堆土容重與土壤侵蝕量關(guān)系及其在水土流失監(jiān)測中的應(yīng)用設(shè)想

李鳳鳴，李純乾，李 娜，李 菲，丁宏宇

(遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽 122000)

堆土容重與土壤侵蝕量關(guān)系及其在水土流失監(jiān)測中的應(yīng)用設(shè)想

李鳳鳴，李純乾，李 娜，李 菲，丁宏宇

(遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽 122000)

人工模擬降雨；堆土；容重；土壤侵蝕量；雨強

開發(fā)建設(shè)項目中臨時或永久棄土場是水土流失產(chǎn)生較為集中的區(qū)域。根據(jù)棄渣場堆土邊坡水土流失發(fā)生機理，通過人工模擬降雨試驗研究堆土容重變化與土壤侵蝕量的關(guān)系，進而探討通過測定容重精準監(jiān)測土壤侵蝕量方法的可行性。SPSS相關(guān)性分析結(jié)果表明，容重和土壤侵蝕量呈極顯著負相關(guān)，隨著容重增大，土壤侵蝕量呈明顯減少趨勢，且這種相關(guān)性的存在并不受雨強和堆積體坡度這兩個因素影響。利用數(shù)據(jù)分析方法，建立了容重與土壤侵蝕量的關(guān)系模型。但是要利用這種方法監(jiān)測開發(fā)建設(shè)項目土壤侵蝕量還需要進行大量試驗，這是今后研究的重點。

1 研究設(shè)想

土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測是開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作的重點和難點[1]。目前常用的一些侵蝕模數(shù)監(jiān)測方法[2]，手段比較落后，工作效率低，而且野外工作量大、周期長，不適應(yīng)水土保持監(jiān)測便捷化、自動化、精準化的發(fā)展趨勢。因此，有必要試驗性地將一些用于科學研究的儀器設(shè)備、方法與思路，用于開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測，以尋求提高監(jiān)測精度和效率的有效途徑。開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測結(jié)果表明，水土流失最為嚴重的區(qū)域為臨時或永久棄土場。棄土堆放形成了以邊坡和平臺為主的重塑地貌，這些地段雖然布設(shè)有苫蓋和攔擋措施，但多數(shù)受限于工期、棄土場規(guī)模而未能及時跟進，甚至是未能實施，從而形成措施真空期，造成特定時期的水土流失。以邊坡、平臺等重塑地貌形式存在的棄土堆積體，初期土體疏松、顆粒間膠結(jié)作用微弱，造成土體抗蝕能力下降，隨著堆積時間增加，受自身重力、降雨等外力影響，土體發(fā)生沉降變得緊實，顆粒間膠結(jié)作用增強，抗蝕力提升。具體表現(xiàn)為：一方面沉降作用導(dǎo)致土壤容重逐步加大(變得密實)，進而引起土壤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終影響了土體表面徑流及內(nèi)部徑流分配，入滲速率減小，地表徑流流速和流量加大，從而導(dǎo)致土壤表層的侵蝕動力增加[3-5]；另一方面，隨著容重的增大，土壤凝聚作用逐步增強，土壤抗蝕力提升。也就是說，堆土在自重及外力作用下的沉降作用，引發(fā)的土體容重變化在水土流失上的本質(zhì)特征表現(xiàn)為侵蝕動力與抗蝕力的相互制約、此消彼長的影響過程，而這一過程可以通過容重這個指標來具體反映。考慮到在開發(fā)建設(shè)項目中土方容重的改變貫穿整個過程，若能通過模擬、試驗等手段找出容重增減與土壤侵蝕量大小的變化關(guān)系，并以數(shù)學模型的形式表現(xiàn)出來，則每次現(xiàn)場監(jiān)測可以僅通過對表層取樣測定其容重從而將土壤侵蝕量精準量化，這樣不僅可以大大減輕外業(yè)工作量，提高土壤侵蝕量的計算精度，而且可以進一步研究堆土沉降條件下的水文循環(huán)變化過程及其對土壤抗蝕性的影響，定量分析水土流失過程及其特征，為防護措施配置及應(yīng)用尋求新的切入點，為開發(fā)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測和預(yù)警奠定新的理論基礎(chǔ)。

