程圣東,杭朋磊,李占斌,張 輝,王 添,成玉婷

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710048;2.陜西西部聯(lián)盟生態(tài)股份有限公司,陜西西安 710075)

凍融侵蝕是指土體或巖石中的水分由于溫度變化發(fā)生相變,導(dǎo)致土體或巖石發(fā)生機(jī)械破壞,進(jìn)而造成的侵蝕[1],黃土丘陵溝壑區(qū)的氣候條件滿足季節(jié)性凍融侵蝕發(fā)生的要素[2]。長(zhǎng)期以來(lái),凍融侵蝕的研究大多集中在凍融侵蝕前后土壤可蝕性的變化[3-6]、侵蝕產(chǎn)沙量變化[7-8]等方面,而對(duì)于凍土解凍時(shí)期土壤侵蝕的研究相對(duì)較少。受季節(jié)溫度的影響,凍土層在溫度升高時(shí)表土解凍,土壤侵蝕效果顯著增強(qiáng)[9-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,解凍期的未完全解凍層和土壤中存在的不透水土層是造成凍融侵蝕區(qū)強(qiáng)烈片蝕、溝蝕等的主要原因[14-16],未完全解凍層的阻水作用會(huì)隨著解凍深度的增加而降低。當(dāng)凍土消融時(shí),土壤的抗剪強(qiáng)度減弱,可蝕性增大,更容易發(fā)生土壤侵蝕[17]。因此,為揭示黃土丘陵溝壑區(qū)凍土解凍期未完全解凍層對(duì)坡面土壤侵蝕的影響,本文通過(guò)模擬降雨試驗(yàn),分析初始解凍深度對(duì)凍融坡面侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響,以期為黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕機(jī)理研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究材料

試驗(yàn)用土為陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的黃綿土,其機(jī)械組成為粉粒65.28%、砂粒34.7%、黏粒0.02%,土壤質(zhì)地為粉沙質(zhì)壤土。試驗(yàn)地點(diǎn)位于西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的雨洪侵蝕大廳。模擬降雨試驗(yàn)示意圖如圖1所示,由降雨系統(tǒng)、試驗(yàn)土槽及凍土裝置組成。

圖1 模擬降雨試驗(yàn)示意圖Fig.1 Illustration of simulated rainfall test

降雨系統(tǒng)采用自主研發(fā)的針管式模擬降雨裝置,其降雨空間均勻度大于80%,能夠保證與天然雨強(qiáng)的相似性要求;試驗(yàn)土槽長(zhǎng)2 m,寬0.75 m,深0.35 m,為木質(zhì)不透水結(jié)構(gòu),為保證承重以及土體的單向解凍要求,木板厚度均為5 cm,外圍用矩形鐵架固定;凍土裝置采用澳柯瑪DW-40W300型凍融箱室,長(zhǎng)4.5 m,寬2.5 m,高2.5 m,溫度變化范圍為-40 ℃～30 ℃,具備制冷和加熱系統(tǒng),可以滿足試驗(yàn)需求。

1.2 研究方法

黃土高原地區(qū)平均最大凍土深度97.8 cm,且每年的3～5月凍土層由土壤表面逐漸向下全部融化[18]。野外監(jiān)測(cè)表明,解凍深度增加是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,侵蝕主要來(lái)自于表層土壤,鑒于室內(nèi)控制試驗(yàn)主要研究侵蝕機(jī)理,設(shè)計(jì)初始解凍深度分別為0 cm、2 cm、4 cm和6 cm。根據(jù)侵蝕性降雨的相關(guān)理論,考慮到雨強(qiáng)太小時(shí)無(wú)法觀測(cè)到凍融坡面產(chǎn)流的實(shí)際情況,為保證模擬降雨強(qiáng)度的梯度,試驗(yàn)設(shè)定的雨強(qiáng)分別為0.6 mm/min、0.9 mm/min和1.2 mm/min,設(shè)定坡度為15°,試驗(yàn)采用全因子試驗(yàn),一組試驗(yàn)設(shè)置12場(chǎng)降雨,每組重復(fù)三次,共計(jì)36場(chǎng)降雨,數(shù)據(jù)分析時(shí)采用三場(chǎng)試驗(yàn)的平均值。將雨強(qiáng)為0.9 mm/min的未凍結(jié)坡面作為對(duì)照坡面,進(jìn)行對(duì)比分析。

