宋 蘭， 張玉啟， 何丙輝， 曾榮昌， 李天陽(yáng)

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715)

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程是水力侵蝕機(jī)制研究中最主要的內(nèi)容之一，明確坡面尺度水沙輸移特性可為坡面土壤侵蝕防控措施的合理布置提供理論支撐。西南喀斯特槽谷區(qū)坡面由于碳酸鹽巖發(fā)育而存在著獨(dú)特的地上地下二元空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)，坡面地表巖層裸露且與坡面形成不同夾角，進(jìn)而塑造了喀斯特槽谷區(qū)坡面特殊的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。然而，關(guān)于喀斯特坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的特性的研究，目前主要集中在植被覆蓋、巖石裸露率和土地利用方式等對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響。楊青等研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特坡面植被覆蓋減少，徑流深和產(chǎn)沙量隨之減少；Dai等、Xia等研究發(fā)現(xiàn)，隨巖屑覆蓋增加，基巖裸露率增大，土壤入滲量增加，地表產(chǎn)流產(chǎn)沙波動(dòng)性減小，地下產(chǎn)流產(chǎn)沙波動(dòng)性增大；王涵等通過(guò)觀(guān)測(cè)徑流小區(qū)發(fā)現(xiàn)，植被類(lèi)型和土地利用方式均會(huì)影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙；Dai等、彭旭東等通過(guò)室內(nèi)降雨模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特坡面地下裂隙越發(fā)育，地下土壤漏失量越大。而目前對(duì)喀斯特槽谷區(qū)巖石與坡面夾角下的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律認(rèn)識(shí)尚不清楚，這使得利用現(xiàn)有土壤侵蝕模型不能精確預(yù)測(cè)侵蝕模數(shù)，同時(shí)也影響了坡面水土流失防治措施的效益評(píng)估。因此，本試驗(yàn)基于野外實(shí)地調(diào)查，室內(nèi)設(shè)置6個(gè)巖石與坡面夾角、3個(gè)坡度和3個(gè)流量組合條件，進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)，以闡明喀斯特槽谷區(qū)坡面不同巖石與坡面夾角下產(chǎn)流產(chǎn)沙特性，從而為該區(qū)坡面土壤侵蝕模型修正及水土流失防治措施布設(shè)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取重慶市北碚區(qū)雞公山0—30 cm的耕層土壤作為供試土樣(106°27′19″E，29°47′41″N)，土壤類(lèi)型為喀斯特槽谷區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育形成的石灰性土。所采集土樣容重為1.21 g/cm，土壤顆粒粒徑分布：2～0.02，0.02～0.002，<0.002 mm粒徑分別占20.68%，51.09%，28.23%。試驗(yàn)前將風(fēng)干的土壤過(guò)10 mm篩再填入沖刷土槽中，計(jì)算填土后按上層15 cm(容重1.2 g/cm)，下層5 cm(容重1.3 g/cm)分層填裝土壤于試驗(yàn)土槽內(nèi)。

1.2 供試土槽

本試驗(yàn)用土槽長(zhǎng)度為4.8 m，寬度為1.0 m，填土深度為0.2 m。土槽前端設(shè)置集流槽，用于收集在沖刷過(guò)程中產(chǎn)生的地表徑流泥沙樣。根據(jù)在酉陽(yáng)龍?zhí)恫酃葏^(qū)的野外調(diào)查，在模擬不同巖石與坡面夾角條件時(shí)，選擇9塊直徑均>25 cm的不規(guī)則碳酸鹽巖石塊隨機(jī)排列在試驗(yàn)所用的沖刷土槽中。經(jīng)過(guò)調(diào)試確保在每次變換巖石與坡面夾角時(shí)，巖石的裸露率保持在15%不變。

1.3 沖刷過(guò)程

室內(nèi)模擬放水沖刷試驗(yàn)于2019年9—11月在西南大學(xué)人工降雨大廳進(jìn)行。地下裂隙度為0，以模擬喀斯特槽谷區(qū)的地下裂隙仍未開(kāi)始發(fā)育的部分區(qū)域的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。巖石與坡面夾角設(shè)置為30°，60°，90°，120°，150°，180°(0)，其中夾角為30°，60°表示巖石傾向和坡向一致，120°，150°表示巖石傾向和坡向相反，90°表示巖石與坡面垂直，180°(0)表示巖石與坡面平行，同時(shí)作為對(duì)照組。按照喀斯特槽谷區(qū)的水文氣象及地形地貌數(shù)據(jù)，流量設(shè)置為5，7.5，10 L/min，坡度設(shè)置為10°，15°，20°。每場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)人工降雨使土壤完全飽和，按照巖石與坡面夾角、流量和坡度完全組合的方法開(kāi)始試驗(yàn)，每個(gè)組合重復(fù)2次。沖刷時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為18 min，在前6 min每隔1 min收集1次地表徑流泥沙樣，后12 min每隔1.5 min收集1次地表徑流泥沙樣。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)過(guò)程中，按照規(guī)定的間隔時(shí)間收集地表徑流泥沙樣，現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)取體積，攪勻后用體積為590 mL的取樣瓶收集徑流泥沙樣帶回室內(nèi)。將取樣瓶中的徑流泥沙樣靜置至上清液完全澄清，將上清液倒入量筒測(cè)量這部分水樣體積，稱(chēng)得取樣瓶與剩余泥沙的質(zhì)量之和。取100 mL燒杯，編號(hào)并稱(chēng)得其質(zhì)量，將取樣瓶中剩余泥沙搖勻后取大約40 mL于燒杯中，并稱(chēng)取其質(zhì)量，烘干后再稱(chēng)取其質(zhì)量，測(cè)得其含沙量、地表產(chǎn)流率和地表產(chǎn)沙率，空取樣瓶質(zhì)量為。

