崔斌，蘇芳莉，郭成久

(沈陽農業(yè)大學水利學院，110866，沈陽)

開發(fā)建設項目水土流失造成的水土資源和土地生產力的破壞和損失，是一種典型的現代人為加速侵蝕，具有突發(fā)性較強、形式和流失強度多樣、危害大的特點［1］。水利部、中國科學院、中國工程院聯合組織完成的“中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學考察”結果顯示，“十五”期間，全國開發(fā)建設項目擾動地表面積5.5 萬km2，造成了大量的水土流失。擾動后的土壤經雨澆、風干日曬等干濕交替作用，會改變原來土壤的理化性狀，特別是土壤的顆粒組成，因此，研究不同顆粒級配土壤的侵蝕規(guī)律顯得尤為重要。筆者通過室內模擬降雨試驗，研究在不同降雨強度作用下，不同顆粒級配棄土的侵蝕規(guī)律及主要影響因素，以期為即將進行的沈陽市東部等一系列開發(fā)建設項目水土流失預測與防治提供依據。

1 研究方法

1.1 試驗材料

試驗設置在沈陽農業(yè)大學水利學院水工大廳。試驗小區(qū)采用鐵槽代替，坡度設定為25°，規(guī)格為0.6 m×0.3 m×0.1 m，鐵槽底部打有小孔，以模擬自然條件下的土壤滲流，鐵槽下端預留出水口，用來接樣。試驗用土取自沈陽市天柱山附近的工程棄土(大部分土壤顆粒＜5 mm)，除去所取土樣中的雜草、根系、較大的土塊和石頭等雜質。為更好地模擬天然條件下次降雨對徑流量和產沙量的影響，且便于獲得更多的土壤顆粒，進行試驗前先把除去雜質的土潤濕，待自然晾曬風干后置于一套標準篩(篩孔尺寸分別為0.15、0.30、0.60、1.18、2.36 和4.75 mm)過篩，得到7 種不同粒徑范圍的土樣。將這7種粒徑的土樣按照5 種不同比例(表1)均勻混合后，采用分層回填土樣法進行填土，每5 cm 為一層，填裝2 層土樣，在填裝上層土料之前，抓毛下層土壤表面，以達到混合均勻并防止分層現象。

表1 5 組土樣不同粒徑顆粒組成比例Tab.1 Different particle size composition of five soil samples

1.2 試驗方法

對5 組不同顆粒級配土樣進行降雨試驗，降雨前對供試土樣進行少量噴水，以使土壤含水率在7.5%～8.7%(模擬原棄土含水率)之間，降雨強度采用1.0、1.5 和2.0 mm/min 3 個等級。試驗前對設備進行濾定，通過壓力表讀數來確定所需降雨強度。共設置15 組試驗，每組設置3 個重復，共計試驗45 次。采用下噴式降雨設備，主要原件包括水泵、輸水管、壓力表、開關和噴頭。下噴式噴頭距地面8 m，大部分雨滴均可達到終點速度且均勻降落，噴頭有效控制面積達到5 m×5 m，可滿足試驗要求。每種土樣降雨歷時設為50 min，從產流開始計時，之后每間隔5 min 用塑料桶接1 次徑流樣，整個降雨過程共接徑流樣10 次。

1.3 徑流量、產沙量的計算方法

降雨結束后，用大量筒分別測得10 個桶內的渾水量，所測得的體積為5 min 內的徑流量、產沙量與降落到接樣塑料桶內的雨水量之和，其中泥沙體積待泥沙沉淀后從量筒直接讀出。每5 min 的徑流量計算公式為

式中:V徑為每5 min 的徑流量，mL;V總為測得的每5 min 內的渾水總量，mL;V泥沙為測得的每5 min 內的泥沙體積，mL;I 為降雨強度，mm/min;A 為接樣塑料桶上口口徑面積，cm2，A 取3 017 cm2。

