張家銘, 左鴻鵬, 邵曉泉, 范志軍, 周曉宇, 胡舫瑞

(中國地質大學 工程學院, 湖北 武漢 430074)

三峽庫區(qū)野外模擬降雨條件下棄渣場土壤侵蝕特性

張家銘, 左鴻鵬, 邵曉泉, 范志軍, 周曉宇, 胡舫瑞

(中國地質大學 工程學院, 湖北 武漢 430074)

[目的] 揭示三峽庫區(qū)棄渣場土壤侵蝕規(guī)律，為該地區(qū)棄渣場的土壤侵蝕治理提供依據(jù)。[方法] 通過現(xiàn)場搭建徑流小區(qū)并采用人工模擬降雨的方法進行研究。[結果] 降雨量同侵蝕量存在極顯著的線性關系；降雨強度同渣場產流時間呈極顯著的冪函數(shù)關系，同徑流含沙率呈極顯著的指數(shù)函數(shù)關系；渣場表層較高的細礫石含量，一定程度上可以減少濺蝕與面蝕量，但在強降雨或持續(xù)降雨條件下會促進坡面溝蝕的發(fā)育；渣場侵蝕具有一定季節(jié)分布，非雨季時，渣場侵蝕以面蝕與輕微溝蝕為主，坡面主要發(fā)育為細溝與淺溝，侵蝕量較少；雨季時，渣場坡面淺溝迅速轉化為切溝，泥沙流失嚴重。[結論] 研究區(qū)渣場侵蝕具有一定的季節(jié)性，渣場施工時應根據(jù)氣候特征適當調配，主動避開雨季，并在雨季前完成渣場的水土保護設置；采取相應防護措施抑制或減緩雨季溝蝕的發(fā)育是研究區(qū)渣場水土保持防護的重點。

棄渣場; 土壤侵蝕; 流失特征; 人工降雨; 侵蝕規(guī)律

隨著生態(tài)環(huán)境對建設活動的進一步制約，生產建設項目區(qū)新增水土流失越來越受到研究者的關注。研究表明，棄渣堆積體對公路建設過程中土壤流失總量的貢獻達78%～90%，棄渣場已成為基建工程中重要的新增水土流失源[1-2]。不少學者針對棄土場土壤侵蝕進行了研究。馬春燕等[3]探討了水電站棄渣場的水土流失過程，發(fā)現(xiàn)產流率隨供水的動態(tài)變化整體呈增長趨勢，可用冪函數(shù)方程描述；徑流含沙量同供水時間可用對數(shù)相關方程來描述。

蘇芳莉等[4]探討了雨強、坡度同徑流量之間的關系，認為雨強可改變徑流規(guī)律，小雨強時徑流量增加較平緩而大雨強時呈波動性增加；董建志等[5]認為小雨強下棄渣場徑流顯著受到土壤干容重及坡度的影響，而隨雨強的增加，坡度及土壤干容重對徑流的影響逐漸被降雨所覆蓋。孫飛云等[6]認為棄土場坡面土壤特性受降雨擊濺和徑流沖刷的影響，進而影響徑流和滲流途徑，造成坡面產流的不一致性。何凡等[7]認為棄土場坡面土體穩(wěn)定性差，侵蝕量隨坡度增加會大幅上升；受到匯水面積影響，侵蝕量由坡頂?shù)狡履_逐漸增大。

目前，在渣場水土流失量與降雨、坡度、坡長等侵蝕影響因子的關系等方面的研究已取得了不少進展，但對侵蝕過程中侵蝕溝的形成發(fā)育及相應特征涉及較少，也缺乏定量考慮土壤性質對侵蝕量的影響，且尚未提出有廣泛適用性的侵蝕量預測模型。

本文通過現(xiàn)場搭建徑流小區(qū)并采用人工模擬降雨的方法，研究宜巴高速公路棄渣場土壤侵蝕與其影響因素之間的關系，并在此基礎上探討棄渣場侵蝕溝發(fā)展規(guī)律。擬為三峽庫區(qū)公路建設過程中土壤流失量的預測和水土保持措施的合理布設提供指導。

