趙 滿,王文龍,郭明明,康宏亮,楊 波,王文鑫,陳卓鑫
不同礫石含量塿土堆積體坡面侵蝕特征研究*
趙 滿1,王文龍1,2?,郭明明1,康宏亮1,楊 波1,王文鑫1,陳卓鑫1
(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌,712100;2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊凌,712100)
為明確礫石含量對(duì)關(guān)中塿土堆積體坡面徑流和侵蝕特性的影響,采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)方法,以土質(zhì)坡面為對(duì)照,研究了10%、20%、30%三種礫石含量堆積體坡面的侵蝕特征。結(jié)果表明:(1)1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,10%礫石含量時(shí)初始產(chǎn)流時(shí)間最大,雨強(qiáng)>1.0 mm·min–1時(shí),各坡面初始產(chǎn)流時(shí)間在10%礫石含量時(shí)最??;(2)各礫石含量坡面平均流速均隨雨強(qiáng)增大而增大,1.0和2.5 mm·min–1雨強(qiáng)條件下10%礫石含量坡面流速最大,而1.5和2.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,含礫石坡面流速較土質(zhì)坡面分別減少15.3%~21.2%和13.6%~14.1%;(3)不同雨強(qiáng)條件下各含礫石坡面含沙量在產(chǎn)流前期(0~6 min)急劇下降;產(chǎn)流6 min后,含沙量在1.0、1.5 mm·min–1雨強(qiáng)下逐漸趨于穩(wěn)定,在2.0、2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下呈多峰多谷的變化,該時(shí)期礫石主導(dǎo)產(chǎn)沙過(guò)程;(4)次降雨侵蝕量隨雨強(qiáng)增大呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系;而隨雨強(qiáng)的增大各礫石坡面侵蝕量較土質(zhì)坡面分別減少22.4%~42.6%、8.2%~66.3%、2.2%~56.5%和45.0%~68.3%。該研究可為關(guān)中地區(qū)堆積體坡面水蝕模型的建立提供理論依據(jù)。
降雨強(qiáng)度;礫石含量;徑流產(chǎn)沙;塿土
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,大批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目相繼建成并投入使用,爆破、開(kāi)挖等人為活動(dòng)對(duì)地表及地下巖土層擾動(dòng)強(qiáng)烈,并形成了大量土石堆積體[1],這種人造地貌單元的侵蝕模數(shù)可達(dá)原地貌的70倍~800倍,并伴有面蝕、溝蝕、重力侵蝕等多種土壤侵蝕形式[2],嚴(yán)重影響到區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè),因此開(kāi)展工程堆積體坡面土壤侵蝕研究迫在眉睫。
工程堆積體物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、黏聚力差,受暴雨沖刷極易產(chǎn)生水土流失[3]。礫石(粒徑>2 mm)在堆積體中極為常見(jiàn),與土壤顆粒相比,礫石密度較大、透水性差,并且其表面結(jié)構(gòu)與土壤顆粒具有很大區(qū)別,與土壤混合后會(huì)使土壤的結(jié)構(gòu)、物理特性等發(fā)生一系列變化,無(wú)論是礫石的形狀、粒徑,還是混入土體后的空間分布、整體含量,均會(huì)影響到坡面水沙過(guò)程。Chow和Rees[4]認(rèn)為礫石粒徑的增加會(huì)降低土壤侵蝕速率,而王雪松等[5]發(fā)現(xiàn),小礫石(2 cm≤D≤3 cm)較大礫石(6 cm≤D≤10 cm)更易促進(jìn)坡面產(chǎn)流,但二者的侵蝕特征(侵蝕速率和含沙量)差異并不明顯;分布于土體表層的礫石能夠減少承雨面積,減小徑流沖刷[6],進(jìn)而抑制侵蝕,而土體內(nèi)部礫石卻可以通過(guò)增大土壤孔隙度,促進(jìn)入滲使土體易飽和,造成土壤抗蝕性下降[7]。礫石含量作為反映堆積體物質(zhì)組成的重要指標(biāo),對(duì)侵蝕特征的影響尤為突出,學(xué)者們對(duì)此也進(jìn)行了較多探索:吳冰等[8]研究表明,總產(chǎn)沙量與礫石含量(10%、20%、30%和40%)呈正相關(guān),但在產(chǎn)流期間礫石對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的促進(jìn)和抑制效應(yīng)均有出現(xiàn);李建明等[9]發(fā)現(xiàn)含礫石坡面(10%、20%、30%)的平均侵蝕量均要小于土質(zhì)坡面(礫石含量為0),礫石含量的增加可以有效減少侵蝕,這與Rieke-Zapp等[10](礫石含量5%、10%、20%、40%)研究結(jié)論相似;更有學(xué)者探索了66%和80%兩種高礫石含量坡面的侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程,發(fā)現(xiàn)前者侵蝕發(fā)生的臨界雨強(qiáng)為1.5 mm·min–1,而無(wú)論雨強(qiáng)如何變化后者始終未產(chǎn)流產(chǎn)沙[11]。