邱明明 周占江 郭富杭 趙霞玉 趙艷秋

摘 要：降雨特性、土質(zhì)類型及其改良措施是影響土壤侵蝕的重要因素，為了給黃土高原地區(qū)土壤侵蝕防治及相關(guān)研究提供參考，以延安地區(qū)某邊坡上更新統(tǒng)原狀黃土為研究對象，制備原狀、干燥、增濕３ 種圓柱體試樣（初始含水率分別為１４．５％、４．５％、３３．６％），試驗方案為２ 個雨滴直徑（３．０、５．０ ｍｍ）、３ 個雨滴頻率（１０、５０、１００ 滴／ ｍｉｎ）、雨滴落差１ ０００ ｍｍ、降雨歷時６０ ｍｉｎ，利用自行設(shè)計的單雨滴濺蝕試驗平臺進行不同初始含水率黃土的雨滴濺蝕試驗，結(jié)果表明：１）隨著降雨歷時延長，雨水從雨滴降落點不斷向四周滲透擴散，在雨滴連續(xù)擊濺作用下試樣表面形成由小到大、由淺變深近似圓形的濺蝕坑；濺蝕坑深度隨降雨歷時延長而增大、隨降雨強度提高而增大，不同初始含水率黃土試樣濺蝕坑深度隨降雨歷時的變化趨勢基本一致，大致可分為快速增長、持續(xù)強化、穩(wěn)定漸變３ 個階段。２）相同初始含水率條件下，試樣濺蝕破壞直徑和濺蝕擴散直徑隨降雨強度提高而明顯增大；相同降雨強度條件下，干燥試樣雨水入滲量和入滲范圍較大，增濕試樣濺蝕坑內(nèi)的薄層積水使雨滴濺蝕破壞減弱；小雨情況下初始含水率較高的土體易被濺蝕，而強降雨情況下初始含水率較低的干土易被濺蝕。３）濺蝕擴散直徑為濺蝕破壞直徑的２．１～３．３ 倍，濺蝕破壞直徑、濺蝕擴散直徑和濺蝕量（體積）受土體初始含水率影響顯著。

關(guān)鍵詞：黃土；初始含水率；雨滴濺蝕；土壤侵蝕；試驗

中圖分類號：Ｓ１５７．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０１９

引用格式：邱明明，周占江，郭富杭，等．不同初始含水率黃土雨滴濺蝕試驗［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１０６－１１０，１１７．

黃土高原地區(qū)土體松散、大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育，土體特殊的結(jié)構(gòu)為雨水的快速入滲提供了通道［１－２］ ，在雨水作用下易發(fā)生強度軟化、侵蝕變形和一系列巖土工程問題，因此黃土高原是我國地質(zhì)災害的重點防治區(qū)之一［３－４］ 。據(jù)統(tǒng)計，陜北地區(qū)每年的６ 月下旬至９月下旬是降雨相對集中且多以暴雨形式出現(xiàn)的時段［５－７］ ，也是黃土地質(zhì)災害集中爆發(fā)的時段，強降雨誘發(fā)的黃土滑坡、侵蝕溝等水土流失災害問題突出。諸多學者針對降雨條件下土壤的濺蝕特征進行了相關(guān)試驗研究并取得豐富的成果，如：高學田等［８］ 通過人工降雨濺蝕試驗，發(fā)現(xiàn)降雨濺蝕力與濺蝕量線性相關(guān)，原狀土的濺蝕量為擾動土的２２％ ～３０％，原狀土與擾動土濺蝕量的差異隨降雨強度增大而減??；陳浩等［９］ 研究發(fā)現(xiàn)坡度對土壤濺蝕影響顯著；程金花等［１０］ 基于野外模擬降雨試驗，研究了降雨強度、降雨動能以及降雨歷時對褐土濺蝕量的影響規(guī)律，結(jié)果表明濺蝕量與降雨強度為指數(shù)函數(shù)關(guān)系；呂威等［１１］ 通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，研究了聚丙烯酰胺施用量對凸型坡和凹型坡土壤侵蝕規(guī)律的影響，認為聚丙烯酰胺施用量對凹型坡土壤流失量影響顯著；馬仁明等［１２］ 分析了前期含水率對紅壤團聚體穩(wěn)定性及濺蝕特征的影響，發(fā)現(xiàn)前期含水率越高，團聚體破碎程度越高；褚峰等［１３］ 通過人工合成類廢布料纖維紗加筋黃土濺蝕試驗，發(fā)現(xiàn)纖維紗加筋黃土濺蝕坑深度和濺蝕量均較素黃土的小；覃超等［１４］ 研究了不同玉米秸稈汁改良黃綿土的抗侵蝕性能，發(fā)現(xiàn)改良黃綿土濺蝕量較未改良黃綿土濺蝕量降低了２４．７％ ～７８．３％；汪明霞等［１５］ 研究了植被覆蓋度對土壤濺蝕的影響，結(jié)果表明植被覆蓋度大于４０％時可降低黃土區(qū)土壤濺蝕強度；邵臻等［１６］ 分析了侵蝕性降雨對２０°人工草地和天然草地的土壤侵蝕量，結(jié)果表明天然草地的抗侵蝕能力優(yōu)于人工草地的；劉柏玲等［１７］ 通過人工模擬降雨試驗研究了黃土土質(zhì)對濺蝕特征的影響，發(fā)現(xiàn)不同類型黃土的濺蝕有明顯差異；周春梅等［１８］ 分析了不同地表壓實度和雨滴擊濺速率條件下壓實黃土的濺蝕破壞規(guī)律，認為提高土體壓實度可增強土體耐濺蝕性。

