不同初始含水率黃土雨滴濺蝕試驗(yàn)

邱明明 周占江 郭富杭 趙霞玉 趙艷秋

摘 要：降雨特性、土質(zhì)類型及其改良措施是影響土壤侵蝕的重要因素，為了給黃土高原地區(qū)土壤侵蝕防治及相關(guān)研究提供參考，以延安地區(qū)某邊坡上更新統(tǒng)原狀黃土為研究對(duì)象，制備原狀、干燥、增濕３ 種圓柱體試樣（初始含水率分別為１４．５％、４．５％、３３．６％），試驗(yàn)方案為２ 個(gè)雨滴直徑（３．０、５．０ ｍｍ）、３ 個(gè)雨滴頻率（１０、５０、１００ 滴／ ｍｉｎ）、雨滴落差１ ０００ ｍｍ、降雨歷時(shí)６０ ｍｉｎ，利用自行設(shè)計(jì)的單雨滴濺蝕試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行不同初始含水率黃土的雨滴濺蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明：１）隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng)，雨水從雨滴降落點(diǎn)不斷向四周滲透擴(kuò)散，在雨滴連續(xù)擊濺作用下試樣表面形成由小到大、由淺變深近似圓形的濺蝕坑；濺蝕坑深度隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)而增大、隨降雨強(qiáng)度提高而增大，不同初始含水率黃土試樣濺蝕坑深度隨降雨歷時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致，大致可分為快速增長(zhǎng)、持續(xù)強(qiáng)化、穩(wěn)定漸變３ 個(gè)階段。２）相同初始含水率條件下，試樣濺蝕破壞直徑和濺蝕擴(kuò)散直徑隨降雨強(qiáng)度提高而明顯增大；相同降雨強(qiáng)度條件下，干燥試樣雨水入滲量和入滲范圍較大，增濕試樣濺蝕坑內(nèi)的薄層積水使雨滴濺蝕破壞減弱；小雨情況下初始含水率較高的土體易被濺蝕，而強(qiáng)降雨情況下初始含水率較低的干土易被濺蝕。３）濺蝕擴(kuò)散直徑為濺蝕破壞直徑的２．１～３．３ 倍，濺蝕破壞直徑、濺蝕擴(kuò)散直徑和濺蝕量（體積）受土體初始含水率影響顯著。

關(guān)鍵詞：黃土；初始含水率；雨滴濺蝕；土壤侵蝕；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：Ｓ１５７．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０１９

引用格式：邱明明，周占江，郭富杭，等．不同初始含水率黃土雨滴濺蝕試驗(yàn)［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１０６－１１０，１１７．

