黃土區(qū)薄厚層浮土土質(zhì)道路降雨侵蝕過程差異*

紀麗靜，王文龍，2?，康宏亮，李建明，史倩華，白 蕓，聶慧瑩，速 歡

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點試驗室，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. 長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；4. 榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室，陜西榆林719000）

道路侵蝕即道路集流對地面的侵蝕[1]，道路經(jīng)長期踩踏和碾壓，容重變大，表層堅硬，入滲減弱，徑流增加，進而沖刷路面。道路表面平坦光滑加之路網(wǎng)存在[2]，極易使徑流集中下瀉，徑流攜沙力增強，造成邊坡侵蝕。道路侵蝕會破壞地形穩(wěn)定性、擴大水土流失面積、降低水體質(zhì)量，造成生境破碎化，使生物多樣性銳減[3-4]。據(jù)調(diào)查我國黃土高原塬區(qū)道路平均侵蝕模數(shù)高達4×104t·km-2[5]。因此，開展道路侵蝕研究工作、探究道路侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律對于減少自然災(zāi)害、提高環(huán)境質(zhì)量、促進經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

從道路侵蝕發(fā)生位置的角度來看，道路侵蝕可分為道路邊坡侵蝕和路面侵蝕兩大類。對于道路邊坡侵蝕，許多學(xué)者研究硬化道路不同下墊面侵蝕產(chǎn)沙特征發(fā)現(xiàn)路堤、路塹邊坡侵蝕強度較大[6-10]。奚成剛等[11]對鐵路路塹邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)，坡面含沙率隨時間呈增加、減少、增加、穩(wěn)定的變化特點。而關(guān)于路面侵蝕的研究主要集中在土質(zhì)道路上。針對森林道路，許多學(xué)者對森林道路網(wǎng)系產(chǎn)沙量研究發(fā)現(xiàn)，道路是森林流域泥沙的主要來源[12-17]，Grace[18]認為通過在森林道路設(shè)置灌叢屏障可有效減少進入河道的泥沙量。針對農(nóng)田道路，沈海鷗等[19]和鄭海金等[20]均采用模擬降雨試驗分別對東北黑土區(qū)和南方紅壤區(qū)的農(nóng)田道路進行研究發(fā)現(xiàn)道路產(chǎn)流時間均小于2 min，且產(chǎn)流初期徑流量快速增加；沈海鷗等[19]和田風(fēng)霞等[21]均認為農(nóng)田道路侵蝕量與雨強和坡度顯著相關(guān)；部分學(xué)者從侵蝕防治方面對農(nóng)田道路進行研究[22-24]。針對礦區(qū)道路，張孝中等[25]和郭明明等[26]均研究了不同雨強和坡度下土質(zhì)道路徑流產(chǎn)沙特性，發(fā)現(xiàn)徑流率與雨強線性關(guān)系極顯著，且產(chǎn)流量隨徑流量和坡度增加明顯增大[27]。史志華等[28-29]、張孝忠等[25]在研究土質(zhì)道路侵蝕過程及徑流特性時均考慮了浮土的影響，發(fā)現(xiàn)路面浮土量與道路（產(chǎn)流產(chǎn)沙量）呈顯著正相關(guān)關(guān)系[28]。道路浮土即道路表面的松散物質(zhì)層，道路在使用過程中，表層土壤被碾壓粉碎成細小顆粒，隨著時間推移，顆粒聚集形成浮土覆蓋于道路表面。浮土?xí)觿〉缆非治g，并在風(fēng)力作用下形成浮塵或降塵，降低空氣能見度，影響植物生長，危害人類健康。李建明等[30-31]專門探討了不同浮土厚度、坡度、雨強對浮土道路侵蝕的影響，對浮土道路侵蝕時間特征、產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進行了初步研究?？梢?，目前公路、鐵路、森林道路、農(nóng)田道路及礦區(qū)道路侵蝕研究已有一定成果，但關(guān)于浮土道路侵蝕過程與機理的研究尚處于起步階段，不同浮土厚度土質(zhì)道路侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙過程、水沙關(guān)系方面的研究有待進一步拓展和加深。