1 研究區(qū)概況

石門埡棄渣場位于宜昌到巴東線ZK119+100左側100 m，處于秭歸縣水田壩鎮(zhèn)境內，占地7.53 hm2，設計棄方量為7.20×105m3，坡高比為1∶1，渣場為機械堆填，主要為粉砂質泥巖和長石石英砂巖。按照中國土壤侵蝕分區(qū)[8]，該地區(qū)土壤侵蝕以水力侵蝕為主，因此本研究對象為渣場水力侵蝕。秭歸縣降水主要集中于夏半年，春夏兩季降水總量約占全年的72%，秋季占22%，而冬季降水量僅占全年的6%。6—8月僅3月的降水量幾乎占全年的1/2。全年的降水日數(shù)中，以小雨為主，約占總數(shù)的75%，隨降水強度的增加，降水日數(shù)逐步減少。全年平均暴雨日數(shù)為3 d左右，主要分布在4—10月，集中出現(xiàn)在6—8月。其余時間沒有暴雨出現(xiàn)。

2 研究方法

2.1 土壤侵蝕觀測

在石門埡棄渣場設3個徑流小區(qū)進行土壤侵蝕研究。由于地形條件所限，未按標準徑流小區(qū)規(guī)格進行布設，設置的小區(qū)有效面積為4 m×4 m，四周采用PVC板材同外界隔斷，下邊界設有導流槽、集流桶用以收集侵蝕泥沙，為便于觀察侵蝕的發(fā)展，坡面上方采用無彈性繩臨空架設30 cm×30 cm的方格網(wǎng)。對選定的小區(qū)進行土壤密度、含水量及植被蓋度的測定。試驗區(qū)基本情況見表1。

表1 試驗小區(qū)基本情況

2.2 降雨設備及觀測

人工模擬降雨試驗是小尺度研究的常用手段[9]，可以克服天然降雨每年次數(shù)有限且具有偶然性的缺點，方便快速地測定不同條件下徑流、泥沙變化規(guī)律。自制降雨設備由GG型小流量標準噴頭(日本噴涂系統(tǒng)株式會所生產，孔徑1 mm)，控制閥，增壓泵，支架，水表等組成，水源為山溝匯集的雨水，通過控制噴頭及降雨時間來調整降雨強度及降雨量，實際雨強由CR2型翻斗式電腦數(shù)字雨量計配合水表來測定。根據(jù)試驗區(qū)降雨特性及降雨強度劃分標準[10]，設置6種雨強，具體情況見表2。

表2 人工模擬降雨參數(shù)

2.3 土壤侵蝕測定

通過計算集流桶內泥沙量來測定侵蝕總量[11]，侵蝕泥沙量分兩部分組成，一部分為沉積于導流槽、集流桶內的泥沙，此部分泥沙基本由細砂以上的大顆粒組成，可直接烘干稱重；另一部分為分散于侵蝕徑流中的細砂粒、黏粒，須通過取均勻水樣，通過測其含沙量來測定，兩部分和為總的泥沙侵蝕量。

通過IPP(image—pro plus)軟件測定溝蝕量。IPP可提供多種的測量參數(shù)，如目標面積、長短徑等[12]。試驗前，在試驗區(qū)對面視線良好的區(qū)域定點安裝高分辨率單反相機，以記錄降雨過程中土壤侵蝕的全過程。通過IPP軟件對土壤侵蝕過程照片進行分析量測，獲得坡面侵蝕的變化數(shù)據(jù)，并結合試驗過程的現(xiàn)場記錄進行校對整理。

