干熱河谷沖溝發育區不同層位土體抗沖性研究

鄭學用, 熊東紅, 張 素,4,

鮮紀紳5, 楊 丹1,2,3, 張寶軍1,2,3, 郭 敏1,2,3

(1.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 四川 成都610041;

2.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所, 四川 成都 610041; 3.中國科學院大學,

北京100049; 4.四川農業大學 農學院, 四川 成都611130; 5.四川省電力設計院 環保所, 四川 成都 610072)

干熱河谷沖溝發育區不同層位土體抗沖性研究

鄭學用1,2,3, 熊東紅1,2, 張 素1,2,4,

鮮紀紳5, 楊 丹1,2,3, 張寶軍1,2,3, 郭 敏1,2,3

(1.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 四川 成都610041;

2.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所, 四川 成都 610041; 3.中國科學院大學,

北京100049; 4.四川農業大學 農學院, 四川 成都611130; 5.四川省電力設計院 環保所, 四川 成都 610072)

摘要：[目的] 對干熱河谷沖溝發育區不同層位土體抗沖性進行比較研究，為沖溝侵蝕治理措施制定提供科學依據。 [方法] 通過原狀土槽沖刷法進行試驗研究。 [結果] (1) 各層土體抗沖性均隨沖刷時間呈冪函數增大(除第Ⅳ，Ⅴ層土體因裂隙的存在而在沖刷前期表現為抗沖性能隨沖刷時間呈線性增加外)； (2) 不同層位土體初始抗沖性差異顯著，依次為：Ⅰ層>Ⅱ層>Ⅵ層>Ⅲ層，Ⅳ層>Ⅴ層。[結論] 研究區各層位土體抗沖性在存在差異，總體上表現為隨土層深度的增加呈旋回式減小。

關鍵詞：土體抗沖性; 不同層位; 沖溝; 干熱河谷

沖溝侵蝕是金沙江干熱河谷突出的生態環境問題之一，強烈的沖溝侵蝕導致干熱河谷區土地嚴重退化，極大威脅著坡耕地的有效利用，近年來已逐漸成為環境相關學科的一個熱點研究領域[1-3]。沖溝發育受地形、氣候、土地利用方式、土壤和巖性等多方面的影響[4]。目前，針對沖溝發育影響因素的研究多集中于土地利用以及地形、降雨等方面[5-7]。針對沖溝發育區巖土性質的研究較少，已有的相關研究重點針對土體表層的一些理化性質，抗剪性、滲透性、崩解性等，但是針對不同層位土體抗侵蝕能力的研究鮮有報道。金沙江干熱河谷沖溝發育區土層深厚，層次復雜且各層性質差異大[8]，不同層位土體的抗侵蝕能力強弱是該地區沖溝發生、發育的地質條件基礎和關鍵影響因素。抗沖性是指土體抵抗徑流的機械破壞和推動下移的能力[9]，是土壤的基本性質之一。沖溝侵蝕主要是由股流沖刷沖溝溝壁和溝床所形成。因此，土體的抗沖性是最能體現土體抗侵蝕能力對沖溝發生、發育的影響的指標之一。研究沖溝發育區不同層位土體的抗沖性及其差異可為揭示沖溝發育過程及其機理奠定基礎，為沖溝侵蝕治理措施制定提供科學依據。

1研究區概況

研究區地處云南元謀干熱河谷，位于101°48′48″—101°49′54″E，25°50′30″—25°51′18″N，海拔1 067～1 138 m，屬南亞熱帶季風氣候，具有“炎熱干燥，降雨集中，干濕季分明”的特征。該區地層以河流相沉積為主，厚278.2 m，為元謀組的14～23層，由下向上依次為砂層、亞黏土層、黏土層組成，顆粒構成由粗向上變細的正向沉積旋回，地層具有明顯的層次性[10]。研究區內地形切割破碎，溝蝕崩塌嚴重，大部分坡面發育成縱橫交錯的沖溝。沖溝長度多在100～300 m之間，寬度為30～60 m，深度在5～20 m之間，最深的地方可超過80 m[11]。

2研究方法

2.1　樣地選取

本試驗于2014年4月在中國科學院成都山地災害與環境研究所云南省元謀干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站內進行。

選取該站沖溝發育區內一條典型沖溝的新近開挖溝壁為采樣剖面。該剖面高21.4 m，地層層次分明，具備干熱河谷沖溝發育區的典型地層特征。根據剖面自然層次特征可將該剖面分為6層(表1)，從上到下依次為燥紅土層、2個砂土層、2個變性土、砂土層。