綜上，利用室內(nèi)人工模擬降雨試驗，研究不同坡度、雨強下不同厚度浮土的道路徑流率變化特征、含沙量變化特征及水沙變化關(guān)系，以期為減輕浮土道路侵蝕危害和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 野外調(diào)查

試驗前分別對用于農(nóng)業(yè)和礦業(yè)生產(chǎn)運輸?shù)? 類土質(zhì)道路進行調(diào)查。選取陜西長武縣、陜西神木縣與內(nèi)蒙古東勝區(qū)3 個調(diào)查點。其中，陜西長武縣為我國主要的蘋果生產(chǎn)基地之一，在長武塬的塬邊地帶，土質(zhì)道路數(shù)量龐多，蘋果生產(chǎn)的農(nóng)忙期間，道路上運輸肥料或果品等的車流量大，人、畜活動頻繁，使得路面產(chǎn)生大量浮土；而陜西神木縣與內(nèi)蒙古東勝區(qū)作為我國的主要煤礦生產(chǎn)基地，礦區(qū)內(nèi)遍布運煤和人員運營的土質(zhì)道路，車流量相較于農(nóng)業(yè)運輸?shù)缆犯育嫶?，尤其是在運輸煤炭過程中，車上有大量粉煤灰掉落，和地面黃色浮土混合后，出現(xiàn)灰黃色的混合浮土覆蓋現(xiàn)象（圖1）。在各調(diào)查點分別選取6、5 和9 條主干道，調(diào)查其坡度和浮土厚度的最大值、最小值、平均值。各調(diào)查點分別選取28、11 和9 個取樣點，利用自制方形鋼環(huán)（長×寬×高：10 cm×10 cm×5 cm）對取樣點的中間部分即遭人、畜、車長期碾壓最硬實的路面部位進行浮土取樣，取樣前用薄鋼尺測量浮土厚度，將采集的浮土收集于樣品袋；利用100 cm3容積的環(huán)刀對浮土底層的道路土壤進行取樣。將浮土和道路土壤樣品置于105℃烘箱烘干后測定其容重（式（1）和式（2））、含水量并采用人工篩分法分析浮土顆粒的機械組成，調(diào)查結(jié)果見表1。由表1 可知，3 個調(diào)查點土質(zhì)道路坡度范圍為1.5°～20°；浮土厚度范圍為0.1～4.2 cm，平均值范圍為0.7～1.5 cm，本文根據(jù)浮土厚度的調(diào)查結(jié)果，對其進行分類，認為厚度≤1.0 cm 為薄層浮土，厚度≥4.0 cm 為厚層浮土；調(diào)查點道路和浮土平均容重分別為 1.68 g·cm-3和1.20 g·cm-3，道路孔隙度較浮土少，浮土結(jié)構(gòu)較道路疏松。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國科學(xué)院水土保持研究所人工模擬降雨大廳下噴區(qū)進行，降雨高度為18 m，降雨均勻度>80%。依據(jù)3 個調(diào)查點調(diào)查數(shù)據(jù)，本試驗設(shè)計3 個道路坡度，分別為4°、8°、16°；2個浮土厚度，分別為1.0 cm、4.0 cm。根據(jù)黃土高原地區(qū)短歷時強暴雨特點，選擇暴雨事件中常見的最大30 min 降雨強度，設(shè)計4 個雨強，分別為1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min-1。本次試驗共計24 場次降雨。產(chǎn)流時間設(shè)計參照李建明等[31]試驗結(jié)果，產(chǎn)流18 min 內(nèi)所有坡面均發(fā)生混合侵蝕，設(shè)定每場試驗產(chǎn)流時間為18 min。根據(jù)調(diào)查點土質(zhì)路容重和含水量平均值，設(shè)計道路和浮土的容重為 1.68 g·cm-3和1.20 g·cm-3，設(shè)計道路浮土含水量為13.28%，使設(shè)計指標接近研究區(qū)土質(zhì)路實際狀況，提高試驗可行性。

