工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕形態(tài)空間變化

牛耀彬,吳 旭,高照良,畢如田,呂春娟

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷 030801;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

工程堆積體已成為生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失的重要來源[1]。由于大面積工程開挖和重型機械碾壓，導(dǎo)致堆積體土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，加上植物根系缺乏，土壤抗沖性極差，極易產(chǎn)生水土流失[2-3]。特別是在短歷時、高強度降雨條件下，細(xì)溝在坡面迅速形成，引發(fā)劇烈的土壤侵蝕[4-6]。工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕研究已成為生產(chǎn)建設(shè)項目土壤侵蝕研究的熱點和趨勢。因此，研究堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)變化對于明確堆積體土壤侵蝕過程具有重要意義。

細(xì)溝侵蝕發(fā)生過程具有隨機性，細(xì)溝侵蝕形態(tài)演化具有復(fù)雜性。主要表現(xiàn)為細(xì)溝形態(tài)通過分叉、分級、合并等影響著細(xì)溝內(nèi)水流結(jié)構(gòu)。細(xì)溝侵蝕過程中，集流槽出口產(chǎn)沙量、坡面流水力學(xué)特性、細(xì)溝侵蝕形態(tài)等相互作用組成了耦合系統(tǒng)。相關(guān)研究表明，細(xì)溝形態(tài)演變過程對產(chǎn)沙產(chǎn)生重要影響[7-8]，大多數(shù)研究集中關(guān)注細(xì)溝輸沙過程，研究還涉及不同下墊面條件[9]、細(xì)溝流水動力學(xué)特性[10-11]、細(xì)溝形態(tài)特征等[12]?，F(xiàn)有研究主要運用兩類參數(shù)刻畫細(xì)溝形態(tài)特征，傳統(tǒng)參數(shù)如細(xì)溝長度、寬度、深度、密度等，分形幾何為代表的非線性量化參數(shù)如分形維數(shù)、拓?fù)鋮?shù)、地貌信息熵等參數(shù)等[13]。然而，現(xiàn)有研究大多集中在侵蝕結(jié)束后、或間歇性降雨條件下細(xì)溝形態(tài)特征的提取和量化[14-16]，而關(guān)于細(xì)溝形態(tài)動態(tài)變化過程，特別是細(xì)溝縱深發(fā)育過程及空間變化過程的研究較少。

因此，本文通過野外實地放水沖刷試驗，模擬坡面徑流條件下工程堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育過程，基于傳統(tǒng)細(xì)溝形態(tài)刻畫參數(shù)，量化工程堆積體坡面細(xì)溝縱深發(fā)育過程，分析工程堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)空間變化規(guī)律，以期為工程堆積體坡面防護措施的合理配置提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(35°14′24.5″N，107°41′21.24″E，海拔1 107 m)進(jìn)行，屬典型高原溝壑區(qū)。該區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為579.6 mm，夏季常有洪澇災(zāi)害，主要集中在7—9月，占全年降水量的55%左右。試驗區(qū)塬川相間，溝谷發(fā)育，屬旱作農(nóng)耕區(qū)。森林類型屬暖溫帶落葉闊葉林地帶，主要毛白楊(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白羊草(Bothriochloaischcemum)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等。