表1　剖面基本分層特征

2.2　試驗步驟和方法

土體抗沖性的測定選用蔣定生設計的原狀土沖刷測定法[12]。用規格為20 cm×10 cm×10 cm的條形環刀取樣器在選定溝壁剖面各土層采集原狀土，置于沖刷槽中進行沖刷試驗。

根據干熱河谷近年降雨強度情況，本次試驗設計放水流量為2 L/min；坡度采用10°，沖刷時間為30 min。

試驗開始后0～4 min每1 min收集200 ml泥沙樣，6～10 min每2 min收集200 ml泥沙樣，15～30 min每5 min收集200 ml泥沙樣。沖刷完成后，把所取泥沙樣在105 ℃下烘干至恒重，稱重。

采用沖刷模數(單位體積水量所沖刷掉的土體質量，g/L)對土體的抗沖性能進行描述[13]。沖刷模數越大，其抗沖性能就越弱，反之，沖刷模數越小，其抗沖性能就越強。土體沖刷模數可通過下式計算：

M(t)=4W(t)

(1)

式中：M(t)——t時刻的沖刷模數(g/L)；W(t)——t時刻收集的泥沙樣干重(200 ml泥沙的干土重，g)。

(2)

式中：W——沖刷時段(30 min)內的總產沙量(g)；n——t時刻收集泥沙的時間間隔(min)。

沖刷時段(30 min)內的平均沖刷模數 (g/L),即為：

M=W/Q

(3)

式中：Q=2 L/min×30 min=60 L，為沖刷總用水量(L)。

運用吸管法測定土體機械組成，重鉻酸鉀容量法測定土體有機質，采用環刀法測土體容重。采用Excel軟件進行數據處理，運用Origin 8.0進行函數擬合分析。

3結果與分析

3.1　不同層位土體基本理化性質

顆粒組成是影響土體抗沖性最主要的因素之一，試驗區為河流相沉積，其土體顆粒組成以粒徑<2 mm的砂粒和細顆粒為主，且其細顆粒含量表現為從下向上逐漸減少的正向旋回，其中Ⅱ，Ⅲ，Ⅵ層砂粒含量均達80%以上，而Ⅳ，Ⅴ層細顆粒含量分別高達92.90%和85.93%，土體具有極強的膨脹收縮性。研究剖面為一新近開挖剖面，土體風化程度不高，土體固結程度較好，最高干容重可達2.12 g/cm3(第Ⅴ層土體)。

土體的固結程度直接影響其抵抗徑流沖刷的能力。此外，整個剖面完全沒有植被覆蓋，土體有機質含量極低，最高不超過0.34 g/kg(第Ⅰ層)，其對土體抗沖性的影響可以忽略不計。

表2　不同層位土體基本理化性質

3.2　不同層位土體的抗沖性比較

3.2.1各層位土體抗沖性能隨沖刷時間的變化由圖1—3可知，各層土體抗沖性變化過程主要分為兩種模式。A模式：土體沖刷模數隨沖刷時間的增加呈冪函數(p<0.01)減小(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅵ層)；B模式：土體沖刷模數隨沖刷時間的增加先呈線性增大(p<0.05)然后呈冪函數(p<0.01)遞減(Ⅳ，Ⅴ層)。如A模式下的第Ⅰ層土體在剛開始沖刷時產沙量較大(40 g/L)，但在5 min之內迅速降低到1.0 g/L左右，之后沖刷模數緩慢下降，并穩定于0.4 g/L左右。B模式下的第Ⅳ層土體在剛開始沖刷時產沙量較小(1.4 g/L)，且沖刷模數隨時間逐漸增大，到4分鐘時達到最大值(8.0 g/L)，隨后開始呈冪函數下降并穩定于1.0 g/L左右。

圖1　第Ⅰ，Ⅱ層土體抗沖性過程曲線

沖刷過程中試驗土體含水率的急劇提高以及在干熱河谷極端的水熱條件下，沖溝發育區表層土體結構破碎，且其破碎程度隨深度的增加逐漸減弱，是土體沖刷模數隨沖刷時間的增加呈冪函數遞減(抗沖性能隨沖刷時間的增加呈冪函數遞增)的主要原因。此外，土體遇水的崩解作用以及表層浮土的存在也是導致沖刷初期沖刷模數較大的重要因素。

