降雨強(qiáng)度對梯田邊坡細(xì)溝侵蝕的影響

溫永福, 高 鵬, 穆興民, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

水土流失已成為阻礙黃土丘陵溝壑區(qū)發(fā)展的重要因素之一[1]，退耕還林還草則成為改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境以及防止水土流失的一項(xiàng)戰(zhàn)略性措施。將坡耕地改為高標(biāo)準(zhǔn)梯田并進(jìn)一步提高耕作技術(shù)會滿足農(nóng)村人口對糧食基本需求，并在一定程度上推動退耕還林還草的貫徹與實(shí)施[2]。但由于機(jī)修梯田規(guī)模化發(fā)展使梯田邊坡不斷增高，加之極端降雨頻發(fā)，當(dāng)面臨百年不遇特大暴雨時(shí)，極易產(chǎn)生較大降雨徑流，對梯田邊坡坡面造成嚴(yán)重的沖刷，侵蝕形式一旦由面狀侵蝕發(fā)展為細(xì)溝侵蝕，侵蝕量會成倍甚至數(shù)十倍的增長，與細(xì)溝侵蝕量相比，細(xì)溝間侵蝕量所占比例很小[3-6]。最終使得梯田被毀，農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命與財(cái)產(chǎn)安全[7]。

細(xì)溝侵蝕是一個非常復(fù)雜的土壤侵蝕過程。細(xì)溝侵蝕過程及其影響因素一直是土壤侵蝕研究的熱點(diǎn)，關(guān)于降雨強(qiáng)度、降雨量、坡度、坡長、坡形、土壤性質(zhì)、土壤前期含水量等因素對細(xì)溝侵蝕的影響，以及不同因素組合下細(xì)溝侵蝕過程的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果。有學(xué)者[8-9]認(rèn)為:細(xì)溝侵蝕的發(fā)生主要是由坡面本身所具有的起伏以及淺層洞穴的崩塌，以及降雨過程中形成的小跌坎及其受坡面徑流下切影響造成的。雷廷武等[10]、張玉斌和鄭粉莉[11]、王占禮等[12]通過大量室內(nèi)和野外模擬降雨試驗(yàn)，將細(xì)溝侵蝕過程細(xì)分為4個階段:濺蝕階段、細(xì)溝間侵蝕階段、細(xì)溝侵蝕為主階段和雨后徑流侵蝕階段。和繼軍等[13]采用室內(nèi)純凈水模擬降雨試驗(yàn)的方法，研究了塿土和黃綿土的坡面細(xì)溝發(fā)育過程和水沙關(guān)系，表明細(xì)溝主要由沿坡面方向呈線狀平行分布的跌坎鏈相互連通演化而成，在雨強(qiáng)較小時(shí)塿土更易形成細(xì)溝，而黃綿土在雨強(qiáng)較大時(shí)才能形成細(xì)溝。鄭粉莉等[14]通過野外觀測和室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)相結(jié)合的方法統(tǒng)計(jì)了黃土高原坡耕地細(xì)溝寬度和深度分布范圍，指出大多數(shù)細(xì)溝深度小于20 cm，寬度小于30 cm。韓鵬等[15]對黃土坡面的研究表明，考慮雨滴擊濺作用時(shí)的產(chǎn)沙量要比消減雨量擊濺作用時(shí)的產(chǎn)沙量高。Bruno等[16]利用細(xì)溝長度和橫斷面描述細(xì)溝形態(tài)，得出細(xì)溝長度與細(xì)溝體積呈冪函數(shù)關(guān)系，并通過剖面形態(tài)變化推斷細(xì)溝侵蝕沉積情況。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對細(xì)溝侵蝕形成和演化過程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，但筆者發(fā)現(xiàn)：梯田邊坡細(xì)溝侵蝕規(guī)律與緩坡細(xì)溝侵蝕差異性明顯，且有關(guān)對梯田邊坡細(xì)溝侵蝕的研究較少。鑒于此，本文采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)并結(jié)合高清晰攝像設(shè)備，通過對降雨試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)分析降雨強(qiáng)度對梯田邊坡坡面細(xì)溝形態(tài)的演變以及細(xì)溝發(fā)育對侵蝕速率的影響，以期為梯田邊坡細(xì)溝侵蝕的有效防治提供必要的理論指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)土體性質(zhì)

