土堆積體坡面細溝形態(tài)及其沿程分布特征

2019-09-05 08:57:20高照良盧茜

水土保持研究 2019年5期

張翔, 高照良，盧茜

(1.萍鄉(xiāng)學院海綿城市研究院, 江西萍鄉(xiāng) 337000; 2.中國科學院水利部水土保持研究所, 陜西楊凌 712100)

就全國的土壤侵蝕強度分布來看，生產(chǎn)建設項目過程中產(chǎn)生的棄土棄渣堆置而成的工程堆積體已然是人為新增泥沙流失的供給地[1-2]，具備獨特下墊面的工程堆積體一旦遇上強降雨導致的坡面匯流極易發(fā)生細溝侵蝕，細溝侵蝕對坡面土壤侵蝕過程起著重要貢獻[3]，然而反映細溝侵蝕程度最直接的參數(shù)指標便是坡面細溝侵蝕過程中的細溝形態(tài)特征，因此對此類工程堆積體坡面細溝形態(tài)及其分布特性的探討尤為必要。

國內外學者對此也開展了相應的研究，王龍生等[4]研究結果表明，在細溝發(fā)育初期，細溝的間距一定程度上制約著細溝的分布，間距范圍在12.5～17.5 cm；Bruno等[5]采用溝長與橫斷面來描述細溝形態(tài)，發(fā)現(xiàn)細溝體積與溝長存在冪函數(shù)關系；Di Stefano等[6]進行野外數(shù)據(jù)測量得出溝長、溝寬、溝深和細溝體積之間的經(jīng)驗關系；沈海鷗等[7]研究表明，細溝割裂度是描述細溝形態(tài)的最優(yōu)指標；張攀等[8]研究表明，坡面地貌信息熵能夠反映侵蝕過程中侵蝕程度的變化，對細溝發(fā)育程度的描述較為靈敏；雷廷武和Nearing[9]就試驗過程中溝寬的周期性形態(tài)變化運用數(shù)學模型進行了描述。

目前研究主要探討坡度、坡長等因子對坡面細溝侵蝕量的影響，就坡面細溝形態(tài)特征的探討較少，然而探討細溝的產(chǎn)生機理就必須先對細溝形態(tài)進行分析[10]，且徑流沖刷過后的細溝形態(tài)也間接反映著坡面徑流和侵蝕情況[11]，本文通過探討徑流沖刷過程中細溝形態(tài)指標的產(chǎn)生、發(fā)育過程以及這些指標在坡面的沿程分布特征，以此揭示土堆積體坡面細溝侵蝕情況，以期為黃土區(qū)土堆積體坡面土壤侵蝕預防貢獻依據(jù)[12]。

1 材料與方法

試驗地選在陜西楊凌水土保持試驗站，地處國家楊凌高新技術開發(fā)區(qū)[12]，該站位于楊凌區(qū)五泉鎮(zhèn)，起建于2001年，至2003年正式投入運營，距今已十來年[13]。該區(qū)域歸屬于大陸性季風氣候，年均溫度保持在13℃左右，年均降水量在610.2 mm左右，該區(qū)的地帶性土壤屬于土，坡面重力侵蝕嚴重，雨季短而集中，侵蝕較為嚴重，工程項目在自然陡坡面采取大型機械挖掘，確定出試驗所需坡度，把徑流小區(qū)設立在開挖坡面上，然后往徑流小區(qū)內填入50 cm深的棄土棄渣，人工加機械翻炒棄土棄渣來剔除其中的雜草和殘留植物根系，保證在裸坡條件下進行試驗。對泥沙試樣進行粒徑分析試驗，結果表明，泥沙粒徑均在1 mm以下(表1)。

