桑干河流域坡面径流场建设及模拟产流分析
作者: 吴丹 梁世兴 王娅茹 郝金宏
[摘 要] 以桑干河流域张家口市涿鹿林场林区为研究区域,论述6个坡面径流场建设的选址、布设和设计,利用人工地面监测方法监测降雨量、径流量和产沙量3个指标。通过对比分析监测数据,为有效制订该流域的水土保持措施提供基础数据,助力桑干河流域水土保持监测工作高效开展。
[关键词] 桑干河流域;坡面径流场;水土保持
[中图分类号] S157 [文献标志码] A [文章编号] 1674-7909(2022)06--3
0 引言
桑干河位于河北省西北部永定河上游怀涿盆地,是海河的重要支流。桑干河流域地理位置特殊、生态区位重要,是建设首都水源涵养功能区和生态环境支撑区的重要区域。在林业生产建设项目中,对于水土流失程度的预测是一项非常重要的工作,而只有做好水土保持的动态监测才能及时掌握水土流失的第一手资料[1]。坡面径流场是水土流失监测网络的重要组成部分,坡面径流场规划设计要求目的明确、监测技术路线清晰、管理方便易行[2]。
1 研究区域概况
研究区位于张家口市涿鹿县涿鹿林场寇家沟林区(东经115°6′17.669″、北纬40°12′49.655″)及井沟林区(东经115°15′23.27″、北纬40°11′19.686″)。涿鹿林场经营总面积为5 415.22 hm2,寇家沟林区面积为1 533.33 hm2,井沟林区面积为734.67 hm2。两个林区森林资源均以人工林为主,乔木林以油松为主,伴生华北落叶松、杨树、桦树、柞树和椴树等,灌木主要有山桃、山杏、虎榛、山刺玫、绣线菊和荆条等,草本主要有苔草、碱草、菊类等,森林覆被率70.2%。研究区属于温带半干旱大陆性季风气候,年平均温度9.1 ℃,无霜期140 d,光照充足,雨热同期,昼夜温差大,生长季短,年平均降雨量385~600 mm,降雨分布不均,年际变化大。研究区土壤质地多为壤土和砂壤土,有机质含量较高。
2 径流场建设
2.1 选址设计
径流场的选址严格执行《水土保持监测技术规程》(SL 277—2002)[3],同时依据山体的自然坡势建立在监测区具有代表性的地段上,以充分反映监测区水土流失的特征。所选地段山体坡面横向相对平整,坡度和土壤条件均匀统一,径流场内坡面没有陷穴和裂缝,可消除土壤、地形地貌等因素对监测结果的影响。
2.2 径流场布设
该研究共设计径流场6个,其中标准径流场5个、非标准径流场1个。在径流场附近采用随机布点的方式,选择9棵树,监测其林内降雨分配情况。
标准径流场号为1#、2#、4#、5#、6#,垂直投影长10 m、宽5 m。其中,1#、2#径流场位于井沟林区,坡向为东南,土壤类型为山地褐土,土层厚度40 cm,依照山体自然坡度30°建立。1#径流场内施工措施为按照2 m×3 m间距,采用翼式鱼鳞坑方式整地,营造油松、侧柏、五角枫混交造林;2#径流场是1#对照地,无任何施工措施,保持原始的地况地貌。4#、5#、6#径流场位于寇家沟林区,依照山体自然坡度32°而建。4#径流场为阳坡荒地,无任何施工措施,保持原始地况地貌;5#径流场施工措施为割(折)灌、剩余物清理、林下幼树抚育;6#径流场是5#对照地,无任何施工措施,保持原始地况地貌(见表1)。
非标准径流场地块编号为3#,位于寇家沟林区内,为杨树纯林,依照山体自然坡度32°而建立,根据地势情况径流场垂直投影长8 m、宽5 m,无任何施工措施,保持原始地况地貌(见表1)。
2.3 径流场施工
径流场边界均采用工程木板围埂,基础埋深30 cm,地面外露出工程木板高20 cm,并将工程木板围埂内外两侧土壤夯实。为防止场外降雨流入径流场内,在径流场外围设置排水沟,保证监测数据的准确性。利用水泥浆和石头等材料砌成导流槽,保证导流槽表面光滑,导流槽左右两端与径流场地表高度基本保持一致,再由左右两端逐渐向下向中间倾斜,导流槽中间用聚氯乙烯集流管穿过厚30 cm的水泥浆石头墙,用以连接径流场与集流桶。集流桶与分流桶均利用聚氯乙烯圆桶,分流桶利用不锈钢螺丝扣与集流桶连接,并用密封胶封边保证雨水不外渗。溢流时雨水会从集流桶的中间孔流入分流桶中[4]。分流桶与集流桶顶部均加盖,并用塑料布包裹,用纤维绳捆绑,防止降雨直接落入桶内影响径流量监测结果。井沟林区径流场如图1所示。
3 监测试验设计
3.1 监测指标和方法
