贵州岩溶地区不同角度坡面土壤侵蚀的研究

2024-03-08肖颖

地下水 2024年1期

肖颖

(黔西南州水务局,贵州黔西南州 562400)

0 引言

由于气温变暖的影响,极端降水的事件频繁发生,加速了岩溶地区的土壤侵蚀,如何防止土壤流失,针对此问题,学者们进行了多方面研究。许阳光等[1]对极端降雨下黄土高原草被沟坡浅层滑坡特征及其对产流产沙的影响进行了研究,结果表明:植被根系与土壤容重、孔隙度等土壤性质致使滑坡面上、下层土壤物理性质差异显著,在极端降雨下滑坡面上层土壤水分更快达到饱和,导致浅层滑坡发生;刘晓路等[2]对红壤和紫色土坡面产流产沙特征进行了研究,研究结果表明:在相同雨强和坡度情况下,红壤的径流深大于紫色土,且红壤先达到稳定状态,当雨强较小时,红壤的侵蚀速率大于紫色土,但中大雨强时情况与之相反;孙旭等[3]研究了模拟降雨条件下枯落物覆盖对坡面地表和壤中流产流过程的影响,研究结果表明:随枯落物覆盖密度的增大,地表产流时间延长,产流量逐渐减小,与裸土坡面相比,枯落物覆盖坡面地表产流时间延长3～8倍,枯落物覆盖坡面均会产生壤中流,壤中流产流量随着覆盖密度的增大而增加;王照润等[4]研究了坡度对降雨径流挟沙能力的影响,研究结果表明:相同雨强裸坡条件下,径流含沙量与水力坡度的1/2次方呈正相关,与坡长的4/5次方呈正相关,水流挟沙能力约与水力坡度的1/2次方呈正相关。

以上学者研究了模拟降雨条件下坡面产流产沙的特征,总结了坡面土壤侵蚀的过程。本文通过人工模拟降雨试验,对岩溶地区不同角度坡面的土壤流失进行了研究,并分析了不同降雨强度条件下坡面的径流特征和侵蚀特征。

1 工程概况

研究区为典型喀斯特地貌。受降雨的影响,该地区土壤侵蚀的速度大于土壤形成的速度,这种不平衡导致水土流失严重。由于喀斯特地区碳酸盐岩孔隙度低,保水能力极差,导致地表和地下水资源流失,土壤侵蚀严重,大面积岩石裸露、植被退化。为防止土壤遭受侵蚀,本文通过人工模拟降雨,在不同角度和不同孔隙裂缝率条件下,对岩溶地区的坡面径流和侵蚀特征进行了研究。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

本次试验土壤采集于研究区一处倾斜农田,从农田中收集0～25 cm深的土壤。土壤采集完后,除去树木枯枝等杂物,然后在实验室模拟岩溶地区的耕地结构。模拟降雨试验的土壤钢槽采用不锈钢制作,其规格长×宽×高分别为5 m×2 m×0.6 m。将高度大于30 cm碳酸盐岩随机放入钢槽内,再将采集的土壤分层均匀填入岩石中,保持填充密度与采集土壤区密度相同,土壤的总深度为30 cm,根据农田土层分布,填入的土壤分两层,上层为耕作层,高度为20 cm,下层为犁底层,高度为10 cm,土壤填充完成后,将土壤整理平整,并压实土壤,使土壤与底面岩石充分接触。

试验采用的人工降雨设备为全自动人工模拟降雨设备,降雨高度为6 m,降雨总面积为12 m×12 m,可分区降雨,降雨均匀性大于90%,雨滴直径为0.3～5 mm范围内,强度范围为0.1～0.5 mm/min,降雨精度确保为0.1 mm/min。降雨前,设置雨滴的终端速度与自然降雨的速度相同。

2.2 试验方法

本次模拟降雨试验设置了两种降雨强度,分别为0.8 mm/min和1.2 mm/min。因研究区土壤流失多发生在坡度小于30°的地区,对此试验设置三种不同坡度,分别为8°、18°、28°,8°和18°坡度为缓坡,28°坡度为陡坡。钢槽底部有可活动的钢板,钢板上有均匀的小孔,小孔直径为8 cm,方便收集降雨产生的径流。通过调整活动钢板小孔的重叠程度,可调节不同的孔隙裂缝率,孔隙裂缝率为地下孔隙裂缝总面积与水平投影面积的比值。试验设置了3种不同的孔隙裂缝率,分别为1%、4%、7%,其中1%为微孔裂隙,4%为小孔裂隙,7%为中孔裂隙。

试验中每次降雨历程为90 min,每次试验均重复进行3次,取3次试验的平均值作为试验结果,每次降雨前均替换钢槽中已结束试验的土壤,确保试验精度。

3 试验结果与分析

3.1 雨强为0.8 mm/min时的径流特征

人工模拟降雨结束后,根据试验测量数据,可得当降雨强度为0.8 mm/min时,不同坡度条件下的径流特征,如图1所示。

图1 雨强为0.8 mm/min条件下径流特征

如图1(a)所示,在坡度为8°条件下,当孔隙裂缝率为1%时,地下径流率为54.4%;当孔隙裂缝率为4%时,地下径流率为70.2%;当孔隙裂缝率为7%时,地下径流率为85.0%。由此可知,在坡度为8°条件下,坡面几乎没有发生地表径流,降雨全部渗入土壤,从而形成地下径流。当孔隙裂缝率逐渐增大时,地下径流随之增大。

