岳桓陛,楊建英?,楊陽,史常青,趙平,沈毅

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京東方園林股份有限公司,100087,北京; 3.交通運輸部公路科學(xué)研究所,100088,北京)

不同降雨強度條件下植被毯護坡技術(shù)的產(chǎn)流特性

岳桓陛1,楊建英1?,楊陽1,史常青1,趙平2,沈毅3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京東方園林股份有限公司,100087,北京; 3.交通運輸部公路科學(xué)研究所,100088,北京)

為了研究不同氣候條件下植被毯技術(shù)的適用性,分析不同降雨強度條件對徑流、入滲系數(shù)、入滲深度的影響,設(shè)置3種降雨強度(0.56、1.01、2.02 mm/min),通過侵蝕槽填土并布設(shè)各類植被毯,模擬施工邊坡,并設(shè)置無覆蓋對照組,使用側(cè)噴式人工降雨大廳對侵蝕槽進行人工模擬降雨試驗。結(jié)果表明:1)植被毯能夠增加徑流入滲,在降雨強度為1.01 mm/min時,麥秸稈植被毯和椰絲纖維植被毯最多分別能夠增加27.7%和28%的入滲量;2)不同材料植被毯徑流過程有明顯的差異,在降雨強度為0.50、1.01 mm/min時,入滲系數(shù)為麥秸稈＞椰絲纖維,降雨強度為2.02 mm/min時,入滲系數(shù)為椰絲纖維植＞麥秸稈;3)同種材料不同質(zhì)量的植被毯徑流總量有較大差異,同種材料中,200～300 g/m2的植被毯在3種降雨強度條件下均能夠取得較其他質(zhì)量植被毯更好的保水效果。

植被毯;人工降雨;公路邊坡;入滲特性

交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是近年來國家生產(chǎn)建設(shè)項目的重要組成部分[1]。高速公路的相繼開通,鐵路的不斷延伸,形成了大量無植被覆蓋的裸露邊坡,導(dǎo)致了嚴重的水土流失[2-3]。針對這些問題,前人提出了很多行之有效的邊坡防護措施[4-5],而工程措施與植物措施相結(jié)合的邊坡防護方式,以其效果好、成本低、效率高的特點,逐漸得到了廣泛應(yīng)用[6-8]。 大量研究表明,坡面鋪設(shè)覆蓋物能夠有效改善水分條件,促進破壞坡體植被生長,減少坡面水土流失[9-11]。植被毯技術(shù)作為新型的邊坡綠化技術(shù),以其良好的生態(tài)效益和低廉的施工成本,在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注。顧小華等[12]研究發(fā)現(xiàn),植被毯技術(shù)在施工中針對劣質(zhì)土邊坡和巖質(zhì)邊坡有著良好的生態(tài)修復(fù)效果和顯著的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。趙方瑩等[13]通過徑流小區(qū)尺度上多種綠化方式的水土保持效果對比得出,植被毯可以有效減少邊坡水土流失,改善植被生長環(huán)境,是一項經(jīng)濟可行、效果理想的技術(shù)措施。馬文寶等[14]指出,人工植被毯防護技術(shù)是十幾年來國際公認的有效、簡便、廉價的環(huán)保型邊坡防護技術(shù)。然而,植被毯技術(shù)及其生產(chǎn)線主要引進于國外,由于自然條件的差異,植被毯在實際施工過程中也出現(xiàn)許多因為“水土不服”導(dǎo)致施工效果不理想的情況;因此,研究植被毯本身的性質(zhì),探索其使用方法,將是植被毯技術(shù)進一步推廣的必要條件。筆者以鋪設(shè)有各種類型植被毯的公路邊坡為研究對象,通過人工降雨試驗,研究對比各類植被毯在不同降雨強度條件下的保水性能,以期為成熟的植被毯使用規(guī)程編制提供試驗依據(jù),為道路邊坡綠化施工提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

試驗采用的植被毯是以麥秸、椰絲等為原料,添加了營養(yǎng)土、草種、保水劑等材料,專門用于巖石、劣質(zhì)土坡、陡坡的水土保持技術(shù)。從坡面上到下依次為上網(wǎng)、植物纖維層、種子與營養(yǎng)土層、木漿紙層、下網(wǎng)5層。試驗使用侵蝕槽模擬施工邊坡,在坡面上鋪設(shè)植被毯,并使用人工降雨大廳進行模擬降雨試驗完成數(shù)據(jù)測定。降雨高度8 m,有效降雨面積0.45 m2,實際降雨面積0.39 m2。降雨大廳全程由計算機操控,工作原理如圖1所示。

