模擬降雨條件下不同礫石含量工程邊坡土壤侵蝕及水動(dòng)力學(xué)特征

楊 興, 張家喜, 彭培好, 王明田, 李 偉

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059; 2.中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041;3.成都理工大學(xué) 生態(tài)資源與景觀研究所, 四川 成都 610059; 4.四川省氣象臺(tái), 四川 成都 610072)

國家對(duì)交通建設(shè)的投資力度不斷加大，對(duì)改善區(qū)域交通條件，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但在地質(zhì)條件復(fù)雜的西南高山—亞高山地區(qū)，在公路建設(shè)過程中不可避免地切挖山體導(dǎo)致大量的裸露高陡土石邊坡，不僅改變了原有山體的生態(tài)環(huán)境與巖土結(jié)構(gòu)，使工程邊坡土壤及其養(yǎng)分極易流失，還嚴(yán)重影響了沿線公路運(yùn)輸安全[1-2]。工程建設(shè)會(huì)破壞原有的土體結(jié)構(gòu)和表層土壤環(huán)境，導(dǎo)致雨滴對(duì)土壤表層的直接沖擊和地表徑流對(duì)土壤沖擊攜帶的能力的增強(qiáng)，嚴(yán)重影響工程邊坡土壤理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[3]。土壤侵蝕不僅會(huì)帶走大量用于植被生長的土壤，還會(huì)使土壤中氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分大量流失。

礫石會(huì)增加土壤容重、孔隙度、剪切力等，導(dǎo)致土體下滲率增大，影響土體水分運(yùn)移規(guī)律[4-5]。礫石使土壤表面較為粗糙而具有較高的攔截徑流的能力，并減緩了地表徑流的運(yùn)移[6]。礫石的粒徑、含量、形態(tài)、間距等對(duì)徑流的運(yùn)動(dòng)特征具有重要的影響[7-9]。然而也有研究認(rèn)為，礫石對(duì)土壤侵蝕的影響還是復(fù)雜的和矛盾的，這取決于巖石碎片的特征及徑流狀況[10-11]。綜上所述，由于雨強(qiáng)、礫石含量、土壤類型、坡度、含水量等不同，礫石對(duì)坡面侵蝕的影響存在巨大差異[12-16]，而目前針對(duì)嵌套礫石邊坡研究多為坡度較低，礫石含量不高的坡耕地或工程堆積體[17-19]。西南高山—亞高山地區(qū)廣泛存在的工程坡面具有裸露、高坡度、高礫石含量的特點(diǎn)。高坡度狀況下不僅導(dǎo)致土壤因剪切力較大帶來的土體不穩(wěn)定，而且會(huì)使得坡面徑流對(duì)坡面土壤結(jié)構(gòu)沖擊和搬運(yùn)能力加強(qiáng)。表層的礫石會(huì)降低雨滴的濺蝕能力和徑流對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的沖擊，土體中的礫石會(huì)加大土壤的孔隙度從而減少地表徑流量。本研究通過對(duì)在高坡度、高礫石含量下的工程邊坡侵蝕特征進(jìn)行研究，分析不同雨強(qiáng)、坡度、礫石含量等對(duì)工程邊坡徑流的水力學(xué)參數(shù)和土壤侵蝕特征的影響，旨在為西南高山—亞高山區(qū)工程邊坡水土保持、土壤重建、生態(tài)恢復(fù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)所用土壤樣品于2018年11月采自四川省瀘定縣二郎山西坡G318國道工程邊坡表層土，類型屬于棕壤，為間棕色；下層黃棕色、棕褐色；土層深厚，但層次過渡不明顯；上層為中壤質(zhì)，下層為黏壤質(zhì)；土體中夾礫石極多；母質(zhì)多為花崗巖沉積物；土壤近中性或微酸性，pH值約5.4～6.2[20]通過結(jié)合研究區(qū)工程邊坡具體的土壤及礫石狀況，對(duì)邊坡土壤進(jìn)行風(fēng)干、過篩、分選、混合等處理，分別過0.2，0.5，1，2，4和6 cm樣品篩，制備<0.2 cm土壤和0.2～0.5 cm，0.5～1 cm，1～2 cm，2～4 cm，4～6 cm這5種粒徑礫石并按照體積比2.2∶3.0∶2.3∶1.7∶0.8比例將礫石裝袋混合。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究于2018年12月采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)的方法，在中國科學(xué)院萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)站人工模擬降雨大廳進(jìn)行，采用4 m高下噴式降雨裝置，降雨強(qiáng)度通過壓力表調(diào)節(jié)，雨強(qiáng)可調(diào)至20～150 mm/h，兩臺(tái)降雨機(jī)并排降雨，降雨均勻度達(dá)到80%，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)土槽為自主設(shè)計(jì)及制作的聚丙烯土槽，規(guī)格為長1 m，寬0.4 m，深0.25 m，底部均勻打孔(2 mm)，坡度變化范圍為0°～75°。通過結(jié)合研究區(qū)工程邊坡地形、氣候、土壤等條件，設(shè)置5種礫石含量：3%，15%，35%，55%，75%；設(shè)置3種雨強(qiáng)：40，60和80 mm/h；坡度：50°。用噴壺噴霧及Delta-T(HH2)便攜式水分測(cè)試儀將土壤相對(duì)含水率控制在7.5%～10%范圍內(nèi)。為使土壤透水狀況接近天然坡面，底層鋪設(shè)粒徑5 mm厚粗沙。土壤采取分層填土的方式進(jìn)行裝填，每層5 cm并打毛處理，填充后壓實(shí)并通過稱重法使土壤容重控制在1.18～1.34 g/cm3范圍內(nèi)。試驗(yàn)前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行10 min率定，每天進(jìn)行2場(chǎng)降雨，每場(chǎng)降雨1～2 h。為避免模擬降雨后土壤理化性質(zhì)的改變對(duì)試驗(yàn)的影響，每次試驗(yàn)后將土壤取出并重新配比裝填新的試驗(yàn)土壤。

