人工模擬降雨條件下瀉溜紅土坡積體的侵蝕過程和入滲特征

柴亞凡，周 波，呂文強，吳玉鋒

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所， 730020，蘭州)

紅土瀉溜侵蝕是指發(fā)生重力侵蝕形成的紅土瀉溜面巖體[1]，由于冬春凍融變化引起收縮和物理風(fēng)化作用所產(chǎn)生的巖屑，受重力作用向坡腳滾溜而發(fā)生瀉溜的一種侵蝕方式[2-3]，是黃土高原溝壑區(qū)和黃土高原殘塬溝壑區(qū)交接地帶嚴(yán)重的土壤侵蝕形式之一[4]。李裕后[5]在隴東黃土高原對紅土瀉溜侵的研究表明，紅土瀉溜侵蝕易發(fā)生于含黏量大于30%的第三紀(jì)黏土層，是黏土礦物吸水膨脹的結(jié)果。涂安千[2]研究認為，紅土瀉溜侵蝕主要受內(nèi)在因素(巖性)和外在因素(降雨、植被等)影響，其形成過程包括裂隙的形成、疏松土層的形成和瀉溜發(fā)生3個階段。曾伯慶等[6]在晉西黃土高原的研究認為：紅土瀉溜侵蝕是紅土受物理風(fēng)化并發(fā)生位移的過程，與降雨特征、坡度、土壤含水量、凍融和風(fēng)力等因素密切相關(guān)；此外，紅土瀉溜侵蝕的危害和治理也受到研究人員的關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)，紅土瀉溜侵蝕能夠加劇覆蓋在其上部的黃土層發(fā)生崩塌、滑坡，加速溝谷岸擴展，蠶食塬面，瀉溜坡積物淤積溝道，導(dǎo)致行洪能力下降，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳a(chǎn)生活[1]。紅土瀉溜侵蝕坡面水熱條件變化劇烈和瀉溜坡面結(jié)皮化程度高導(dǎo)致純植物措施和純工程措施治理瀉溜侵蝕效果差，胡建忠[7-8]探索先用淤地壩穩(wěn)定坡腳，再用生物壩體攔瀉，最后栽植沙棘的工程措施和植物措施相結(jié)合的綜合治理模式，并取得了良好效果。王玉惠等[9]在小流域內(nèi)通過工程措施固定溝床和坡腳，再利用沙棘、沙打旺等林草措施有效治理了紅土瀉溜侵蝕。

以上研究對紅土瀉溜侵蝕的成因、危害和防治做了探究，并取得了一定成果，但對紅土瀉溜坡積體并未進行深入研究。紅土瀉溜坡積體是發(fā)生瀉溜侵蝕后在瀉溜坡腳形成的松散堆積體，其膨脹系數(shù)可以達到自身體積的18%，是黃土的2～3倍；具有土體結(jié)構(gòu)緊密，含黏量高、吸水易迅速膨脹，透水性差，土體結(jié)構(gòu)緊密的特點[2]，探究其侵蝕過程和滲透性對進一步了解瀉溜紅土坡積體特性，防治紅土瀉溜侵蝕具有重要意義。筆者探討不同降雨強度下瀉溜紅土坡積體的侵蝕過程和滲透特征，闡述降雨強度與產(chǎn)流時間、產(chǎn)流總量、產(chǎn)沙總量、平均泥沙含量和入滲特征之間的相互關(guān)系，以期從土壤侵蝕過程的角度為紅土瀉溜侵蝕的防治提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h田家溝小流域，田家溝是涇河的一級支流，海拔在1 027.9～1 374.1 m之間，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)。流域總面積56.3 km2，主溝道長17.3 km，溝道平均比降為2.33%，溝壑密度1.64 km/km2。溝谷上部為黃土，中下部為紅土，瀉溜侵蝕強烈。氣候?qū)贉貛О霛駶櫄夂?，年平均氣?0.1 ℃，極端最低氣溫-24 ℃，極端最高氣溫40.0 ℃，日照時間2 274 h，太陽總輻射量542.661 J/cm2，≥10 ℃積溫2 863 ℃，年均降水量514.5 mm，年均蒸發(fā)量1 237.9 mm，最大凍土深度55 cm，無霜期174 d。流域內(nèi)常見的植物種有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、紫荊(Cercischinensis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、酸棗(Ziziphusjujuba)和杜梨(Pyrusbetulifolia)等。

