貴州巖溶地區(qū)不同角度坡面土壤侵蝕的研究

肖 穎

(黔西南州水務(wù)局,貴州 黔西南州 562400)

0 引言

由于氣溫變暖的影響,極端降水的事件頻繁發(fā)生,加速了巖溶地區(qū)的土壤侵蝕,如何防止土壤流失,針對此問題,學者們進行了多方面研究。許陽光等[1]對極端降雨下黃土高原草被溝坡淺層滑坡特征及其對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響進行了研究,結(jié)果表明:植被根系與土壤容重、孔隙度等土壤性質(zhì)致使滑坡面上、下層土壤物理性質(zhì)差異顯著,在極端降雨下滑坡面上層土壤水分更快達到飽和,導致淺層滑坡發(fā)生;劉曉路等[2]對紅壤和紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行了研究,研究結(jié)果表明:在相同雨強和坡度情況下,紅壤的徑流深大于紫色土,且紅壤先達到穩(wěn)定狀態(tài),當雨強較小時,紅壤的侵蝕速率大于紫色土,但中大雨強時情況與之相反;孫旭等[3]研究了模擬降雨條件下枯落物覆蓋對坡面地表和壤中流產(chǎn)流過程的影響,研究結(jié)果表明:隨枯落物覆蓋密度的增大,地表產(chǎn)流時間延長,產(chǎn)流量逐漸減小,與裸土坡面相比,枯落物覆蓋坡面地表產(chǎn)流時間延長3～8倍,枯落物覆蓋坡面均會產(chǎn)生壤中流,壤中流產(chǎn)流量隨著覆蓋密度的增大而增加;王照潤等[4]研究了坡度對降雨徑流挾沙能力的影響,研究結(jié)果表明:相同雨強裸坡條件下,徑流含沙量與水力坡度的1/2次方呈正相關(guān),與坡長的4/5次方呈正相關(guān),水流挾沙能力約與水力坡度的1/2次方呈正相關(guān)。

以上學者研究了模擬降雨條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的特征,總結(jié)了坡面土壤侵蝕的過程。本文通過人工模擬降雨試驗,對巖溶地區(qū)不同角度坡面的土壤流失進行了研究,并分析了不同降雨強度條件下坡面的徑流特征和侵蝕特征。

1 工程概況

研究區(qū)為典型喀斯特地貌。受降雨的影響,該地區(qū)土壤侵蝕的速度大于土壤形成的速度,這種不平衡導致水土流失嚴重。由于喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖孔隙度低,保水能力極差,導致地表和地下水資源流失,土壤侵蝕嚴重,大面積巖石裸露、植被退化。為防止土壤遭受侵蝕,本文通過人工模擬降雨,在不同角度和不同孔隙裂縫率條件下,對巖溶地區(qū)的坡面徑流和侵蝕特征進行了研究。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

本次試驗土壤采集于研究區(qū)一處傾斜農(nóng)田,從農(nóng)田中收集0～25 cm深的土壤。土壤采集完后,除去樹木枯枝等雜物,然后在實驗室模擬巖溶地區(qū)的耕地結(jié)構(gòu)。模擬降雨試驗的土壤鋼槽采用不銹鋼制作,其規(guī)格長×寬×高分別為5 m×2 m×0.6 m。將高度大于30 cm碳酸鹽巖隨機放入鋼槽內(nèi),再將采集的土壤分層均勻填入巖石中,保持填充密度與采集土壤區(qū)密度相同,土壤的總深度為30 cm,根據(jù)農(nóng)田土層分布,填入的土壤分兩層,上層為耕作層,高度為20 cm,下層為犁底層,高度為10 cm,土壤填充完成后,將土壤整理平整,并壓實土壤,使土壤與底面巖石充分接觸。

試驗采用的人工降雨設(shè)備為全自動人工模擬降雨設(shè)備,降雨高度為6 m,降雨總面積為12 m×12 m,可分區(qū)降雨,降雨均勻性大于90%,雨滴直徑為0.3～5 mm范圍內(nèi),強度范圍為0.1～0.5 mm/min,降雨精度確保為0.1 mm/min。降雨前,設(shè)置雨滴的終端速度與自然降雨的速度相同。

2.2 試驗方法

本次模擬降雨試驗設(shè)置了兩種降雨強度,分別為0.8 mm/min和1.2 mm/min。因研究區(qū)土壤流失多發(fā)生在坡度小于30°的地區(qū),對此試驗設(shè)置三種不同坡度,分別為8°、18°、28°,8°和18°坡度為緩坡,28°坡度為陡坡。鋼槽底部有可活動的鋼板,鋼板上有均勻的小孔,小孔直徑為8 cm,方便收集降雨產(chǎn)生的徑流。通過調(diào)整活動鋼板小孔的重疊程度,可調(diào)節(jié)不同的孔隙裂縫率,孔隙裂縫率為地下孔隙裂縫總面積與水平投影面積的比值。試驗設(shè)置了3種不同的孔隙裂縫率,分別為1%、4%、7%,其中1%為微孔裂隙,4%為小孔裂隙,7%為中孔裂隙。

試驗中每次降雨歷程為90 min,每次試驗均重復進行3次,取3次試驗的平均值作為試驗結(jié)果,每次降雨前均替換鋼槽中已結(jié)束試驗的土壤,確保試驗精度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 雨強為0.8 mm/min時的徑流特征