綜上,學(xué)者們的研究多集中反映礫石特性(形狀、粒徑和含量等)對(duì)堆積體坡面侵蝕特征的影響,除礫石外,土壤也是堆積體的重要組成物質(zhì),同時(shí)也是水力侵蝕過(guò)程中的主要受體,土壤類型的不同同樣會(huì)導(dǎo)致侵蝕規(guī)律呈現(xiàn)較大差異,但目前關(guān)于土壤類型的研究多集中于黃土高原區(qū)(黃綿土[12-13])、北方土石山區(qū)(褐土[14-15])、和南方山地丘陵區(qū)(紅壤[16]和紫色土[17]),塿土作為一種在關(guān)中平原地區(qū)廣泛分布的土壤,它是由長(zhǎng)期耕作施肥,在原始土層上部堆積形成的[18],是一種明顯區(qū)別于黃綿土、紅壤等的人為土壤類型[19],并且與該區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)。而在該區(qū)各種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中,對(duì)地表的開(kāi)挖、堆墊會(huì)形成較多以塿土為基本土壤類型的工程堆積體,降雨過(guò)程中其坡面侵蝕特征是否區(qū)別于其他類型土壤,尤其是混入礫石后其侵蝕過(guò)程如何發(fā)生發(fā)展,需要進(jìn)一步明確。
鑒于此,本研究以關(guān)中塿土工程堆積體為研究對(duì)象,充分結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果,采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)的方法,研究了0、10%、20%、30%四種礫石含量塿土堆積體坡面的徑流特性和侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)塿土堆積體坡面水土流失過(guò)程的模擬,其研究結(jié)果能為該區(qū)工程堆積體坡面水土流失量估算模型的建立提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于陜西省楊陵區(qū),地處關(guān)中平原中部(34°14′~34°20′N 、107°59′~108°08′E),南側(cè)為秦嶺山脈,北側(cè)為橫貫陜西中部的黃土高原,渭河自西向東流經(jīng)該區(qū)南部。距西安市85 km,總面積135 km2,是我國(guó)第一個(gè)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)。該區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū),年降水量為635.1~663.9 mm,集中在每年7—9月,年均氣溫12.9℃,無(wú)霜期211 d,年均日照時(shí)數(shù)2 164 h。該區(qū)海拔435~563 m,地勢(shì)南低北高,土壤類型主要為塿土,占土地總面積的71.70%,其次為黃綿土,占總面積的10.80%;耕地面積為4.92×103hm2,植被類型以人工繁育的農(nóng)作物和果樹等為主,生態(tài)環(huán)境良好。
試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)關(guān)中地區(qū)共計(jì)60余處生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目堆積體進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,測(cè)量并統(tǒng)計(jì)坡度、坡長(zhǎng)、坡面物質(zhì)組成等指標(biāo),在分析調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上將野外堆積體下墊面進(jìn)行室內(nèi)概化處理。調(diào)查結(jié)果顯示,2~8 m坡長(zhǎng)占樣本總數(shù)的79.4%以上,25°~40°坡度占樣本數(shù)的88.80%,所以設(shè)計(jì)試驗(yàn)坡長(zhǎng)為5 m,坡度定為25°。粒徑D<10 mm的礫石和巖屑在上、中、下坡位的質(zhì)量含量變化較小且無(wú)明顯規(guī)律,可認(rèn)為該坡面組成物質(zhì)不受坡位影響,粒徑D>10 mm的礫石與坡面土體重力分選作用明顯,不同坡位礫石質(zhì)量含量<40%的堆積體占樣本數(shù)的90%以上,故試驗(yàn)土石混合體的礫石質(zhì)量含量分為10%、20%、30%三個(gè)等級(jí),并設(shè)置礫石含量為0的土質(zhì)作為對(duì)照。
試驗(yàn)采用礫石為關(guān)中地區(qū)破口石,經(jīng)機(jī)械粉碎分選后獲得;以野外調(diào)查侵蝕產(chǎn)沙發(fā)生過(guò)程中能夠被搬運(yùn)的礫石粒徑為依據(jù),確定試驗(yàn)礫石粒徑范圍為D<50 mm,同時(shí)按照野外測(cè)定堆積體中不同礫石粒徑范圍所占質(zhì)量比例,將其分為D<14 mm、14 mm≤D<25 mm、25 mm≤D<50 mm三個(gè)級(jí)別,按照質(zhì)量比3︰5︰2進(jìn)行配置。試驗(yàn)用土取自楊凌周邊農(nóng)地0~2 m層次土壤,土壤類型為塿土,質(zhì)地為黏壤土(國(guó)際制);裝填前,過(guò)6 mm篩以去除根系等雜物,控制其含水量在10%左右;土壤顆粒組成及有機(jī)質(zhì)含量見(jiàn)表1。土體與礫石需人工攪拌3~4次,保證混合均勻。
