喀斯特槽谷區(qū)巖石與坡面夾角對產流產沙過程的影響

宋 蘭， 張玉啟， 何丙輝， 曾榮昌， 李天陽

(西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715)

坡面產流產沙過程是水力侵蝕機制研究中最主要的內容之一，明確坡面尺度水沙輸移特性可為坡面土壤侵蝕防控措施的合理布置提供理論支撐。西南喀斯特槽谷區(qū)坡面由于碳酸鹽巖發(fā)育而存在著獨特的地上地下二元空間地質結構，坡面地表巖層裸露且與坡面形成不同夾角，進而塑造了喀斯特槽谷區(qū)坡面特殊的產流產沙過程。然而，關于喀斯特坡面產流產沙的特性的研究，目前主要集中在植被覆蓋、巖石裸露率和土地利用方式等對產流產沙過程的影響。楊青等研究發(fā)現，喀斯特坡面植被覆蓋減少，徑流深和產沙量隨之減少；Dai等、Xia等研究發(fā)現，隨巖屑覆蓋增加，基巖裸露率增大，土壤入滲量增加，地表產流產沙波動性減小，地下產流產沙波動性增大；王涵等通過觀測徑流小區(qū)發(fā)現，植被類型和土地利用方式均會影響坡面產流產沙；Dai等、彭旭東等通過室內降雨模擬試驗研究發(fā)現，喀斯特坡面地下裂隙越發(fā)育，地下土壤漏失量越大。而目前對喀斯特槽谷區(qū)巖石與坡面夾角下的產流產沙規(guī)律認識尚不清楚，這使得利用現有土壤侵蝕模型不能精確預測侵蝕模數，同時也影響了坡面水土流失防治措施的效益評估。因此，本試驗基于野外實地調查，室內設置6個巖石與坡面夾角、3個坡度和3個流量組合條件，進行放水沖刷試驗，以闡明喀斯特槽谷區(qū)坡面不同巖石與坡面夾角下產流產沙特性，從而為該區(qū)坡面土壤侵蝕模型修正及水土流失防治措施布設提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取重慶市北碚區(qū)雞公山0—30 cm的耕層土壤作為供試土樣(106°27′19″E，29°47′41″N)，土壤類型為喀斯特槽谷區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育形成的石灰性土。所采集土樣容重為1.21 g/cm，土壤顆粒粒徑分布：2～0.02，0.02～0.002，<0.002 mm粒徑分別占20.68%，51.09%，28.23%。試驗前將風干的土壤過10 mm篩再填入沖刷土槽中，計算填土后按上層15 cm(容重1.2 g/cm)，下層5 cm(容重1.3 g/cm)分層填裝土壤于試驗土槽內。

1.2 供試土槽

本試驗用土槽長度為4.8 m，寬度為1.0 m，填土深度為0.2 m。土槽前端設置集流槽，用于收集在沖刷過程中產生的地表徑流泥沙樣。根據在酉陽龍?zhí)恫酃葏^(qū)的野外調查，在模擬不同巖石與坡面夾角條件時，選擇9塊直徑均>25 cm的不規(guī)則碳酸鹽巖石塊隨機排列在試驗所用的沖刷土槽中。經過調試確保在每次變換巖石與坡面夾角時，巖石的裸露率保持在15%不變。

1.3 沖刷過程

室內模擬放水沖刷試驗于2019年9—11月在西南大學人工降雨大廳進行。地下裂隙度為0，以模擬喀斯特槽谷區(qū)的地下裂隙仍未開始發(fā)育的部分區(qū)域的產流產沙過程。巖石與坡面夾角設置為30°，60°，90°，120°，150°，180°(0)，其中夾角為30°，60°表示巖石傾向和坡向一致，120°，150°表示巖石傾向和坡向相反，90°表示巖石與坡面垂直，180°(0)表示巖石與坡面平行，同時作為對照組。按照喀斯特槽谷區(qū)的水文氣象及地形地貌數據，流量設置為5，7.5，10 L/min，坡度設置為10°，15°，20°。每場試驗開始前通過人工降雨使土壤完全飽和，按照巖石與坡面夾角、流量和坡度完全組合的方法開始試驗，每個組合重復2次。沖刷時長設置為18 min，在前6 min每隔1 min收集1次地表徑流泥沙樣，后12 min每隔1.5 min收集1次地表徑流泥沙樣。