綜上所述，降雨特性、土質(zhì)類型及其改良措施是影響土壤濺蝕的重要因素，因研究對象、試驗條件等不盡相同而所得結(jié)果存在一定的差異，考慮土體含水率狀態(tài)對原狀黃土濺蝕特征影響的研究少有報道。鑒于此，筆者以延安地區(qū)上更新統(tǒng)（Ｑ３）原狀黃土為研究對象，利用自行設(shè)計的常水頭單雨滴濺蝕試驗平臺，進行不同初始含水率原狀黃土的雨滴濺蝕試驗，分析不同降雨強度、不同初始含水率對原狀黃土雨滴濺蝕的影響，以及土體初始含水率與濺蝕程度的關(guān)系，以期為黃土高原地區(qū)土壤侵蝕防治及相關(guān)研究提供參考。

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

試驗用土取自延安新區(qū)某黃土邊坡地表以下０．５ｍ 處，屬上更新統(tǒng)原狀黃土，呈褐黃色和黃色，土質(zhì)較均勻，天然密度為１．４５ ～ １．５５ ｇ／ ｃｍ３，天然含水率為１４．５％。采用高２００ ｍｍ、內(nèi)徑１５５ ｍｍ 的透明亞克力管模具進行原位取樣，將原狀黃土土柱用保鮮膜密封后運回實驗室備用。根據(jù)土體含水率狀態(tài)，制備天然含水率試樣、干燥試樣（用于模擬土體中水分受蒸發(fā)減少情況，含水率小于５％）和增濕試樣（用于模擬土體近似飽和狀態(tài)，含水率大于３０％）３ 種試樣。干燥試樣和增濕試樣均以天然含水率原狀黃土土柱試樣為基礎(chǔ)，進行增濕或減濕處理制備而成，其中：干燥試樣是在４０ ℃條件下，通過對原狀試樣進行連續(xù)烘干４８ ｈ制備而成，烘干后試樣的含水率為４．５％；增濕試樣是通過對原狀試樣每隔３０～６０ ｍｉｎ 增濕處理１ 次，連續(xù)增濕７２ ｈ 制備而成，增濕完成后試樣的含水率為３３．６％。

１．２ 試驗方法

自行設(shè)計的常水頭單雨滴濺蝕試驗平臺包括蓄水箱、給水箱、給（排）水橡膠軟管、錐形玻璃滴管、調(diào)水閥、可移動支架、旋轉(zhuǎn)三角支架、有機玻璃擋風罩、激光測距儀、高清攝像機等組成（如圖１ 所示）。

通過改變錐形玻璃管管嘴直徑來改變雨滴直徑，通過調(diào)節(jié)調(diào)水閥流量來控制雨滴頻率以模擬不同降雨強度，通過調(diào)節(jié)可移動支架高度以實現(xiàn)不同雨滴落差，采用激光測距儀測量錐形玻璃管管嘴距試樣表面的高度（記為ｈ０），試驗開始后ｔ 時刻觀測錐形玻璃管管嘴距濺蝕坑底的高度（記為ｈｔ ），ｔ 時刻的累計濺蝕深度為Δｈｔ ＝ｈｔ －ｈ０，采用游標卡尺沿不同水平方向?qū)R蝕范圍（濺蝕破壞直徑、濺蝕擴散直徑）進行不少于３ 次測量（取其平均值作為濺蝕范圍值），采用高清攝像機記錄不同時刻雨滴對試樣的濺蝕破壞發(fā)展過程。