3 結果與分析

3.1 降雨對渣體侵蝕的影響

為克服量綱不同的影響，分析之前已將數(shù)據(jù)進行標準化處理。將標準化數(shù)據(jù)通過SPSS軟件做皮爾遜相關分析，結果顯示降雨量、降雨強度同次降雨侵蝕量之間的相關性系數(shù)均大于0.9，表明降雨量、降雨強度同侵蝕量之間存在顯著的線性相關性(表3)。

表3 降雨量、降雨強度同侵蝕量之間相關性分析

注：顯著性系數(shù)小于0.05時表示顯著相關；小于0.01時表示極顯著相關。

3.1.1 降雨量同土壤侵蝕量的關系 根據(jù)皮爾遜相關分析，3個小區(qū)的次降雨土壤侵蝕量同降雨量之間存在極顯著的線性關系，表明不考慮其他因素時，降雨量達到一定程度后渣場土壤侵蝕量隨降雨量的增加呈線性增加(圖1)。

圖1 降雨量與土壤侵蝕量間的關系

3.1.2 降雨強度同土壤侵蝕量的關系 降雨強度同土壤侵蝕量之間也存在顯著的線性相關關系，但降雨強度的效用突出表現(xiàn)在雨滴的擊濺作用及對坡面徑流的影響上。為突出降雨強度的特點，從渣場坡面產流時間及徑流含沙率來探討降雨強度同土壤侵蝕之間的關系。各小區(qū)坡面產沙時間及徑流含沙率情況(表4)。

表4 各小區(qū)坡面產流時間及徑流含沙率

以渣場次降雨坡面產流時間為因變量、降雨強度為自變量做一元回歸分析，結果表明產流時間同降雨強度存在冪函數(shù)關系(圖2)，且3個小區(qū)的相關系數(shù)均大于0.8，表明擬合關系好。因降雨強度均小于1，故冪函數(shù)均為單調減函數(shù)，即隨降雨強度的增大，渣場產流時間逐漸減少，當降雨強度達到一定值，產沙時間達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這時單位時間坡面的入滲量達到飽和。

圖2 不同雨強下渣場產流時間

以次降雨徑流含沙率為因變量、降雨強度為自變量做一元回歸分析，結果表明二者之間存在指數(shù)函數(shù)關系(圖3)，且3個小區(qū)的相關系數(shù)均大于0.9，說明擬合關系良好。指數(shù)函數(shù)為單調增函數(shù)，隨降雨強度的增加，徑流含沙率逐漸增大。這是因為隨降雨強度的增加，單位時間雨水對坡面的沖刷作用增強，更多的細顆粒甚至中、粗顆粒被徑流沖刷攜帶，導致徑流含沙率增加。

圖3 不同雨強下徑流含沙率

棄渣場為破碎土石堆積體，一般具有礫石含量高、顆粒間空隙大、欠固結等特點。試驗選取的3個小區(qū)為機械堆填所成，坡度基本相同(表1)，且過程中未采取其他密實措施，故渣體表層密實度基本一致。因此，相同條件下礫石含量高的2#小區(qū)可以提供更多供細小粗顆粒移動的通道(空隙)，這也是圖3中2#小區(qū)含沙率高于其他小區(qū)的原因。

3.2 土壤粒徑級配同渣場土壤侵蝕的關系

3個徑流小區(qū)的棄渣粒徑情況見表5。按國際制土壤顆粒劃分標準，單粒直徑>2 mm的稱其為礫石，3個小區(qū)礫石含量均超過30%，2#小區(qū)甚至超過40%。參照《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB—2007)，3個小區(qū)的棄渣均屬于礫砂。

水蝕分為濺蝕、面蝕和溝蝕3種。由表5可知，2#小區(qū)侵蝕量最大但濺蝕、面蝕量最少，3#小區(qū)侵蝕量最少但濺蝕、面蝕量最多，1#小區(qū)侵蝕量與濺蝕、面蝕量居中；3#小區(qū)徑流量最多，1#小區(qū)次之，2#小區(qū)最少。3個小區(qū)粒徑組成基本相同，但2#小區(qū)的2～20 mm細礫石含量高于其他小區(qū)。

