張維靜，王　健，于衛(wèi)潔，李建業(yè)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬研究

張維靜，王健，于衛(wèi)潔，李建業(yè)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

[關(guān)鍵詞]模擬降雨；棄土棄渣；石塊出露量；石塊比例；侵蝕強(qiáng)度

[摘要]棄土棄渣水土流失量預(yù)測(cè)是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，模擬建設(shè)項(xiàng)目侵蝕強(qiáng)度與棄土棄渣在不同降雨條件下石塊出露面積和土壤粗化的關(guān)系，探討棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量預(yù)測(cè)方法。在不同雨強(qiáng)(0.7、1.0、1.5 mm/min)和坡度(5°、15°、25°)組合的9種情況下，研究了降雨侵蝕過(guò)程，以及降雨前后單位面積石塊出露變化量、表層土石混合物中石塊所占比例、侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間的關(guān)系。結(jié)果表明：不同坡度、雨強(qiáng)條件下產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間推移均呈先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，兩者之間的關(guān)系可用冪函數(shù)方程描述；不同坡度、雨強(qiáng)條件下含沙量均在產(chǎn)流后4 min和10 min左右出現(xiàn)峰值，16 min后基本平穩(wěn)；降雨侵蝕導(dǎo)致土壤中細(xì)小顆粒被剝蝕，石塊逐漸出露，侵蝕強(qiáng)度與單位面積石塊出露變化量之間呈線性正相關(guān)關(guān)系；侵蝕強(qiáng)度與降雨前表層土石混合物中石塊所占比例之間呈指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系；侵蝕導(dǎo)致分選作用，使得表層土壤粗化，不同雨強(qiáng)、坡度下侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。

生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)對(duì)原地面造成破壞擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量棄土棄渣，進(jìn)而造成水土流失。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目造成的水土流失是以人類(lèi)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)為主要外營(yíng)力形成的特殊的水土流失類(lèi)型，是一種典型的人為加速侵蝕，具有流失量大、集中、突發(fā)性強(qiáng)、危害大等特點(diǎn)。近年來(lái)，關(guān)于棄土棄渣水土流失規(guī)律的研究取得了不少成果[1-4]，主要是通過(guò)野外放水沖刷和人工模擬降雨試驗(yàn)，分析不同雨強(qiáng)和坡度條件下棄土棄渣的侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律，也有學(xué)者對(duì)工程建設(shè)中土石混合堆積體侵蝕規(guī)律進(jìn)行了研究，比如模擬不同雨強(qiáng)條件下不同礫石類(lèi)型[5]、礫石含量[6-7]、礫石覆蓋[8-10]、堆積類(lèi)型[11]的堆積體產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，而對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄土棄渣水土流失量進(jìn)行快速有效監(jiān)測(cè)的研究成果卻不多?，F(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚏USLE[12]和物理模型WEPP[13]、EUROSEM[14]等在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)土壤侵蝕時(shí)考慮了礫石的影響，但在棄土棄渣體的應(yīng)用方面存在一定局限，探尋一種快速準(zhǔn)確估算棄土棄渣水土流失量的方法成為當(dāng)前水土流失預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。本試驗(yàn)采用室內(nèi)人工模擬降雨方法，在研究坡面棄土棄渣產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中棄土棄渣在降雨過(guò)程中石塊出露變化估算水土流失量，進(jìn)而構(gòu)建棄土棄渣水土流失預(yù)測(cè)模型，以方便有效地計(jì)算棄土棄渣坡面水土流失量。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)土壤侵蝕降雨大廳進(jìn)行。采用鐵制2.00 m(長(zhǎng))× 1.00 m(寬)× 0.25 m(深)土槽，利用硬質(zhì)卵石(20～40 mm)拌合取自西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)地的表層塿土，以模擬生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄土棄渣。表層土石隨機(jī)混合，測(cè)定土槽坡面在不同雨強(qiáng)、不同坡度條件下的水土流失量。設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為0.7、1.0、1.5 mm/min，降雨時(shí)間為自產(chǎn)流起歷時(shí)30 min。坡度參數(shù)為5°、15°、25°。雨強(qiáng)、坡度組合共9組降雨試驗(yàn)。觀測(cè)項(xiàng)目有產(chǎn)沙量、徑流量、降雨前后單位面積石塊出露量、降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