本文的試驗(yàn)過(guò)程包括試驗(yàn)裝土處理、凍結(jié)土及解凍土處理以及模擬降雨過(guò)程。裝土處理:首先將試驗(yàn)用土過(guò)5 cm的篩,保持土樣初始含水量為15%,在試驗(yàn)土槽底部鋪一層紗布,再鋪設(shè)5 cm厚天然砂,保證其滲透情況與天然狀態(tài)相似,分5層填裝30 cm厚黃綿土(每層6 cm),土壤容重控制為1.3 g/cm3。凍結(jié)土及解凍土處理:將完成裝土處理的試驗(yàn)土槽推入-20 ℃的凍融箱室中連續(xù)凍結(jié)24 h,再將試驗(yàn)土槽放置在室溫約為15 ℃的環(huán)境中進(jìn)行緩慢解凍,利用鋼針測(cè)量?jī)鐾疗旅娴慕鈨錾疃?。其具體過(guò)程為:在200 cm×75 cm的試驗(yàn)土槽上選擇12個(gè)均勻分布的解凍深度監(jiān)測(cè)點(diǎn),每間隔25 min用細(xì)鋼針垂直插入監(jiān)測(cè)點(diǎn),快速測(cè)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的解凍深度及其平均值,當(dāng)其平均值達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的初始解凍深度時(shí),即進(jìn)行下一步的模擬降雨試驗(yàn)。模擬降雨過(guò)程:在試驗(yàn)土槽完成凍結(jié)土及解凍土處理之前,完成雨強(qiáng)的率定工作。模擬降雨過(guò)程中,記錄坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間(開(kāi)始降雨到坡面出口開(kāi)始產(chǎn)流的歷時(shí)),在坡面出水口采集渾水樣品,每1 min采集1次,歷時(shí)60 min。模擬降雨結(jié)束后,用烘干稱重的方法測(cè)量泥沙干重,用置換法計(jì)算徑流量。模擬降雨試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)降雨水溫和環(huán)境溫度均在15 ℃左右,模擬降雨時(shí)室內(nèi)溫度較為恒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨和初始解凍深度條件下凍融坡面產(chǎn)流特征

對(duì)比雨強(qiáng)為0.9 mm/min的凍融坡面與對(duì)照坡面的平均產(chǎn)流過(guò)程,如圖2所示。

圖2 凍融坡面與對(duì)照坡面產(chǎn)流過(guò)程Fig.2 Runoff process on freeze-thaw slope and control slope

由圖2可以看出,凍融坡面與對(duì)照坡面的產(chǎn)流過(guò)程差異顯著(p<0.05)。其中,對(duì)照坡面產(chǎn)流較穩(wěn)定;而凍融坡面在初始產(chǎn)流后的前10 min產(chǎn)流迅速,隨后逐漸變緩,并在產(chǎn)流50 min后,兩者產(chǎn)流能力的差距逐漸縮小。計(jì)算前10 min曲線的平均斜率發(fā)現(xiàn),凍融坡面產(chǎn)流強(qiáng)度是對(duì)照坡面的2.5倍,但在后期趨勢(shì)逐漸接近,并趨于穩(wěn)定,說(shuō)明雖然兩種坡面初始狀態(tài)不同,但受到土壤質(zhì)地等因素的影響,其產(chǎn)流強(qiáng)度存在一個(gè)上限,也就是坡面產(chǎn)流能力。對(duì)凍融坡面與未凍融坡面產(chǎn)流量的變化擬合方程,如表1所示。

表1 凍融坡面與對(duì)照坡面產(chǎn)流過(guò)程擬合方程Tab.1 Fitting equation of runoff process on freeze-thaw slope and control slope