表1 不同浮土道路調(diào)查結(jié)果Table 1 Survey of different regolith roads

結(jié)合研究區(qū)土質(zhì)道路實際情況，選取陜西關(guān)中塿土作為試驗土樣，采用規(guī)格為長2 m、寬0.5 m、高0.55 m 的可移動液壓式變坡鋼槽。鑒于道路容重較大，為達到試驗要求，將塿土分5 層填裝于試驗槽，每層裝填土樣10 cm，每裝填1 層后用手扶式夯實機敲打夯實，依次循環(huán)直至達到試驗道路設(shè)計容重1.68 g·cm-3。模擬道路裝填完成后，在集流槽出口處放置寬3 mm 的白色尼龍線，作為判定侵蝕階段分割點的標志，試驗過程中白色尼龍線出露即表示尼龍線上浮土流失，道路開始侵蝕，道路侵蝕從浮土侵蝕階段進入混合侵蝕階段。將浮土土樣置于室外風(fēng)干，隨后過6 mm 網(wǎng)篩篩分。調(diào)查結(jié)果顯示，調(diào)查點<0.01 mm、0.01～0.2 mm、0.2～2 mm各級粒徑含量所占比重分別為21.08%、61.86%、17.06%，故將浮土過0.01、0.2 mm 篩，按小、中、大顆粒質(zhì)量百分比為20%、60%、20%的比例配比浮土?？刂乒┰嚫⊥梁窟_到13.28%左右。將浮土均勻覆蓋在模擬道路表層，夯實浮土直至達到浮土設(shè)計容重1.20 g·cm-3。試驗裝置見圖2。試驗前用梅花樁法率定雨強達到設(shè)計值±5%后，快速掀開試驗槽上的遮雨布并記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流開始后前3 min 內(nèi)在集流槽出口處每隔1 min 接一次泥沙樣，3 min 后每隔3 min 接一次徑流泥沙樣，記錄接樣時間、樣沙質(zhì)量和體積，之后置于105℃烘箱中烘至恒重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

（1）浮土容重rγ：自然狀態(tài)下，單位體積浮土的干重。

式中，rγ為浮土容重，g·cm-3；rm為方形鋼環(huán)內(nèi)浮土干重，g；100 為方形鋼環(huán)面積，cm2；h為浮土厚度，cm。

（2）道路容重sγ：自然狀態(tài)下，單位體積道路土樣的干重。

式中，γs為道路容重，g·cm-3；ms為道路土樣干重，g；100 為環(huán)刀容積，cm3。

（3）徑流率Rr[32]：單位時間內(nèi)的產(chǎn)流量。

式中，Rr為徑流率，L·min-1；0m為接樣時間t（s）內(nèi)徑流和泥沙總重，g；1m為接樣時間t（s）內(nèi)泥沙干重，g；ρ為水的密度，g·cm-3。

（4）含沙量：單位體積的徑流泥沙樣品所含的泥沙質(zhì)量。

式中，S為含沙量，g·L-1；V為所接樣品的體積，L。

2 結(jié) 果

2.1 浮土土質(zhì)道路產(chǎn)流過程

2.1.1 徑流率變化過程 圖3 為徑流率隨降雨歷時的變化過程，曲線與x 軸的交點對應(yīng)的降雨歷時為產(chǎn)流起始時間。由圖可知，僅2.0 mm·min-1雨強時各坡面以厚層浮土產(chǎn)流較快。薄、厚層浮土道路產(chǎn)流起始時間均隨雨強增加而提前，1.0～2.5 mm·min-1雨強時平均產(chǎn)流時間依次為4.63、2.01、1.95、1.30 min，薄、厚層浮土均表現(xiàn)為1.0 mm·min-1雨強時產(chǎn)流起始時間>3 min，其他雨強下產(chǎn)流起始時間<3 min。1.0～2.5 mm·min-1雨強時，薄厚層浮土道路產(chǎn)流起始時間平均差值分別為1.17、0.57、0.53、0.13 min，隨著雨強增大二者產(chǎn)流起始時間逐漸接近。產(chǎn)流起始時間隨坡度增加變化不顯著（P＞0.05）。