2 可行性分析

2.1 試驗設(shè)計

試驗采用盛土鋼槽模擬開發(fā)建設(shè)項目棄渣場邊坡，通過人工模擬降雨試驗，測定不同雨強條件下鋼槽中土壤容重變化規(guī)律，并分析土壤容重與土壤侵蝕量之間的關(guān)系?？紤]到堆土作業(yè)結(jié)束后土方總體坡度在無大規(guī)模人為擾動下僅存微弱變化[6]，甚至近似于不變，試驗采用定坡度變雨強的設(shè)計，即保持鋼槽坡度不變(15°)，雨強設(shè)計為40、60、80、100 mm/h。試驗是在遼寧省水土保持重點實驗室的人工模擬降雨大廳進行的，主要供試材料包括試驗場地周邊挖取的褐土和人工降雨水源等，主要試驗設(shè)備包括人工降雨模擬器(QDJY)、移動式液壓變坡鋼槽(規(guī)格2.0 m×1.0 m×0.5 m)3個、備用鋼槽(規(guī)格1.0 m×0.5 m×0.5 m)1個、徑流監(jiān)測系統(tǒng)、水土流失監(jiān)測儀、TDR設(shè)備等，以及環(huán)刀、鋁盒、廣口瓶(30個)、水桶(30個)、量筒等小型試驗器材，其中水桶用于收集每3 min時段的徑流量，廣口瓶用于盛裝濾液，均按試驗順序編號。

取試驗場地周邊土壤(褐土)，充分松散混勻后裝入3個鋼槽(裝土深度0.5 m)用于人工模擬降雨試驗，備用鋼槽內(nèi)的土壤用于填補3個試驗鋼槽的土壤損失。3個鋼槽中1個作為主試驗槽，另2個作為對比試驗槽，與主試驗槽的土壤侵蝕量變化趨勢進行對比，以降低試驗誤差。采用慢速澆水法充分濕潤，待沉降、干燥，土壤質(zhì)量含水量降至12%時再進行試驗。每個雨強降雨3次，每次降雨歷時30 min。每次試驗后將土槽推至降雨大廳外晾曬3 d，目的是在保持鋼槽內(nèi)土壤原狀不遭到破壞的前提下降低土體的含水量，避免外力干擾，保證影響土壤沉降壓實的作用力為自身重力及降雨動力。晾曬結(jié)束后，重新測定每個槽內(nèi)的土體容重，進行第二次降雨試驗。同理，第三次降雨試驗前仍需進行晾曬與容重測定。

試驗數(shù)據(jù)的獲取。①容重。降雨前，用環(huán)刀法在鋼槽上、中、下位置(與鋼槽上邊坡距離分別為0.05、1.00、1.95 m)取土樣，將土樣密封運至實驗室，分別測定土壤容重，取平均值。②土壤侵蝕量。人工模擬降雨結(jié)束(30 min)后，先測量每個水桶中水樣的體積，再攪拌均勻，取100 mL用濾紙過濾，烘干稱量后算出水樣中的泥沙質(zhì)量，即3 min土壤侵蝕量，則單次降雨的泥沙總量(土壤侵蝕量)計算公式為

式中：M為單次降雨泥沙總量(土壤侵蝕量)，g；mi為第i個水桶100 mL水樣中泥沙質(zhì)量，g；Vi為第i個水桶中水樣總體積，mL。

2.2 試驗分析

圖1為試驗條件下土壤侵蝕量與土壤容重的關(guān)系。由圖1知，次降雨過程中隨著容重的逐漸增加，鋼槽內(nèi)土壤侵蝕量呈明顯減少趨勢；隨著雨強增大(40～100 mm/h)，最大土壤侵蝕量由0.74 kg增加到1.35 kg，最小土壤侵蝕量由0.25 kg增加到0.51 kg，說明降雨強度的增加會導(dǎo)致土壤侵蝕量增加。雨強的變化影響了次降雨造成的土壤侵蝕量，但并未影響土壤侵蝕量與容重之間的相互關(guān)系。根據(jù)基于SPSS分析獲得的土壤侵蝕量與土壤容重相關(guān)性分析結(jié)果，不同雨強條件下土壤侵蝕量與土壤容重的相關(guān)系數(shù)分別為-0.843、-0.898、-0.937、-0.968，顯著性水平均<0.01，說明土壤侵蝕量和土壤容重呈極顯著負相關(guān)，即隨著容重的增大，土壤侵蝕量呈明顯降低趨勢。

圖1 人工模擬降雨條件下土壤侵蝕量與容重的關(guān)系

土壤侵蝕量與土壤容重的擬合關(guān)系為y=a+bx，其中：x為容重；y為土壤侵蝕量；a、b為參數(shù)(b<1)，通過人工模擬降雨試驗確定。經(jīng)分析，在降雨強度40、60、80、100 mm/h條件下，擬合優(yōu)度分別為0.71、0.81、0.88、0.94。但在實際水土保持監(jiān)測工作中，影響堆土水土流失的因子更加多元化，通常還包括土壤粒徑[7]、邊坡坡度等，因此表達式可近似為y=k粒徑(a+bx1+cx2+dx3)，其中：x1為容重，x2為坡度，x3為降雨強度，k粒徑為粒徑修正系數(shù)。通過室內(nèi)模擬降雨試驗確定a、b、c、d的值，再通過徑流小區(qū)試驗校核，最終得出因變量y與自變量x1、x2、x3之間的數(shù)學表達式。而在此表達式中，需要多次現(xiàn)場實測的只有容重，一次堆土過程坡度基本固定(自然狀態(tài)下，堆土的天然休止角相對比較穩(wěn)定)，降雨強度可通過氣象資料獲得，粒徑修正系數(shù)可查表獲得。因此，通過測定臨時或永久堆土的容重來監(jiān)測土壤侵蝕量從理論上來講是可行的，前提條件是需要進行大量的試驗和數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與討論