注：Rf、Rc分別為凍融坡面、對(duì)照坡面產(chǎn)流量，t為產(chǎn)流歷時(shí)。

凍融坡面產(chǎn)流過(guò)程與對(duì)數(shù)函數(shù)曲線擬合得較好,而對(duì)照坡面產(chǎn)流過(guò)程與二次函數(shù)擬合得較好。說(shuō)明凍融作用對(duì)土壤的產(chǎn)流特性產(chǎn)生了較大的影響,改變了黃土坡面的徑流過(guò)程。

不同雨強(qiáng)及初始解凍深度條件下凍融坡面產(chǎn)流過(guò)程如圖3所示。

從各曲線的傾斜程度可以看出,前期曲線斜率大,屬于增長(zhǎng)期;后期曲線平緩,屬于穩(wěn)定期。增長(zhǎng)期與穩(wěn)定期之間存在著一個(gè)臨界點(diǎn),臨界點(diǎn)前產(chǎn)流能力迅速增加,臨界點(diǎn)后產(chǎn)流能力逐漸平緩且趨于穩(wěn)定的波動(dòng),對(duì)各組徑流過(guò)程的時(shí)間臨界點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),0.6 mm/min、0.9 mm/min、1.2 mm/min雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間臨界點(diǎn)分別為51 min、44 min、17 min。此外,臨界點(diǎn)隨雨強(qiáng)的增大向前移動(dòng),即在大雨強(qiáng)下,凍融坡面產(chǎn)流會(huì)更快達(dá)到某一穩(wěn)定值。

圖3 不同雨強(qiáng)及初始解凍深度下凍融坡面產(chǎn)流過(guò)程Fig.3 Runoff process of freeze-thaw slopes at different rainfall intensities and initial thawing depths

在一定時(shí)間段內(nèi),坡面產(chǎn)流越早達(dá)到穩(wěn)定,其以較大流量產(chǎn)流的時(shí)間就越長(zhǎng),徑流總量也就越大,所以這一穩(wěn)定值顯著(p<0.05)增加了坡面徑流量。此外,對(duì)于等雨強(qiáng)下不同初始解凍深度的坡面,其產(chǎn)流能力隨時(shí)間發(fā)生變化的趨勢(shì)是一致的,這說(shuō)明凍融坡面徑流形態(tài)受雨強(qiáng)的作用較大,而受初始解凍深度的影響較小。若是對(duì)各組試驗(yàn)的徑流總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖3(a)各徑流總量從大到小對(duì)應(yīng)的初始解凍深度依次為4 cm、6 cm、2 cm、0 cm;圖3(b)各徑流總量從大到小對(duì)應(yīng)的初始解凍深度依次為2 cm、4 cm、0 cm、6 cm;圖3(c)各徑流總量從大到小對(duì)應(yīng)的初始解凍深度依次為4 cm、2 cm、0 cm、6 cm,對(duì)比發(fā)現(xiàn),徑流總量隨初始解凍深度的變化并沒(méi)有穩(wěn)定的規(guī)律,說(shuō)明解凍深度對(duì)凍融坡面產(chǎn)流總量的影響不大。

不同雨強(qiáng)及初始解凍深度下各組初始產(chǎn)流時(shí)間,如表2所示，0.9 mm/min雨強(qiáng)下對(duì)照組的初始產(chǎn)流時(shí)間為24.2 min。對(duì)比不同雨強(qiáng)下的初始產(chǎn)流時(shí)間發(fā)現(xiàn),雨強(qiáng)越大,其初始產(chǎn)流時(shí)間變化越大,說(shuō)明雨強(qiáng)的增加可以顯著(p<0.05)減小初始產(chǎn)流時(shí)間。在雨強(qiáng)一定的情況下,初始解凍深度越大,其初始產(chǎn)流時(shí)間越長(zhǎng),這是由于在一定的解凍深度上存在著一個(gè)弱透水的凍土層,使融化土壤水分更容易達(dá)到飽和。根據(jù)初始產(chǎn)流時(shí)間隨初始解凍深度增加的相對(duì)變化率可以發(fā)現(xiàn),初始產(chǎn)流時(shí)間在2～4 cm的初始解凍深度內(nèi)的變化率遠(yuǎn)低于其他狀態(tài)下的變化率,說(shuō)明初始解凍深度由2 cm增加到4 cm時(shí),對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響較小。