圖2　第Ⅲ，Ⅵ層土體抗沖性過程曲線

圖3　第Ⅳ，Ⅴ層土體抗沖性過程曲線

試驗過程中發現，Ⅳ，Ⅴ層土體試驗土樣內部存在大規模裂隙(圖3)，沖刷前期的產沙大部分陷在裂隙內，極少泥沙隨水沖出。隨泥沙在裂隙中的累積作用和含水率增加而導致的裂隙自身的閉合作用，實際產沙量隨沖刷時間的增加呈現一種線性增加的趨勢，但這并不能表示試驗土體抗沖性能的減小，而是一種裂隙對產沙的攔截作用。當裂隙達到飽和后，沖刷模數再次表現出隨沖刷時間的增加呈冪函數遞減的趨勢，其抗沖性能則隨時間遞增而增強。

3.2.2不同層位土體初始抗沖性能的差異分析由圖1—3可知，在30 min沖刷時間內，燥紅土(Ⅰ層)和砂土(Ⅱ，Ⅲ，Ⅵ層)前4 min內的產沙量即占總產沙量的70%～80%，變性土層(Ⅳ，Ⅴ層)前4 min的產沙量亦達總產沙量的15%～30%。在沖溝發育區，土體初始沖刷模數對于評價次降雨下土體的抗侵蝕能力有重要意義。

為排除因取樣擾動造成的表層松散浮土的影響，以沖刷1 min時土體沖刷模數為不同層位土體初始抗沖性的比較指標。由表3計算可得，沖刷第1 min，即x=1時，各層位土體沖刷模數從上到下依次為：9.49，14.48，30.74，2.52，10.60和30.42 g/L。由于土體內裂隙的攔沙消能作用，Ⅳ，Ⅴ層土體抗沖性沖刷模數明顯偏小，且Ⅳ層土體沖刷模數小于Ⅴ層。其余4層土體沖刷模數由小到大依次為:Ⅰ層<Ⅱ層<Ⅵ層<Ⅲ層，其中Ⅲ層和Ⅵ層土體抗沖性指數差異并不顯著。

表3　不同層位土體抗沖過程曲線擬合方程

3.2.3土體抗沖性隨土層深度的變化土體抗沖性能的比較采用整個沖刷過程(30 min)的平均沖刷模數進行比較。由圖4可知，隨土層深度的增加，土體沖刷模數表現為逐漸增大的正向旋回(Ⅰ層>Ⅱ層>Ⅲ層，Ⅳ層>Ⅴ層>Ⅵ層)，土體抗沖性能則隨土層深度增加而旋回式減小(抗沖性隨土層層位深度的增加而減小到一定值后突然增大到接近初始值又重新繼續減小)。Ⅰ層土體土級配較好(Cu=176.5，Cc=0.95)，土體抗侵蝕性能最好(2.43 g/L)。Ⅲ，Ⅵ層土體顆粒組成基本相同，Ⅲ層土體容重略小于Ⅵ層土體，其沖刷模數亦表現為Ⅲ層土體略小于Ⅵ層。Ⅱ層土體砂粒含量與Ⅲ，Ⅵ層相近(均大于80%)，然而其容重遠大于Ⅲ，Ⅵ層，其沖刷模數亦遠小于Ⅲ，Ⅵ層土體。Ⅳ，Ⅴ層土體細顆粒含量極高(92.90%和85.93%)，容重亦極高(1.96，2.12 g/cm3)然而其沖刷模數卻相差極大，可能與其可溶性離子(K+，Na+等含量有關)。

圖4　不同層位土體抗沖性比較

4討 論

(1) 土體沖刷模數隨土層深度的增加旋回式增大的變化規律與研究區域顆粒構成由粗向上變細旋回沉積的地質條件相一致。沖溝發育區表層土體抗沖性強而下層土體抗沖性弱，這種土層結構有利于沖溝溝頭跌坎的形成以及沖溝溝床的下切。在徑流作用下，沖溝發育區下層土體易被優先侵蝕而形成帶有水涮窩的跌坎，為沖溝掏蝕—崩塌—再掏蝕—再崩塌的溯源侵蝕理論提供了依據。此外，跌坎的形成又可為沖溝在遭遇下一旋回中強抗侵蝕能力土層后的繼續下切提供充分的水動力條件。