1.3 樣品收集與分析

模擬降雨開始后計(jì)時(shí)，用精度0.01 s的秒表記錄初始產(chǎn)流時(shí)間。坡面產(chǎn)流后進(jìn)行歷時(shí)65 min的地表徑流及泥沙收集，并用秒表記錄時(shí)間，前10 min時(shí)間段每2 min采集一次樣品，之后每5 min收集一次樣品。同時(shí)用高錳酸鉀染色劑測(cè)定流速。試驗(yàn)樣品靜置24 h，用量筒測(cè)量地表徑流，將試驗(yàn)樣品裝入鋁盒并放入105 ℃烘箱中烘干，稱量。相關(guān)計(jì)算公式為：

(1) 徑流深(h)。測(cè)量時(shí)段內(nèi)坡面平均徑流水深，計(jì)算公式為：

(1)

式中：h——徑流深(m)；q——t內(nèi)時(shí)間的徑流量(m3)；t——徑流取樣時(shí)間(s)；V——斷面平均流速(ms)；b——過水?dāng)嗝鎸挾?m)。

(2) 土壤侵蝕率(Dr)。坡面徑流在單位時(shí)間內(nèi)所輸移出的泥沙質(zhì)量，計(jì)算公式為：

(2)

式中：Dr——土壤侵蝕率(g/s);Mt——測(cè)量時(shí)段t內(nèi)的所運(yùn)移出的泥沙含量(g);t——接樣時(shí)間(min)。

(3) 徑流率(Q)。坡面在降雨條件下單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生地表徑流的體積，計(jì)算公式為:

(3)

式中：Q——徑流率(ml/min)；t——接樣時(shí)間(min)；Dt——接樣時(shí)間t內(nèi)的徑流含量(ml)。

(4) 徑流剪切力(τ)。徑流在流動(dòng)時(shí)對(duì)坡面土壤剝蝕大小的參數(shù)，計(jì)算公式為：

τ=γmgRJ

(4)

式中：τ——徑流剪切力(Pa或N/m2);γm——渾水密度(kg/m3)，考慮了含沙量的影響；g——重力加速度，取9.8 m/s2；R——水力半徑(m)，薄層水流可視為二元流，水力半徑近似于等于斷面平均水深；J——水力坡度，用坡度的正切值近似代替。

