模拟降雨条件下不同砾石含量工程边坡土壤侵蚀及水动力学特征

杨 兴, 张家喜, 彭培好, 王明田, 李 伟

(1.成都理工大学 地球科学学院, 四川 成都 610059; 2.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所 山地表生过程与生态调控重点实验室, 四川 成都 610041;3.成都理工大学 生态资源与景观研究所, 四川 成都 610059; 4.四川省气象台, 四川 成都 610072)

国家对交通建设的投资力度不断加大，对改善区域交通条件，促进区域经济发展起着至关重要的作用。但在地质条件复杂的西南高山—亚高山地区，在公路建设过程中不可避免地切挖山体导致大量的裸露高陡土石边坡，不仅改变了原有山体的生态环境与岩土结构，使工程边坡土壤及其养分极易流失，还严重影响了沿线公路运输安全[1-2]。工程建设会破坏原有的土体结构和表层土壤环境，导致雨滴对土壤表层的直接冲击和地表径流对土壤冲击携带的能力的增强，严重影响工程边坡土壤理化性质和生态环境的稳定性[3]。土壤侵蚀不仅会带走大量用于植被生长的土壤，还会使土壤中氮、磷、钾、有机质等养分大量流失。

砾石会增加土壤容重、孔隙度、剪切力等，导致土体下渗率增大，影响土体水分运移规律[4-5]。砾石使土壤表面较为粗糙而具有较高的拦截径流的能力，并减缓了地表径流的运移[6]。砾石的粒径、含量、形态、间距等对径流的运动特征具有重要的影响[7-9]。然而也有研究认为，砾石对土壤侵蚀的影响还是复杂的和矛盾的，这取决于岩石碎片的特征及径流状况[10-11]。综上所述，由于雨强、砾石含量、土壤类型、坡度、含水量等不同，砾石对坡面侵蚀的影响存在巨大差异[12-16]，而目前针对嵌套砾石边坡研究多为坡度较低，砾石含量不高的坡耕地或工程堆积体[17-19]。西南高山—亚高山地区广泛存在的工程坡面具有裸露、高坡度、高砾石含量的特点。高坡度状况下不仅导致土壤因剪切力较大带来的土体不稳定，而且会使得坡面径流对坡面土壤结构冲击和搬运能力加强。表层的砾石会降低雨滴的溅蚀能力和径流对土壤结构的冲击，土体中的砾石会加大土壤的孔隙度从而减少地表径流量。本研究通过对在高坡度、高砾石含量下的工程边坡侵蚀特征进行研究，分析不同雨强、坡度、砾石含量等对工程边坡径流的水力学参数和土壤侵蚀特征的影响，旨在为西南高山—亚高山区工程边坡水土保持、土壤重建、生态恢复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验所用土壤样品于2018年11月采自四川省泸定县二郎山西坡G318国道工程边坡表层土，类型属于棕壤，为间棕色；下层黄棕色、棕褐色；土层深厚，但层次过渡不明显；上层为中壤质，下层为黏壤质；土体中夹砾石极多；母质多为花岗岩沉积物；土壤近中性或微酸性，pH值约5.4～6.2[20]通过结合研究区工程边坡具体的土壤及砾石状况，对边坡土壤进行风干、过筛、分选、混合等处理，分别过0.2，0.5，1，2，4和6 cm样品筛，制备<0.2 cm土壤和0.2～0.5 cm，0.5～1 cm，1～2 cm，2～4 cm，4～6 cm这5种粒径砾石并按照体积比2.2∶3.0∶2.3∶1.7∶0.8比例将砾石装袋混合。