表1 土壤顆粒粒徑分類

試驗裝置如圖1所示：試驗準備期，先用40 cm寬10 m長的多條鐵皮把坡面分割成寬度為1 m的坡面，鐵皮深入土層30 cm，盡可能避免側向入滲導致的邊界效益，兩條鐵皮的交接處至少錯位30 cm長，避免水流外滲，試驗選取了3個坡度、5個坡長進行布設，共計15場試驗。依據(jù)陜西楊凌水土保持試驗站的氣象資料并考慮本區(qū)暴雨情況下的最大降雨強度選取設計雨強(1.5 mm/min)，敲定不同坡長的坡面徑流量依次為6，12，18，24，30 L/min。試驗過程中為確保坡面下墊面一致，人工進行坡面平整工作[14]，在保證土壤容重和含水率的條件下，對斜坡棄土下挖30 cm進行翻炒、整平并壓實，且對斜坡棄土進行均勻的預灑水，直到坡面土壤飽和為止，對灑水坡面進行塑料薄膜覆蓋直至徑流沖刷開始。徑流開始沖刷坡面后，坡面產(chǎn)流瞬間開始計時并記下產(chǎn)流時間，前3 min內每隔1 min進行一次流速、水深的測量，同時收集一次泥沙試樣；3 min以后改變?yōu)槊扛? min進行上一操作，30 min后停止放水。細溝形態(tài)指標(溝寬、溝深)人工采用鋼尺現(xiàn)場測量，坡面徑流流速采用高錳酸鉀染色示蹤法。4 m坡長下流速測量間距為0.6 m，細溝形態(tài)指標測量間隔均為0.5 m；坡長為8，12，16 m坡長下的流速測量間距均為1.5 m，細溝形態(tài)指標測量間隔對應為1，1.5，2 m；20 m坡長下的流速測量間距為2 m，細溝形態(tài)指標測量間隔為2 m[12]。試驗過程溫度計始終至于溢流槽內測定水溫，收集好的泥沙試樣先稱重后進行烤箱烘干處理，坡面采集土壤利用激光粒度分析儀分析其機械組成[15]。

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.坡度； 9.試驗小區(qū)； 10.集流桶。

圖1 徑流小區(qū)及放水裝置

2 結果與分析

2.1 坡面細溝形態(tài)特征

2.1.1 溝寬的變化特征作為揭示細溝形態(tài)特征的指標因素之一，分析溝寬的時空發(fā)育狀況對明確坡面細溝形態(tài)的演變起著一定的基礎性意義。本文就不同坡長坡面選取了所有測量斷面，統(tǒng)計8個測量結果在同一徑流時刻的正態(tài)均值，點繪溝寬均值時空變化過程如圖2所示，以此描繪出不同坡度、坡長條件下細溝溝寬隨時間的變化狀態(tài)。

試驗條件下的堆積體坡面細溝溝寬基本上均隨徑流的持續(xù)呈現(xiàn)先陡增而后趨于穩(wěn)定的走勢，從3個坡度情況下的細溝變化趨勢不難發(fā)現(xiàn)，細溝溝寬基本均在前9 min內完成快速的陡增，原因是隨著坡面不斷侵蝕坡面細溝在此階段迅速成型；對比3個坡度圖形，剔除可能由于測量過程中出現(xiàn)不確定因素導致的個別誤差，溝寬有隨著坡長的增大而增大的趨勢；在不同坡長角度下，平均溝寬隨著坡長的增大分別是8.51，10.46，11.26，13.75，13.60 cm，將溝寬與坡長進一步回歸分析得到擬合方程(W=-0.01L2+0.61L+6.21，R2=0.69)，溝寬與坡長存在顯著的二次函數(shù)關系，且開口向下，最大值對應的坡長為30.5 m，由于試驗所選取坡長均小于30 m，所以溝寬隨著坡長的遞增是增大的；在試驗坡度范圍內，就所有所得溝寬在坡度方向進行平均得出，溝寬隨著坡度的遞增依次是12.07，11.36，11.11，表明溝寬隨著坡度的增大是呈現(xiàn)稍微遞減的趨勢。

圖2 溝寬隨放水時間變化

2.1.2 溝深的變化特征溝深亦然是揭示細溝形態(tài)特征的基本因子之一，分析溝深在時間軸上的變化過程對推演坡面的細溝形態(tài)具有重要意義。本文就不同坡長坡面選取了所有測量斷面，統(tǒng)計8個測量結果在同一徑流時刻的正態(tài)均值，點繪溝深均值時空變化過程見圖3，以此描繪出不同坡度、坡長條件下細溝溝寬隨時間的變化狀態(tài)。

