模擬降雨條件下不同土石比例棄土堆置體產流產沙研究

陳 磊，謝永生，，田 飛，景民曉

（1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100）

在我國生產建設過程中，各類開發建設項目與日俱增，如水利工程建設、礦產資源開發、城鎮開發區建設、鐵路公路建設等。這些工程一般由于規模大、數量多，不僅對原生下墊面土壤造成破壞、擾動，而且在工程的建設過程中由于受挖填方的施工時段、材料質量、標段劃分、運距等諸多因素的影響，不可避免地產生大量的棄土棄渣［1－3］，這些棄土棄渣物質成分以土、土夾礫石或塊石為主，物質結構雜亂無章、分選性差、透水性強。大量棄土棄渣的存在將會成為水土流失的重要來源［4］，該類型的水土流失具有點強面廣的特點［5］。許多國內外學者對開發建設項目水土流失做了很多研究，取得了許多成果［6－11］，但是目前這些研究往往是用填裝土槽的方法進行的，未能準確反映棄土堆置體野外的堆積狀況，將堆置形態作為影響水土流失特征的因素也鮮有人考慮。同時有許多研究表明［12－15］：當礫石混入土壤后，產沙、入滲等一系列性質會發生改變。鑒于以上情況，筆者以趙暄等［11］抽象概化出的4類棄土堆置體中的坡頂平臺有車輛碾壓的堆置類型作為研究對象，采用室內人工模擬降雨的方法對4種土石比例棄土堆置體進行人工模擬降雨試驗，研究不同土石比例棄土堆置體的侵蝕產沙過程特征，以期為開發建設項目棄土堆置體水土流失量測算提供科學依據。

1 試驗方法與設計

1.1 下墊面選擇

根據趙暄等［11］對開發建設項目棄土堆置體的分類概化，選擇坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置類型（圖1）作為模擬研究對象，研究該類型下不同礫石含量對棄土堆置體產流產沙特征的影響。在模擬棄土堆置體時，嚴格控制棄土堆置體的尺寸大小、容重和含水量等參數，確保下墊面狀況一致［12］，從而保證試驗結果的可靠性。堆置體坡度控制在（33±2）°，坡面容重控制在1.10～1.20g／cm3，平臺頂部容重控制在1.45～1.55g／cm3。

圖1 坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置類型

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗材料與儀器設備 試驗土壤為陜西省楊凌地區重壤質土壤，土壤機械組成如下：土壤粒徑為＜0.001，0.001～0.01，0.01～0.05，＞0.05mm 的質量百分含量依次為14.50%，19.70%，60.25%，5.55%，堆土前將土壤過10mm篩。所選用礫石為人工破碎石，大小為0～5cm，根據碎石粒徑大小，按一定質量百分數混合。其中碎石粒徑為＜1.5，1.5～3，3～5cm的質量百分含量依次為30%，50%，20%。將土壤與礫石按10∶0，9∶1，8∶2，7∶3（質量比）的比例均勻混合。實驗前期的土壤含水量為12%～15%。

室內模擬降雨試驗于2013年7—8月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室降雨大廳內進行，所用的降雨設備為下噴式自動模擬降雨器，噴頭高18m，滿足所有降雨雨滴達到終點速度，降雨均勻度大于80%。試驗采用去除重金屬離子的純凈水作為模擬降雨水源，國際上采用純凈水作為水源來進行室內模擬降雨試驗的方法已經被廣泛應用［16］。棄土堆置體侵蝕觀測平臺參見趙暄［12］文中所述，平臺的有效堆土面積為2.5m×3.0m，坡度可調節范圍為0～10°，上層堆土平臺坡度為0°，保持水平，下層水沙匯集平臺以5°向集流裝置傾斜，以保證堆土平臺上的徑流產沙全部匯入出水口處的徑流桶內。上層堆土平臺與下層水沙匯集平臺用鋼龍骨固定，保證上方堆土平臺的穩定性。鋼龍骨沿傾斜方向平行設置，不阻礙水沙的正常遷移。

1.2.2 雨強設計 試驗選擇1.0，1.5，2.0，2.5 mm／min共4組雨強。試驗開始前在堆置體觀測平臺周圍均勻布置6個雨量筒對雨強進行率定，待雨強達到試驗要求后，開始試驗，并記錄產流時間，降雨時間為自產流起歷時45min。

