坡面土壤颗粒组成对雨强和坡度变化的响应研究

2021-06-19罗丹竹

水利规划与设计 2021年6期

罗丹竹，金鑫

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004；2.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004)

土壤颗粒组成是指粒径大小不同的颗粒在土壤中所占的比例[1]，常用黏粒、粉粒和砂粒在土壤中所占的比例表达[2]。降雨过程中，雨滴击打土壤表面，土壤表层结构在团聚体破碎、分散等作用力下发生破坏，土壤颗粒沿坡面向各个方向发生迁移[3]，同时也随着下渗水流通过孔隙向土壤下层移动，造成原位置的土壤颗粒组成发生变化[4]。土壤颗粒迁移是一种普遍发生在土壤中的物理过程[5]，在土壤发育和土壤物质迁移过程中起着重要的作用[6]。土壤机械组成是影响水分入渗的主要因素[7]，而不同的土壤颗粒组成，其产流产沙规律及土壤的抗蚀性能存在一定的差异[8]。一般而言，土壤颗粒组成中细颗粒含量越多，其黏结能力越强[9]，内聚力增大[10]，在一定程度上能够促使土壤形成团粒结构，从而增大土壤的抗打击能力。逯海叶等[11]的研究指出，土壤颗粒级配是影响抗剪强度最重要的内在因素，细粒含量越多，土壤的抗剪强度越大。

陈洪松等[12]的研究表明，在相同条件的降雨下，不同大小的坡度形成的径流量不同，导致土壤侵蚀量及侵蚀泥沙颗粒的分布特征存在差别。一些研究结果表明，径流在土壤表面的传输特性决定了先搬运表层细颗粒[13]，细颗粒比粗颗粒易被侵蚀，侵蚀泥沙中黏粒含量显著增加。李朝霞等[14]通过人工模拟降雨试验观察了3种红壤的土壤颗粒结构及其土壤团聚体在降雨过程中的变化，发现随着降雨时间的增长，土壤中粗颗粒和细颗粒的相互之间的分离现象非常严重，降雨时间的长短会对土壤颗粒组成产生影响。陈晓燕等[15]通过人工模拟降雨试验研究紫色土降雨前后土壤颗粒组成的变化情况，发现降雨强度的大小对土壤颗粒组成产生影响。张腾飞等[16]在野外观察天然降雨对坡面土壤颗粒组成的影响，发现坡面土壤颗粒组成中粗颗粒的含量增高。黄丽等[17]对紫色土坡地土壤颗粒的迁移进行了研究，发现降雨后的表层土壤颗粒组成与降雨前相比，细颗粒含量减少，粗颗粒含量增加。李裕元[18]对土壤颗粒结构系数与粒径及坡长的位置变化关系进行了分析，认为黏粒和粉粒在坡面的移动最明显，且粉粒随径流沿坡面向下坡移动并在坡下位置发生沉积，黏粒主要是随径流直接从坡面流失，其流失量与坡度和坡长有关。陈明华[19]对红壤区土壤进行可蚀性分析发现，最易流失的是粗粉粒和细粉粒。还有一些研究发现，降雨过程中，侵蚀量与泥沙颗粒组成密切相关，主要表现为侵蚀量较大时，泥沙颗粒分布与降雨前表层土壤的粒径分布更接近[20]。

从目前的研究来看，在众多降雨径流对土壤颗粒组成影响的研究中，系统开展雨强和坡度这两个主要影响因素对坡面土壤颗粒组成影响的研究尚不多见。因此，本研究利用人工模拟降雨装置和变坡土槽开展实验，通过观测不同雨强和坡度组合条件下，降雨前后黄土坡面土壤颗粒组成的变化情况，探索坡面土壤颗粒组成在雨强和坡度综合影响下的变化规律。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验采用人工模拟降雨装置以及变坡土槽开展。降雨装置采用旋转下喷式喷头，以扬程为50m的潜水泵提供动力，降雨高度为6m，雨强范围为30～200mm/h，雨滴直径为0.1～6mm；实验土槽尺寸为4m×1.2m×0.8m(长×宽×深)，坡度变化范围0～30°，底部具备渗漏功能，末端设出水口用于收集坡面径流。