1.2 試驗設(shè)計與觀測

試驗小區(qū)建在人工開挖坡面上，小區(qū)棄土為當(dāng)年回填土，回填土來自邊坡開挖產(chǎn)生的棄土，坡面無植被覆蓋，試驗小區(qū)長10 m，寬1 m，覆土厚50 cm，依據(jù)黃土高原侵蝕性降雨的瞬時降雨強度標(biāo)準(zhǔn)(I15≥0.852 mm/min)和(I5≥1.520 mm/min)及前期預(yù)試驗，確定放水流量分別為5，9，13，17 L/min。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)堆積體邊坡坡度大多集中在25°～40°，因此試驗設(shè)定的坡度為24°，28°和32°。為了保證試驗本底基本相同，試驗開始前對所有試驗小區(qū)同時進(jìn)行棄土回填和坡面整理。由于坡面細(xì)溝發(fā)育隨機性較強，為了保證試驗結(jié)果的確定性，試驗設(shè)計之初進(jìn)行了大量野外調(diào)查，結(jié)果表明，在堆積體坡面平均每1 m寬分布1條完整細(xì)溝，所以在坡面整理時，人為使坡面整體呈現(xiàn)微凹型，確保坡面只發(fā)育1條細(xì)溝，既保證試驗結(jié)果可靠性又便于觀測和數(shù)據(jù)采集。試驗開始前，先用撒水器均勻地在土表面撒水，使土壤表面充分飽和，但未發(fā)生產(chǎn)流，然后用塑料布覆蓋24 h。用環(huán)刀取3個不同斷面0—20 cm土壤測定初始土壤容重和含水率，土壤容重范圍為1.24～1.42 g/cm3，平均為1.32 g/cm3，變異系數(shù)為4.54%。土壤質(zhì)量含水率范圍為15.20%～17.86%，平均為16.50%，變異系數(shù)為5.99%。堆積體土壤質(zhì)地為砂壤，土石比超過9∶1，粒徑多在1 mm以下，而碎石粒徑范圍是指>10 mm的礫石，土壤顆粒粒徑0.2～0.1 mm，0.1～0.05 mm，0.05～0.02 mm，0.02～0.01 mm，0.01～0.005 mm，0.005～0.002 mm，0.002～0.001 mm，<0.001 mm含量依次為0.37%，5.82%，32.09%，24.90%，11.38%，7.13%，5.82%，12.49%。試驗小區(qū)及放水裝置示意圖見圖1。

注:1.儲水桶；2.水閥；3.恒壓桶；4.水閥；5.流量計；6.穩(wěn)流槽；7.試驗小區(qū)；8.集流槽；9.集流桶。

放水裝置包括儲水桶、恒壓桶、穩(wěn)流槽、水閥、流量計等，在小區(qū)上方采用恒壓放水，保證出水量均勻。每次試驗時間為45 min。地表產(chǎn)流后開始計時，最初3 min內(nèi)每隔1 min測定1次渾水總量、斷面流速、流寬，用500 ml的泥樣瓶收集徑流泥沙樣品，泥沙樣品采用烘干法計算徑流含沙量，3 min后每隔3 min測定1次。在坡面連續(xù)布設(shè)測量斷面，包括穩(wěn)流槽出水口和集流槽入水口，共有11個測量斷面，測量斷面間隔1 m，分別測量每個斷面細(xì)溝的溝長、溝寬和溝深，當(dāng)細(xì)溝發(fā)育到達(dá)集流槽入水口時，溝長不再測量，試驗用精度為1 mm的鋼尺測量。在坡面布設(shè)3個流速和過水寬測量斷面，間距為3 m，坡面水流流速采用高錳酸鉀染色示蹤法，測距為1.5 m，流速乘以修正系數(shù)0.75作為水流斷面平均流速。在穩(wěn)流槽中放置溫度計讀取每場試驗前后水流的溫度，用來計算水流雷諾數(shù)，試驗供水引自王東溝民用水井。

2 結(jié)果及分析

2.1 工程堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)特征

堆積體坡面細(xì)溝形成不僅為泥沙的輸移提供了通道，而且細(xì)溝本身也是侵蝕泥沙的重要“物質(zhì)源”，坡面細(xì)溝侵蝕沿流程方向(距坡頂不同距離處)發(fā)育不盡相同，研究坡面細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)(溝長、溝寬及溝深)沿流程方向的變化特征，對于揭示細(xì)溝侵蝕形態(tài)空間變化具有重要意義。因此，不同坡度和流量條件下工程堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)沿流程方向變化特征分析如下。

2.1.1 溝長隨產(chǎn)流時間變化特征 將所有試驗坡度(24°，28°，32°)和放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下不同時刻實測細(xì)溝長度繪制成圖(圖2)，因為試驗小區(qū)坡長(10 m)限制，所有試驗處理下細(xì)溝溝長發(fā)育的最終長度基本接近坡長。

圖2 工程堆積體坡面溝長隨產(chǎn)流時間的發(fā)育進(jìn)程

從圖2A可以看出，在24°堆積體坡面，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下細(xì)溝溝長最終發(fā)育長度接近10 m，放水流量為13，17 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定(接近10 m)所需產(chǎn)流時間為3 min，放水流量為5，9 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為6 min。相比之下，隨著放水流量的增大，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需時間縮短。從圖2B可以看出，在28°堆積體坡面，放水流量為5，9，17 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為6 min，放水流量為13 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為9 min，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下細(xì)溝溝長最終發(fā)育長度接近10 m。從圖2C可以看出，在32°堆積體坡面，放水流量為5 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為24 min，放水流量為9 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為18 min，放水流量為13 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為12 min，放水流量為17 L/min時，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產(chǎn)流時間為3 min，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下細(xì)溝溝長最終發(fā)育長度接近10 m。