如图1(b)所示,在坡度为18°条件下,当孔隙裂缝率为1%时,地下径流率为53.0%,地表径流率为10.2%;当孔隙裂缝率为4%时,地下径流率为53.7%,地表径流率为9.38%;当孔隙裂缝率为7%时,地下径流率为62.1%,地表径流率为6.9%。由此可知,在坡度为18°条件下,地表开始出现径流,随着孔隙裂缝率逐渐增大,地表径流逐渐减小。当孔隙裂缝率为1%和4%时,地下径流流量基本相同,当孔隙裂缝率为7%时,地下径流逐渐增大。

如图1(c)所示,在坡度为28°条件下,当孔隙裂缝率为1%时,地下径流率为44.7%,地表径流率为12.2%;当孔隙裂缝率为4%时,地下径流率为51.5%,地表径流率为9.7%;当孔隙裂缝率为7%时,地下径流率为54.0%,地表径流率为4.5%。由此可知,在坡度为28°条件下,随着孔隙裂缝率逐渐增大,地表径流逐渐减小,而地下径流逐渐增大。

由图1可知,当坡度为8°时,坡面几乎没有发生地表径流,降雨渗入地下形成地下径流。当坡度为18°和28°时,随着孔隙裂缝率逐渐增大,地表径流逐渐减小,而地下径流逐渐增大。在强度为0.8mm/min的降雨条件下,地下径流是坡面径流的主要途径,而且地下渗漏是坡面水土流失的主要原因,坡度和孔隙裂缝率较大的缓坡地下土壤流失较大。

3.2 雨强为1.2 mm/min时的径流特征

人工模拟降雨结束后,根据试验测量数据,可得当降雨强度为1.2 mm/min时,不同坡度条件下的径流特征,如图2所示。

图2 雨强为1.2mm/min条件下径流特征

如图2(a)所示,在坡度为8°条件下,当孔隙裂缝率为1%时,地下径流率为48.1%,地表径流率为4.2%;当孔隙裂缝率为4%时,地下径流率为62.3%,地表径流率为4.2%;当孔隙裂缝率为7%时,地下径流率为74.1%,地表径流率为3.1%。由此可知,在坡度为8°条件下,随着孔隙裂缝率逐渐增大,地表径流逐渐减小,而地下径流逐渐增大,在当孔隙裂缝率为1%和4%时,地表径流的流量基本相同。

如图2(b)所示,在坡度为18°条件下,当孔隙裂缝率为1%时,地下径流率为54.7%,地表径流率为1.8%;当孔隙裂缝率为4%时,地下径流率为58.4%,地表径流率为1.8%;当孔隙裂缝率为7%时,地下径流率为59.0%,地表径流率为0.9%。由此可知,在坡度为18°条件下,随着孔隙裂缝率逐渐增大,地表径流逐渐减小,而地下径流逐渐增大,在当孔隙裂缝率为4%和7%时,地下径流的流量基本相同。在当孔隙裂缝率为7%时,坡面几乎不发生地表径流。

如图2(c)所示,在坡度为28°条件下,当孔隙裂缝率为1%时,地下径流率为37.4%,地表径流率为21.3%;当孔隙裂缝率为4%时,地下径流率为41.1%,地表径流率为20.8%;当孔隙裂缝率为7%时,地下径流率为43.2%,地表径流率为18.9%。由此可知,在坡度为28°条件下,相较其它两种坡度,地表径流明显增大,而地下径流明显减小,孔隙裂缝率越大,地下径流越大。

由图2可知,在相同坡度条件下,孔隙裂缝率越大,地下径流越大,而地表径流越小,地下土壤的流失随着孔隙裂缝率的增大而增大。在坡度为28°条件下,地表径流较其它两种坡度明显增大,地下径流较其它两种坡度明显减小。在强度为1.2 mm/min的降雨条件下,地下径流随之坡度的增加而减小,其地下土壤侵蚀也相应减小。

3.3 不同雨强条件时的侵蚀特征

人工模拟降雨结束后,根据试验测量数据,可得不同降雨强度和不同坡度条件下的土壤侵蚀特征,如图3所示。

图3 不同雨强条件下土壤侵蚀特征

如图3(a)～(b)所示,随着孔隙裂缝率的增大,地下土壤的侵蚀比例越大。在1%和4%的孔隙裂缝率条件下,坡面角度对侵蚀比例的影响比5%孔隙裂缝率时变化明显,且随着坡面角度增大,地下土壤侵蚀逐渐减小。当雨强为1.2 mm/min时,对于1%和4%的孔隙裂缝率,当坡角从8°增加到18°时,侵蚀比例分别降低了10.4%和11.4%,当坡角度从18°增加到28°时,腐蚀比例分别降低了5.7%和1.3%。对于7%的孔隙裂缝率,当坡度角从5°增加到15°和从15°增加到25°时,侵蚀比例分别降低了7.3%和23.2%。