隧道工程對(duì)喀斯特槽谷區(qū)坡面產(chǎn)流及土壤侵蝕的影響

張遠(yuǎn)矚, 蔣勇軍,李 勇,王正雄,段世輝,吳 韋,彭學(xué)義,王 冬

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715 2 巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715 3 西南大學(xué)附屬中學(xué), 重慶 400715

喀斯特地區(qū)坡面產(chǎn)流及水土流失的發(fā)生過(guò)程是地形因子、植被類型、氣候因子、土壤性質(zhì)等多因素共同作用的結(jié)果[1- 9],人類活動(dòng)主要通過(guò)不同土地利用方式對(duì)該過(guò)程產(chǎn)生影響[9-11]。然而,西部大開發(fā)的深入使大型隧道不斷穿越西南喀斯特山區(qū),成為影響喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)的新因素。尤其是隧道建設(shè)改變了喀斯特水文系統(tǒng),在隧道影響范圍內(nèi)地下水位急劇下降,大量地表泉點(diǎn)干涸,這可能會(huì)引起土壤、植被變化,從而影響水土流失過(guò)程。目前,隧道建設(shè)對(duì)喀斯特地區(qū)水土流失過(guò)程影響的研究幾乎無(wú)人涉獵。本文基于徑流小區(qū)的高分辨率的水文、同位素?cái)?shù)據(jù),對(duì)比研究巖溶槽谷區(qū)有無(wú)隧道工程影響的兩徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流及產(chǎn)沙的差異,以期為這種新的人類干擾方式所引發(fā)的巖溶區(qū)水土流失的研究提供新思路和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為巖溶區(qū)水土流失防治和石漠化治理研究提供新視角。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置、地質(zhì)、土地利用及徑流小區(qū)布置圖(Liu等2019[11]改)Fig.1 Hydrogeology, land use, sampling points and geological cross-section of the Longfeng and Longche karst trough valleys in Chongqing (adapted from Liu et al., 2019)

選擇隧道建設(shè)密集的重慶觀音峽背斜嘉陵江以南的巖溶槽谷區(qū)為研究區(qū)(圖1)。該區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),常年平均氣溫18.1℃,平均降雨量1185 mm,降雨集中在5—9月。觀音峽背斜軸部為三疊系的飛仙關(guān)組(T1f)灰?guī)r、泥灰?guī)r和頁(yè)巖,兩翼分別為三疊系的嘉陵江組灰?guī)r(T1j)和雷口坡組(T2l)白云巖以及須家河組(T3xj)砂頁(yè)巖。巖性組合特征及長(zhǎng)期的巖溶作用,使研究區(qū)發(fā)育出東、西兩個(gè)近南北走向的大型溶蝕槽谷,形成“三山夾兩槽”的“筆架型”的地形,海拔495—707 m。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林。槽谷內(nèi)土壤為三疊系嘉陵江組灰?guī)r發(fā)育的黃色石灰土,土層厚薄不均,15—100 cm。

研究區(qū)由鳳凰村附近的分水嶺分成北、南兩個(gè)小流域(106°23′15″—106°28′05″E, 29°40′30″—29°48′10″N),分別為龍鳳槽谷(流域面積11.7 km2)龍車槽谷(流域面積26.8 km2),槽谷內(nèi)地表河不發(fā)育。1999年以來(lái),龍鳳槽谷流域已建成3條橫穿背斜核部的隧道(圖1,表1)。隧道修建前,流域降雨匯集后大部分經(jīng)南向北的地下河排泄入嘉陵江,另有部分以泉的方式在槽谷內(nèi)排泄。隧道建成后隧道成為了地下水的排泄通道,排泄量1.5—23.3 L/s,導(dǎo)致地下河流量減小為不足原來(lái)的20%。原有的流量為0.08—5 L/s的13泉點(diǎn)中11個(gè)已被疏干,僅剩2個(gè)流量很小的季節(jié)泉。同時(shí),水田因不能蓄水而被迫變成旱地?？梢?jiàn),隧道建設(shè)對(duì)該流域水文生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重。龍車槽谷流域尚未修建隧道,受北邊流域隧道影響較小。兩流域相同的地質(zhì)背景、氣候條件、相似的土地利用類型,為對(duì)比研究隧道建設(shè)對(duì)巖溶槽谷區(qū)的影響提供了良好的基礎(chǔ)。

