陳見影, 來鳳兵, 常占懷

(1.黔南民族師范學院, 貴州 都勻 588000; 2.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院,陜西 西安 710062; 3.陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所, 陜西 西安710199)

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渭北旱塬垃圾堆積降雨侵蝕試驗研究

陳見影1, 來鳳兵2, 常占懷3

(1.黔南民族師范學院, 貴州 都勻 588000; 2.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院,陜西 西安 710062; 3.陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所, 陜西 西安710199)

[目的] 研究渭北旱塬垃圾堆積降雨侵蝕過程及機理，為渭北旱塬垃圾堆積降雨侵蝕防治提供科學依據(jù)。 [方法] 基于人工模擬降雨試驗，設計了2個降雨強度(1.2和2.0 mm/min)以及2個垃圾堆積類型(即垃圾堆積成斜坡，無侵蝕發(fā)生地表上的垃圾堆),進行2個垃圾堆積類型和裸露的撂荒坡降雨侵蝕過程的對比研究。 [結果] 當降雨強度I=1.2 mm/min，垃圾堆積成斜坡的侵蝕產(chǎn)沙總量為117.94 kg，撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙量為10.86 kg，垃圾堆積成斜坡比撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙總量為107.08 kg；當降雨強度I=2.0 mm/min，垃圾堆積成斜坡比撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙總量多出225.72 kg，而傾倒在無侵蝕發(fā)生地表上的垃圾堆積侵蝕產(chǎn)沙量相對較少；對垃圾堆積坡面徑流的侵蝕能量(E)及侵蝕能量消耗(E啟動泥沙、E搬運泥沙)、含沙水流作用于底床上的拖曳力(F)分析得出，垃圾堆積與下墊面形成了縫隙或軟弱面，從而導致坡面徑流，降低了啟動松散垃圾堆積泥沙顆粒所消耗的能量，坡面徑流的侵蝕能量(E)主要消耗在搬運輸移垃圾堆積顆粒。 [結論] 含有垃圾顆粒物質水流將維持較高流速，含有垃圾顆粒物質水流因其產(chǎn)生較強的拖曳力加劇了細溝侵蝕。

垃圾堆積; 產(chǎn)沙量; 降雨侵蝕試驗; 渭北旱塬

文獻參數(shù)： 陳見影, 來鳳兵, 常占懷.渭北旱塬垃圾堆積降雨侵蝕試驗研究[J].水土保持通報，2016,36(4)：216-219.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.038

渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)在原已十分嚴重的水蝕風蝕基礎上，又疊加了人類活動影響，使生態(tài)環(huán)境更加脆弱。根據(jù)實地調查發(fā)現(xiàn)，渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)無垃圾集中收集清運設施，人們已形成隨意傾倒垃圾習慣。然而隨意傾倒的垃圾大多堆積在坡麓地帶或直接傾倒在谷坡、河漫灘上，增加了侵蝕產(chǎn)沙固體物源，成為新的侵蝕產(chǎn)沙源地，在強降雨條件下，勢必導致嚴重的水土流失。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的提高，產(chǎn)生的生活、生產(chǎn)垃圾日益增加，垃圾隨意堆積在溝谷中不僅影響環(huán)境景觀，污染水環(huán)境，更重要的是加劇了水土流失。在渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)小流域制定科學的垃圾處置方案并在建設過程中同步實施，是衡量規(guī)劃建設水平的重要指標。在渭北旱原黃土高原溝壑區(qū)垃圾堆積降雨侵蝕已是侵蝕產(chǎn)沙的主要來源之一。目前關于垃圾堆積降雨侵蝕產(chǎn)沙的研究很少[1-5]。本研究選擇渭北旱塬秦莊溝小流域為例，在野外人工模擬降雨的基礎上，對垃圾堆積降雨侵蝕產(chǎn)沙進行分析，以期對垃圾堆積降雨侵蝕過程有所認識，在渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)，人們應摒棄隨意傾倒垃圾習慣，減少由垃圾堆積而形成的侵蝕產(chǎn)沙固體物源。