相關(guān)分析可知，產(chǎn)流起始時間與浮土侵蝕時間呈極顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.789（P＜0.01）。僅1.5 mm·min-1雨強條件下厚層浮土侵蝕階段持續(xù)時間長于薄層。薄層浮土在1.0 mm·min-1雨強和厚層浮土在1.0～1.5 mm·min-1雨強時浮土侵蝕階段持續(xù)時間最長，均>10 min，且隨雨強增大薄厚層浮土侵蝕階段持續(xù)時間逐漸接近。不同坡度處理下浮土侵蝕階段持續(xù)時間無明顯差異。

浮土侵蝕階段薄、厚層浮土道路徑流率均隨降雨歷時呈“快速增加—穩(wěn)定”的變化趨勢，混合侵蝕階段二者均隨降雨歷時呈“穩(wěn)定變化”的特點。兩種厚度浮土道路徑流率均在產(chǎn)流0～3 min 內(nèi)遞增，徑流率與降雨歷時呈極顯著對數(shù)函數(shù)關(guān)系（R2=0.822～0.951，P＜0.01）；產(chǎn)流3 min 后逐漸趨于穩(wěn)定，徑流率變化范圍介于0.71～2.81 L·min-1，變異系數(shù)介于2%～8%。

2.1.2 平均徑流率變化特征 表2 為浮土侵蝕階段和混合侵蝕階段平均徑流率隨浮土厚度、雨強和坡度的變化特征。浮土侵蝕階段，平均徑流率隨浮土厚度增大而減小，薄層浮土平均徑流率均值是1.66 L·min-1，為厚層浮土的 1.1 4 倍；隨雨強增加而增大，2.5 mm·min-1雨強時平均徑流率均值為2.04 L·min-1，是其他雨強的1.30 倍～2.34 倍；隨坡度增加無明顯變化規(guī)律?；旌锨治g階段，薄層浮土平均徑流率最大值和最小值分別為2.72 和0.96 L·min-1，為厚層浮土的1.12 倍和1.30 倍；1.0 mm·min-1雨強時3 個坡度下的平均徑流率均值為0.97 L·min-1，占1.5～2.5 mm·min-1雨強的38.98%～57.03%；4°、8°、16°坡面平均徑流率均值分別為1.85、1.98、1.72 L·min-1，隨坡度增加整體表現(xiàn)為先增后減趨勢。2 個侵蝕階段薄層浮土平均徑流率均大于厚層浮土，平均徑流率隨雨強增加以線性形式增加（R2=0.757～0.852，P<0.01），平均徑流率與坡度相關(guān)性不顯著（P>0.05）。相關(guān)分析可知，浮土侵蝕階段與混合侵蝕階段平均徑流率呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.967（P<0.01）。

2.1.3 次降雨產(chǎn)流量變化特征 圖4 為次降雨產(chǎn)流量隨浮土厚度、雨強和坡度的變化特征。由圖可知，各坡面次降雨產(chǎn)流量均表現(xiàn)為薄層浮土處理高于厚層浮土處理，4°、8°、16°坡面下薄層浮土平均次降雨產(chǎn)流量分別為34.80、33.94、32.61 L，較厚層浮土增長15.42%、14.29%、22.95%。產(chǎn)流量隨雨強增大而增加，1.0 mm·min-1雨強時平均次降雨產(chǎn)流量為16.23 L，較1.5～2.5 mm·min-1雨強減少1.84倍～2.68 倍。同浮土厚度和雨強下，次降雨產(chǎn)流量與坡度關(guān)系不顯著（P>0.05）。相關(guān)分析可知，2 個侵蝕階段平均徑流率與次降雨產(chǎn)流量均呈極顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.987（P<0.01）和0.999（P<0.01）。為明確雨強、坡度對薄、厚層浮土道路次降雨產(chǎn)流量的影響，分別逐步回歸分析薄、厚層浮土道路產(chǎn)流量與雨強、坡度及其交互項的關(guān)系，結(jié)果表明雨強對產(chǎn)流量影響最為顯著，見式（5）和式（6）。