黃土高原地區(qū)土體松散、大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育，土體特殊的結(jié)構(gòu)為雨水的快速入滲提供了通道［１－２］ ，在雨水作用下易發(fā)生強(qiáng)度軟化、侵蝕變形和一系列巖土工程問(wèn)題，因此黃土高原是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的重點(diǎn)防治區(qū)之一［３－４］ 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陜北地區(qū)每年的６ 月下旬至９月下旬是降雨相對(duì)集中且多以暴雨形式出現(xiàn)的時(shí)段［５－７］ ，也是黃土地質(zhì)災(zāi)害集中爆發(fā)的時(shí)段，強(qiáng)降雨誘發(fā)的黃土滑坡、侵蝕溝等水土流失災(zāi)害問(wèn)題突出。諸多學(xué)者針對(duì)降雨條件下土壤的濺蝕特征進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究并取得豐富的成果，如：高學(xué)田等［８］ 通過(guò)人工降雨濺蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降雨濺蝕力與濺蝕量線性相關(guān)，原狀土的濺蝕量為擾動(dòng)土的２２％ ～３０％，原狀土與擾動(dòng)土濺蝕量的差異隨降雨強(qiáng)度增大而減小；陳浩等［９］ 研究發(fā)現(xiàn)坡度對(duì)土壤濺蝕影響顯著；程金花等［１０］ 基于野外模擬降雨試驗(yàn)，研究了降雨強(qiáng)度、降雨動(dòng)能以及降雨歷時(shí)對(duì)褐土濺蝕量的影響規(guī)律，結(jié)果表明濺蝕量與降雨強(qiáng)度為指數(shù)函數(shù)關(guān)系；呂威等［１１］ 通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了聚丙烯酰胺施用量對(duì)凸型坡和凹型坡土壤侵蝕規(guī)律的影響，認(rèn)為聚丙烯酰胺施用量對(duì)凹型坡土壤流失量影響顯著；馬仁明等［１２］ 分析了前期含水率對(duì)紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及濺蝕特征的影響，發(fā)現(xiàn)前期含水率越高，團(tuán)聚體破碎程度越高；褚峰等［１３］ 通過(guò)人工合成類廢布料纖維紗加筋黃土濺蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維紗加筋黃土濺蝕坑深度和濺蝕量均較素黃土的小；覃超等［１４］ 研究了不同玉米秸稈汁改良黃綿土的抗侵蝕性能，發(fā)現(xiàn)改良黃綿土濺蝕量較未改良黃綿土濺蝕量降低了２４．７％ ～７８．３％；汪明霞等［１５］ 研究了植被覆蓋度對(duì)土壤濺蝕的影響，結(jié)果表明植被覆蓋度大于４０％時(shí)可降低黃土區(qū)土壤濺蝕強(qiáng)度；邵臻等［１６］ 分析了侵蝕性降雨對(duì)２０°人工草地和天然草地的土壤侵蝕量，結(jié)果表明天然草地的抗侵蝕能力優(yōu)于人工草地的；劉柏玲等［１７］ 通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)研究了黃土土質(zhì)對(duì)濺蝕特征的影響，發(fā)現(xiàn)不同類型黃土的濺蝕有明顯差異；周春梅等［１８］ 分析了不同地表壓實(shí)度和雨滴擊濺速率條件下壓實(shí)黃土的濺蝕破壞規(guī)律，認(rèn)為提高土體壓實(shí)度可增強(qiáng)土體耐濺蝕性。

綜上所述，降雨特性、土質(zhì)類型及其改良措施是影響土壤濺蝕的重要因素，因研究對(duì)象、試驗(yàn)條件等不盡相同而所得結(jié)果存在一定的差異，考慮土體含水率狀態(tài)對(duì)原狀黃土濺蝕特征影響的研究少有報(bào)道。鑒于此，筆者以延安地區(qū)上更新統(tǒng)（Ｑ３）原狀黃土為研究對(duì)象，利用自行設(shè)計(jì)的常水頭單雨滴濺蝕試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行不同初始含水率原狀黃土的雨滴濺蝕試驗(yàn)，分析不同降雨強(qiáng)度、不同初始含水率對(duì)原狀黃土雨滴濺蝕的影響，以及土體初始含水率與濺蝕程度的關(guān)系，以期為黃土高原地區(qū)土壤侵蝕防治及相關(guān)研究提供參考。

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn)用土取自延安新區(qū)某黃土邊坡地表以下０．５ｍ 處，屬上更新統(tǒng)原狀黃土，呈褐黃色和黃色，土質(zhì)較均勻，天然密度為１．４５ ～ １．５５ ｇ／ ｃｍ３，天然含水率為１４．５％。采用高２００ ｍｍ、內(nèi)徑１５５ ｍｍ 的透明亞克力管模具進(jìn)行原位取樣，將原狀黃土土柱用保鮮膜密封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室備用。根據(jù)土體含水率狀態(tài)，制備天然含水率試樣、干燥試樣（用于模擬土體中水分受蒸發(fā)減少情況，含水率小于５％）和增濕試樣（用于模擬土體近似飽和狀態(tài)，含水率大于３０％）３ 種試樣。干燥試樣和增濕試樣均以天然含水率原狀黃土土柱試樣為基礎(chǔ)，進(jìn)行增濕或減濕處理制備而成，其中：干燥試樣是在４０ ℃條件下，通過(guò)對(duì)原狀試樣進(jìn)行連續(xù)烘干４８ ｈ制備而成，烘干后試樣的含水率為４．５％；增濕試樣是通過(guò)對(duì)原狀試樣每隔３０～６０ ｍｉｎ 增濕處理１ 次，連續(xù)增濕７２ ｈ 制備而成，增濕完成后試樣的含水率為３３．６％。

