黃土堆積體變坡長坡面細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程

齊星圓, 高照良,2, 張 翔, 李永紅, 李玉亭婷

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 3.萍鄉(xiāng)學(xué)院, 江西 萍鄉(xiāng)33 700)

近年來，生產(chǎn)建設(shè)項目導(dǎo)致的人為水土流失已逐漸成為水土流失主要來源之一[1]。各類項目開挖、壓埋、堆墊等不同擾動方式產(chǎn)生了大量棄土棄渣等廢棄材料，形成具有復(fù)雜層次化結(jié)構(gòu)的工程堆積體，成為建設(shè)區(qū)獨(dú)特的人為地貌單元[2]。工程堆積體多具有“平臺—陡坡”結(jié)構(gòu)，在短歷時、強(qiáng)降雨條件下，平臺匯流形成的上方來水使細(xì)溝在坡面迅速發(fā)育，引發(fā)劇烈土壤侵蝕[3]。因此，研究堆積體坡面細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程具有重要意義。

細(xì)溝侵蝕在切割地表、輸移泥沙的同時不斷重塑流域微地貌，這一現(xiàn)象集中體現(xiàn)在細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程中。細(xì)溝發(fā)育形態(tài)變化包括溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張和溝床下移，其中溝頭前進(jìn)屬溯源侵蝕，溝岸擴(kuò)張是沿程侵蝕，二者均屬水力重力共同作用下的侵蝕形式，溝床下移是由徑流下切侵蝕引起，三者侵蝕方式、侵蝕動力和侵蝕機(jī)理的差異性導(dǎo)致細(xì)溝發(fā)育的復(fù)雜多變性[4-5]。降雨徑流的時空格局[6]和復(fù)雜的下墊面條件[7]對坡面細(xì)溝發(fā)育有顯著影響。降雨及徑流作為土壤侵蝕動力和能量傳遞介質(zhì)以及泥沙搬運(yùn)的載體直接參與細(xì)溝侵蝕的整個過程。下墊面土體為主要泥沙來源，土壤特性[8]、植被因子[9-10]及流域微地形[11-12]通過干擾徑流的入滲、匯集和分散進(jìn)而影響細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程。由于細(xì)溝形態(tài)變化的復(fù)雜性、侵蝕過程的隨機(jī)性[13]和影響因素的多樣性，細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程研究已成為熱點(diǎn)并取得了豐碩成果。相關(guān)研究顯示，細(xì)溝寬度、深度和寬深比等參數(shù)間存在顯著相關(guān)關(guān)系，三者能夠較好地刻畫細(xì)溝形態(tài)演變特征[14-16]，細(xì)溝密度、割裂度、復(fù)雜度等可以作為重要參考指標(biāo)[17-18]。一些研究還涉及細(xì)溝形態(tài)參數(shù)與水沙關(guān)系[19-20]、細(xì)溝橫縱斷面發(fā)育影響機(jī)制及動力特性[21-22]以及細(xì)溝侵蝕發(fā)育階段的影響因素及其效應(yīng)分析[23-24]。然而，大多研究對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)的選取尚不規(guī)范，形態(tài)指標(biāo)的科學(xué)性、合理性和代表性仍需大量試驗驗證，同時，多數(shù)試驗是基于自然坡面或坡耕地的短坡長(5～10 m)研究，很少涉及具有更大坡長的工程堆積體坡面。

本文以仿真堆積體陡坡坡面為研究對象，通過開展野外放水沖刷試驗，對細(xì)溝發(fā)育形態(tài)進(jìn)行指標(biāo)量化及合理概化，研究黃土堆積體平臺匯水對細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程的影響，以期揭示堆積體坡面侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律，為水土流失防控措施優(yōu)化布設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年7月至9月在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所楊凌水土保持野外科學(xué)試驗站(107°59′36.12″E，34°19′24.84″N)進(jìn)行。該站地處陜西省楊凌區(qū)，北接黃土高原，南臨渭水，地勢北高南低，海拔在431～559 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年降水量635.1 mm，平均氣溫12.9℃，無霜期211 d，植被種類主要有沙棘、杜仲、元寶楓等，地帶性土壤類型為塿土，質(zhì)地為中壤，土壤母質(zhì)為馬蘭黃土。