表1 龍鳳槽谷三條隧道的基本情況

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在兩流域同一順層坡上分別選擇坡度相同的林地建設(shè)20 m×5 m的徑流小區(qū),基本情況見(jiàn)表2。徑流小區(qū)四周挖至基巖下,在兩側(cè)及坡后灌石漿高出地表,使小區(qū)內(nèi)坡面流、壤中流及泥沙不與外部交換。小區(qū)坡前用碎石填至土巖界面,鋪不透水膜,再繼續(xù)填充碎石至坡面,再鋪不透水膜,將壤中流與坡面流分隔。坡面流被引入50 cm×40 cm×30 cm的收集池,同時(shí)沉積泥沙；壤中流被引入20 cm×20 cm×20 cm的收集池。收集池排出口裝直角三角堰,用于計(jì)算流量。

表2 徑流小區(qū)情況與2017.6—2018.5產(chǎn)水、土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)獲取

流域內(nèi)安裝有小型氣象站(美國(guó)DAVIS公司,Vantage Pro2),每個(gè)收集池內(nèi)安裝有自動(dòng)水位記錄儀(美國(guó)HOBO公司,U 20-001-04),根據(jù)水位計(jì)算流量和徑流深度(徑流量/投影面積),設(shè)定15分鐘自動(dòng)記錄一次降雨量和水位。

2017年6月1日到2018年5月31日,根據(jù)產(chǎn)沙量不定期收集池中全部泥沙,風(fēng)干后稱重,并計(jì)算年侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)(年泥沙總量/投影面積)。兩徑流小區(qū)沿剖面按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm分層采集土樣,土樣風(fēng)干后磨碎,過(guò)篩,用粒徑掃描儀得到粒徑組成。土壤有機(jī)質(zhì)采取重鉻酸鉀法測(cè)定。研究期間選擇一場(chǎng)暴雨,收集降雨,對(duì)坡面徑流、壤中流進(jìn)行高頻采集。取30 mL水樣儲(chǔ)存于高密度乙烯瓶中,不留氣泡,蓋緊后用封口膠密封,用于測(cè)定水中氫氧穩(wěn)定同位素值。δD-H2O、δ18O-H2O由自然資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的采用離軸整合積分腔光譜輸出技術(shù)(OA2ICOS)的液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀(LWIA- 24-d,Los Gatos Research,USA)測(cè)定,測(cè)試結(jié)果均以 V-SMOW 標(biāo)準(zhǔn)給出,精度分別為±0.6%和±0.2‰。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

降雨特征是指每次降雨的雨型、雨量和雨強(qiáng),對(duì)坡面產(chǎn)流影響較大的兩個(gè)因素是降雨量和雨強(qiáng),為了更好地揭示降雨影響徑流的物理機(jī)制,尤其是高強(qiáng)度降雨時(shí)段的產(chǎn)流能力,本文選取降雨量和最大15 min雨強(qiáng)兩個(gè)指標(biāo)。按兩場(chǎng)降雨間隔12小時(shí)計(jì)算降雨場(chǎng)次,研究年內(nèi)共降雨128場(chǎng)1170.9 mm,其中5—9月降雨800.4 mm,占全年降雨量的68%,降雨量最高值出現(xiàn)在8月,為198.6 mm,最低值出現(xiàn)在12月,為11.6 mm(圖6)。全年暴雨(>50. 00 mm/d)8場(chǎng)、大雨(25. 00—49. 90 mm/d)9場(chǎng)、中雨(10. 00—24. 90 mm/d)17場(chǎng),其余為小雨 (<10. 00 mm/d)。降雨量主要集中在17場(chǎng)暴雨和大雨中,占全年降雨的56%(表3)。全年最大場(chǎng)次降雨量為72.1 mm,出現(xiàn)在2018年4月13—14日；最大日降雨量出現(xiàn)在2017年9月1日,為68.6 mm；15分鐘最大雨強(qiáng)為17 mm/15 min,出現(xiàn)在2017年8月25日。