當(dāng)放水流量為5 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有6 min延長到24 min，當(dāng)放水流量為9 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有6 min延長到18 min，當(dāng)放水流量為13 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有3 min延長到12 min，當(dāng)放水流量為17 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有3 min延長到6 min，因此，在相同放水流量條件下，隨著坡度的增大，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需時間變長，究其原因，可能是用于分離土壤顆粒和搬運土壤顆粒的水流比例發(fā)生變化，隨著坡度增大，坡面水流流速也相應(yīng)增大，從而使更多一部分水流用于搬運土壤顆粒，相比之下分離土壤顆粒的水流減弱，最終導(dǎo)致土壤顆粒的分離速率減小，相應(yīng)細(xì)溝溝長最終發(fā)育穩(wěn)定所需時間變長。

總之，在24°和32°和堆積體坡面，放水流量最大(17 L/min)時，細(xì)溝溝長發(fā)育最快，在32°堆積體坡面，放水流量最小(5 L/min)時，細(xì)溝溝長發(fā)育最慢。在相同放水流量條件下，隨著坡度的增大，細(xì)溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需時間變長，細(xì)溝溝長發(fā)育變緩。

2.1.2 溝寬空間變化特征 將所有處理條件下連續(xù)測量所得溝寬在9個觀測斷面(共11個觀測斷面，為了消除邊界擾動效應(yīng)，數(shù)據(jù)分析選取除去兩端的9個斷面)進(jìn)行求均值，并繪制得到每個坡度所有放水流量條件下溝寬隨坡頂距離的變化圖，見圖3。

圖3 工程堆積體坡面溝寬空間變化特征

從圖3A可以看出，在24°堆積體坡面，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下溝寬發(fā)育在坡面不同位置不同，其中劇烈波動主要集中坡面1～6 m，在6 m后，所有流量條件下不同位置溝寬基本持平。這表明，24°堆積體坡面，所有放水流量條件下，溝寬在坡面不同位置呈現(xiàn)差異化發(fā)育。究其原因，可能是徑流路徑在坡面細(xì)溝尚未形成階段及其細(xì)溝形成初始階段尚不穩(wěn)定，加上下墊面的非均質(zhì)性，從而導(dǎo)致對坡面上部出現(xiàn)差異化侵蝕，隨著細(xì)溝發(fā)育逐漸穩(wěn)定，坡下部溝寬大小基本一致。

從圖3B可以看出，在28°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝寬大小在坡面3～9 m發(fā)育基本一致，其中放水流量為13 L/min時，在坡面6～8 m溝寬較大。放水流量為17 L/min時，不同位置溝寬大小劇烈波動，在坡面1～3 m較大、4～7 m較小、8～9 m增大。這表明28°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝寬大小在坡面3～9 m發(fā)育相對一致。當(dāng)放水流量為17 L/min時，溝寬在坡面不同位置呈現(xiàn)差異化發(fā)育。究其原因，可能是隨著坡度增大，侵蝕動能增強，在28°堆積體坡面，細(xì)溝侵蝕在坡面不同位置相對一致。

從圖3C可以看出，在32°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，不同位置溝寬大小不同，在坡面1～3 m，溝寬較大，3 ～9 m溝寬較小且在坡面分布基本一致。放水流量為17 L/min時，不同位置溝寬變化劇烈，在坡面4 m較小，4～9 m增大。這表明放水流量為5，9，13 L/min時，在坡面3～9 m溝寬均勻發(fā)育。

總之，在24°堆積體坡面，所有放水流量條件下，溝寬在坡面不同位置呈現(xiàn)差異化發(fā)育，1～6 m劇烈發(fā)育，6～9 m發(fā)育相對平緩；在28°和32°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝寬在坡面3～9 m發(fā)育相對平緩，究其原因，可能是隨著坡度的增大細(xì)溝更容易形成穩(wěn)定的徑流路徑。