2 試驗材料與方法

2.1 采樣點的選擇

供試的瀉溜紅土坡積體采集于典型的紅土瀉溜坡面坡腳堆積區(qū)域，共選擇采樣點2處，采樣點基本特征如表1所示。

2.2 降雨試驗的準(zhǔn)備

試驗在甘肅省蘭州市竇家山水土保持科技示范園內(nèi)進行。利用1.2 m×0.8 m×0.4 m (長×寬×高)的液壓式徑流槽車，坡度可在0～30°調(diào)節(jié)。試驗時將槽車統(tǒng)一調(diào)整到10°，由于受坡度影響，計算徑流小區(qū)承雨面積時要考慮修正坡度。將采集的瀉溜紅土坡積體過1 cm×1 cm的粗篩，以5 cm分層將其填充至徑流槽車內(nèi)，填裝上層土體之前，刮毛下層土體表面，以防土層之間出現(xiàn)分層，邊填充、邊壓實，以保證土體的壓實程度與均勻性[10]，使土體剖面接近自然堆積狀態(tài)(密度控制在1.40 g/cm3)，為避免土體初期含水量對試驗結(jié)果的影響，試驗時將土體含水量統(tǒng)一控制在10%左右。

表1 采樣點的基本信息

2.3 人工模擬降雨強度設(shè)定

使用美國生產(chǎn)的Norton 8100噴嘴型槽式人工模擬降雨機裝置，該降雨模擬器降雨方式為擺動式，有效雨滴降落高度為 2.6 m。試驗時將人工模擬降雨器架設(shè)在徑流槽車上端，保證其坡度為10°，并與徑流槽車保持平行。降雨水源采用自來水。降雨強度設(shè)定16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h共4種降雨強度，每種降雨強度進行3次重復(fù)，共計12次試驗。試驗前采用雨量筒進行人工測定，試驗過程中采用激光雨滴譜儀進行實時監(jiān)測。

2.4 指標(biāo)測定與計算

1)產(chǎn)流所需時間：從降雨試驗開始至出現(xiàn)產(chǎn)流的時間間隔，min；

2)產(chǎn)流歷時：開始產(chǎn)流后至試驗結(jié)束的時間，本次試驗統(tǒng)一設(shè)定為46 min；

3)降雨歷時：從降雨試驗開始至人工降雨試驗結(jié)束的時間間隔，min；

4)降雨總量：指產(chǎn)流歷時內(nèi)徑流槽車內(nèi)所承接的降雨量，cm3；

5)產(chǎn)流量：即開始產(chǎn)流后單位時間內(nèi)(2 min)承接的徑流和泥沙的混合體積，采用量筒測定，cm3；

7)平均徑流速率：產(chǎn)流總量與產(chǎn)流歷時的比值，cm3/min；

8)徑流系數(shù)：產(chǎn)流總量與降雨總量的比值，量綱為1;

9)產(chǎn)沙量：將產(chǎn)流后單位時間為(2 min)所采集泥沙樣常溫下靜置后，倒掉上清液，將下層渾濁液烘干后的質(zhì)量, g；

10)產(chǎn)沙總量：產(chǎn)沙量的累加值，即整個產(chǎn)流歷時內(nèi)的產(chǎn)沙量，g；

11)平均泥沙含量：產(chǎn)沙總量除以產(chǎn)流總量，g/cm3;

12)入滲速率：利用單位時間內(nèi)的降雨總量和產(chǎn)流總量的差值分別計算產(chǎn)流后的平均入滲速率和土壤穩(wěn)滲速率，mm/min[11]。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Excel 2007進行數(shù)據(jù)分析與繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1不同降雨強度下瀉溜紅土坡積體產(chǎn)流產(chǎn)沙侵蝕過程的特征

為充分說明瀉溜紅土坡積體在降雨條件下產(chǎn)流和產(chǎn)沙的特征及侵蝕過程，分別對不同降雨強度下產(chǎn)流產(chǎn)沙的特征進行對比和產(chǎn)流產(chǎn)沙的侵蝕過程進行分析。

3.1.1 不同降雨強度下瀉溜紅土坡積體產(chǎn)流產(chǎn)沙對比 從表2可以看出，在不同降雨強度條件下，所需產(chǎn)流時間從8 min (16.1 mm/h)逐漸縮短至2 min (51.3 mm/h)，降雨強度16.1 mm/h下的產(chǎn)流時間是降雨強度51.3 mm/h下的近4倍。而產(chǎn)流總量與產(chǎn)沙總量隨著降雨強度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，在產(chǎn)流開始后的46 min內(nèi)，降雨強度為16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h時，產(chǎn)流總量分別為2 250、5 174、1萬0 036和1萬7 612 cm3。產(chǎn)沙總量從小到大依次為290 g (16.1 mm/h)<620 g (29.3 mm/h)<780 g (40.5 mm/h)<810 g (51.3 mm/h)。隨著降雨強度的增加，徑流所攜帶的平均泥沙含量逐漸減小，從大到小依次為：0.13 g/cm3(16.1 mm/h)>0.12 g/cm3(29.3 mm/h)>0.08 g/cm3(40.5 mm/h)>0.05 g/cm3(51.3 mm/h)，這是因為徑流攜帶的泥沙量多少不僅取決于其濃度，還與降水產(chǎn)生的徑流總量密切相關(guān)。