圖3 溝深隨放水時間變化

依據(jù)圖3所示，溝深的發(fā)育過程整體隨著沖刷時間的持續(xù)呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，這與牛耀彬等[16]研究結論一致。就坡度角度方向進行統(tǒng)計得出，隨著坡度的增加，溝深的平均值依次是5.15，6.17，4.53 cm，溝深隨著坡面坡度的遞增呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢；對溝深數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可得，在32°坡度條件下，溝深的平均值隨坡長的增大依次是2.81，5.33，4.06，6.36，4.09，在28°坡度條件下，溝深的平均值隨坡長的增大依次是5.24，8.51，4.37，6.24，6.48，在24°坡度條件下，溝深的平均值隨坡長的增大依次是1.67，6.41，6.38，6.79，4.5；在3個坡度情況下，溝深隨著坡長的增大呈現(xiàn)先增后減、再增再減的變化趨勢，表明坡長對平均溝深發(fā)育程度是存在顯著影響的，進一步將溝深與坡長進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者并不存在顯著的函數(shù)關系。

擬合溝深與時間二者之間的關系，發(fā)現(xiàn)細溝溝深的發(fā)育過程用線性關系可以很好的表達，見表2。

分析表2可知，在坡度角度下，溝深的平均增長率分別是0.18，0.23，0.21，表明溝深隨著時間變化的增長率隨著坡度的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢；在坡長角度下，溝深的平均增長率依次是0.15，0.27，0.21，0.24，0.17，由此不難看出，溝深在時間軸上的增長率亦隨著坡長的增大呈現(xiàn)先增后減、再增再減的變化趨勢。綜上所述，對比發(fā)現(xiàn)，坡長不僅影響平均溝深的發(fā)育程度，也影響溝深的發(fā)育速率。

表2 溝深與放水時間擬合函數(shù)關系

2.1.3 寬深比的變化特征細溝寬深比表征的是細溝寬度與其對應深度的比率，該參數(shù)屬于一無量綱參數(shù)[17]；細溝溝槽形狀的演變用細溝寬深比可進行間接的體現(xiàn)。本文就不同坡長坡面選取了所有測量斷面，統(tǒng)計8個測量結果在同一徑流時刻的正態(tài)均值，點繪寬深比時空變化過程見圖4，由此表示不同坡度、坡長條件下細溝寬深比隨時間延續(xù)的變化狀況。

依據(jù)圖4所示，在試驗坡度、坡長條件下，細溝寬深比均隨著坡面徑流的持續(xù)表現(xiàn)先急速下降后逐漸穩(wěn)定的走勢。在試驗前期，寬深比的急速下降表明坡面開始細溝侵蝕時主要是向橫斷面發(fā)展的，溝寬較溝深侵蝕顯著，當溝寬擴展到一定程度，即坡面水流全部匯集于已初步成型的細溝內時，此時細溝內聚集的水流下切能力集中，細溝內土壤下切侵蝕開始逐漸嚴重，隨后細溝形態(tài)開始以縱斷面發(fā)展為主，即細溝溝深較溝寬侵蝕更顯著，這也可能是試驗前期寬深比驟降的原因。在放水試驗的中后期，溝寬、溝深侵蝕程度相近，寬深比開始保持穩(wěn)定；出現(xiàn)如此情況的緣由是細溝發(fā)育已趨于成熟，溝內流已難在縱橫斷面發(fā)生劇烈的侵蝕，溝深、溝寬的發(fā)育均已緩慢下來，如此才使細溝寬深比持續(xù)保持穩(wěn)定。在24°坡度下，4 m坡長條件下的細溝寬深比相對其他坡長情況整體偏大，這可能是由于此狀態(tài)下的坡度較緩，以致坡面的重力侵蝕不大，加上坡長較短，坡頂加速下來的水流流速并不大，即其下切侵蝕不劇烈，通過圖4C的溝深的變化過程也可發(fā)現(xiàn)，4 m坡長坡面細溝溝深的發(fā)育相對其他坡長情況較慢，由此也可說明為什么4 m坡長下的寬深比偏大。

