应能力强的杨柳科乔木。河北杨、白杨等与刺槐、沙3.3万m3,经检测其各项力学指标均满足水利部的 棘、紫穗槐等形成混交林,则土壤的肥力以及微生物相关技术标准要求。 含量会得到明显改善,能促进林地植被的恢复和生2.3植物柔性坝 长,维持生态系统的稳定性;侧柏也是砒砂岩干 之所以把植物“柔性坝”单独作为一种治理措 旱区一种比较常见的人工林树种,其对土壤有改善施,主要是因为这种措施不仅具有植物措施减少地 作用s;榆树属于砒砂岩区唯一可自生的乔木树表冲刷侵蚀的作用,同时又有淤地拦沙的作用。所 种,与当地草本植物形成较好的共生性,但在干旱地谓植物“柔性坝”是指在沟道内沿垂直水流方向种 区往往形成“小老头林”现象;山杏属于砒砂岩区 植若干行诸如沙棘等根系发达、自行更新能力强的 种主要的经济林,但是散种面积小,经济效益低,因植物,作为坝体框架,利用洪水携带大量泥沙和植物 此如何在砒砂岩区实现生态恢复的同时,高效开发干枝阻水进行群体滞洪沉沙,进而形成具有拦沙、溢 山杏、山桃等经济林产业是值得研究的。在砒砂岩流或泄流功能的新的治理沟道的综合措施)。 区也进行过大面积的旱柳、樟子松、杜松、臭椿等栽 自20世纪90年代初,开展了植物“柔性坝”拦 种,但是研究相对较少4。在砒砂岩区具有推广价沙机理分析、现场试验技术研发等工作,5。试 值的饲草植物有羊草、冰草、紫花苜蓿、沙打旺等;灌验表明,沙棘植物柔性坝坝系能改变沟道的输水输 木树种有花棒、乌柳、柽柳、蒙古莸、驼绒藜等。沙特性,削峰降低剪切力;具有抬高侵蚀基准面、拦 2.2工程措施 沙泄流恢复生态多功能;植物柔性坝还可以明显 砒砂岩区的工程措施主要包括坡面工程措施增加土壤含水量,如沙棘柔性坝沟道的土壤含水量约 (水平沟、鱼鱗坑、沟边埂、截水沟等)、沟头防护工是对比沟的2倍。如果将植物柔性坝与刚性谷坊 程、沟道工程(淤地坝、塘坝、谷坊、小型拦蓄工程配置,能把暴雨洪水挟带的泥沙进行分选,粗泥沙被 等),未见对新类型工程措施的报道。 拦在柔性坝内,细泥沙淤积在刚性谷坊中。 砒砂岩区的坡面坡度大多在35°以上,极不稳 植物柔性坝主要布设在沟头段,总坝长以在沟 定,因此不宜建设坡面工程措施,大多只能建于覆土头种植1/5沟长为宜。随着植物生长,柔性坝规模 区的坡顶。由于砒砂岩原岩颗粒粗,孔隙率大,遇水处于不断变化中,根据试验6,坝高变化服从 极易崩解,抗水流冲刷能力弱,因此,建设沟道治理 Logistic型生长函数关系。目前,关于植物柔性坝的 工程措施又往往缺乏建筑材料,大大制约了该地区试验范围仍然有限,需要在覆土、覆沙、裸露砒砂岩 淤地坝等工程措施的实施。1997年绥德水土保持区分别开展试验研究,探索不同的布设技术与模式。 科学试验站曾开展了砒砂岩区筑坝材料可行性分2.4抗蚀促生措施 析、砒砂岩筑坝施工方法试验研究等工作523)。通 所谓抗蚀促生系指一种既可以固结砒砂岩表层 过试验表明,砒砂岩区的黄土、沟床沙、红色砒砂岩又可以抵抗水蚀风蚀,而且还能够促进植物生长的 风化物等可用于筑坝材料,而白色砒砂岩风化物不生态修复新技术。抗蚀促生是治理砒砂岩坡面 能直接用于修建淤地坝;最优辅料厚度为40cm,施水土流失、快速恢复植被的一项综合性措施。 工碾压不低于3遍。为解决砒砂岩区建设淤地坝的 针对砒砂岩遇水成泥、极易崩解、土壤贫瘠的特 材料匮乏问题,对砒砂岩进行改性,使之改变遇水溃点,近年一种具有抗蚀促生功能的环保型高新复合 散的性质,能够满足建设淤地坝的需要,显然是一条材料得以问世{,该材料能够包裹砒砂岩单体分散 值得探索的新途径。 