棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬研究

張維靜，王　健，于衛(wèi)潔，李建業(yè)

(西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100)

棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬研究

張維靜，王健，于衛(wèi)潔，李建業(yè)

(西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100)

[關(guān)鍵詞]模擬降雨；棄土棄渣；石塊出露量；石塊比例；侵蝕強度

[摘要]棄土棄渣水土流失量預測是生產(chǎn)建設項目水土流失監(jiān)測的重要內(nèi)容。通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，模擬建設項目侵蝕強度與棄土棄渣在不同降雨條件下石塊出露面積和土壤粗化的關(guān)系，探討棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量預測方法。在不同雨強(0.7、1.0、1.5 mm/min)和坡度(5°、15°、25°)組合的9種情況下，研究了降雨侵蝕過程，以及降雨前后單位面積石塊出露變化量、表層土石混合物中石塊所占比例、侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間的關(guān)系。結(jié)果表明：不同坡度、雨強條件下產(chǎn)流率隨降雨時間推移均呈先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢，兩者之間的關(guān)系可用冪函數(shù)方程描述；不同坡度、雨強條件下含沙量均在產(chǎn)流后4 min和10 min左右出現(xiàn)峰值，16 min后基本平穩(wěn)；降雨侵蝕導致土壤中細小顆粒被剝蝕，石塊逐漸出露，侵蝕強度與單位面積石塊出露變化量之間呈線性正相關(guān)關(guān)系；侵蝕強度與降雨前表層土石混合物中石塊所占比例之間呈指數(shù)負相關(guān)關(guān)系；侵蝕導致分選作用，使得表層土壤粗化，不同雨強、坡度下侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。

生產(chǎn)建設活動對原地面造成破壞擾動會產(chǎn)生大量棄土棄渣，進而造成水土流失。生產(chǎn)建設項目造成的水土流失是以人類生產(chǎn)建設活動為主要外營力形成的特殊的水土流失類型，是一種典型的人為加速侵蝕，具有流失量大、集中、突發(fā)性強、危害大等特點。近年來，關(guān)于棄土棄渣水土流失規(guī)律的研究取得了不少成果[1-4]，主要是通過野外放水沖刷和人工模擬降雨試驗，分析不同雨強和坡度條件下棄土棄渣的侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律，也有學者對工程建設中土石混合堆積體侵蝕規(guī)律進行了研究，比如模擬不同雨強條件下不同礫石類型[5]、礫石含量[6-7]、礫石覆蓋[8-10]、堆積類型[11]的堆積體產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，而對生產(chǎn)建設項目棄土棄渣水土流失量進行快速有效監(jiān)測的研究成果卻不多。現(xiàn)有的經(jīng)驗模型RUSLE[12]和物理模型WEPP[13]、EUROSEM[14]等在預測預報土壤侵蝕時考慮了礫石的影響，但在棄土棄渣體的應用方面存在一定局限，探尋一種快速準確估算棄土棄渣水土流失量的方法成為當前水土流失預測監(jiān)測需要重點解決的問題之一。本試驗采用室內(nèi)人工模擬降雨方法，在研究坡面棄土棄渣產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律的基礎上，通過模擬生產(chǎn)建設項目中棄土棄渣在降雨過程中石塊出露變化估算水土流失量，進而構(gòu)建棄土棄渣水土流失預測模型，以方便有效地計算棄土棄渣坡面水土流失量。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗在西北農(nóng)林科技大學土壤侵蝕降雨大廳進行。采用鐵制2.00 m(長)× 1.00 m(寬)× 0.25 m(深)土槽，利用硬質(zhì)卵石(20～40 mm)拌合取自西北農(nóng)林科技大學試驗地的表層塿土，以模擬生產(chǎn)建設項目棄土棄渣。表層土石隨機混合，測定土槽坡面在不同雨強、不同坡度條件下的水土流失量。設計雨強為0.7、1.0、1.5 mm/min，降雨時間為自產(chǎn)流起歷時30 min。坡度參數(shù)為5°、15°、25°。雨強、坡度組合共9組降雨試驗。觀測項目有產(chǎn)沙量、徑流量、降雨前后單位面積石塊出露量、降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例。

1.2試驗設計與觀測

(1)產(chǎn)流過程觀測。從坡面產(chǎn)流開始，用量筒收集徑流，每隔3 min收集一次，每次收集1 min。利用比重瓶法測定濁水含沙量[15]，計算公式為

(1)

式中：C為濁水含沙量，kg/m3；γ水為純水的密度，g/cm3；γ沙為干泥沙密度，g/cm3；G瓶為比重瓶的自重(包括柱塞)，g；G水+瓶為比重瓶及比重瓶所盛純水的最大質(zhì)量，g；G濁+瓶為比重瓶及比重瓶所盛濁水的最大質(zhì)量，g。

(2)侵蝕作用下降雨前后單位面積石塊出露量觀測。降雨侵蝕后，土壤中細小顆粒隨水流移走，造成徑流小區(qū)坡面石塊不同程度的裸露。單位面積石塊出露量反映了土壤侵蝕的強弱，從而可以反映出棄土棄渣水土流失狀況。按照試驗條件設置，每場降雨前在試驗小區(qū)上隨機選取5個10 cm×10 cm的樣方，降雨前后拍照對比，并用ImageJ軟件計算降雨前后單位面積石塊出露量。根據(jù)比重瓶法測定徑流含沙量，確定坡面侵蝕強度，構(gòu)建侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量的關(guān)系模型。