(5) 徑流功率(ω)。表征作用于單面水流所消耗的功率，水流流動(dòng)時(shí)挾沙能力的參數(shù)，計(jì)算公式為：

ω=τ·V

(5)

式中：ω——徑流功率〔N/(m·s)〕，是徑流剪切力(包含坡度、水深)和流速的函數(shù)，包含了徑流剪切力和流速的影響；V——坡面水流速率(m/s)。

(6) 過水?dāng)嗝鎲挝荒?E)。以過水?dāng)嗝孀畹忘c(diǎn)做基準(zhǔn)面的單位水中的動(dòng)能和勢(shì)能之和，計(jì)算公式為：

(6)

式中：E——過水?dāng)嗝鎲挝荒埽沪痢Ｕ禂?shù)，取值為1；h——平均徑流水深。

采用SPASS 25.0，Excel軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同礫石含量工程邊坡徑流特征

2.1.1 初始產(chǎn)流時(shí)間 初始產(chǎn)流時(shí)間是指坡面開始接受降雨至坡面形成薄層水流的時(shí)間，受坡面土壤特性、坡度、坡長等綜合效應(yīng)的影響，工程坡面中礫石通過改變土壤孔隙狀況和坡體地貌微形態(tài)對(duì)坡面產(chǎn)流過程產(chǎn)生影響[20]。由表1可知，在不同的降雨強(qiáng)度下，隨著試驗(yàn)坡面礫石含量的增加，坡面產(chǎn)流時(shí)間均隨之減少。其中在40 mm/h雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流時(shí)間隨著礫石含量增加減少了2.5～7.65 min；在60 mm/h雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流時(shí)間隨礫石增加減少了2.13～3.14 min；在80 mm/h雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流時(shí)間隨著礫石含量增加減少了0.64～1.79 min。回歸分析表明，各礫石含量坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與雨強(qiáng)均呈線性函數(shù)關(guān)系(R2=0.604，p<0.05)。當(dāng)?shù)[石含量較低時(shí)，土體結(jié)構(gòu)較為緊密，高坡度下，重力作用導(dǎo)致地表徑流下滲力降低，濕潤峰達(dá)到一定值后難以繼續(xù)下移，坡面徑流匯集時(shí)間較短[21]，隨著坡面土壤礫石含量的增加，坡面土體容易形成較多聯(lián)通的大孔隙，坡面下滲能力較強(qiáng)，且濕潤峰持續(xù)下移，水份入滲量隨著礫石含量的增大而增加。

表1 不同礫石含量下工程坡面產(chǎn)流時(shí)間

2.1.2 徑流率 由圖1可知，不同降雨強(qiáng)度下，工程坡面徑流率及其隨降雨歷時(shí)變化幅度均隨著坡面土壤礫石含量的增加而減少，坡面徑流率變化過程具有明顯差異性。雨強(qiáng)為40 mm/h時(shí)，隨著礫石含量增加，坡面徑流率減少了0.048～0.55 ml/s，坡面徑流率較低且隨降雨歷時(shí)整體呈現(xiàn)緩慢且平穩(wěn)增長的趨勢(shì)；當(dāng)雨強(qiáng)為60 mm/h時(shí)，坡面徑流率下降率為0.44～0.71 ml/s，坡面徑流率呈現(xiàn)出迅速增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；當(dāng)雨強(qiáng)為80 mm/h時(shí)，坡面徑流率下降率為0.28～1.21 ml/s，坡面徑流率整體呈現(xiàn)出迅速增長后波浪式緩慢上升的趨勢(shì)。這是由于地表礫石的覆蓋對(duì)生物結(jié)皮具有一定的影響[22-23]；隨著礫石含量的增加，重力作用下坡體土壤剪切力的增大使坡面產(chǎn)生較多裂縫，這不僅使土壤孔隙數(shù)量增加而且土壤顆粒與礫石結(jié)構(gòu)慢慢變得疏松，礫石與土壤—的入滲面也隨之增加；同時(shí)礫石含量的增加使水分下滲深度增加，促進(jìn)壤中流的發(fā)生，表層礫石的分流作用也使得坡面徑流流速大幅降低[24]。