1　垃圾堆積的類型

根據(jù)在不同的原始地貌上隨意傾倒垃圾所形成垃圾堆積形態(tài)，在野外調查的基礎上，將垃圾堆積分為4種類型： (1) 新生斜坡堆積型。垃圾傾倒在無侵蝕發(fā)生的平緩地表上堆積形成了侵蝕地貌形態(tài)，為垅崗低丘垃圾堆積形態(tài)。該類型主要是分布在原始地貌為高階地、洪積平原、河漫灘上的垃圾堆積。 (2) 新生陡坡堆積型。垃圾傾倒在斜坡上，垃圾順坡自然瀉溜，垃圾堆積使原始斜坡坡度增加到24～38°之間，坡度變陡，與巖土的休止角大體相等。該類型主要發(fā)生在河岸兩側、山坡及坡麓地帶以及堆積在坡腰的片狀垃圾堆積。 (3) 新生臺地堆積型。在削平頂部的塬、梁、峁，將松散垃圾長期堆積在四周以擴大塬、梁、峁整平地面面積而形成臺狀垃圾堆積地貌。 (4) 低洼地疊加堆積型。垃圾傾倒在一些沖溝或地形較低洼處，由于長期堆積填平一些凹形地表。沖溝、切溝及凹形斜坡均是匯水、排水的通道，在原始下墊面與垃圾形成的松散堆積物之間形成軟弱層面，該軟弱層面成為降雨沖刷侵蝕的對象。這4種垃圾堆積地貌，是由于渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)當?shù)卮迕耠S意傾倒生產(chǎn)生活垃圾形成的不穩(wěn)定地表形態(tài)。隨著人口不斷增加，生活水平不斷提高，生產(chǎn)垃圾量也日益增加，當?shù)卮迕耠S意傾倒而不加治理的垃圾堆積對人民健康危害性極大。同時，松散的垃圾堆積物極易受降雨、大風的影響，從而造成劇烈的人為水土流失。

2　人工模擬垃圾堆積降雨侵蝕試驗

2.1試驗地點

通過以上分析，垃圾堆積形成的地貌形態(tài)都具有較陡的松散邊坡，根據(jù)邊坡最易遭受降雨侵蝕的實際情況，選定降雨侵蝕試驗主要是測試垃圾堆積斜坡。試驗地點選在陜西省淳化縣秦莊溝流域，該小流域屬于渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)，位于陜西省淳化縣縣城東南15 km處，地理位置界于北緯34°47′30″—34°52′0″，東經(jīng)108°39′0″—108°43′30″，總面積48.28 km2。當?shù)貧夂驗榕瘻貛О敫珊禋夂?，年平均氣溫?0.4 ℃，多年平均降水量為610 mm,降雨多集中在7，8，9這3個月份且多以暴雨形式出現(xiàn)。農(nóng)業(yè)土壤主要是以黃土為母質的黃土性土壤，主要包括褐土、黃綿土和黑壚土等，水土流失較嚴重，溝壑密度在5.55～5.81 km/km2，侵蝕模數(shù)達3 000～6 000 t/km2。該小流域涉及方里、秦莊2個鄉(xiāng)，共有16個行政村33個自然村，總人口13 131人，人口密度366人/km2。據(jù)衛(wèi)生部調查統(tǒng)計，以農(nóng)村每天每人生活垃圾量為0.86 kg計算，秦莊溝流域日均生產(chǎn)垃圾總量為11.29 t，每年垃圾總量為4 121.82 t。秦莊溝流域目前無垃圾集中清運處理措施，垃圾隨意傾倒在原本水土流失較嚴重的區(qū)域，每年有4 121.82 t垃圾堆積更加劇了水土流失。

2.2試驗降雨裝置設計

模擬降雨裝置設計。模擬降雨裝置：采用2個側噴式單噴頭。噴頭孔板規(guī)格分別為9和13 mm，降雨量為50 mm，試驗小區(qū)為噴頭孔板疊加雨區(qū)。模擬降雨裝置設計雨滴噴高h=1.5 m，雨滴動能約等于天然降雨的雨滴動能，95%雨滴達到水樣天然降雨的終點速度[3-5]。模擬降雨觀測垃圾堆積坡面侵蝕發(fā)育情況，降雨產(chǎn)流后每隔3 min收集坡面徑流樣品進行分析。