表3 降雨、產(chǎn)流基本情況統(tǒng)計(jì)

3.2 產(chǎn)流特征對(duì)比

3.2.1年產(chǎn)流

降雨及地表徑流是水力侵蝕發(fā)生的動(dòng)力[12]。在降雨相同的情況下,地表徑流差異是產(chǎn)生地表土壤侵蝕差異的重要?jiǎng)恿σ蛩?。從全年?兩徑流小區(qū)產(chǎn)流主要集中在6月和9月,7、8月雖有較強(qiáng)的降雨,但強(qiáng)烈的蒸發(fā)使產(chǎn)流并不突出(圖2)。在全年128場(chǎng)降雨中,1號(hào)徑流小區(qū)(受隧道影響)產(chǎn)生坡面徑流的降雨43場(chǎng)(表3),徑流系數(shù)為0.027(表2)；而2號(hào)徑流小區(qū)(無(wú)隧道影響)產(chǎn)生坡面徑流的降雨37場(chǎng),徑流系數(shù)為0.013。說(shuō)明隧道影響區(qū)坡面產(chǎn)流更容易,產(chǎn)流量更大,對(duì)土壤的侵蝕能力更強(qiáng)。壤中流是坡地徑流的重要組成部分,在兩徑流小區(qū)其產(chǎn)流情況與坡面產(chǎn)流相反。1號(hào)徑流小區(qū)產(chǎn)生壤中流的降雨場(chǎng)次為13場(chǎng),徑流系數(shù)為0.009,均小于2號(hào)徑流小區(qū)(表2、3)。說(shuō)明隧道影響區(qū)下滲進(jìn)入土壤的降雨較少。

如果將坡面流與壤中流相加,兩徑流小區(qū)總產(chǎn)流率低于0.05,根據(jù)質(zhì)量守恒原理,95%以上的降雨被蒸發(fā)或經(jīng)喀斯特區(qū)發(fā)育的裂隙、管道進(jìn)入地下,體現(xiàn)出喀斯特區(qū)特殊的地表、地下“二元”結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響[13-17]。兩徑流小區(qū)中,1號(hào)小區(qū)徑流系數(shù)為0.036,低于2號(hào)的0.042。因兩小區(qū)蒸發(fā)系數(shù)一致,隧道影響區(qū)較低的徑流系數(shù)說(shuō)明更多的降雨直接沿巖溶裂隙進(jìn)入地下。這可能因?yàn)樗淼澜ㄔO(shè)中放炮破壞了巖石結(jié)構(gòu),使裂隙、管道增大；也與隧道排水后地下水位下降有關(guān)。更多的降水下滲進(jìn)入地下管道系統(tǒng)將導(dǎo)致流域表層蓄水量減少,對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

圖2 徑流小區(qū)坡面流和壤中流流量過(guò)程線 Fig.2 Discharge curve of slope flow and interflow in runoff plots

圖3 15 min最大雨強(qiáng)與坡面徑流系數(shù)相關(guān)性 Fig.3 Correlation between the coefficient of slope runoff and maximum of rainfall intensity

此外,兩徑流小區(qū)中次降雨產(chǎn)生的坡面徑流系數(shù)與最大雨強(qiáng)均具有一定程度的正相關(guān)(圖3),但在1號(hào)徑流小區(qū)中二者的相關(guān)性明顯高于2號(hào),擬合直線的斜率也遠(yuǎn)大于2號(hào)。說(shuō)明在隧道建設(shè)影響下坡面產(chǎn)流對(duì)雨強(qiáng)響應(yīng)更快,隨雨強(qiáng)的加大也增加得更快,土壤的調(diào)蓄作用被削弱。