径流场监测指标包括降雨量、径流量和产沙量。利用人工现地测量的方法进行指标测量。测量前准备500、2 000 mL量筒各2个,500 mL取样瓶若干及相关记录工具。林外布设雨量筒监测降雨量。考虑夏季天气炎热、易蒸发等因素,要求降雨后12 h内必须完成取样和监测工作,以获得原始数据。原始数据记录均为人工记录纸质版。
3.2 产沙量监测
充分搅动桶内积水,使沉积的泥沙与水充分混合均匀,利用量筒取样500 mL装入取样瓶内,并标记好对应的径流场号及取样日期。将取样瓶中的雨水用滤纸过滤,再将滤纸和泥沙放在铝盒内放入烘箱烘干,烘箱温度设为105 ℃,烘干至恒质量,冷却后称质量计算含沙量。含沙量计算公式为:
T=G/500=2G(1)
式(1)中:T为含沙量,单位为kg/m3;G为电子天平秤出的泥沙质量,单位为g。
侵蚀量计算公式为:
ST=W×T(2)
式(2)中:ST为场降雨侵蚀泥沙总质量,单位为kg/hm2;W为场降雨的径流量,单位为m3。
3.3 径流量监测
用量筒测量集流桶与分流桶内水量,填入对应的记录表内,做好记录。
4 结果与分析
2021年6月25日至8月22日的监测数据见表2。
4.1 不同径流场的径流量分析
在场降雨量相同的条件下,1#径流场径流量比2#径流场少,如7月13日、7月30日、8月22日,但6月25日出现相反的情况。其主要原因可能是6月25日为径流场建好后的第1次监测,虽然径流场建设时尽可能保持原地貌不破坏,并在建设好后第3次降雨进行第1次监测,但仍可能存在土壤不夯实吸水严重的情况,导致1#径流场内径流量多于2#径流场内径流量。同时,结合多次监测数据来看,每次监测的数据与表1记录的数据基本一致,即经过翼式鱼鳞坑整地,营造油松、侧柏、五角枫混交林的径流场,降雨后产生的径流量较少,水土保持效果较好。可见,营造混交林在防治水土流失方面起着积极作用。
对3#、4#径流场产生的径流量进行比较,6月25日、7月13日纯杨树林产生的径流量比阳坡荒地多,而7月30日、8月22日反之。其原因可能是阳坡荒地较纯杨树林光照多且地表裸露,阳坡荒地较为干旱,故吸水快,导致径流量少于纯杨树林;经过几次降雨后,阳坡荒地干旱情况得到缓解,在这种情况下地表裸露,地表雨水流动没有阻力,而纯杨树林的林地上有3~5 cm厚的枯落物,枯落物吸收一部分雨水的同时会给地表雨水流动形成阻力,延长雨水渗透时间,使得更多的雨水被吸收。通过以上分析可以看出,林冠截留和林下枯枝落叶可以起到水土保持的作用。
对5#、6#径流场产生的径流量进行比较,6月25日、7月13日、8月22日3次监测结果均是经过森林综合抚育的径流场产生的径流量多于没有任何措施的径流场产生的径流量。
4.2 不同径流场的侵蚀泥沙量分析
在场降雨量相同的情况下,对1#、2#径流场进行比较,经过翼式鱼鳞坑整地,营造油松、侧柏、五角枫混交林的径流场比没有采取水土保持措施的径流场产生的径流量少。例如,7月13日1#径流场产生的侵蚀泥沙量为0.19 kg/hm2,2#径流场为0.66 kg/hm2。这表明营造油松、侧柏、五角枫混交林起到了一定的水土保持的作用。3#与4#、5#与6#径流场监测的侵蚀泥沙量数据变化没有明显规律,需要继续监测、收集数据。
5 径流场建设、监测存在的问题及改进建议
在实际观测中,因部分径流场的坡面是经过施工的,没有经过长久撂荒[5],导致周边地块的地表地貌有差异。在这种情况下,监测数据与实际数据会存在误差,所以要尽量在保持径流场无扰动的情况下连续、多次收集降雨量、径流量、侵蚀量等数据资料,经过检验和校正,进一步进行统计分析。另外,此研究监测的基础条件较为单一,设备过于简单化,应引进先进的试验设备,以获得更为科学的数据。同时,应开展相关的业务培训,使工作人员掌握最新的理念和技术,不断提高工作人员的业务技能水平。
桑干河流域坡面径流场的建成对该流域开展水土保持工作具有重大的意义,希望能在此基础上引入更好的试验项目及先进的试验设施,做好桑干河流域水土保持工作。
参考文献:
[1]杨遇春.浅析径流场监测结果在水土流失预测中的应用[J].低碳世界,2017(15):30-31.
[2]袁爱萍,路炳军,段淑怀.浅谈坡地径流场的规划与设计:以北京市为例[J].水土保持通报,2009(2):107-109.
[3]中华人民共和国水利部.水土保持监测技术规程:SL 277—2002[S].北京:中国水利水电出版社,2003.
[4]侯超.径流场建设及观测试验浅析[J].农业科技与信息,2017(23):38-41.
[5]叶方红,吴刚,孙英军,等.瓯江流域石牛坡面径流场水土保持监测关键技术[J].中国科技信息,2021(10):88-89.