(1)地表產(chǎn)流率()計(jì)算公式為：

(1)

式中：為徑流泥沙樣體積(L)；為收集徑流泥沙樣的時(shí)間間隔(s)；為上清液體積(L)；為取樣瓶與剩余泥沙的質(zhì)量之和(kg)；為燒杯質(zhì)量(kg)；為燒杯與泥沙樣質(zhì)量之和(kg)；為燒杯與烘干泥沙質(zhì)量之和(kg)；為取樣瓶質(zhì)量(kg)。

(2)含沙量()計(jì)算公式為：

(2)

式中：為取樣瓶與剩余泥沙的質(zhì)量之和(kg)；為燒杯質(zhì)量(kg)；為燒杯與泥沙樣質(zhì)量之和(kg)；為燒杯與烘干泥沙質(zhì)量之和(kg)；為取樣瓶質(zhì)量(kg)。

(3)地表產(chǎn)沙率()計(jì)算公式為：

(3)

式中：為徑流泥沙樣體積(L)；為含沙量(kg/L)；為收集徑流泥沙樣的時(shí)間間隔(s)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差(ANOVA)對(duì)不同巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)流率、含沙量和地表產(chǎn)沙率進(jìn)行分析，各變量間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，再進(jìn)行回歸分析并對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，建立不同巖石與坡面夾角下的水沙關(guān)系。使用Microsoft Excel 2019和Origin 26.0軟件進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同巖石與坡面夾角下產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程變化

由圖1可知，在巖石與坡面夾角為30°，60°，90°，120°，150°，180°的條件下，各組的地表產(chǎn)流率變化范圍分別為0.082～0.135，0.049～0.174，0.065～0.173，0.058～0.184，0.079～0.153，0.050～0.140 L/s。在各個(gè)流量和坡度的組合下，不同巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)流率隨沖刷歷時(shí)均呈先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。比如，在10°坡面，5 L/min流量以及20°坡面、10 L/min流量條件下，第9 min較第1 min的地表產(chǎn)流率分別增加71.61%，47.53%，第18 min較第9 min的地表產(chǎn)流率分別增加5.04%，6.48%。沖刷前期的地表產(chǎn)流率在整個(gè)沖刷過(guò)程中較低，水流分散，產(chǎn)流滯后。隨著沖刷歷時(shí)延長(zhǎng)，溝道發(fā)育逐漸集中，地表產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定。

圖1 地表產(chǎn)流率隨沖刷歷時(shí)變化

由圖2可知，在巖石與坡面夾角為30°，60°，90°，120°，150°，180°條件下，各組的地表產(chǎn)沙率變化范圍分別為0.017～0.043，0.001～0.065，0.004～0.045，0.001～0.074，0.009～0.042，0.004～0.046 kg/s。流量和坡度較小時(shí)，各巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)沙率差異不明顯，隨著流量和坡度的增大，不同巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)沙率波動(dòng)性變大。各條件下的地表產(chǎn)沙率隨沖刷歷時(shí)均呈現(xiàn)波動(dòng)性減小的變化趨勢(shì)。在10°坡面，5 L/min流量以及20°坡面、10 L/min流量條件下，第9 min較第2 min的地表產(chǎn)沙率分別減少65.26%，77.74%，第18 min較第9 min的地表產(chǎn)沙率分別減少47.51%，72.41%。