表2 不同雨強(qiáng)及初始解凍深度的初始產(chǎn)流時(shí)間Tab.2 Initial runoff producing time at different rainfall intensities and initial thawing depths

2.2 不同降雨和初始解凍深度條件下凍融坡面產(chǎn)沙特性

雨強(qiáng)為0.9 mm/min時(shí),凍融坡面及未經(jīng)凍融的對(duì)照坡面的平均產(chǎn)沙過(guò)程如圖4所示。

圖4 凍融坡面與對(duì)照坡面產(chǎn)沙過(guò)程Fig.4 Sedimentation process of freeze-thaw slope and control slope

可以看出,相對(duì)于凍融坡面,對(duì)照坡面的產(chǎn)沙過(guò)程平緩穩(wěn)定,而凍融坡面產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)明顯且變化迅速。統(tǒng)計(jì)凍融坡面不同初始解凍深度下的產(chǎn)沙總量,發(fā)現(xiàn)凍融坡面產(chǎn)沙總量是對(duì)照坡面的10～24倍,說(shuō)明凍融作用顯著(p<0.05)增加了坡面產(chǎn)沙量。在開(kāi)始產(chǎn)流后的一段時(shí)間內(nèi),凍融坡面產(chǎn)沙量迅速增加,約30 min后,各凍融坡面的產(chǎn)沙速率逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谀M降雨試驗(yàn)進(jìn)行到30 min時(shí),凍土解凍的速度與水力侵蝕強(qiáng)度兩者達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài),產(chǎn)沙穩(wěn)定是由于解凍土層提供的物質(zhì)來(lái)源與水力侵蝕能力處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)造成的。

不同雨強(qiáng)及初始解凍深度下凍融坡面產(chǎn)沙過(guò)程,如圖5所示。

圖5 不同雨強(qiáng)及初始解凍深度下凍融坡面產(chǎn)沙過(guò)程Fig.5 Sedimentation process of freeze-thaw slopes at different rainfall intensities and initial thawing depths