表2 平均徑流率變化特征Table 2 Variation of mean runoff rate /（L·min-1）

式中，R為次降雨產(chǎn)流量，L；I為雨強，mm·min-1。

2.2 浮土土質(zhì)道路產(chǎn)沙過程

2.2.1 含沙量變化過程 圖5 為含沙量隨產(chǎn)流歷時的變化過程。相關(guān)分析可知，產(chǎn)流起始時間與混合侵蝕階段持續(xù)時間呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.819（P<0.01）。1.5 mm·min-1雨強時各坡面混合侵蝕階段持續(xù)時間均以薄層浮土較長，其他條件下混合侵蝕階段持續(xù)時間隨浮土厚度增加變化不顯著。1.0～1.5 mm·min-1雨強時混合侵蝕階段持續(xù)時間 在 4.40 ～10.21 min 之 間變 化，低 于 2.0 ～2.5 mm·min-1雨強3.07～8.84 min 的變化?；旌锨治g階段持續(xù)時間隨坡度增加無明顯變化規(guī)律。

對于薄層浮土，1.0 mm·min-1雨強時不同坡度下含沙量隨產(chǎn)流歷時變化過程差異較大；1.5～2.5 mm·min-1雨強時含沙量隨產(chǎn)流歷時增加均表現(xiàn)為先快速增大，后趨于平穩(wěn)。對于厚層浮土，1.0～1.5 mm·min-1雨強下，含沙量變化過程整體上表現(xiàn)為產(chǎn)流0～3 min 穩(wěn)定或減小，產(chǎn)流3 min 后緩慢增大，最后趨于平穩(wěn)；2.0～2.5 mm·min-1雨強下，整體上表現(xiàn)為先快速增大，后趨于穩(wěn)定。

浮土侵蝕階段，1.0～1.5 mm·min-1雨強時，含沙量隨產(chǎn)流歷時整體上表現(xiàn)為先快速增大再趨于穩(wěn)定或持續(xù)增大；而2.0～2.5 mm·min-1雨強時呈增加趨勢?；旌锨治g階段，1.0～1.5 mm·min-1雨強時，含沙量隨降雨進行逐漸趨于穩(wěn)定或持續(xù)增大；而2.0～2.5 mm·min-1雨強時呈穩(wěn)定變化趨勢。

2.2.2 平均含沙量變化特征 表3 為浮土侵蝕階段和混合侵蝕階段平均含沙量隨浮土厚度、雨強和坡度的變化特征。浮土侵蝕階段，1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強下薄層浮土平均含沙量均值分別為 71.95、57.32、76.96 g·L-1，較厚層浮土減少70.82%、5.38%、60.48%；而2.0 mm·min-1雨強時，平均含沙量以薄層浮土居高；相關(guān)分析可知，平均含沙量與雨強和坡度的關(guān)系均未達到顯著水平（P>0.05）?；旌锨治g階段，小雨強（1.0、1.5 mm·min-1）下，4 cm 浮土厚度時平均含沙量變化范圍為117.70 ～270.80 g·L-1，較 1 cm 浮 土 厚 度 增 長15.29%～189.76%；而大雨強（2.0、2.5 mm·min-1）下，4 cm 浮土厚度時平均含沙量變化范圍為114.70～266.30 g·L-1，較1 cm 浮土厚度減小5.29%～26.89%；回歸分析結(jié)果表明，平均含沙量與雨強和坡度分別呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系（R2=0.278，P<0.05）和極顯著對數(shù)函數(shù)關(guān)系（R2=0.496，P<0.01）。浮土侵蝕階段平均含沙量與混合侵蝕階段平均含沙量呈極顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.566（P<0.01）。

