恢復(fù)從1年變化到2年，其容重差異在0.07～0.14 g/cm3之間；棄渣入滲過程大致存在入滲率迅速降低(9 min內(nèi))、緩慢降低(10～60 min)和趨于穩(wěn)定(60 min后)三個(gè)階段；平臺(tái)處的穩(wěn)定入滲率隨植被恢復(fù)年限的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，而邊坡處的穩(wěn)定入滲率則隨植被恢復(fù)年限的增加呈先減小后增加趨勢(shì)；Horton模型對(duì)棄土棄渣入滲過程擬合的相關(guān)系數(shù)最大(平均0.923)，是反映其入滲過程的適宜模型。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，水利水電、礦產(chǎn)資源開發(fā)、公路鐵路交通運(yùn)輸、輸油輸氣、工業(yè)與民用建筑工程等各類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目日益增多[1-2]。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目不僅對(duì)原地貌造成擾動(dòng)、破壞，而且在工程建設(shè)過程中受挖填方施工時(shí)段、材料質(zhì)量、標(biāo)段劃分、運(yùn)輸距離等諸多因素的影響，不可避免地產(chǎn)生大量的棄土棄渣，由此造成的水土流失強(qiáng)度高、范圍廣、危害大，嚴(yán)重危及人類賴以生存的水土資源和自然環(huán)境[3]。為減少水土流失，棄土棄渣場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾逐漸成為相關(guān)專家、學(xué)者的研究重點(diǎn)[4]。植被恢復(fù)作為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)棄渣場(chǎng)防治水土流失的根本措施[5-6]，其原因在于植被可以重新分配降水和降低降雨強(qiáng)度，還可以通過改善棄渣的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，增加其抗侵蝕能力，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)植被發(fā)揮的作用越來(lái)越好。土壤水分入滲性能決定了產(chǎn)生地表徑流的水量，從而對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響。目前，對(duì)棄土棄渣的入滲及產(chǎn)流過程[7-10]研究較多，而針對(duì)不同植被恢復(fù)年限的棄土棄渣入滲特征的研究較少。因此，我們以重慶市北碚區(qū)不同植被恢復(fù)年限的棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，通過分析其理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)上的變化特征，研究其水分入滲過程及入滲特征，以期為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)棄渣場(chǎng)植被恢復(fù)效應(yīng)的評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)，地處東經(jīng)106°18′14″～106°56′ 53″、北緯29°39′10″～30°11′21″，年平均氣溫18.3 ℃，年平均降水量105.4 mm，5—9月的降水量占全年降水量的70%。試驗(yàn)選取的3個(gè)棄渣場(chǎng)坡面土壤均為中生代侏羅紀(jì)沙溪廟組砂泥巖母質(zhì)及其發(fā)育而成的紫色土，植被恢復(fù)均以灌草為主，主要植被有蕨類、狗尾草、寬葉苔草等，其中1#棄渣場(chǎng)形成時(shí)間為2個(gè)月，2#棄渣場(chǎng)為1年，3#棄渣場(chǎng)為2年，各棄渣場(chǎng)基本情況見表1。

表1　棄渣場(chǎng)基本概況

1.2研究方法

土壤容重、毛管孔隙度和飽和含水率均采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤入滲采用雙環(huán)入滲儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，外環(huán)直徑30 cm，內(nèi)環(huán)直徑15 cm，環(huán)高15 cm，在每種恢復(fù)年限棄渣場(chǎng)平臺(tái)和邊坡坡面進(jìn)行。初始入滲率為最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量與入滲時(shí)間的比值，本研究選取初始2 min求算初始入滲率；平均滲透速率為達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量與時(shí)間的比值；穩(wěn)定入滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率。

本研究采用Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型來(lái)對(duì)不同植被恢復(fù)年限的棄渣入滲過程進(jìn)行擬合。

(1)Horton模型。模型公式為

(1)

(2)Kostiakov模型。模型公式為

(2)

(3)Philip模型。模型公式為

(3)

