不同坡长条件下土堆积体坡面产流产沙过程

2018-10-29高照良

水土保持研究 2018年6期

张翔, 高照良

(1.萍乡学院, 江西萍乡 337000; 2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)

工程堆积体已成为生产建设项目新增水土流失最主要的泥沙策源地[1-2]，碾压密实的堆积平台也为堆积体边坡土壤侵蚀的发生提供了充足的汇水面积。堆积体坡面土壤侵蚀已然严峻，但作为影响坡面径流与水流侵蚀产沙过程的重要地貌因素之一的坡长，分析其对堆积体坡面产流产沙过程的影响显得尤为必要[3]，此研究对建立土壤侵蚀预报模型、制订合理、有效的水土保持体系有着重要的理论价值。

至于坡长对坡面产流产沙的影响，其实各国学者均已展开过深入的研究，但所得到的结论却莫衷一是。Lal[4]通过对尼日利亚的淋溶土研究表明，单位面积径流量是随着坡长的增加而减少的，年均径流量与坡长呈显著的幂函数关系。Truman等[5]分别对0.6，3，43 m共3个坡长的野外小区进行研究表明，径流量和泥沙含量均与坡长存在显著相关性，一旦达到临界坡长，细沟侵蚀便开始发生，细沟在0.6 m坡长上未出现，在3 m坡长上细沟出现并不起主导作用，43 m的坡长的细沟侵蚀量远大于前两个坡长。蔡强国[6]的研究揭示出，径流量和侵蚀产沙量均随着坡长的增大而递增，但当坡长达到某一临界坡长时，单位面积的侵蚀产沙量会随着坡长的增大而递减[7]，说明当坡面径流量相同时，坡面侵蚀量存在最大值，且存在一个对应的临界坡长，但目前的研究对此临界值是否存在以及大小尚无定论[8]。黎四龙等[9]根据好几年的观测资料，探讨降雨强度变化对坡长与侵蚀量关系的影响程度表明:小雨强情况下，产沙量随着坡长的增大呈缓慢增大趋势，雨强较大情况时，产沙量随坡长的增大递增幅度更大。郭新亚等[10]对黔西北地区坡面进行试验研究表明，径流量随坡长的增大呈上下波动的变化趋势，产沙量随坡长的增大而递增，且产沙量与坡长之间存在良好的线性函数关系。

尽管前人就坡长对坡面产流产沙影响的研究比较多，但关于在不同坡长情况下工程堆积体坡面产流产沙过程的研究还甚少，分析多个坡长(5个)对单一土壤(土)堆积体坡面产流产沙过程的影响更不多见。为此，选择野外堆积体坡面进行人工模拟径流冲刷试验，分析不同坡长情况下土堆积体坡面产流产沙过程，对堆积体坡面侵蚀产沙过程进行探讨，以期为土壤侵蚀预报模型的建立提供基础数据。

1 材料与方法

试验地选在陕西杨凌水土保持试验站，地处国家杨凌高新技术开发区，后河右岸，地理坐标为东经108°—108°07′，北纬34°—34°20′[11]。该地区属于大陆性季风气候，多年的平均气温在13℃左右，多年平均降水量为610.2 mm，该区的地带性土壤属于土，坡面重力侵蚀严重，雨季短而集中，侵蚀较为严重，小区通过在自然陡坡面进行机械开挖出试验所需坡度，在开挖坡面上建立径流小区，在径流小区内填入工程项目开挖产生的弃土弃渣，清除弃渣中的杂草和植物根系，坡面未采取任何植物和工程措施，小区坡面在水平面上的面积为20 m×5 m。把试验收集并烘干的泥沙土壤进行室内粒径分析试验，结果可知粒径基本上都在1 mm以下，土壤颗粒粒径在<0.002 mm，0.005～0.002 mm，0.01～0.005 mm，0.02～0.01 mm，0.05～0.02 mm，0.1～0.05 mm，0.2～0.1 mm范围内，对应含量依次是24.04%，6.64%，9.22%，20.29%，35.20%，4.51%，0.1%。试验装置图如图1所示。