１．２ 試驗(yàn)方法

自行設(shè)計(jì)的常水頭單雨滴濺蝕試驗(yàn)平臺(tái)包括蓄水箱、給水箱、給（排）水橡膠軟管、錐形玻璃滴管、調(diào)水閥、可移動(dòng)支架、旋轉(zhuǎn)三角支架、有機(jī)玻璃擋風(fēng)罩、激光測(cè)距儀、高清攝像機(jī)等組成（如圖１ 所示）。

通過(guò)改變錐形玻璃管管嘴直徑來(lái)改變雨滴直徑，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)水閥流量來(lái)控制雨滴頻率以模擬不同降雨強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)可移動(dòng)支架高度以實(shí)現(xiàn)不同雨滴落差，采用激光測(cè)距儀測(cè)量錐形玻璃管管嘴距試樣表面的高度（記為ｈ０），試驗(yàn)開(kāi)始后ｔ 時(shí)刻觀測(cè)錐形玻璃管管嘴距濺蝕坑底的高度（記為ｈｔ ），ｔ 時(shí)刻的累計(jì)濺蝕深度為Δｈｔ ＝ｈｔ －ｈ０，采用游標(biāo)卡尺沿不同水平方向?qū)R蝕范圍（濺蝕破壞直徑、濺蝕擴(kuò)散直徑）進(jìn)行不少于３ 次測(cè)量（取其平均值作為濺蝕范圍值），采用高清攝像機(jī)記錄不同時(shí)刻雨滴對(duì)試樣的濺蝕破壞發(fā)展過(guò)程。

雨滴對(duì)土體的濺蝕作用受多因素的影響，本次試驗(yàn)重點(diǎn)分析不同降雨強(qiáng)度和土體初始含水率狀態(tài)下原狀黃土的濺蝕破壞規(guī)律。設(shè)置雨滴落差（錐形玻璃管管嘴距試樣表面的距離）為１ ０００ ｍｍ，設(shè)置３．０ ｍｍ 和５．０ ｍｍ 兩個(gè)雨滴直徑（ｄ），設(shè)置降雨歷時(shí)為６０ ｍｉｎ，設(shè)置１０、５０、１００ 滴／ ｍｉｎ ３ 個(gè)雨滴頻率（用ｑ 表示；雨滴直徑為３．０ ｍｍ、降雨６０ ｍｉｎ 對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度分別為１０．８、５４．０、１０８．０ ｍｍ／ ｄ，雨滴直徑為５．０ ｍｍ、降雨６０ｍｉｎ 對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度分別為１８．０、９０．０、１８０．０ ｍｍ／ ｄ），設(shè)置４ 種試驗(yàn)工況（見(jiàn)表１）。

試驗(yàn)操作步驟： １）放置試樣于錐形玻璃管正下方，調(diào)節(jié)錐形玻璃管管嘴使其距試樣表面中心距離為１ ０００ ｍｍ；２）在試樣上放置一透明塑料板，打開(kāi)調(diào)水閥試滴，調(diào)節(jié)雨滴頻率至試驗(yàn)設(shè)定值，測(cè)試不少于３次，其誤差不超過(guò)±３ 滴／ ｍｉｎ；３）移除試樣表面透明塑料板，開(kāi)始正式試驗(yàn)，觀測(cè)降雨歷時(shí)為０、２、４、７、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０ ｍｉｎ 時(shí)錐形玻璃管管嘴距濺蝕坑底的高度ｈｔ ；４）試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量圖２ 所示試樣的濺蝕破壞范圍（濺蝕破壞直徑Ｄ０ ）和濺蝕擴(kuò)散范圍（濺蝕擴(kuò)散直徑Ｄ），并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象。