1.2.3 取樣和觀測 每場試驗開始前，測定棄土堆置體的表層容重及含水量。在人工模擬降雨試驗開始產流時，記錄產流產沙時間并取樣。取樣時間為：產流的前3min，每1min取一次徑流泥沙樣，之后每3min取一個樣。降雨結束后，用量筒測量取樣體積，將采集的泥沙樣烘干、稱重。計算不同時間段的產沙量及總的產沙量。同時對應上述采樣時間，測量不同時間段的產流量，并計算總的產流量。

1.3 數據分析

用Excel 2003和Sigma Plot 10.0對數據進行統計分析并作圖。

2 結果與分析

2.1 堆置體形態特征及入滲特性分析

坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置類型在大型點式工程的施工過程中比較常見，如水利水電工程、礦產資源開發等。該類型的生產建設項目由于工程規模大、工期長、施工地點集中，在局部產沙的棄土棄渣量較大，棄土棄渣的堆積過程中堆置體坡頂經過車輛碾壓夯實且使用施工機械的裝載壓實。堆置體經強力壓實后土壤密度增大、滲透性降低，是導致徑流和產生侵蝕的主要原因。圖2為不同雨強條件下，平均徑流速率隨礫石含量的變化關系，可以看出，相同降雨條件下，平均入滲速率隨著礫石含量的增大而增大，當雨強≤1.5mm／min時，增大的趨勢很明顯，當雨強≥2.0mm／min時，增大的趨勢不明顯，基本持平。這與楊艷芬等［17］的研究結果基本一致。主要原因是：由于土壤中碎石的存在一方面減小了過水斷面，直接減小土壤的累積入滲量；另一方面增加了土壤中的大孔隙，大孔隙增加到一定數量后，在土壤中產生優勢流，對土壤的入滲產生促進作用。碎石含量較小時，大孔隙的數量還不足以產生優勢流，或產生優勢流較少，使其促進作用小于過水斷面阻礙作用，因此，隨著礫石含量的增加，大孔隙數量的增加所產生的促進作用大于過水斷面減小所產生的阻礙作用，平均入滲速率隨含石量的增加而增加，隨著礫石含量的繼續增加，大孔隙的數量繼續增加所產生的促進作用漸漸小于過水斷面減小產生的阻礙作用，平均入滲速率隨含礫石含量的增加而基本持平。

圖2 不同降雨強度下平均入滲速率隨礫石含量的變化關系

2.2 不同土石比例堆置體開始產流時間分析

產流時間是坡面綜合效應的反映，主要取決于降雨強度、坡度和土壤初始含水量。在降雨的最初階段，降雨全部滲入土壤，坡面無徑流產生。當雨強大于土壤入滲能力時，產生超滲雨。超滲雨形成坡面積水，然后沿坡面向低處流動，稱為坡面漫流［11］。影響產流時間的因素有土壤特性、降雨強度、坡度坡長及礫石含量等。圖3為模擬降雨條件下坡面開始產流時間隨礫石含量的變化關系。從總體上看，開始產流時間隨著礫石含量的增大而縮短。原因在于在降雨的最初階段，主要是雨滴浸潤土壤和礫石的過程。由于礫石的存在，一部分雨滴擊濺礫石，使礫石表面濕潤。隨著時間的推移，礫石包裹一層水膜使土壤與礫石的周邊接觸成為入滲點，進而逐漸增大了水分濕潤土壤的面積，入滲隨之增加。當礫石被完全浸潤后，入滲不再以入滲點的形式進行。這實際上是由于礫石的存在增大入滲孔隙的彎曲度，從而延緩了入滲，增加了坡面匯流，使產流時間減小。而且當土壤中礫石含量越大，坡面暴露的礫石也就越多，礫石的這種作用也就越明顯。

圖3 不同降雨強度下產流時間隨礫石含量的變化關系

2.3 不同土石比例棄土堆置體徑流率分析

徑流是坡面侵蝕產生的主要營動力又是土壤輸沙的載體；徑流率是指單位時間的徑流量，主要受下墊面狀況和降雨強度的影響。圖4為不同土石比例棄土堆置體徑流率隨降雨時間的變化關系。圖4表明：同一土石比條件下，徑流速率隨著降雨強度的增大而增大；相同降雨強度下，徑流率隨著土石比例的減小而減小。在不同的降雨強度條件下，不同土石比例堆置體的徑流率在產流后5～8min內，徑流率緩慢增大，之后隨著時間的推移在一定范圍內上下波動。主要是因為降雨開始后，雨水滴到坡面初期，水分全部滲入土壤，坡面不產流；隨著時間的推移，表層土壤入滲效率明顯降低，當降雨強度大于坡面表層土壤入滲速率時，形成超滲徑流，徑流率逐漸增大；坡面產流5～8min后，表層土壤水分達到飽和，徑流率基本穩定，并在一定范圍內呈上下波動。徑流率隨礫石含量的增加而減小，主要因為礫石含量增加，其入滲速率增大，累計入滲量也增大，所以徑流率減小。