兩徑流小區(qū)具有相同的降水氣候、地質(zhì)、地形、土地利用類型、植被類型(表2),但在研究年中,坡面流、壤中流徑流系數(shù)不同,對(duì)雨強(qiáng)的響應(yīng)也存在差異。這與兩小區(qū)不同的土壤機(jī)械組成有關(guān)。首先,兩徑流小區(qū)的石灰土中粘粒(d<0.01 mm)含量均較高,體現(xiàn)出巖溶區(qū)土壤粘重的特征。但1號(hào)徑流小區(qū)粘粒含量(77%—80%)明顯高于2號(hào)(67%—72%)(表4),粘粒含量的增加將降低土壤滲透能力。其次,兩徑流小區(qū)的土壤剖面結(jié)構(gòu)也存在差異。亞熱帶季風(fēng)區(qū)降雨量多且強(qiáng)度大,強(qiáng)烈的化學(xué)淋溶作用使粒徑較小的粘粒不斷下移,形成上松下粘的土壤結(jié)構(gòu)。2號(hào)徑流小區(qū)土壤剖面隨深度增加粘粒(d<0.01 mm與d<0.001 mm)含量增加,與自然形成的土壤結(jié)構(gòu)一致,該結(jié)構(gòu)有利于降雨下滲。但1號(hào)徑流小區(qū)土壤粘粒含量在土壤剖面0—10 cm處高于10—20 cm,這種上粘下松的異常結(jié)構(gòu)降低了土壤滲透能力?？梢?jiàn),1號(hào)徑流小區(qū)的土壤粒徑和剖面結(jié)構(gòu)均不利于降雨的下滲。這樣,更多的降水在地表產(chǎn)流,導(dǎo)致地表徑流量大于2號(hào),壤中流量小于2號(hào)。另外,表層土壤中較高的粘粒含量在較大雨強(qiáng)時(shí)更容易結(jié)皮,土壤入滲率進(jìn)一步降低,因此,地表徑流系數(shù)與最大雨強(qiáng)具有了更顯著的相關(guān)性。

表4 徑流小區(qū)土壤機(jī)械組成及有機(jī)質(zhì)含量

土壤的形成受母質(zhì)、氣候、地形、植被、人類干擾等因素的控制。兩徑流小區(qū)具有相同的自然條件及土地利用類型,相異的土壤機(jī)械組成可能與隧道建設(shè)有關(guān)。隧道建設(shè)導(dǎo)致地下水位下降,地表泉水干涸(表1),并使土壤含水率降低。Liu等在同一研究地監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,2017年1—12月,1號(hào)徑流小區(qū)土壤20 cm、40 cm平均濕度為22.3%、25.3%,明顯低于2號(hào)徑流小區(qū)相同層位處的25.9%、29.4%。隧道影響區(qū)土壤含水率降低影響了生物群落,植物吸收水分的方式已經(jīng)發(fā)生變化[11],土壤有機(jī)質(zhì)含量下降 (表4),從而逐漸改變土壤結(jié)構(gòu),削弱土壤下滲能力。研究表明喀斯特群落退化時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)含量急劇下降,逐漸向粘質(zhì)化方向發(fā)展,引起土壤板結(jié),使土壤滲透能力下降[18-19]。可見(jiàn),喀斯特地區(qū)隧道建設(shè)可能在一定程度上產(chǎn)生與森林退化相似的影響。