1.4 數據處理

試驗過程中，按照規(guī)定的間隔時間收集地表徑流泥沙樣，現場稱取體積，攪勻后用體積為590 mL的取樣瓶收集徑流泥沙樣帶回室內。將取樣瓶中的徑流泥沙樣靜置至上清液完全澄清，將上清液倒入量筒測量這部分水樣體積，稱得取樣瓶與剩余泥沙的質量之和。取100 mL燒杯，編號并稱得其質量，將取樣瓶中剩余泥沙搖勻后取大約40 mL于燒杯中，并稱取其質量，烘干后再稱取其質量，測得其含沙量、地表產流率和地表產沙率，空取樣瓶質量為。

(1)地表產流率()計算公式為：

(1)

式中：為徑流泥沙樣體積(L)；為收集徑流泥沙樣的時間間隔(s)；為上清液體積(L)；為取樣瓶與剩余泥沙的質量之和(kg)；為燒杯質量(kg)；為燒杯與泥沙樣質量之和(kg)；為燒杯與烘干泥沙質量之和(kg)；為取樣瓶質量(kg)。

(2)含沙量()計算公式為：

(2)

式中：為取樣瓶與剩余泥沙的質量之和(kg)；為燒杯質量(kg)；為燒杯與泥沙樣質量之和(kg)；為燒杯與烘干泥沙質量之和(kg)；為取樣瓶質量(kg)。

(3)地表產沙率()計算公式為：

(3)

式中：為徑流泥沙樣體積(L)；為含沙量(kg/L)；為收集徑流泥沙樣的時間間隔(s)。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 26軟件進行數據整理、計算和統(tǒng)計分析，采用單因素方差(ANOVA)對不同巖石與坡面夾角下的地表產流率、含沙量和地表產沙率進行分析，各變量間進行Pearson相關性分析，再進行回歸分析并對回歸方程進行顯著性檢驗，建立不同巖石與坡面夾角下的水沙關系。使用Microsoft Excel 2019和Origin 26.0軟件進行相關圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同巖石與坡面夾角下產流產沙過程變化

由圖1可知，在巖石與坡面夾角為30°，60°，90°，120°，150°，180°的條件下，各組的地表產流率變化范圍分別為0.082～0.135，0.049～0.174，0.065～0.173，0.058～0.184，0.079～0.153，0.050～0.140 L/s。在各個流量和坡度的組合下，不同巖石與坡面夾角下的地表產流率隨沖刷歷時均呈先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。比如，在10°坡面，5 L/min流量以及20°坡面、10 L/min流量條件下，第9 min較第1 min的地表產流率分別增加71.61%，47.53%，第18 min較第9 min的地表產流率分別增加5.04%，6.48%。沖刷前期的地表產流率在整個沖刷過程中較低，水流分散，產流滯后。隨著沖刷歷時延長，溝道發(fā)育逐漸集中，地表產流率趨于穩(wěn)定。

圖1 地表產流率隨沖刷歷時變化

由圖2可知，在巖石與坡面夾角為30°，60°，90°，120°，150°，180°條件下，各組的地表產沙率變化范圍分別為0.017～0.043，0.001～0.065，0.004～0.045，0.001～0.074，0.009～0.042，0.004～0.046 kg/s。流量和坡度較小時，各巖石與坡面夾角下的地表產沙率差異不明顯，隨著流量和坡度的增大，不同巖石與坡面夾角下的地表產沙率波動性變大。各條件下的地表產沙率隨沖刷歷時均呈現波動性減小的變化趨勢。在10°坡面，5 L/min流量以及20°坡面、10 L/min流量條件下，第9 min較第2 min的地表產沙率分別減少65.26%，77.74%，第18 min較第9 min的地表產沙率分別減少47.51%，72.41%。