為模擬黃土區(qū)依坡傾倒型工程堆積體，試驗小區(qū)修建在工程開挖坡面上，小區(qū)覆土為工程棄土，堆置前清除礫石(>2 mm)、雜草及植物根系，坡面無植被覆蓋，覆土厚0.5 m，土石比超過9∶1，土壤顆粒粒徑<0.002 mm，0.005～0.002 mm，0.01～0.005 mm，0.02～0.01 mm，0.05～0.02 mm，0.1～0.05 mm，0.2～0.1 mm對應(yīng)含量依次為24.04%，6.64%，9.22%，20.29%，35.20%，4.51%，0.1%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計坡度為24°，28°和32°，坡寬為1 m，坡長8，12，16，20 m，對應(yīng)沖刷流量依次為：12，18，24，30 L/min(模擬雨強(qiáng)1.5 mm/min，徑流系數(shù)為0.5條件下匯水面積為2倍試驗小區(qū)面積時的上方來水)，沖刷歷時30 min。為方便測量，在試驗小區(qū)坡面等距設(shè)置8個觀測斷面，其中斷面1，2，斷面3，4，斷面5，6，斷面7，8依次對應(yīng)平臺—陡坡過渡區(qū)和坡上部、坡中上部、坡中下部、坡下部。

試驗小區(qū)采用鋁塑板(長2 m×寬0.6 m×厚4 mm)拼接圍成，鋁塑板埋深0.45 m，高出坡面0.15 m。為保證試驗本底基本相同，12個試驗小區(qū)同時進(jìn)行試驗前整理，試驗后覆土回填。為控制各小區(qū)土壤容重和含水率基本一致，人為對坡面進(jìn)行整平、壓實，并在試驗前24 h對坡面均勻灑水，直到坡面即將產(chǎn)流并用塑料薄膜覆蓋。試驗開始前，在8個觀測斷面取土，深度0—20 cm，土壤容重在1.12～1.27 g/cm3，均值為1.21 g/cm3，土壤含水率為27.04%～34.27%，均值為30.31%。為準(zhǔn)確控制沖刷流量，試驗前用體積法率定3次，允許誤差范圍±5%。試驗小區(qū)及沖刷裝置示意圖見圖1。

試驗時采用恒壓供水以保證溢流槽出流穩(wěn)定，待小區(qū)出水口產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時間，之后重新計時，前3 min內(nèi)每隔1 min測量溝寬、溝深、流速和流寬，3 min后每隔3 min測量一次，同時用1 000 ml泥樣瓶(精度1 ml)收集徑流泥沙樣品，烘干處理后用置換法計算徑流量、產(chǎn)沙量，溝寬、溝深和流寬采用鋼尺(精度1 mm)測量，流速采用高錳酸鉀染色劑示蹤法(精度0.1 m/s)測定，所得流速分別乘以校正系數(shù)0.67，0.70，0.80，作為各斷面層流、過渡流和紊流的平均流速[3]。試驗開始前和結(jié)束后測量穩(wěn)流槽內(nèi)水溫，二者取均值用以計算水流雷諾數(shù)。試驗供水為試驗站井水。

注： 1.儲水桶；2.水閥；3.恒壓桶；4.溢流管；5.流量計；6.溢流槽；7.觀測斷面；8.鋁塑板；9.砂漿抹面；10.集流桶。

圖1 試驗小區(qū)及沖刷裝置示意圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2013和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)溝寬度

