黃土丘陵區(qū)覆沙坡面產流產沙過程及水沙關系

蘇遠逸， 馮朝紅， 張 揚， 雷 娜， 張庭瑜

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；2.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；3.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

黃土高原北部的風蝕水蝕交錯帶受夏秋季水蝕與冬春季風蝕的共同作用，冬春季的強風將大量的風沙輸送到黃土坡面、溝壑和河道中。這就形成了一種特殊的地貌景觀，即風沙覆蓋黃土坡面［1-3］。許炯心［4］經過多年野外調查發(fā)現(xiàn)，風沙覆蓋黃土區(qū)面積約13099 km2，位于多沙粗沙區(qū)北部，約占該區(qū)域的17%。沙土在汛期容易被侵蝕，隨后沿黃河被徑流輸送到黃河下游的河床上，水土流失率超過10000 t·km-2·a-1［5］。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于風力與水力的耦合作用。風力作用將大量粗泥沙顆粒搬運到坡面、溝壑和河道中，為高含沙水流的形成提供了充足的物質來源［6］。水力作用是搬運粗泥沙顆粒的動力條件，最終形成了富含細顆粒的高含沙水流［7］。風力作用和水力作用在時間上相互交錯，在空間上互相重疊，導致該地區(qū)水土流失率較高。嚴重的水土流失使當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境進一步惡化，給當?shù)厝藗冋５纳a生活造成巨大危害，不利于黃河下游生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展［8-11］。

張麗萍等［12-13］通過野外模擬降雨試驗指出覆沙黃土坡面是“入滲-水流-崩塌”的特殊侵蝕模式，產流產沙與黃土坡面相比滯后，但產流后的產沙量隨著徑流量的增大明顯增大?；菡窠?4］得到與張麗萍相同的結論，這是由于黃土和風沙土的入滲率不同造成的。風沙土粗顆粒含量較高，土壤孔隙度較大，導致入滲率高，而黃土與之相反。因此，對于覆沙黃土坡面而言，沙層中的水分迅速入滲到達沙土界面，由于黃土的入滲率較低，一部分水分入滲至黃土中，其余水分在重力作用下沿著沙土界面向下流動。隨著降雨時間的延長，坡面整個沙緣不斷被侵蝕后退，徑流將泥沙向坡下搬運輸移［15］。覆沙黃土坡面一般難以形成地表徑流，在持續(xù)強降雨條件下坡面產生徑流后會形成高含沙水流［16］。在坡面尺度上，Zhang等［17］通過研究發(fā)現(xiàn)，由于沙層的存在改變了侵蝕模式，并且還存在臨界覆沙厚度。謝林妤等［18］的研究表明，覆沙厚度、顆粒大小及其相互作用對產流產沙量影響很大。

針對黃土區(qū)覆沙坡面侵蝕過程的初步研究表明，黃河下游出現(xiàn)的高含沙水流和沉積在黃河下游河床上較粗的泥沙顆粒是由于覆沙黃土區(qū)嚴重的水土流失造成的［19］。目前，關于黃土區(qū)侵蝕過程的研究大多集中在單一黃土坡面，而對于定量研究黃土區(qū)覆沙坡面侵蝕過程所開展的研究較少。因此，為了探究黃土區(qū)覆沙坡面的產流產沙過程及水沙關系，本研究以覆沙坡面作為主要研究對象，以黃土坡面作為參照，對比分析不同坡面的侵蝕差異，以期為完善黃土區(qū)覆沙坡面的侵蝕機理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗用土選取陜西省榆林市綏德縣王茂溝小流域的黃綿土和內蒙古自治區(qū)達拉特旗東柳溝小流域的風沙土。將試驗用土運回實驗室后過10 mm土樣篩去除草根、礫石等雜質。經Mastersizer 2000測得黃土顆粒組成為黏粒（＜0.002 mm）0.17%、粉粒（0.002～0.05 mm）61.22%和砂粒（＞0.05 mm）38.31%，風沙土顆粒組成為黏粒（＜0.002 mm）0.72%、粉粒（0.002～0.05 mm）14.38%和砂粒（＞0.05 mm）84.9%（表1）。經測定黃土干密度約為1.25 g·cm-3，風沙土干密度約為1.65 g·cm-3。