表2 不同降雨強度下產(chǎn)流及產(chǎn)沙對比

3.1.2 不同降雨強度下瀉溜紅土坡積體產(chǎn)流產(chǎn)沙過程 隨著徑流的產(chǎn)生，泥沙隨著徑流一起產(chǎn)生，當(dāng)土體達到飽和以后產(chǎn)流量也逐漸趨于穩(wěn)定(如圖1所示)。而徑流攜帶的泥沙量(圖2)卻不同，隨著降雨強度的增加，產(chǎn)沙量到達峰值后開始逐漸減少并趨于穩(wěn)定。降雨強度從16.1增加到51.3 mm/h，產(chǎn)流總量的增幅為682%，而產(chǎn)沙總量的增幅僅為179%，產(chǎn)沙總量的增幅遠遠低于產(chǎn)流總量的增幅，二者差值達到503%。

由圖2可以看出，在整個降雨過程中，產(chǎn)沙量共經(jīng)歷3個典型過程，即降雨開始后，徑流所攜帶的泥沙量迅速增加，達到峰值后，產(chǎn)沙量逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。在不同降雨條件下，隨著降雨強度的增大，單位時間內(nèi)徑流所攜帶的泥沙量也增加，產(chǎn)沙量達到峰值的時間也縮短，降雨強度為16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h時，產(chǎn)沙量達到峰值所需時間分別是26、20、18和16 min，單位時間內(nèi)產(chǎn)沙含量峰值分別是17.7、32.9、39.4和41.2 g。徑流所攜帶的泥沙趨于穩(wěn)定所需時間分別是34、32、30和26 min，穩(wěn)定產(chǎn)沙量分別是10.2、23.8、30.8和32.1 g。即降雨強度越大，單位時間內(nèi)徑流所攜帶的泥沙含量也越早趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定產(chǎn)沙量也越大。

圖1 不同降雨強度下產(chǎn)流量與降雨歷時關(guān)系 Fig.1 Relationship between runoff yield and rainfall duration under different rainfall intensity

圖2 不同降雨強度條件下產(chǎn)沙量與降雨歷時關(guān)系Fig.2 Relationship between sediment yield and rainfall duration under different rainfall intensity

3.2 不同降雨強度下瀉溜紅土坡積體入滲特征

入滲速率是單位時間內(nèi)進入土體的水量，而穩(wěn)滲速率是土壤入滲速率趨于相對穩(wěn)定時所對應(yīng)的入滲速率，可反映土壤的穩(wěn)定入滲能力。在降雨過程中，利用降雨強度可以計算出單位時間內(nèi)徑流小區(qū)內(nèi)的降水總量，減去相應(yīng)時間段內(nèi)的產(chǎn)流總量，得出單位時間內(nèi)的入滲量(忽略蒸發(fā)散量和其他損失)。

由表3可以看出：在人工模擬降雨條件下，隨著降雨強度的增加，平均入滲速率由0.22 mm/min(16.1 mm/h)增加至0.45 mm/min(51.3 mm/h)，即降雨強度越大，平均入滲速率越大；但是穩(wěn)滲速率隨著雨強的增加，增加趨勢卻不明顯，尤其是降雨強度從29.3增加至51.3 mm/h，穩(wěn)滲速率由0.32增加至0.39 mm/min，增加幅度較小，即降雨強度增大到29.3 mm/h以上，穩(wěn)滲速率幾乎不再發(fā)生變化。

表3 不同降雨強度下坡積體的入滲特征

注： 1)平均入滲速率即產(chǎn)流后至降雨結(jié)束前時間段內(nèi)的滲透速率；2)穩(wěn)滲速率即產(chǎn)流趨于穩(wěn)定后至降雨結(jié)束前的滲透速率。Notes: 1) The average infiltration rate refers to the infiltration rate in the period from the moment runoff occurs to that before rainfall ends. 2) The steady infiltration rate refers to the infiltration rate after runoff approaches steady to before rainfall ends.