注：1储水桶、2水阀、3恒压桶、4溢流管、5流量计、6溢流槽、7观测断面、8坡度、9试验小区、10集流桶。

图1试验小区及放水装置示意图

试验准备期，先用铁皮把坡面竖立分割成坡宽为1 m的坡面，对应试验方案内的3个坡度、5个坡长共计15个试验坡面，根据设计雨强(1.5 mm/min)和前期放水预试验情况，确定冲刷流量分别为6，12，18，24，30 L/min。为保证试验各个坡面下垫面基本相同，对各个坡面同时进行坡面整理。为控制土壤容重和含水率，人为地对坡面进行翻挖30 cm，然后整平、压实，并在试验前24 h对坡面土壤进行均匀洒水，直到坡面即将产流为止并用塑料薄膜覆盖，坡面产流后，记录下产流时间，且在试验的前3 min内每隔1 min测量1次断面稳定流速、水深、浑水总量、收集径流泥沙样品，3 min以后每隔3 min测量1次各项指标。30 min后停止放水。坡面细沟的发育情况以人工现场测量沟宽和沟深，坡面水流流速采用高锰酸钾染色示踪法。坡长为4 m时，流速测量间距为0.6 m，沟深和沟宽测量间隔分别为0.5 m；坡长为8，12，16 m时，流速测量间距均为1.5 m，沟深和沟宽测量间隔分别为1，1.5，2 m；坡长为20 m时，流速测量间距为2 m，沟深和沟宽测量间隔为2 m。用温度计测定水温，收集的径流泥沙样品采用烘干法进行处理，沟宽和沟深采用钢尺进行人工测量，试验土壤采用激光粒度分析仪分析其机械组成[12]。

2 结果与分析

2.1 坡面产流率的变化过程

产流率是表征在不同坡长、坡度、雨强及下垫面等因素齐力作用下，径流对坡面土壤分离和运输的能力[13]，分析产流率的时空变化是研究坡面土壤侵蚀的前提，在不同坡长、坡度情况下，点绘坡面产流率随时间变化的曲线图(图2)。

图2产流率随放水时间的变化特征

如图2A所示，32°坡度条件下的产流率的时空变化情况如下：

(1) 产流率在0～12 min前，随放水时间的持续呈现比较稳定的增大变化，在12～30 min内，产流率随时间呈现上下波动的变化；原因是水耗因子(入渗、蒸发等)逐渐趋于稳定，以致坡面径流增大，相应的产流率逐渐递增；但在12～30 min内，产流率随时间呈上下波动变化，原因是在试验前期，坡面经过人为地整为稍凹型，诱导坡面只形成了一条细沟，过水面积内的土壤在0～12 min左右便达到饱和状态，但随着放水试验的继续，随着沟岸、沟底的不断横向纵向侵蚀，坡面不时出现沟壁倒塌冲击沟内水流形成壅水、水流加速，导致产流率陡增，而后水流稳定，产流率骤降，如此周而复始，以致产流率在此阶段呈现波动性变化。

(2) 不同坡长条件下，产流率随时间的变化并不一致，在16，20 m坡长下，产流率随产流时间的持续均波动性比较大；在4，8，12 m坡长条件下，产流率随时间呈现整体上升并趋于稳定的状态。原因是在32°坡度、大坡长条件下，坡面水流流速逐渐加速，快速的坡面流后，坡面逐渐形成跌坎链，然而随着坡面细沟的贯通，伴随着是不断的溯源、重力和下切侵蚀，沟内时而产生土块冲击水流，致使产流率上下波动比较大，但在小坡长情况下，坡面相应的径流量较小，水流侵蚀力不足，坡面细沟发育比较缓慢，主要在试验后期才出现沟壁倒塌，因此坡面产流率在小坡长条件下，前期呈现缓慢稳定的增长趋势，在试验的中后期才出现波动。