表1 試驗土壤顆粒組成Tab.1 Grain composition of experimental loess soil

圖1為沖刷試驗裝置示意圖，由徑流收集裝置、土槽、水槽、穩(wěn)流槽、水箱和閥門等組成。土槽（長2 m，深0.2 m，寬0.2 m）為木質土槽，設置為12°的斜坡。在土槽頂部連接一個寬0.2 m、深0.05 m的變坡長水槽，坡長分別為2 m、4 m和6 m。穩(wěn)流槽采用帶孔的有機玻璃板分為兩部分，穩(wěn)流槽中的水來自裝有流量控制器的水箱，水箱設有排水孔，以保持水壓穩(wěn)定。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 試驗設計與方法

室內放水沖刷試驗在西安理工大學雨洪侵蝕大廳內進行。試驗設計放水強度為1 L·min-1［20］，根據(jù)野外現(xiàn)場調查結果和已有研究成果，黃土高原50%以上坡耕地的坡度在10°～15°之間，因此該試驗設計的坡度為12°。將野外采回的土樣稱重并烘干，根據(jù)計算結果設定黃綿土的土壤前期含水量為15%，土壤干容重為1.25 g·cm-3。選用覆沙條件和徑流坡長2 個影響因子，設計4 個覆沙條件（0 cm，1 cm，2 cm，3 cm）和3 種徑流坡長（2 m，4 m 和6 m）進行組合試驗，每組試驗重復3次，共36場試驗，試驗結果采用3 次試驗結果的平均值，具體沖刷試驗設計如表2所示。

表2 沖刷試驗設計Tab.2 Design table of scour experimental

將試驗用土運回實驗室后進行裝填，共分為以下幾個步驟：（1）土壤風干并過10 mm的土樣篩，除去植物根、小石塊等雜質；（2）取適量土樣測量其含水率，用噴壺灑水混合均勻使含水量達到15%左右，并用塑料膜覆蓋防止水分蒸發(fā)；（3）根據(jù)測定野外黃土的干容重（1.25 g·cm-3）計算得出需要的用土量，將配置好的黃土每5 cm 裝入土槽中，一共4層，每層黃土裝填壓實后在表面進行淺鋤，保證土壤緊密結合；（4）根據(jù)試驗設計要求在需要覆沙的坡面覆蓋不同厚度的風沙土，覆沙坡面在裝土時表層預留相應的位置，保證每場試驗填土厚度一致；（5）用噴壺在覆沙坡面噴灑適量的水，讓沙層的含水量接近野外狀態(tài)。

試驗開始前先率定沖刷流量，在率定值連續(xù)3次與設計流量之間的誤差小于5%時進行沖刷試驗。水流進入土槽后到徑流收集裝置出現(xiàn)徑流的時間為初始產流時間，徑流收集裝置出現(xiàn)徑流開始后記錄產流時間，產流持續(xù)15 min后關水。在試驗過程中，當徑流收集裝置出現(xiàn)徑流后用容量瓶接取每分鐘內的泥沙樣品，保證容量瓶內裝滿，剩余的泥沙水樣用帶有刻度的塑料桶收集。試驗結束后記錄塑料桶中渾水的體積，并將容量瓶中的泥沙樣品靜置24 h，倒去上層清液后將剩余的泥沙樣品轉移至鋼制飯盒中，放進105 ℃的烘箱中12 h，隨后用電子秤稱量得到廣口瓶中的泥沙質量。用容量瓶中的泥沙質量與容量瓶的容積相比得到含沙量，再根據(jù)塑料桶中記錄的渾水體積換算得出試驗過程中每分鐘的產沙量，最后用渾水總體積減去泥沙總體積得到產流量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)使用Excel 進行統(tǒng)計，采用SPSS 進行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計、方差分析、回歸與相關分析、曲線擬合等，用Origin 進行繪圖，用Photoshop 繪制了沖刷試驗裝置示意圖。