实验土壤为陕西省榆林市子洲县岔巴沟流域的黄土。岔巴沟流域地貌为黄土丘陵沟壑区，土壤以黄土母质发育的黄绵土为主，土壤颗粒组成中以粉粒为主要部分，土壤结构疏松，植被稀少，土壤易发生侵蚀。

1.2 实验方法

实验雨强为60、90、120mm/h，坡度为10°、20°，采用不同的雨强和坡度进行组合，降雨历时60min，共进行6场降雨实验。

1.3 实验步骤

(1)每场降雨实验进行前，在上、中、下三个坡位随机各选择1个取样点，用直径为3cm的取土钻分别在3个取样点采集表层土壤样品，将土样自然风干，标号并装袋。

(2)调整实验土槽的坡度到设计坡度后进行降雨实验。

(3)降雨结束后在上坡、中坡、下坡三个坡位随机各选择1个取样点，采集表层土壤样品，待土样自然风干，标号并装袋。

(4)称量2g经自然风干的土样，加入4mL浓度为0.5%的六偏磷酸钠进行分散，静置过夜，用激光粒度仪进行土壤颗粒组成测定。每个土壤样品进行3次测定，取算术平均值以消除误差。

2 实验结果

根据激光粒度仪的测定结果，得到每份样品的黏粒、粉粒、砂粒的体积百分比，将同场次降雨前后上、中、下三个坡位的测定结果进行算术平均，得到相应场次降雨前后的坡面土壤颗粒组成的体积百分比。表1为60、90、120mm/h雨强下，降雨前后10°、20°坡面土壤颗粒组成的体积百分比变化结果。

表1 降雨前后坡面表层土壤机械组成变化

从实验结果可知，降雨后的坡面表层土壤颗粒组成变化的普遍特点是：黏粒含量均为下降，但变换幅度小于0.5%；粉粒含量下降相对较为明显，下降幅度在1.9%～6.39%之间；砂粒含量相对有较为明显的上升，上升幅度在1.44%～7.48%之间；坡面表层土壤在雨后发生粗化。

2.1 坡度对坡面表层土壤颗粒组成变化的影响

同雨强不同坡度条件下降雨前后的土壤颗粒组成变化如图1所示。

图1 同雨强不同坡度条件下降雨前后的土壤颗粒组成变化

从图1可以看出，黏粒在土壤颗粒组成中所占的比例在所有场次降雨前后的变化均较小，表明降雨径流所搬运携带的黏粒比例与原状土非常接近，侵蚀过程对黏粒的分选作用很小，坡度对黏粒含量变化的影响不显著；粉粒和砂粒含量的变化表明，降雨后流失的粉粒多于砂粒，降雨径流对粉粒和砂粒有较为明显的分选作用，直接导致坡面表层土壤粉粒含量下降，砂粒含量上升，坡面表层土壤粗化，但坡度对粉粒和砂粒含量变化的影响不一致。

在60mm/h和90mm/h雨强时，随着坡度增加，坡面土壤中粉粒占比下降的幅度和砂粒占比上升的幅度增大；120mm/h雨强下，随着坡度的增加，粉粒和砂粒的变化幅度缩小，与60mm/h和90mm/h雨强条件下的趋势相反，表明在坡面径流量足够大的情况下，随着坡度增加使流速增大，径流的侵蚀搬运能力增大，对土壤颗粒的分选作用减弱，大雨强大坡度情况下出现泥沙俱下现象。

2.2 雨强对坡面表层土壤颗粒组成变化的影响

同坡度不同雨强条件下降雨前后的土壤颗粒组成变化如图2所示。

图2 同坡度不同雨强条件下降雨前后的土壤颗粒组成变化

总体来看，同坡度下，雨强对土壤颗粒组成的变化影响表现不一致。在10°时，随着雨强增大，坡面表层土壤粉粒和砂粒含量变化幅度增大，即在10°坡度时，随着雨强增大，降雨径流的分选作用增大，有更多的砂粒留在了原地，而更多的粉粒被搬离原位，说明在10°坡面时，雨强增大导致径流量增加，增大的侵蚀搬运能力还不足以对砂粒的输移产生明显影响；20°坡时，随着雨强增大，坡面表层土壤粉粒和砂粒含量变化幅度逐步减小，与10°坡面的趋势相反，说明在大坡度情况下，随着雨强增大，侵蚀搬运能力进一步增加，降雨径流对土壤颗粒的分选作用降低。10°和20°坡面随着雨强增大，对土壤颗粒分选作用相反的现象，说明坡度和雨强综合作用下的坡面土壤颗粒组成变化较为复杂。