坡度為24°，28°和32°時，溝寬隨沖刷歷時變化過程見圖2，在A，B，C中，溝寬隨沖刷歷時延長呈先增大后基本穩(wěn)定趨勢，但不同坡長條件下溝寬發(fā)育速度、穩(wěn)定時間及最終穩(wěn)定值不盡相同。

就沖刷歷時而言，溝寬在0～9 min快速發(fā)育，發(fā)育寬度占穩(wěn)定寬度的64%～88%，但發(fā)育速度逐漸變緩；在9～30 min內(nèi)緩慢發(fā)育并最終于24 min基本穩(wěn)定，發(fā)育寬度僅占穩(wěn)定寬度的12%～36%。坡長為8，12，16，20 m時溝寬均值依次為12.39，14.35，16.87，17.63 cm，與8 m坡長相比，后三者溝寬分別增加15.81%，36.16%，42.29%，可見溝寬隨坡長增大顯著增大。

以沖刷歷時為自變量，溝寬為因變量，擬合得出二者之間存在很好的對數(shù)關(guān)系，可用以下通式表示，即

y1=a1ln(x)±b1

(1)

式中：y1為溝寬(cm)；x為沖刷歷時(min)；a1，b1為常數(shù)，無量綱。

表1列出了溝寬與沖刷歷時的擬合函數(shù)式，式中系數(shù)a1，b1各不相同。坡度一致時，系數(shù)a1隨坡長增大明顯增大，b1無明顯規(guī)律，表明溝寬發(fā)育速度隨坡長增大而加快，但最終穩(wěn)定寬度由a1，b1共同決定。

表1 溝寬與沖刷歷時擬合函數(shù)

注：y1為溝寬；x為沖刷歷時(*表示0.05水平顯著相關(guān)，**表示0.01水平顯著相關(guān)，n=12，下同)。

圖2 細(xì)溝寬度動態(tài)發(fā)育過程

綜上所述，坡長變化對坡面細(xì)溝發(fā)育有顯著影響，坡長越長溝寬越大，且發(fā)育速度隨坡長增大而加快。

2.2 細(xì)溝深度

坡度為24°，28°和32°時，溝深隨沖刷歷時變化過程見圖3，溝深隨沖刷歷時延長呈增大趨勢，且先快后慢，但不同坡長條件下溝深發(fā)育速度、發(fā)育時間及最終值有所差異。

圖3 細(xì)溝深度動態(tài)發(fā)育過程

就沖刷歷時而言，溝深在0～15 min快速發(fā)育，占最終深度的68%～84%，但發(fā)育速度逐漸變緩；在15～30 min內(nèi)發(fā)育較慢，僅占最終深度的16%～32%。從不同坡長來看，8，12，16，20 m坡長溝深均值依次為7.25，8.76，10.05，12.39 cm，與8 m坡長相比，后三者溝深分別增大20.83%，38.62%，70.90%，顯然溝深隨坡長增大呈明顯增大趨勢。

以沖刷歷時為自變量，溝深為因變量，擬合得出二者之間存在很好的對數(shù)關(guān)系，可用以下通式表示

y2=a2ln(x)±b2

(2)

式中：y2為溝深(cm)；x為沖刷歷時(min)；a2，b2為常數(shù)，無量綱。

表2列出了溝深與沖刷歷時的擬合函數(shù)式，當(dāng)坡度不變時，系數(shù)a2隨坡長增大而增大，b2變化無明顯規(guī)律，表明坡長越長，溝深發(fā)育速度越快，但最終溝深是由a2，b2共同決定。

表2 溝深與沖刷歷時擬合函數(shù)

注：y2為溝深。

綜上所述，坡長變化對坡面細(xì)溝溝深影響顯著，主要是溝深隨坡長增大而增大，且坡長越長溝深發(fā)育速度越快。

2.3 細(xì)溝寬深比

為綜合分析溝寬溝深動態(tài)變化，繪制了細(xì)溝寬深比隨沖刷歷時變化過程如圖4，顯然，0～21 min為變化階段，21～30 min為基本穩(wěn)定階段，但具體變化趨勢有所差異，圖4A，B中寬深比先減小后增大再減小最后趨于穩(wěn)定，而圖4C中寬深比先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，表明不同發(fā)育階段細(xì)溝侵蝕特征不同。