2.3垃圾堆積降雨侵蝕試驗

經(jīng)過分析研究，垃圾堆積降雨侵蝕試驗選擇以下類型：順坡傾倒形成的垃圾堆積，傾倒在無侵蝕發(fā)生的地表上的垃圾堆積，對比試驗。3組試驗小區(qū)均按1.5 m×5 m布置。

(1) 順坡傾倒形成的垃圾堆積。順坡傾倒使松散的垃圾順坡自然瀉溜，實測表面坡度32°～33°。其表面坡度同沙質黃土的休止角相近。垃圾堆積厚度40～60 cm。 (2) 傾倒在無侵蝕發(fā)生的地表上的垃圾堆積。垃圾堆積成錐形，錐體底面積直徑為90～130 cm，高度為50～60 cm，錐體基底坡度為5°～6°。 (3) 對比試驗。將裸露的撂荒坡選作試驗對比坡。

試驗用垃圾堆積物取自秦莊鄉(xiāng)周邊當?shù)卮迕耠S意傾倒在坡面和階地上的垃圾堆積。采集時充分破壞原始地層的土層結構，剔除樹木雜草的腐根、結塊等雜物，將垃圾堆積物與下墊面土攪拌均勻。試驗用垃圾堆積物的粒徑組成詳見表1。

表1　垃圾堆積物粒度組成

3　試驗結果分析

3.1降雨侵蝕分析

通過試驗證明，在大雨或暴雨條件下，下墊面不同的侵蝕產(chǎn)沙量不同，且隨著降雨強度增大，垃圾堆積成斜坡、垃圾堆積成錐形、撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙量也隨之增加(表2)。降雨強度I由1.2增至2.0 mm/min時，垃圾堆積成斜坡、垃圾堆積成錐形、撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙量分別增加了127.9，2.87，9.26 kg。其中，當降雨強度為1.2 mm/min，垃圾堆積成斜坡的侵蝕產(chǎn)沙總量為117.94 kg，撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙量為10.86 kg，垃圾堆積成斜坡比撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙總量多出107.08 kg；當降雨強度為2.0 mm/min，垃圾堆積成斜坡比撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙總量多出225.72 kg。由此可知，降雨強度愈大，垃圾堆積成斜坡造成的水土流失就愈嚴重。

在上述2種雨強下，傾倒在無侵蝕發(fā)生的地表上的垃圾堆積成錐形的侵蝕產(chǎn)沙量分別為7.48和10.35 kg，比垃圾堆積成斜坡的侵蝕產(chǎn)沙少。這是由于垃圾堆積成錐形與地表坡度小，侵蝕發(fā)生方式以雨滴濺蝕和片蝕為主，侵蝕較輕，況且侵蝕下來的泥沙在短距離輸移過程中同時發(fā)生沉積或輸移滯后。所以傾倒在無侵蝕發(fā)生的地表上的垃圾堆積成錐形侵蝕產(chǎn)沙較少。

表2　試驗地侵蝕產(chǎn)沙量統(tǒng)計

3.2侵蝕產(chǎn)沙過程分析

降雨強度不同，侵蝕產(chǎn)沙過程也有差異。由圖1—2所示，垃圾堆積成斜坡與撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙過程線都是波動型，且垃圾堆積成斜坡比撂荒坡提前發(fā)生產(chǎn)流。