人工模擬降雨結(jié)束后,根據(jù)試驗測量數(shù)據(jù),可得當降雨強度為0.8 mm/min時,不同坡度條件下的徑流特征,如圖1所示。

圖1 雨強為0.8 mm/min條件下徑流特征

如圖1(a)所示,在坡度為8°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為54.4%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為70.2%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為85.0%。由此可知,在坡度為8°條件下,坡面幾乎沒有發(fā)生地表徑流,降雨全部滲入土壤,從而形成地下徑流。當孔隙裂縫率逐漸增大時,地下徑流隨之增大。

如圖1(b)所示,在坡度為18°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為53.0%,地表徑流率為10.2%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為53.7%,地表徑流率為9.38%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為62.1%,地表徑流率為6.9%。由此可知,在坡度為18°條件下,地表開始出現(xiàn)徑流,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小。當孔隙裂縫率為1%和4%時,地下徑流流量基本相同,當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流逐漸增大。

如圖1(c)所示,在坡度為28°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為44.7%,地表徑流率為12.2%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為51.5%,地表徑流率為9.7%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為54.0%,地表徑流率為4.5%。由此可知,在坡度為28°條件下,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大。

由圖1可知,當坡度為8°時,坡面幾乎沒有發(fā)生地表徑流,降雨滲入地下形成地下徑流。當坡度為18°和28°時,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大。在強度為0.8mm/min的降雨條件下,地下徑流是坡面徑流的主要途徑,而且地下滲漏是坡面水土流失的主要原因,坡度和孔隙裂縫率較大的緩坡地下土壤流失較大。

3.2 雨強為1.2 mm/min時的徑流特征

人工模擬降雨結(jié)束后,根據(jù)試驗測量數(shù)據(jù),可得當降雨強度為1.2 mm/min時,不同坡度條件下的徑流特征,如圖2所示。

圖2 雨強為1.2mm/min條件下徑流特征

如圖2(a)所示,在坡度為8°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為48.1%,地表徑流率為4.2%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為62.3%,地表徑流率為4.2%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為74.1%,地表徑流率為3.1%。由此可知,在坡度為8°條件下,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大,在當孔隙裂縫率為1%和4%時,地表徑流的流量基本相同。

如圖2(b)所示,在坡度為18°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為54.7%,地表徑流率為1.8%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為58.4%,地表徑流率為1.8%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為59.0%,地表徑流率為0.9%。由此可知,在坡度為18°條件下,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大,在當孔隙裂縫率為4%和7%時,地下徑流的流量基本相同。在當孔隙裂縫率為7%時,坡面幾乎不發(fā)生地表徑流。

如圖2(c)所示,在坡度為28°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為37.4%,地表徑流率為21.3%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為41.1%,地表徑流率為20.8%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為43.2%,地表徑流率為18.9%。由此可知,在坡度為28°條件下,相較其它兩種坡度,地表徑流明顯增大,而地下徑流明顯減小,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大。

由圖2可知,在相同坡度條件下,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大,而地表徑流越小,地下土壤的流失隨著孔隙裂縫率的增大而增大。在坡度為28°條件下,地表徑流較其它兩種坡度明顯增大,地下徑流較其它兩種坡度明顯減小。在強度為1.2 mm/min的降雨條件下,地下徑流隨之坡度的增加而減小,其地下土壤侵蝕也相應(yīng)減小。

3.3 不同雨強條件時的侵蝕特征

人工模擬降雨結(jié)束后,根據(jù)試驗測量數(shù)據(jù),可得不同降雨強度和不同坡度條件下的土壤侵蝕特征,如圖3所示。

圖3 不同雨強條件下土壤侵蝕特征

如圖3(a)～(b)所示,隨著孔隙裂縫率的增大,地下土壤的侵蝕比例越大。在1%和4%的孔隙裂縫率條件下,坡面角度對侵蝕比例的影響比5%孔隙裂縫率時變化明顯,且隨著坡面角度增大,地下土壤侵蝕逐漸減小。當雨強為1.2 mm/min時,對于1%和4%的孔隙裂縫率,當坡角從8°增加到18°時,侵蝕比例分別降低了10.4%和11.4%,當坡角度從18°增加到28°時,腐蝕比例分別降低了5.7%和1.3%。對于7%的孔隙裂縫率,當坡度角從5°增加到15°和從15°增加到25°時,侵蝕比例分別降低了7.3%和23.2%。

4 結(jié)語

本文通過人工模擬降雨,對巖溶地區(qū)不同角度坡面的土壤流失進行了研究,得到如下結(jié)論:

(1)在強度為0.8 mm/min的降雨條件下,當坡度為8°時,坡面幾乎沒有發(fā)生地表徑流,降雨滲入地下形成地下徑流。當坡度為18°和28°時,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大。

(2)在強度為1.2 mm/min的降雨條件下,當坡度相同時,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大,而地表徑流越小,地下土壤的流失隨著孔隙裂縫率的增大而增大。在坡度為28°條件下,相較其它兩種坡度,地表徑流明顯增大,而地下徑流明顯減小,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大。

(3)在不同降雨強度條件下,隨著孔隙裂縫率的增大,地下土壤的侵蝕比例越大。當孔隙裂縫率為1%和4%時,坡面角度對侵蝕比例的影響比5%孔隙裂縫率時變化明顯,且隨著坡面角度增大,地下土壤侵蝕逐漸減小。