趙 莼高照良李永紅孫貫芳婁永才楊樹云吳 彤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100)

近年來,中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)依然處于中高速增長的態(tài)勢,工程建設(shè)產(chǎn)生的棄土棄渣形成的大量工程堆積體,在連續(xù)降雨和徑流沖刷累積下極易發(fā)生水土流失災(zāi)害[1-3]。工程堆積體由平臺和陡坡兩部分組成,降雨條件下平臺匯集的徑流會對坡面造成嚴(yán)重的沖刷。目前,在上方來水對坡面土壤水分再分布的影響、降雨及上方來水條件下坡面的水文特性及徑流和侵蝕響應(yīng)等研究方面取得重要進展[4-5],促進了對堆積體坡面水文及侵蝕規(guī)律的認(rèn)識。然而,目前相關(guān)研究多在一次上方來水條件的背景下展開,連續(xù)降雨和沖刷的相關(guān)坡面的侵蝕研究鮮有報道[6-7]。實際上,在野外氣候環(huán)境條件下降雨特性復(fù)雜,高強度多頻次降雨和沖刷使野外堆積體土壤侵蝕具有反復(fù)性和連續(xù)性,原始坡面在經(jīng)歷一次上方來水匯流沖刷后面臨多次的匯流沖刷和剝蝕事件,即前期來水不僅填充堆積體土壤孔隙,使土體水分不斷飽,而且重塑堆積體下墊面侵蝕形態(tài),打通坡面產(chǎn)流和匯流路徑,還分散和搬運了坡面土壤顆粒物質(zhì),改變了坡體土壤粒徑分布特征,奠定了后期沖刷觸發(fā)滑坡和泥石流災(zāi)害的下墊面基礎(chǔ)。相關(guān)研究忽略了野外堆積體坡面侵蝕的連續(xù)和反復(fù)性,影響了堆積體侵蝕模型的預(yù)測精度,制約了上方來水條件下堆積體坡面侵蝕時空規(guī)律的認(rèn)識。因此,本文通過開展野外連續(xù)徑流沖刷試驗,模擬多次來水條件下工程堆積體侵蝕過程,探究工程堆積體在連續(xù)上方來水剝蝕事件下的坡面侵蝕響應(yīng),促進堆積體侵蝕時空變化規(guī)律的認(rèn)識,完善堆積體侵蝕機理,優(yōu)化工程擾動區(qū)域水土保持各項防護措施配置,為上方來水條件下工程建設(shè)區(qū)土壤侵蝕產(chǎn)沙模型的修正和水土流失量的精準(zhǔn)預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2021年9—10月在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所楊凌水土保持野外科學(xué)試驗站(107°59′36.10″E,34°19′24.83″N)進行。該試驗站位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)五泉鎮(zhèn)小韋河右岸黃土塬面上,地處渭河第三級階地,海拔在516～540 m,該區(qū)氣候類型屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年均降雨量635.1 mm,平均氣溫12.9℃,無霜期211 d,地帶性土壤為塿土。

1.2 試驗設(shè)計與觀測

小區(qū)覆土采自陜西楊凌的棄土堆積體,土石比超過9∶1,粒徑多＜1 mm,土樣經(jīng)自然風(fēng)干后過10 mm篩去除雜草、砂礫等大顆粒物質(zhì),通過分層碾壓的方式填入試驗小區(qū)。小區(qū)長20 m,寬5 m,通過鋁塑板分隔為長×寬為8 m×1 m的試驗小區(qū),鋁塑板高50 cm,埋入土內(nèi)35 cm。試驗材料的機械組成詳見表1。

表1 試驗土壤機械組成

根據(jù)黃土高原氣象資料[8]單場最大降雨強度為1.6 mm/min,其中侵蝕降雨標(biāo)準(zhǔn)為12 mm,設(shè)計對應(yīng)于8 m坡長時的單寬流量依次為8,12,16 L/min。每個相同放水流量下均開展3場連續(xù)徑流沖刷,每場間隔24 h。本試驗設(shè)計坡度為典型堆積體高陡邊坡28°,32°和36°,相同流量第1場沖刷結(jié)束后,用塑料薄膜將坡面覆蓋,24 h后打開塑料薄膜測定土壤含水量并進行下一場沖刷,重復(fù)以上步驟,直至完成3場沖刷。由于坡面細(xì)溝發(fā)育的隨機性,不便于連續(xù)觀測,所以在坡面整理時,使坡面整體呈現(xiàn)微凹型,確保坡面發(fā)育一條細(xì)溝。試驗前測定土壤容重和土壤初始含水量,分別選取3個觀測斷面0—20 cm土壤容重和含水率,土壤容重介于1.24～1.42 g/cm3,均值1.34 g/cm3,變異系數(shù)5.02%。