圖1 不同雨強(qiáng)和礫石含量下土壤徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化過程

2.1.3 徑流水動(dòng)力參數(shù)變化規(guī)律 圖2為各實(shí)驗(yàn)條件下的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)狀況。

圖2 各實(shí)驗(yàn)條件下水動(dòng)力學(xué)參數(shù)

從圖2可以看出，在5種坡面礫石含量下，徑流剪切力、徑流功率和過水?dāng)嗝鎲挝荒芫S降雨強(qiáng)度的增加而不同程度的增加。徑流剪切力分別增加17.3%～24.6%，13.8%～41%；徑流功率分別增加了52%～82%，47.7%～75.2%；過水?dāng)嗝鎲挝荒芊謩e增加了49.2%～101.6%，55.8%～88.9%。在3種降雨強(qiáng)度條件下，徑流剪切力、徑流功率和過水?dāng)嗝鎲挝荒芫S礫石含量的增加而明顯減少。徑流剪切力分別減少6.4%～13.5%，8.3%～12%，8.5%～18%；徑流功率分別減少了13.5%～18.2%，16%～23%，16.2%～29.4%；過水?dāng)嗝鎲挝荒芊謩e減少了16.0%～18.4%，12.6%～25.1%，14.1%～24.6%。通過回歸分析表明，各降雨強(qiáng)度下徑流剪切力與礫石含量均呈顯著線性函數(shù)關(guān)系(R2=0.971～0.992，p<0.05)；徑流功率與礫石含量均呈顯著對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2=0.928～0.949，p<0.05)；過水?dāng)嗝鎲挝荒芘c礫石含量均呈顯著線性函數(shù)關(guān)系(R2=0.944～0.973，p<0.05)。隨著雨強(qiáng)的增加，坡面徑流量隨著增加，徑流流速及其徑流深度隨著增加。坡度較大，重力作用導(dǎo)致坡面徑流流速較快，同時(shí)礫石含量的增加使坡面土壤入滲率增加，坡面徑流量的降低導(dǎo)致坡面平均徑流深度隨著減少。同等降雨條件下礫石覆蓋大大增加了工程坡面的地表粗糙度，礫石對(duì)水流具有分流及阻礙作用，一方面礫石將坡面徑流分成細(xì)小的溝流，另一方面礫石對(duì)向下運(yùn)動(dòng)的水流具有阻礙和能量消耗作用，礫石含量增多坡面流速明顯降低[25-26]。

2.2 不同礫石含量工程邊坡侵蝕特征

2.2.1 侵蝕率隨降雨歷時(shí)變化特征 由圖3可以看出，坡面侵蝕率隨著礫石含量的增加而減小，不同降雨強(qiáng)度下侵蝕率大小及變化過程具有明顯差異。當(dāng)雨強(qiáng)為40 mm/h時(shí)，隨著礫石含量增加侵蝕率減少了0.001 3～0.015 5 g/s，坡面整體侵蝕率較低，隨降雨歷時(shí)整體呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)；當(dāng)雨強(qiáng)為60 mm/h時(shí)，隨著礫石含量增加侵蝕率減少了0.021～0.037 g/s，侵蝕率在10～15 min時(shí)達(dá)到峰值，其中當(dāng)?shù)[石含量為3%和15%時(shí)，侵蝕率迅速增加后后波浪式緩慢上升，當(dāng)?shù)[石含量≥35%后，侵蝕率迅速達(dá)到峰值后開始緩慢下降；當(dāng)雨強(qiáng)為80 mm/h時(shí)，隨著礫石含量增加侵蝕率減少了0.015～0.046 g/s，其中礫石含量為3%時(shí)，坡面侵蝕率1～15 min迅速增長后增長速率變緩慢，55 min時(shí)達(dá)到峰值后開始下降，當(dāng)?shù)[石含量≥15%時(shí)，邊坡侵蝕率在8～12分鐘迅速達(dá)到峰值后都開始緩慢下降。隨著雨強(qiáng)的增加，不同礫石含量工程坡面侵蝕率也隨著增加，當(dāng)雨強(qiáng)由40 mm/h增至60 mm/h時(shí)，侵蝕率增加了0.041～0.124 g/s(360%～520%)；但雨強(qiáng)由60 mm/h增至80 mm/h時(shí)，侵蝕率增加了0.002～0.021 g/s(15%～40%)。坡面侵蝕率增速隨著礫石含量增多而降低。