本次模型試驗(yàn)用土取自陜西安塞縣紙坊溝，取土深度為6～8 m，屬于Q4黃綿土[17]。試驗(yàn)用土的基本參數(shù)指標(biāo)見表1。輕型擊實(shí)試驗(yàn)測得最大干密度為1.703 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.3%。土壤粒徑采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行測定。測定范圍在0～2 mm，平均級配的特征值為：黏粒(≤0.002 mm)含量為12.1%，粉粒(0.05～0.002 mm)含量為52.55%，砂粒(2～0.05 mm)含量為35.35%，不均勻系數(shù)CU為7.52，說明土樣中包含的粒徑級數(shù)較少，粗細(xì)粒徑之間差別較小，顆粒級配曲線的曲率系數(shù)CC為1.79，級配優(yōu)良。

表1　試驗(yàn)用土的基本參數(shù)指標(biāo)

1.2　試驗(yàn)裝置

本模型的主體部分為一個梯形的模型槽，尺寸為2.6 m×1 m×2.1 m[18]。試驗(yàn)填筑的邊坡部分的高度為1.2 m，坡度為65°，上、下各留有1 m平臺。模型的前、后緣和其中的一個側(cè)面用鋼板圍筑，涂抹了一層凡士林材料進(jìn)行了墻面光滑處理，以減小模型的邊界效應(yīng)對試驗(yàn)的影響。另一個側(cè)面采用厚度為1 cm的高透明有機(jī)玻璃作為可視窗口，以便于隨時(shí)觀測試驗(yàn)過程中土體內(nèi)部的運(yùn)動情況。同時(shí)，為了便于土體運(yùn)動觀測，在有機(jī)玻璃上畫上邊長為10×20 cm的長方形格子，并緊靠鋼板安置臺階以便于試驗(yàn)過程中對溝道形態(tài)參數(shù)、流速的測量，前緣設(shè)集水槽以便收集徑流泥沙。與模型配套的有人工降雨系統(tǒng)，多物理量測試系統(tǒng)：水分傳感器、數(shù)碼相機(jī)動態(tài)拍照攝影。模型見圖1。

圖1模型試驗(yàn)裝置

降雨裝置是由中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制,降雨高度16 m,滿足所有降雨雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度。降雨強(qiáng)度變化范圍為40～260 mm/h,降雨均勻度大于80%,最大持續(xù)降雨時(shí)間12 h。降雨區(qū)由兩個獨(dú)立降雨試驗(yàn)區(qū)組成,單個試驗(yàn)區(qū)有效降雨面積4 m×9 m，能很好地模擬天然降雨[19]。

1.3　填土方式

用邊長為1 cm的方格鐵篩篩分，使模型填土的土顆粒粒徑最大不超過1 cm。然后把這些土均勻的平鋪攤開，噴灑適量的水分，均勻拌和，蓋上塑料膜，使土的基本物理指標(biāo)如密度，含水率等和原狀土接近，但在模型填筑的過程中，土的結(jié)構(gòu)、顆粒級配、地層結(jié)構(gòu)、土的裂隙等都會有所改變，這是不可避免的。本次試驗(yàn)采用分層擊實(shí)填筑的方法：把試驗(yàn)前配制好的土均勻的每隔10 cm厚度分層，共分17層，在每層填土的交界面上用5 kg重的鐵餅從20 cm高處落下，均勻擊實(shí)土體[20]。在每一層擊實(shí)完成后，用環(huán)刀在幾個不同部位取樣，測定其每層土體的濕密度在1.32～1.40 g/cm3，含水率在7.5%附近，分層填筑完成后通過人工削坡得到65°邊坡和模型所需幾何尺寸。

1.4　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年9月—2016年11月在陜西省水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳側(cè)噴Ⅱ區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.5，1.75，2.0，2.25，2.5 mm/min共5個雨強(qiáng)，試驗(yàn)重復(fù)1次，共10場試驗(yàn)。為保證雨強(qiáng)的均勻性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)開始前先將梯田邊坡用塑料布遮蓋，在模型槽四周及其頂部5個位置對雨強(qiáng)進(jìn)行率定，當(dāng)雨強(qiáng)穩(wěn)定后，迅速將塑料布揭開并開始計(jì)時(shí)。當(dāng)梯田坡面上的水流呈層流狀態(tài)，并由上到下流至出水口時(shí)視為產(chǎn)流開始，記錄產(chǎn)流時(shí)間，之后重新開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)長60 min，試驗(yàn)產(chǎn)流后每2 min收集一次徑流和泥沙全樣。坡面出現(xiàn)細(xì)溝后，記錄細(xì)溝出現(xiàn)的時(shí)間，出現(xiàn)細(xì)溝后每2 min用精度為1 mm的直尺測量溝長，當(dāng)細(xì)溝長度超過10 cm后，沿細(xì)溝長度每10 cm測量一次寬度和深度，其平均值作為細(xì)溝寬度和深度，在細(xì)溝形態(tài)突變比較明顯的部位增大測量密度，同時(shí)，用數(shù)碼相機(jī)每5 min記錄坡面形態(tài)，在坡面形態(tài)變化劇烈的時(shí)間段可加大照相機(jī)拍攝頻率。試驗(yàn)結(jié)束后，將泥沙樣靜置6個小時(shí)后倒去上層清液，用烘干法(105°)將樣品烘干后稱量泥沙重量。

