坡面水系工程截流攔沙控污效應(yīng)研究

現(xiàn)在，“水更多，水更少，水更臟，水更空”，這使得中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展面臨緊張局勢(shì)。水土流失是造成這一問(wèn)題的主要原因之一。坡面水系工程是指在坡面上修建的以攔、蓄水土為主的攔水溝、蓄水池、水窖、沉沙凼(池)、引水溝、排灌渠及坡改梯等工程的統(tǒng)稱(chēng)。已有研究表明,通過(guò)坡面水系工程的優(yōu)化配置,可實(shí)現(xiàn)山丘區(qū)坡面蓄排徑流、攔截泥沙和防控污染,這為山丘區(qū)水土保持和面源污染控制提供了有效途徑。目前,有關(guān)坡面水系工程研究已有較多報(bào)道,但研究主要集中在坡面水系技術(shù)組成、設(shè)計(jì)和建設(shè)上。通過(guò)野外觀測(cè),定量研究坡面水系蓄水保土機(jī)理和效益尚顯不足。研究基于針對(duì)江西氣候、地形和土地利用條件建設(shè)的坡面水系工程,通過(guò)野外觀測(cè)取樣和室內(nèi)分析,揭示和闡述坡面水系工程攔沙、截流、控污的機(jī)理與效益,為進(jìn)一步提煉和優(yōu)化坡面水系工程技術(shù)與配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為江西水土流失重點(diǎn)治理和水土保持規(guī)劃提供技術(shù)支撐,對(duì)保障區(qū)域糧食與生態(tài)安全具有重要的意義。1材料和方法1.1概況及立地條件試驗(yàn)區(qū)布設(shè)在江西水土保持生態(tài)科技園。該園地處江西省北部的德安縣燕溝小流域內(nèi)(E115°42′38″～115°43′06″,N29°16′37″～29°17′40″),面積80hm2,屬亞熱帶季風(fēng)區(qū),氣候溫和,四季分明,雨量充沛,光照充足,且雨熱基本同期。多年平均降雨量1469mm,因受季風(fēng)影響而在季節(jié)分配上極不均勻,形成明顯的干季和濕季。最大年降雨量為1808.5mm,最小年降雨量為865.6mm。科技園區(qū)位于我國(guó)紅壤的中心區(qū)域,屬全國(guó)土壤侵蝕二級(jí)類(lèi)型區(qū)的南方紅壤區(qū),土壤為第四紀(jì)紅壤,土層平均厚度11m,土壤pH值5.0,有機(jī)質(zhì)含量1.55%,總氮0.08%,總磷0.07%,總鉀1.7%,C/N值7.5。江西第四紀(jì)紅壤位于海拔30～80m的丘陵或?yàn)I湖平原地帶,地勢(shì)平緩,土層厚度3～40m,面積為4422.9km2,是江西省經(jīng)濟(jì)作物及糧食生產(chǎn)的重要基地。科技園地貌類(lèi)型為淺丘崗地,海拔高度30～100m,坡度5°～25°。地帶性植被類(lèi)型為常綠闊葉林,植物種類(lèi)繁多,植被類(lèi)型復(fù)雜多樣,但由于長(zhǎng)期不合理的采伐利用,造成地表植被遭到破壞,現(xiàn)存植被多為人工營(yíng)造的針葉林、常綠闊葉林、竹林、針闊混交林、落葉闊葉林等。建園初期生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失十分嚴(yán)重,水土流失面積達(dá)72.0hm2,占土地總面積的85.7%,年土壤侵蝕總量為2122.6t,土壤侵蝕模數(shù)為2948t/(km2·a),土壤侵蝕類(lèi)型以水力侵蝕為主。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1等高高線坡面設(shè)計(jì)在江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)選擇一塊坡度8°～12°、面積1.1hm2的大坡面,在坡面上進(jìn)行前埂后溝水平臺(tái)地、草溝、蓄水池以及卡口站的布設(shè),坡面臺(tái)地2003年建成,坡面水系2009年12月建成。水平臺(tái)地埂坎采用土料修筑,地坎側(cè)坡為80°,地坎平均高度0.8m,臺(tái)面平均寬度3.0m,埂坎植百喜草防護(hù)。臺(tái)面外側(cè)修筑田埂,埂高0.2m,頂寬0.3m,底寬0.4m;臺(tái)面內(nèi)側(cè)設(shè)坎下溝,溝底寬0.3m,溝深0.3m,頂寬0.4m,梯形斷面,溝內(nèi)種植百喜草。臺(tái)地種植桃樹(shù),株行距為2.5m×3m,平均株高2.7m,冠幅2.5m×2.5m。根據(jù)水量供需計(jì)算,全區(qū)設(shè)計(jì)4個(gè)20m3蓄水池,按等高線在坡面上均勻布設(shè),蓄水池采用矩形封閉式,池體長(zhǎng)7m,寬3m,高1.3m,底板和池壁均采用10cm厚C20鋼筋混凝土澆筑,頂板采用6cm厚C20鋼筋混凝土澆筑,設(shè)2個(gè)邊長(zhǎng)為80cm正方形檢修口,蓋板為5cm厚C20鋼筋混凝土板。