如图2B所示，28°坡度条件下的产流率的时空变化情况如下：

(1) 产流率在0～18 min前，随冲刷历时的变化呈现稳定的递增状态，在18～30 min内，产流率随时间的变化便逐渐趋于平稳。原因是在28°坡度下，较32°坡度相比，坡面水流动能较小，径流侵蚀能力较弱，坡面水流状态从薄层流到出现跌坎链再到完整的贯通细沟需要的时间更长，由于坡面不断的侵蚀，产生新的土壤接触面，一直沟内的入渗、蒸发等水量损耗因素才逐渐稳定，因此坡度下的产流率在18 min前随时间呈现逐渐增大的趋势；由于在18 min左右，坡面细沟已形成，沟内水流形态也趋于稳定，所以在18～30 min内，产流率随冲刷历时的进行逐渐趋于稳定。

(2) 不同坡长条件下，产流率随时间的变化并不一致，在16，20 m坡长下，产流率在0～18 min前的波动性较大，在18 min后便逐渐趋于稳定；在4，8，12 m坡长条件下，产流率在0～18 min前稳步递增，在18 min后才稍有波动。原因是在大坡长条件下，试验初期坡面水流流速迅速增大，坡面水流的径流侵蚀能力较大，很快形成跌坎并贯通细沟，而且由于侵蚀能力大，沟内沟壁时有坍塌，导致前18 min产流率呈现波动性变化，在坡面细沟基本形成，沟内水流形态也趋于稳定，才逐渐趋于稳定；在小坡长情况下，坡面相应的径流量较小，水流侵蚀力不足，坡面细沟发育比较缓慢，主要在试验后期才出现沟壁倒塌，所以出现先递增在逐渐稳定的趋势。

如图2C所示，24°坡度条件下的产流率的时空变化情况如下：

(1) 产流率在前3 min出现陡增，然后是随着放水时间的持续表现为略带波动的稳步增大。出现此现象的原因可能是：在前3 min时，坡面水流状态还是薄层坡面流，并未产生跌坎，加上坡面经过人工平整，坡面比较光滑，水流受到的阻力较小，因此阶段产流率的增幅较大，而后坡面逐渐出现跌坎，此时坡面水流阻力增大，坡面水流流速降低，才导致产流率随冲刷历时的持续呈现稳步增大，加上一个个的跌坎产生跌坎链并逐步贯通成细沟，沟内不时出现沟壁坍塌，导致某些时刻会出现骤增骤降，从而形成产流率随时间呈现略微的波动变化。

(2) 不同坡长条件下，产流率随时间的变化规律基本一致，这表明在24°坡度下，不同坡长的坡面径流量都比较稳定，坡长对产流率的影响不明显。

2.2 产沙率变化过程

产沙率表示单位时间内坡面径流侵蚀所挟带的泥沙，分析产沙率随时间的时空变化，有利于进一步了解工程堆积体坡面土壤侵蚀的动态过程。不同坡度、坡长情况下，点绘产沙率随时间变化曲线(图3)。

图3产沙率随放水时间变化特征

如图3A所示，32°坡面堆积体坡面细沟侵蚀产沙率的变化情况如下：

(1) 产沙率在0～12 min前，随着放水时间的持续呈现稍微的增大，在12～30 min内，产沙率随时间呈现上下波动的变化。这是因为在产流初期，堆积体坡面表面组成物质结构松散，表层抗蚀性较差的物质较多，此阶段坡面已形成跌坎链并开始形成细沟，细沟的逐渐贯通致使产沙量有所递增。而后坡面细沟形成，为泥沙的输移提供了通道，径流剪切力较大，细沟不断往横向纵向发展，细沟沟壁倒塌冲击水流，致使此阶段产沙率随冲刷时间的持续呈上下波动的变化。

(2) 在不同坡长条件下，产沙率在0～12 min前，随着坡长的增加，基本呈现的是逐渐增大的趋势，在12～30 min内，大坡长(16，20 m)条件下产沙率随时间的波动幅度相对小坡长(4，8，12 m)较大。这是因为在产流初期，随着坡长的增大，整体表层可侵蚀物质更多，相应坡面侵蚀量也更大，因此产沙率在此阶段随着坡长的增大是呈现递增趋势的；而后在大坡长(16，20 m)条件下坡面水流流速较大，坡面侵蚀很快转向细沟侵蚀，加上水流侵蚀力、剪切力相应较大，细沟沟壁坍塌更严重，以致大坡长情况下产沙率随时间的波动幅度大于小坡长情况下。