就沖刷歷時而言，圖4A，B中寬深比在0～3 min迅速減小，表明此時段內(nèi)徑流下切能力強(qiáng)，溝床下移；3 min后，圖4A，B中寬深比迅速增大并分別于6，9 min時達(dá)到峰值，顯然溝寬發(fā)育快于溝深，主要是因為細(xì)溝形成后沿程側(cè)蝕，土體含水量趨于飽和重力增大，加之前期溝床下移使溝岸極不穩(wěn)定，受重力作用極易坍塌，溝寬急劇增大；圖4A中6～30 min和圖4B中9～30 min寬深比逐漸減小后趨于穩(wěn)定，表明溝深發(fā)育快于溝寬，主要是由于坍塌后的溝岸基本不再變化，溝寬發(fā)育穩(wěn)定，徑流進(jìn)一步下切侵蝕溝深增大，寬深比減小，但隨著溝床抗沖性增強(qiáng)溝深發(fā)育變緩，寬深比趨于穩(wěn)定。此外，溝深發(fā)育較快還有另一個原因——溯源侵蝕，由于下墊面組成的差異導(dǎo)致徑流沿程侵蝕程度不同，抗沖性較差的部位首先被侵蝕形成跌坎，在徑流下切作用下發(fā)育成為溝頭并逐漸向與水流流向相反的方向前進(jìn)，致使溝長變長、溝深增大。圖4C中寬深比0～3 min迅速增大并于3 min達(dá)到峰值，表明此時段溝寬發(fā)育顯著強(qiáng)于溝深，主要是因為32°坡度大，相對24°，28°而言，重力侵蝕明顯，溝岸更易坍塌進(jìn)而擴(kuò)張使溝寬發(fā)育較快；3～30 min寬深比逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定，其主要原因與前述相同。

圖4 細(xì)溝寬深比變化過程

從坡長來看，圖4A中寬深比均在6 min達(dá)到峰值，21 min后趨于穩(wěn)定；圖4B中坡長20 m時寬深比在6 min后雖有波動但變化不大，其余三者在9 min時均有明顯峰值且隨后減?。粓D4C中除12 m坡長的寬深比峰值出現(xiàn)在9 min處，其余峰值均在3 min處，綜上表明坡長變化對寬深比有影響但并無明顯規(guī)律。從最終穩(wěn)定值來看，圖4A，B，C寬深比分別為1.54～2.39，1.86～2.56，1.74～1.93，均值為2.05，表明細(xì)溝發(fā)育溝寬大于溝深。

2.4 細(xì)溝斷面

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場影像資料，擬將細(xì)溝斷面概化為V形或矩形，通過分析對比最終確定合理概化形狀。為方便比較，引入概化產(chǎn)沙量概念[25]，是指將細(xì)溝斷面概化為某種形狀，并由此求得的細(xì)溝侵蝕理論產(chǎn)沙量，其與實際產(chǎn)沙量的比值稱為產(chǎn)沙比，量綱為1，顯然產(chǎn)沙比越接近1，表明概化產(chǎn)沙量與實際產(chǎn)沙量越接近，即細(xì)溝斷面概化精確度越高。

概化產(chǎn)沙量與細(xì)溝斷面關(guān)系式如下：

M1=ρ×(S1×L)/2

(3)

M2=ρ×(S2×L)

(4)

式中：M1，M2為V形、矩形概化產(chǎn)沙量(kg)；ρ為干土密度(kg/m3)，在數(shù)值上與土體容重相等；S1，S2為V形、矩形斷面面積(m2)(根據(jù)溝寬溝深求得)；L為試驗小區(qū)斜長(m)。