2.3 雨强和坡度对降雨前后坡面土壤颗粒组成分形维数的影响

土壤颗粒组成直接用不同粒径体积百分比表达，难以进行准确的定量化描述，而引入分形理论可以在一定程度上对土壤颗粒组成定量化[21]。

因此，为定量化描述坡面土壤降雨前后的土壤机械组成变化，本文使用土壤分形维数量化土壤质地，根据激光粒度分析仪所获的粒径体积的数据和土壤分形维数模型来确定土壤分形维数[22]。根据研究[23]，分形维数越小表示土壤质地越粗，而土壤质地越细分形维数越大，土壤粒径组成的分形维数可以作为表征土壤结构的重要指标。

土壤分形维数模型为[23]：

(1)

式中，V(r

分别以lg[V(r

不同条件下降雨前后坡面表层土壤分形维数的变化结果见表2。

表2 不同条件下降雨前后坡面表层土壤分形维数

从表2的分形维数变化结果来看，所有场次降雨后坡面表层土壤的分形维数均低于降雨前，降雨前的平均分形维数为2.421，降雨后的平均值为2.329，也即降雨径流使得坡面土壤粗化。分形维数变化最大的是60mm/h雨强20°坡面，分形维数下降了0.150，其余场次的分形维数下降幅度在0.043～0.113之间。不同雨强不同坡度条件下，降雨后坡面土壤粗化程度从大到小的排列顺序为：①60mm/h雨强20°坡面，②90mm/h雨强20°坡面，③120mm/h雨强10°坡面，④90mm/h雨强10°坡面，⑤120mm/h雨强20°坡面，⑥60mm/h雨强10°坡面。

2.3.1坡度对降雨前后坡面土壤分形维数的影响

同雨强不同坡度条件下降雨前后的土壤分形维数变化如图3所示。

图3 同雨强不同坡度条件下降雨前后的土壤分形维数变化

同雨强下，随着坡度的增加，分形维数下降幅度的变化趋势不一致。在60mm/h雨强下，分形维数下降幅度从10°坡面的0.043增加到20°坡面的0.150，土壤粗化程度增加；90mm/h雨强条件下，坡度对土壤分形维数变化的影响与60mm/h雨强类似，同样表现为坡度增加分形维数下降幅度增大，但下降的增幅小于60mm/h雨强，从10°坡面的0.077增加到20°坡面的0.113；120mm/h雨强下，随着坡度的增加，坡面土壤分形维数的下降幅度的变化趋势与60mm/h和90mm/h雨强相反，呈现出随着坡度的增加，分形维数下降幅度减小，下降幅度从10°坡面的0.110减小到20°坡面的0.053，土壤粗化程度降低。

2.3.2降雨强度对降雨前后坡面土壤分形维数的影响

同坡度不同雨强条件下降雨前后的土壤分形维数变化如图4所示。

从图4中可以看出，随着雨强的增大，10°和20°坡度条件下的坡面土壤分形维数下降幅度的变化趋势相反，说明雨强对土壤分形维数变化的影响同时受到坡度变化的影响。10°坡面分形维数下降幅度从60mm/h雨强的0.043增加到120mm/h雨强的0.110，而20°坡面分形维数下降幅度从60mm/h雨强的0.150下降到120mm/h雨强的0.053。坡面土壤粗化是雨强和坡度综合作用的结果，大坡度大雨强对土壤粗化作用小于大坡度小雨强，而小坡度大雨强对土壤粗化作用大于小坡度小雨强。

图4 同坡度不同雨强条件下降雨前后的土壤分形维数变化

3 分析与讨论

3.1 同雨强条件下，随着坡度的增加，土壤颗粒组成变化的趋势不一致现象分析

小雨强(60、90mm/h)条件下，随着坡度增加，坡面土壤粗化程度(分形维数下降说明土壤变粗，砂粒含量上升也说明土壤变粗)上升，而大雨强(120mm/h)条件下，随着坡度增加，坡面土壤粗化程度下降。这种土壤粗化趋势不一致是径流流速和流量均发生变化后，坡面径流的水流功率变化造成的。