2.2 不同巖石與坡面夾角下含沙量過(guò)程變化

由圖3可知，在巖石與坡面夾角為30°，60°，90°，120°，150°，180°的條件下，含沙量變化范圍分別為0.119～0.362，0.019～0.381，0.051～0.218，0.018～0.338，0.079～0.249，0.035～0.284 kg/L。流量和坡度較小時(shí)，各巖石與坡面夾角下的含沙量差異不明顯，隨著流量和坡度的增大，不同巖石與坡面夾角下的含沙量波動(dòng)變大。各試驗(yàn)條件下含沙量隨沖刷歷時(shí)的變化均為初始含沙量最高，而后隨沖刷歷時(shí)呈波動(dòng)性降低。在10°坡面，5 L/min流量以及20°坡面、10 L/min流量條件下，第9 min較第2 min的含沙量分別減少66.05%，69.35%，第18 min較第9 min的含沙量分別減少41.34%，65.89%。

圖2 地表產(chǎn)沙率隨沖刷歷時(shí)變化

2.3 不同巖石與坡面夾角對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙及含沙量的影響

在30°，60°，90°，120°，150°和180°的巖石與坡面夾角條件下，地表產(chǎn)流率的變化范圍為0.104～0.119 L/s，地表產(chǎn)沙率的變化范圍為0.020～0.034 kg/s，含沙量的變化范圍為0.144～0.237 kg/L。由圖4可知，在試驗(yàn)條件下，巖石與坡面夾角為60°時(shí)，地表產(chǎn)流率最高，但與其他巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)流率無(wú)顯著差異。巖石與坡面夾角為60°條件下的地表產(chǎn)沙率最高，且較巖石與坡面夾角為90°，150°和180°條件下的地表產(chǎn)沙率分別增加59.27%，61.11%，74.13%。巖石與坡面夾角為60°條件下的含沙量最高，且顯著高于巖石與坡面夾角為90°，150°，180°條件下的含沙量，分別增加60.42%，43.23%，64.42%。其次為巖石與坡面夾角為30°的條件下，顯著高于巖石與坡面夾角為90°和180°條件下的含沙量，分別增加52.29%，56.39%。

2.4 不同巖石與坡面夾角下水沙關(guān)系

由表1可知，試驗(yàn)條件下，巖石與坡面夾角與含沙量、地表產(chǎn)流率和地表產(chǎn)沙率均無(wú)顯著關(guān)系。流量分別與地表產(chǎn)流率和地表產(chǎn)沙率呈極顯著正相關(guān)。坡度與地表產(chǎn)流率呈顯著正相關(guān)，且分別與含沙量和地表產(chǎn)沙率呈極顯著正相關(guān)。此外，地表產(chǎn)流率與含沙量和地表產(chǎn)沙率之間均呈極顯著正相關(guān)。

分別對(duì)不同巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)流率和含沙量進(jìn)行回歸分析(圖5)。在巖石與坡面夾角為60°，90°，120°的條件下，地表產(chǎn)流率與含沙量呈冪函數(shù)正相關(guān)(<0.05)。在巖石與坡面夾角為30°，150°，180°的條件下，地表產(chǎn)流率與含沙量關(guān)系均不顯著。

分別對(duì)不同巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)流率和地表產(chǎn)沙率進(jìn)行回歸分析(圖6)。在巖石與坡面夾角為60°，90°，120°，150°，180°的條件下，地表產(chǎn)流率與地表產(chǎn)沙率呈線(xiàn)性正相關(guān)(<0.05)。在巖石與坡面夾角為30°的條件下，地表產(chǎn)流率與地表產(chǎn)沙率關(guān)系不顯著。整體對(duì)不同巖石與坡面夾角下的地表產(chǎn)流率和地表產(chǎn)沙率進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示地表產(chǎn)流率與地表產(chǎn)沙率呈線(xiàn)性正相關(guān)(<0.01)。

圖3 含沙量隨沖刷歷時(shí)變化

注：圖柱上方不同小寫(xiě)字母表示不同巖石與坡面夾角間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

在本研究中，地表產(chǎn)流率隨著沖刷時(shí)間的推移呈現(xiàn)先增加后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。這可能是由于徑流量的增長(zhǎng)過(guò)程伴隨著溝道不斷發(fā)育，前期水流以入滲為主，隨著入滲逐漸穩(wěn)定，溝道連通，前期溝道中滯留的水流也逐漸產(chǎn)出，地表產(chǎn)流逐漸增大。當(dāng)溝道發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定后，對(duì)徑流的匯集作用也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此地表產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定。與地表產(chǎn)流率不同，地表產(chǎn)沙率隨沖刷歷時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)性減小的變化趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殡S沖刷歷時(shí)而變化的產(chǎn)沙過(guò)程較產(chǎn)流變化更為復(fù)雜。沖刷初始，剝蝕能力較強(qiáng)的清水流會(huì)挾帶大量地表土壤顆粒沿坡面向下運(yùn)動(dòng)。隨著溝道中跌坎和壅水的產(chǎn)生，增大了溝道形態(tài)阻力，地表水流能量減小，侵蝕能力減小，并且溝道加深，下層的土壤相對(duì)緊實(shí)，可剝蝕量減少，使得地表產(chǎn)沙隨沖刷歷時(shí)減小。