2結(jié)果與分析

2.1不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣理化性質(zhì)特征

土壤物理性質(zhì)是影響土壤入滲特性的重要因素。棄土棄渣結(jié)構(gòu)特征對(duì)土體入滲能力的影響主要是通過土體孔隙狀況影響土體水力傳導(dǎo)度和土體水分運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。土體容重作為反映棄土棄渣結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，直接或間接地反映了土體的松緊程度和通氣狀況。由表2可知，不同植被恢復(fù)年限棄渣場(chǎng)的物理性質(zhì)存在較大差異，但無(wú)論是棄渣平臺(tái)還是邊坡，其土體容重均呈現(xiàn)出隨著堆積年限的增加而增大的趨勢(shì)。棄渣由堆積2個(gè)月到1年，容重變化較小，其差異在0～0.01 g/cm3之間；棄渣由堆積1年到2年，容重變化較大，其差異在0.07～0.14 g/cm3之間。綜合分析表明，隨著堆積年限的增加，棄渣容重變大，其入滲能力會(huì)變小。

表2　棄土棄渣理化性質(zhì)特征

棄土棄渣作為土壤及母質(zhì)的混合物，其所含的植物根系與有機(jī)質(zhì)較少。有機(jī)質(zhì)作為土體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的膠體物質(zhì)之一，對(duì)棄土棄渣的結(jié)構(gòu)有重要影響。在一定情況下，有機(jī)質(zhì)含量越多，則土體形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的可能性越大，故其結(jié)構(gòu)會(huì)變好，入滲性能也會(huì)得到改善。由表2可見，棄土棄渣有機(jī)質(zhì)含量隨植被恢復(fù)年限的增加而增大，新堆積棄渣(2個(gè)月)有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為1.77～2.38 g/kg，堆積1年的棄渣有機(jī)質(zhì)含量為5.33～5.79 g/kg，堆積2年的棄渣有機(jī)質(zhì)含量為5.93～6.36 g/kg。棄土棄渣毛管孔隙度也表現(xiàn)出隨植被恢復(fù)年限增加而增大的趨勢(shì)，就棄渣平臺(tái)而言，2個(gè)月、1年及2年棄渣的毛管孔隙度依次為16.49%、16.97%和18.41%，這說明年限越長(zhǎng)則植物可吸收利用的毛管水量越大。

2.2不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲性能

在棄土棄渣平臺(tái)及邊坡，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于其表面入滲率時(shí)，降水全部進(jìn)入棄渣體內(nèi)部，不形成地表徑流，而當(dāng)雨強(qiáng)大于其表面入滲率時(shí)，降水會(huì)在棄渣表面形成徑流，進(jìn)而引發(fā)水土流失。不同植被恢復(fù)年限棄渣的入滲過程差異明顯(圖1)。由圖1可見：不同植被恢復(fù)年限棄渣場(chǎng)的土體入滲率在初期的9 min內(nèi)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速降低，在10～60 min時(shí)段土體入滲率下降變緩，60 min后入滲率趨于穩(wěn)定。就棄渣平臺(tái)而言，2個(gè)月、1年和2年棄渣的入滲率趨穩(wěn)于1.13、6.56和2.16 mm/min；對(duì)于棄渣邊坡，其入滲率依次趨穩(wěn)于8.21、1.64和6.79 mm/min。

圖1　不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲過程

根據(jù)棄渣的入滲率變化過程，分析得到其初始入滲率、穩(wěn)定入滲率及平均入滲率等入滲特征值，見圖2。就初始入滲率而言，2個(gè)月棄渣邊坡的初始入滲率最大，為23.20 mm/min，而其平臺(tái)處的初始入滲率則最小，為4.11 mm/min；不同棄渣平臺(tái)的初始入滲率相比，植被恢復(fù)2個(gè)月的較小，而植被恢復(fù)1年及2年的較大。對(duì)于穩(wěn)定入滲率而言，棄渣平臺(tái)處的穩(wěn)定入滲率隨植被恢復(fù)年限的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，但2個(gè)月的棄渣穩(wěn)定入滲率小于1年及2年的；棄渣邊坡處的穩(wěn)定入滲率則表現(xiàn)為隨植被恢復(fù)年限的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，但2個(gè)月的棄渣穩(wěn)定入滲率高于1年及2年的。綜合分析表明，植被恢復(fù)對(duì)棄土棄渣的入滲特性影響較大，植被恢復(fù)時(shí)間達(dá)到1年后，棄渣場(chǎng)平臺(tái)的入滲率會(huì)變大，而邊坡的入滲率會(huì)變小。