對比分析可知，較高的細礫石含量可以在一定程度上減少渣場的徑流量及濺蝕、面蝕量，這是因為礫石含量高，顆粒間空隙增大，利于雨水的下滲，減少坡面徑流，從而減少侵蝕量；溝蝕量同細礫石含量之間存在一定正相關性。

表5 徑流小區(qū)粒徑級配特征

3.3 渣場侵蝕特征

3.3.1 渣場侵蝕類別 溝蝕的發(fā)展過程為細溝、淺溝和切溝。降雨過程中通過定點設置的高分辨率相機記錄坡面侵蝕的全過程，結合現(xiàn)場記錄及后期IPP軟件的分析，確定了各小區(qū)不同階段的侵蝕類型，侵蝕溝的發(fā)生發(fā)展過程以及相應的侵蝕量。渣場土壤侵蝕中，溝蝕的侵蝕量所占比例最大，均超過了各小區(qū)侵蝕總量的70%，其中2#小區(qū)的溝蝕侵蝕量達到了總量的87%，1#小區(qū)次之(79%)，3#小區(qū)最少(72%)。

3.3.2 渣場侵蝕溝特征 細溝的形成意味著面蝕的結束溝蝕的開始。為方便統(tǒng)計，參照江玉林等[13]的研究并結合試驗情況，將溝深、寬均不足5 cm的溝劃分為細溝，大于5 cm且溝深小于10 cm的溝劃為淺溝，將溝寬大于15 cm溝深超過10 cm且有明顯溝沿、溝坡和溝底的溝劃分為切溝(表6)。

由表6可知，渣場溝蝕同降雨強度有密切關系。中、小雨強時，雨滴的直徑與能量有限，對顆粒的擊打沖刷力有限，坡面首先在凹陷或地勢較低處出現(xiàn)小細溝，細溝漸向兩端發(fā)育，但深、寬度發(fā)育較慢。降雨條件變化不大時，細溝發(fā)育漸至穩(wěn)定，偶有細溝發(fā)育為淺溝。當雨強增大時，雨滴的直徑與能量增大，對顆粒的擊打沖刷力用增強，同時雨水下滲不及，坡面徑流進一步增多、流速加快，細溝漸發(fā)育為淺溝，直至達到新的平衡。淺溝的規(guī)模較細溝增大的了很多，徑流量與侵蝕量均成倍增加。淺溝的侵蝕量為細溝的2.44倍。但在降雨條件不變的情況下，淺溝發(fā)育較慢較穩(wěn)定，向切溝發(fā)展的趨勢并不明顯。

表6 石門埡棄渣場小區(qū)侵蝕狀況

雨強度達到一定值時，單位時間作用于坡面的雨量遠大于排水量，坡面細、淺溝內流量增大、流速加快，溝沿及溝岸的泥沙受到的浮力與沖刷力增大，大量顆粒隨徑流遷移，淺溝快速發(fā)育形成切溝，導致短時間內大量泥沙流失。由表6可知，3個侵蝕小區(qū)最終共生成了6條切溝，侵蝕量卻達到總量的53%，故溝蝕同降雨強度存在較強的正相關關系，切溝往往發(fā)生于幾場大雨或暴雨期間。在相同降雨條件下，2#小區(qū)的切溝的數(shù)量與侵蝕量均高于其他2個小區(qū)，這是因為渣體細礫石含量高，相同降雨條件下，雨水下切較快，導致局部高差較大，加速了溝蝕的發(fā)展。