含沙量隨沖刷歷時(shí)呈現(xiàn)波動(dòng)性減小的趨勢(shì)，波動(dòng)變化程度隨著沖刷流量的增大而增大。在沖刷過(guò)程中含沙量突然增加的時(shí)刻基本上和溝道出現(xiàn)跌坎的時(shí)刻一致，這可能是因?yàn)闆_刷過(guò)程中形成的跌坎、細(xì)溝和含沙量與侵蝕速率的變化規(guī)律具有同步關(guān)系。沖刷初始地表產(chǎn)沙率較大，地表水流又以入滲為主，因此沖刷前期的含沙量最大。之后地表水流隨著溝道發(fā)育的穩(wěn)定而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，地表產(chǎn)沙率仍處于波動(dòng)性減小的趨勢(shì)，綜合下來(lái)含沙量呈波動(dòng)性減小趨勢(shì)。

在試驗(yàn)條件下，巖石與坡面夾角為60°條件下的地表產(chǎn)流率、地表產(chǎn)沙率和含沙量均最高。在本試驗(yàn)設(shè)置不同的巖石與坡面夾角時(shí)，60°為本試驗(yàn)中所設(shè)置巖石傾向和坡向一致的夾角中最大的一個(gè)。這可能是因?yàn)閹r石傾向和坡向一致時(shí)巖石對(duì)土壤的阻擋作用更小，土壤流失較多。該結(jié)果說(shuō)明當(dāng)巖石傾向與坡向一致且?jiàn)A角較大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致坡面產(chǎn)沙增加。越大的巖石與坡面夾角會(huì)對(duì)沖刷產(chǎn)生的徑流起到更大的阻擋作用，從而降低徑流流速，并且徑流的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變后的一部分動(dòng)能會(huì)由此轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭?qiáng)勢(shì)能。此時(shí)有一部分徑流由于轉(zhuǎn)向加劇對(duì)轉(zhuǎn)向后路徑上土壤顆粒的掏蝕，徑流所能攜帶的泥沙量有所增加。

表1 巖石與坡面夾角、流量和坡度與含沙量、地表產(chǎn)流率和地表產(chǎn)沙率的皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣

圖5 地表產(chǎn)流率與含沙量的關(guān)系

圖6 地表產(chǎn)流率與地表產(chǎn)沙率的關(guān)系

在試驗(yàn)條件下，坡面產(chǎn)沙率總體上隨產(chǎn)流率的增加而呈線(xiàn)性增加。蘇遠(yuǎn)逸等研究發(fā)現(xiàn)，在不同坡度條件下，坡面的產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率間均呈線(xiàn)性關(guān)系，這與本研究結(jié)果相似。此外，在巖石與坡面夾角為60°，90°，120°時(shí)，隨著地表產(chǎn)流率增加，含沙量呈冪函數(shù)增長(zhǎng)，而在其他夾角下(30°，150°，180°)，地表產(chǎn)流率與含沙量關(guān)系不顯著。這表明巖石與坡面夾角的變化可顯著改變產(chǎn)流率與泥沙濃度的關(guān)系，進(jìn)而影響坡面土壤分離、搬運(yùn)及沉積等過(guò)程。目前，已有研究表明，在小流域尺度下，流量與含沙量變化趨勢(shì)一致且呈極顯著相關(guān)，但對(duì)坡面尺度水沙關(guān)變化過(guò)程及影響因素的認(rèn)識(shí)尚不清楚。因此，結(jié)合野外實(shí)際情況，需要更多的室內(nèi)模擬數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步闡明喀斯特槽谷區(qū)巖石與坡面夾角對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)條件下，各巖石與坡面夾角下地表產(chǎn)流率隨沖刷歷時(shí)呈先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，而含沙量和產(chǎn)沙率隨沖刷歷時(shí)均呈波動(dòng)性減小趨勢(shì)。不同巖石與坡面夾角之間，地表產(chǎn)流率無(wú)顯著差異，但含沙量與產(chǎn)沙率均差異顯著，且在30°，60°，120°夾角下相對(duì)最大。地表產(chǎn)流率與含沙量在60°，90°，120°夾角下均呈顯著冪函數(shù)正相關(guān)，在其他夾角下二者關(guān)系不顯著。地表產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率在60°，90°，120°，150°，180°夾角下呈顯著線(xiàn)性正相關(guān)。在喀斯特槽谷區(qū)，當(dāng)出露的巖石與坡面形成一定夾角時(shí)，可加劇坡面產(chǎn)沙，并改變產(chǎn)流與產(chǎn)沙關(guān)系。本研究可為喀斯特槽谷區(qū)坡面土壤侵蝕模型修正及水土流失防治措施布設(shè)提供理論支撐。