當降雨強度為1.2 mm/min，降雨歷時為16.5 min時，垃圾堆積成斜坡坡面侵蝕產(chǎn)沙量達到峰值，該降雨時段坡面徑流含沙量達896.86 kg/m3；而撂荒坡降雨歷時為20.5 min時，坡面侵蝕產(chǎn)沙量達到峰值，該降雨時段坡面徑流含沙量達103.03 kg/m3。撂荒坡坡面侵蝕產(chǎn)沙量達到峰值比垃圾堆積成斜坡所需降雨歷時推后4 min左右。在此之后，降雨歷時為31.5 min時，垃圾堆積成斜坡坡面侵蝕產(chǎn)沙量出現(xiàn)次峰值，在35 min時裸荒坡地的侵蝕產(chǎn)沙量出現(xiàn)次峰值。當降雨強度為2.0 mm/min，垃圾堆積成斜坡與撂荒坡的侵蝕產(chǎn)沙呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢。在整個侵蝕產(chǎn)沙試驗中雖然出現(xiàn)坡面徑流含沙量降低過程，然而由于表層土層逐漸趨于濕潤飽和，阻滯降雨入滲，水分下滲減弱，水分轉而形成坡面徑流，從而坡面徑流量增大，導致坡面產(chǎn)沙量仍持續(xù)增加。

圖1　垃圾堆積成斜坡侵蝕產(chǎn)沙過程

圖2　裸荒坡地侵蝕產(chǎn)沙過程

3.3坡面侵蝕方式分析

坡面侵蝕過程：降雨—雨滴侵蝕—產(chǎn)流—片流—片蝕；坡面片流匯集—散流—細溝和淺溝侵蝕—重力侵蝕和潛蝕—谷底散流—溝道水流—溝道侵蝕。在每小時降雨量16 mm以上、或連續(xù)12 h降雨量30 mm以上，24 h降水量為50 mm或以上，且降雨歷時不長的暴雨情況下，黃土區(qū)坡面侵蝕仍以片蝕和面蝕為主，溝蝕量較小。通過試驗過程的觀測，降水均勻下滲，坡面無徑流匯聚，形成少量紋溝和細溝?；谏鲜銮闆r，坡面徑流的侵蝕能量(E)公式為[6]：

式中：ρ——水體密度； g——重力加速度； t——徑流作用時間； φ——徑流系數(shù)； I——降雨強度; L——流線長度； θ——地面坡度。

坡面徑流的侵蝕能量(E)消耗公式為：

E=E啟動泥沙+E搬運泥沙

垃圾堆積形成的斜坡，其松散堆積顆粒處于極限平衡狀態(tài)。垃圾堆積破壞了土層結構，與團聚狀的土體之間形成縫隙或軟弱面，經(jīng)降雨發(fā)生坡面片流匯集—散流—細溝侵蝕。根據(jù)坡面徑流的侵蝕能量(E)消耗公式，因為垃圾堆積與下墊面形成了縫隙或軟弱面，從而導致坡面徑流降低了啟動松散垃圾堆積泥沙顆粒所消耗的能量，從而坡面徑流的侵蝕能量(E)主要消耗在搬運輸移垃圾堆積顆粒。

當降雨強度為1.2mm/min時，垃圾堆積成斜坡的坡面徑流平均含沙量為552.08kg/m3；當降雨強度I=2.0mm/min，垃圾堆積成斜坡的坡面徑流平均含沙量869.96kg/m3，已屬高含沙水流的范疇。

含沙水流作用于底床上的拖曳力F公式為[7]：

F=rmHJ

式中：F——含沙水流作用于底床上的拖曳力； rm——水沙混合體容重； H——水深； J——坡降。

由于降水在垃圾堆積斜坡形成的坡面徑流含有大量垃圾顆粒物質，其容重遠遠大于在撂荒坡坡面徑流的容重。因此，當黃土區(qū)降雨發(fā)生時，在垃圾堆積斜坡形成坡面徑流產(chǎn)生的拖曳力遠大于撂荒坡形成坡面徑流產(chǎn)生的拖曳力。進而，在斜坡上垃圾堆積，因其逐層松散堆積致使斜坡比降較大，導致阻力較小或損失，故含有垃圾顆粒物質水流將維持較高流速。因此，在細溝發(fā)育過程中，含有垃圾顆粒物質水流因其產(chǎn)生較強的拖曳力加劇了細溝侵蝕。在垃圾堆積斜坡上發(fā)育的侵蝕形態(tài)是下墊面對降雨和坡面徑流作用的響應，由于垃圾堆積破壞了原始土層結構，下墊面的穩(wěn)定性降低和抗蝕性減弱，在垃圾堆積斜坡上發(fā)育的侵蝕形態(tài)由濺蝕和片蝕迅速轉化為以溝蝕為主導過程。根據(jù)在秦莊溝實地探踏發(fā)現(xiàn)：秦莊溝流域日均生產(chǎn)垃圾總量為11.29t，其中，80%的人們隨意傾倒垃圾在溝沿線上區(qū)域，垃圾順坡自然瀉溜，堆積形成斜坡的坡角接近休止角，垃圾松散物顆粒堆積形成不穩(wěn)定地表形態(tài)，強降雨條件下，發(fā)生強烈細溝侵蝕，進而將引發(fā)溯源侵蝕發(fā)生。

