工程开挖面水土流失特征试验研究

张冠华，程冬兵，张平仓，牛 俊，张长伟

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

工程开挖面水土流失特征试验研究

张冠华，程冬兵，张平仓，牛 俊，张长伟

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

针对生产建设过程中工程开挖引发严重的水土流失问题，通过野外模拟降雨试验，研究了不同开挖坡度(30°，40°，50°)坡面产流、产沙特征。结果表明：坡度、雨强均能对开挖面产流、产沙过程造成重大影响，随着坡度增大，不同雨强(0.65，1.15，1.65 mm/min)下开挖面产流、产沙参数值增大，产流率介于0.47～0.72 mm/min之间，径流系数介于0.39～0.63之间；产沙率介于8.64～49.80 g/(m2·min)之间，径流含沙量介于17.27～77.64 kg/m3之间；但在相同坡度下，随着降雨强度的增大，产流、产沙参数值的变化存在差异。产流率随雨强增大而增大，径流系数的中(1.15 mm/min)、高(1.65 mm/min)雨强无明显差异。坡度30°的开挖面产沙率随雨强的增大而增大，坡度增大时，中、高雨强坡面产沙率接近；50°开挖面产沙率和径流含沙量在3个雨强下呈高—低—高势。试验成果为开挖面水土流失的预测、评价提供数据支撑，同时也为生产建设项目水土流失防治及水土保持监督执法提供科学依据。

开挖面；水土流失；产流产沙；雨强；模拟降雨；生产建设工程

1 研究背景

随着我国社会经济的飞速发展、城镇化规模的不断扩大，大型水利水电、矿山开采、石油化工、交通运输等生产建设项目迅猛增长。生产建设项目不仅对原生下垫面造成扰动、破坏，而且在工程建设过程中不可避免地产生大量的弃土弃渣，由此造成的水土流失强度高、范围广、危害大，严重危及人类赖以生存的水土资源和自然环境，给社会发展、生态安全以及人们的生产生活带来威胁[1]。

工程开挖是生产建设过程中最典型的人为扰动方式之一，所形成的开挖面物质组成复杂、坡度陡、紧实度高、重度大，极易产生严重的水土流失[2]。张平仓等[2]对工程开挖面特征及水土流失快速监测进行了初步探索，认为开挖面坡度大多在30°～70°，坡长主要为10 m左右，开挖时间大多在2 a之内；同时界定了开挖面土壤流失量的监测精度为t，监测重点对象为有汇水影响、出现沟蚀、2 a内的开挖面产生的土壤流失量。许文盛等[3]针对我国水蚀区不同类型生产建设项目构建了开挖面分类体系。程冬兵等[4]进一步建立了开挖面单次降雨产生的土壤侵蚀量预测模型，并对模型参数进行了详细分析。

开挖面广泛存在于各类工程建设活动中，虽然我国在生产建设项目水土流失的特点、成因、危害及其防治等方面取得了大量成果[5-6]，但是针对工程开挖面水土流失规律的研究非常有限。作为生产建设项目水土流失的重要来源，工程开挖面由于下垫面改变剧烈，其产生的水土流失既有传统水土流失的共性，也有其自身的特殊性[4]。因此，迫切需要开展基础性试验研究，以探索开挖面坡面侵蚀机理，为开挖面水土流失的预测、评价提供数据支撑，同时也为生产建设项目水土流失防治及水土保持监督执法提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 试验布设

模拟降雨试验在湖南省新化县娄新高速公路段展开，选取3个坡度(30°，40°，50°)的开挖面(含水量约17.7%，密度约1.56 g/cm3)布设径流小区。试验小区的布设是通过3块钢板(宽15 cm，厚2 mm)平行插入坡面围建而成，规格均为3 m×1 m，留出露地高度约5.5 cm；小区底部设铁制漏斗形水沙集流槽，用以汇集坡面径流泥沙。