2.2 不同巖石與坡面夾角下含沙量過程變化

由圖3可知，在巖石與坡面夾角為30°，60°，90°，120°，150°，180°的條件下，含沙量變化范圍分別為0.119～0.362，0.019～0.381，0.051～0.218，0.018～0.338，0.079～0.249，0.035～0.284 kg/L。流量和坡度較小時，各巖石與坡面夾角下的含沙量差異不明顯，隨著流量和坡度的增大，不同巖石與坡面夾角下的含沙量波動變大。各試驗條件下含沙量隨沖刷歷時的變化均為初始含沙量最高，而后隨沖刷歷時呈波動性降低。在10°坡面，5 L/min流量以及20°坡面、10 L/min流量條件下，第9 min較第2 min的含沙量分別減少66.05%，69.35%，第18 min較第9 min的含沙量分別減少41.34%，65.89%。

圖2 地表產沙率隨沖刷歷時變化

2.3 不同巖石與坡面夾角對產流產沙及含沙量的影響

在30°，60°，90°，120°，150°和180°的巖石與坡面夾角條件下，地表產流率的變化范圍為0.104～0.119 L/s，地表產沙率的變化范圍為0.020～0.034 kg/s，含沙量的變化范圍為0.144～0.237 kg/L。由圖4可知，在試驗條件下，巖石與坡面夾角為60°時，地表產流率最高，但與其他巖石與坡面夾角下的地表產流率無顯著差異。巖石與坡面夾角為60°條件下的地表產沙率最高，且較巖石與坡面夾角為90°，150°和180°條件下的地表產沙率分別增加59.27%，61.11%，74.13%。巖石與坡面夾角為60°條件下的含沙量最高，且顯著高于巖石與坡面夾角為90°，150°，180°條件下的含沙量，分別增加60.42%，43.23%，64.42%。其次為巖石與坡面夾角為30°的條件下，顯著高于巖石與坡面夾角為90°和180°條件下的含沙量，分別增加52.29%，56.39%。

2.4 不同巖石與坡面夾角下水沙關系

由表1可知，試驗條件下，巖石與坡面夾角與含沙量、地表產流率和地表產沙率均無顯著關系。流量分別與地表產流率和地表產沙率呈極顯著正相關。坡度與地表產流率呈顯著正相關，且分別與含沙量和地表產沙率呈極顯著正相關。此外，地表產流率與含沙量和地表產沙率之間均呈極顯著正相關。

分別對不同巖石與坡面夾角下的地表產流率和含沙量進行回歸分析(圖5)。在巖石與坡面夾角為60°，90°，120°的條件下，地表產流率與含沙量呈冪函數正相關(<0.05)。在巖石與坡面夾角為30°，150°，180°的條件下，地表產流率與含沙量關系均不顯著。

分別對不同巖石與坡面夾角下的地表產流率和地表產沙率進行回歸分析(圖6)。在巖石與坡面夾角為60°，90°，120°，150°，180°的條件下，地表產流率與地表產沙率呈線性正相關(<0.05)。在巖石與坡面夾角為30°的條件下，地表產流率與地表產沙率關系不顯著。整體對不同巖石與坡面夾角下的地表產流率和地表產沙率進行回歸分析，結果顯示地表產流率與地表產沙率呈線性正相關(<0.01)。

圖3 含沙量隨沖刷歷時變化

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同巖石與坡面夾角間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

在本研究中，地表產流率隨著沖刷時間的推移呈現先增加后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。這可能是由于徑流量的增長過程伴隨著溝道不斷發(fā)育，前期水流以入滲為主，隨著入滲逐漸穩(wěn)定，溝道連通，前期溝道中滯留的水流也逐漸產出，地表產流逐漸增大。當溝道發(fā)育相對穩(wěn)定后，對徑流的匯集作用也達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此地表產流率趨于穩(wěn)定。與地表產流率不同，地表產沙率隨沖刷歷時出現波動性減小的變化趨勢。這可能是因為隨沖刷歷時而變化的產沙過程較產流變化更為復雜。沖刷初始，剝蝕能力較強的清水流會挾帶大量地表土壤顆粒沿坡面向下運動。隨著溝道中跌坎和壅水的產生，增大了溝道形態(tài)阻力，地表水流能量減小，侵蝕能力減小，并且溝道加深，下層的土壤相對緊實，可剝蝕量減少，使得地表產沙隨沖刷歷時減小。