(2) 裸露變性土經過自然水熱條件作用后，地表裂隙極其發育。裂隙的存在一方面使土體結構破碎，增大了地表裸露面積，使土體更容易被徑流分散、剝離；另一方面裂隙增大了地表粗糙度，降低了徑流動能，而且松散泥沙陷入裂隙中，阻礙了泥沙隨水遷移。裂隙的存在對變性土抗沖性的影響究竟如何，其作用機理等問題都值得進一步研究。

(3) 各層位土體抗沖性的規律性變化初步揭示了干熱河谷沖溝溝頭水涮窩形成的地質條件，由于本試驗為室內模擬試驗，設備的設計具有一些難以彌補的缺陷：沖刷土槽設置為下陷的五面封閉土槽，隨沖刷試驗的進行，部分泥沙會被土槽壁阻擋而堆積于土樣下側。堆積物的產生一方面減小了土樣的沖刷面積，另一方面減緩了土樣的設置坡度。所以，本次抗沖試驗所得沖刷穩定值較實際情況偏小，但其總體趨勢并沒有改變，對本文不同層位土體間抗沖性大小的定性比較也沒有實質性影響。原位沖刷試驗能極好地對土體抗沖性進行定量研究，然而其試驗成本和試驗條件要求均較高，試驗過程亦極復雜，難以大規模推廣使用。為更好地定量研究土體的抗沖性能，更科學、更精密的模擬沖刷儀器亟待研發。

5結 論

(1) 各層土體抗沖性均隨沖刷時間呈冪函數增大，(除第Ⅳ，Ⅴ層土體因裂隙的存在而在沖刷前期表現為抗沖性能隨沖刷時間呈線性增加外)。

(2) 不同層位土體初始抗沖性能差異顯著，依次表現為：Ⅰ層>Ⅱ層>Ⅵ層>Ⅲ層，Ⅳ層>Ⅴ層。其中，表層燥紅土抗沖性能最強。

(3) 土體抗沖性隨土層深度的增加呈旋回式減小，具體表現為：Ⅰ層>Ⅱ層>Ⅲ層，Ⅳ層>Ⅴ層>Ⅵ層。

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Soil Anti-scourability of Different Horizons in Gully Developed Area of Dry-hot Valley Region

ZHENG Xueyong1,2,3, XIONG Donghong1,2, ZHANG Su1,2,4,

XIAN Jishen5, YANG Dan1,2,3, ZHANG Baojun1,2,3, GUO Min1,2,3

(1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandEarthSurfaceProcesses,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China; 3.GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.AgronomyCollegeofSichuanAgriculturalUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China; 5.InstituteofEnvironmentalProtection,SichuanElectricPowerDesignInstitute,Chengdu,Sichuan610072,China)

Abstract：[Objective] The anti-scourabilities of soils from different horizons in gully developed area of dry-hot valley region were compared in order to provide a scientific basis for gully erosion control. [Methods] Undisturbed soil sampled from six different horizons were eroded with scour trough in laboratory. [Results] (1) Except layers of Ⅳ and Ⅴ, the soil anti-scourability of other horizons increased in a power function with the scouring time. Resulted from the existence of fissure, the two layers exhibited a linear function at the scouring earlier stage. (2) There were significant differences in soil anti-scourability among each horizon with ranks as: layer Ⅰ>layer Ⅱ>layer Ⅵ>layer Ⅲ， layer Ⅳ>layerⅤ. [Conclusion] Soil anti-scourability decreased with the depth of each horizon in a gyratory way with ranks of layer Ⅰ>layer Ⅱ>layer Ⅲ， and layer Ⅳ>layer Ⅴ>layer Ⅵ.

Keywords:soil anti-scourability; different horizons; gully; dry-hot valley region

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0101-05

中圖分類號：S157.1

通信作者：熊東紅(1974—),男(漢族),江西省奉新縣人,博士,研究員,主要從事沖溝侵蝕與水土保持、土壤物理、生態恢復等方面研究。E-mail:dhxiong@ms.imde.ac.cn。

收稿日期：2014-10-11修回日期：2014-11-21

資助項目：國家重點基礎科學(973)研究發展計劃項目“橫斷山地水土作用失衡機制與災害風險評價”(2015CB452704); 中國科學院“西部之光”重點項目(Y4R2060060); 中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所“青年百人團隊”項目(SDSQB-2011-01); 四川省應用基礎研究計劃項目(2014JY0067)

第一作者：鄭學用(1988—),男(漢族),四川省簡陽市人,碩士研究生,研究方向為沖溝侵蝕和水土保持、土力學等。E-mail:372287873@qq.com。