2 結果與分析

2.1 覆沙坡面侵蝕過程特征值

表3 為覆沙坡面侵蝕特征值統(tǒng)計表，主要包括初始產流時間、產流量峰值及出現(xiàn)時間、產沙量峰值及出現(xiàn)時間。由表3 可以看出，黃土坡面的初始產流時間在0.53～0.66 min之間，覆沙坡面的初始產流時間在1.8～4.18 min 之間。在相同覆沙條件下，初始產流時間隨著徑流坡長的增加而縮短。在相同徑流坡長條件下，與黃土坡面相比，覆沙坡面的初始產流時間明顯延長，并且初始產流時間隨著覆沙厚度的增加而延長。

表3 覆沙坡面侵蝕特征值Tab.3 Characteristic values of runoff and sediment yield

黃土坡面的產流量峰值分別為774.5 mL（U20）、759.7 mL（U40）和734.9 mL（U60），產沙量峰值 為99.86 g（U20）、109.33 g（U40）和199.09 g（U60），產沙量峰值隨著徑流坡長的增大明顯增大。覆沙坡面的產流量峰值在832.43～987.88 mL之間，均大于黃土坡面的產流量峰值，產沙量峰值在470.51～971.17 g之間，并且在相同徑流坡長條件下，隨著覆沙厚度的增加產沙量峰值逐漸增大；黃土坡面的產流量峰值出現(xiàn)時間在10～15 min 之間，產沙量峰值出現(xiàn)時間在9～15 min之間，產流量和產沙量峰值出現(xiàn)時間均較晚；覆沙坡面的產流量峰值出現(xiàn)時 間 依 次 為：U42＜U21=U22=U2＜U41＜U43=U61=U62=U63，在11～15 min 之間；而產沙量峰值出現(xiàn)時間依次為：U61＜U22=U23＜U43=U62=U63＜U41＜U21＜U42，在1～11 min之間，產流量和產沙量峰值出現(xiàn)的時間存在不同步性，說明坡面在覆沙前后侵蝕過程發(fā)生了改變。

2.2 覆沙坡面產流產沙過程特征

2.1.1 產流過程 由圖2 可以看出，不同坡面產流率隨產流歷時的變化存在以下規(guī)律：試驗初期的產流率都較小，隨著產流歷時的延長，產流率逐漸增大并且趨于穩(wěn)定。黃土坡面的產流率隨產流歷時的變化大致分為2 個階段：第一階段是0～6 min，產流率隨著產流歷時的延長呈迅速增加趨勢；第二階段是6～15 min，產流率隨著產流歷時的延長表現(xiàn)出穩(wěn)定的變化趨勢，產流率穩(wěn)定在700 mL·min-1左右。黃土坡面產流率的波動范圍分別在245.23～774.5 mL·min-1（U20）、357.44～759.7 mL·min-1（U40）和376.13～734.9 mL·min-1（U60）之間，產流率的變異系數(shù)（CV）分別為22.14%（U20）、16.13%（U40）和13.41%（U60）。覆沙坡面的產流率隨產流歷時的變化也可分為兩個階段，分別是迅速增加階段和相對穩(wěn)定階段，但是在相對穩(wěn)定階段產流率的波動程度大于黃土坡面，并且在覆沙條件下兩個階段的分界點略有不同，隨著覆沙厚度的增大分界點逐漸推遲。不同徑流坡長和覆沙條件下，覆沙坡面產流率的波動范圍在423.51～987.88 mL·min-1之間。覆沙坡面產流率的CV大小為：U61＜U41＜U42＜U21＜U22＜U62＜U63＜U23＜U43，由此可以看出，在相同徑流坡長條件下產流率的CV隨著覆沙厚度的增加而增大。

圖2 覆沙坡面產流率隨產流時間的變化Fig.2 Variation of runoff rate on sand covered slope with runoff time