每個(gè)蓄水池配備1個(gè)矩形沉沙池,寬0.8m,長(zhǎng)1.0m,池深0.5m,采用C20混凝土底板,厚10cm,側(cè)墻采用標(biāo)準(zhǔn)磚砌筑,2cm厚水泥砂漿抹面。在坡面徑流出口處的最低點(diǎn)修建卡口站,同時(shí)沿坡面四周修建截流排水溝,匯集坡面的徑流流入卡口站,最終匯流到山塘。1.2.2樣品采集與測(cè)定(1)樣品采集與測(cè)定方法2011年5月20日,根據(jù)試驗(yàn)區(qū)坡面地形,分上、中、下坡對(duì)臺(tái)地和坎下溝進(jìn)行土壤取樣,每個(gè)坡位3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)取3個(gè)重復(fù)樣,室內(nèi)分析土壤樣品理化性質(zhì)。樣品采集與測(cè)定方法依次為:土壤容重,環(huán)刀法;土壤含水率,稱(chēng)重法;田間持水率,圍框淹灌法;毛管孔隙度,環(huán)刀法;總氮,酸溶-半微量開(kāi)氏定氮法;堿解氮,堿解氮擴(kuò)散法;速效磷,0.5M(pH8.5)碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;有機(jī)質(zhì),重鉻酸鉀容量法-外加熱法。(2)徑流、泥沙樣采集2011年6～8月,對(duì)試驗(yàn)區(qū)蓄水池和卡口站的徑流、泥沙進(jìn)行野外觀測(cè)試驗(yàn)。每場(chǎng)降雨自產(chǎn)流開(kāi)始每隔5min觀測(cè)取樣,記錄徑流量,用純凈水洗凈的礦泉水瓶分別采集徑流、泥沙樣,記錄徑流產(chǎn)流及終止時(shí)間。利用虹吸式雨量計(jì)獲取降雨起止時(shí)間、降雨歷時(shí)、降雨量和降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)期間,共獲取2011年6月10日和6月14日兩場(chǎng)完整降雨數(shù)據(jù)。(3)紫外分光測(cè)定將徑流樣品帶回實(shí)驗(yàn)室靜置4～5h,取上清液進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)定,隨后將水樣倒掉,剩余的泥沙用于測(cè)定泥沙各指標(biāo)。養(yǎng)分測(cè)定方法依次為:泥沙總氮,酸溶-半微量開(kāi)氏定氮法;泥沙總磷,酸溶-鉬銻抗比色法;泥沙氨氮,2mol/L浸提-靛酚藍(lán)比色法;徑流總氮,GB11894-1989的堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法;徑流總磷,GB11893-1989的鉬酸銨分光光度法;氨氮,GB/T8538-1995的靛酚藍(lán)比色法。1.2.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析采用EXCEL軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性、回歸分析。2結(jié)果與討論2.1土壤養(yǎng)分分級(jí)表1給出了試驗(yàn)區(qū)不同坡位臺(tái)地和坎下溝的土壤理化性質(zhì)。結(jié)果顯示,依據(jù)園地土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo),經(jīng)過(guò)坡面水系工程改造的坡面,除了速效磷含量偏低外,總氮和堿解氮達(dá)到豐富水平,有機(jī)質(zhì)達(dá)到適宜水平。2.2時(shí)段與累積雨強(qiáng)隨時(shí)間分布的變化2011年6月10日和14日兩場(chǎng)降雨的降雨量分別為10.3mm和18.3mm,降雨歷時(shí)分別為120min和170min。圖1給出了兩場(chǎng)降雨的時(shí)段雨強(qiáng)和累積雨強(qiáng)隨時(shí)間的分布情況。兩場(chǎng)降雨的平均降雨強(qiáng)度分別為5.15mm/h和6.44mm/h,時(shí)段雨強(qiáng)與累積雨強(qiáng)隨時(shí)間分布的差異較大。6月10日最大時(shí)段雨強(qiáng)為15.0mm/h,分布在降雨后期,與最大累積雨強(qiáng)分布相似,形成后滯單峰型降雨;6月14日的最大時(shí)段雨強(qiáng)為17.4mm/h,呈多峰型,累積雨強(qiáng)隨時(shí)間分布平緩。2.3采用班區(qū)水系工程走廊工程，堵塞沙砂流度控制污染效果2.3.1通江口沒(méi)有充水流量2011年6月10日和14日兩場(chǎng)降雨條件下,試驗(yàn)區(qū)坡面蓄水池總蓄水量、坡面徑流深及徑流系數(shù)分別為0.314m3,0.029mm,0.14%和0.272m3,0.025mm,0.14%,卡口站的徑流量分別為3.40m3和3.07m3。與坡面徑流量(即蓄水池總蓄水量)相比,卡口站徑流量是坡面蓄水池蓄積徑流量的10.8倍和11.3倍,這主要因?yàn)榭谡拘藿ㄔ谄旅孀畹吞?其徑流量中含有更多的壤中流(現(xiàn)場(chǎng)可觀測(cè)到)。