連續徑流沖刷條件下工程堆積體土壤侵蝕特征

趙 莼高照良李永紅孫貫芳婁永才楊樹云吳 彤

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

近年來,中國基礎設施建設依然處于中高速增長的態勢,工程建設產生的棄土棄渣形成的大量工程堆積體,在連續降雨和徑流沖刷累積下極易發生水土流失災害[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律的認識。然而,目前相關研究多在一次上方來水條件的背景下展開,連續降雨和沖刷的相關坡面的侵蝕研究鮮有報道[6-7]。實際上,在野外氣候環境條件下降雨特性復雜,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性和連續性,原始坡面在經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,打通坡面產流和匯流路徑,還分散和搬運了坡面土壤顆粒物質,改變了坡體土壤粒徑分布特征,奠定了后期沖刷觸發滑坡和泥石流災害的下墊面基礎。相關研究忽略了野外堆積體坡面侵蝕的連續和反復性,影響了堆積體侵蝕模型的預測精度,制約了上方來水條件下堆積體坡面侵蝕時空規律的認識。因此,本文通過開展野外連續徑流沖刷試驗,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上方來水剝蝕事件下的坡面侵蝕響應,促進堆積體侵蝕時空變化規律的認識,完善堆積體侵蝕機理,優化工程擾動區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區土壤侵蝕產沙模型的修正和水土流失量的精準預測提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2021年9—10月在中國科學院水利部水土保持研究所楊凌水土保持野外科學試驗站(107°59′36.10″E,34°19′24.83″N)進行。該試驗站位于陜西省楊凌農業高新技術產業示范區五泉鎮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,該區氣候類型屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候,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 試驗設計與觀測

小區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,土樣經自然風干后過10 mm篩去除雜草、砂礫等大顆粒物質,通過分層碾壓的方式填入試驗小區。小區長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,鋁塑板高50 cm,埋入土內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,其中侵蝕降雨標準為12 mm,設計對應于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場連續徑流沖刷,每場間隔24 h。本試驗設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,重復以上步驟,直至完成3場沖刷。由于坡面細溝發育的隨機性,不便于連續觀測,所以在坡面整理時,使坡面整體呈現微凹型,確保坡面發育一條細溝。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5.02%。

試驗放水裝置由蓄水桶、恒壓桶、穩流槽、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,主要觀測指標有徑流量、流速、溝寬、溝深和產沙量,小區下方急流槽出流后開始計算產流時間,產流后前3 min內每隔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。對于流速和細溝發育指標溝寬和溝深的觀測,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、坡下徑流流速和細溝形態特征,采用精度為1 mm的鋼尺測量細溝形態指標,流速乘以0.75作為斷面平均流速。

圖1 試驗小區示意圖及放水裝置

1.3 數據及處理

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時段內的產沙量(kg);b為過水斷面寬度(m);L為試驗小區坡長(m)。

本文運用SPSS 16.0和Excel 2013進行數據分析和作圖。

2 結果及分析

2.1 連續上方來水條件下堆積體坡面產流歷時

產流歷時指從坡頂平臺出水至坡面形成匯流并從小區出口流出的時間,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,產流歷時延長;第2場沖刷W為19.1%～21.1%,含水量顯著增大,導致土壤入滲能力降低,坡面產流歷時明顯縮短。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,導致入滲速率越慢,越不容易產生超滲產流。反之,土壤含水量越高,入滲速率加快,產流歷時不斷下降。

表2 不同流量連續徑流沖刷下坡面產流時間及初始土壤含水率

2.2 連續上方來水條件下堆積體坡面產流特征

不同場次產流特征:連續上方來水試驗各個階段的產流規律基本相似,在每一階段表現為先迅速增大隨后穩定的變化過程。隨著沖刷場次的增加,產流率波動性增大,在不同流量和坡度條件下,各場次坡面產流率均值范圍在2.72～22.32 L/min之間,且均表現為: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,雙因素方差分析結果顯示,沖刷場次對平均產流率有顯著影響(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%;當流量為12 L/min時,范圍在14.9%～86.5%之間,平均增速為54.8%;當流量為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%;當坡度為32°時,增幅在10.5%～86.5%之間,平均增速為34.3%;當坡度為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流量