3.2.2次產(chǎn)流

為研究?jī)蓮搅餍^(qū)產(chǎn)流過(guò)程的差異,對(duì)2017年6月13—16日的降雨進(jìn)行了最高頻率為3小時(shí)的加密采樣監(jiān)測(cè)(具體時(shí)間間隔視降雨情況確定)。本次降雨共80.6 mm,最大雨強(qiáng)4.6 mm/15min。降雨分為兩個(gè)階段,第一階段降雨強(qiáng)度大歷時(shí)短,第二階段降雨強(qiáng)度略小,但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。降雨期間,1號(hào)徑流小區(qū)產(chǎn)生的地表、壤中流徑流系數(shù)分別是0.08與0.02,2號(hào)分別為0.06與0.21。其結(jié)果與全年觀測(cè)一致,即坡面徑流系數(shù)為1號(hào)徑流小區(qū)大于2號(hào),而壤中流則相反；坡面流+壤中流徑流系數(shù)為1號(hào)徑流小區(qū)小于2號(hào)。從產(chǎn)流順序看：兩徑流小區(qū)對(duì)降水均迅速響應(yīng),首先產(chǎn)生坡面徑流,但1號(hào)徑流小區(qū)響應(yīng)更快,且流量過(guò)程線漲落更陡(圖4 a, b)；2號(hào)坡面產(chǎn)流滯后約45分鐘,峰值較1號(hào)低。其次產(chǎn)生壤中流,但1號(hào)徑流小區(qū)比2號(hào)滯后2小時(shí)15分,且波峰低(圖4 c, d)。1號(hào)徑流小區(qū)壤中流比坡面流滯后約3小時(shí)30分,而2號(hào)徑流小區(qū)僅滯后30分鐘。兩徑流小區(qū)產(chǎn)流順序的差異進(jìn)一步說(shuō)明1號(hào)徑流小區(qū)異常的土壤機(jī)械組成使土壤下滲率低,降雨在地表產(chǎn)流所需時(shí)間短,產(chǎn)流量更大。因滲入土壤的水少,壤中流產(chǎn)流慢,產(chǎn)流量也較少。

降雨既是地表徑流和壤中流的主要來(lái)源,又是在土壤侵蝕發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中水力侵蝕的動(dòng)力。降雨在產(chǎn)流中的貢獻(xiàn)率可以在一定程度上反映其侵蝕能力。為此,運(yùn)用降雨、“老水”兩個(gè)端元的氫氧穩(wěn)定同位素混合模型計(jì)算二者在地表徑流、壤中流的貢獻(xiàn)率[20]。

Qt=Q0+Qn
CtQt=C0Q0+CnQn

(1)

式中,Qt、Q0和Qn分別表示徑流、“老水”和降雨的體積；Ct、C0和Cn表示對(duì)應(yīng)的δD-H2O或δ18O-H2O同位素值。本研究按朱曉峰等[21]的研究,選擇前期降雨較少的5月22 日降雨事件產(chǎn)流尾水作為“老水”端元,當(dāng)場(chǎng)降雨為另一端元(表5)。這種確定“老水”端元的方法因不能完全排除降雨(同位素值偏負(fù))的影響,導(dǎo)致Q0的計(jì)算結(jié)果可能偏大,但該影響對(duì)于兩徑流小區(qū)是一樣的,故用該方法進(jìn)行定量的對(duì)比研究仍然可行。

表5 2017.6.13—6.15降雨及坡面流、壤中流中“老水”端元?dú)溲醴€(wěn)定同位素值

圖4 2017.6.13—6.15降雨產(chǎn)生的地表徑流和坡面流的流量過(guò)程線、δD-H2O、δ18O-H2O值變化及降雨、“老水”貢獻(xiàn)率Fig.4 Discharge carve, variations of δD-H2O、δ18O-H2O values and the contributions of rainwater and “old water” in the slope flow and the interflow in the rainfall event of June 13—15, 2017