表3 平均含沙量變化特征Table 3 Variation of mean sediment concentration /（g·L-1）

2.2.3 次降雨產(chǎn)沙量變化特征 圖6 為次降雨產(chǎn)沙量隨浮土厚度、雨強和坡度的變化特征。由圖可知，1.0 mm·min-1雨強下4°～16°坡面與1.5 mm·min-1雨強下4°～8°坡面次降雨產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為厚層浮土處理高于薄層浮土處理；大雨強（2.0、2.5 mm·min-1）下，除2.5 mm·min-1雨強8°坡面外，次降雨產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為薄層浮土處理高于厚層浮土處理。1 cm 浮土厚度時4°、16°坡面與4 cm 浮土厚度時8°、16°坡面次降雨產(chǎn)沙量隨雨強增加而遞增。對薄層浮土道路而言，1.5～2.5 mm·min-1雨強下次降雨產(chǎn)沙量隨坡度增加而遞增，坡度由4°增至8°和8°增至16°時，產(chǎn)沙量分別增長33.81%～110.20%和29.76%～76.63%；對厚層浮土道路而言，2.0～2.5 mm·min-1雨強下次降雨產(chǎn)沙量隨坡度增加而遞增，16°坡面次降雨產(chǎn)沙量變化范圍為1.68～13.71 kg，為4°和8°坡面的1.60 倍～2.36 倍和1.11 倍～1.83 倍。薄、厚層浮土道路產(chǎn)沙量與雨強、坡度及其交互項的逐步回歸分析結(jié)果見式（7）和式（8）。

式中，M為次降雨產(chǎn)沙量，kg；I為雨強，mm·min-1；S為坡度，°；IS為雨強和坡度交互項。

2.3 浮土土質(zhì)道路水沙關(guān)系

表4 為浮土道路在各個侵蝕階段及次降雨過程平均含沙量與平均徑流率的相關(guān)關(guān)系。通過Pearson相關(guān)性分析可知，平均含沙量與平均徑流率的相關(guān)性均在薄層浮土道路時較為顯著。1 cm 浮土厚度時，各個侵蝕階段及次降雨平均含沙量均隨平均徑流率增大而增大，混合侵蝕階段和次降雨平均含沙量與平均徑流率分別呈顯著線性函數(shù)關(guān)系和指數(shù)函數(shù)關(guān)系（P<0.05），其中次降雨過程中二者相關(guān)性最高。4 cm 浮土厚度時，混合侵蝕階段平均含沙量隨平均徑流率增大有減小趨勢，二者相關(guān)性不顯著。

圖7 為浮土侵蝕階段、混合侵蝕階段平均產(chǎn)沙率與平均產(chǎn)流率關(guān)系以及次降雨產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量關(guān)系。由圖可知，當有相同徑流產(chǎn)生時，厚層浮土道路產(chǎn)沙率、產(chǎn)沙量均高于薄層。浮土侵蝕階段薄、厚層浮土道路產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率分別呈顯著指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)關(guān)系?；旌锨治g階段薄、厚層浮土道路產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率分別呈極顯著線性函數(shù)關(guān)系和顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系。次降雨過程中薄、厚層浮土道路產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量分別呈極顯著冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3 討 論