兩種概化形狀產(chǎn)沙比隨沖刷歷時變化情況見圖5，整體呈先增后減最終穩(wěn)定趨勢，除前3 min外，顯然V形產(chǎn)沙比更接近Y=1。就不同概化形狀而言，V形產(chǎn)沙比集中在0.46～1.57，均值為0.94(<1)，矩形產(chǎn)沙比集中在0.92～3.14，均值為1.88(>1)，故將細(xì)溝斷面概化為V形更精確，更具合理性。

圖5 產(chǎn)沙比變化情況

2.5 斷面泥沙貢獻(xiàn)率

試驗中，各觀測斷面細(xì)溝發(fā)育形態(tài)顯著不同導(dǎo)致產(chǎn)沙量差異較大，但由于侵蝕泥沙連續(xù)輸移，各觀測斷面實際產(chǎn)沙量無法獲得，本節(jié)中將細(xì)溝斷面概化為V形，以概化產(chǎn)沙量代替實際產(chǎn)沙量進(jìn)行分析。

各觀測斷面泥沙貢獻(xiàn)率動態(tài)變化情況見圖6，隨沖刷歷時延長，泥沙貢獻(xiàn)率在波動變化后于21 min基本穩(wěn)定，其中斷面1貢獻(xiàn)率波動最劇烈穩(wěn)定值也最大，其次是斷面2，其余6個斷面貢獻(xiàn)率基本在20%以下變化且波動幅度很小。

就泥沙貢獻(xiàn)率而言，斷面1，2總貢獻(xiàn)率集中在47.37%～94.44%，均值為60.36%，即其余6個斷面總貢獻(xiàn)率為39.64%，表明斷面1，2處為細(xì)溝侵蝕主要泥沙來源，即平臺—陡坡過渡區(qū)和坡上部為侵蝕易發(fā)區(qū)。從不同坡長來看，各斷面泥沙貢獻(xiàn)率動態(tài)變化情況基本一致，其中斷面1，2總體呈減小趨勢但有波動變化，斷面4～8整體呈增大趨勢但增值很小，對于斷面3，除坡長為16 m外，其余三者波動較大但總體都呈減小趨勢，表明坡長變化對各斷面泥沙貢獻(xiàn)率影響較小。