2.4 不同土石比例棄土堆置體侵蝕速率分析

研究侵蝕輸沙能力大小的有許多表征方式，其中侵蝕速率能夠較為直觀地體現降雨過程中各時段侵蝕的劇烈程度。侵蝕速率是指單位時間內產生的泥沙量，主要受降雨強度、土石比例等影響。圖5為不同土石比例棄土堆置體侵蝕速率隨降雨時間的變化關系。圖5表明：同一土石比例條件下，侵蝕速率隨著降雨強度的增大而增大；相同降雨強度條件下，侵蝕速率隨著土石比例的減小而減小。侵蝕速率隨礫石含量的增大會減小主要是因為礫石含量的增多，導致土石混合體的抗侵蝕能力增大。總體上看，不同土石比例棄土堆置體侵蝕速率隨著降雨時間的持續而表現出兩種變化趨勢：在1.0，1.5mm／min降雨強度下，侵蝕速率隨降雨時間呈平緩的變化趨勢；在2.0，2.5mm／min降雨強度下侵蝕速率隨降雨時間在一定范圍內呈波動變化。因為雨強較小時，坡面徑流量小，挾帶泥沙的能力弱，小于土石混合體的抗侵蝕能力，因而侵蝕速率小，此時，降雨強度和入滲速率基本達到動態平衡，坡面徑流率相對穩定，所以侵蝕速率隨降雨時間的變化不明顯；當降雨強度較大時，坡面徑流量大，挾帶泥沙的能力強，且大于土石混合體的抗蝕能力，因而侵蝕速率較大，隨著礫石含量的增加，這種抗侵蝕能力進一步增大，所以，隨著礫石含量的增加侵蝕速率減小。

圖4 不同降雨強度下徑流率隨降雨時間的變化關系

圖5 不同降雨強度下侵蝕速率隨降雨時間的變化關系

2.5 不同土石比例棄土堆置體徑流產沙關系分析

產流量與產沙量之間的變化關系是描述一個特定下墊面水土流失的重要指標。圖6為不同土石比例棄土堆置體總徑流量和總產沙量隨礫石含量的變化關系。不同土石比例棄土堆置體總徑流量和總產沙量隨礫石含量的增大而減小。在降雨強度≤1.5 mm／min時，不同土石比例棄土堆置體總徑流量和總產沙量差異不大；在降雨強度≥2.0mm／min時，不同土石比例棄土堆置體的總徑流量和總產沙量呈現出一定的差異性，并且隨著雨強的增大，這種差異性越顯著。主要原因是當降雨強度≤1.5mm／min時，由于堆置體平臺頂部的容重較大，而雨滴的濺蝕和沖刷能力相對較小，對不同土石比例堆置體的沖刷效果不是很明顯，所以，總徑流量和總產沙量之間的差異不大；當降雨強度≥2.0mm／min時，雨滴的濺蝕和沖刷能力較大，坡面流在搬運泥沙的過程中，礫石對徑流有一定的阻滯作用，礫石含量越多，雨滴搬運泥沙的能量就越小，不同土石比例的總徑流和泥沙量的差異性就會越大。

圖6 總徑流量和總產沙量隨礫石含量的變化關系

3 結論

本研究在模擬降雨條件下，選擇坡頂平臺有車輛碾壓的棄土堆置類型的4種不同土石比例棄土堆置體為研究對象，分析了在4種雨強條件下的產流產沙過程特征，結果表明：

（1）棄土堆置體隨著礫石含量的增加，大孔隙數量的增加所產生的促進作用大于過水斷面減小所產生的阻礙作用，平均入滲速率隨含石量的增加而增加，隨著礫石含量的繼續增加，大孔隙的數量繼續增加所產生的促進作用漸漸小于過水斷面減小產生的阻礙作用，平均入滲速率隨礫石含量的增加而基本持平。

（2）棄土堆置體的開始產流時間隨礫石含量的增大而縮短；相同土石比例條件下，徑流率隨著降雨強度的增大而增大；相同降雨條件下，徑流率隨著土石比例的減小而減小；徑流率隨著降雨時間的推移在一定范圍內呈波動式變化，侵蝕速率隨時間推移呈穩定、波動兩種變化趨勢。

（3）棄土堆置體的平均徑流率、平均侵蝕速率隨礫石含量的增大而增大；總產沙量隨著總徑流量的增大而增大。

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