對(duì)比圖5中三種雨強(qiáng)下的坡面產(chǎn)沙過(guò)程發(fā)現(xiàn),產(chǎn)沙強(qiáng)度隨著雨強(qiáng)的增大而迅速增加。三組曲線的趨勢(shì)都具有較好的一致性,在產(chǎn)流后一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)沙強(qiáng)度迅速增加,隨后產(chǎn)沙量達(dá)到某一穩(wěn)定值,其曲線在在這一穩(wěn)定值的周圍上下波動(dòng)。圖5(a)中4條曲線反映出,在產(chǎn)流約35 min內(nèi)產(chǎn)沙強(qiáng)度迅速增加,35 min后產(chǎn)沙逐漸趨于穩(wěn)定,表明在0.6 mm/min雨強(qiáng)下凍融坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度變化的臨界點(diǎn)約為35 min。對(duì)比發(fā)現(xiàn),產(chǎn)沙強(qiáng)度從大到小對(duì)應(yīng)的初始解凍深度依次為6 cm、4 cm、2 cm、0 cm,對(duì)應(yīng)穩(wěn)定后的平均產(chǎn)沙強(qiáng)度分別為717.36 g/min、551.60 g/min、234.53 g/min、136.42 g/min。說(shuō)明當(dāng)雨強(qiáng)為0.6 mm/min時(shí),隨著初始解凍深度的增加,產(chǎn)沙強(qiáng)度也隨之增加。在雨強(qiáng)較小時(shí)完全凍結(jié)的黃土坡面產(chǎn)沙過(guò)程比較穩(wěn)定,這可能是由于在雨強(qiáng)較小時(shí)產(chǎn)流較小,且完全凍結(jié)的黃土坡面解凍較慢,徑流量較小,徑流能量較小,侵蝕能力微弱,水流挾沙力較小,導(dǎo)致侵蝕量較小。圖5(b)中4條曲線反映出其產(chǎn)沙強(qiáng)度在開(kāi)始產(chǎn)流的30 min內(nèi)都處于快速增長(zhǎng)階段,隨后逐漸趨于穩(wěn)定,并且它們的趨勢(shì)更具一致性,產(chǎn)沙過(guò)程隨初始解凍深度的變化層次性更加明顯;但是與圖5(a)不同的是,0.9 mm/min雨強(qiáng)下產(chǎn)沙強(qiáng)度從大到小對(duì)應(yīng)的初始解凍深度依次為4 cm、2 cm、6 cm、0 cm,對(duì)應(yīng)穩(wěn)定后的平均產(chǎn)沙強(qiáng)度分別為961.61 g/min、834.15 g/min、758.53 g/min、395.91 g/min。對(duì)比圖5(a)穩(wěn)定產(chǎn)沙強(qiáng)度,圖5(b)中各值的差距在逐漸縮小。從圖5(c)中可以看出,除了初始解凍深度為6 cm的產(chǎn)沙過(guò)程線,另外三條曲線具有較好的一致性,其產(chǎn)沙強(qiáng)度在產(chǎn)流后20 min內(nèi)處于快速增長(zhǎng)階段,20 min后逐漸趨于穩(wěn)定;而初始解凍深度為6 cm的產(chǎn)沙過(guò)程線在產(chǎn)流后41 min內(nèi)都呈現(xiàn)快速增長(zhǎng),其中在起始的26 min內(nèi)產(chǎn)沙強(qiáng)度小于前三者,而在27～36 min內(nèi)迅速增長(zhǎng)。對(duì)于初始解凍深度為6cm的坡面,由于降雨開(kāi)始入滲強(qiáng)度相對(duì)于其它坡面較大,徑流侵蝕動(dòng)力較小,泥沙輸移能力微弱;隨著降雨的繼續(xù),土壤含水量增加,土壤入滲減小,坡面流量增加;在較大的流量下,初始解凍深度較大的坡面土體被強(qiáng)烈侵蝕。其產(chǎn)沙強(qiáng)度從大到小對(duì)應(yīng)的初始解凍深度依次為6 cm、4 cm、2 cm、0 cm,對(duì)應(yīng)產(chǎn)沙穩(wěn)定后的平均產(chǎn)沙強(qiáng)度分別為1 734.98 g/min、771.32 g/min、766.35 g/min、533.25 g/min。本試驗(yàn)的坡面侵蝕量主要來(lái)自于細(xì)溝侵蝕,產(chǎn)沙強(qiáng)度基本隨初始解凍深度的增加而增加,這不同于范昊明和劉佳等[15-16]的研究成果,他們的研究認(rèn)為,坡面的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度受含水率、降雨強(qiáng)度、初始解凍深度的綜合影響,在一定程度上,坡面侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度隨初始解凍深度的增加而減小。這可能是由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的降雨歷時(shí)、土壤質(zhì)地等不同所導(dǎo)致的,在范昊明和劉佳的試驗(yàn)研究中,采用的降雨歷時(shí)僅為20 min,初始解凍深度的增加導(dǎo)致入滲量增加,細(xì)溝處于剛開(kāi)始發(fā)育階段,細(xì)溝侵蝕時(shí)間較短,侵蝕量較小,坡面初始解凍深度較大的坡面還未發(fā)生不斷的溯源侵蝕以及滑塌現(xiàn)象,因此侵蝕量較小,產(chǎn)沙能力微弱。另外,疏松軟綿的黃綿土的可蝕性遠(yuǎn)大于黑土,也是導(dǎo)致黃綿土更易發(fā)生滑塌和溯源侵蝕的原因之一。

2.3 不同降雨和初始解凍深度條件下凍融坡面水沙關(guān)系響應(yīng)

