佟文韜

( 保定水文水資源勘測(cè)局，河北 保定071000)

斜坡在大自然界中是一個(gè)特殊的地質(zhì)構(gòu)造，是地殼表部所有具備側(cè)向臨面的地質(zhì)體。造成斜坡形成的原因包括自然因素、人為因素兩種，在長(zhǎng)期的自然地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，斜坡受力后會(huì)出現(xiàn)變形而進(jìn)一步傾斜變化。由于斜坡地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，當(dāng)斜坡區(qū)域內(nèi)降雨量過大后容易引起斜坡水文變化，入滲現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)破壞原有的穩(wěn)定地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)降雨入滲下斜坡的水文響應(yīng)深入研究意義重大。

1 降雨入滲形成的相關(guān)因素

降雨入滲主要是大自然雨水從地表進(jìn)入土壤的運(yùn)動(dòng)過程，適當(dāng)?shù)慕涤炅靠梢源龠M(jìn)區(qū)域植物的生長(zhǎng)，而若降雨量過大后則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)地表水量過多而產(chǎn)生嚴(yán)重的入滲現(xiàn)象。入滲會(huì)破壞地質(zhì)構(gòu)造原有的黏合力，使得原本緊密配合的構(gòu)造變得松動(dòng)，若不及時(shí)排出入滲水則會(huì)形成降雨徑流。導(dǎo)致降雨入滲現(xiàn)象形成的因素有:

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)結(jié)構(gòu)狀況變化常會(huì)對(duì)降雨徑流帶來影響，如:地質(zhì)、土壤、黏性等方面的狀態(tài)不一，會(huì)使得降雨在地面上形成不同程度的入滲，對(duì)土壤自身的滲水性能帶來沖擊［1］。此外，一些特殊的區(qū)域構(gòu)造會(huì)產(chǎn)生較大的地殼變化，如:斜坡、懸崖、谷地等，這些地質(zhì)構(gòu)造的都容易產(chǎn)生入滲。

1.2 氣候變化

我國(guó)是一個(gè)氣候多變的國(guó)家，特別是每年的降雨量大小變化不一。氣候變化不僅破壞了原有的降雨?duì)顩r，也會(huì)使得穩(wěn)定的水流體系變得更加復(fù)雜多樣。自然區(qū)域氣候不穩(wěn)定對(duì)降水入滲的影響做大，主要表現(xiàn)為:降水、總量、強(qiáng)度、分布等，隨著降水量的增多，入滲情況也更為嚴(yán)重。

1.3 森林植被

自然保護(hù)區(qū)在我國(guó)占據(jù)了較大的面積，森林植被需要吸收大量的水分來維持正常的生長(zhǎng)環(huán)境，這往往容易造成不同程度的降雨入滲情況。如:就植被這一方面看，其在蓄水、保水、保土等方面發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)植被自身的功能受到水流破壞之后，則會(huì)出現(xiàn)植被受損的不利現(xiàn)象。

1.4 人為破壞

嚴(yán)重的降雨入滲現(xiàn)象除了自然地質(zhì)變化造成外，也會(huì)因?yàn)楦鞣N認(rèn)為因素形成。如: 砍伐森林加快了水土流失; 水利工程建設(shè)對(duì)降雨徑流有調(diào)控功能;農(nóng)田灌溉使得消耗了大量的自然水分。這些人為生產(chǎn)活動(dòng)造成的不利影響都會(huì)給降雨入滲產(chǎn)生作用，讓原先的地質(zhì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常變化。

2 降雨入滲造成的不利影響

斜坡是自然地質(zhì)長(zhǎng)期積累后形成的特殊地質(zhì)構(gòu)造，是地殼表部所有具備側(cè)向臨面的地質(zhì)體。由于斜坡結(jié)構(gòu)的特殊性，若降雨入滲控制不當(dāng)則會(huì)引起各種水流囤積現(xiàn)象，如:降雨徑流等，給斜坡及周圍環(huán)境造成污染破壞。

