坡長對黃土區(qū)工程堆積體產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的模擬試驗(yàn)研究

李玉亭婷， 高照良,2， 李永紅， 齊星圓， 張 翔

(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)337000)

工程堆積體是由生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的棄土棄渣堆置而形成的具有特殊結(jié)構(gòu)的人工“再塑”地貌單元，具有結(jié)構(gòu)松散，抗沖性差、坡度較陡，植被缺乏等特性，是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失的最主要單元[1]。尤其是在短歷時(shí)強(qiáng)降雨條件下，極易發(fā)生水土流失危害，甚至導(dǎo)致滑坡泥石流等嚴(yán)重災(zāi)害[2-3]。近20 a來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的不斷增多，產(chǎn)生了數(shù)量巨大的工程堆積體，造成了嚴(yán)重的水土流失隱患，引起了社會各界的廣泛關(guān)注[4]。已有學(xué)者對坡長與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系進(jìn)行研究，主要結(jié)論有3種，第一種認(rèn)為產(chǎn)流產(chǎn)沙隨坡長的增加而增大，第二種認(rèn)為產(chǎn)流產(chǎn)沙隨坡長的增加先增加后減小，第三種認(rèn)為產(chǎn)流產(chǎn)沙隨著坡長的增加不斷波動。其中蔡強(qiáng)國等人[5]發(fā)現(xiàn)徑流及侵蝕產(chǎn)沙量隨著坡長的增大而增大，且超過某一臨界坡長后累積侵蝕模數(shù)與降雨歷時(shí)非線性變化；郭新亞等人[6]研究認(rèn)為坡面產(chǎn)流量隨坡長的增大先減小后增加再減小，產(chǎn)沙量隨坡長的增大線性增加；Kinnell等[7]研究表明含沙量與坡度及坡長均具有相關(guān)性，特別是坡度超過10°時(shí)坡長對含沙量的影響更加明顯；Agassi等[8]的研究結(jié)果顯示，10 m坡長比1.5 m坡長的坡面侵蝕量大5.4倍。但以上成果主要集中在坡耕地及緩坡地上，而對于具有特殊性質(zhì)的地貌單元—工程堆積體來說只在近年來有較少成果出現(xiàn)，如：牛耀彬等人[9]通過標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的沖刷試驗(yàn)研究表明黃土工程堆積體的坡面產(chǎn)沙率隨著產(chǎn)流時(shí)間呈現(xiàn)上下波動的變化趨勢，且坡長增大，波動頻率變少，振幅變大；坡面徑流含沙量隨著坡長的增大而增大；形成細(xì)溝的寬深比隨著坡長的增大而增大。鄧?yán)麖?qiáng)等人[10]通過室內(nèi)模擬降雨研究認(rèn)為在坡度為25°不同坡長的工程堆積體坡面上徑流率隨放水時(shí)間呈先增大后平穩(wěn)波動趨勢，且不同坡長下徑流率和土壤剝蝕率的波動程度不同，坡長越長，細(xì)溝數(shù)量越多，波動程度越大。張樂濤等人[11]通過野外放水試驗(yàn)研究36°的工程堆積體邊坡發(fā)現(xiàn)不同坡段的堆積體邊坡水流的平均流速隨坡長增加呈S形曲線變化，平均阻力系數(shù)與坡長呈雙曲線函數(shù)關(guān)系。已有成果[12]表明，工程堆積體因其本身的特殊質(zhì)地和地貌特征在侵蝕規(guī)律方面和緩坡地有著很大差別，而關(guān)于坡耕地、緩坡地的成果不能代表較陡工程堆積體的侵蝕規(guī)律，進(jìn)而影響了工程堆積體水土流失的防治效果。坡長作為RUSLE模型中一個(gè)重要的影響因子，不但是決定坡面能量沿程變化，影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的重要地貌因素之一，而且決定著相應(yīng)水土流失防控措施的配置。因此，本文通過野外模擬徑流沖刷試驗(yàn)，旨在揭示工程堆積體徑流侵蝕過程中，坡面長度與工程堆積體產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，為生產(chǎn)實(shí)踐中工程堆積體水土流失合理防控提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年7—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(yàn)站(107°59′36.12″E，34°19′24.84″N)，所在地北接黃土高原，南臨渭水，地勢北高南低，海拔在431～559 m之間，屬于暖溫帶大陸季風(fēng)型半濕潤氣候，多年平均氣溫約13 ℃，多年平均降雨量610 mm且季節(jié)分布不均勻，多集中在7—9月份，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm。地帶性土壤類型為褐土，土壤母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土[13-14]。