2.2 模拟降雨设备

降雨器采用长江科学院水土保持研究所可移动水土流失实验系统的下喷摆动式人工降雨装置。该降雨系统由模拟降雨器、供回水系统、水箱组成；模拟降雨器设有3组下喷摇摆式喷头(喷嘴可更换3个型号)，分自动、手动2种控制模式，以此调节雨量大小；其有效降雨面积为1 m×3 m，降雨高度2.4 m，可控制降雨强度20～170 mm/h，降雨均匀系数大于0.8，模拟降雨近似天然降雨。

2.3 指标测定

(1) 雨前表土采集：降雨试验前，在小区附近用环刀取样，以测定土壤重度及水分指标；另采集一定土样带回实验室，用于降雨前表层土壤的理化性质分析。

(2) 雨强率定：每次降雨前用彩条布盖住小区，其上均匀布置4个雨量筒，降雨5 min，测定降雨量，以此计算降雨强度及均匀度；均匀度误差在5%～10%以内可进行试验，以4个点的平均值作为试验雨强；若误差太大，需调整降雨器的喷头，重新率定。根据多次率定结果，本研究采用低(0.65 mm/min)、中(1.15 mm/min)、高(1.65 mm/min)3个雨强进行模拟试验。

(3) 降雨侵蚀过程观测：降雨开始后即计时，记录开始产流时间；根据产流强度确定取样频次，用塑料桶收集全部径流泥沙过程样。

(4) 产流、产沙量：降雨结束后记录降雨历时及结束产流时间；测定桶内径流量，搅动均匀，用小瓶子收集100 mL混合样，带回实验室用以测定含沙量，进一步计算产流、产沙量。

3 结果与分析

3.1 平均产流、产沙特征描述

图1为坡度和雨强综合作用下的开挖面产流、产沙特征值，从中可知，在本试验条件下，随着坡度的增大，不同雨强下平均产流、产沙参数值是增大的。产流率介于0.47～0.72 mm/min之间，径流系数介于0.39～0.63之间；产沙率介于8.64～49.80 g/(m2·min)之间，径流含沙量介于17.27～77.64 kg/m3之间。但在相同坡度下，随着降雨强度的增大，产流、产沙参数值的变化存在差异。由图1(a)可知，3个坡度产流率均随着降雨强度的增大而增大；3个坡度径流系数在小雨强0.65 mm/min下分别为0.181，0.371，0.585；中(1.15 mm/min)雨强下分别增大到0.503，0.697，0.659；雨强继续增大，径流系数并未呈增加趋势。中、高雨强差异不明显(图1(b))，30°坡面产沙率随雨强的增大而增大，在3.492～15.230 g/(m2·min)之间，坡度增大时中、高雨强坡面产沙率接近，50°坡面小雨强(0.65 mm/min)的产沙率最高，为65.762 g/(m2·min)；3个雨强呈高—低—高势。同样，径流含沙量在30°和40°坡面不同雨强未呈增大趋势，而在50°坡面呈高—低—高势，小雨强(0.65 mm/min)含沙量最大，为138.284 kg/m3。

图1 不同坡度、雨强下开挖面产流、产沙特征Fig.1 Characteristics of runoff and sediment yield of excavated slope with different slope gradients under different rainfall intensities

综合以上分析，雨强、坡度及可能的交互作用对开挖面产流、产沙均能造成影响。本试验仅对3个坡度3个雨强进行了研究，后续工作可在较大坡度范围内展开，深入探索坡度、雨强的影响作用，是否存在坡度阈值以及二者间的相互作用对侵蚀产沙的影响。

3.2 雨强、坡度对开挖面产流、产沙过程的影响

图2 不同坡度开挖面产流、产沙过程Fig.2 Processes of runoff and sediment yield of excavated slope with different slope gradients

图3 开挖面产流、产沙累积过程曲线Fig.3 Accumulated runoff and sediment processes of excavated slopes