試驗放水裝置由蓄水桶、恒壓桶、穩(wěn)流槽、閥門、流量計等組成,為了保證出水量均勻,試驗采用恒壓放水。每場試驗時長為30 min,主要觀測指標(biāo)有徑流量、流速、溝寬、溝深和產(chǎn)沙量,小區(qū)下方急流槽出流后開始計算產(chǎn)流時間,產(chǎn)流后前3 min內(nèi)每隔1 min測定1次,3 min后每隔3 min測定1次,含沙量用1 000 ml的泥樣瓶收集泥沙樣品,用烘干法計算。對于流速和細(xì)溝發(fā)育指標(biāo)溝寬和溝深的觀測,在8 m長坡面距坡頂0.25～7.75 m處從上至下設(shè)置3個1.5 m長的觀測坡段,每個觀測坡段間隔1.5 m(距坡頂0.25,3.25,6.25 m處),分別表示坡上、坡中、坡下徑流流速和細(xì)溝形態(tài)特征,采用精度為1 mm的鋼尺測量細(xì)溝形態(tài)指標(biāo),流速乘以0.75作為斷面平均流速。

圖1 試驗小區(qū)示意圖及放水裝置

1.3 數(shù)據(jù)及處理

土壤剝蝕率Dr為坡面在水流沖刷下單位時間、單位面積上的產(chǎn)沙量,計算公式為:

式中:Dr為土壤剝蝕率〔kg/(m-2·s)〕;M為T時段內(nèi)的產(chǎn)沙量(kg);b為過水?dāng)嗝鎸挾?m);L為試驗小區(qū)坡長(m)。

本文運用SPSS 16.0和Excel 2013進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果及分析

2.1 連續(xù)上方來水條件下堆積體坡面產(chǎn)流歷時

產(chǎn)流歷時指從坡頂平臺出水至坡面形成匯流并從小區(qū)出口流出的時間,是下墊面差異性的綜合反映,對于相同坡度堆積體邊坡,徑流量和土壤含水量是造成產(chǎn)流歷時差異的因素。表2為不同流量和沖刷場次下32°坡面產(chǎn)流歷時T0和土壤初始含水率W變化。從表2可以看出,同一徑流量下第1場沖刷T0明顯大于后兩場,而第2場T0稍大于第3場,將第2,3場沖刷的產(chǎn)流歷時與第1場沖刷相對比,8,12和16 L/min放水流量下的產(chǎn)流歷時分別減少了38.10.12%～47.37%,24.8%～32.18%和26.96%～36.45%。第1場放水初期,W較小,為13.7%～14.6%,初期雨滴浸潤土壤,入滲率較大,產(chǎn)流歷時延長;第2場沖刷W為19.1%～21.1%,含水量顯著增大,導(dǎo)致土壤入滲能力降低,坡面產(chǎn)流歷時明顯縮短。第3場沖刷W為21.6%～22.8%,初始含水量略大于第2場,接近土壤飽和含水量,坡面產(chǎn)流歷時稍有縮短。將12和16 L/min放水流量與8 L/min相對比,隨場次的增加產(chǎn)流歷時分別增大了35.35%～55.77%,21.45%～47.81%和16.69%～46.59%。對于第1場沖刷來說,土壤含水量越低,導(dǎo)致入滲速率越慢,越不容易產(chǎn)生超滲產(chǎn)流。反之,土壤含水量越高,入滲速率加快,產(chǎn)流歷時不斷下降。

表2 不同流量連續(xù)徑流沖刷下坡面產(chǎn)流時間及初始土壤含水率

2.2 連續(xù)上方來水條件下堆積體坡面產(chǎn)流特征

不同場次產(chǎn)流特征:連續(xù)上方來水試驗各個階段的產(chǎn)流規(guī)律基本相似,在每一階段表現(xiàn)為先迅速增大隨后穩(wěn)定的變化過程。隨著沖刷場次的增加,產(chǎn)流率波動性增大,在不同流量和坡度條件下,各場次坡面產(chǎn)流率均值范圍在2.72～22.32 L/min之間,且均表現(xiàn)為:第3場＞第2場＞第1場。由圖2可知,在不同沖刷流量下,平均產(chǎn)流率隨場次的增加而增加;隨坡度的增加略有上升,雙因素方差分析結(jié)果顯示,沖刷場次對平均產(chǎn)流率有顯著影響(p＜0.05)。