２ 試驗(yàn)結(jié)果分析

２．１ 試樣賤蝕變化規(guī)律

圖３ 為各試驗(yàn)工況原狀黃土濺蝕深度時(shí)程曲線，可以看出降雨強(qiáng)度越大濺蝕深度越大、各工況的濺蝕深度變化趨勢(shì)基本一致，可分為３ 個(gè)階段：１）快速增長(zhǎng)階段（Ⅰ），降雨歷時(shí)為０ ～１０ ｍｉｎ，雨滴直接落在試樣表面使其形成小坑，坑內(nèi)土體因雨水擊濺破壞而產(chǎn)生細(xì)小顆粒并向四周迸濺，隨著雨水不斷下滲和雨滴連續(xù)擊濺，形成的濺蝕深度快速增長(zhǎng)；２）持續(xù)強(qiáng)化階段（Ⅱ），降雨歷時(shí)１０ ～４０ ｍｉｎ，隨著雨水不斷下滲，試樣上層土體逐漸趨于飽和，在濺蝕坑內(nèi)形成一層薄積水層，使得雨滴對(duì)試樣土體的擊濺作用稍有減弱，濺蝕深度增速較第Ⅰ階段減緩；３）穩(wěn)定漸變階段（Ⅲ），降雨歷時(shí)４０～６０ ｍｉｎ，隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，試樣上層土體趨于飽和，雨水下滲速率降低，濺蝕坑內(nèi)積水增加，加之濺蝕坑已相對(duì)較深，雨滴對(duì)下部土體的濺蝕逐漸減弱，故濺蝕深度呈緩慢增大趨勢(shì)。

由圖３ 還可看出，不同初始含水率試樣的雨滴濺蝕深度變化情況有所不同，干燥試樣濺蝕深度在階段Ⅰ增速較原狀試樣和增濕試樣的快，而增濕試樣濺蝕深度在階段Ⅱ增速較原狀試樣和干燥試樣的快。在雨滴直徑ｄ ＝ ５．０ ｍｍ、雨滴頻率ｑ ＝ ５０ 滴／ ｍｉｎ情況下，不同初始含水率試樣在降雨歷時(shí)ｔ 為０、３０、６０ｍｉｎ 的濺蝕坑形貌見(jiàn)表２，可以看出：隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng)，雨水不斷向雨滴降落點(diǎn)四周滲透擴(kuò)散，在雨滴的擊濺作用下逐漸形成近似圓形的濺蝕坑，濺蝕坑隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)由小到大、由淺變深；３ 種初始含水率試樣的雨水滲透范圍相比，干燥試樣最大，原狀試樣次之，增濕試樣最??；在降雨期間，增濕試樣表面積水程度相對(duì)較高。

２．２ 濺蝕破壞狀況與初始含水率的關(guān)系

濺蝕深度與初始含水率的關(guān)系見(jiàn)圖４。在雨滴頻率為１００ 滴／ ｍｉｎ 情況下，初始含水率為４．５％（干燥試樣）、１４．５％（原狀試樣）、３３．６％（增濕試樣）的濺蝕深度分別為２３、２０、２６ ｍｍ，干燥試樣和增濕試樣濺蝕深度分別為原狀試樣的１．１５ 倍和１．３０ 倍。雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)濺蝕深度隨著初始含水率提高呈直線增大趨勢(shì)，當(dāng)雨滴頻率為５０ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)濺蝕深度隨初始含水率提高呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)雨滴頻率為１００滴／ ｍｉｎ 時(shí)濺蝕深度隨初始含水率提高呈先減小后增大趨勢(shì)，可能的原因是：小雨（雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ）情況下雨水以入滲為主，試樣表面不產(chǎn)生積水，土體強(qiáng)度隨雨水入滲而軟化，濺蝕深度隨土體初始含水率提高呈持續(xù)增大趨勢(shì)；大雨（雨滴頻率為５０ 滴／ ｍｉｎ）情況下濺蝕深度隨著雨水下滲和土體軟化而增大，干燥試樣因初始強(qiáng)度較高而濺蝕深度小于原狀試樣的，增濕試樣因土體含水率接近飽和、濺蝕坑中沒(méi)來(lái)得及入滲的雨水類似保護(hù)層削弱了雨滴對(duì)土體的擊濺而濺蝕深度也小于原狀試樣的；暴雨（雨滴頻率為１００ 滴／ｍｉｎ）條件下雨滴對(duì)土體的連續(xù)擊濺作用加劇，濺蝕坑中雖形成薄積水層，但不足以削弱雨滴的擊濺作用，故濺蝕深度也隨土體初始含水率提高在小幅減小后仍呈增大趨勢(shì)。

