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1、6 7 4 第三篇人水和谐理论研究砒砂岩区沙棘柔性坝土壤水库初步研究李怀恩张日俊张康谢毅文( 西安理工大学西北水资源与环境生态教育部毫点实验室西安7 1 0 0 4 8 )捕耍沙棘秉性坝土攘水库是由沙棘拦沙淤积的土层所形成其调蓄水资彝作用的研究对砒砂岩区保水保土与生态建设具有重要意义。以内蒙古准榕尔旗西召沟左岸种植沙棘秉性坦的东一支海流域为研究对泉。通过对沟道土 l 水库軎特征库摩及土壤水库水量平衡的计算与分析发现沙棘秉性坝土壤木库对砒砂岩沟遭土壤水分的调节有着巨大的潜力，可为当地植被的生长与恢复改善供水条件。美羹词砒砂岩区沙幛秉性坝土壤水库土壤水分1 引言土壤是布满大大小小空隙的疏松多孔体，
2、土层深厚的土壤具有显著的存蓄、调节水分的功能。称之为土壤水库。土壤水库能储蓄天然降水满足作物生长对水分的需求，土壤水库的蓄水能力，相当于土壤水库的 “库容”，其大小取决于土壤类型、结构、质地和地下水埋深等。郭凤台的研究”1 表明土壤水库具有以下作用：对作物供水具有连续性；对作物供水有调节能力；对水的三种状态的转化有重要影响等。在森林水文研究中引入土壤水库的概念，发现土壤在防洪、抗旱、减灾、生态恢复等方面都能发挥巨大的作用”J 。但目前对森林土壤水库的研究偏重于对不同林地、土壤结构、土壤类型的研究”4 】。而对通过人工林地技术等手段改造后所形成的土壤水库研究不多。沙棘柔性坝土壤水库是由于沙棘柔性
3、坝在拦沙方面发挥巨大作用产生淤积而形成的，未布设柔性坝之前，沟道上游大片砒砂岩裸露，在强烈的冻融、风化、重力、水力侵蚀作用下形成松散的岩石碎屑物和泻溜堆积物，一经暴雨洪水发生便随着水流而带至下游，造成强烈的水土流失与土壤退化。柔性坝植栽后在拦沙的同时也能够对水分进行有效的拦蓄，可以改善当地的生态环境。因此，研究沙棘柔性坝土壤水库的形成机理与调节机制等对砒砂岩地区保水保土和生态恢复具有重要的理论与现实意义。2 试验区概况选择内蒙古准格尔旗西召沟左侧的东一支沟作为研究对象，东一支沟于1 9 9 5 1 9 9 6 年种植柔性坝9 座其中主沟5 座，左右支沟各2 座( 见图1 ) ，观测表明，沙棘柔
4、性坝形成了明显的淤积体。西召沟流域位于东胜市以东约3 0 k m 。东胜地处内蒙古鄂尔多斯高原中东部，地势西高东低，可分为东西两个区域东部为丘陵沟壑区。海拔1 2 6 9 1 5 8 4 6 m ；西部为渡状高原区，图1 东一支沟柔性坝平面布置图地势较为平缓，西、北、东三面略高中南部较低，近似盆地；其气候类型属于极端太陆性气候，东部地区多年平均气温为5 5 ；西部地区平均气温5 2 。C ；降水量年际变化大，多年平均3 2 5 8 4 0 0 2 m m ，由东至西逐渐减少，多集中在7 、g 两月。该区多年平均蒸发量达2 2 7 5 m m 。根据西召沟流域观测，讯期平均降雨量为2 6 3 0
5、 m m o基金项目：国家自然科学基金委员会与黄河水利委员会联合资助基金项耳( 批准号5 0 4 7 9 0 6 7 ) 。第一作者简介；李怀恩( 1 9 6 0 一) ，男，博士教授博士生导师主要从事生态水文与水环境保护研究。E m a r l ：I h u a l e n m a i L 呲o d mc n第十青章水生态系统建设理论3 沙棘柔性坝土壤水库库容计算3 1 土壤水库的深度界定一般将一定厚度的土层看作为“土壤水库”，大多数研究者在研究土壤持水量时把0 1 0 0 e r a 土层定为研究厚度”4 】，假设1 0 0 e r a 以下的土壤水分状况变化不大。在砒砂岩区，鉴于对沙棘根