颗粒形成综合性能优异的弹性复合体叫。根据 在“十二五”期间,通过国家科技支撑计划资2014-2016年示范监测,抗蚀促生材料具有很好的 助,黄河水利科学硏究院联合国内多家高校及科研防治土壤侵蚀、恢复植被的功能,使不长草不长树的 单位,对这一技术开展了联合攻关。研究表明,砒砂岩坡面长出了草,示范区植被覆盖度达到90% 砒砂岩破坏具有二元结构特征,即膨胀元和胶结元,以上,径流量减少70%~95%,产沙量减少90%以 并据其结构破坏过程,建立了二元结构空心球几何上(表2)。 模型及其力学关系。据此,提出了减小膨胀元膨 胀力、增加胶结元弹性模量的改性原理。基于此原 综合治理模式与途径 理,可通过添加Na2SiO3等碱性激发剂和凝聚物质 通过多年的治理实践与探索中,先后提出了治 的胶凝增强技术途径,达到抑制蒙脱石膨胀力、提高理砒砂岩的一些单项的或综合的治理模式。例如 胶结能力的目的纠。目前已研发出砒砂岩改性材毕慈芬等提出的综合治理模式以植物“柔性坝” 料,并建成了改性材料淤地坝,该坝坝高10m,库容拦沙工程为主体,以沟道淤地坝、“人工湿地”“¨人 水利水电科技进晨,2019,39(5)7:025-83786335E-mail:j=@hu.eda.cnhttp:/fiur.hha.edm水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 应能力强的杨柳科乔木。 河北杨、白杨等与刺槐、沙 棘、紫穗槐等形成混交林,则土壤的肥力以及微生物 含量会得到明显改善,能促进林地植被的恢复和生 长,维持生态系统的稳定性[50] ;侧柏也是砒砂岩干 旱区一种比较常见的人工林树种,其对土壤有改善 作用[51鄄53] ;榆树属于砒砂岩区唯一可自生的乔木树 种,与当地草本植物形成较好的共生性,但在干旱地 区往往形成“小老头林冶现象;山杏属于砒砂岩区一 种主要的经济林,但是散种面积小,经济效益低,因 此如何在砒砂岩区实现生态恢复的同时,高效开发 山杏、山桃等经济林产业是值得研究的。 在砒砂岩 区也进行过大面积的旱柳、樟子松、杜松、臭椿等栽 种,但是研究相对较少[44] 。 在砒砂岩区具有推广价 值的饲草植物有羊草、冰草、紫花苜蓿、沙打旺等;灌 木树种有花棒、乌柳、柽柳、蒙古莸、驼绒藜等[1,44] 。 2. 2 工程措施 砒砂岩区的工程措施主要包括坡面工程措施 (水平沟、鱼鳞坑、沟边埂、截水沟等)、沟头防护工 程、沟道工程(淤地坝、塘坝、谷坊、小型拦蓄工程 等),未见对新类型工程措施的报道。 砒砂岩区的坡面坡度大多在 35毅以上,极不稳 定,因此不宜建设坡面工程措施,大多只能建于覆土 区的坡顶。 由于砒砂岩原岩颗粒粗,孔隙率大,遇水 极易崩解,抗水流冲刷能力弱,因此,建设沟道治理 工程措施又往往缺乏建筑材料,大大制约了该地区 淤地坝等工程措施的实施。 1997 年绥德水土保持 科学试验站曾开展了砒砂岩区筑坝材料可行性分 析、砒砂岩筑坝施工方法试验研究等工作[52鄄53] 。 通 过试验表明,砒砂岩区的黄土、沟床沙、红色砒砂岩 风化物等可用于筑坝材料,而白色砒砂岩风化物不 能直接用于修建淤地坝;最优辅料厚度为 40 cm,施 工碾压不低于 3 遍。 