試驗(yàn)小區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(坡面投影長20 m，寬5 m)，覆土厚度0.5 m。試驗(yàn)小區(qū)修建在工程開挖坡面上，覆土為工程棄土，均勻填充在試驗(yàn)小區(qū)上，堆置前清除雜草及植物根系，坡面無植被覆蓋，土石比超過9∶1，粒徑多在1 mm以下。試驗(yàn)用土砂礫、粉粒、黏粒的含量分別為4.19%，71.95%和23.86%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

相關(guān)學(xué)者[15-16]通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)工程堆積體的坡度大多在30°左右，陜西省關(guān)中平原區(qū)棄渣場的坡度可達(dá)到35°，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)坡度為24°，28°，32°。設(shè)計(jì)坡寬為1 m。設(shè)計(jì)坡長分別為4，8，12，16，20 m。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和可能產(chǎn)生的最大徑流量，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)定為1.5 mm/min，不同坡長對應(yīng)的放水流量分別為6，12，18，24，30 L/min(徑流系數(shù)為0.5條件下匯水面積為2倍試驗(yàn)小區(qū)面積時(shí)的上方來水)。試驗(yàn)時(shí)長為開始放水到產(chǎn)流開始后30 min，每場試驗(yàn)重復(fù)2次。開始試驗(yàn)前，為保證每次試驗(yàn)的下墊面條件基本一致，需將坡面整平，壓實(shí)，并在試驗(yàn)前24 h對坡面土壤均勻撒水，直至坡面即將產(chǎn)流，用塑料薄膜覆蓋備用。為準(zhǔn)確控制沖刷流量，試驗(yàn)前多次進(jìn)行體積法率定，允許誤差范圍±5%。試驗(yàn)時(shí)采用恒壓供水以確保溢流槽出流穩(wěn)定，待小區(qū)出流槽產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時(shí)間，之后重新開始計(jì)時(shí)。開始產(chǎn)流后的前3 min每隔1 min用1 000 ml泥樣瓶接1次徑流泥沙樣，3 min以后每隔3 min接1次徑流泥沙樣，記錄接樣時(shí)間，將泥樣瓶收集帶回實(shí)驗(yàn)室稱重，烘干處理后計(jì)算各時(shí)段產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率、累積產(chǎn)流量、累積產(chǎn)流量。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel和SPSS 19.0進(jìn)行分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡長對產(chǎn)流過程的影響

2.1.1 產(chǎn)流率隨產(chǎn)流時(shí)間的動態(tài)變化 產(chǎn)流率指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的徑流量。由各時(shí)段的產(chǎn)流時(shí)間與產(chǎn)流率關(guān)系圖可以看出(圖1)，本試驗(yàn)條件下，產(chǎn)流初期產(chǎn)流率隨產(chǎn)流時(shí)間呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，而后從某一時(shí)刻開始，隨產(chǎn)流時(shí)間產(chǎn)流率波動且沒有明顯的增大。24°，28°，32°坡面的產(chǎn)流率均隨坡長的增加呈現(xiàn)持續(xù)波動。32°，28°，24°坡面產(chǎn)流率出現(xiàn)波動分別出現(xiàn)在產(chǎn)流后6，9，12 min。產(chǎn)流初期產(chǎn)流率緩慢增加可能是因?yàn)楫a(chǎn)流之前坡面入滲性能良好，當(dāng)產(chǎn)流開始后坡面入滲逐漸減小，根據(jù)水量平衡原理，此階段的坡面徑流量逐漸增大，則產(chǎn)流率呈增加趨勢，直到入滲穩(wěn)定，坡面徑流在某個(gè)范圍內(nèi)穩(wěn)定波動。