圖2 不同放水流量和坡度下各場次產(chǎn)流率隨放水歷時的變化

由圖3可知,各個場次下徑流量隨沖刷強度的增加而增大,增速依次為:沖刷強度12 L/min＞沖刷強度16 L/min＞沖刷強度8 L/min。當(dāng)流量為8 L/min時,各個場次間增速較小,在0.4%～54.7%之間。平均值增速為24.5%;當(dāng)流量為12 L/min時,范圍在14.9%～86.5%之間,平均增速為54.8%;當(dāng)流量為16 L/min時,增幅在7.1%～57.3%之間,平均增速為31.5%。各場次下徑流量隨坡度的增加而增大,增速依次為:坡度36°＞坡度32°＞坡度28°時,當(dāng)坡度為28°時,各場次間徑流量增速較小,范圍在0.4%～57.3%之間,平均增速為33.43%;當(dāng)坡度為32°時,增幅在10.5%～86.5%之間,平均增速為34.3%;當(dāng)坡度為36°時,增幅在14.2%～78.1%之間,平均增速為43.2%?？傊?在不同坡度和沖刷強度條件下,徑流量隨場次的增加而增大,其總體特征為:第3場徑流量＞第2場徑流量＞第1場徑流量。其中,第3場徑流量增速大于第2場,平均增速分別為40.5%和33.4%。

圖3 不同放水流量和坡度下各沖刷場次的累積產(chǎn)流量

2.3 連續(xù)上方來水條件下堆積體坡面產(chǎn)沙特征

將各個坡度和流量的連續(xù)3場沖刷條件下坡面土壤剝蝕率變化過程點繪于圖4。

從圖4可知,不同流量和坡度條件下土壤剝蝕率隨時間的變化規(guī)律基本一致,第1場堆積體土壤剝蝕率呈“突變—波動減少—穩(wěn)定”的變化過程。第1場沖刷期間,坡面表層松散物質(zhì)豐富,為徑流沖刷提供了豐富的泥沙源,土壤剝蝕率增長快且波動性強,并在產(chǎn)流9～15 min后趨于穩(wěn)定。8～16 L/min流量下,第1場平均剝蝕率為:2.53～7.65 g/(m2·s),變異系數(shù)為:34.3%～41.2%,對于第2場和第3場,土壤剝蝕率呈現(xiàn)“緩慢增加—波動上升—穩(wěn)定”的變化趨勢,產(chǎn)流后剝蝕率在每場場初始時刻會出現(xiàn)谷值,并在隨后緩慢增加,在產(chǎn)流6 min后趨于穩(wěn)定。第2場平均土壤剝蝕為:1.76～5.42 g/(m2·s),變異系數(shù)為:23.2%～31.3%第3場平均土壤剝蝕率為:1.17～3.84 g/(m2·s),變異系數(shù)為:18.0%～26.1%。第2,3場沖刷下土壤剝蝕率屬于中等變異,第1場沖刷可達高度變異,最大波幅在1.44～6.07 g/(m2·s),波動大且持續(xù)時間長于第2,3場。第1場沖刷土壤剝蝕率大于第2,3場,剝蝕率最大可達第2,3場的1.49和2.16倍?？傮w來說,隨著流量的增大,峰谷出現(xiàn)的次數(shù)增加,波動性增強,剝蝕率增加。隨著沖刷場次的增加,峰谷出現(xiàn)的次數(shù)減少,波動性降低,平均剝蝕率減少。

圖4 不同放水流量和坡度下各場次土壤剝蝕率隨放水歷時的變化

由圖5可知,第1場上方來水階段,8～16 L/min沖刷流量下產(chǎn)沙量為13.79～138.4 kg。其中,28°坡面第1場沖刷產(chǎn)沙量為25.41～57.07 kg,32°坡面第1場產(chǎn)沙量為42.33～129.91 kg,36°坡面產(chǎn)沙量39.9～138.39 kg,第1場平均產(chǎn)沙量占比達42.9%。增大流量,坡面侵蝕產(chǎn)沙量呈增加趨勢,16 L/min流量下產(chǎn)沙量是8 L/min流量的3.04倍。第2,3場上方來水階段產(chǎn)沙量分別為23.13～93.60 kg和15.31～63.43 kg,各階段產(chǎn)沙量為:第1場＞第2場＞第3場,產(chǎn)沙量比例分別為31.74%～53.46%,29.03%～43.71%,17.42%～29.04%?？傮w上,3個流量下,第1場總產(chǎn)沙量為25.4～138.4 kg,第2場總產(chǎn)沙量較第1場減少37.7%～45.5%,第3場減少21.9%～67.4%。各場次總產(chǎn)沙量隨放水流量增大而增加,增幅分別為20.58%～204.88%,12.5%～154.53%。