3.1 浮土道路產(chǎn)流特征

除2.0 mm·min-1雨強外，產(chǎn)流起始時間隨浮土厚度增加變化不明顯，這是由于不同厚度浮土前期含水量一致，降雨前浮土含水量虧缺度相同[11]，且浮土顆粒遇水易黏結(jié)，形成結(jié)皮[30，33]。1.0 mm·min-1雨強時浮土道路產(chǎn)流時間>3 min，而沈海鷗等[19]和鄭海金等[20]均認為裸露土質(zhì)道路產(chǎn)流時間小于2 min，產(chǎn)生這種差異的原因在于有無浮土存在，浮土容重較道路小，更利于降雨入滲，同一條件下浮土道路降雨入滲時間較裸露土路長，因此浮土道路產(chǎn)流時間滯后，隨著雨強增大，浮土較快達到飽和狀態(tài)，降雨入滲時間縮短，浮土道路與裸露道路產(chǎn)流時間差異減小。1.0 mm·min-1雨強時薄層浮土水分下滲時間較厚層浮土短，二者產(chǎn)流起始時間差值較大，隨著雨強增大，水分下滲時間縮短且降雨初期厚層浮土細小顆粒眾多，易在浮土表層形成致密光滑薄膜[31]，加速產(chǎn)流，致使二者產(chǎn)流起始時間逐漸接近。同理，雨強增大，厚層浮土產(chǎn)流加快，相應(yīng)開始侵蝕道路時間提前，致使不同浮土厚度處理下浮土侵蝕階段持續(xù)時間差值減少。田風(fēng)霞等[21]認為黃土區(qū)裸露土質(zhì)道路產(chǎn)流時間與坡度呈負相關(guān)關(guān)系，而本試驗中產(chǎn)流時間隨坡度增加變化不明顯，說明浮土對不同坡面道路產(chǎn)流過程有一定程度的影響。浮土道路徑流率隨降雨歷時先快速增加后穩(wěn)定變化，與裸露土質(zhì)道路徑流率變化過程相似[20，29]，裸露道路容重較大，高度密實[28]，降雨初期徑流率出現(xiàn)遞增現(xiàn)象；降雨持續(xù)進行，坡面逐漸形成穩(wěn)定徑流流路，徑流率趨于穩(wěn)定。2 個侵蝕階段薄層浮土道路平均徑流率均大于厚層浮土道路，這是由于浮土厚度增加，降雨入滲時間延長，降雨對徑流的貢獻減少。2 個侵蝕階段平均徑流率與雨強均呈極顯著線性函數(shù)關(guān)系，而與坡度相關(guān)關(guān)系均不顯著，這與裸露土質(zhì)道路徑流率隨雨強和坡度變化特征一致[26-27]，隨著雨強增大，單位時間內(nèi)雨量增加，坡面徑流流速加快，土壤水分入滲受到限制，更多的降雨形成坡面徑流，入滲水量減少，坡面徑流增多。坡度增大時一方面徑流小區(qū)水平投影面積變小，浮土道路有效承雨量減少，使徑流率有減少趨勢；另一方面徑流沿坡向下運動的分力增大，徑流匯集速度加快，使徑流率有增大趨勢，兩方面因素共同影響坡面徑流，致使本試驗中徑流率隨坡度增加變化不顯著。

表4 平均含沙量與平均徑流率相關(guān)性Table 4 Correlation between mean sediment concentration and mean runoff rate

3.2 浮土道路產(chǎn)沙特征

1.0～1.5 mm·min-1雨強較小時，浮土被雨水浸濕達到飽和所需的時間較長，故不同厚度浮土處理下浮土侵蝕持續(xù)時間均較長，由于產(chǎn)流時間一定，相應(yīng)的混合侵蝕時間減少；雨強增大至 2.0 ～2.5 mm·min-1時，雨量增多，浮土更容易飽和，徑流增多，浮土更容易流失，侵蝕速率增大，浮土侵蝕加快，故浮土侵蝕階段持續(xù)時間縮短，相應(yīng)的混合侵蝕階段持續(xù)時間延長。1.0～1.5 mm·min-1雨強下厚層浮土含沙量變化過程整體上表現(xiàn)為產(chǎn)流0～3 min 穩(wěn)定或減小，產(chǎn)流3 min 后緩慢增大，最后趨于平穩(wěn)，可能是由于試驗過程中浮土發(fā)生板結(jié)、電化學(xué)作用[30]，致使產(chǎn)流初期徑流攜沙能力降低，隨著降雨進行，浮土板結(jié)作用減弱，徑流攜沙力逐漸增強。2.0～2.5 mm·min-1雨強下浮土侵蝕階段浮土顆粒供源充足，含沙量隨降雨歷時呈增加趨勢；混合侵蝕階段浮土、土質(zhì)路面共同提供可蝕性物質(zhì)[34]，加之坡面逐漸形成穩(wěn)定徑流流路，含沙量隨降雨歷時增加逐漸趨于穩(wěn)定。而史志華等[28-29]認為，路面細碎顆粒的存在使產(chǎn)流初期徑流含沙量較高，隨著可搬運泥沙顆粒減少，含沙量隨之降低并逐漸穩(wěn)定。產(chǎn)生差異的原因在于試驗設(shè)計的差異性，本試驗將浮土均勻覆蓋于模擬道路之上，而后者在原狀土質(zhì)道路上搭建徑流小區(qū)，實際道路中浮土主要分布在車轍兩側(cè)，而非均勻分布。

