不同坡度對開發(fā)建設項目擾動土壤流失量影響試驗

摘要：本文用人工模擬降雨法，針對江蘇省長江沖積平原地區(qū)的高沙土，研究了在不同坡度條件下擾動高沙土的侵蝕強度和侵蝕規(guī)律，得出了徑流量和土壤侵蝕量隨坡度（小于臨界坡度）的增加而產(chǎn)生的增加量，為建設項目堆土的堆放方式及水土流失防治措施提供依據(jù)。

關鍵詞：人工模擬降雨;開發(fā)建設項目;水土流失;侵蝕規(guī)律

隨著經(jīng)濟社會日益發(fā)展，各類開發(fā)建設項目造成的人為水土流失現(xiàn)象日益突出，加強開發(fā)建設項目水土流失的預測工作已經(jīng)迫在眉睫。開發(fā)建設項目水土流失預測是水土保持措施布局和水土保持措施數(shù)量、標準的確定及措施優(yōu)化配置的基礎，是對主體設計提出修正意見的重要依據(jù)。預測的方法是否科學、分區(qū)是否合理、內(nèi)容是否全面等直接關系到預測結果的客觀性和準確性，也就直接影響方案質(zhì)量的高低和水土流失防治的成敗^[1]。本文模擬江蘇高沙土地區(qū)地貌，對高沙土的流失狀況和減輕水土流失的技術進行了研究。

1 試驗材料

試驗土壤為江蘇南通地區(qū)高沙土，取自如皋市的搬經(jīng)鎮(zhèn)，有機質(zhì)含量為0.56%，土壤各粒級組成見表1-1。

表1-1" 試驗高沙土機械組成分析

粒徑大小（mm）

gt;0.05

0.01～0.05

0.001～0.01

lt;0.001

含量（%）

74.2

5.42

16.23

4.15

2 測試裝置和觀測項目

2.1 試驗儀器與設備

2.1.1人工模擬降雨器

試驗所用的降雨設備為下噴式人工模擬降雨器，由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管路系統(tǒng)三個部分組成，降雨器的有效降雨區(qū)間面積為5×6m，降雨高度為6m，雨強連續(xù)變化范圍為20～150mm/h，降雨均勻度85%以上，雨滴大小的調(diào)控范圍為1.7～2.8mm，降雨時間0～9999秒任意調(diào)節(jié)，雨強大小調(diào)節(jié)精度為7mm/h，降雨測量精度為0.01mm/h。所有降雨參數(shù)的調(diào)節(jié)都通過控制系統(tǒng)操作完成，降雨所需用水通過動力系統(tǒng)提供。

2.1.2移動變坡式鋼槽

為了便于研究不同坡度的坡面在不同降雨情況下土壤侵蝕匯流產(chǎn)沙規(guī)律過程，試驗采用了自動變坡式鋼槽，包括鋼槽體、槽體機架兩大部件。鋼槽電動壓力調(diào)坡，調(diào)節(jié)范圍0°～45°，鋼槽尺寸為2×3×0.3m。鋼槽底部留有5mm的小孔，用以消除槽底封閉對土壤入滲的影響。

2.2坡度對擾動高沙土水土流失的影響試驗設計

每次試驗前將鋼槽裝上土，然后將變坡鋼槽調(diào)至需要的坡度，考慮到試驗土壤內(nèi)摩擦角、行走式推土、裝卸設備、施工機械安全性等因素，本試驗選擇了5°、10°、15°、20°、1：2（26.5°）五個坡面坡度。每個坡度下的降雨試驗順序遵循隨機化原則，每個處理重復2次，取平均值進行分析計算。

2.3觀測項目及方法

2.3.1 降雨均勻度

降雨均勻度是人工模擬降雨的一個重要參數(shù)，降雨時在降雨有效范圍內(nèi)均勻放置七個量雨筒，降雨結束后根據(jù)各個量雨筒的降雨量計算均勻度，計算公式為：