含沙量隨沖刷歷時呈現波動性減小的趨勢，波動變化程度隨著沖刷流量的增大而增大。在沖刷過程中含沙量突然增加的時刻基本上和溝道出現跌坎的時刻一致，這可能是因為沖刷過程中形成的跌坎、細溝和含沙量與侵蝕速率的變化規(guī)律具有同步關系。沖刷初始地表產沙率較大，地表水流又以入滲為主，因此沖刷前期的含沙量最大。之后地表水流隨著溝道發(fā)育的穩(wěn)定而達到穩(wěn)定狀態(tài)，地表產沙率仍處于波動性減小的趨勢，綜合下來含沙量呈波動性減小趨勢。

在試驗條件下，巖石與坡面夾角為60°條件下的地表產流率、地表產沙率和含沙量均最高。在本試驗設置不同的巖石與坡面夾角時，60°為本試驗中所設置巖石傾向和坡向一致的夾角中最大的一個。這可能是因為巖石傾向和坡向一致時巖石對土壤的阻擋作用更小，土壤流失較多。該結果說明當巖石傾向與坡向一致且夾角較大時，可能會導致坡面產沙增加。越大的巖石與坡面夾角會對沖刷產生的徑流起到更大的阻擋作用，從而降低徑流流速，并且徑流的方向發(fā)生轉變后的一部分動能會由此轉變?yōu)閴簭妱菽?。此時有一部分徑流由于轉向加劇對轉向后路徑上土壤顆粒的掏蝕，徑流所能攜帶的泥沙量有所增加。

表1 巖石與坡面夾角、流量和坡度與含沙量、地表產流率和地表產沙率的皮爾遜相關系數矩陣

圖5 地表產流率與含沙量的關系

圖6 地表產流率與地表產沙率的關系

在試驗條件下，坡面產沙率總體上隨產流率的增加而呈線性增加。蘇遠逸等研究發(fā)現，在不同坡度條件下，坡面的產流率與產沙率間均呈線性關系，這與本研究結果相似。此外，在巖石與坡面夾角為60°，90°，120°時，隨著地表產流率增加，含沙量呈冪函數增長，而在其他夾角下(30°，150°，180°)，地表產流率與含沙量關系不顯著。這表明巖石與坡面夾角的變化可顯著改變產流率與泥沙濃度的關系，進而影響坡面土壤分離、搬運及沉積等過程。目前，已有研究表明，在小流域尺度下，流量與含沙量變化趨勢一致且呈極顯著相關，但對坡面尺度水沙關變化過程及影響因素的認識尚不清楚。因此，結合野外實際情況，需要更多的室內模擬數據來進一步闡明喀斯特槽谷區(qū)巖石與坡面夾角對產流產沙的影響。

4 結 論

本試驗條件下，各巖石與坡面夾角下地表產流率隨沖刷歷時呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，而含沙量和產沙率隨沖刷歷時均呈波動性減小趨勢。不同巖石與坡面夾角之間，地表產流率無顯著差異，但含沙量與產沙率均差異顯著，且在30°，60°，120°夾角下相對最大。地表產流率與含沙量在60°，90°，120°夾角下均呈顯著冪函數正相關，在其他夾角下二者關系不顯著。地表產流率與產沙率在60°，90°，120°，150°，180°夾角下呈顯著線性正相關。在喀斯特槽谷區(qū)，當出露的巖石與坡面形成一定夾角時，可加劇坡面產沙，并改變產流與產沙關系。本研究可為喀斯特槽谷區(qū)坡面土壤侵蝕模型修正及水土流失防治措施布設提供理論支撐。