圖1 3種坡度條件下不同坡長的產(chǎn)流過程

隨著產(chǎn)流時(shí)間的持續(xù)，坡面開始產(chǎn)生小跌坎并在水流沖刷作用下不斷發(fā)生溯源侵蝕，使得跌坎逐漸貫通為細(xì)溝，產(chǎn)流后期，坡面細(xì)溝開始發(fā)生垂直于水流方向的侵蝕，細(xì)溝溝壁失穩(wěn)、坍塌，水流與坡面土壤產(chǎn)生新的接觸面，水分入滲短時(shí)間內(nèi)增大，坡面徑流量又一次減小，產(chǎn)流率減小，直到入滲再一次趨于穩(wěn)定，產(chǎn)流率再次增大。如果溝壁發(fā)生坍塌的時(shí)間大于土壤入滲趨于穩(wěn)定的時(shí)間，產(chǎn)流率也會增加。相同坡長不同坡度的坡面水流對坡面的垂直侵蝕力不同，導(dǎo)致細(xì)溝溝壁發(fā)生坍塌的時(shí)間也不同，32°坡面較28°和24°坍塌的更早，影響了產(chǎn)流率開始持續(xù)波動的時(shí)間。而自然黃土坡面的產(chǎn)流率大多隨沖刷時(shí)間的增加不斷增大，且坡長越長產(chǎn)流率的增幅越大。這可能是由于自然黃土坡面較工程堆積體的土質(zhì)密實(shí)且具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，因此水流的面蝕時(shí)間較工程堆積體更長，水流入滲達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也更快，并且根據(jù)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)工程堆積體大多產(chǎn)生平行的獨(dú)立細(xì)溝，而自然黃土坡面的溝網(wǎng)復(fù)雜，且坡長越長溝網(wǎng)越發(fā)達(dá)，水流流路更廣，產(chǎn)流增幅自然更大[17]。

2.1.2 坡長對累積產(chǎn)流量的影響 累積產(chǎn)流量用來反映在相同放水條件下，不同坡長和坡度的坡面產(chǎn)生的總徑流量的大小。由不同坡度條件下累積產(chǎn)流量隨坡長變化的曲線(圖2)可以看出，累積產(chǎn)流量隨坡長的增加呈現(xiàn)波動增加趨勢，且累積產(chǎn)流量與坡長之間具有冪函數(shù)關(guān)系，受坡度的影響不明顯。這是因?yàn)槠麻L越長，面積越大，累積徑流量自然就越大。但累積產(chǎn)流量與坡長之間的這種關(guān)系與放水流量的大小有關(guān)，不同放水流量下兩者間的具體關(guān)系存在差異，還有待相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步研究。

圖2 不同坡度下坡長與累積產(chǎn)流量的關(guān)系

2.2 坡長對產(chǎn)沙過程的影響

2.2.1 產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流時(shí)間的動態(tài)變化 產(chǎn)沙率是單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的泥沙質(zhì)量。由圖3可知，產(chǎn)沙率隨放水時(shí)間呈持續(xù)波動趨勢，且放水后期的波動大于放水前期，波動幅度表現(xiàn)為：32°>28°>24°。產(chǎn)沙率隨坡長持續(xù)波動。由于放水初期水流主要攜帶的是土體表面的松散碎屑物質(zhì)，侵蝕方式為面蝕，產(chǎn)沙率增加較平穩(wěn)，當(dāng)土體表面的松散顆粒被全部沖走后，水流開始沖刷相對密實(shí)的土體，侵蝕方式從面蝕轉(zhuǎn)為溝蝕。隨著坡面細(xì)溝的形成，為泥沙的輸移提供了通道，徑流侵蝕搬運(yùn)泥沙增大，伴隨著細(xì)溝溝壁失穩(wěn)、坍塌和溝岸擴(kuò)張，侵蝕泥沙出現(xiàn)周期性增大和減小，在產(chǎn)流后期，細(xì)溝形態(tài)基本穩(wěn)定，侵蝕泥沙趨于減小，從而導(dǎo)致產(chǎn)沙率整體呈現(xiàn)波動變化。坡度影響溝壁發(fā)生失穩(wěn)坍塌的時(shí)間，坡度越大，水流受重力作用產(chǎn)生的侵蝕力越強(qiáng)，因此波動幅度越大。

圖3 3種坡度條件下不同坡長的產(chǎn)沙過程

當(dāng)坡度為24°，坡長為4 m時(shí)，產(chǎn)沙率始終接近零。原因可能是該條件下水流動能與水流所受的重力勢能相互消長，因此沒有多余的能量用于搬運(yùn)泥沙。自然黃土坡面的產(chǎn)沙率隨沖刷歷時(shí)的增加先增加后減小，且大坡長坡面的產(chǎn)沙率變化幅度小于小坡長坡面。原因可能是工程堆積體土質(zhì)普遍比較疏松，可被沖刷的松散顆粒比較多；且工程堆積體往往缺少植被覆蓋，缺少植物根系對土壤的固定作用[18]，因此侵蝕更容易發(fā)生。