6、系特征以及对柔性坝淤积体厚度的分析研究，本文取0 1 0 0 e m 层土壤作为沙棘柔性坝土壤水库的深度。 3 2 土壤水库库容组成土壤水库总库容由有效库容和死库容组成。死库窖是指在植物生长期内，土壤对植物的供水达到凋萎点时研究土层的所含水量；有效库容是指土壤对水资源的存贮与调蓄的有效范围；饱和含水量反映土壤的最大蓄水能力，即为土壤水库的总库容。对于农作物而言，田间持水量反映正常蓄水能力；凋萎含水量对应 “死库容1 ；酬可持水量与罚萎古水量之差称为有散水分，反映土壤的有效蓄水能力，其水量相当于土壤水库的有效库容，是植物能够利用的水量。3 3 土壤水库库容计算方法根据土壤水库的定义”o ，设某时
7、刻地表以下一定深度日处的土壤含水量为0 ( ) ，可以得出该深度土层相应的蓄水量为：。妒= J r 0 ( h ) d h( 1 )式中：甲为地表以下H 深度土层的土壤蓄水量，本文中取1 0 0 e r a 进行计算，I T l m ( 或| h m 2 ) ；0 为某时刻的土壤含水量( 以占于容重的百分比计) 。当土壤干容重表示为r ( g , c m 3 ) 、水的容重为P ( 取l g = c m 3 ) 时，则某时刻_ I j r 深度土层的平均蓄水量折算成水层厚度( “m ) 为：彤= 0 ，1 0 r H p( 2 )由式( 2 ) 可进而椎求土壤水库的各种特征库容如下；死库容T
8、V , ：! 业x 1 0 0P1 0 01 0 0有效库容= 唑竽业x 1 0 0总库容= 半1 0 0式中：0 ，为凋茎持水量，；以为田问持水量，；见为饱和持水量，3 4 东一支沟流域土壤水库库容计算妻1 根据王福林的研究i o 沙棘永久调萎时土壤含水率为 3 3 1 8 ；田阃持水量及饱和持水量由试验得出，分别为一2 4 0 3 8 和2 9 4 8 2 。土壤干容重r 在东一支沟流域取1 4 1 一 1 5 3 e c m j 。这样根据式( 3 ) 一式( 7 ) 就可以计算土壤水库各有关特征库容结果见表1 。( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 )r 为土壤干容重，g e
9、 m 3 。东一支沟流域土壤水库特征库容单位：m m4沙棘柔性坝土壤水库水量平衡! 兰! ! 竺一1 ! 竺：! L总库容4 3 33 84 1东一支沟流域壤水库水量平衡计算一砒砂岩区土壤水库的唯一补给来源为天然降水水分的消耗主要是植物蒸腾和土壤蒸发等，据此可以建立东一支沟小流域内土壤水库水量平衡关系： z l V = P R E E E F( 8 )羞，=呶容容库库利洪兴防第三篇人水和谐理论研究式中：A V 为土壤水库蓄泄水量的变化量，m m iP 为天然降水，啪；月为降水形成的地表径流量，m m ，无地表径流形成时R = O ；足为与外流域的交换水量，r o z n ，该小流域为闭合流域，
10、计算时取冠= 0 ；E ，、E ；为分别表示植物蒸腾水量和土壤蒸发水量，m m ；F 为土壤深层渗漏损失水量，i l l i l l ，沟道下部为坚硬基岩，可看作相对不透水层，因此计算时取F = 0 。采用毕慈芬等人”1 9 9 9 年在东一支沟实测的土壤含水率与降雨量资料，进行土壤水库水量平衡分析。根据实测的土壤含水率可以确定实时的土壤水库库容，再由已知时间段内天然降雨情况便可粗略得出蒸发情况，结果见表2 、图2 。表2东一支沟流域土壤水库水平衡分析施测时间土壤古水率时段降雨量土壤水库库容蓄水变化量蒸发量( 年月日)( )( m m )( r a m )( m )( m m )1 9 9 9
11、 51 91 1 4 38 2 5 01 6 79 71 9 9 9 6 2 072 86 0 ，0 01 嘶9 56 1 1 2 l0 31 9 9 9 72 050 61 9 0 07 43 23 2 6 35 1 6 31 9 9 982 03 8 00 0 05 5 9 l一1 8 4 l1 8 4 11 9 9 99 2 24 9 24 5 5 07 2 2 91 63 82 91 2百 彝 世 世* 蓦 刊时问( 月日)售 i 碇 世图21 9 9 9 年东一支沟土壤水库容蓄水变化图4 2 降雨前后土壤水库蓄水量的变化 2 0 0 5 年8 月9 丑至8 月1 1 日采集土样进行土