根据研究[25]，水流功率是计算水流输沙强度的最好指标。水流功率是决定水流对土壤颗粒冲刷、搬运能力和分选作用大小的关键因素，其与流量成正比，也与水流速度的平方成正比。坡面薄层水流流速与流量的1/4次幂和坡度的3/8次幂成正比[26]。在小雨强条件下，随着坡度增加，水流流速也相应增加的，但流量小于大雨强条件下的流量。因此，随着坡度的增加，小雨强下水流功率增加的幅度明显低于大雨强下水流功率的增加幅度。对于坡面土壤颗粒来说，颗粒越粗越容易被分离，越不容易被搬运；颗粒越细越不容易被分离，但越容易被搬运[27]。60mm/h和90mm/h雨强条件下，随着坡度增加，水流功率有所增大，分离的粉粒含量增加，但水流功率还没有增大到能够搬运更多砂粒的程度，搬运的砂粒比例并没有明显增加，而坡度增加后提供的可供搬运粉粒增加，造成了在小雨强条件下，随着坡度增加，对于粉粒和砂粒的分选作用增加的现象。在大雨强条件下，随着坡度增加，增加的水流功率足够大，对于砂粒的搬运能力明显提高，分选作用减小。黏粒的分离主要是伴随着砂粒和粉粒的分离而分离，水流并不存在单独增加对黏粒分离作用的情况，使得黏粒含量在降雨后并未发生明显变化。

3.2 同坡度下，随着雨强的增加，土壤颗粒组成变化的趋势不一致现象分析

10°坡面和20°坡面随着雨强的增加，土壤粗化的变化趋势相反，此现象仍可用水流功率的变化进行解释。在雨强增加幅度相同的情况下，坡度成为水流功率的决定因素，随着雨强的增加，10°坡面的水流功率总体小于20°坡面，即10°坡面随着雨强的增加流量增加，导致水流功率增大，增加了对粉粒的分离，但水流功率对砂粒的搬运能力还未发生质变，使得在坡度较小的情况下，随着雨强的增加土壤粗化程度上升；20°坡面随着雨强的增加，水流功率能够粉粒更多的粉粒，同时水流功率也增大到能够搬运更多比例的砂粒程度，造成在20°坡度时，随着雨强的增加土壤粗化程度下降的现象。

3.3 土壤分形维数变化结果分析

根据按照分形维数变化进行的土壤粗化程度排序结果，中小雨强大坡度的坡面土壤粗化程度大于中大雨强小坡度的坡面，大雨强大坡度和小雨强小坡度的坡面粗化程度最低。小雨强小坡度条件下，水流功率以及挟沙力均最小，对细颗粒的剥离能力最弱，水流并没有更多的细颗粒土壤可搬运，也没有搬运更多粗颗粒的能力，使得小雨强小坡度条件下，坡面土壤的粗化程度最低；大雨强大坡度条件下，水流功率和总的挟沙能力都是最大的，可以剥离的细颗粒最多，而能够搬运的粗颗粒也最多，分选作用减弱，坡面土壤粗化程度相对较低；其他坡度和雨强组合条件下，水流功率增加则分离粉粒和搬运砂粒的能力均有所增加，粉粒被分离后大部分可以被水流搬运走，而水流功率与砂粒的启动输移条件对比关系决定了是否能够搬运更多砂粒，这种在坡度和雨强综合作用下的水流功率变化造成了不同条件下坡面土壤粗化程度的不同。

3.4 土壤颗粒组成变化的临界条件

实验的结果显示，雨强和坡度条件改变，土壤颗粒组成变化的趋势不一致。由于趋势出现反转，则必然存在反转的临界点。从现象来看，可能在10°和20°之间存在临界坡度，或者在90mm/h和120mm/h之间存在临界雨强。临界现象实质上是坡度和雨强的改变引起了流量、水深、流速、切应力、挟沙力、水流功率、水流流态等一系列的复杂变化，也影响了坡面的产流和入渗。因此，有必要进一步开展有关临界条件及其作用机理的研究。