2.1.3 溝深空間變化特征 將所有處理條件下連續(xù)測量所得溝深在9個觀測斷面(共11個觀測斷面，為了消除邊界擾動效應(yīng)，數(shù)據(jù)分析選取除去兩端的9個斷面)進(jìn)行求均值，并繪制得到每個坡度所有放水流量條件下溝深隨坡頂距離的變化圖，見圖4。

從圖4A可以看出，在24°堆積體坡面，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下溝深發(fā)育在坡面不同位置不同，但總體在坡面隨著距坡頂距離增大呈現(xiàn)減小趨勢，其中1～5 m變化波動幅度最大，當(dāng)放水流量為5 L/min時，5 m后溝深變小。從圖4B可以看出，在28°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝深在坡面不同位置大小呈現(xiàn)明顯減小趨勢，總體而言溝深1～5 m減小幅度最大，溝深在特別是當(dāng)放水流量為17 L/min時，溝深大小沿坡面流程減小趨勢更加明顯。圖4C可以看出，在32°堆積體坡面，放水流量為13，17 L/min時，溝深大小隨距坡頂距離增大呈現(xiàn)明顯減小趨勢，1～6 m變化波動幅度最大，但在8 m處出現(xiàn)增大，放水流量為5，9 L/min時，溝深在1～2 m迅速減小，隨后基本保持恒定。

圖4 工程堆積體坡面溝深空間變化特征

總之，在試驗坡度范圍內(nèi)，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下，溝深發(fā)育隨距坡頂距離增大呈現(xiàn)減小趨勢，溝深波動變化主要集中在1～5 m。

2.1.4 平均溝寬和溝深特征 分析表1可以得到，在同一坡度條件下，溝寬平均值隨著放水流量的增大而增大，相比5 L/min，當(dāng)放水流量增大到13，17 L/min時對應(yīng)溝寬顯著(p<0.05)增大；在同一流量條件下，除放水流量為5 L/min之外，溝寬平均值隨坡度變化無顯著差異(p>0.05)。在5，17 L/min時，平均溝寬隨坡度的增大先増后減，在9，13 L/min時，平均溝寬隨坡度的增大而減小，可以看出，流量和坡度對溝寬的影響存在交互作用，在5，17 L/min時，溝寬的發(fā)育尺寸與坡度之間存在臨界坡度，即28°時溝寬發(fā)育尺寸最大，但在9，13 L/min時，溝寬的發(fā)育尺寸隨坡度增大而減小，這表明，在小流量(5 L/min)和大流量(17 L/min)條件下，溝寬發(fā)育隨坡度的增大存在臨界值，但在中間流量(9，13 L/min)條件下，溝寬的發(fā)育隨坡度增大而減弱。這表明在中間放水流量(9，13 L/min)條件下，侵蝕溝最寬的坡面不是32°坡面也不是24°坡面，而是中間28°坡面。

表1 堆積體坡面細(xì)溝平均溝寬和溝深

在同一坡度條件下，溝深平均值隨著放水流量的增大而增大，相比5 L/min，當(dāng)放水流量增大到17 L/min時對應(yīng)溝深顯著(p<0.05)增大；在同一流量條件下，所有溝深平均值隨坡度變化無顯著差異(p>0.05)。

在5 L/min時，平均溝深隨坡度的增大而減小，在9 L/min時，平均溝深隨坡度的增大先增后減，在13 L/min時，平均溝深隨坡度的增大先減后増，在17 L/min時，平均溝深隨坡度的增大而增大，這表明，在小流量(5 L/min)條件下，溝深在24°堆積體坡面發(fā)育劇烈，而在大流量(17 L/min)條件下，溝深在32°堆積體坡面發(fā)育劇烈，在9，13 L/min時，溝深劇烈發(fā)育坡度不確定。結(jié)果表明在放水流量為5，17 L/min條件下，侵蝕溝最深的坡面分別是在24°和32°堆積體坡面。

總之，隨著坡度的增大，平均溝寬和溝深有增有減，但隨著流量的增大，平均溝寬和溝深均增大，這表明，流量對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)的影響大于坡度。

2.2 坡度和流量對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)的影響

細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)溝寬和溝深在距坡頂不同位置而不同，在試驗條件下，坡度和流量是控制變量，為了探究坡度對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)溝寬和溝深的影響，所有試驗場次細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)溝寬和溝深在不同坡度求取均值，并以細(xì)溝發(fā)育距坡頂距離為橫坐標(biāo)進(jìn)行繪制見圖5。