(1)產(chǎn)流過(guò)程觀測(cè)。從坡面產(chǎn)流開(kāi)始，用量筒收集徑流，每隔3 min收集一次，每次收集1 min。利用比重瓶法測(cè)定濁水含沙量[15]，計(jì)算公式為

(1)

式中：C為濁水含沙量，kg/m3；γ水為純水的密度，g/cm3；γ沙為干泥沙密度，g/cm3；G瓶為比重瓶的自重(包括柱塞)，g；G水+瓶為比重瓶及比重瓶所盛純水的最大質(zhì)量，g；G濁+瓶為比重瓶及比重瓶所盛濁水的最大質(zhì)量，g。

(2)侵蝕作用下降雨前后單位面積石塊出露量觀測(cè)。降雨侵蝕后，土壤中細(xì)小顆粒隨水流移走，造成徑流小區(qū)坡面石塊不同程度的裸露。單位面積石塊出露量反映了土壤侵蝕的強(qiáng)弱，從而可以反映出棄土棄渣水土流失狀況。按照試驗(yàn)條件設(shè)置，每場(chǎng)降雨前在試驗(yàn)小區(qū)上隨機(jī)選取5個(gè)10 cm×10 cm的樣方，降雨前后拍照對(duì)比，并用ImageJ軟件計(jì)算降雨前后單位面積石塊出露量。根據(jù)比重瓶法測(cè)定徑流含沙量，確定坡面侵蝕強(qiáng)度，構(gòu)建侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量的關(guān)系模型。

(3)降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例觀測(cè)。侵蝕過(guò)程對(duì)坡面土壤形成強(qiáng)烈分選，表層土壤呈現(xiàn)明顯粗化。測(cè)定降雨前后小區(qū)表層土石混合物中石塊所占比例，并計(jì)算兩者的差值，從而可估算侵蝕強(qiáng)度。具體方法如下：降雨前后，在小區(qū)內(nèi)分別取表層5 cm深土壤樣品，烘干篩分稱量后獲得降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例，并計(jì)算兩者的差值。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1降雨過(guò)程分析

(1)產(chǎn)流率。坡面徑流是坡面侵蝕的主要?jiǎng)恿?，也是侵蝕泥沙輸移的重要載體。將不同雨強(qiáng)、坡度條件下產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間變化的觀測(cè)數(shù)據(jù)繪成圖1，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得方程及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)，坡面產(chǎn)流率總體表現(xiàn)為先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。不同坡度條件下，高雨強(qiáng)(1.5 mm/min)降雨的產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)波動(dòng)較明顯，其他兩個(gè)雨強(qiáng)(0.7、1.0 mm/min)降雨的產(chǎn)流率相對(duì)來(lái)說(shuō)變化比較平緩；隨著坡度的增加，兩個(gè)低雨強(qiáng)(0.7、1.0 mm/min)降雨的產(chǎn)流率差異逐漸減小，尤其是在坡度25°時(shí)兩者產(chǎn)流4 min后產(chǎn)流率基本趨于一致。不同雨強(qiáng)、坡度條件下的產(chǎn)流率與降雨時(shí)間皆呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系(表1)。

坡面產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間的變化實(shí)際上反映了降雨與入滲相互平衡的過(guò)程，降雨開(kāi)始短時(shí)間內(nèi)土壤入滲能力>降雨強(qiáng)度，地表沒(méi)有徑流產(chǎn)生；隨著時(shí)間的推移，表層土壤含水量增大，土壤入滲能力<降雨強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生超滲徑流；隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定。因此，坡面徑流隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)的基本變化過(guò)程為先增加后逐漸穩(wěn)定。

(2)含沙量。徑流是泥沙輸移的載體，雨強(qiáng)、坡度通過(guò)影響徑流量的大小及流速的快慢，從而影響泥沙的運(yùn)載能力，這在一定程度上反映了侵蝕規(guī)律。通過(guò)測(cè)定每場(chǎng)降雨試驗(yàn)中徑流樣品的含沙量，將不同雨強(qiáng)、坡度條件下徑流含沙量隨降雨時(shí)間變化的觀測(cè)數(shù)據(jù)匯成圖2。從圖2可以看出，坡面含沙量隨降雨侵蝕過(guò)程呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，不同雨強(qiáng)、坡度條件下含沙量均出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在產(chǎn)流后4 min和10 min左右，而16 min后含沙量趨于平穩(wěn)狀態(tài)；坡度5°時(shí)不同雨強(qiáng)條件下降雨產(chǎn)流含沙量相差不明顯，且變化趨勢(shì)基本一致；15°時(shí)含沙量有輕微差異；25°時(shí)含沙量差異顯著，且隨著雨強(qiáng)的增加，含沙量曲線呈明顯分離狀態(tài)，雨強(qiáng)越大含沙量越大。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明小坡度時(shí)不同雨強(qiáng)條件下含沙量相差不明顯，大坡度時(shí)不同雨強(qiáng)條件下含沙量差異顯著，且隨著雨強(qiáng)的增大含沙量增大。