2.1.2 產沙過程 由圖3 可以看出，黃土坡面的產沙率隨產流歷時的延長變化趨勢較為平穩(wěn)，覆沙坡面的產沙率波動范圍較大，并且變化趨勢較為復雜。黃土坡面產沙率的波動范圍分別在39.14～99.86 g·min-1（U20）、43.49～109.33 g·min-1（U40）和62.99～199.09 g·min-1（U60）之間，其波動范圍較小，產沙率的CV分別為27.8%（U20）、21.74%（U40）和32%（U60）。對于覆沙坡面而言，當覆沙厚度為1 cm時，產沙速率隨產流時間的延長呈先減小后增大再減小的趨勢，在2 cm 和3 cm 覆沙厚度條件下，產沙速率隨產流時間的延長呈先增大后減小并趨于穩(wěn)定的規(guī)律。在不同覆沙厚度條件下，覆沙坡面產沙率的波動范圍分別在86.24～555.47 g·min-1（1 cm）、96.99～875.94 g·min-1（2 cm）和119.84～971.17 g·min-1（3 cm）之間，產沙率的波動范圍隨著覆沙厚度的增加而增大。覆沙坡面產沙率的CV在22.17%～74.5%之間，大小為：U61＜U41＜U62＜U21＜U63＜U42＜U43＜U23＜U22，整體而言，覆沙坡面產沙率的CV隨著覆沙厚度的增加而增大。

圖3 覆沙坡面產沙率隨產流時間的變化Fig.3 Variation of sediment yield on sand covered slope with runoff time

2.3 覆沙坡面水沙關系

累積產流量與累積產沙量之間的關系可以對坡面侵蝕過程中水沙之間的動態(tài)關系進行定量反映，圖4 是不同徑流坡長和覆沙條件下的坡面累積產流量與累積產沙量關系圖。由圖4 可以看出，不同坡面的累積產沙量均隨著累積產流量的增加而逐漸增加，兩者之間呈冪函數(shù)關系：

圖4 不同覆沙條件下坡面累積產流量與累積產沙量關系Fig.4 Relationship between cumulative runoff and cumulative sediment yield on slope under different sediment cover conditions

式中：S為累積產沙量（kg）；Q為累積產流量（L）；A、B為回歸參數(shù)。

累積產流量和累計產沙量的擬合系數(shù)R2均在0.9 以上（表4）。結合函數(shù)關系以及本研究中對坡面侵蝕的影響因素，可以看出回歸參數(shù)A和B均為產流產沙過程中的指示參數(shù)，定義參數(shù)A為產流能力系數(shù)，參數(shù)B為產沙速率系數(shù)，A和B的大小均取決于坡面的覆沙情況，在本研究中黃土坡面的A和B均小于覆沙坡面。

表4 累積產流量和累積產沙量關系Tab.4 Relationship between cumulative runoff and cumulative sediment yield

3 討論

覆沙黃土區(qū)的土壤剖面在黃土層和風沙土層之間有明顯的邊界，與黃土相比理化性質差別很大，導致覆沙黃土坡面的侵蝕過程與黃土坡面差別很大［9］。在本研究中覆沙坡面的初始產流時間是黃土坡面的3.35～6.36倍，覆沙坡面的初始產流時間明顯延長，這與張麗萍等［12-14］的研究結果大致相同。這是由于黃土的細顆粒含量較高，土壤孔隙度較小，并且在實驗過程中坡面易形成地表結皮，坡面入滲率低導致徑流在坡面迅速匯集流出，因此初始產流時間較短。覆沙坡面的初始產流時間比黃土坡面大大延長，主要有以下幾點原因：（1）覆沙坡面的沙層孔隙度較大，導水性較強，其入滲率明顯大于黃土層，在試驗過程中沙層儲存大量的水分，延緩產流，導致初始產流時間大大延長；（2）滲流流速遠小于地表徑流的流速，并且沙層中的水分需要達到一定的水力坡度后才能產流，最終導致初始產流時間延長；（3）隨著覆沙厚度的增加，需要濕潤沙層的水量和沙層中儲蓄的水量增大，使初始產流時間明顯延長［15］。除此之外，隨著坡面覆沙厚度的增加，水分在沙層中的運移過程變得更加復雜，水分運移過程中伴隨著偶然性和隨機性，這些原因都可能導致初始產流時間的變化規(guī)律出現(xiàn)較大的變動。