由橫向?yàn)R蝕范圍與初始含水率的關(guān)系（見(jiàn)表３）可知，相同初始含水率條件下，濺蝕擴(kuò)散直徑和濺蝕破壞直徑隨降雨強(qiáng)度提高而增大，濺蝕擴(kuò)散直徑為濺蝕破壞直徑的２．１～３．３ 倍。當(dāng)雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)，試樣濺蝕擴(kuò)散直徑隨試樣初始含水率提高呈增大趨勢(shì)；當(dāng)雨滴頻率為１００ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)，干燥試樣的橫向?yàn)R蝕范圍最大，增濕試樣的次之，原狀試樣的最小；當(dāng)雨滴頻率為５０ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)，濺蝕擴(kuò)散直徑和濺蝕破壞直徑與初始含水率的關(guān)系規(guī)律性不強(qiáng)，有待進(jìn)一步研究。圖５ 為濺蝕量（體積）與初始含水率的關(guān)系，可以看出：雨滴頻率為１０ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)，濺蝕量隨初始含水率提高大致呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；雨滴頻率為５０ 滴／ｍｉｎ 時(shí)，原狀試樣的濺蝕量最大，增濕試樣的次之，干燥試樣的最?。挥甑晤l率為１００ 滴／ ｍｉｎ 時(shí)，干燥試樣的濺蝕量最大，增濕試樣的次之，原狀試樣的最小，干燥試樣的濺蝕量約為原狀試樣的３ 倍。由此進(jìn)一步說(shuō)明，在小雨條件下初始含水率較高的土體易被濺蝕，而在強(qiáng)降雨條件下干燥黃土易被濺蝕，主要原因是：小雨情況下雨水以入滲為主，土體抗蝕強(qiáng)度隨土體增濕而降低；強(qiáng)降雨動(dòng)能大、對(duì)土體的擊濺作用強(qiáng)，干燥土體因吸水后迅速膨脹、開(kāi)裂和團(tuán)聚體破壞而抗蝕性降低。由不同初始含水率試樣在３ 種降雨強(qiáng)度下的濺蝕破壞形貌（見(jiàn)表４）可知：在相同初始含水率情況下，試樣濺蝕破壞范圍隨降雨強(qiáng)度（雨滴頻率）提高而明顯增大；相同降雨強(qiáng)度情況下，不同初始含水率試樣的濺蝕形貌也明顯不同（具體的定量關(guān)系有待進(jìn)一步研究）。

３ 結(jié)論

１）隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng)，雨水從雨滴降落點(diǎn)不斷向四周滲透擴(kuò)散；在雨滴連續(xù)擊濺作用下試樣表面形成由小到大、由淺變深近似圓形的濺蝕坑，濺蝕深度隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)而增大、隨降雨強(qiáng)度提高而增大；不同初始含水率黃土試樣濺蝕深度隨降雨歷時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致，大致可分為快速增長(zhǎng)、持續(xù)強(qiáng)化、穩(wěn)定漸變３ 個(gè)階段。

２）相同初始含水率條件下，試樣濺蝕破壞直徑和濺蝕擴(kuò)散直徑隨降雨強(qiáng)度提高而明顯增大；相同降雨強(qiáng)度情況下，干燥試樣雨水入滲量和入滲范圍較大，增濕試樣濺蝕坑內(nèi)的薄層積水使雨滴濺蝕破壞減弱；小雨情況下初始含水率較高的土體易被濺蝕，而強(qiáng)降雨情況下初始含水率較低的干土易被濺蝕。

３）濺蝕擴(kuò)散直徑為濺蝕破壞直徑的２．１～３．３ 倍，濺蝕破壞直徑、濺蝕擴(kuò)散直徑和濺蝕量（體積）受試樣初始含水率影響顯著。

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【責(zé)任編輯 張智民】