如图3B所示，28°坡面堆积体坡面细沟侵蚀产沙率的变化情况如下：

(1) 产沙率随着放水时间的持续呈显著的上下跳跃波动变化，这是因为在28°坡度下，坡面水流在不同坡长条件下均能达到较大的流速和剪切力，很快坡面形成细沟，加上细沟的不断侵蚀，细沟沟壁不时的坍塌引起产沙率整体上的上下跳跃波动。

(2) 不同坡长条件下产沙率随放水时间的变化过程并不一致的，4 m坡长情况下，产沙率在0～9 min内表现着稳定的上升，后期便出现跳跃波动特征；其他坡长(8，12，16，20 m)情况下，产沙率基本在整个试验过程均表现出上下波动特征。这是因为对应28°的坡度在4 m坡长情况下，坡面水流侵蚀能力相对较小，坡面土壤侵蚀过程较缓慢，可以观察到坡面水流形态从坡面流到细沟流的变化过程，此阶段也就是产沙率增大的阶段，而后侵蚀加剧，沟道下切、沟壁扩张，甚至沟壁塌陷，导致后期产沙率出现跳跃波动的情况；在其他坡长条件下，由于坡面呈微凹型，在产流初期坡面便已形成一条细沟，因此在整个试验过程均表现为上下波动特征。

如图3C所示，24°坡面堆积体坡面细沟侵蚀产沙率的变化情况如下：

产沙率在坡长(8，12，16，20 m)条件下，随着放水时间呈现上下波动变化，这与其他两个坡度情况一致，都是由于发生细沟侵蚀，细沟沟壁坍塌、沟岸扩张引起的。但产沙率在4 m坡长情况下，整个试验过程基本上呈现平稳不变的趋势，出现这种情况的原因是在此坡度、坡长条件下，整个试验过程坡面细沟侵蚀不显著，只出现少量的跌坎，由此也可得出在24°坡度条件下，细沟发生的临界坡长还应在4 m以下。

2.3 坡面含沙量变化过程

含沙量作为表征坡面土壤侵蚀程度的重要参数[14-15]，探讨含沙量在坡面上的时空变化具有一定的现实意义。点绘不同坡度、坡长条件下，含沙量随时间的变化曲线如图4所示。

图4含沙量随放水时间变化特征

由图4可以看出，含沙量随放水时间呈现的是先减小而后保持稳定的趋势，这是由于产流初期，表层土质疏松，表层侵蚀严重，因此含沙量大，随着坡面细沟的形成，下层土壤抗蚀能力大，侵蚀速率变缓，因此含沙量呈现先减小而后保持稳定。

通过进一步分析不同坡度不同坡长条件下，含沙量平均值的变化规律可知，在32°坡度条件下，4，8，12，16，20 m坡长对应的平均含沙量分别为0.21，0.37，0.41，0.46，0.52，在28°坡度条件下，4，8，12，16，20 m坡长对应的平均含沙量分别为0.31，0.36，0.42，0.45，0.50，在24°坡度条件下，4，8，12，16，20 m坡长对应的平均含沙量分别为0.04，0.36，0.39，0.41，0.49。由具体的数据可知，在不同坡度条件下，平均含沙量均随着坡长的增加呈现递增的趋势，且24°坡度、4 m坡长对应的坡面水流平均含沙量显著偏低。出现这种情况的原因是随着坡长的增大，坡面表层可侵蚀物质更多，相应坡面侵蚀量也更大，对应坡面水流含沙量也逐渐增大，对于24°坡度、4 m坡长出现的情况，是因为坡面细沟侵蚀不显著，坡面水流仅侵蚀坡面少量松散物质，由试验测量沟深偏低也可知，坡面水流含沙量显著偏低。