本次降雨事件中,兩徑流小區(qū)δD-H2O、δ18O-H2O坡面流中氫氧同位素組成均值相似,但壤中流中卻差異顯著(表6),1號(hào)徑流小區(qū)壤中流中δD-H2O、δ18O-H2O值比2號(hào)均更偏負(fù),說(shuō)明1號(hào)徑流小區(qū)壤中流中降雨貢獻(xiàn)比2號(hào)大。從產(chǎn)流過(guò)程看,兩徑流小區(qū)的坡面流、壤中流的δD-H2O、δ18O-H2O值均表現(xiàn)出明顯的同步下降(圖4),證明同位素值偏負(fù)的降雨端元在產(chǎn)流過(guò)程中貢獻(xiàn)不斷增加。用穩(wěn)定同位素混合模型(式1)分析降雨貢獻(xiàn)率,δD-H2O和δ18O-H2O分析的結(jié)果表現(xiàn)出很高的相似度,與朱曉峰等在環(huán)江的研究結(jié)果一致[21],故以下以δD-H2O的計(jì)算結(jié)果闡述。降雨初期,在兩徑流小區(qū)的坡面流中降雨的貢獻(xiàn)率均約5%,短暫下降后一直增加,直到產(chǎn)流結(jié)束時(shí)1、2號(hào)徑流小區(qū)分別為85%和82%。此過(guò)程可解釋為產(chǎn)流初期,降雨沖擊土壤表層,將其中“老水”不斷擠壓出去,此時(shí)地表徑流以“老水”為主。隨著降雨的進(jìn)行,“老水”在表層土壤含量降低,降雨貢獻(xiàn)不斷增加。對(duì)比兩徑流小區(qū),1號(hào)坡面徑流降雨貢獻(xiàn)率略高于2號(hào)。從壤中流產(chǎn)流過(guò)程看,降雨初期,在兩徑流小區(qū)降雨的貢獻(xiàn)率差異較大,1號(hào)為29%,2號(hào)僅9%。隨降雨的進(jìn)行,降水貢獻(xiàn)在短暫下降后不斷增加,直到產(chǎn)流結(jié)束時(shí)1、2號(hào)小區(qū)中降雨貢獻(xiàn)率分別為44%和37%?？梢?jiàn),兩徑流小區(qū)中,1號(hào)壤中流中降雨貢獻(xiàn)率明顯高于2號(hào),這與其較低的土壤含水量[11]有關(guān)。較低的土壤含水量使壤中流中“老水”貢獻(xiàn)減少,降雨的貢獻(xiàn)增加?？梢?jiàn),無(wú)論是坡面流還是壤中流,降雨貢獻(xiàn)率在隧道影響區(qū)都比無(wú)隧道影響區(qū)大,侵蝕作用也更強(qiáng)。

表6 2017.6.13—6.15降雨產(chǎn)生的地表徑流和坡面流的δD-H2O、δ18O-H2O特征

3.3 產(chǎn)沙特征對(duì)比

降雨及地表徑流產(chǎn)生的動(dòng)力,不斷侵蝕搬運(yùn)土壤。監(jiān)測(cè)年內(nèi),1號(hào)徑流小區(qū)產(chǎn)沙量1.67 kg,侵蝕模數(shù)為16.68 t km-2a-1,而2號(hào)徑流小區(qū)產(chǎn)沙量0.77 kg,侵蝕模數(shù)為7.73 t km-2a-1(表2,圖5)。可見(jiàn),隧道影響區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較大,導(dǎo)致1號(hào)徑流小區(qū)土壤厚度比2號(hào)小(表2)。分析其原因,首先,隧道影響區(qū)具有更強(qiáng)的水動(dòng)力條件。雖然兩徑流小區(qū)降水一樣,但隧道影響區(qū)產(chǎn)生了更多地表徑流,對(duì)土壤有更強(qiáng)的侵蝕作用。同時(shí)地表徑流和壤中流中具有侵蝕和搬運(yùn)能力的降水的貢獻(xiàn)率都更大,使地表徑流和壤中流具有更強(qiáng)的侵蝕能力。其次,隧道影響區(qū)土壤的抗侵蝕能力較弱。土壤中較低的含水率使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低,在降水條件下更易崩解離散[22-23]。土壤團(tuán)聚體崩解后離散出的顆粒細(xì)小、容易被降雨和流水搬運(yùn)。同時(shí),隧道影響區(qū)土壤粒徑更小,也更容易搬運(yùn)。當(dāng)然,從隧道建設(shè)到影響土壤流失是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程,其中還有很多環(huán)節(jié)需要繼續(xù)研究完善。