為了探究流量對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)溝寬和溝深的影響，所有試驗場次細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)溝寬和溝深在不同放水流量求取均值，并以細(xì)溝發(fā)育距坡頂距離為橫坐標(biāo)進(jìn)行繪制柱狀圖見圖6。

圖6 流量對溝寬和溝深的影響

由圖5，6可以看出，綜合來看，無論是在不同坡度還是不同放水流量條件下，溝寬隨距坡頂距離的增大呈現(xiàn)輕微波動變化，各處理下溝寬在坡面不同位置大小沒有明顯差異，溝深卻隨坡頂距離的增加呈現(xiàn)明顯減小趨勢，各處理下溝深在坡面不同位置大小有明顯差異。這表明細(xì)溝溝寬在坡面發(fā)育基本一致，溝深由坡頂?shù)狡履_卻逐漸變小，即溝寬的發(fā)育與位置關(guān)系不顯著，而溝深與位置關(guān)系顯著，可以把細(xì)溝在坡面發(fā)育的總體形態(tài)為概化為“楔形”。

圖5 坡度對溝寬和溝深的影響

3 討 論

堆積體坡面細(xì)溝侵蝕頻發(fā)，及時有效地攔蓄坡面的徑流是防治細(xì)溝侵蝕的重要舉措，防護措施的合理有效布設(shè)是減少侵蝕的關(guān)鍵。本研究嘗試運用刻畫細(xì)溝形態(tài)的基本指標(biāo)溝長、溝寬和溝深，研究細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)的空間發(fā)育過程，以期明確堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育的空間變化特征，為工程堆積體坡面防護措施的配置提供一定的理論支撐。堆積體坡面細(xì)溝侵蝕與坡耕地細(xì)溝侵蝕有相同之處，在坡耕地上研究表明，降雨和上坡來水均在坡耕地上造成了嚴(yán)重的細(xì)溝侵蝕，間歇性降雨條件下，坡面侵蝕總量的變化與細(xì)溝發(fā)育所處階段緊密相關(guān)[17]。與地塊上承接的降水相比，上坡來水對細(xì)溝侵蝕的影響更大[18]。此外，單一的或一定數(shù)量細(xì)溝侵蝕特征代表性有限，因此迫切需要對溝網(wǎng)動力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究[19]。相關(guān)研究表明，坡面侵蝕過程呈明顯的階段性[20-21]，而且工程堆積體坡面溝寬和溝深在前9 min內(nèi)快速發(fā)育，溝寬發(fā)育占總寬度的57%～90%，溝深發(fā)育占總深度的38%～73%，即在產(chǎn)流初期溝寬對堆積體坡面侵蝕形態(tài)的貢獻(xiàn)要大于溝深[22-23]，本研究結(jié)果表明，細(xì)溝在坡面發(fā)育的總體形態(tài)為概化“楔形”，即在坡面上部溝深發(fā)育貢獻(xiàn)大于坡面下部，溝寬發(fā)育在坡面相對一致。綜合來看，堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育的時空變化特征為“細(xì)溝發(fā)育前期溝寬迅速擴張，坡面上部溝深集中下切”，該研究結(jié)果補充和完善了工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕形態(tài)的時空變化規(guī)律，可以為堆積體坡面防護提供理論指導(dǎo)。此外，本研究表明流量對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)的影響大于坡度，而關(guān)于堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)空間變化的水動力學(xué)機理有待深入研究。

4 結(jié) 論

在堆積體坡面，放水流量最大時，溝長發(fā)育最快，在相同放水流量條件下，隨著坡度增大溝長發(fā)育變緩。在24°堆積體坡面，所有放水流量條件下，溝寬在坡面呈現(xiàn)差異化發(fā)育，劇烈發(fā)育集中在1～6 m，相對均勻發(fā)育在6～9 m。在試驗條件下，坡面溝深發(fā)育整體呈現(xiàn)減小趨勢，波動變化集中在1～5 m。在同一坡度條件下，平均溝寬和溝深均隨放水流量增大而增大，在同一流量條件下，除放水流量為5 L/min時，平均溝寬和溝深隨坡度無顯著差異，表明放水流量對細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)的影響大于坡度。溝寬在坡面不同位置發(fā)育基本一致，溝深從坡上到坡下卻逐漸變小，堆積體坡面細(xì)溝侵蝕形態(tài)可概化為“楔形”。