4 討論

坡面產(chǎn)流受降雨特性和下墊面等因素影響，根據(jù)霍頓的產(chǎn)流理論，在降雨前期，土壤滲透性能較好，降水主要以入滲的形式被未飽和的土體吸收，大量降雨通過入滲進入土層，降雨量小于土壤滲透速率，因此這段時間不產(chǎn)生徑流；當(dāng)降雨強度逐漸增大，瀉溜土體表層土體逐漸被飽和土體含水量逐漸飽和，降水進入土體的量逐漸減少；待降雨量大于其入滲速率時，降雨在土體表層匯集，隨著降雨的持續(xù)，水分在土體表面匯集而產(chǎn)生徑流[12]。這是由于在降雨開始階段雨滴的擊濺作用使表層土體被擊濺分散，分散后的土體顆粒易被徑流沖走，隨著降雨的進行，降雨對坡面土體的作用從濺蝕逐漸轉(zhuǎn)化成為薄層水流的沖刷，而隨著降雨強度的增加，坡面徑流量逐漸增大，土體顆?？紫侗惶畛?，而且瀉溜紅土本身含黏土量高，降雨時因土體吸水，使體積迅速膨脹，致使非毛管孔隙和部分毛管孔隙度迅速下降，土體表層形成密實黏合的結(jié)皮層，使土體抗蝕性增強，降雨動能對土壤表層做功減少，因此徑流所攜帶的泥沙量也逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定[13-15]。有研究表明當(dāng)徑流深超過雨滴中值直徑3倍以后，地表徑流具有顯著的消減雨滴動能作用，雨滴的打擊作用會減弱，甚至消失[16]。

本研究中紅土瀉溜坡積體的侵蝕過程與其他研究者[15,17]利用黃土做的坡面侵蝕過程不同，因為在黃土人工降雨沖刷試驗中，降雨開始后，雨滴對土粒的擊濺作用強烈，土粒四處飛濺，表層土壤在雨滴的擊濺作用下被分散分離，這些松散物質(zhì)被產(chǎn)流后的初始薄層水流搬運走，形成坡面產(chǎn)沙的峰值，隨著降雨的進行，坡面逐漸出現(xiàn)細溝，降雨進一步匯集形成徑流，沿細溝流出，即整個過程分別為濺蝕，面蝕和溝蝕，呈現(xiàn)出完整的水力侵蝕過程。而紅土瀉溜坡積物為典型的松散的堆積體，在沖刷過程中只呈現(xiàn)出明顯的濺蝕和面蝕過程，且以面蝕為主，溝蝕過程不明顯甚至不出現(xiàn)侵蝕溝。這可能與瀉溜紅土黏粒含量較高的自身特性有密切關(guān)系。此外，隨著降雨強度的增大，降雨動能增加，雨滴對地表的打擊作用增強，對土壤的夯實作用加劇，土壤結(jié)皮會更加發(fā)育，縮短了徑流沖刷歷程，從而縮短了紅土瀉溜侵蝕過程。同時隨著降雨強度的增大，土壤濕潤速度加快，崩解作用導(dǎo)致的土壤團聚體破碎會明顯加劇，細小的土壤顆粒會隨下滲水流填堵土壤孔隙，導(dǎo)致滲透速率增加趨勢減緩[18]。這也解釋了在本研究中，穩(wěn)滲速率隨著雨強的增加并無明顯增加趨勢的結(jié)果。

筆者對瀉溜紅土坡積體產(chǎn)流產(chǎn)沙特征做了較深入特定分析，由于本次試驗使用的徑流槽車坡長較短，因此降雨過程中坡面集中匯流量小，降雨結(jié)束后坡面未出現(xiàn)明顯的侵蝕溝，在更長坡度下是否會出現(xiàn)明顯的溝蝕過程，呈現(xiàn)出完整的水力侵蝕過程，還有待進一步研究。

5 結(jié)論

4種降雨強度(16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h)產(chǎn)生的產(chǎn)流總量分別為2 250、5 174、10 036和17 612 cm3；產(chǎn)沙總量從小到大依次為290 g (16.1 mm/h)<620 g (29.3 mm/h) 780 g (40.5 mm/h)<810 g (51.3 mm/h)；產(chǎn)沙量達到峰值所需時間分別是26、20、18和16 min，徑流所攜帶的泥沙趨于穩(wěn)定所需時間分別是34、32、30和26 min；平均入滲速率分別為0.22、0.37、0.44和0.45 mm/min，穩(wěn)滲速率分別為0.19、0.32、0.38和0.39 mm/min。隨著降雨強度的增加，產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、入滲速率逐漸增加，但穩(wěn)滲速率增加的趨勢不明顯，穩(wěn)定產(chǎn)流產(chǎn)沙所需時間逐漸縮短。本研究結(jié)果可為紅土瀉溜侵蝕的防治和瀉溜紅土坡積體的改良利用提供指導(dǎo)。