不同初始解凍深度和雨強(qiáng)下的水沙關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖6 不同雨強(qiáng)及初始解凍深度的水沙關(guān)系曲線Fig.6 Water-sediment relationship curve at different rainfall intensities and initial thawing depths

從圖中可以發(fā)現(xiàn),凍融坡面水沙關(guān)系分為兩個(gè)階段,第一階段為緩慢增長(zhǎng)期,產(chǎn)沙量隨著產(chǎn)流量緩慢增加,這主要是由于對(duì)于初始解凍深度為0 cm的土壤,雖然降雨初期幾乎沒(méi)有入滲,但完全凍結(jié)的土壤不易被剝離,而對(duì)于解凍土壤,降雨初期雨水大量入滲,徑流量較小,對(duì)泥沙的輸移能力較弱,所以產(chǎn)沙量較小;第二個(gè)階段為急速增長(zhǎng)期,此時(shí)產(chǎn)沙量急劇增長(zhǎng),這是由于隨著降雨的持續(xù),土壤坡面在水流的沖刷下產(chǎn)生細(xì)溝,且細(xì)溝的長(zhǎng)度和深度會(huì)隨著持續(xù)降雨迅速發(fā)展,使產(chǎn)沙量迅速增加,此外,由于未完全解凍的黃土坡面存在不透水的凍結(jié)層,從而增加了坡面徑流量,為泥沙輸移提供了動(dòng)力條件。兩個(gè)階段交匯的地方即是凍融坡面水沙關(guān)系發(fā)生變化的突變點(diǎn)。綜合來(lái)看,相同坡面條件下,對(duì)于凍融坡面水沙關(guān)系的突變點(diǎn),隨著雨強(qiáng)的變大對(duì)應(yīng)突變點(diǎn)的徑流量越大;隨著初始解凍深度的增加,在0.6～0.9 mm/min雨強(qiáng)下的突變點(diǎn)逐漸靠近,對(duì)應(yīng)徑流量及產(chǎn)沙量差距在縮短,說(shuō)明隨著初始解凍深度的增加,雨強(qiáng)對(duì)于凍融坡面水沙關(guān)系的影響在減小。突變點(diǎn)的產(chǎn)生一方面可能是由于隨著降雨的持續(xù),土壤含水量增加,入滲量降低,從而造成徑流量迅速增大,為凍融坡面產(chǎn)沙提供了更多水動(dòng)力條件;另一方面,坡面細(xì)溝的形成,使集中流對(duì)溝道的掏蝕更加劇烈。

不同雨強(qiáng)及初始解凍深度下凍融坡面的水沙雙累積關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 不同雨強(qiáng)及初始解凍深度的水沙雙累積關(guān)系曲線Fig.7 Water-sediment double-accumulation curve at different rainfall intensities and initial thawing depths

從圖7(a)中可以看出,曲線都呈上升趨勢(shì)。初始階段,隨著累積產(chǎn)流量的增加,初始解凍深度為4 cm及6 cm兩條曲線呈上凹趨勢(shì),說(shuō)明產(chǎn)沙量的增長(zhǎng)率大于產(chǎn)流量的增長(zhǎng)率;累積產(chǎn)流量達(dá)到約7 500 mL之后兩條曲線趨于穩(wěn)定,呈線性增加的趨勢(shì)。初始解凍深度2 cm的曲線在起始階段呈下凹趨勢(shì),當(dāng)累積產(chǎn)流量達(dá)到7 500 mL之后趨于穩(wěn)定;初始解凍深度為0 cm的曲線一直比較穩(wěn)定,說(shuō)明其累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量關(guān)系穩(wěn)定。圖7(b)中,產(chǎn)流總量和初始解凍深度的關(guān)系為線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。圖7(c)中曲線與前兩組有較為明顯的不同,初始解凍深度6cm的曲線在初期上凹,且曲率遠(yuǎn)大于其余三者,后期曲線斜率又明顯大于上述三者,累積產(chǎn)流量在20 000 mL左右時(shí),累積產(chǎn)沙量開(kāi)始迅速增加,累積產(chǎn)流量達(dá)到35 000 mL之后,產(chǎn)沙量的增加速率達(dá)到最大。其余三條曲線在累積產(chǎn)流量為10 000 mL之前緩慢增加,之后迅速增加。初始解凍深度為2 cm和4 cm的兩條曲線幾乎重合,其產(chǎn)流及產(chǎn)沙過(guò)程近似,說(shuō)明在大雨強(qiáng)下,初始解凍深度對(duì)凍融坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響在減小。