2.4 坡面累积产流量和产沙量变化过程

2.4.1 累积产流量变化过程为探讨坡面累积产流量随时间的关系，拟合不同坡度、坡长条件下累积产流量与时间函数关系(表1)。

由表1可知，坡面累积产流量与放水时间的关系能很好地用线性方程表达，累积产流量随着放水时间呈现不断增大的趋势。在32°坡度条件下，累积产流量的增长率随着坡长增大依次为4.05，10.45，8.91，25.07，29.75 L/min，8，12 m和16，20 m这两组坡长条件下，累积产流量的增长率差异性不大；在28°坡度条件下，累积产流量的增长率随着坡长增大依次为4.14，10.06，8.32，23.78，23.09 L/min，同样8，12 m和16，20 m两组坡长条件下的增长率互相差异不大；在24°坡度条件下，累积产流量的增长率随着坡长增大依次为3.75，9.87，16.48，23.24，20.79 L/min，16，20 m坡长条件下的增长率互相差异不大；综合来看，累积产流量随着坡长的增大总体是增大的，但受坡度的影响，会使增长率在有些坡长之间不存在递增现象。在4 m坡长下，增长率按坡度增大顺序依次为3.75，4.14，4.05 L/min，在8 m坡长下，增长率按坡度增大顺序依次为9.87，10.06，10.45 L/min，在12 m坡长下，增长率按坡度增大顺序依次为16.48，8.32，8.91 L/min，在16 m坡长下，增长率按坡度增大顺序依次为23.24，23.78，25.07 L/min，在20 m坡长下，增长率按坡度增大顺序依次为20.79，23.09，29.75 L/min，整体来看，累积产流量随时间的增长率，在同一坡长情况下，基本上是随着坡度的增大而增大的。

2.4.2 累积产沙量变化过程为探讨累积产沙量随时间的变化规律，拟合试验条件下累积产沙量与时间的函数关系(表2)。

由表2可知，坡面累积产沙量与放水时间呈现极显著的幂函数关系，表明随着时间的增加，累积产沙量是在不断增大的，通过拟合方程对应的具体试验数据可知，在32°，28°坡度条件下，累积产沙量随着坡长的增大呈现递增的趋势，但在8，12 m两坡长情况下，二者的累积产沙量差异不大；在24°坡长情况下，累积产沙量随着坡长的增大均呈递增状态。这可能是因为在稍大坡度(28°，32°)情况下，坡面水流流速较大，侵蚀能力较强，导致8，12 m坡长的细沟水流产沙量相似，因此累积产沙量情况相差不大。

表1 累积产流量MQ与放水时间t拟合函数关系

注：样本数n=12，其中*表示(p<0.05)，**表示(p<0.001)，下表同。

表2 累积产沙量MS与放水时间t拟合函数关系

2.5 试验因素对产流产沙的影响

2.5.1 坡度和坡长对累积产流量和累积产沙量的影响通过查看不同的类型工程堆积体的形态数据可知，任何一个工程堆积体都具有其不一致的形态，即不一样的坡长与坡度，且不同类型工程堆积体坡面的细沟侵蚀量迥异，坡度、坡长作为影响坡面细沟侵蚀产流产沙的基本因素，对其与产流产沙量的关系进行研究具有重要的意义，通过得出不同坡长、坡度条件对坡面产流产沙量的具体函数关系，有利于分辨各个因子对坡面细沟产流产沙量的影响程度，进一步得出主要决定因素。

MQ=2.89S0.36L1.23R2=0.88

(1)

MS=0.05S0.94L1.75R2=0.93

(2)

式中：MQ表示累积产流量(L)；MS表示累积产沙量(kg)；S表示坡度(°)；L表示坡长(m)。

由公式(1),(2)可以看出，坡度和坡长均对坡面累积产流产沙量产生影响，且二者均对累积产流产沙量产生正效应，即随着坡度、坡长的增大，工程堆积体坡面细沟累积产流产沙量均增大；由坡度和坡长因素的指数可以发现，坡长对坡面细沟累积产流产沙量的贡献率更大，占主要决定因素。