這說(shuō)明坡面水系工程改造可能有助于增加坡面降雨入滲和提高壤中流的產(chǎn)流量。2.3.2徑流初始時(shí)間分布2011年6月10日和14日兩場(chǎng)降雨條件下,與降雨起始和終止時(shí)間相比,坡面產(chǎn)流延時(shí)分別為20min和60min,分別占徑流歷時(shí)的16.7%和40%;坡面徑流終止延時(shí)分別為20min和30min,分別占徑流歷時(shí)的16.7%和20%。卡口站產(chǎn)流延時(shí)分別為30min和60min,分別占徑流歷時(shí)的16.7%和35.3%;卡口站徑流終止延時(shí)分別為100min和60min,分別占徑流歷時(shí)的55.6%和35.3%。與坡面相比,卡口站徑流終止延時(shí)分別提高了38.9%和15.3%。圖2給出了卡口站的累積降雨和累積徑流隨時(shí)間分布情況。2011年6月10日的徑流隨時(shí)間分布的變化明顯小于降雨隨時(shí)間分布的變化,而14日的徑流隨時(shí)間分布與降雨隨時(shí)間分布相似。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)坡面水系工程改造的坡面能夠?qū)畏逍徒涤陱搅髌鸬捷^好的緩沖作用。2.3.3徑流泥沙量與年際變化的關(guān)系表2給出了兩場(chǎng)降雨條件下試驗(yàn)區(qū)坡面蓄水池泥沙量及其相應(yīng)的徑流量隨時(shí)間的分布情況。與6月10日相比,6月14日的降雨量增加79.5%,泥沙量增加了239.8%,徑流量減小了13.4%。次降雨下降雨量、徑流量和泥沙量沒(méi)有完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系,說(shuō)明雨型對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響較大。坡面蓄水池泥沙量與其相應(yīng)的徑流量的擬合結(jié)果表明,坡面蓄水池泥沙量與徑流量之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。圖3給出了兩場(chǎng)降雨條件下徑流泥沙含量隨時(shí)間分布的情況。6月10日和14日的坡面徑流含沙量最大值都分布在產(chǎn)流的中期,分別為0.187g/L和1.07g/L;最小值分布在產(chǎn)流的末期,分別為0.087g/L和0.121g/L。兩場(chǎng)降雨的坡面徑流含沙量都經(jīng)歷了“高-峰值-低”的過(guò)程。原因如下:地表積存了細(xì)顆粒土,而臺(tái)地坡度小,產(chǎn)生的徑流沒(méi)有足夠重力勢(shì)能,流速慢,存積的徑流對(duì)更深層的土壤產(chǎn)生作用,從而剝蝕更多的土壤,因此,產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)徑流含沙量高;隨著降雨的增加,徑流深不斷增加,當(dāng)達(dá)到一定條件時(shí),徑流速度加快,從而把剝蝕的土壤顆粒搬運(yùn)帶走,徑流含沙量達(dá)到峰值;但隨著降雨結(jié)束,徑流量不斷減小,流速逐漸降低,徑流搬運(yùn)能力下降,導(dǎo)致徑流含沙量逐漸減小。表3給出了2011年6月10日和14日兩場(chǎng)降雨條件下卡口站的泥沙量及其相應(yīng)的徑流量?？谡镜慕涤?、泥沙、徑流的大小關(guān)系與坡面極為相似,再次驗(yàn)證了次降雨下降雨量、徑流量和泥沙量沒(méi)有完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí),兩場(chǎng)降雨條件下卡口站的泥沙量絕對(duì)值都很小,單位面積土壤侵蝕量分別為0.032,0.034t/km2?？谡灸嗌沉颗c其相應(yīng)的徑流量的擬合結(jié)果表明兩者之間呈顯著的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。2.3.4徑流、泥沙與養(yǎng)分的擬合2011年6月10日和14日兩場(chǎng)降雨坡面蓄水池徑流泥沙挾帶的總氮、總磷和氨氮的量分別為0.840,0.006g和0.306g;卡口站的總氮、總磷和氨氮的單位面積流失量分別為0.28,0.010kg/km2和0.14kg/km2。表4給出了坡面蓄水池和卡口站的徑流、泥沙與養(yǎng)分的擬合結(jié)果。坡面蓄水池的徑流、泥沙與養(yǎng)分之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系,卡口站的徑流、泥沙與養(yǎng)分之間呈顯著的多項(xiàng)式關(guān)系。3徑流、泥沙、養(yǎng)分的變化規(guī)律通過(guò)以上分析,經(jīng)過(guò)坡面水系工程改造的坡面能夠有效攔截徑流,延長(zhǎng)徑流時(shí)間,控制泥沙流失,防治面源污染。但不同次降雨下,經(jīng)過(guò)坡面水系工程配置的坡面其攔沙、截流和控污的效應(yīng)