圖1 人工模擬降雨大廳工作示意圖Fig.1 Sketch map of artificial rainfall machinery

1.2 試驗布設(shè)

試驗采用0.9 m×0.5 m×0.1 m的侵蝕槽,鋪設(shè)植被毯模擬公路邊坡。試驗所用營養(yǎng)土為植被毯內(nèi)置腐殖土(有機質(zhì)≥50%、氮磷鉀≥5%、保水劑5%、厚度0.5 cm),草種采用華北地區(qū)常用綠化先鋒植物高羊茅(Festuca elata)。布設(shè)11個種類3次重復(fù)共33個侵蝕槽,進行人工降雨試驗。每個侵蝕槽分別進行3次不同降雨強度(0.56、1.01、2.02 mm/min)的模擬降雨,各降雨強度條件下侵蝕槽降雨先后順序由抽簽法得出。具體布設(shè)條件見表1。

1.3 試驗數(shù)據(jù)測定及計算方法

1)徑流量。在降雨過程中,進行徑流量的觀測。分別在降雨開始0～10 min內(nèi)每2 min,10～20 min內(nèi)每5 min,20～40 min內(nèi)每10 min,40～60 min內(nèi)每20 min各段時間內(nèi)測量徑流總量和烘干后泥沙體積。徑流量計算方法[15]為

式中:Q為徑流量,mL/min;W為本段時間侵蝕槽產(chǎn)生的徑流量,mL;V為本段時間侵蝕槽產(chǎn)生的泥沙烘干體積,cm3;t表示時長,min。

試驗中鋪設(shè)植被毯的侵蝕槽測得的泥沙體積較之徑流總量數(shù)量級很小,為了計算方便全部按0計,不影響徑流量的測定結(jié)果。

表1 試驗布設(shè)因素表Tab.1 Factors in experiment

2)入滲指數(shù)。包括入滲量Pr,入滲系數(shù)α,入滲深度H。利用水量平衡方程確定侵蝕槽的入滲量,侵蝕槽內(nèi)輸入水量(降雨量)和輸出水量(徑流、入滲、蒸發(fā))相等。計算公式[16-18]如下:

式中:Pr為入滲量,mL;P、E、R分別為降水總量、蒸散量、徑流總量,mL;S為實際降雨面積,m2;H為入滲深度,mm。

試驗中測得蒸發(fā)量E較之降水量P和徑流量R數(shù)量級很小,為了計算方便全部按0計,不影響徑流總量和入滲指數(shù)的測定結(jié)果。

3)分析工具。運用PASW Statistics 18.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和單因素ANOVA方差分析,使用Excel處理數(shù)據(jù)和繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強度植被毯覆蓋對入滲系數(shù)的影響

圖2為各試驗組的入滲系數(shù)隨降雨強度變化情況?？梢钥闯?椰絲纖維組和麥秸稈組的入滲系數(shù)隨著降雨強度的增加逐漸增大,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;對照組入滲系數(shù)隨降雨強度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。可知,椰絲纖維組在降雨強度較大(1.01～2.02 mm/min)時入滲量變化較小,麥秸稈組在降雨強度較小(0.56～1.01 mm/min)和較大(1.01～2.02 mm/min)的情況下入滲量都呈現(xiàn)明顯變化。

圖2 不同降雨強度條件下入滲系數(shù)變化Fig.2 Change of infiltration coefficient on slope at different rainfall intensities

不同降雨強度不同覆蓋條件下入滲系數(shù)單因素方差分析結(jié)果見表2?？梢钥闯?在降雨強度為1.01 mm/min時入滲系數(shù)差異顯著,麥秸稈組＞椰絲纖維組＞對照組,麥秸稈組、椰絲纖維組的入滲系數(shù)分別比對照組增加11.1%和7.5%;在降雨強度為0.56、2.02 mm/min時,各組入滲系數(shù)區(qū)別不明顯;在降雨強度為0.56 mm/min時,麥秸稈組入滲系數(shù)大于椰絲纖維組,為對照組的94.3%;在降雨強度為2.02 mm/min時,椰絲纖維組入滲系數(shù)大于麥秸稈組,為對照組的102%。

表2 不同覆蓋條件下的入滲系數(shù)Tab.2 Characteristics of infiltration coefficient ton slope with different mulches____________________