2.4 凍融坡面侵蝕因子相關(guān)性分析

以上分析表明,初始解凍深度和雨強(qiáng)都對(duì)土壤侵蝕量有一定的影響,為了進(jìn)一步量化它們之間的關(guān)系,文中對(duì)產(chǎn)流歷時(shí)、初始解凍深度、雨強(qiáng)、產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量、累積產(chǎn)流量等侵蝕因子進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析(Pearson),結(jié)果如表3所示。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量都與降雨歷時(shí)呈顯著相關(guān)關(guān)系,累積產(chǎn)沙量和累積產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)的相關(guān)性則更大,這說(shuō)明產(chǎn)沙量及產(chǎn)流量屬于時(shí)變性的侵蝕因子。此外,初始解凍深度與產(chǎn)沙量的相關(guān)性最大,反而與產(chǎn)流量的關(guān)系并不密切,這說(shuō)明初始解凍深度顯著影響了產(chǎn)沙量,但對(duì)產(chǎn)流量的影響并不顯著。而雨強(qiáng)與產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量都呈顯著相關(guān),其中雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流量的影響大于對(duì)產(chǎn)沙量的影響,雨強(qiáng)與產(chǎn)沙量的相關(guān)性為0.403,大于初始解凍深度與產(chǎn)沙量的相關(guān)性0.327,說(shuō)明雨強(qiáng)對(duì)于坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)更大。

表3 各侵蝕因子間的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)Tab.3 Correlation between the erosion factors

注：**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾檢驗(yàn))。

3 結(jié) 論

1) 凍融作用顯著影響黃土坡面的產(chǎn)流及產(chǎn)沙過(guò)程。相對(duì)于對(duì)照坡面,雨強(qiáng)的增加會(huì)顯著減小初始產(chǎn)流時(shí)間,而初始解凍深度則相反,且凍融坡面產(chǎn)沙量顯著增加了10～24倍;凍融坡面的產(chǎn)流過(guò)程及產(chǎn)沙過(guò)程都可以分為增長(zhǎng)階段和穩(wěn)定階段,且兩個(gè)階段的臨界值都會(huì)隨著雨強(qiáng)的增大而減小;相對(duì)于產(chǎn)沙過(guò)程,初始解凍深度與產(chǎn)流過(guò)程的相關(guān)性較低,但初始解凍深度越大,雨強(qiáng)對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響越顯著。

2) 在相同雨強(qiáng)下,凍融坡面水沙關(guān)系曲線分為緩慢增長(zhǎng)期和急速增長(zhǎng)期兩個(gè)階段。第一個(gè)階段,不同初始解凍深度的關(guān)系曲線重合且增長(zhǎng)較慢,第二個(gè)階段曲線斜率迅速增大,且等雨強(qiáng)下不同初始解凍深度的水沙關(guān)系曲線具有很好的一致性。解凍深度越大,產(chǎn)沙量增加的速率越快,且雨強(qiáng)在0.9 mm/min時(shí)產(chǎn)沙量增加的速率最快。

3) 坡面產(chǎn)沙量與降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)和初始解凍深度均呈極顯著相關(guān)(p<0.01),坡面產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)和產(chǎn)沙量均呈極顯著相關(guān)(p<0.01),而與初始解凍深度沒(méi)有表現(xiàn)出相關(guān)性(p>0.01),說(shuō)明初始解凍深度對(duì)坡面產(chǎn)流的影響不顯著,而與坡面產(chǎn)沙量的關(guān)系密切。