为解决砒砂岩区建设淤地坝的 材料匮乏问题,对砒砂岩进行改性,使之改变遇水溃 散的性质,能够满足建设淤地坝的需要,显然是一条 值得探索的新途径。 在“十二五冶 期间,通过国家科技支撑计划资 助,黄河水利科学研究院联合国内多家高校及科研 单位,对这一技术开展了联合攻关[17] 。 研究表明, 砒砂岩破坏具有二元结构特征,即膨胀元和胶结元, 并据其结构破坏过程,建立了二元结构空心球几何 模型及其力学关系[17] 。 据此,提出了减小膨胀元膨 胀力、增加胶结元弹性模量的改性原理。 基于此原 理,可通过添加 Na2 SiO3 等碱性激发剂和凝聚物质 的胶凝增强技术途径,达到抑制蒙脱石膨胀力、提高 胶结能力的目的[54] 。 目前已研发出砒砂岩改性材 料,并建成了改性材料淤地坝,该坝坝高 10 m,库容 3郾 3 万 m 3 ,经检测其各项力学指标均满足水利部的 相关技术标准要求[55] 。 2. 3 植物柔性坝 之所以把植物“柔性坝冶 单独作为一种治理措 施,主要是因为这种措施不仅具有植物措施减少地 表冲刷侵蚀的作用,同时又有淤地拦沙的作用。 所 谓植物“柔性坝冶是指在沟道内沿垂直水流方向种 植若干行诸如沙棘等根系发达、自行更新能力强的 植物,作为坝体框架,利用洪水携带大量泥沙和植物 干枝阻水进行群体滞洪沉沙,进而形成具有拦沙、溢 流或泄流功能的新的治理沟道的综合措施[56鄄58] 。 自 20 世纪 90 年代初,开展了植物“柔性坝冶拦 沙机理分析、现场试验技术研发等工作[9,57鄄59] 。 试 验表明,沙棘植物柔性坝坝系能改变沟道的输水输 沙特性,削峰降低剪切力;具有抬高侵蚀基准面、拦 沙泄流、恢复生态多功能[60] ;植物柔性坝还可以明显 增加土壤含水量,如沙棘柔性坝沟道的土壤含水量约 是对比沟的 2 倍[61] 。 如果将植物柔性坝与刚性谷坊 配置,能把暴雨洪水挟带的泥沙进行分选,粗泥沙被 拦在柔性坝内,细泥沙淤积在刚性谷坊中[62] 。 植物柔性坝主要布设在沟头段,总坝长以在沟 头种植 1 / 5 沟长为宜。 随着植物生长,柔性坝规模 处于不 断 变 化 中, 根 据 试 验[63] , 坝 高 变 化 服 从 Logistic 型生长函数关系。 目前,关于植物柔性坝的 试验范围仍然有限,需要在覆土、覆沙、裸露砒砂岩 区分别开展试验研究,探索不同的布设技术与模式。 2. 4 抗蚀促生措施 所谓抗蚀促生系指一种既可以固结砒砂岩表层 又可以抵抗水蚀风蚀,而且还能够促进植物生长的 生态修复新技术[17] 。 抗蚀促生是治理砒砂岩坡面 水土流失、快速恢复植被的一项综合性措施。 针对砒砂岩遇水成泥、极易崩解、土壤贫瘠的特 点,近年一种具有抗蚀促生功能的环保型高新复合 材料得以问世[17] ,该材料能够包裹砒砂岩单体分散 颗粒形成综合性能优异的弹性复合体[64鄄66] 。 根据 2014—2016 年示范监测,抗蚀促生材料具有很好的 防治土壤侵蚀、恢复植被的功能,使不长草不长树的 砒砂岩坡面长出了草,示范区植被覆盖度达到 90% 以上,径流量减少 70% ~ 95% ,产沙量减少 90% 以 上(表 2)。 3 综合治理模式与途径 通过多年的治理实践与探索中,先后提出了治 理砒砂岩的一些单项的或综合的治理模式。 例如, 毕慈芬等[67]提出的综合治理模式以植物“柔性坝冶 拦沙工程为主体,以沟道淤地坝、“人工湿地冶 “人 ·4·