試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳的下噴區(qū)域進(jìn)行,可控雨強(qiáng)變化范圍為0.5~5.8 mm·min–1,有效降雨面積為27 m×18 m,有效降雨高度為18 m,能夠滿足雨滴下降時(shí)達(dá)到終點(diǎn)速度,降雨均勻度高于80%。根據(jù)研究區(qū)多年降雨資料,選取夏秋時(shí)節(jié)發(fā)生暴雨時(shí)頻率較高的最大30 min雨強(qiáng)作為本試驗(yàn)雨強(qiáng)的設(shè)計(jì)依據(jù),經(jīng)取整后最終將雨強(qiáng)定為1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min–1;同時(shí)根據(jù)研究區(qū)暴雨歷時(shí)較短的特點(diǎn),設(shè)計(jì)總產(chǎn)流時(shí)間為 45 min;試驗(yàn)場(chǎng)次共計(jì) 16 場(chǎng)。試驗(yàn)所用徑流小區(qū)為5 m(長(zhǎng))×1 m(寬)×0.6 m(深)的移動(dòng)式液壓升降土槽,為模擬野外條件下降雨入滲過(guò)程,土槽底部設(shè)有滲漏孔,并墊有5 cm厚細(xì)沙層,沙層表面鋪設(shè)紗布。土石混合體進(jìn)行人工分層裝填,共分為下(20 cm)、中(15 cm)、上(10 cm)三層,下、中層土體容重控制在1.3~1.57 g·cm–3,上層土體表面平整,容重控制在1.18±0.10g·cm–3。土石體容重及含水率如表2所示。
試驗(yàn)開(kāi)始前先將鋼槽緩緩升至試驗(yàn)坡度,用塑料布遮蓋,然后打開(kāi)降雨器,在試驗(yàn)場(chǎng)地四周放置雨量筒,采用“梅花樁”法進(jìn)行多次雨強(qiáng)率定,保證試驗(yàn)雨強(qiáng)與設(shè)計(jì)雨強(qiáng)的誤差不高于5%。待雨強(qiáng)率定合格后,迅速揭開(kāi)塑料布,用精度為0.01 s的秒表開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)坡面有明顯股流出現(xiàn)且流出集流槽時(shí),記錄產(chǎn)流時(shí)間;用量筒在集流槽口處收集泥沙樣品,同時(shí)用秒表記錄接樣時(shí)間。產(chǎn)流前3 min每隔1 min取1次泥沙樣,產(chǎn)流3 min后每隔3 min取樣一次。在距離坡頂1.5 m、3.5 m處設(shè)置兩個(gè)測(cè)流斷面,用高錳酸鉀染色法測(cè)量流速,用精度為0.01 cm鋼尺測(cè)量流寬,用精度為0.01 g的電子秤稱量所接泥沙樣品質(zhì)量,樣品在105℃烘箱中烘干后再稱量泥沙干重。
2.1.1 初始產(chǎn)流時(shí)間 圖1為初始產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量和雨強(qiáng)的變化。各礫石含量坡面初始產(chǎn)流時(shí)間均隨雨強(qiáng)增大而減小,變化范圍分別為105~364 s、94~387 s、109~267 s和135~328 s,且回歸分析表明,各礫石含量坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與雨強(qiáng)均呈顯著冪函數(shù)關(guān)系(2=0.832~0.999,<0.05)。1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,隨礫石含量增加,初始產(chǎn)流時(shí)間呈增加—減少—增加趨勢(shì),在10%礫石含量時(shí)最大(387 s),小雨強(qiáng)下礫石含量對(duì)堆積體坡面產(chǎn)流快慢的影響較為明顯;在1.5、2.0、2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,初始產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量增加整體呈減少—增加趨勢(shì),均在10%礫石含量時(shí)最小,分別為123 s、132 s、94 s。
圖1 初始產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量和雨強(qiáng)的變化
為進(jìn)一步明確雨強(qiáng)和礫石含量對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響,逐步回歸分析初始產(chǎn)流時(shí)間與礫石含量和雨強(qiáng)的關(guān)系,結(jié)果表明初始產(chǎn)流時(shí)間與二者呈極顯著線性函數(shù)關(guān)系。
式中,為初始產(chǎn)流時(shí)間,s;為雨強(qiáng),mm·min–1;為礫石含量,%。