2.2.2 坡長對累積產(chǎn)沙量的影響 累積產(chǎn)沙量是用來反映在相同放水條件下，不同坡長坡度的坡面產(chǎn)生徑流時(shí)水流中總泥沙量的大小。由圖4可以看出，累積產(chǎn)沙量隨坡長的增加總體呈增加趨勢，且坡度越大，增加速率越大。從圖4中可以看出，當(dāng)坡長小于8 m時(shí)，大坡度坡面的累積產(chǎn)沙量變化速率與小坡度相差不大，當(dāng)坡長超過8 m時(shí)，累積產(chǎn)沙量開始隨坡度發(fā)生變化，當(dāng)坡長大于16 m左右時(shí)，累積產(chǎn)沙量關(guān)系為：32°>28°>24°。表明當(dāng)坡長大于16 m時(shí)，水流中泥沙的總動能遠(yuǎn)大于泥沙所受的總重力勢能。此條件下的坡長和坡度與累積產(chǎn)沙量具有正效應(yīng)。

圖4 不同坡度下坡長與累積產(chǎn)沙量的關(guān)系

2.3 坡長對產(chǎn)流和產(chǎn)沙關(guān)系的影響

通過分析24°,28°,32°這3個(gè)坡度下4,8,12,16,20 m坡長處的坡面在整個(gè)放水過程中產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的相關(guān)性得出表1。從表1可以看出，4 m和8 m坡長的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率都在置信度為0.01的相關(guān)性水平上顯著相關(guān)，即產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率極強(qiáng)相關(guān)。坡長為12,16,20 m時(shí)，只有在坡度為32°的坡面上，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率在置信度為0.01的相關(guān)性水平上顯著相關(guān)，當(dāng)坡度為28°和24°時(shí)產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率表現(xiàn)為弱相關(guān)或不相關(guān)。當(dāng)坡長較小時(shí)，坡面細(xì)溝分支少，水流流路較穩(wěn)定，徑流攜帶的泥沙量隨產(chǎn)流時(shí)間的增加波動性小，而當(dāng)坡長較大時(shí)，坡面細(xì)溝分支多，水流走向較不穩(wěn)定，徑流量和產(chǎn)沙量的變化波動性更強(qiáng)。坡度影響著水流的入滲和重力勢能，短陡坡較長緩坡的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率間的相關(guān)性更強(qiáng)。因此，在大坡度坡面上控制水土流失應(yīng)進(jìn)行合理的削坡分級，使坡長處于4～8 m范圍內(nèi)，此時(shí)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量可控性更強(qiáng)。

表1 不同坡長下產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率的相關(guān)性分析

注：試驗(yàn)樣本數(shù)n=12； *表示在置信度(雙側(cè))為0.05時(shí)，相關(guān)性是顯著的； **表示在置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

2.4 累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量間的關(guān)系

分別擬合32°，28°，24°坡面累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量隨坡長變化的關(guān)系(表2)。由表2可知，累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量具有良好的線性函數(shù)關(guān)系。從方程中可以看出累積產(chǎn)沙量隨著累積產(chǎn)流量的增大而增大，坡度越大，累積產(chǎn)沙量隨累積產(chǎn)流量的增加幅度越大，且線性關(guān)系越強(qiáng)。

表2 累積產(chǎn)流量(x)與累積產(chǎn)沙量(y)的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 黃土區(qū)工程堆集體產(chǎn)流率隨產(chǎn)流時(shí)間呈現(xiàn)先緩慢增加后持續(xù)波動趨勢，且出現(xiàn)持續(xù)波動的時(shí)間表現(xiàn)為：32°<28°<24°。24°，28°和32°坡面的產(chǎn)流率隨坡長的增加持續(xù)波動。

(2) 黃土區(qū)工程堆集體產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流時(shí)間呈持續(xù)波動趨勢，產(chǎn)流后期波動大于產(chǎn)流前期，波動幅度表現(xiàn)為：32°>28°>24°。24°，28°和32°坡面的產(chǎn)沙率隨坡長的增加持續(xù)波動。

(3) 黃土區(qū)工程堆集體4和8 m坡長的坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率之間相關(guān)性顯著，12，16，20 m坡長的坡面只有在32°時(shí)相關(guān)性顯著，24°和28°時(shí)產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率相關(guān)性不顯著。產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率間的相關(guān)性表現(xiàn)為：短陡坡>長緩坡。

(4) 黃土區(qū)工程堆集體累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量隨坡長的增加總體呈增加趨勢，且符合冪函數(shù)關(guān)系。在不同坡長及坡度的坡面上，累積產(chǎn)沙量和累積產(chǎn)流量之間具有良好的線性函數(shù)關(guān)系。