2.1 斜坡坍塌

斜坡是山區(qū)構(gòu)造的變形區(qū)域，降雨入滲會(huì)造成各種水污染問題日趨嚴(yán)重，給整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境造成了一定的破壞作用。入滲會(huì)使得地表上的水過于集中到斜坡土壤中，使得原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更為松散，地質(zhì)結(jié)構(gòu)難以達(dá)到足夠的強(qiáng)度要求，若斜坡地下水量充足則會(huì)引起不同程度的坍塌。

2.2 水流混亂

從外形結(jié)構(gòu)上看，斜坡本身存在一個(gè)傾斜角度，水流均是自上往下流入而到達(dá)特定區(qū)域。降雨入滲量增大之后，斜坡上水流的變化運(yùn)動(dòng)會(huì)處于混亂狀態(tài)，如: 洪峰流量變大則容易對(duì)斜坡結(jié)構(gòu)造成沖刷，原先斜坡結(jié)構(gòu)能夠控制的流量超出承載范圍，這些引起了水流量的波動(dòng)。

2.3 地質(zhì)受損

降雨入滲之前的水運(yùn)動(dòng)則是降雨徑流，若地表水不能及時(shí)入滲到土壤中，地表之上的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)徑流現(xiàn)象。徑流對(duì)坡度( 垂直度) 較大的構(gòu)造不會(huì)產(chǎn)生影響，但若坡度較小則容易破壞原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。地面積水過多而損壞地表，大量水在地表、地下使得土壤之間的黏性減弱。

2.4 破壞系統(tǒng)

大自然是一個(gè)綜合性的生態(tài)系統(tǒng)，動(dòng)物、植物、地質(zhì)等之間都是相互協(xié)調(diào)運(yùn)行的。若其中一個(gè)要素出現(xiàn)變化，則會(huì)使得穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，這些都會(huì)對(duì)原始自然生態(tài)系統(tǒng)造成破壞作用，不利于生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期發(fā)展。如: 山區(qū)斜坡的水流變化會(huì)破壞原有的地質(zhì)構(gòu)造而損壞環(huán)境。

3 降雨入滲下斜坡水文的響應(yīng)變化

降雨入滲環(huán)境下斜坡坡面會(huì)產(chǎn)生雨水聚集的現(xiàn)象，最終構(gòu)造出面積大小不一的水流。而斜坡構(gòu)造形式的不同使其在面對(duì)水流時(shí)出現(xiàn)各種變化，斜坡面水的運(yùn)動(dòng)變化呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。筆者對(duì)降雨入滲下斜坡水文進(jìn)行了模擬測(cè)試，最后得出了對(duì)水文響應(yīng)造成變化的幾個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，具體包括:強(qiáng)度指標(biāo)、入滲指標(biāo)、含水指標(biāo)、坡長(zhǎng)指標(biāo)、坡度指標(biāo)等。“產(chǎn)流”是判別降雨入滲下斜坡水文響應(yīng)的重要指標(biāo)，其由降雨量減去損失量獲得。

3.1 強(qiáng)度指標(biāo)

即降雨強(qiáng)度，一個(gè)斜坡區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度是由該地區(qū)的氣候特點(diǎn)決定，如:我國(guó)東、西、南、北等4個(gè)地區(qū)相比，東部、南部、東南部地區(qū)全年降雨量較大，使得坡面流單寬流量也會(huì)不斷增多。試驗(yàn)得出水深、流速、流量之間存在這3/5、2/5次冪的關(guān)系［2］。一般降雨強(qiáng)度的變化會(huì)帶動(dòng)坡面流指標(biāo)的轉(zhuǎn)變，如:流速、水深、切應(yīng)力等會(huì)隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，且斜坡的退水時(shí)間也會(huì)受到影響。

3.2 入滲指標(biāo)