式中 為均勻度， 為各個量雨筒的降雨量， 為所有量雨筒降雨量的平均值。

2.3.2降雨量測定

試驗過程中將量雨筒均勻放置在鋼槽周圍，試驗結束后量取各量雨筒降雨量，取平均值作為此次模擬降雨的降雨量。

2.3.3降雨時間的確定

根據(jù)降雨強度和降雨量計算出每次的降雨時間。

降雨時間=降雨量/降雨強度

2.3.4總徑流量和泥沙侵蝕量的測定

每次降雨結束后，將徑流產(chǎn)物和水桶一塊稱重，然后減去水桶的重量即得出總徑流量。將徑流產(chǎn)物充分攪勻，立即取500ml徑流裝入燒杯中稱重，得出500ml徑流產(chǎn)物的質(zhì)量，如此取3個樣品求平均值。根據(jù)徑流產(chǎn)物的總質(zhì)量算出徑流產(chǎn)物體積。取得3個樣品分別倒入3個燒杯中靜置至澄清后，緩慢倒出上部清水，將裝有泥沙的燒杯放入恒溫干燥箱中，在105℃下烘干至恒重，將燒杯移入干燥皿中冷卻至常溫后稱重，除去燒杯的重量，即得到樣品中泥沙的重量，取3個樣品的平均值，得出泥沙濃度，然后計算出桶中徑流泥沙侵蝕量。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel和SPSS對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖。

3 結果與討論

3.1 坡度對徑流量的影響

坡度影響著坡面徑流流速和降雨入滲速率，進而影響坡面徑流量，坡面徑流量的多少又影響著坡面侵蝕量的大小。為了直觀說明坡度對徑流量的影響，同時減少土壤性狀等外界因素對試驗的影響，本文以降雨量為65mm時坡度對徑流量的影響為分析對象，分析中將徑流量換算成徑流深（即徑流量與承雨面積的比值）。

由圖3-1可以看出，在不同雨強下，徑流量隨著坡度變化趨勢一致，呈正相關，且變化趨勢較為平緩，這與前人的研究結果^[2]一致。坡度為5°時，50mm/h、65 mm/h、80 mm/h雨強對應的徑流深分別為40.02、44.59和46.82mm，26.5°時三種雨強對應的徑流深分別為48.95、55.24和60.28mm，分別增加了22.30%、23.88%和28.76%。其原因是：（1）坡度增加，坡面徑流流速增加^[3]，在坡面上的停留時間縮短，入滲時間減少，累積入滲量減少^[4]，徑流量增加。（2）坡度增加，單位面積承雨量變小，坡面上的水層變淺，導致水壓力變小，入滲速率變小，徑流量增加。

圖3-1 徑流量隨坡度的變化規(guī)律

3.2 坡度與泥沙侵蝕量的關系

地形地貌決定著地面物質(zhì)與能量的形成和再分配，是影響水土流失的重要因素之一^[5]。根據(jù)侵蝕動力的不同，土壤侵蝕可分為多種侵蝕方式，其中最普通的一種侵蝕方式是降雨產(chǎn)生的坡面薄層水流對坡面土壤的沖蝕，即坡面層狀侵蝕。其中地形地貌中的坡度因子是影響坡面流侵蝕的重要因素之一，在其它因素相同的條件下，不同的坡度形成的坡面薄層水流有很大的差別，同時不同坡度下土壤的抗水力侵蝕能力也存在著很大的差別^[6]，因此產(chǎn)生的土壤流失也有較大差別。