圖6 各斷面泥沙貢獻(xiàn)率

3 討 論

黃土堆積體因其土石混雜、植被缺乏及結(jié)構(gòu)獨(dú)特而與自然坡面存在較大差異。在黃土自然坡面，溝寬和溝深發(fā)育較緩，細(xì)溝溝網(wǎng)快速形成[26]，但堆積體坡面溝寬溝深迅速發(fā)育且穩(wěn)定值較大，主要是由于堆積體下墊面結(jié)構(gòu)疏松，土壤抗沖性較差，在坡面流作用下極易發(fā)生細(xì)溝侵蝕而較少發(fā)育溝網(wǎng)，這與已有研究結(jié)論基本一致[13]；此外，堆積體陡坡坡長越長重力作用越明顯，溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張及溝床下移異?；钴S，成為溝寬溝深迅速發(fā)育的重要原因。試驗中細(xì)溝斷面最終呈V形，符合典型侵蝕溝剖面特征[27]，與自然坡面侵蝕規(guī)律相近。在黃土自然坡面，土壤侵蝕時空變異理論已取得大量研究成果，一些研究者運(yùn)用137Cs示蹤法研究黃土坡面土壤侵蝕空間分布特征，認(rèn)為在農(nóng)耕地、溝坡溝道及復(fù)合坡面上土壤侵蝕均表現(xiàn)為強(qiáng)弱交替的波動變化，且不同土地利用情況下均有類似結(jié)論[28-29]，本文中不同斷面泥沙貢獻(xiàn)率波動變化符合這一規(guī)律。一般認(rèn)為，坡上部匯流面積小侵蝕能力弱，細(xì)溝斷面相對“窄淺”，坡中、下部隨匯流面積增大侵蝕能力加強(qiáng)水土流失劇烈，斷面較為“寬深”，在黃土區(qū)，梁峁頂部多為片蝕、中部為細(xì)溝侵蝕、下部多為細(xì)溝和淺溝侵蝕，即坡中、下部侵蝕強(qiáng)度大于坡上部[30-32]；但也有研究表明峁坡、坡耕地坡面中上部侵蝕強(qiáng)度最大，而強(qiáng)度最弱處為坡腳，坡中部則表現(xiàn)為一定的波動性[33]，本文結(jié)論與后者研究成果更為接近。與自然坡面相比，堆積體獨(dú)特性集中體現(xiàn)在其壓實平臺和松散坡面，在短歷時、強(qiáng)降雨條件下，平臺超滲產(chǎn)流并迅速匯水沖刷坡面，在平臺—陡坡過渡區(qū)徑流下切侵蝕嚴(yán)重，溝床下移、溝岸坍塌頻發(fā)，成為侵蝕易發(fā)區(qū)。徑流作為最主要的土壤侵蝕動力與下墊面土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，坡面表土通過影響徑流入滲率進(jìn)而干擾產(chǎn)流率及徑流流態(tài)，最終影響坡面侵蝕過程，在黃土堆積體坡面，由于土體疏松土壤入滲率極高，坡面流在流動過程中不斷沿程下滲最終徑流在整個坡面的分配呈“上多下少”格局，導(dǎo)致坡上部侵蝕強(qiáng)烈，而坡中、下部侵蝕強(qiáng)度相對較弱。

總之，黃土堆積體坡面與自然坡面的細(xì)溝侵蝕有較大不同，限于篇幅未能將二者侵蝕規(guī)律異同及預(yù)報模型相關(guān)參數(shù)做進(jìn)一步分析。此外，降雨引發(fā)的濺蝕對細(xì)溝發(fā)育存在一定影響，沖刷試驗未能體現(xiàn)這一過程。本文主要通過描述細(xì)溝形態(tài)變化研究其動態(tài)發(fā)育過程，但設(shè)計坡長較大，觀測斷面較多，數(shù)據(jù)測量時間間隔偏大，未能精準(zhǔn)反映某一時刻的細(xì)溝形態(tài)具體變化。

4 結(jié) 論

(1) 坡面細(xì)溝溝寬和溝深均隨沖刷歷時延長呈增大趨勢，且與沖刷歷時呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(2) 細(xì)溝寬深比先增后減最終穩(wěn)定于1.54～2.56，表明溝寬大于溝深，細(xì)溝斷面呈V形。

(3) 堆積體平臺—陡坡過渡區(qū)和坡上部泥沙貢獻(xiàn)率高達(dá)60.36%，為侵蝕易發(fā)區(qū)，在坡面水土流失治理過程中，應(yīng)重點(diǎn)加以考慮?？刹捎霉こ?、植物措施相結(jié)合的調(diào)控方式，針對平臺，可將其劃分為多個小型單元，在減小匯流面積的同時增加降雨徑流就地入滲攔蓄；對于坡面，分割徑流以減少匯流，層層設(shè)防以減緩流速，通過分塊、分段攔截以消減徑流侵蝕能量，最大限度地減少坡面水土流失。

(4) 坡長變化對溝寬和溝深有顯著影響且規(guī)律明顯，對細(xì)溝寬深比產(chǎn)生影響但無明顯規(guī)律，對斷面泥沙貢獻(xiàn)率影響較小。溝寬和溝深均隨坡長增大而增大，且發(fā)育速度也隨之加快，表明坡長越長，細(xì)溝溯源侵蝕、沿程侵蝕和下切侵蝕越劇烈，且侵蝕速率也越快。因此，對堆積體較長邊坡必須進(jìn)行削坡分級處理，截短坡長以控制坡面土壤侵蝕。