1.2 试验设计

研究于2018年12月采用室内人工模拟降雨试验的方法，在中国科学院万州典型区生态环境监测重点站人工模拟降雨大厅进行，采用4 m高下喷式降雨装置，降雨强度通过压力表调节，雨强可调至20～150 mm/h，两台降雨机并排降雨，降雨均匀度达到80%，满足试验要求。试验土槽为自主设计及制作的聚丙烯土槽，规格为长1 m，宽0.4 m，深0.25 m，底部均匀打孔(2 mm)，坡度变化范围为0°～75°。通过结合研究区工程边坡地形、气候、土壤等条件，设置5种砾石含量：3%，15%，35%，55%，75%；设置3种雨强：40，60和80 mm/h；坡度：50°。用喷壶喷雾及Delta-T(HH2)便携式水分测试仪将土壤相对含水率控制在7.5%～10%范围内。为使土壤透水状况接近天然坡面，底层铺设粒径5 mm厚粗沙。土壤采取分层填土的方式进行装填，每层5 cm并打毛处理，填充后压实并通过称重法使土壤容重控制在1.18～1.34 g/cm3范围内。试验前对降雨强度进行10 min率定，每天进行2场降雨，每场降雨1～2 h。为避免模拟降雨后土壤理化性质的改变对试验的影响，每次试验后将土壤取出并重新配比装填新的试验土壤。

1.3 样品收集与分析

模拟降雨开始后计时，用精度0.01 s的秒表记录初始产流时间。坡面产流后进行历时65 min的地表径流及泥沙收集，并用秒表记录时间，前10 min时间段每2 min采集一次样品，之后每5 min收集一次样品。同时用高锰酸钾染色剂测定流速。试验样品静置24 h，用量筒测量地表径流，将试验样品装入铝盒并放入105 ℃烘箱中烘干，称量。相关计算公式为：

(1) 径流深(h)。测量时段内坡面平均径流水深，计算公式为：

(1)

式中：h——径流深(m)；q——t内时间的径流量(m3)；t——径流取样时间(s)；V——断面平均流速(ms)；b——过水断面宽度(m)。

(2) 土壤侵蚀率(Dr)。坡面径流在单位时间内所输移出的泥沙质量，计算公式为：

(2)

式中：Dr——土壤侵蚀率(g/s);Mt——测量时段t内的所运移出的泥沙含量(g);t——接样时间(min)。

(3) 径流率(Q)。坡面在降雨条件下单位时间内所产生地表径流的体积，计算公式为:

(3)

式中：Q——径流率(ml/min)；t——接样时间(min)；Dt——接样时间t内的径流含量(ml)。

(4) 径流剪切力(τ)。径流在流动时对坡面土壤剥蚀大小的参数，计算公式为：

τ=γmgRJ

(4)

式中：τ——径流剪切力(Pa或N/m2);γm——浑水密度(kg/m3)，考虑了含沙量的影响；g——重力加速度，取9.8 m/s2；R——水力半径(m)，薄层水流可视为二元流，水力半径近似于等于断面平均水深；J——水力坡度，用坡度的正切值近似代替。

(5) 径流功率(ω)。表征作用于单面水流所消耗的功率，水流流动时挟沙能力的参数，计算公式为：

ω=τ·V

(5)

式中：ω——径流功率〔N/(m·s)〕，是径流剪切力(包含坡度、水深)和流速的函数，包含了径流剪切力和流速的影响；V——坡面水流速率(m/s)。

(6) 过水断面单位能(E)。以过水断面最低点做基准面的单位水中的动能和势能之和，计算公式为：

(6)

式中：E——过水断面单位能；α——校正系数，取值为1；h——平均径流水深。

采用SPASS 25.0，Excel软件进行试验数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同砾石含量工程边坡径流特征

2.1.1 初始产流时间 初始产流时间是指坡面开始接受降雨至坡面形成薄层水流的时间，受坡面土壤特性、坡度、坡长等综合效应的影响，工程坡面中砾石通过改变土壤孔隙状况和坡体地貌微形态对坡面产流过程产生影响[20]。由表1可知，在不同的降雨强度下，随着试验坡面砾石含量的增加，坡面产流时间均随之减少。其中在40 mm/h雨强条件下，产流时间随着砾石含量增加减少了2.5～7.65 min；在60 mm/h雨强条件下，产流时间随砾石增加减少了2.13～3.14 min；在80 mm/h雨强条件下，产流时间随着砾石含量增加减少了0.64～1.79 min。回归分析表明，各砾石含量坡面初始产流时间与雨强均呈线性函数关系(R2=0.604，p<0.05)。当砾石含量较低时，土体结构较为紧密，高坡度下，重力作用导致地表径流下渗力降低，湿润峰达到一定值后难以继续下移，坡面径流汇集时间较短[21]，随着坡面土壤砾石含量的增加，坡面土体容易形成较多联通的大孔隙，坡面下渗能力较强，且湿润峰持续下移，水份入渗量随着砾石含量的增大而增加。