圖4 寬深比隨放水時間變化

2.1.4 細溝斷面面積的變化特征通過對溝深、溝寬進行統(tǒng)計，依據(jù)矩形溝槽進行換算斷面面積，得出細溝斷面面積與徑流時間之間內在影響關系，單位長度的細溝侵蝕面積對等于細溝斷面面積，揭示細溝斷面面積的時空變化規(guī)律，可以間接明確單位長度的細溝侵蝕量在時空方向上的演變規(guī)律[17]。點繪細溝斷面面積隨時間持續(xù)的曲線走勢如圖5所示，由此表征不同坡度、坡長范圍內斷面面積隨徑流持續(xù)的變化狀況。

在試驗條件下，細溝斷面面積伴著徑流沖刷的延續(xù)整體表現(xiàn)出不斷遞增的趨勢；對細溝斷面面積在坡度方向進行均值統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，隨著坡度的增大，斷面面積的均值依次是55.35，76.13，65.16 cm2，表明細溝斷面面積隨著坡度的遞增表現(xiàn)為先增后減的走勢；就坡長角度方向分析發(fā)現(xiàn)，在32°坡度下，伴隨坡長的增大細溝斷面面積依次是21.2，44.9，52.0，100.8，57.9 cm2，在28°坡度下，伴隨坡長的增大斷面面積依次是45.1，120.3，49.7，80.2，85.4 cm2，在24°坡度下，伴隨坡長的增大斷面面積依次是18.1，71.0，68.0，102.6，66.1 cm2，3個坡度情況下的細溝斷面面積隨坡長遞增的變化趨勢并非一致；在不分坡度情況下，伴隨坡長的遞增細溝斷面面積依次是28.1，78.7，56.6，94.5，69.8，由此可知，細溝斷面面積隨坡長的變化情況與溝深隨坡長變化情況一致，由于試驗條件下溝寬隨著坡長是遞增的，但由擬合方程可知溝寬的增幅并不大，因此細溝斷面面積隨坡長的變化情況主要取決于溝深對坡長的響應。

圖5 細溝斷面面積隨時間變化

對細溝斷面面積與時間的關系進行回歸分析得出表3。由表3可知，斷面面積與時間呈現(xiàn)極顯著的線性函數(shù)關系。在坡度方向分析細溝斷面面積在時間軸方向的增長率變化情況發(fā)現(xiàn)，斷面面積在時間軸上的增長率在坡度方向依次為2.73，3.97，3.00，表明斷面面積的增長率隨坡度的增大是先增后減的走勢；分析土堆積體坡面細溝斷面面積在時間軸上的增幅隨坡長因素變化的演變規(guī)律，隨著坡長的增大，32°坡度下的細溝斷面面積的增幅依次是1.42，2.84，2.80，5.52，2.41，28°坡度下的細溝斷面面積的增幅分別為2.67，7.24，1.97，4.30，3.65，24°坡度下的細溝斷面面積的增幅分別為0.91，3.11，3.15，3.80，2.66，在不區(qū)分3個坡度情況下，就斷面面積的增幅隨坡長增大依次是1.67，4.40，2.64，4.54，2.91，由此可發(fā)現(xiàn)，坡長對斷面面積的增大速率是產(chǎn)生影響的，但二者并不存在特定的變化趨勢。

表3 斷面面積與放水時間擬合函數(shù)關

2.2 指標因素的沿程分布特征

2.2.1 溝寬指標的分布特性每個坡面的徑流沖刷試驗均在時間軸方向測量了12個時間點的細溝形態(tài)，統(tǒng)計溝寬在坡面沿程向下各個測量斷面上的均值，點繪細溝溝寬在3個坡度、5個坡長條件下隨著坡面沿程向下的變化過程如圖6所示，表征不同坡度、坡長條件下坡面溝寬指標的沿程分布特性。