3.2.1 相同雨強下坡度與泥沙侵蝕量的變化

由圖3-2可以看出，在50mm/h雨強下不同的降雨量產(chǎn)生的侵蝕量隨著坡度的變化趨勢基本一致。在20°以下的坡度下，隨著坡度的增加總泥沙侵蝕量增加。坡度由5°變化到15°，在5、15、25、45、65mm降雨量下對應的泥沙侵蝕增分別增加154.1、423.6、1079.4、1807.5、2507.0g/m²，而坡度由15°變化到20°時，5個雨強下對應的泥沙侵蝕量分別增加909.7、1381.7、1434.6、2226.2、2511.6g/m²。因此在降雨量為5～45mm，5°～15°的范圍內(nèi)，泥沙侵蝕量增加緩慢，15°～20°隨著坡度的增加總侵蝕量迅速增加。20°后，隨著坡度的增加，總侵蝕量沒有增加，反而出現(xiàn)了略微的降低，表明高沙土在50mm/h的雨強下的臨界坡度在20°～26.5°之間，這與前人的研究結論^[7，8]相一致。進一步分析得出，坡度為10°時，5、15、25、45mm降雨量產(chǎn)生的泥沙侵蝕量分別大于坡度為5°時，15、25、45、65mm降雨量造成的泥沙侵蝕量;坡度為20°時，5、15、25、45mm降雨量產(chǎn)生的泥沙侵蝕量分別大于坡度為15°時，15、25、45、65mm降雨量造成的泥沙侵蝕量。因此，由以上可以得出坡度對土壤侵蝕的影響大于降雨量對土壤侵蝕的影響，因此，在工程施工過程中適當控制堆土坡度尤其重要。

圖3-2" 50mm/h雨強下侵蝕量隨坡度的變化關系

3.2.2 不同雨強下坡度對泥沙侵蝕量的影響

徑流量隨著雨強的增大而增大，徑流量的增加導致了對土壤沖刷力的增加。雨強越大，雨滴的終點速度也越大，動能增加，對土壤的擊濺侵蝕表現(xiàn)也更加強烈。同時使坡面水流紊動程度增強，水流的攜沙力加強，使土壤的侵蝕方式也發(fā)生了改變。侵蝕方式的改變導致坡度對土壤侵蝕的規(guī)律發(fā)生變化。

由圖3-3可以看出，在5°～20°的范圍內(nèi)，三種雨強下侵蝕量的變化趨勢基本一致，都隨著坡度的增加而相應增加。值得注意的是20°～26.5°時，50mm/h和65 mm/h 雨強下的侵蝕量反而有所下降，分別下降了318.2g/m²和138.1g/m²，降幅分別為6.13%和2.29%;雨強為80 mm/h時，隨著坡度增加侵蝕量增加了503.46g，增幅達7.45%。可以看出，50mm/h和65 mm/h的雨強下，高沙土的臨界坡度在20°～26.5°之間，而雨強為80mm/h時，臨界坡度大于26.5°。

圖 3-3 不同雨強下土壤侵蝕隨坡度的變化規(guī)律（P=65mm降雨量）

關于土壤侵蝕臨界坡度的存在原因很復雜，相關學者對此進行了很多研究^[9，10]。本文在雨強為80mm/h時，土壤侵蝕的臨界坡度變大，可能是由于出現(xiàn)了細溝侵蝕導致了臨界坡度的變大^[10，11]。

4 討論

本試驗模擬研究了不同坡度條件下擾動高沙土的侵蝕強度和侵蝕規(guī)律，所獲得的各項數(shù)據(jù)在一定程度上可以反映高沙土的水土流失情況。

根據(jù)本實驗觀察，徑流量隨著坡度的增加而增加，坡面徑流是搬運泥沙的主要動力。因此，通過技術措施控制徑流量坡面徑流量顯得十分重要，如采用鋪蓋防水、設置排水溝等，是減少擾動土坡面土壤侵蝕量的有效手段。

通過分析得出，土壤流失量隨坡度的變化有一個臨界坡度，當小于臨界坡度時，侵蝕量隨著坡度的增加而增加，當超過臨界坡度時，侵蝕量隨著坡度的增加反而減少。對于建設項目堆土而言，通過降低坡面坡度來控制土壤流失量的作用是明顯的，但是坡度過小會占用大量的土地。雖然坡度大于臨界坡度時土壤侵蝕量有下降的趨勢，但對于絕大部分行走式推土、裝卸設備而言，施工機械無法安全上行。而且，由于高沙土的內(nèi)摩擦角小，坡度過大容易引發(fā)重力侵蝕（坍塌、滑坡等），危及施工和周圍地區(qū)安全。因此，高沙土擾動坡面的堆放坡度，應盡量控制在26.5°以內(nèi)。

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