2.1.2 流速 圖2為堆積體坡面流速隨產(chǎn)流歷時(shí)變化。雨強(qiáng)為1.0 mm·min–1時(shí),土質(zhì)坡面流速變化范圍為0.02~0.09 m·s–1,含礫石坡面為0.03~0.09 m·s–1,礫石含量對(duì)流速的影響較小。1.5、2.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)坡面流速呈增大—逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì),變化范圍分別為0.06~0.10 m·s–1、0.08~0.19 m·s–1,產(chǎn)流過(guò)程中分別出現(xiàn)6次、5次波動(dòng),變異系數(shù)CV分別為14%、12%;含礫石坡面波動(dòng)范圍為0.05~0.12 m·s–1、0.05~0.10 m·s–1,波動(dòng)次數(shù)僅為1~3次,其流速的變化范圍和波動(dòng)性較土質(zhì)坡面有明顯減小。2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,產(chǎn)流30 min后,土質(zhì)坡面流速穩(wěn)定在0.10 m·s–1,而30%礫石含量坡面呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。對(duì)平均流速的分析表明(圖3):隨雨強(qiáng)增大,各坡面平均流速整體呈增大趨勢(shì);1.0、2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,平均流速在10%礫石含量時(shí)最大,分別為0.07 m·s–1、0.10 m·s–1;1.5、2.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)坡面平均流速最大,分別為0.092m·s–1、0.099 m·s–1,含礫石坡面平均流速較土質(zhì)坡面的減幅分別為15.3%~21.2%、13.6%~14.1%。
圖2 不同礫石含量和雨強(qiáng)條件下流速隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化
圖3 平均流速隨雨強(qiáng)和礫石含量的變化
為明確雨強(qiáng)和礫石含量對(duì)流速的影響,逐步回歸分析流速和礫石含量與雨強(qiáng)的關(guān)系,結(jié)果表明流速與二者呈顯著線性函數(shù)關(guān)系。
式中,為流速,m·s–1;為雨強(qiáng),mm·min–1;為礫石含量,%。
2.2.1 含沙量 圖4為不同處理坡面含沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化。由圖可知,各坡面含沙量在產(chǎn)流0~6 min均呈急劇下降趨勢(shì)。1.0、1.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)坡面含沙量在0~6 min內(nèi)減幅分別為70 g·L–1、171 g·L–1,遠(yuǎn)高于含礫石坡面(35~40 g·L–1、96~118 g·L–1);土質(zhì)坡面產(chǎn)流6~45 min內(nèi)含沙量變化范圍為12~31 g·L–1、24~40 g·L–1,含礫石坡面為8~34 g·L–1、10~42 g·L–1,產(chǎn)流中后期各坡面含沙量變化范圍較小且穩(wěn)定。雨強(qiáng)為2.0、2.5 mm·min–1時(shí),各礫石含量坡面含沙量在產(chǎn)流6~45 min均呈多峰多谷式波動(dòng)變化,其中土質(zhì)坡面在2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,產(chǎn)流后期含沙量急劇增加,增幅達(dá)292 g·L–1,并與產(chǎn)流歷時(shí)呈極顯著線性函數(shù)關(guān)系(2=0.879,<0.01)。
表3為不同雨強(qiáng)下各坡面產(chǎn)流0~6 min(急劇減少階段)和6~45 min(波動(dòng)或穩(wěn)定階段)兩個(gè)時(shí)段的含沙量均值。1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)坡面在0~6 min內(nèi)平均含沙量最高(74.34 g·L–1),各坡面含沙量從大到小依次為礫石含量0>10%>20%>30%;產(chǎn)流6~45 min,含礫石坡面的平均含沙量較土質(zhì)坡面的減幅范圍為0~36.4%。1.5、2.0、2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,產(chǎn)流6~45 min內(nèi)土質(zhì)坡面平均含沙量均最大,分別為42.25 g·L–1、71.34 g·L–1、192.34 g·L–1,含礫石坡面較土質(zhì)坡面的減幅范圍分別為13.9%~66.5%、7.3%~46.1%、45.6%~60.2%。為進(jìn)一步明確礫石含量和雨強(qiáng)對(duì)含沙量的影響,將0~6 min和6~45 min兩階段含沙量分別與雨強(qiáng)和礫石含量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流6~45 min的平均含沙量與礫石含量呈極顯著相關(guān)(<0.01),而與雨強(qiáng)相關(guān)性較差,可見(jiàn)在中后期的產(chǎn)沙過(guò)程中,礫石占據(jù)主導(dǎo)地位。
圖4 不同礫石含量和雨強(qiáng)條件下含沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化
表3 各雨強(qiáng)下不同處理坡面0~6 min和6~45 min兩時(shí)段含沙量均值
注:a、b分別表示0~6 min、6~45 min兩時(shí)段的含沙量均值,g·L–1。Note:aandbrepresents mean sediment concentration in runoff during the 0~6 min and 6~45 min time period,respectively,g·L–1.