(1)容重、土壤侵蝕量、雨強之間的關(guān)系。土方從堆積之初的松散狀態(tài)到自然的緊實定形要經(jīng)歷一個相當長的過程，期間受降雨等外力及土體自重的作用，隨著堆積時間的延長，土壤顆粒被壓實，土壤抗侵蝕能力逐漸提高，歸根結(jié)底是土壤容重的變化導(dǎo)致土體對降雨的蓄滲能力發(fā)生改變。試驗過程中，在發(fā)生水土流失的同時，也導(dǎo)致了土壤容重的改變，土壤侵蝕量與容重呈極顯著負相關(guān)。雨強的增減在這種聯(lián)系中起到了一定的作用，但不是決定性作用。

(2)容重臨界點假設(shè)與水土流失防治。大多數(shù)開發(fā)建設(shè)項目是以土方的開挖堆存為始、以回填平覆為終，期間產(chǎn)生的堆土體若得不到很好的防護甚至是基本的壓實處理，則會發(fā)生水土流失。土方堆置過程中土壤侵蝕量隨土體容重的不同變化比較明顯，隨著土方堆積時間的逐漸增長，土壤侵蝕量與容重的關(guān)系會出現(xiàn)一個臨界點(此時土壤侵蝕量最低)。開發(fā)建設(shè)項目產(chǎn)生的堆土，在坡角自然休止、整體沉降的條件下，土體初始容重與容重臨界點差距較大。在無人為干預(yù)的條件下，土方堆積體從松散到接近容重臨界點需經(jīng)歷一個相當長的過程，而在這個過程中受降雨侵蝕力的影響，會伴隨著水土流失的發(fā)生。反之，若對土方的堆存實施前期干預(yù)，分層壓實土體，那么土體的起始容重將更接近容重臨界點，容重變化幅度減小，相應(yīng)的變化過程也就縮短，大規(guī)模水土流失發(fā)生的概率也將降低。這也能很好地解釋為什么壓實的泥土路面在坡度、雨強相同的條件下，土壤侵蝕量比擾動過的地表和土方堆積體要低很多。

(3)粒徑修正系數(shù)。純土方粒徑比較均一(k粒徑=1)，但實際棄渣中純土方較少，往往摻雜著砂石，導(dǎo)致堆積體粒徑發(fā)生變化，因此需要引入粒徑修正系數(shù)。粒徑修正系數(shù)的確定是以純土方作為基準試驗材料，逐步摻混砂石，以改變供試體粒徑，然后根據(jù)土壤侵蝕量的變化，推算粒徑修正系數(shù)。通過多次粒徑調(diào)整，反復(fù)試驗建立粒徑修正系數(shù)表格。野外工作時可根據(jù)單位體積土體的平均粒徑，查表獲得粒徑修正系數(shù)，進而計算土壤侵蝕量。

4 結(jié) 語

根據(jù)棄渣場堆土邊坡水土流失發(fā)生機理，通過人工模擬降雨試驗研究堆土容重變化與土壤侵蝕量的關(guān)系，進而探討通過測定容重精準監(jiān)測土壤侵蝕量方法的可行性。為了能更好地表述該方法中容重變化與土壤侵蝕量的關(guān)系，下一階段的試驗將嘗試變換基質(zhì)，調(diào)節(jié)基質(zhì)的粒徑及試驗坡度，建立包含土壤侵蝕量、容重、基質(zhì)粒徑、坡度等的表格查詢系統(tǒng)，以實測結(jié)合表格查詢的方式精準量化棄土場土壤侵蝕量，使開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作更加簡便化。

[1] 王繼增,鄧嵐,郭新波.開發(fā)建設(shè)項目水保監(jiān)測中土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測方法探討——以“東深供水改造工程水土保持監(jiān)測”項目為例[J].水土保持研究,2006,13(1):21-23.

[2] 喻權(quán)剛.新技術(shù)在開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水土保持通報,2007,27(4):5-9.

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[6] 趙暄,謝永生,王允怡,等.模擬降雨條件下棄土堆置體侵蝕產(chǎn)沙試驗研究[J].水土保持學報,2013,27(3):1-8.

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(責任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2017)07-0052-03

李鳳鳴(1981—)，男，遼寧阜新市人，助理研究員，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測、礦業(yè)跡地恢復(fù)等方面的研究工作。

2016-12-20