雨滴對土體的濺蝕作用受多因素的影響，本次試驗重點分析不同降雨強度和土體初始含水率狀態(tài)下原狀黃土的濺蝕破壞規(guī)律。設(shè)置雨滴落差（錐形玻璃管管嘴距試樣表面的距離）為１ ０００ ｍｍ，設(shè)置３．０ ｍｍ 和５．０ ｍｍ 兩個雨滴直徑（ｄ），設(shè)置降雨歷時為６０ ｍｉｎ，設(shè)置１０、５０、１００ 滴／ ｍｉｎ ３ 個雨滴頻率（用ｑ 表示；雨滴直徑為３．０ ｍｍ、降雨６０ ｍｉｎ 對應的降雨強度分別為１０．８、５４．０、１０８．０ ｍｍ／ ｄ，雨滴直徑為５．０ ｍｍ、降雨６０ｍｉｎ 對應的降雨強度分別為１８．０、９０．０、１８０．０ ｍｍ／ ｄ），設(shè)置４ 種試驗工況（見表１）。

試驗操作步驟： １）放置試樣于錐形玻璃管正下方，調(diào)節(jié)錐形玻璃管管嘴使其距試樣表面中心距離為１ ０００ ｍｍ；２）在試樣上放置一透明塑料板，打開調(diào)水閥試滴，調(diào)節(jié)雨滴頻率至試驗設(shè)定值，測試不少于３次，其誤差不超過±３ 滴／ ｍｉｎ；３）移除試樣表面透明塑料板，開始正式試驗，觀測降雨歷時為０、２、４、７、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０ ｍｉｎ 時錐形玻璃管管嘴距濺蝕坑底的高度ｈｔ ；４）試驗結(jié)束后，測量圖２ 所示試樣的濺蝕破壞范圍（濺蝕破壞直徑Ｄ０ ）和濺蝕擴散范圍（濺蝕擴散直徑Ｄ），并記錄試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象。

２ 試驗結(jié)果分析

２．１ 試樣賤蝕變化規(guī)律

圖３ 為各試驗工況原狀黃土濺蝕深度時程曲線，可以看出降雨強度越大濺蝕深度越大、各工況的濺蝕深度變化趨勢基本一致，可分為３ 個階段：１）快速增長階段（Ⅰ），降雨歷時為０ ～１０ ｍｉｎ，雨滴直接落在試樣表面使其形成小坑，坑內(nèi)土體因雨水擊濺破壞而產(chǎn)生細小顆粒并向四周迸濺，隨著雨水不斷下滲和雨滴連續(xù)擊濺，形成的濺蝕深度快速增長；２）持續(xù)強化階段（Ⅱ），降雨歷時１０ ～４０ ｍｉｎ，隨著雨水不斷下滲，試樣上層土體逐漸趨于飽和，在濺蝕坑內(nèi)形成一層薄積水層，使得雨滴對試樣土體的擊濺作用稍有減弱，濺蝕深度增速較第Ⅰ階段減緩；３）穩(wěn)定漸變階段（Ⅲ），降雨歷時４０～６０ ｍｉｎ，隨著降雨歷時的延長，試樣上層土體趨于飽和，雨水下滲速率降低，濺蝕坑內(nèi)積水增加，加之濺蝕坑已相對較深，雨滴對下部土體的濺蝕逐漸減弱，故濺蝕深度呈緩慢增大趨勢。

由圖３ 還可看出，不同初始含水率試樣的雨滴濺蝕深度變化情況有所不同，干燥試樣濺蝕深度在階段Ⅰ增速較原狀試樣和增濕試樣的快，而增濕試樣濺蝕深度在階段Ⅱ增速較原狀試樣和干燥試樣的快。在雨滴直徑ｄ ＝ ５．０ ｍｍ、雨滴頻率ｑ ＝ ５０ 滴／ ｍｉｎ情況下，不同初始含水率試樣在降雨歷時ｔ 為０、３０、６０ｍｉｎ 的濺蝕坑形貌見表２，可以看出：隨著降雨歷時延長，雨水不斷向雨滴降落點四周滲透擴散，在雨滴的擊濺作用下逐漸形成近似圓形的濺蝕坑，濺蝕坑隨降雨歷時延長由小到大、由淺變深；３ 種初始含水率試樣的雨水滲透范圍相比，干燥試樣最大，原狀試樣次之，增濕試樣最小；在降雨期間，增濕試樣表面積水程度相對較高。