2.2.2 次降雨侵蝕量 圖5為次降雨侵蝕量隨礫石含量和雨強(qiáng)的變化。就雨強(qiáng)對(duì)侵蝕的影響而言,各礫石含量坡面次降雨侵蝕量均隨雨強(qiáng)增大而增大;1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,0~30%各礫石含量坡面侵蝕量為四種雨強(qiáng)下最小,分別為5.58 kg、4.43 kg、3.39 kg和3.21 kg,而當(dāng)雨強(qiáng)增大至1.5、2.0、2.5 mm·min–1時(shí),其侵蝕量較1.0 mm·min–1雨強(qiáng)分別增大了0.62倍~1.77倍、5.16倍~9.24倍、10.65倍~20.11倍;雨強(qiáng)的增大對(duì)各坡面侵蝕均有促進(jìn)作用,且以對(duì)土質(zhì)坡面的促進(jìn)效應(yīng)最為明顯;回歸分析表明次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)呈顯著冪函數(shù)關(guān)(2=0.935~0.988,<0.05)。就礫石對(duì)侵蝕的影響而言,1.0~2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)坡面侵蝕量最大,分別為5.58 kg、15.47 kg、45.41 kg、117.9 kg,各雨強(qiáng)下侵蝕量從大到小依次為礫石含量0>10%>20%>30%,含礫石坡面侵蝕量較土質(zhì)坡面的減幅分別為22.4%~42.6%、8.2%~66.3%、2.2%~56.5%、45.0%~68.3%,礫石的存在有效減少了侵蝕的發(fā)生。
為進(jìn)一步明確礫石含量和雨強(qiáng)對(duì)次降雨侵蝕量的影響,對(duì)次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)()、礫石含量特征值(,=1-)、雨強(qiáng)與礫石含量特征值的乘積()分別進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,結(jié)果表明,次降雨侵蝕量與組合因子項(xiàng)()的關(guān)系最為密切,相關(guān)系數(shù)為0.881(<0.01),并與雨強(qiáng)()和礫石含量特征值()均呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.816和0.869(<0.01),說(shuō)明雨強(qiáng)和礫石含量對(duì)侵蝕量均具有顯著影響。對(duì)次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)、礫石含量進(jìn)行逐步回歸分析,表明次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)和礫石含量呈顯著線性函數(shù)關(guān)系。
圖5 次降雨侵蝕量隨礫石含量、雨強(qiáng)的變化
式中,a為次降雨侵蝕量,kg;為雨強(qiáng),mm·min–1;為礫石含量,%。
雨強(qiáng)和下墊面特征是工程堆積體坡面初始產(chǎn)流時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱T0)的主要影響因素。1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,T0表現(xiàn)為土質(zhì)大于20%、30%礫石含量,且在10%礫石含量時(shí)最大;這與部分學(xué)者對(duì)含礫石黃綿土[20]、風(fēng)沙土[21]的研究結(jié)果相似;礫石破壞了土壤結(jié)構(gòu),使土壤大孔隙增多、促進(jìn)入滲,同時(shí)礫石也會(huì)因其不透水性,延長(zhǎng)水分下滲路徑,從而削弱入滲,二者相互影響,導(dǎo)致“臨界值”出現(xiàn)。塿土堆積體坡面T0變化范圍為1.5 min~6 min,而王雪松等[22]卻發(fā)現(xiàn)紅壤堆積體T0為2.5 min~18 min,且四種雨強(qiáng)下的T0均高于塿土;紅壤屬于重壤質(zhì)土,有機(jī)質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)性差,礫石破壞了原土壤中小孔隙的連續(xù)性[23],并形成較多大孔隙,抑制了表層結(jié)皮的形成,導(dǎo)致入滲量增多,產(chǎn)流歷時(shí)被延長(zhǎng);而塿土作為一種由長(zhǎng)期施肥、耕作形成的“人為土”,其有機(jī)質(zhì)含量較高,并且具有較好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),受雨滴濺蝕影響易形成結(jié)皮,所以產(chǎn)流時(shí)間較短。1.5~2.5 mm·min–1三種雨強(qiáng)下,含礫石坡面T0隨礫石含量增加逐漸增大,礫石延緩了坡面徑流的出現(xiàn),這與唐盛強(qiáng)和佘冬立的[24]研究結(jié)果相似,主要是由于較高的礫石含量增大了堆積體土體大孔隙比例,提高了降雨入滲能力,從而導(dǎo)致產(chǎn)流時(shí)間延長(zhǎng),甚至當(dāng)?shù)[石含量增大至80%時(shí),堆積體坡面不會(huì)有產(chǎn)流出現(xiàn)[11]。