圖5 月降雨量、最大雨強(qiáng)、坡面徑流深度及土壤侵蝕量變化Fig.5 Monthly variations of precipitation, maximum of rainfall intensity, runoff depth and soil erosion

坡面土壤侵蝕過(guò)程包括雨滴濺蝕和坡面徑流侵蝕搬運(yùn)兩個(gè)過(guò)程[24],降雨量、降雨強(qiáng)度和坡面徑流深度是土壤侵蝕量的直接影響因素。將13次收集的土壤侵蝕量與降雨量、15 min最大雨強(qiáng)、徑流深度分別進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)降雨量和坡面徑流深度與土壤侵蝕量的相關(guān)性更強(qiáng),可見(jiàn),喀斯特槽谷區(qū),降雨量和地表徑流深度是土壤侵蝕的重要影響因子。對(duì)比兩徑流小區(qū),1號(hào)土壤侵蝕量受降雨量影響更大,而2號(hào)受徑流深度的影響更顯著(圖6),這與二者不同的土壤性質(zhì)有關(guān)。隧道影響區(qū)較低的土壤含水量和更小的土壤粒徑在雨滴的打擊下,更容易被破壞形成分散的土粒。

圖6 土壤侵蝕量與降雨量、雨強(qiáng)和徑流深度的相關(guān)性Fig.6 Correlation between soil erosion and precipitation, rainfall intensity and slope runoff depth

兩徑流小區(qū)4—10月產(chǎn)生了有效坡面徑流,并導(dǎo)致明顯的產(chǎn)沙。產(chǎn)沙的7個(gè)月中,兩徑流小區(qū)產(chǎn)沙量最小值均出現(xiàn)在7月,因?yàn)樵撛陆涤炅?、地表徑流深度都處于最低?這與重慶的伏旱天氣有關(guān)；土壤侵蝕最大量在1、2徑流小區(qū)分別出現(xiàn)在8月和5月,是全年降雨量最高月份,且前期明顯干旱。干旱使土壤松疏,力學(xué)強(qiáng)度降低、穩(wěn)定性變差, 突然的暴雨在坡面迅速產(chǎn)流,將疏松的土壤帶走。

3.4 結(jié)論與討論

喀斯特地區(qū)的隧道工程建設(shè)不僅降低了地下水位,改變地下水流場(chǎng),也使坡面產(chǎn)流、壤中流產(chǎn)流和土壤侵蝕過(guò)程受到影響。重慶觀音峽背斜20多年隧道影響區(qū)地表徑流系數(shù)增加2.6倍,而壤中流量減少為無(wú)隧道影響區(qū)的31%。用氫氧同位素端元模型,認(rèn)為受隧道影響區(qū)的坡面流和壤中流中降雨的貢獻(xiàn)率均增大。地表徑流量增加以及地表徑流及壤中流中降水貢獻(xiàn)率的增加,使降水和徑流的侵蝕能力增強(qiáng)。同時(shí),由于隧道影響區(qū)土壤含水率減少,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低,以及土壤粒徑的減小,使隧道影響區(qū)土壤的抗侵蝕能力降低。因此,隧道建設(shè)區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增加了2.2倍。本研究為隧道建設(shè)對(duì)喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究提供了新的思路和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),但喀斯特地區(qū)特殊的地表、地下雙層結(jié)構(gòu)使降水和土壤不僅從地表流失,更多的可能從地下漏失[13-17,22, 24-25],但目前還沒(méi)有找到合適的研究方法,這也將是今后的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。