圖2　不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲特征

2.3棄土棄渣入滲過程模型的優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的入滲擬合模型主要有Horton模型、Kostiakov模型和Philip模型等。為比較不同擬合模型對(duì)棄土棄渣下墊面入滲過程的擬合優(yōu)度，本研究分別采用Horton、Kostiakov和Philip這三種模型對(duì)不同植被恢復(fù)年限的棄土棄渣入滲過程進(jìn)行了優(yōu)化模擬，其結(jié)果見表3。

表3　棄土棄渣入滲模型回歸分析結(jié)果

由表3可知，不同的入滲模型對(duì)棄渣場(chǎng)入滲的擬合優(yōu)度存在差異。用Kostiakov模型對(duì)棄土棄渣入滲速率進(jìn)行擬合時(shí)，平均相關(guān)系數(shù)為0.650；Philip模型擬合的平均相關(guān)系數(shù)為0.761，擬合效果較好；而Horton模型擬合的平均相關(guān)系數(shù)為0.923，其相關(guān)系數(shù)均在0.790以上，擬合效果最好。這說明Horton模型更適宜于棄土棄渣入滲過程的模擬，這與李葉鑫等[8]對(duì)紫色丘陵區(qū)不同棄土棄渣入滲特征的研究結(jié)論一致。從Horton模型對(duì)不同植被恢復(fù)年限的棄渣入滲擬合方程中(表3)可以看出，隨著植被恢復(fù)年限增加，棄渣平臺(tái)穩(wěn)定入滲率表現(xiàn)為先增加后減小，其2個(gè)月、1年和2年棄渣穩(wěn)定入滲率分別為1.13、4.75和1.81 mm/min，而其邊坡的穩(wěn)定入滲率則表現(xiàn)為先減小后增加，其數(shù)值依次為8.21、1.64和7.47 mm/min。

3結(jié)論

(1)不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣的物理性質(zhì)有明顯差異。不同植被恢復(fù)年限棄渣土體容重隨著堆積年限的增加而增大，植被恢復(fù)年限由1年增加到2年，棄渣容重變化較大，其差異在0.07～0.14 g/cm3之間；有機(jī)質(zhì)含量、毛管孔隙度也隨植被恢復(fù)年限的增加而增大，說明植被恢復(fù)年限越長(zhǎng)則其水肥條件越好。

(2)不同植被恢復(fù)年限棄土棄渣入滲過程大致存在入滲率迅速降低(9 min內(nèi))、緩慢降低(10～60 min)和趨于穩(wěn)定(60 min后)三個(gè)階段。不同植被恢復(fù)年限棄渣的入滲能力差異較大，平臺(tái)處的穩(wěn)定入滲率隨年限的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，而邊坡處的穩(wěn)定入滲率則隨年限的增加呈先減小后增加趨勢(shì)。

(3)Horton模型更適宜于棄渣場(chǎng)入滲過程的模擬，其擬合曲線的平均相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)0.923。Horton模型擬合的入滲過程顯示，植被恢復(fù)2個(gè)月、1年和2年的棄渣平臺(tái)處穩(wěn)定入滲率依次為1.13、4.75和1.81 mm/min，而其邊坡的穩(wěn)定入滲率依次為8.21、1.64和7.47 mm/min。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項(xiàng)目]重慶水利科技項(xiàng)目“生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失規(guī)律研究”(2011)；重慶市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失危害研究(2012)

[中圖分類號(hào)]S151.9

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)06-0051-03

[作者簡(jiǎn)介]于亞莉(1977—)，女，四川資陽(yáng)市人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)及水土保持咨詢工作；通信作者史東梅(1970—)，女，甘肅靈臺(tái)縣人，教授，博士，主要從事土壤侵蝕與流域治理、水土保持等研究。

[收稿日期]2015-06-13

[關(guān)鍵詞]棄渣場(chǎng)；入滲性能；植被恢復(fù)；邊坡