即土壤入滲率，根據(jù)國(guó)內(nèi)外斜坡水文資料顯示，在降雨入滲環(huán)境下的土壤入滲均會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。如:當(dāng)土壤滲透能力減弱之后，產(chǎn)流的狀況會(huì)隨著土壤含水率的變動(dòng)而改變。從這一點(diǎn)看，土壤初期階段的滲透系數(shù)會(huì)影響到產(chǎn)量的水量，如:滲透系數(shù)小，則產(chǎn)流早期吸收的水量偏少。試驗(yàn)中筆者注意到一些特殊情況，當(dāng)土壤入滲率處于平衡時(shí)，對(duì)土壤的初始非飽和度不會(huì)帶來變化，但在平衡產(chǎn)流量上則會(huì)有變動(dòng)。

3.3 含水指標(biāo)

即初始含水率，土壤含水率與入滲率之間緊密相關(guān)。通常土壤的入滲率越大，則含水率也隨之上升。這是因?yàn)槌送寥雷陨韮?chǔ)備的含水量外，絕大部分的土壤含水率都是雨水從地表入滲而成。土壤的初始含水率更大，則其初始非飽和度更小且坡面的產(chǎn)流量增大，水動(dòng)力因子也在隨之增大［3］。另外，根據(jù)斜坡坡面的水量會(huì)受到人為實(shí)踐的影響，土壤的初始含水率也會(huì)產(chǎn)生大幅度的變化，如: 斜坡地表種植需要灌溉水量等。

3.4 阻力指標(biāo)

即阻力系數(shù)，綜合前面幾個(gè)指標(biāo)，阻力系數(shù)在降雨入滲中也是影響斜坡水文的一大因素，斜坡水文阻力可通過模擬試驗(yàn)及地址勘測(cè)獲得。一方面，斜坡自身具備的坡度則造成了整體的外在阻力; 另一方面，斜坡內(nèi)部土壤結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)阻力也會(huì)影響水流的變化、運(yùn)動(dòng)。利用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，水流阻力系統(tǒng)變大后，斜坡內(nèi)產(chǎn)流實(shí)現(xiàn)均衡狀態(tài)或者完全退水的時(shí)間則會(huì)變長(zhǎng)，這是由于水文運(yùn)動(dòng)受到阻力作用而速度變慢的緣故。

3.5 坡長(zhǎng)指標(biāo)

即坡度長(zhǎng)度大小，上述提到斜坡產(chǎn)生的因素有自然因素、人為因素等。斜坡形成因素的不同使得坡度的長(zhǎng)短也存在差異，據(jù)勘測(cè)顯示國(guó)內(nèi)山區(qū)斜坡長(zhǎng)度在50 ～200 m不等，而城市地區(qū)的一些景觀斜坡也有20 m左右［4］。通過計(jì)算產(chǎn)流形成的過程，對(duì)坡長(zhǎng)狀況進(jìn)一步分析得出，在出口處的產(chǎn)流量變大之后，出口處坡面流的水流速度、水量大小、運(yùn)動(dòng)應(yīng)力也在變化，見圖1。從時(shí)間和水流量關(guān)系上看，斜坡長(zhǎng)L 不斷變化的同時(shí)，單寬流量大小也有所變動(dòng)。

圖1 不同坡長(zhǎng)的產(chǎn)流過程圖

3.6 坡度指標(biāo)

即斜坡坡度，降雨入滲條件下斜坡坡度對(duì)產(chǎn)流會(huì)產(chǎn)生多個(gè)方面的作用。此次研究選擇5° ～60°這一坡度值域?yàn)閷?duì)象，分析了各種坡度大小下的產(chǎn)流狀況。最大單寬流量在坡度處于平緩狀態(tài)時(shí)有所增大，而坡度超過5°之后則相對(duì)減小。此外，在坡度不斷變大之后，坡面流的流速、切應(yīng)力也開始出現(xiàn)變動(dòng)，流速、切應(yīng)力最大值的臨界坡度出現(xiàn)在1° ～60°這一值域內(nèi)，且流速、切應(yīng)力的臨界坡度值為40° ～50°，這些都是降水入滲山造成的水文響應(yīng)［5］。