圖1　不同雨強(qiáng)、坡度條件下產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間變化過(guò)程

坡度(°)雨強(qiáng)(mm/min)擬合方程相關(guān)系數(shù)顯著水平50.7y=0.1373t0.19240.7280<0.011.0y=0.3231t0.18920.7119<0.011.5y=0.7416t0.09740.5469<0.01150.7y=0.1394t0.26870.8892<0.011.0y=0.1394t0.26870.8778<0.011.5y=0.6558t0.06750.8084<0.01250.7y=0.2701t0.07540.8711<0.011.0y=0.3864t0.07530.8161<0.011.5y=0.7148t0.09250.5996<0.01

注：y為產(chǎn)流率，mm/min；t為降雨時(shí)間，min。

圖2　不同雨強(qiáng)、坡度下坡面含沙量隨降雨時(shí)間變化過(guò)程

降雨開(kāi)始后，雨滴降落到坡面，打擊土壤和礫石形成濺蝕，隨著降雨持續(xù)，土壤孔隙逐漸被水充滿，土壤入滲能力降低，表層土壤含水量繼續(xù)增加，土壤顆粒間吸附能力降低，土壤表現(xiàn)為泥漿狀態(tài)，徑流挾帶著被雨滴剝蝕的土壤顆粒，含沙量逐漸增加，達(dá)到第一個(gè)峰值；由于礫石的存在，一部分降雨用來(lái)浸濕礫石并將其包裹上水膜，使礫石跟周邊土壤成為入滲點(diǎn)，入滲量隨之增加，延緩了坡面徑流，徑流量逐漸減小，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，暴露在外面的礫石逐漸增多，由超滲產(chǎn)流形成的徑流流速增大，相對(duì)應(yīng)的侵蝕率急劇增加，含沙量達(dá)到第二個(gè)峰值；隨著降雨過(guò)程的持續(xù)，入滲和產(chǎn)流逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，侵蝕趨于平穩(wěn)。

2.2侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量的關(guān)系

隨著降雨過(guò)程的持續(xù)，伴隨著土壤侵蝕的進(jìn)行，坡面細(xì)小土壤顆粒在雨滴擊濺和薄層徑流剝蝕下被帶走，土壤中較大粒徑顆?？刮g能力較強(qiáng)，逐漸出露。石塊出露變化量的多少在一定程度上可以反映侵蝕強(qiáng)度的大小，據(jù)此設(shè)計(jì)探尋侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量間的關(guān)系。

將樣方降雨前后單位面積石塊出露變化量與相對(duì)應(yīng)的侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪制成圖3。從圖3可以看出，隨著變化量的增大，相對(duì)應(yīng)的侵蝕強(qiáng)度也逐漸增大。侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量動(dòng)態(tài)變化的擬合方程為

MH在Unix計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，Unix是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，其獨(dú)特之處在于能夠像對(duì)待任何其他文本文件一樣處理郵件信息。這意味著無(wú)須打開(kāi)單獨(dú)的電子郵件瀏覽器，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的命令完成郵件保存、組織、搜索和發(fā)送等工作。

y=83.69x+0.16 (R2=0.877 9，

P<0.01，F(xiàn)=309.13>F(1，9)0.01=12.25)

(2)

式中：y為侵蝕強(qiáng)度，kg/m2；x為單位面積石塊出露變化量。

圖3　侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積

分析表明，不同雨強(qiáng)、坡度條件下侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量之間呈線性關(guān)系，隨著變化量的增加，侵蝕強(qiáng)度增大，石塊出露面積的變化量可以間接反映出水土流失量的多少。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)拍攝棄土棄渣中大石塊在降雨過(guò)程中的裸露程度，根據(jù)侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量間的關(guān)系推算水土流失量，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)提供一定的幫助。

2.3降雨沖刷作用對(duì)侵蝕強(qiáng)度的影響

(1)表層石塊所占比例對(duì)侵蝕強(qiáng)度的影響。大量研究表明，土壤中礫石的存在會(huì)影響土壤的入滲和侵蝕特性[16-17]。侵蝕強(qiáng)度與表層石塊所占比例之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖4)，擬合方程為