1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,各坡面的平均流速均較小且接近,這與吳冰等[8]研究結(jié)果相似,侵蝕溝出現(xiàn)前,坡面薄層水流的徑流深和徑流強(qiáng)度均較小,流速受礫石的影響較小[25]。1.5、2.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)坡面的平均流速和波動(dòng)性均大于含礫石坡面;礫石增加了坡面糙度,降低了水流動(dòng)能[10],同時(shí)水流被礫石約束形成“網(wǎng)狀流”(徑流深增加、徑流路徑延長(zhǎng))[26],并且礫石含量的繼續(xù)增加(達(dá)到40%以上)會(huì)使流速進(jìn)一步下降[24]。2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,產(chǎn)流20 min后30%礫石含量坡面流速呈下降趨勢(shì);究其原因,可能是因?yàn)槎逊e體質(zhì)地分布不均勻,坡面細(xì)顆粒大量流失后,礫石之間出現(xiàn)較多縫隙,部分坡面流順裂縫或孔隙進(jìn)入堆積體內(nèi)部形成“潛流”,減小了坡面流量,導(dǎo)致流速下降??v觀當(dāng)前諸多研究,由于受試驗(yàn)條件的限制,學(xué)者們主要集中于探討堆積體表層的侵蝕規(guī)律,但堆積體作為一種立體結(jié)構(gòu),這種“內(nèi)部潛流”是否會(huì)導(dǎo)致“地下水土流失”現(xiàn)象出現(xiàn),以及其內(nèi)部侵蝕規(guī)律如何,筆者認(rèn)為今后研究中可以加強(qiáng)這方面的探討。
2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,塿土坡面在產(chǎn)流中后期含沙量迅速增加,其侵蝕特征與風(fēng)沙土[27]較為相似,但后者單位時(shí)間內(nèi)含沙量增幅更大(塿土為7.5 g·L–1·min–1,風(fēng)沙土為25 g·L–1·min–1);土壤黏粒含量會(huì)影響土粒之間的膠結(jié)力,團(tuán)粒性質(zhì)較好的土壤抵抗濺蝕、徑流沖刷的能力較強(qiáng)[28],本試驗(yàn)所用塿土黏粒含量較高(23%,表1),并且在長(zhǎng)期耕作的影響下,其土壤整體團(tuán)粒性質(zhì)較好,而風(fēng)沙土[27]粗顆粒多(黏粒含量?jī)H為5.9%)且團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較差,所以后者侵蝕更為劇烈。含沙量整體呈減少—穩(wěn)定—波動(dòng)的變化趨勢(shì),其變化歷程與風(fēng)沙土[27]和黃綿土[29]的較為相似,但要明顯區(qū)別于紫色土[17](增加—減小—穩(wěn)定),這與紫色土質(zhì)地細(xì)密、孔隙度小,易形成結(jié)皮有關(guān)。0~6 min各坡面含沙量均較高且呈急劇下降趨勢(shì),這是因?yàn)楫a(chǎn)流前期坡面細(xì)顆粒含量較高且侵蝕形式以濺蝕和面蝕為主,極易形成含沙量較高的渾濁泥流[30];6~45 min的產(chǎn)沙過(guò)程中,礫石對(duì)產(chǎn)沙的影響占據(jù)主導(dǎo)地位;產(chǎn)流中后期,坡面侵蝕溝開(kāi)始出現(xiàn),對(duì)于含礫石坡面而言,由于水流只會(huì)選擇阻力較小路徑并對(duì)坡面薄弱處進(jìn)行侵蝕[31],密度較大的礫石難以被搬運(yùn)就會(huì)在坡面不斷積累,在阻礙徑流流動(dòng),降低水流攜沙能力的同時(shí),形成一定面積的礫石覆蓋層[24],增強(qiáng)了對(duì)表層土體的保護(hù),有效抑制了侵蝕的發(fā)生,所以含礫石坡面的含沙量較土質(zhì)坡面會(huì)大幅下降。試驗(yàn)過(guò)程中,坡面長(zhǎng)時(shí)間受徑流沖刷和浸泡,極易發(fā)生小規(guī)模滑塌;水流對(duì)溝壁、溝頭的掏蝕也會(huì)造成溝槽周邊土體失穩(wěn)崩塌,“崩滑體”中的泥沙經(jīng)徑流沖刷,溝槽內(nèi)含沙量急劇增加,當(dāng)崩塌泥沙被水流搬運(yùn)后,新的臨空面又會(huì)在其上部形成,下個(gè)周期的重力侵蝕又會(huì)開(kāi)始[32],使含沙量呈“多峰多谷”式波動(dòng)變化。
本研究表明,次降雨侵蝕量隨雨強(qiáng)的增大而增大,隨礫石含量增加而逐漸減小;這與景民曉等[13](礫石含量為10%、20%、30%)室內(nèi)模擬試驗(yàn)的結(jié)果一致,但也有研究發(fā)現(xiàn)礫石的存在(礫石含量<20%)可顯著提高土壤侵蝕量[33],主要是因?yàn)榍度胪馏w的礫石改變了土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其周圍土體易發(fā)生“渦旋侵蝕(vertex erosion)”所致;并且,礫石對(duì)侵蝕的影響存在“臨界效應(yīng)”,在礫石含量(蓋度)為20%~25%時(shí)侵蝕量會(huì)出現(xiàn)峰值[33]。本研究中,在1.0 mm·min–1較小雨強(qiáng)下,礫石主要通過(guò)保護(hù)坡面免受雨滴濺蝕,促進(jìn)水分入滲、削減地表徑流來(lái)減少侵蝕的發(fā)生;而在1.5~2.5 mm·min–1較大雨強(qiáng)下,隨著雨水沖刷和徑流搬運(yùn),坡面土體不斷流失后礫石大面積裸露,直接限制到侵蝕溝的形成和一系列發(fā)育過(guò)程(拓寬、下切、溯源)[21],而溝蝕作為坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要來(lái)源[34],溝道發(fā)育受到抑制必然會(huì)導(dǎo)致總侵蝕量的下降;此外,礫石含量的增大可視作坡面礫石蓋度的增加[15],大小不一的礫石、巖屑互相堆墊形成保護(hù)層,將降雨、徑流與坡面下方土體隔離開(kāi)來(lái),礫石含量越高,“armor效應(yīng)”[35]對(duì)侵蝕的弱化作用越明顯,所以20%、30%礫石含量坡面在2.0、2.5 mm·min–1較大雨強(qiáng)下,侵蝕量較土質(zhì)坡面會(huì)大幅減少。