2.2.2 礫石含量對(duì)侵蝕量的影響 如圖3所示，不同礫石含量工程邊坡降雨侵蝕量與雨強(qiáng)呈冪函數(shù)關(guān)系(p<0.05)。工程坡面土壤侵蝕量在不同雨強(qiáng)下均隨著礫石含量的增多而減小，在40，60，80 mm/h雨強(qiáng)下，隨著坡面礫石含量的增多侵蝕量分別減少了15.0～62.5 g，78.7～145.6 g，58.6～108.9 g；土質(zhì)坡面侵蝕量分別是的礫石含量為15%，35%，55%，75%礫石的1.19～1.21倍，1.41～2.15倍，2.1～2.86倍，2.55～3.79倍。

逐步回歸分析工程邊坡降雨侵蝕量與雨強(qiáng)和礫石含量的關(guān)系表明，降雨侵蝕量與雨強(qiáng)及礫石含量呈極顯著線性關(guān)系：

H=9.36I-4.51G-67.309

(R2=0.834，p<0.01，N=16)

(7)

式中：H——工程邊坡侵蝕量(kg)；I——為雨強(qiáng)(mm/h)；G——礫石含量(%)。

圖3 不同雨強(qiáng)和礫石含量下土壤侵蝕量及侵蝕率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化過程

2.3 工程邊坡土壤侵蝕率Y與徑流特征的關(guān)系

圖4為邊坡土壤侵蝕率與各徑流特征參數(shù)的關(guān)系，通過對(duì)試驗(yàn)所得徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芘c侵蝕率進(jìn)行相關(guān)性分析及回歸分析，相關(guān)性分析表明，工程邊坡土壤侵蝕率與徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芫曙@著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)依次為0.860，0.922，0.869和0.890，徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒軐?duì)土壤侵蝕率有顯著影響；回歸分析表明，工程邊坡土壤侵蝕率與徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒艹曙@著冪函數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系，具體變化方程式如圖4所示。

圖4 土壤剝蝕率與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

(1) 工程坡面所含礫石增加了土壤入滲率并降低了徑流流速，產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量的增加而延長并與雨強(qiáng)呈線性函數(shù)關(guān)系；徑流率隨著礫石含量的增多而減少，不同雨強(qiáng)下，徑流率隨降雨歷時(shí)變化過程具有明顯的差異。不同雨強(qiáng)下徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芘c礫石含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 坡面侵蝕量隨著礫石含量的增加而減小，降雨侵蝕量與雨強(qiáng)及礫石含量呈極顯著線性關(guān)系；不同雨強(qiáng)和礫石含量下，坡面徑流率大小及變化過程具有明顯的差異性，隨著坡面土壤礫石含量的增多，徑流率變化幅度減少，坡面侵蝕量逐漸下降；坡面礫石具有抗侵蝕作用。

(3) 工程邊坡土壤侵蝕率與徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芫曙@著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，徑流剪切力、徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒軐?duì)工程邊坡土壤侵蝕有顯著影響，回歸分析表明，工程邊坡土壤侵蝕率與各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)呈顯著冪函數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系。

礫石對(duì)工程邊坡土壤侵蝕及水動(dòng)力學(xué)特征的影響不僅取決于礫石含量，也取決于礫石的粒徑及其形狀，后者對(duì)徑流入滲特征、坡面徑流具有重要影響。本文僅基于50°短坡下的模擬試驗(yàn)結(jié)果開展不同礫石含量和雨強(qiáng)對(duì)工程邊坡土壤侵蝕的影響研究，但實(shí)際上工程邊坡坡度、坡長對(duì)于工程邊坡土壤侵蝕也存在顯著影響。因此，今后仍需針對(duì)不同坡長、坡度、礫石粒徑及其形狀、植被覆蓋等因素對(duì)工程邊坡土壤侵蝕特征的影響進(jìn)行深入研究。