圖5 不同放水流量和坡度下各場次累積產(chǎn)沙量的變化

2.4 連續(xù)上方來水條件下坡面流速和侵蝕形態(tài)空間變化特征

本研究選取平均溝深、最大溝深、平均溝寬、寬深比作為描述試驗結(jié)束后侵蝕溝形態(tài)空間特征的參數(shù)詳見表3。8～16 L/min流量時,隨沖刷場次平均溝深分別為0.61～3.99 cm,2.48～8.04 cm,4.71～12.90 cm。第2,3場沖刷的平均溝深分別增大了2.01～3.96倍和1.60～1.69倍。當(dāng)沖刷流量為8和12 L/min時,平均溝深、最大溝深沿邊坡從上至下呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,上坡段是侵蝕溝深最大的位置。當(dāng)沖刷流量為16 L/min時,不同坡段溝深在不同場次發(fā)展態(tài)勢不同,表現(xiàn)為沿邊坡從上至下逐步減少發(fā)展為先增大后減小。中坡段是侵蝕溝深最大的位置。隨沖刷場次平均溝寬分別為9.33～19.42,10.85～23.04,11.21～23.83 cm,平均溝寬沿徑流方向逐漸減小,在邊坡下部最小;隨沖刷場次的增加,中坡段和下坡段平均溝寬差異縮小?？傮w上,溝寬隨沖刷場次的增加而增加,流量變化對邊坡溝寬的影響無明顯規(guī)律。隨著流量和沖刷場次的增加,寬深比不斷減小,各場次平均寬深比分別為5.49～20.18,1.90～4.61,1.23～3.45。在本研究中,流量為8 L/min的第一場沖刷時,寬深比最大,平均值為11.33。當(dāng)流量為16 L/min的第3場沖刷時,寬深比最小,平均值為1.71。整體來說,隨著流量和沖刷場次的增大,細(xì)溝寬深比朝著趨于穩(wěn)定的方向發(fā)展。在任意流量段,平均流速與溝寬的變化無明顯規(guī)律,隨溝深的變化流速有響應(yīng)。當(dāng)流量為8和12 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化一致,均表現(xiàn)為:坡上＞坡下＞坡中。當(dāng)流量為16 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化仍一致,表現(xiàn)為:坡中＞坡下＞坡上。這說明流速與坡段上溝深的沿程發(fā)展變化有關(guān),而與具體坡段無關(guān)。

表3 各放水流量下不同場次坡面流速和侵蝕形態(tài)空間特征

3 討論

相同放水流量下,產(chǎn)流時間是坡面綜合效應(yīng)的反映,主要取決于土壤初始含水率[9]。連續(xù)徑流沖刷一方面由于沖刷間隔使表層土壤形成結(jié)皮阻礙入滲[10];另一方面,前期來水增加了坡面土壤初始含水量,重塑了第2,3場坡面入滲環(huán)境進而影響產(chǎn)流歷時。本研究表明第1場沖刷T0顯著大于后兩場,后兩場沖刷T0間差異較小,這與呂佼容[11]在連續(xù)降雨研究的產(chǎn)流時間得出的結(jié)論一致。與從坡面產(chǎn)流機制來看,產(chǎn)流主要取決于土壤本身的入滲條件[12],入滲過程主要受土壤初始含水率和土壤容重的影響[13]。一方面,前期沖刷增大了土壤深層含水量,從而限縮了徑流可入滲空間。另一方面,前期塑造了坡面侵蝕形態(tài),使第2,3場沖刷徑流按照原先的溝壑繼續(xù)進行下切侵蝕,部分坡段下切至犁底層,容重增大孔隙度降低,也使得入滲空間減少,加強了第2,3場沖刷徑流作用,加上間歇期形成的物理結(jié)皮可阻礙水分入滲,促進坡面產(chǎn)流,從而使得產(chǎn)流率在后期沖刷時呈現(xiàn)小幅增大后波動增大的趨勢。