２．２ 濺蝕破壞狀況與初始含水率的關(guān)系

濺蝕深度與初始含水率的關(guān)系見圖４。在雨滴頻率為１００ 滴／ ｍｉｎ 情況下，初始含水率為４．５％（干燥試樣）、１４．５％（原狀試樣）、３３．６％（增濕試樣）的濺蝕深度分別為２３、２０、２６ ｍｍ，干燥試樣和增濕試樣濺蝕深度分別為原狀試樣的１．１５ 倍和１．３０ 倍。雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ 時濺蝕深度隨著初始含水率提高呈直線增大趨勢，當雨滴頻率為５０ 滴／ ｍｉｎ 時濺蝕深度隨初始含水率提高呈先增大后減小趨勢，當雨滴頻率為１００滴／ ｍｉｎ 時濺蝕深度隨初始含水率提高呈先減小后增大趨勢，可能的原因是：小雨（雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ）情況下雨水以入滲為主，試樣表面不產(chǎn)生積水，土體強度隨雨水入滲而軟化，濺蝕深度隨土體初始含水率提高呈持續(xù)增大趨勢；大雨（雨滴頻率為５０ 滴／ ｍｉｎ）情況下濺蝕深度隨著雨水下滲和土體軟化而增大，干燥試樣因初始強度較高而濺蝕深度小于原狀試樣的，增濕試樣因土體含水率接近飽和、濺蝕坑中沒來得及入滲的雨水類似保護層削弱了雨滴對土體的擊濺而濺蝕深度也小于原狀試樣的；暴雨（雨滴頻率為１００ 滴／ｍｉｎ）條件下雨滴對土體的連續(xù)擊濺作用加劇，濺蝕坑中雖形成薄積水層，但不足以削弱雨滴的擊濺作用，故濺蝕深度也隨土體初始含水率提高在小幅減小后仍呈增大趨勢。

由橫向濺蝕范圍與初始含水率的關(guān)系（見表３）可知，相同初始含水率條件下，濺蝕擴散直徑和濺蝕破壞直徑隨降雨強度提高而增大，濺蝕擴散直徑為濺蝕破壞直徑的２．１～３．３ 倍。當雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ 時，試樣濺蝕擴散直徑隨試樣初始含水率提高呈增大趨勢；當雨滴頻率為１００ 滴／ ｍｉｎ 時，干燥試樣的橫向濺蝕范圍最大，增濕試樣的次之，原狀試樣的最??；當雨滴頻率為５０ 滴／ ｍｉｎ 時，濺蝕擴散直徑和濺蝕破壞直徑與初始含水率的關(guān)系規(guī)律性不強，有待進一步研究。圖５ 為濺蝕量（體積）與初始含水率的關(guān)系，可以看出：雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ 時，濺蝕量隨初始含水率提高大致呈線性增長趨勢；雨滴頻率為５０ 滴／ｍｉｎ 時，原狀試樣的濺蝕量最大，增濕試樣的次之，干燥試樣的最?。挥甑晤l率為１００ 滴／ ｍｉｎ 時，干燥試樣的濺蝕量最大，增濕試樣的次之，原狀試樣的最小，干燥試樣的濺蝕量約為原狀試樣的３ 倍。由此進一步說明，在小雨條件下初始含水率較高的土體易被濺蝕，而在強降雨條件下干燥黃土易被濺蝕，主要原因是：小雨情況下雨水以入滲為主，土體抗蝕強度隨土體增濕而降低；強降雨動能大、對土體的擊濺作用強，干燥土體因吸水后迅速膨脹、開裂和團聚體破壞而抗蝕性降低。由不同初始含水率試樣在３ 種降雨強度下的濺蝕破壞形貌（見表４）可知：在相同初始含水率情況下，試樣濺蝕破壞范圍隨降雨強度（雨滴頻率）提高而明顯增大；相同降雨強度情況下，不同初始含水率試樣的濺蝕形貌也明顯不同（具體的定量關(guān)系有待進一步研究）。

３ 結(jié)論

１）隨著降雨歷時延長，雨水從雨滴降落點不斷向四周滲透擴散；在雨滴連續(xù)擊濺作用下試樣表面形成由小到大、由淺變深近似圓形的濺蝕坑，濺蝕深度隨降雨歷時延長而增大、隨降雨強度提高而增大；不同初始含水率黃土試樣濺蝕深度隨降雨歷時的變化趨勢基本一致，大致可分為快速增長、持續(xù)強化、穩(wěn)定漸變３ 個階段。

２）相同初始含水率條件下，試樣濺蝕破壞直徑和濺蝕擴散直徑隨降雨強度提高而明顯增大；相同降雨強度情況下，干燥試樣雨水入滲量和入滲范圍較大，增濕試樣濺蝕坑內(nèi)的薄層積水使雨滴濺蝕破壞減弱；小雨情況下初始含水率較高的土體易被濺蝕，而強降雨情況下初始含水率較低的干土易被濺蝕。

３）濺蝕擴散直徑為濺蝕破壞直徑的２．１～３．３ 倍，濺蝕破壞直徑、濺蝕擴散直徑和濺蝕量（體積）受試樣初始含水率影響顯著。

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【責任編輯 張智民】