2　結(jié)果與分析

2.1　細(xì)溝出現(xiàn)的時(shí)間和雨強(qiáng)的關(guān)系

表2是梯田邊坡坡面侵蝕過程中幾個關(guān)鍵時(shí)刻。由表2可知，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流、跌坎和細(xì)溝出現(xiàn)的時(shí)間越早。這是由于雨強(qiáng)越大，徑流侵蝕力越大，加之雨滴擊濺作用對土壤的破壞使得土壤的抗侵蝕性降低，進(jìn)而徑流侵蝕力大于土壤抗蝕力的時(shí)間提前。

2.2　細(xì)溝的形態(tài)發(fā)育特征

圖2A表示的是各雨強(qiáng)條件下，細(xì)溝長度隨時(shí)間的變化情況。該圖的數(shù)據(jù)表明：各降雨強(qiáng)度下，細(xì)溝的長度均呈現(xiàn)出先劇烈增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：隨著雨強(qiáng)的增大，溝長劇烈增長時(shí)的速率分別為3.41 cm/min，5.14 cm/min和6.44 cm/min，細(xì)溝最終長度分別為50.8 cm，80.4 cm和126 cm。這表明雨強(qiáng)越大，細(xì)溝發(fā)育到穩(wěn)定階段所需的時(shí)間越長，細(xì)溝發(fā)育越劇烈，細(xì)溝的最終長度越長。圖2B表示不同雨強(qiáng)下細(xì)溝的寬度隨時(shí)間的變化關(guān)系。細(xì)溝寬度總體隨降雨強(qiáng)度呈增大趨勢，且最終寬度隨著雨強(qiáng)的增加而增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：在細(xì)溝發(fā)育初期，細(xì)溝逐漸發(fā)育，細(xì)溝加寬；之后在股流的掏蝕作用下，細(xì)溝的溝壁穩(wěn)定性降低，土塊失去平衡進(jìn)而整個崩塌下來，致使細(xì)溝寬度呈現(xiàn)突變式增加；溝壁崩塌后，溝壁土層暫時(shí)達(dá)到了新的平衡，此時(shí)細(xì)溝寬度相對穩(wěn)定；隨著降雨的繼續(xù)，股流的掏蝕作用將沉積在溝底的泥沙帶走，細(xì)溝的深度再次增加，溝壁逐漸變陡，溝壁再次發(fā)生崩塌。(如2.5 mm/min雨強(qiáng)曲線所示)。圖2C表示的是細(xì)溝的深度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由于溝岸崩塌所導(dǎo)致的泥沙臨時(shí)性堆積現(xiàn)象和股流的掏蝕作用，雨強(qiáng)越大，細(xì)溝的最終深度越大。

注：—表示未產(chǎn)生細(xì)溝。

2.3　侵蝕產(chǎn)沙和細(xì)溝發(fā)育過程的關(guān)系

研究表明，溝壁的崩塌、側(cè)蝕具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，而細(xì)溝長度能較好的代表細(xì)溝的發(fā)育過程，為了更好的研究細(xì)溝的發(fā)育過程和侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)系，將溝長的發(fā)育過程和侵蝕速率之間的關(guān)系點(diǎn)繪見圖3。