在中、小雨強下渣場侵蝕以面蝕與輕微溝蝕為主，坡面主要發(fā)育細溝與淺溝，侵蝕量不大；而在強降雨下，坡面淺溝會在短時間內迅速發(fā)育轉化切溝，一旦切溝形成，侵蝕量便會快速增加，且礫石含量越高，泥沙流失越嚴重。結合研究區(qū)降雨特性，可知該地區(qū)渣場侵蝕具有較明顯的季節(jié)性。6—8月的降雨量幾乎占全年的1/2，且全年的大、暴雨幾乎均出現(xiàn)在此期間，所以渣場侵蝕主要發(fā)生在夏季，尤其是在多日連續(xù)降雨或暴雨條件下，坡面溝蝕發(fā)育，泥沙流失嚴重。其他時間，由于降雨較少且主要為小強度降雨，渣場侵蝕相對較少。

4 結 論

研究區(qū)渣場侵蝕具有一定的季節(jié)性，非雨季時，降雨較少且強度有限，渣場侵蝕以面蝕與輕微溝蝕為主，侵蝕量較少；雨季時，在持續(xù)降雨或強降雨下，渣場坡面淺溝迅速轉化為切溝，泥沙流失嚴重。所以，渣場施工時應根據(jù)氣候特征適當調配，主動避開雨季，并在雨季前完成渣場的水土保護設置。

降雨量同渣場侵蝕量之間存在極顯著的線性關系。不考慮其他因素時，降雨量達到一定程度后侵蝕量隨降雨量的增加呈線性增加。降雨強度對渣場侵蝕量的影響主要體現(xiàn)在產流時間與徑流含沙量上，產流時間同降雨強度存在極限值的冪函數(shù)關系，徑流含沙量同降雨強度存在極顯著的指數(shù)函數(shù)關系。

棄渣場表層較高的細礫石含量可以減少徑流量及濺蝕、面蝕量，故在以面蝕與輕微溝蝕為主的非雨季時可以有效減緩渣場侵蝕。但在在雨季強降雨或持續(xù)降雨條件下，表層較高的細礫石含量導致雨水下切塊，增大局部高差，加速坡面溝蝕的發(fā)育。結合研究區(qū)降雨特征及侵蝕特性，渣場水土保持防護的重點為采取相應防護措施抑制或減緩雨季溝蝕的發(fā)育。

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Soil Erosion Characteristics of Dumping Sites Under Simulated Rainfall Conditions in Three Gorges Reservoir Region

ZHANG Jiaming, ZUO Hongpeng, SHAO Xiaoquan, FAN Zhijun, ZHOU Xiaoyu, HU Fangrui

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

[Objective] The objective of this study is to reveal the soil erosion characteristics of dumping sites in Three Gorges reservoir region in order to provide basis for the management in this area. [Methods] Runoff plots were constructed and simulated artificial rainfall was used in this research. [Results] A significant linear relationship was found between rainfall and erosion amount. The rainfall intensity showed a significant power function correlation with the runoff time, while it showed an exponential regression correlation with the sand content. Fine gravel with high concentration in the dumping sites surface soil reduced the splash and sheet erosions in some extent, however, it intensified the gully erosion under the condition of heavy or continuous rainfall. Furthermore, soil erosion in the dumping sites presented seasonal variations. During the dry season, soil erosion was dominated by sheet erosion and slight gully erosion, and the erosion amount was little. In contrast, in wet season, shallow grooves were converted into ditches rapidly, and the erosion became more severe. [Conclusion] As soil erosion in dumping sites of Three Gorges reservoir region changes seasonally, constructions can be done according to the changes of season to avoid the rainy season. Taking the protective measures to prevent or slow down the development of gully erosion in the rainy season is the focus of soil and water conservation in the study area.

dumping sites; soil erosion; erosion characteristics; artificial rainfall; erosion rule

2014-04-10

2014-06-10

湖北省交通運輸廳科技項目“三峽庫區(qū)公路棄土場設計與施工技術研究”(2011-700-3-18)

張家銘(1976—)，男(漢族)，內蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,博士,副教授,主要從事巖土工程、地質工程方面研究。E-mail:zjmnm@163.com。

左鴻鵬(1989—)，男(漢族)，山西省平遙縣人,碩士研究生,研究方向為巖土工程。E-mail:rishengcaoxi@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0007-05

S157.1