黃土坡面和覆沙坡面產流率隨產流歷時的變化均可分為迅速增加和相對穩(wěn)定兩個階段，但分界點略有不同，并且覆沙坡面在相對穩(wěn)定階段產流率的波動程度大于黃土坡面。這與湯珊珊等［15］的研究大致相同，在該研究中，產流后的前10 min 內不同覆沙厚度下的徑流量逐漸增大，在10 min 以后，徑流量隨產流時間的變化表現(xiàn)為在一定范圍內穩(wěn)定地波動，并且隨著沙層厚度的增加波動越明顯。這是由于覆沙坡面的沙層具有蓄水能力引起的，在試驗過程中覆沙坡面的產流方式明顯不同于黃土坡面，覆沙坡面的沙層在坡面產生徑流前儲蓄水分，當蓄水量達到飽和后在出口處隨著溯源侵蝕釋放沙層蓄水，并隨著沙層厚度的增加蓄水作用增強，因此，覆沙坡面的產流率在相對穩(wěn)定階段隨著覆沙厚度的增加波動程度變大［1］。

對于產沙過程而言，黃土坡面的產沙過程波動范圍較小并且變化趨勢較為平穩(wěn)，而覆沙坡面的產沙過程隨著產流歷時的增加表現(xiàn)出“單峰”或者“雙峰”的變化趨勢。在謝林妤等［18］的研究中，也得到了相同的結論。黃土坡面的侵蝕力主要是坡面徑流沖刷的搬運作用，由于黃土表層松散顆粒較少，因此黃土坡面的產沙率較?。?1］。而覆沙坡面的侵蝕力由徑流沖刷的搬運作用、沙層蓄水的能量和沙層坍塌的重力三部分組成，覆沙坡面的侵蝕以溯源侵蝕為主，在坡面產流之前沙層儲存水分，當能量足以啟動坡面下部的沙層時，下部沙層邊緣坍塌，沙源后退，表層沙粒提供了充足的物質來源，一旦發(fā)生侵蝕產沙率非常大［22］。隨著試驗的繼續(xù)，坡面下方黃土坡面增大，當沙層被沖刷完后，侵蝕物質減少，因此產沙率迅速減小。

本研究雖然對不同覆沙和徑流坡長條件下坡面的產流產沙特征進行了研究，但研究結論仍是初步探討，還有待今后進一步的研究和完善：

（1）在土壤侵蝕過程中必然存在地形的變化，地形特征又間接作用于坡面的徑流和侵蝕，在后續(xù)的研究中可以加入地形因子，進一步探究坡面徑流泥沙與地形因子的相關關系。

（2）在室內進行模擬試驗限制性因素較多，而野外實際條件更加復雜，在后續(xù)的研究中可以在野外進行調研，更加充分地考慮實際情況，選擇合適的場地進行野外試驗，結合室內模擬試驗的研究成果進行進一步分析研究。

4 結論

本文通過室內放水沖刷試驗，在坡度、土壤前期含水量和放水流量一定的條件下，研究不同徑流坡長和不同覆沙厚度對覆沙黃土坡面產流產沙過程及水沙關系的影響，主要結論為：

（1）黃土坡面的初始產流時間在0.53～0.66 min之間，覆沙坡面的初始產流時間在1.8～4.18 min 之間，覆沙坡面的初始產流時間明顯延長。黃土坡面和覆沙坡面的產流量和產沙量峰值出現(xiàn)時間存在不同步性。

（2）黃土坡面和覆沙坡面產流率隨產流歷時的變化均可分為迅速增加和相對穩(wěn)定2 個階段，覆沙坡面在相對穩(wěn)定階段產流率的波動程度大于黃土坡面。黃土坡面的產沙率隨產流歷時的延長變化趨勢較為平穩(wěn)，而覆沙坡面的產沙率波動范圍較大。

（3）不同坡面的累積產沙量均隨著累積產流量的增加而逐漸增加，兩者之間呈冪函數(shù)關系，并且回歸參數(shù)A和B均為產流產沙過程中的指示參數(shù)。