本研究發(fā)現(xiàn),平均徑流率與坡度之間無顯著差異,這與康宏亮等[14]人研究沖刷條件下黃土丘陵區(qū)淺溝形態(tài)中的產(chǎn)流結(jié)果一致。而平均產(chǎn)流率與沖刷場次顯著相關(guān),產(chǎn)流率隨沖刷場次的增加而增加,這與呂佼容[11]研究降雨條件下不同礫石含量平均產(chǎn)流率的結(jié)果不同,這可能是因為徑流沖刷與降雨的產(chǎn)流特征不同引起的。初期產(chǎn)流率快速增加導(dǎo)致剝蝕率的快速上升。第1場徑流沖刷平均剝蝕率較第2場、第3場大。第2場和第3場沖刷土壤剝蝕率相對減小,這是因為第1場沖刷期間,坡面表層松散物質(zhì)豐富,為徑流沖刷提供了豐富的泥沙源,所以土壤剝蝕率在第1場較大,而2,3場坡面松散物質(zhì)基本在第1場被沖走,徑流開始剝蝕相對密實的土壤[15],本研究表明:連續(xù)徑流沖刷條件下隨場次的增加剝蝕率波動性減小。這與連續(xù)降雨條件下坡面產(chǎn)沙規(guī)律[16]大有不同,這是由于前期上方來水沖刷坡面,帶走表層大量松散物質(zhì),塑造了下墊面形態(tài)特征,使得后期上方來水徑流流路順延原先的溝壑繼續(xù)進行下切侵蝕,徑流下切深度增大,在部分坡段下切至犁底層,其土壤容重增大,孔隙率減小,從而導(dǎo)致下切速率降低,從而引起產(chǎn)沙不斷減少。而如果后期沖刷時徑流劇烈紊動發(fā)生股流改道合并,形成了新的流路,沒有按照原先的細(xì)溝流發(fā)育,削弱了第1場沖刷塑造地形的影響,便在2,3場出現(xiàn)產(chǎn)沙量的急劇增加和波動。

流速沿坡面向下方向并非呈直線關(guān)系增大或減小,而是表現(xiàn)出明顯波動性,這與夏衛(wèi)生等[17]和田培等[18]分別在放水沖刷和模擬降雨條件下觀測到流速沿坡面向下表現(xiàn)出的變化規(guī)律相同。就同一坡段而言,徑流流速隨流量增加變化較為復(fù)雜,規(guī)律性不明顯,這與速歡[19]的研究一致?？傮w來說,隨著沖刷場次的增加,坡面流速發(fā)展規(guī)律趨于復(fù)雜,這可能是因為前期沖刷重塑了堆積體坡面特征,使得伴隨流量和沖刷場次的增加,前期侵蝕造成的坡面下墊面特征分異顯著。同時,水流速度越大,對土壤的剝蝕能力越強,產(chǎn)沙率增高的同時消耗了徑流泥沙動能,抑制了坡面流速。流量越大,坡段越向下,流速特征越復(fù)雜,這是由于在坡面上部僅存在沖刷作用,而隨著流量和坡段向下,每一坡段的流速受到不同程度上方淤積作用的疊加影響,存在不同程度的淤積作用阻礙流速增加?？傮w來說,流速隨沖刷流量的增大而增加,波動性也增強。這與大多學(xué)者[15,20-21]對堆積體坡面侵蝕的研究結(jié)論相同。本研究表明,相同流量下,第2,3場沖刷坡面不同坡段的流速規(guī)律受前期侵蝕形態(tài)的影響,連續(xù)沖刷條件下不同場次間各坡段流速變化趨勢于具有一致性。這說明坡面前期來水所塑造的沿程侵蝕形態(tài)特征對坡面流速有直接影響。

4 結(jié)論

(1)各階段產(chǎn)流特征為:第3場＞第2場＞第1場,其中,第3場徑流量增速大于第2場,對比第1場平均增速分別為40.5%和33.4%。沖刷場次對平均產(chǎn)流率有顯著影響(p＜0.05)。

(2)第1場沖刷土壤剝蝕率大于第2,3場,剝蝕率最大可達第2,3場的1.49,2.16倍。產(chǎn)沙量隨沖刷流量的增加而增加,從8 L/min至12 L/min到16 L/min增幅分別為20.58%～204.88%,12.5%～154.53%。隨沖刷場次的增加而減少,各階段產(chǎn)沙量為:第1場＞第2場＞第3場,各場次產(chǎn)沙量所占比例分別為31.74%～53.46%,29.03%～43.71%、17.42%～29.04%。第2場、第3場分別減少-37.7%～45.5%和21.9%～67.4%。

(3)在任意流量段,平均流速與溝寬的變化無明顯規(guī)律,沿徑流方向流速與溝深變化一致,當(dāng)沖刷流量為8和12 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化一致,均表現(xiàn)為:坡上＞坡下＞坡中。當(dāng)流量為16 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化仍一致,表現(xiàn)為:坡中＞坡下＞坡上。這說明流速與坡段上溝深的沿程發(fā)展變化有關(guān),而與具體坡段無關(guān)。