測完徑流量后，將水樣靜置沉淀1 d 后，將上層清水倒掉，把所剩泥沙轉移到鋁盒中，置于105 ℃烘箱中烘干8 h 至恒質量，測得干土質量即為產沙量。

1.4 細度模數的計算方法

細度模數的計算公式為

式中:μf為細度模數;A1、A2、A3、A4、A5和A6為累計篩余比例，%。

細度模數常用篩分法進行測定，篩分法是用一套孔徑為4.75、2.36、1.18、0.60、0.30 及0.15 mm的標準篩，將相同質量的待測土樣由粗到細依次過篩，然后稱得余留在各個篩上的土樣質量，并計算出各篩上的分計篩余比例a1、a2、a3、a4、a5和a6(各篩上篩余量占土樣總量的比例)及累計篩余比例A1、A2、A3、A4、A5和A6(各個篩和比該篩粗的所有分計篩余比例相加)。累計篩余與分計篩余的關系見表2。

表2 累計篩余與分計篩余的關系Tab.2 Relationship between cumulative and separately remaining amount in sieves

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒級配對徑流量的影響

不同降雨強度條件下徑流量隨降雨時間的變化見圖1?？梢钥闯?，不同顆粒級配的土樣在相同降雨強度條件下，徑流量的變化規(guī)律基本一致，即在15 ～20 min 之前，5 種顆粒級配棄土每5 min 內的徑流量有所增加，之后趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值差異并不明顯，以1.5 mm/min 降雨強度(圖1(a))條件下5 種土樣的徑流量為例，依次為1 040、1 050、1 030、1 030和1 020 mL。分析認為，試驗用土壤顆粒大部分在5 mm 以下，土壤顆粒間填充比較密實，雨水下滲均勻，且由于實驗小區(qū)較小，土壤顆粒間孔隙迅速被雨水所填充，此時下滲率幾乎為零，而在持續(xù)降雨條件下，當坡面上降雨強度大于入滲率時，徑流便開始產生;因此，這一時刻便是徑流量趨于穩(wěn)定的時間。從圖中還可以看出，在同一降雨強度條件下，5 種顆粒級配土樣徑流量趨于穩(wěn)定的時間基本相同，僅在不同降雨強度條件下有所不同。

圖1 不同降雨強度條件下徑流量隨降雨時間的變化Fig.1 Runoff over rainfall time change under different rainfall intensities

2.2 土壤顆粒級配對產沙量的影響

不同降雨強度條件下產沙量隨降雨時間的變化見圖2。可以看出:在3 種不同降雨強度條件下，土樣Ⅳ的產沙量均為最小，土樣Ⅰ最大，土樣Ⅱ次之，土樣Ⅲ和土樣Ⅴ居中;在同一降雨強度作用條件下，產沙量大小關系同樣如此。分析認為，徑流是坡面土壤泥沙流失的動力和載體，徑流在坡面?zhèn)鬟f過程實際上是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程，在這個過程中，徑流首先選擇性地攜帶土壤細顆粒［2］。這說明徑流對所攜帶的土壤顆粒具有選擇性。郭偉等［3］研究了紅壤團聚體對坡面產沙的影響，認為侵蝕泥沙平均粒徑隨團聚體的增大而減少。這與國外的R.E.Burwell 等［4］、E.E.Alberts 等［5］、F.Gregory［6］等的研究結果一致。而不同顆粒級配粒土壤的粗細程度可以用細度模數［7］來衡量。經計算得出5 種土樣的細度模數分別為1.42、2.22、2.90、3.44、3.39，而在任一降雨強度條件下，5 組土樣產沙量從大到小依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ?？梢?，細度模數的變化趨勢與不同顆粒級配土壤產沙量的變化趨式相反;因此，通過細度模數恰可以反映出不同顆粒級配土壤產沙量的大小關系，即產沙量隨著細度模數的增加而減少。這與郭偉等［3］研究團聚體的結論不謀而合。此外，從圖2 中還可以看出，隨著降雨歷時的增加，相同間隔時間(5 min)內產沙量逐漸減少，均呈現遞減的趨勢。原因是:在產流初期，坡面細小土壤顆粒比較多，且土壤顆粒間結合力小，黏滯力亦小，穩(wěn)定性就越差，越易被侵蝕;而隨著降雨歷時的增加，細小土壤顆粒越來越少，較大土壤顆粒需要更大起動能量，越不易被侵蝕，因此，呈現出產沙量逐漸減少的趨勢。