由图2可知，不同坡度开挖面产流后4 min开始趋于稳定，而产沙过程在中(1.15 mm/min)、低(0.65 mm/min)雨强下变化平缓，大雨强(1.65 mm/min)呈现明显的波动趋势；50°坡面小雨强产流8 min达到峰值140.147 g/(m2·min)，其后产沙率迅速下降，至产流12 min时达到一个低值42.786 g/(m2·min)，随后产沙率有上升的趋势。从产流、产沙累积过程曲线(图3)可以看到，除50°坡面累积产沙量外，不同坡度累积产流、产沙量随雨强的增大表现出相同的变化趋势，即雨强越大，累积产流、产沙量曲线的斜率也越大，且各坡度开挖面其累积曲线的斜率在整个降雨过程中基本上保持不变。50°开挖面不同雨强下累积产沙过程差异较大，其小雨强(0.65 mm/min)累积产沙过程呈曲线上升形式，斜率最大且整个过程不断变化；大雨强(1.65 mm/min)累积曲线次之，其在前12 min近直线，产流12 min后呈曲线上升；中雨强(1.15 mm/min)累积曲线的斜率在整个产流过程中保持平滑上升趋势。

通常工程开挖形成的坡面较陡，降雨时即便是很小的雨强也可能造成严重的水土流失。本研究开挖面已形成稳定侵蚀面，土壤坚实(重度约1.56 g/cm3)，不同雨强、坡度下的产流过程基本一致，但产沙过程存在差异。

前文分析也显示， 30°和40°坡度的开挖面大雨强产沙过程波动较大，50°开挖面小雨强下产沙过程也呈现出较大变化，且累计产沙量差异明显。这说明雨强、坡度对开挖面产沙的影响大于产流，进一步的研究工作同样需探索开挖坡度、降雨强度与坡面侵蚀产沙的耦合关系。此外，本试验降雨历时较短，由此导致降雨产流过程观测时间有限，坡面产流、产沙的时间变化特征有可能受到影响，因此后续工作也要对降雨历时加以考虑，以完善试验设计，探索开挖面水土流失时空变化规律。

4 结论与建议

本文对湖南省新化县娄新高速公路段不同坡度(30°，40°，50°)开挖边坡雨强(0.65，1.15，1.65 mm/min)影响下的坡面产流、产沙特征进行模拟降雨试验研究，结果显示：开挖坡度、降雨强度均能影响开挖面产流、产沙；平均产流率、径流系数、产沙率及径流含沙量随坡度的增大而增大；产沙过程波动较大，坡度、雨强对产沙过程的影响比产流过程明显，这种现象在本研究区域及前期研究——南水北调中线干线工程石家庄段均有反映。

综合2个地区的研究结果，后续工作需围绕降雨强度、开挖坡度、降雨历时及开挖面土壤质地展开，深入探索这些因素及其相互作用对工程开挖面水土流失的影响机制，并进一步确立关键影响因子。此外，为了更加直观地模拟坡面侵蚀空间分布及特征，前期研究采用三维激光扫描仪对降雨侵蚀后的坡面进行扫描，获取坡面DTM和坡面侵蚀深度分布图，对坡面侵蚀的空间分布及坡面形态进行三维显示。由于试验条件限制，本研究未进行此方面的分析，无法形成比较。而土壤侵蚀过程的直接结果是坡面形态发生变化，由于降雨、地形、下垫面等因素对侵蚀影响的程度不同，导致坡面形态侵蚀程度不同，因此，后续研究可充分利用三维激光扫描技术，提高其在土壤侵蚀研究中的应用，以更直观地展示侵蚀的发生、发展过程。

[1] 赵 暄,谢永生,景民晓,等.生产建设项目弃土堆置体的类型与特征[J].中国水土保持科学,2013,11(1): 88-94.(ZHAO Xuan,XIE Yong-sheng,JING Min-xiao,etal.Types and Characteristics of Spoilbank in Development Construction Project[J].Science of Soil and Water Conservation,2013,11(1): 88-94.(in Chinese))