F=262.42>F(1,9)0.01=12.25)

(3)

式中：y為侵蝕強(qiáng)度，kg/m2；x為表層石塊所占比例，%。

圖4　侵蝕強(qiáng)度與降雨前表層石塊所占比例的關(guān)系

分析表明，侵蝕強(qiáng)度與表層石塊所占比例之間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，石塊比例越大，侵蝕強(qiáng)度越小。這主要是因?yàn)楸砻娓采w礫石可以保護(hù)土壤，減少雨滴對(duì)土壤的濺蝕，減少土壤顆粒的分散，減小土壤的侵蝕強(qiáng)度。試驗(yàn)表明地表礫石覆蓋能夠減小坡面侵蝕，覆蓋度越大，侵蝕量減小的作用就越明顯。

(2)徑流分選作用對(duì)侵蝕強(qiáng)度的影響。在降雨過(guò)程中，較小粒徑的土壤顆?？刮g性差，易被徑流挾帶，而粒徑較大的土壤顆粒(石塊)抗蝕性強(qiáng)，不易被徑流挾帶，地表徑流對(duì)坡面土壤形成強(qiáng)烈分選，導(dǎo)致表層土壤明顯粗化，所以降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例能在一定程度上反映出土壤侵蝕的情況。繪制侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值的變化過(guò)程(圖5)，兩者的擬合方程為

y=0.589 9x+0.128 9 [R2=0.735 0，

(4)

式中：y為侵蝕強(qiáng)度，kg/m2；x為降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值。

圖5　侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中

分析結(jié)果表明，侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間呈線性函數(shù)關(guān)系，驗(yàn)證了之前的假設(shè)，說(shuō)明侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間存在正相關(guān)關(guān)系。由于土石混合體在試驗(yàn)操作取樣時(shí)存在一定誤差，故相關(guān)性不是很高，但總體上隨著降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值增加，侵蝕強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)。

3結(jié)論

本次試驗(yàn)中考慮降雨強(qiáng)度、坡度對(duì)侵蝕強(qiáng)度的影響，對(duì)棄土棄渣水土流失監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行假設(shè)驗(yàn)證，主要研究成果如下：

(1)不同雨強(qiáng)、坡度條件下產(chǎn)流率總體表現(xiàn)為先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。不同坡度條件下高雨強(qiáng)降雨產(chǎn)流率波動(dòng)較大，低雨強(qiáng)降雨產(chǎn)流率變化相對(duì)比較平穩(wěn)，隨著坡度增加低雨強(qiáng)產(chǎn)流率差異逐漸減小。不同坡度、雨強(qiáng)條件下產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系。不同坡度、雨強(qiáng)條件下含沙量均在4 min和10 min左右出現(xiàn)峰值，16 min后基本平穩(wěn)，低坡度不同雨強(qiáng)條件下含沙量相差不明顯，高坡度含沙量差異顯著，隨著雨強(qiáng)增大含沙量增加。

(2)侵蝕強(qiáng)度與降雨前后單位面積石塊出露變化量之間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著出露變化量增大，侵蝕強(qiáng)度增大。

(3)侵蝕強(qiáng)度與降雨前表層土石混合物中石塊所占比例之間呈指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，石塊所占比例越大，侵蝕強(qiáng)度越小。降雨侵蝕作用導(dǎo)致土石混合物表層呈現(xiàn)明顯粗化，石塊所占比例增加，侵蝕強(qiáng)度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間呈正相關(guān)關(guān)系。

本試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬的方法，探索土石混合體在降雨侵蝕作用下，侵蝕強(qiáng)度與石塊出露面積和土壤粗化的關(guān)系，探討棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量預(yù)測(cè)方法。然而試驗(yàn)中采用土壤與石塊混合物模擬棄土棄渣與工程實(shí)際存在一定差距，有待在后期試驗(yàn)中不斷完善。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371273)；西北農(nóng)林科技大學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(QN2011152)

[中圖分類(lèi)號(hào)]S157.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0030-05

[作者簡(jiǎn)介]張維靜(1989—)，女，陜西咸陽(yáng)市人，碩士研究生，從事水土保持方向的研究工作；通信作者王健(1973—)，男，陜西商洛市人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與流域管理方面的研究。

[收稿日期]2015-06-30