圖2 不同降雨強度條件下產沙量隨降雨時間的變化Fig.2 Sediment over rainfall time change under different rainfall intensities

2.3 不同降雨強度對坡面徑流量、產沙量的影響

從圖1 可以看出，對于任一顆粒級配的土樣，徑流量均隨著降雨強度的增大而增加，且差異比較明顯，1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強度條件下每5 min 的徑流量峰值分別為1 000、1 100 和1 300 mL，而每5 min 內徑流量趨于穩(wěn)定的時間大約分別為20、15 和15 min。分析認為:地表徑流量的大小主要由坡面土壤入滲率和承雨量來決定。由于鐵槽較小，觀察發(fā)現鐵槽底部小孔滲流量遠小于降雨量，鐵槽內土壤孔隙很快被雨水填充，此時己屬于蓄滿產流，坡面產流后入滲率接近于零，降雨量全部轉化為徑流量;因此，降雨量直接影響徑流量。而在降雨初期，坡面可蝕性土壤顆粒較多，對徑流有一定的滯流作用，隨著降雨歷時的增加，可蝕性土壤顆粒越來越少，對徑流的滯流作用越來越不明顯，此時徑流量趨于穩(wěn)定。在1.0 mm/min 降雨強度條件下，這個時間大約為20 min，而在1.5 和2.0 mm/min 降雨強度條件下，每5 min 產生的徑流量趨于穩(wěn)定的時間比1.0 mm/min 降雨強度條件下提前約5 min 左右。這是由于在降雨強度相對比較大的情況下，產生的徑流量也大，水流挾沙能力增加，坡面上較小的土壤顆粒在更短的時間內被水流帶走，因此，徑流量趨于穩(wěn)定的時間有所縮短。

由圖2 可以看出，降雨強度對產沙量的影響具有一定的規(guī)律性，對于任一顆粒級配的土樣，產沙量隨著降雨強度的增大而增加，而且差異比較明顯。以土樣Ⅰ的累積產沙量為例，3 種降雨強度條件下的累積產沙量分別為56.3、67.19、79.14 g。分析認為，坡面上不同粒徑土壤顆粒起動能量不同，隨著粒徑的增加而增加。在1.0 mm/min 降雨強度條件下，Ⅰ～Ⅴ組土樣的產沙量主要集中在0.3 mm 以下土壤顆粒，而在降雨強度為1.5 和2.0 mm/min 條件下的產沙量土壤顆粒種類比較多，存在一定數量粒徑比較大的土壤顆粒。這也說明了徑流對所攜帶的土壤顆粒具有選擇性。

3 結論與討論

1)降雨強度是影響徑流量和產沙量的重要因子，降雨強度的改變對徑流量和產沙量都有明顯的影響，在0.18 m2的受雨面積上，當降雨強度從1.5增加到2.0 mm/min 時，同一種土樣在50 min 內的徑流量和產沙量相應增加了約1 760 mL 和10.3 g。

2)顆粒級配是影響產沙量的重要因子，對于不同顆粒級配的土壤，其產沙量可以用細度模數來作對比，且呈現出產沙量隨細度模數的增加而減少的規(guī)律;顆粒級配對徑流量的影響比較小，同一降雨強度條件下，50 min 內的最大與最小徑流量差值不到120 mL。

基于以上結論，對擾動后的裸露表土，特別是土壤顆粒比較小的區(qū)域，應加以防護，進行覆蓋或攔擋，以減少土壤侵蝕。

試驗中，將供試土樣用細度模數標準篩過篩之后，得到了不同粒徑的土壤顆粒。為使不同粒徑土壤顆粒遇水后分散對實驗的影響達到最小化，把土壤顆粒認為是理想的穩(wěn)定單體結構。在此基本假設條件下，得出了用細度模數來比較不同粗細程度土壤的流失程度;但實際上缺少對土壤顆粒單體的穩(wěn)定性分析。對于土壤顆粒在降雨作用下的分散機制以及這一過程對徑流產沙的影響，更有待進一步研究。

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