4 控制斜坡水文響應(yīng)的有效策略

為了處理好斜坡水文響應(yīng)造成的不利，相關(guān)部門要在思想、實(shí)踐、政策等方面調(diào)整方案，讓斜坡水文朝著理想的狀態(tài)變化。根據(jù)筆者長(zhǎng)期研究的經(jīng)驗(yàn)看，對(duì)斜坡水文響應(yīng)需采取的措施包括:

4.1 轉(zhuǎn)變觀念

在思想上要對(duì)斜坡水文狀態(tài)給予高度重視，處理好大流量降雨入滲下的斜坡水文問題。這就需要政府領(lǐng)導(dǎo)者注重地區(qū)環(huán)境建設(shè)，尤其是對(duì)山區(qū)的自然斜坡更應(yīng)該重點(diǎn)防止處理。在控制斜坡產(chǎn)流時(shí)進(jìn)行勘測(cè)收集，對(duì)不同的數(shù)據(jù)及時(shí)分析以提早采取方案處理異常的水文響應(yīng)。

4.2 環(huán)境評(píng)估

環(huán)境評(píng)估可以提早預(yù)測(cè)分析斜坡的地質(zhì)構(gòu)造、環(huán)境變化、產(chǎn)流大小等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)指標(biāo)則能提前采取斜坡水文的處理方案。如:根據(jù)典型的評(píng)估模型對(duì)雨洪的管理模式的位置、方法實(shí)施測(cè)算研究，最終可制定更先進(jìn)的管理模式，這對(duì)降雨入滲下斜坡結(jié)構(gòu)受損、入滲過多等問題可有效處理。

4.3 調(diào)整結(jié)構(gòu)

為了防止斜坡入滲量過大造成的不便，我們可以對(duì)斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)合理調(diào)整，利用一些更新方式來控制雨水入滲量。如:對(duì)于坡度較小的斜坡，其雨水難以及時(shí)排出，可通過設(shè)置小型排水溝的方式將水流引出斜坡，避免入滲量過大引起土壤流失等。

4.4 定期監(jiān)測(cè)

定期監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)斜坡水文響應(yīng)狀況，在內(nèi)地表出現(xiàn)降雨入滲之后，則需盡快安排技術(shù)人員對(duì)入滲水量多方檢測(cè)，核對(duì)水質(zhì)中的各類元素指標(biāo)與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)是否一致。這樣不僅能弄清雨水中是否存在有害環(huán)境的物質(zhì)，也可為環(huán)保人員的水文處理工作帶來方便。

總之，降雨入滲表面上是自然環(huán)境變化的常見現(xiàn)象，但對(duì)于入滲程度的控制不足則會(huì)引起不同的破壞作用。降雨入滲下斜坡水文變動(dòng)是正常的狀態(tài)，但遇到降雨量大的斜坡區(qū)域，該面積內(nèi)的斜坡地質(zhì)構(gòu)造會(huì)受到不利影響，這就需要管理者制定嚴(yán)格的控制方案，避免斜坡水文出現(xiàn)異常。

［1］路曉娟，王海軍. 降雨入滲對(duì)斜坡水文變化造成的不利影響［J］. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)( 社會(huì)版) ，2010，17(5) :84－86.

［2］張子旭，黃建國(guó). 斜坡水文中產(chǎn)流變化的影響因素探究［J］.工程力學(xué)，2009，29(14) :32－35.

［3］曾達(dá)文，邱志義. 降雨對(duì)高填土路堤的入滲深度的相關(guān)作用［J］. 地質(zhì)勘查報(bào)告，2010，36(11) :74－76.

［4］朱路平，許少華. 降雨入滲影響的非飽和土邊坡瞬態(tài)安全系數(shù)研究［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2009，30(20) :55－58.

［5］楊永文. 胡宇. 利用產(chǎn)流指標(biāo)分析斜坡水文變動(dòng)的方法［J］.現(xiàn)代城市科技，2009，13(6) :49－51.