2.3 連續上方來水條件下堆積體坡面產沙特征

將各個坡度和流量的連續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律基本一致,第1場堆積體土壤剝蝕率呈“突變—波動減少—穩定”的變化過程。第1場沖刷期間,坡面表層松散物質豐富,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,并在產流9～15 min后趨于穩定。8～16 L/min流量下,第1場平均剝蝕率為:2.53～7.65 g/(m2·s),變異系數為:34.3%～41.2%,對于第2場和第3場,土壤剝蝕率呈現“緩慢增加—波動上升—穩定”的變化趨勢,產流后剝蝕率在每場場初始時刻會出現谷值,并在隨后緩慢增加,在產流6 min后趨于穩定。第2場平均土壤剝蝕為:1.76～5.42 g/(m2·s),變異系數為: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,峰谷出現的次數增加,波動性增強,剝蝕率增加。隨著沖刷場次的增加,峰谷出現的次數減少,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沖刷流量下產沙量為13.79～138.4 kg。其中,28°坡面第1場沖刷產沙量為25.41～57.07 kg,32°坡面第1場產沙量為42.33～129.91 kg,36°坡面產沙量39.9～138.39 kg,第1場平均產沙量占比達42.9%。增大流量,坡面侵蝕產沙量呈增加趨勢,16 L/min流量下產沙量是8 L/min流量的3.04倍。第2,3場上方來水階段產沙量分別為23.13～93.60 kg和15.31～63.43 kg,各階段產沙量為:第1場＞第2場＞第3場,產沙量比例分別為31.74%～53.46%,29.03%～43.71%,17.42%～29.04%?？傮w上,3個流量下,第1場總產沙量為25.4～138.4 kg,第2場總產沙量較第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沙量的變化

2.4 連續上方來水條件下坡面流速和侵蝕形態空間變化特征

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束后侵蝕溝形態空間特征的參數詳見表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先減小后增大的趨勢,上坡段是侵蝕溝深最大的位置。當沖刷流量為16 L/min時,不同坡段溝深在不同場次發展態勢不同,表現為沿邊坡從上至下逐步減少發展為先增大后減小。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,細溝寬深比朝著趨于穩定的方向發展。在任意流量段,平均流速與溝寬的變化無明顯規律,隨溝深的變化流速有響應。當流量為8和12 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化一致,均表現為:坡上＞坡下＞坡中。當流量為16 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化仍一致,表現為:坡中＞坡下＞坡上。這說明流速與坡段上溝深的沿程發展變化有關,而與具體坡段無關。

表3 各放水流量下不同場次坡面流速和侵蝕形態空間特征

3 討論

相同放水流量下,產流時間是坡面綜合效應的反映,主要取決于土壤初始含水率[9]。連續徑流沖刷一方面由于沖刷間隔使表層土壤形成結皮阻礙入滲[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場坡面入滲環境進而影響產流歷時。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]在連續降雨研究的產流時間得出的結論一致。與從坡面產流機制來看,產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,使第2,3場沖刷徑流按照原先的溝壑繼續進行下切侵蝕,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皮可阻礙水分入滲,促進坡面產流,從而使得產流率在后期沖刷時呈現小幅增大后波動增大的趨勢。

本研究發現,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淺溝形態中的產流結果一致。而平均產流率與沖刷場次顯著相關,產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流率的結果不同,這可能是因為徑流沖刷與降雨的產流特征不同引起的。初期產流率快速增加導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。這與連續降雨條件下坡面產沙規律[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,塑造了下墊面形態特征,使得后期上方來水徑流流路順延原先的溝壑繼續進行下切侵蝕,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,從而導致下切速率降低,從而引起產沙不斷減少。而如果后期沖刷時徑流劇烈紊動發生股流改道合并,形成了新的流路,沒有按照原先的細溝流發育,削弱了第1場沖刷塑造地形的影響,便在2,3場出現產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系增大或減小,而是表現出明顯波動性,這與夏衛生等[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出的變化規律相同。就同一坡段而言,徑流流速隨流量增加變化較為復雜,規律性不明顯,這與速歡[19]的研究一致?？傮w來說,隨著沖刷場次的增加,坡面流速發展規律趨于復雜,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。這與大多學者[15,20-21]對堆積體坡面侵蝕的研究結論相同。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律受前期侵蝕形態的影響,連續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特征對坡面流速有直接影響。

4 結論

(1)各階段產流特征為: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,各階段產沙量為:第1場＞第2場＞第3場,各場次產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律,沿徑流方向流速與溝深變化一致,當沖刷流量為8和12 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化一致,均表現為:坡上＞坡下＞坡中。當流量為16 L/min時,沿徑流方向流速與溝深變化仍一致,表現為:坡中＞坡下＞坡上。這說明流速與坡段上溝深的沿程發展變化有關,而與具體坡段無關。