表1 不同砾石含量下工程坡面产流时间

2.1.2 径流率 由图1可知，不同降雨强度下，工程坡面径流率及其随降雨历时变化幅度均随着坡面土壤砾石含量的增加而减少，坡面径流率变化过程具有明显差异性。雨强为40 mm/h时，随着砾石含量增加，坡面径流率减少了0.048～0.55 ml/s，坡面径流率较低且随降雨历时整体呈现缓慢且平稳增长的趋势；当雨强为60 mm/h时，坡面径流率下降率为0.44～0.71 ml/s，坡面径流率呈现出迅速增加后趋于稳定的趋势；当雨强为80 mm/h时，坡面径流率下降率为0.28～1.21 ml/s，坡面径流率整体呈现出迅速增长后波浪式缓慢上升的趋势。这是由于地表砾石的覆盖对生物结皮具有一定的影响[22-23]；随着砾石含量的增加，重力作用下坡体土壤剪切力的增大使坡面产生较多裂缝，这不仅使土壤孔隙数量增加而且土壤颗粒与砾石结构慢慢变得疏松，砾石与土壤—的入渗面也随之增加；同时砾石含量的增加使水分下渗深度增加，促进壤中流的发生，表层砾石的分流作用也使得坡面径流流速大幅降低[24]。

图1 不同雨强和砾石含量下土壤径流率随产流历时变化过程

2.1.3 径流水动力参数变化规律 图2为各实验条件下的水动力学参数状况。

图2 各实验条件下水动力学参数

从图2可以看出，在5种坡面砾石含量下，径流剪切力、径流功率和过水断面单位能均随降雨强度的增加而不同程度的增加。径流剪切力分别增加17.3%～24.6%，13.8%～41%；径流功率分别增加了52%～82%，47.7%～75.2%；过水断面单位能分别增加了49.2%～101.6%，55.8%～88.9%。在3种降雨强度条件下，径流剪切力、径流功率和过水断面单位能均随砾石含量的增加而明显减少。径流剪切力分别减少6.4%～13.5%，8.3%～12%，8.5%～18%；径流功率分别减少了13.5%～18.2%，16%～23%，16.2%～29.4%；过水断面单位能分别减少了16.0%～18.4%，12.6%～25.1%，14.1%～24.6%。通过回归分析表明，各降雨强度下径流剪切力与砾石含量均呈显著线性函数关系(R2=0.971～0.992，p<0.05)；径流功率与砾石含量均呈显著对数函数关系(R2=0.928～0.949，p<0.05)；过水断面单位能与砾石含量均呈显著线性函数关系(R2=0.944～0.973，p<0.05)。随着雨强的增加，坡面径流量随着增加，径流流速及其径流深度随着增加。坡度较大，重力作用导致坡面径流流速较快，同时砾石含量的增加使坡面土壤入渗率增加，坡面径流量的降低导致坡面平均径流深度随着减少。同等降雨条件下砾石覆盖大大增加了工程坡面的地表粗糙度，砾石对水流具有分流及阻碍作用，一方面砾石将坡面径流分成细小的沟流，另一方面砾石对向下运动的水流具有阻碍和能量消耗作用，砾石含量增多坡面流速明显降低[25-26]。