圖6A在24°坡度條件下，溝寬的分布特性呈波動遞增的走勢，28°，32°坡度條件下，溝寬順著坡面沿程向下表現(xiàn)為稍微的震蕩遞減走勢；圖6B在3個坡度情況下，溝寬順著坡面沿程向下均表現(xiàn)為震蕩遞減走勢；圖6C在3個坡度條件下，溝寬基本上表現(xiàn)為上下震蕩的狀態(tài)，似乎以均值為對稱軸進行正態(tài)分布；圖6D在24°坡度情況下，溝寬的分布特性表現(xiàn)為逐步遞減走勢，在28°坡度情況下，溝寬的沿程分布特性表征為上下震蕩的狀態(tài)，在32°坡度下，溝寬的沿程分布特性則表征為略微的遞增走勢；圖6E在3個坡度情況下，溝寬的分布特性表現(xiàn)為先減后增的V字形走勢；綜上所述，在試驗條件下，溝寬的分布特性表現(xiàn)不一，表現(xiàn)為多樣性，這可能是試驗坡面的不同測量斷面處的土壤容重、含水率、粒徑級配、抗侵蝕能力等并非完全一致有關。

2.2.2 溝深指標的分布特性通過統(tǒng)計溝深在坡面沿程向下各個測量斷面上的均值，描繪細溝溝深在本試驗條件下順著坡面向下的變化過程如圖7所示，表征不同坡度、坡長條件下坡面溝深的曲線走勢。

圖6 溝寬指標的沿程分布特性

圖7 溝深指標的沿程分布特性

圖7A中所示，在24°，28°坡度下，溝深的分布特性表現(xiàn)為先震蕩減小，最后一點陡增的走勢，32°坡度下，溝深的分布特性表現(xiàn)為波動遞減走勢；如圖7B中所示，在24°，32°坡度下，溝深的分布特性表現(xiàn)逐漸遞減走勢，28°坡度下，溝深的分布特性表現(xiàn)先震蕩遞減，最后一點陡增的走勢；如圖7C中所示，在試驗條件下，溝深的分布特性表現(xiàn)為先震蕩驟減，最后一點陡增的走勢；如圖7D中所示，在不同坡度情況下，溝深的分布特性表現(xiàn)為振動驟減并保持穩(wěn)定的走勢；如圖7E中所示，在試驗坡度下，溝深的分布特性表現(xiàn)為先驟減后保持穩(wěn)定的走勢；綜上所述，在小坡長(4，8，12 m)條件下，溝深的分布特性表現(xiàn)出震蕩性，并都在最后測量斷面出現(xiàn)陡增現(xiàn)象；在大坡長(16，20 m)條件下，溝深的分布特性似乎表現(xiàn)出穩(wěn)定并趨于明了，均表現(xiàn)為先驟減后保持穩(wěn)定的分布特性，由此分布規(guī)律可知，在開發(fā)建設項目過程中，就堆積體渣面匯集徑流沖刷坡面的情況的而已，對堆積體上半坡面布設合理的防治措施是重中之重。

3 結論

(1) 溝寬隨徑流的延續(xù)表現(xiàn)為先陡增而后傾于穩(wěn)定的走勢，溝寬與坡長存在顯著二次函數(shù)關系，在試驗條件下，溝寬隨坡長的增大而增大，坡度對溝寬產(chǎn)生負效應；溝深隨時間的延續(xù)不斷遞增，可以用線性函數(shù)來表征溝深與時間二者的關系，坡長對平均溝深發(fā)育程度是存在顯著影響的，但二者并不存在顯著的函數(shù)關系。

(2) 細溝寬深比順著坡面徑流的持續(xù)表現(xiàn)先急速下降后保持穩(wěn)定的走勢，在侵蝕前期，坡面侵蝕以橫斷面方向侵蝕為主，跌坎貫通后，細溝集流導致水流下切侵蝕劇烈，溝槽形態(tài)開始以縱斷面方向侵蝕為主，細溝發(fā)育成型后，指標參數(shù)開始趨于穩(wěn)定。

(3) 細溝斷面面積隨徑流沖刷時間的延續(xù)表現(xiàn)為逐漸遞增的走勢，可以用線性函數(shù)來表征斷面面積與時間二者的關系，細溝斷面面積隨坡長的變化情況主要取決于溝深對坡長的響應。