4　結 論

生活在黃土高原溝壑區(qū)的人們已形成隨意傾倒垃圾習慣。隨著生活水平的提高，生產(chǎn)和生活垃圾總量增加，隨意傾倒垃圾日漸形成垃圾堆積地貌。垃圾堆積降雨侵蝕已是侵蝕產(chǎn)沙的主要來源之一。土層結構由于垃圾堆積遭受破壞，垃圾逐年松散堆積坡面的坡度增加，地表坡度變陡，穩(wěn)定性差，易發(fā)生侵蝕。通過試驗，在短歷時、高強度暴雨暴雨侵蝕下，垃圾堆積陡坡的侵蝕產(chǎn)沙量是裸荒坡地侵蝕量的10.86～12.22倍。由于隨意傾倒垃圾形成垃圾堆積地貌易發(fā)生降雨侵蝕，這將對黃土高原溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境及人們健康構成威脅。因此，在防治方面應采取個人分類、村收集、縣清運有效治理措施。同時，在渭北旱塬黃土高原溝壑區(qū)小流域制定科學的垃圾處置方案并在建設過程中同步實施，是衡量規(guī)劃建設水平的重要指標。

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Rainfall-simulated Erosion and Sediment Yield of Rubbish-dump in Dry Upland of Northern Weihe River

CHEN Jianying1, LAI Fengbing2, CHANG Zhanhuai3

(1.QiannanNormalCollegeforNationalities,Duyun,Guizhou588000,China;2.CollegeofTourismandEnvironmentScience，ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China; 3.ShaanxiProvincialInstituteofSoilandWaterConservationExploration,Xi’an,Shaanxi710199,China)

[Objective] The process and mechanism of erosion and sediment yield of rubbish-dump in dry upland of Northern Weihe river were illustrated to provide scientific bases for the prevention and control of rainfall erosion on rubbish-dump. [Methods] Experiments of erosion and sediment yield were conducted on rubbish dumps with two slope gradients(steep slope and tiled dump) and rainfall simulation intensities(1,2 and 2.0 mm/m). [Results] When rainfall intensityIwas at 1.2 mm/min, the sediment yield on the steep slope dump was 117.94 kg, an increment of 107.08 kg was observed in comparison with the one on tiled dump of 10.86 kg. When rainfall intensity was at 2.0 mm/m, the sediment yield on steep slope dump got an increment of 225.72 kg in contrast to the one on tiled dump. The energy of erosion(E), including the consume energy(Estartup sediment，Emove sediment), and the dragging resistance at bottom plate(F) were elucidated: The existed space and soft layer between rubbish-dump and the original landform below it can reduce theEstart up sediment, the energy of erosion(E) was mainly consumed by moving sediment. [Conclusion] The current with the sediment yield will keep a high speed and a strong dragging force from bottom plate(F). As a result, rill erosion was strengthened.

rubbish-dumped; the sediment yield; an experiment by field simulated rainfall; dry upland to Northern Weihe river

2015-07-05

2015-09-16

“貴州省科技廳聯(lián)合基金項目“農(nóng)民貧困分析及勞動力轉移研究”(黔科合LH字[2014]7444)

陳見影(1969—),女(漢族),陜西省西安市人,博士,副教授,主要從事水土保持方面的研究工作。E-mail:xjsfdxcjy123@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0216-04

F301