細(xì)溝出現(xiàn)并開始發(fā)育的時(shí)間和侵蝕速率迅速增長的時(shí)間相一致。細(xì)溝發(fā)育初期，侵蝕嚴(yán)重，細(xì)溝長度增長迅速，侵蝕速率急劇增加，此時(shí)細(xì)溝長度變化曲線的斜率和侵蝕速率變化的曲線斜率均最陡；在細(xì)溝發(fā)育中后期，侵蝕速率降低，細(xì)溝溝長的增長逐漸變緩，此時(shí)坡面侵蝕速率趨于平穩(wěn)，并出現(xiàn)波動，這主要是細(xì)溝侵蝕過程逐漸停止，而溝壁崩塌和側(cè)蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生所造成的。通過SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，各雨強(qiáng)條件下，溝長和侵蝕速率的相關(guān)性系數(shù)P分別為0.912，0.864，0.831，Sig.值均小于0.001，由此說明，細(xì)溝長度的發(fā)育過程和侵蝕速率的變化之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。通過對比發(fā)現(xiàn)，坡面徑流含沙量的變化情況與坡面細(xì)溝形態(tài)變化過程基本一致，這跟Catherine等[21]學(xué)者的研究結(jié)果相同。

圖2　細(xì)溝的長度、寬度、深度隨時(shí)間變化的變化

2.4　梯田邊坡崩塌過程

不同降雨強(qiáng)度下(2.0 mm/min，2.25 mm/min和2.5 mm/min)，梯田邊坡崩塌過程相同，主要包括土體裂隙的產(chǎn)生和崩塌的形成兩個過程。首先，坡面上會產(chǎn)生跌坎、裂隙，裂隙的產(chǎn)生是崩塌形成的關(guān)鍵。梯田邊坡土體在降雨作用下，會逐漸由不飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，這就會降低黃土的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致坡體在自重力和向外的滲透力下開始向臨空方向蠕動。邊坡土體強(qiáng)度的逐漸減弱，最終會因抗剪強(qiáng)度小于剪切應(yīng)力而發(fā)生失穩(wěn)。本次試驗(yàn)邊坡為沖蝕引起的局部淺層崩塌破壞，其發(fā)展過程分為3個階段：第1階段為坡面跌坎的形成；第2階段為隨著降雨的持續(xù)，坡面發(fā)生沖蝕破壞，跌坎相互貫通形成細(xì)溝；第3階段為淺層崩塌的產(chǎn)生，細(xì)溝溝體由坡腳向坡頂逐漸擴(kuò)展，后期靠近坡頂?shù)钠旅娉霈F(xiàn)淺層崩塌(圖4)。該種破壞模式與文獻(xiàn)[22]研究結(jié)果相似。

圖3　細(xì)溝長度和侵蝕速率之間的關(guān)系

圖4　崩塌失穩(wěn)模式

3　結(jié)論與建議

(1) 降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流、跌坎和細(xì)溝出現(xiàn)的時(shí)間越早且總體上細(xì)溝的平均長、寬和深度隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，細(xì)溝出現(xiàn)的時(shí)間分別為：40.78，28.93，11.98 min；不同雨強(qiáng)下，細(xì)溝形態(tài)變化趨勢相同，細(xì)溝的長度均呈現(xiàn)出先劇烈增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢；細(xì)溝寬度總體呈增大的特點(diǎn)；細(xì)溝深度總體呈增大趨勢。

(2) 不同降雨強(qiáng)度條件下，細(xì)溝出現(xiàn)并開始發(fā)育的時(shí)間和侵蝕速率迅速增長的時(shí)間相一致，溝長和侵蝕速率的相關(guān)性系數(shù)P分別為0.912，0.864，0.831，Sig.值均小于0.001，由此說明，細(xì)溝長度的發(fā)育過程和侵蝕速率的變化之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)1.5 mm/min≤I≤1.75 mm/min時(shí),坡面未出現(xiàn)細(xì)溝，坡面侵蝕主要是坡面侵蝕，當(dāng)2.0 mm/min≤I≤2.5 mm/min時(shí),坡面出現(xiàn)細(xì)溝，坡面侵蝕主要為細(xì)溝侵蝕，細(xì)溝出現(xiàn)并開始發(fā)育的時(shí)間和侵蝕速率迅速增長的時(shí)間相一致，溝長和侵蝕速率的相關(guān)性系數(shù)P分別為0.912，0.864，0.831，Sig.值均小于0.001，由此說明，細(xì)溝長度的發(fā)育過程和侵蝕速率的變化之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

(3) 不同降雨強(qiáng)度下，梯田邊坡發(fā)生崩塌的過程分為3個階段：跌坎的形成、有跌坎相互貫通形成細(xì)溝、由于表層土體懸空靠近坡頂?shù)钠旅娉霈F(xiàn)淺層崩塌。

本文基于室內(nèi)模擬降雨條件下得出的以上結(jié)論，鑒于田面寬度僅為1.1 m，其對土梯田邊坡侵蝕影響需要進(jìn)一步研究。

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