本文采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)方法,研究了四種礫石含量(0、10%、20%、30%)堆積體坡面的徑流產(chǎn)沙特征,主要結(jié)論如下:1.0 mm·min–1雨強(qiáng)下,初始產(chǎn)流時(shí)間在10%礫石含量時(shí)最大,其余雨強(qiáng)下在10%礫石含量時(shí)最小。坡面流速整體上呈現(xiàn)出增大—逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì);雨強(qiáng)為1.0和2.5 mm·min–1時(shí),10%礫石含量坡面平均流速最大;雨強(qiáng)為1.5、2.0 mm·min–1時(shí),含礫石坡面流速變化范圍和波動(dòng)性均小于土質(zhì)坡面。0~6 min 各坡面含沙量均呈下降趨勢(shì);產(chǎn)流6~45 min,1.0、1.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,土質(zhì)和含礫石坡面含沙量均趨于穩(wěn)定,而在2.0、2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,則呈多峰多谷式波動(dòng)。次降雨侵蝕量隨雨強(qiáng)增加顯著增大;1.0~2.5 mm·min–1雨強(qiáng)下,含礫石坡面侵蝕量較土質(zhì)坡面減少了2.2%~68.3%。該研究可深入了解短時(shí)性暴雨條件下堆積體坡面的侵蝕過(guò)程和特征,為堆積體邊坡水土保持措施的布設(shè)提供合理依據(jù)。鑒于堆積體侵蝕過(guò)程的復(fù)雜性,日后的研究應(yīng)注重模擬試驗(yàn)的重復(fù),還需在試驗(yàn)的坡度、坡長(zhǎng)、礫石占比和分布等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究。
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Erosion of Slopes of Lou Soil Stacks Different in Gravel Content
ZHAO Man1, WANG Wenlong1, 2?, GUO Mingming1, KANG Hongliang1, YANG Bo1, WANG Wenxin1, CHEN Zhuoxin1
(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)
During the processes of production and construction in Guanzhong Region, a large number of stacks of Lou soil were formed. Gravel in the stack is an important factor affecting soil erosion on stack slopes in characteristic. Therefore, this study was designed to explore impacts of gravel concentration on runoff and sediment yielding processes on slopes of Lou soil stacks different in gravel content.In this paper, artificial rainfalls were simulated indoor, different in intensity (1.0 mm·min–1, 1.5 mm·min–1, 2.0 mm·min–1and 2.5 mm·min–1), to explore their effects on runoff and sediment yield on slopes of Lou soil stacks different in gravel content (0, 10%, 20% and 30%). The experiment had test plots set up, 5 m×1 m×0.6 m in area and 25° in slope gradient. The nozzles of the artificial rainfall simulator were 18 m high over the slopes, spraying water evenly(more than 80% in evenness). Rainfall intensity were calibrated before the start of each test to ensure that the deviation of the actual rainfall intensity in the test was kept less than 5% of the designed rain intensity for the test. During the test, flow velocity of the runoff on the slope was measured with the dyeing method, width of the