2.2 不同砾石含量工程边坡侵蚀特征

2.2.1 侵蚀率随降雨历时变化特征 由图3可以看出，坡面侵蚀率随着砾石含量的增加而减小，不同降雨强度下侵蚀率大小及变化过程具有明显差异。当雨强为40 mm/h时，随着砾石含量增加侵蚀率减少了0.001 3～0.015 5 g/s，坡面整体侵蚀率较低，随降雨历时整体呈现出缓慢增加的趋势；当雨强为60 mm/h时，随着砾石含量增加侵蚀率减少了0.021～0.037 g/s，侵蚀率在10～15 min时达到峰值，其中当砾石含量为3%和15%时，侵蚀率迅速增加后后波浪式缓慢上升，当砾石含量≥35%后，侵蚀率迅速达到峰值后开始缓慢下降；当雨强为80 mm/h时，随着砾石含量增加侵蚀率减少了0.015～0.046 g/s，其中砾石含量为3%时，坡面侵蚀率1～15 min迅速增长后增长速率变缓慢，55 min时达到峰值后开始下降，当砾石含量≥15%时，边坡侵蚀率在8～12分钟迅速达到峰值后都开始缓慢下降。随着雨强的增加，不同砾石含量工程坡面侵蚀率也随着增加，当雨强由40 mm/h增至60 mm/h时，侵蚀率增加了0.041～0.124 g/s(360%～520%)；但雨强由60 mm/h增至80 mm/h时，侵蚀率增加了0.002～0.021 g/s(15%～40%)。坡面侵蚀率增速随着砾石含量增多而降低。

2.2.2 砾石含量对侵蚀量的影响 如图3所示，不同砾石含量工程边坡降雨侵蚀量与雨强呈幂函数关系(p<0.05)。工程坡面土壤侵蚀量在不同雨强下均随着砾石含量的增多而减小，在40，60，80 mm/h雨强下，随着坡面砾石含量的增多侵蚀量分别减少了15.0～62.5 g，78.7～145.6 g，58.6～108.9 g；土质坡面侵蚀量分别是的砾石含量为15%，35%，55%，75%砾石的1.19～1.21倍，1.41～2.15倍，2.1～2.86倍，2.55～3.79倍。

逐步回归分析工程边坡降雨侵蚀量与雨强和砾石含量的关系表明，降雨侵蚀量与雨强及砾石含量呈极显著线性关系：

H=9.36I-4.51G-67.309

(R2=0.834，p<0.01，N=16)

(7)

式中：H——工程边坡侵蚀量(kg)；I——为雨强(mm/h)；G——砾石含量(%)。

图3 不同雨强和砾石含量下土壤侵蚀量及侵蚀率随产流历时变化过程

2.3 工程边坡土壤侵蚀率Y与径流特征的关系

图4为边坡土壤侵蚀率与各径流特征参数的关系，通过对试验所得径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能与侵蚀率进行相关性分析及回归分析，相关性分析表明，工程边坡土壤侵蚀率与径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能均呈显著或极显著正相关关系，相关系数依次为0.860，0.922，0.869和0.890，径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能对土壤侵蚀率有显著影响；回归分析表明，工程边坡土壤侵蚀率与径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能呈显著幂函数或线性函数关系，具体变化方程式如图4所示。

图4 土壤剥蚀率与水动力学参数的关系

3 讨论与结论

(1) 工程坡面所含砾石增加了土壤入渗率并降低了径流流速，产流时间随砾石含量的增加而延长并与雨强呈线性函数关系；径流率随着砾石含量的增多而减少，不同雨强下，径流率随降雨历时变化过程具有明显的差异。不同雨强下径流剪切力、径流功率、过水断面单位能与砾石含量均呈极显著负相关关系。

(2) 坡面侵蚀量随着砾石含量的增加而减小，降雨侵蚀量与雨强及砾石含量呈极显著线性关系；不同雨强和砾石含量下，坡面径流率大小及变化过程具有明显的差异性，随着坡面土壤砾石含量的增多，径流率变化幅度减少，坡面侵蚀量逐渐下降；坡面砾石具有抗侵蚀作用。

(3) 工程边坡土壤侵蚀率与径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能均呈显著或极显著正相关关系，径流剪切力、径流功率、过水断面单位能对工程边坡土壤侵蚀有显著影响，回归分析表明，工程边坡土壤侵蚀率与各水动力学参数呈显著幂函数或线性函数关系。

砾石对工程边坡土壤侵蚀及水动力学特征的影响不仅取决于砾石含量，也取决于砾石的粒径及其形状，后者对径流入渗特征、坡面径流具有重要影响。本文仅基于50°短坡下的模拟试验结果开展不同砾石含量和雨强对工程边坡土壤侵蚀的影响研究，但实际上工程边坡坡度、坡长对于工程边坡土壤侵蚀也存在显著影响。因此，今后仍需针对不同坡长、坡度、砾石粒径及其形状、植被覆盖等因素对工程边坡土壤侵蚀特征的影响进行深入研究。