12、壤含水率测定，土样分别采自东一支淘5 号坝和2 号坝，每个坝体选取上、中、下三个断面，每个断面在沟道河槽处分层采集土样，分为表层、0 1 0 c m 、1 0 2 0 c m 、加一3 0 e r a 、3 0 4 0 e r a 、4 0 5 0 c m 、5 0 6 0 c m 、6 0 8 0 c m 、8 0 1 0 0 c m 等9 个层次取土样。共采5 4 个土样，求得其平均土壤含水率为5 0 5 ，通过式( 2 ) 计算即可得土壤水库蓄水量为7 1 2 1 m i n 代表土壤水库雨前库容状况。2 0 0 5 年8 月1 1 日、1 6 日出现两次降雨，雨量分别为5 0 4 m
13、m 、1 3 m m ，现场观测表明。这两次降雨均没有地表径流形成。于8 月1 6 日采集土样进行土壤含水率测定土样采自东一支沟6 号坝、0 号坝及对比沟，取样方法同上，共8 1 个土样，求得其平均土壤含水率为9 7 3 ，由式( 2 ) 计算即可得土壤水库蓄水量为1 3 7 1 9 m m 即为土壤水库的雨后库容状况。从土壤水库蓄水变化来看，两次降雨引起土壤水库蓄水的增加量为6 5 9 9 m m 。另一方面。两次降雨量之和为6 3 4 m m ，还应扣除这期间( 8 月1 0 1 6 目) 的燕散发量，则土壤水库的蓄水量增加值应小于6 3 4 m m 。显然，二者间的差异是由多方面的因素造
14、成的如计算土壤水库库容采用的土层深度与土壤容重，采样点位的代表性与土壤含水量测定误差等。总体来看，误差不是很大，说明以上方法和主要参数的取值基本合理， 能够大体反映土壤水库库容的变化过程。5 结束语从表1 可以看出，东一支沟流域土壤水库兴利库容为3 0 4 5 8 m m 占总库容的7 0 ，2 8 ，兴利库容表征土壤较长时间所能贮存水分的能力。死库容比例最小，占总库容的1 1 2 5 ；防洪库容占总库容比例为螽第十六幸水生态系统建设理论1 8 4 7 。因此沙棘柔性坝土壤水库对调节当地降雨径流、减少暴雨时的地表径流有很大作用。同时，土壤水库的这种天然调节作用能更好地满足植被正常生长对水分的需
15、求。从实际效果看，在砒砂岩地区环境极为恶劣的条件下，东一支沟沟道内的植被覆盖率明显提高、长势良好，这也从一个侧面证实了沙棘柔性坝土壤水库对当地生态环境改善所发挥的巨大作用。表2 与图2 表明，东一支沟土壤水库库容与降雨量之闻的关系为：降雨量大时土壤水库的库容也比较大，降雨量逐渐减少时土壤水库库容也逐渐消落，降雨量增加时土壤水库库容随之回升，体现了土壤水库对该流域水资源调控的适时性。目前，国内外学者在沙棘柔性坝土壤水库方面的研究还很少，本文仅进行了初步探讨。由于影响沙棘柔性坝土壤水库的影响因素多而复杂，涉及土壤学、植物学、地貌学、土力学、泥沙运动力学、水力学、水文学等多个学科领域。因此，对于沙棘
16、柔性坝土壤水库的水资源调节机理、定量模拟模型等还需进一步研究，这对砒砂岩地区流域综合规划、国土整治、矿产资源开发、生态环境建设等科学决策都有着重要的作用。567891 01 1靳孟贵郭风台黄荣珍孙仕军。李生秀史学正何福红，岳永点朱祖祥参考文献张人权f a n 昏哪e 巧等土壤水资源评价的研究水利学报。1 9 9 9 ( 8 ) ：3 0 一3 4土壤水库厦其调控华北水利水电学院学报，1 9 9 6 ，1 7 ( 2 ) ：7 2 8 0不同韩地类型土壤水库蓄水特性研究水土保持通撤2 0 0 5 ，2 5 ( 3 ) ：1 5丁跃元，曹波等平原井灌区土壤水库凋蓄能力分析自然资源学报2 0 0 2 ，1 7 ( 1 ) ：4 2 4 7解决我国西北水资源匮缺发展早地农业的思考