flow with a steel ruler, duration of runoff and sediment collection recorded with a stopwatch, and quantity of the samples weighed on an electronic scale.Results show: (1) runoff lasted the longest on the Lou soil slope 10% in gravel content under rainfall 1.0 mm·min–1in intensity, and the shortest under rainfall lower than 1.0 mm·min–1in intensity; (2) mean flow velocity of runoff increased with rising rainfall intensity on all the gravel-containing slopes regardless of gravel content. The flow velocity on the slope 10% in gravel content was the highest under rainfalls 1.0 and 2.5 mm·min–1in intensity, and 15.3%-21.2% and 13.6%-14.1% lower than that on the slope under rainfall 1.5 and 2.0 mm·min–1in intensity, respectively; (3) sediment content in runoff dropped drastically during the initial period(0-6 min) of each rainfall, regardless of rainfall intensity on all the gravel-containing slopes, and 6 min later, it gradually leveled off under the rainfalls 1.0 and 1.5 mm·min–1in intensity, and fluctuated sharply under the rainfalls 2.0 and 2.5 mm·min–1in intensity. During this period gravels dominated the process of sediment yield; (4) the amount of erosion per rainfall event showed a significant power function relationship with rainfall intensity, and decreased by 22.4%-42.6%, 8.2%-66.3%, 2.2%-56.5% and 45.0%-68.3%, on the gravel containing slopes under rainfall 1.0 mm·min–1, 1.5 mm·min–1, 2.0 mm·min–1and 2.5 mm·min–1in intensity, respectively as compared with that on the pure soil slope.This study may serve as a theoretical basis for establishment of a model for research on water erosion on slopes of soil stacks in the Guanzhong Region.
Rainfall intensity; Gravel content; Runoff and sediment yield; Lou soil
S157.1
A
10.11766/trxb201905220129
趙滿,王文龍,郭明明,康宏亮,楊波,王文鑫,陳卓鑫. 不同礫石含量塿土堆積體坡面侵蝕特征研究[J]. 土壤學(xué)報(bào),2020,57(5):1166–1176.
ZHAO Man,WANG Wenlong,GUO Mingming,KANG Hongliang,YANG Bo,WANG Wenxin,CHEN Zhuoxin. Erosion of Slopes of Lou Soil Stacks Different in Gravel Content[J]. Acta Pedologica Sinica,2020,57(5):1166–1176.
* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0501604)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40771127,41761062)資助Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2016YFC0501604)and National Natural Science Foundation of China(Nos. 40771127,41761062)
,E-mail:wlwang@nwsuaf.edu.cn
趙 滿(1995—),男,河南南陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:1301254459@qq.com
2019–05–22;
2019–07–27;
優(yōu)先數(shù)字出版日期(www.cnki.net):2019–08–22
(責(zé)任編輯:檀滿枝)