2.2 不同降雨強度植被毯入滲深度對比

表3為3種降雨強度不同類型植被毯的入滲深度對比結(jié)果?？芍?5種不同干質(zhì)量植被毯的入滲深度總量存在明顯的區(qū)別:降雨強度為0.56 mm/ min時,因為室內(nèi)試驗?zāi)M降雨濺蝕能量不足,裸地地表結(jié)皮未破壞,入滲深度反而較高;降雨強度為1.01 mm/min時,入滲深度整體趨勢為麥秸稈＞椰絲纖維;降雨強度為2.02 mm/min時,入滲深度為椰絲纖維＞麥秸稈。同種材質(zhì)不同質(zhì)量植被毯保水效益差異較小,300 g/m2麥秸稈植被毯和200 g/m2的椰絲纖維植被毯在同種材料中最為突出。2

.3 不同降雨強度植被毯覆蓋坡面徑流過程對比

圖3為100、200、300、400、500 g/m2麥秸稈覆蓋組和椰絲纖維覆蓋組在3種降雨強度條件下的坡面徑流過程曲線?？梢钥闯?各組坡面的徑流有較大的差異,在過程上存在如下規(guī)律:降雨強度為0.56 mm/min時,對照組產(chǎn)流很快,徑流變化較緩,前期徑流值大于植被毯覆蓋坡面,在降雨開始10 min左右被植被毯覆蓋坡面超過,椰絲纖維組和麥秸稈組隨降雨時間呈逐漸增大趨勢,并趨近于指數(shù)分布;降雨強度為1.01 mm/min時,對照組徑流在降雨全程明顯大于麥秸稈組和椰絲纖維組,椰絲纖維組在降雨開始20 min左右趨于穩(wěn)定,趨近于指數(shù)分布,麥秸稈組徑流隨降雨時間增加,在50 min左右趨于穩(wěn)定;降雨強度為2.02 mm/min時,各組徑流過程區(qū)別不明顯,總體趨近于指數(shù)分布,在降雨5～15 min過程中徑流曲線存在部分波動,可能是因為不同時長間徑流取樣不及時造成的試驗誤差。

表3 不同降雨強度不同類型植被毯入滲深度Tab.3 Infiltration depth on varied slopes

圖3 不同植被毯不同覆蓋情況下坡面徑流過程曲線Fig.3 Surface runoff on slope with different mulches

在不同降雨強度條件下各類植被毯覆蓋坡面的徑流過程(圖3)中,降雨強度為1.01、2.02 mm/min時,植被毯覆蓋坡面保水性能均優(yōu)于對照組,這與R.A.Sutherland等[1920]在加利福尼亞州南部與凱羅萊納州南部進行人工降雨試驗發(fā)現(xiàn)植被毯可以減少徑流、增加入滲的試驗結(jié)論相符,而降雨強度為0.56 mm/min時,對照組較鋪設(shè)植被毯的坡面徑流小,與R.A.Sutherland等[1920]的研究結(jié)果不一致。其主要原因是,在降雨強度較小的情況下,雨滴擊打地面的動能小,入滲速率較小[21],同時對照組裸地因為雨滴擊濺作用較弱,不易形成地表板結(jié)與坡面匯流,入滲速率較大[22]。植被毯能夠增加坡面入滲,主要是由于覆蓋植被毯的坡面更加粗糙,增加了局部范圍的湍流和旋流,使坡面徑流流速減小,從而增加徑流在坡面上滯留的時間,增加坡面入滲量[2324];另外,植被毯本身的孔隙結(jié)構(gòu)也能增加坡面水分的儲存量,在降雨強度較大(1.01～2.02 mm/min)的情況下,覆蓋植被毯的坡面入滲系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢。一方面是由于降雨強度大,濺蝕強度大,會破壞地表完整性,增加雨水滯留在坡面上的時間,增加入滲速率[25];另一方面,植被毯本身滲水性較弱,入滲速率小于降雨強度,產(chǎn)生一部分超滲產(chǎn)流[2627],減小了坡面的入滲量。降雨強度條件為2.02 mm/min時的徑流過程也表明,坡面徑流流速快速增加并趨于穩(wěn)定,也證明了降雨強度較大情況下植被毯覆蓋坡面發(fā)生超滲產(chǎn)流的合理性。