[2] 张平仓,周 若,程冬兵,等.工程开挖面特征及土壤流失量快速监测方法探讨[J].长江科学院院报,2013,30(9): 22-26.(ZHANG Ping-cang,ZHOU Ruo,CHENG Dong-bing,etal.Discussion on Characteristics of Engineering Excavated Slope and Rapid Monitoring Technology for Soil Loss[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2013,30(9): 22-26.(in Chinese))

[3] 许文盛,童晓霞,李亚龙,等.水蚀区生产建设项目用地开挖面分类体系及其应用[J].中国水土保持科学,2014,12(1): 75-80.(XU Wen-sheng,TONG Xiao-xia,LI Ya-long,etal.Classification of Artificially Excavated Surfaces in Construction Project Lands and Its Application in Water Erosion Areas[J].Science of Soil and Water Conservation,2014,12(1): 75-80.(in Chinese))

[4] 程冬兵,张长伟,张平仓,等.工程开挖面土壤侵蚀模型的构建[J].农业工程学报,2014,30(10): 106-112.(CHENG Dong-bing,ZHANG Chang-wei,ZHANG Ping-cang,etal.Construction of Soil Erosion Model of Engineering Excavated Slope[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30(10): 106-112.(in Chinese))

[5] 赵永军.生产建设项目水土流失防治技术综述[J].中国水土保持，2007，(4)：47-50.( ZHAO Yong-jun.Review of Soil and Water Conservation Technology for Construction Projects[J].Soil and Water Conservation of China,2007，(4): 47-50.(in Chinese))

[6] 李 璐,袁建平,刘宝元.开发建设项目水蚀量预测方法研究[J].水土保持研究，2004，11(2)：81-84.(LI Lu,YUAN Jian-ping,LIU Bao-yuan.Review on Soil Erosion Prediction in Construction Projects[J].Research of Soil and Water Conservation,2004,11(2): 81-84.(in Chinese))

(编辑：姜小兰)

Experimental Study on Soil Erosion Characteristics ofEngineering Excavated Slope

ZHANG Guan-hua,CHENG Dong-bing,ZHANG Ping-cang,NIU Jun,ZHANG Chang-wei

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Engineering excavated slope is the key source of soil and water loss in project construction.In this research,field simulated rainfall experiments were conducted to study the effects of slope gradient (30°,40°,50°) and rainfall intensity (0.65,1.15,and 1.65 mm/min) on runoff and sediment yield characteristics of excavated slope.Results showed that both slope gradient and rainfall intensity have significant effect on runoff and sediment yield.As slope gradient increases,runoff and sediment parameter values increase in the presence of different rainfall intensities,with runoff rate being 0.47-0.72 mm/min,runoff coefficient 0.39-0.63,sediment rate 8.64-49.80 g/(m2·min),and sediment concentration 17.27-77.64 kg/m3.But in the presence of the same slope gradient,runoff rate increases with rainfall intensity increasing,and runoff coefficient has no obvious difference for medium (1.15 mm/min) and high (1.65 mm/min) rainfall intensity.For excavated slope of 30° gradient,the sediment rate increases with rainfall intensity increasing;while the sediment rate under medium and high rainfall intensities is very close when the slope gradient increases.For excavated slope of 50° gradient,the sediment rate and sediment concentration are high,low,and high respectively under the three rainfall intensities.

excavated slope;soil and water loss;runoff and sediment yield;rainfall intensity;simulated rainfall;construction project

2015-01-09 ；

2015-01-16

国家自然科学基金项目(41301298)；水利部公益性行业科研专项 (201201048)；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2014025/TB)

张冠华(1983-)，女，内蒙古赤峰人，高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究，(电话)027-82926365(电子信箱)zgh83113@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.006

S157.1

A

1001-5485(2015)03-0027-04

2015,32(03):27-30