小雨強（1.0、1.5 mm·min-1）時持續(xù)的雨滴擊濺和徑流沖刷作用使浮土顆粒更加分散，同一坡度下有相同徑流沿坡面向下流動時，厚層浮土道路徑流所攜帶的泥沙顆粒更多，侵蝕程度更強、侵蝕面積更大，因此厚層浮土道路含沙量與產(chǎn)沙量均高于薄層浮土（見圖8）。大雨強（2.0、2.5 mm·min-1）時徑流量增大，泥沙搬運強度增加[20]，薄層浮土開始侵蝕道路時間較早，產(chǎn)生新的沙源[20]，侵蝕能力增強；而此雨強條件下厚層浮土道路徑流率和產(chǎn)流量均較薄層浮土道路小，攜沙能力降低，因此厚層浮土道路平均含沙量與產(chǎn)沙量均較薄層浮土道路小。大雨強（2.0、2.5 mm·min-1）下薄層和厚層浮土道路徑流能量較高，徑流搬運泥沙能力較強，相同時間內(nèi)較小雨強（1.0、1.5 mm·min-1）時更早進入混合侵蝕階段，以獲得充足沙源[19]，隨著徑流沖刷作用加強，在浮土道路路面形成侵蝕溝[35]，侵蝕率增大，致使大雨強（2.0、2.5 mm·min-1）下2 個侵蝕階段平均含沙量和次降雨產(chǎn)沙量均較小雨強（1.0、1.5 mm·min-1）時高（見圖8）。平均含沙量和產(chǎn)沙量整體均隨坡度增加顯著增大，這與沈海鷗等[19]的試驗成果相似，坡度越大，降雨入滲量越少，徑流匯集能力越強[21]，徑流和土粒沿坡向下運動的分力越大、運動速度越快，侵蝕程度加強，移動至槽口的泥沙顆粒增多。2 個侵蝕階段及次降雨過程水沙協(xié)同變化，徑流增多，產(chǎn)沙增多，這與詹松等[27]的研究結(jié)果一致，當有相同徑流產(chǎn)生時，厚層浮土道路產(chǎn)沙量明顯高于薄層浮土道路。根據(jù)浮土道路侵蝕特點，降低道路侵蝕危害，應(yīng)從減少道路浮土量、減少坡面徑流、增加降雨入滲方面著手[36]，而鄭海金等[20]發(fā)現(xiàn)碎石、泥石、植物路均有不同程度的減沙效果，因此，可以適當在土質(zhì)道路車轍碾壓位置鋪設(shè)碎石[20]，在道路兩側(cè)種植植被[37]，以有效防治道路浮土侵蝕。

4 結(jié) 論

浮土在一定程度上對降雨入滲過程產(chǎn)生影響，從而延長土質(zhì)道路產(chǎn)流時間，進而可能改變土質(zhì)道路產(chǎn)流產(chǎn)沙特征并加速道路侵蝕。浮土厚度增加時土質(zhì)道路徑流率和產(chǎn)流量顯著減小，而產(chǎn)沙量隨浮土厚度增加表現(xiàn)為：小雨強（1.0、1.5 mm·min-1）時厚層浮土次降雨產(chǎn)沙量較高；大雨強（2.0、2.5 mm·min-1）時薄層浮土次降雨產(chǎn)沙量較高。不同厚度浮土處理徑流率和產(chǎn)流量與雨強線性關(guān)系極顯著，不同厚度浮土處理含沙量和產(chǎn)沙量整體隨坡度增加而增大，雨強和坡度對道路侵蝕的影響不容忽視。因此，為減少黃土區(qū)浮土土質(zhì)道路侵蝕量，避免道路侵蝕危害，可采取適當?shù)墓こ?、林業(yè)措施以抑制道路浮土的產(chǎn)生、減少浮土道路有效承雨量。