不同降雨強度3組試驗坡面的徑流顯著性方差分析和多重比較(α=0.05)結(jié)果見表4?？梢缘贸?不同降雨強度各組徑流均差異顯著。在降雨強度較小(0.56 mm/min)時,徑流大小為麥秸稈組＜對照組＜椰絲纖維組,降雨強度較大(1.01、2.02 mm/ min)時,徑流大小為麥秸稈組＜椰絲纖維＜對照組。覆蓋植被毯對最大徑流的消減作用不明顯,各組在3種降雨強度條件下均無明顯差異(P＞0.05)。在降雨強度為1.01 mm/min時,覆蓋植被毯使坡面徑流系數(shù)有明顯的減小,且椰絲纖維組＜麥秸稈組。

表4 不同覆蓋條件下的坡面徑流特性Tab.4 Characteristics of surface runoff on slope with different mulches

3 結(jié)論與討論

1)鋪設(shè)植被毯能夠保護坡體,防止雨滴直接擊濺,是有效的坡面防護措施。在降雨強度為1.01 mm/min時,植被毯減少徑流、增加入滲的效果最顯著。

2)不同材料植被毯徑流過程有明顯的差異。降雨強度為0.56、1.01 mm/min時,入滲系數(shù)為麥秸稈＞椰絲纖維;降雨強度為2.02 mm/min時,入滲系數(shù)為椰絲纖維植＞麥秸稈。

3)同種材料不同質(zhì)量的植被毯徑流總量有較大差異。同種材料中,200～300 g/m2的植被毯在3種降雨強度條件下均能夠取得較其他質(zhì)量植被毯更好的保水效果。

試驗采用變時長分時段采集徑流數(shù)據(jù)的方法,人工操作存在一定誤差,導(dǎo)致降雨5～15 min時段上獲得的徑流數(shù)據(jù)發(fā)生上下波動,但并不影響徑流過程總體趨勢和入滲系數(shù)、徑流總量的計算結(jié)果。另外,試驗也發(fā)現(xiàn),試驗所用土壤對鋪設(shè)植被毯坡面的徑流過程也有較大的影響,不同土壤類型的試驗將是下一步研究的重點。

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(責(zé)任編輯:宋如華)

Runoff producing characteristics of vegetation carpet greening technology at different rainfall intensities

Yue Huanbi1,Yang Jianying1,Yang Yang1,Shi Changqing1,Zhao Ping2,Shen Yi3
(1.College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Beijing Orient Landscape Co.,Lt., 100087,Beijing,China;3.Institute of Highway Since,Ministry of Transport of the People's Republic of China,100088,Beijing,China)

The objectives of this study were to explore the applicability of vegetation carpet technology in different climate conditions,and analyze the impact of different rainfall intensities on runoff,infiltration coefficients and infiltration depth.We set up three rainfall intensities(0.56,1.01,2.02 mm/min), filled earth into erosion boxes and arranged various types of vegetation carpets,and simulated construction slope.Non-coverage control groups were set up,and simulated rainfall was conducted over the erosion boxes in the tangential spraying hall.The results showed that:1)Vegetation carpet could increase runoff infiltration;at the rainfall intensity of 1.01 mm/min,wheat straw vegetation carpet and coconut fiber vegetation carpet can increase the infiltration by 27.7% and 28%,respectively.2)There were significant differences in runoff process of the vegetation carpets made by different materials;at the rainfall density of 0.56 and 1.01 mm/min,infiltration coefficient of wheat straw was higher than that of coconut fiber,while the opposite was true at 2.02 mm/min.3)There were marked differences between the total runoff of the vegetation carpets made by the same material but different masses;for the same material,the vegetation carpet with a mass of 200-300 g/m2had better water retention performance atthe three rainfall densities than the vegetation carpets of other masses.

vegetation carpet;rainfall simulation;highway slope;infiltration characteristics

S184

A

1672-3007(2015)01-0035-07

2014- 03- 26

2014- 11- 04

項目名稱:國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(G201410022009);安徽省高速公路控股集團有限公司“高速公路生態(tài)型護坡技術(shù)應(yīng)用研究”(AHGS2013 -5);公路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室開放課題“植物纖維毯理化性質(zhì)研究”

岳桓陛(1993—),男,本科生。主要研究方向:工程綠化與水土保持。E-mail:yeuhuanbi@163.com

?通信作者簡介:楊建英(1965—),女,博士,副教授。主要研究方向:工程綠化與水土保持。E-mail:jyyang@bjfu.edu.cn