(3)降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例觀測。侵蝕過程對坡面土壤形成強烈分選，表層土壤呈現(xiàn)明顯粗化。測定降雨前后小區(qū)表層土石混合物中石塊所占比例，并計算兩者的差值，從而可估算侵蝕強度。具體方法如下：降雨前后，在小區(qū)內(nèi)分別取表層5 cm深土壤樣品，烘干篩分稱量后獲得降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例，并計算兩者的差值。

2試驗結(jié)果及分析

2.1降雨過程分析

(1)產(chǎn)流率。坡面徑流是坡面侵蝕的主要動力，也是侵蝕泥沙輸移的重要載體。將不同雨強、坡度條件下產(chǎn)流率隨降雨時間變化的觀測數(shù)據(jù)繪成圖1，并對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，所得方程及檢驗結(jié)果見表1。隨降雨時間延長，坡面產(chǎn)流率總體表現(xiàn)為先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。不同坡度條件下，高雨強(1.5 mm/min)降雨的產(chǎn)流率隨降雨時間延長波動較明顯，其他兩個雨強(0.7、1.0 mm/min)降雨的產(chǎn)流率相對來說變化比較平緩；隨著坡度的增加，兩個低雨強(0.7、1.0 mm/min)降雨的產(chǎn)流率差異逐漸減小，尤其是在坡度25°時兩者產(chǎn)流4 min后產(chǎn)流率基本趨于一致。不同雨強、坡度條件下的產(chǎn)流率與降雨時間皆呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系(表1)。

坡面產(chǎn)流率隨降雨時間的變化實際上反映了降雨與入滲相互平衡的過程，降雨開始短時間內(nèi)土壤入滲能力>降雨強度，地表沒有徑流產(chǎn)生；隨著時間的推移，表層土壤含水量增大，土壤入滲能力<降雨強度，進而產(chǎn)生超滲徑流；隨著降雨時間延長產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定。因此，坡面徑流隨降雨時間延長的基本變化過程為先增加后逐漸穩(wěn)定。

(2)含沙量。徑流是泥沙輸移的載體，雨強、坡度通過影響徑流量的大小及流速的快慢，從而影響泥沙的運載能力，這在一定程度上反映了侵蝕規(guī)律。通過測定每場降雨試驗中徑流樣品的含沙量，將不同雨強、坡度條件下徑流含沙量隨降雨時間變化的觀測數(shù)據(jù)匯成圖2。從圖2可以看出，坡面含沙量隨降雨侵蝕過程呈現(xiàn)波動變化趨勢，不同雨強、坡度條件下含沙量均出現(xiàn)兩個峰值，分別出現(xiàn)在產(chǎn)流后4 min和10 min左右，而16 min后含沙量趨于平穩(wěn)狀態(tài)；坡度5°時不同雨強條件下降雨產(chǎn)流含沙量相差不明顯，且變化趨勢基本一致；15°時含沙量有輕微差異；25°時含沙量差異顯著，且隨著雨強的增加，含沙量曲線呈明顯分離狀態(tài)，雨強越大含沙量越大。試驗結(jié)果說明小坡度時不同雨強條件下含沙量相差不明顯，大坡度時不同雨強條件下含沙量差異顯著，且隨著雨強的增大含沙量增大。

圖1　不同雨強、坡度條件下產(chǎn)流率隨降雨時間變化過程

坡度(°)雨強(mm/min)擬合方程相關(guān)系數(shù)顯著水平50.7y=0.1373t0.19240.7280<0.011.0y=0.3231t0.18920.7119<0.011.5y=0.7416t0.09740.5469<0.01150.7y=0.1394t0.26870.8892<0.011.0y=0.1394t0.26870.8778<0.011.5y=0.6558t0.06750.8084<0.01250.7y=0.2701t0.07540.8711<0.011.0y=0.3864t0.07530.8161<0.011.5y=0.7148t0.09250.5996<0.01

注：y為產(chǎn)流率，mm/min；t為降雨時間，min。

圖2　不同雨強、坡度下坡面含沙量隨降雨時間變化過程

降雨開始后，雨滴降落到坡面，打擊土壤和礫石形成濺蝕，隨著降雨持續(xù)，土壤孔隙逐漸被水充滿，土壤入滲能力降低，表層土壤含水量繼續(xù)增加，土壤顆粒間吸附能力降低，土壤表現(xiàn)為泥漿狀態(tài)，徑流挾帶著被雨滴剝蝕的土壤顆粒，含沙量逐漸增加，達到第一個峰值；由于礫石的存在，一部分降雨用來浸濕礫石并將其包裹上水膜，使礫石跟周邊土壤成為入滲點，入滲量隨之增加，延緩了坡面徑流，徑流量逐漸減小，隨著降雨時間的延長，暴露在外面的礫石逐漸增多，由超滲產(chǎn)流形成的徑流流速增大，相對應的侵蝕率急劇增加，含沙量達到第二個峰值；隨著降雨過程的持續(xù)，入滲和產(chǎn)流逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，侵蝕趨于平穩(wěn)。

2.2侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量的關(guān)系

隨著降雨過程的持續(xù)，伴隨著土壤侵蝕的進行，坡面細小土壤顆粒在雨滴擊濺和薄層徑流剝蝕下被帶走，土壤中較大粒徑顆粒抗蝕能力較強，逐漸出露。石塊出露變化量的多少在一定程度上可以反映侵蝕強度的大小，據(jù)此設計探尋侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量間的關(guān)系。

將樣方降雨前后單位面積石塊出露變化量與相對應的侵蝕強度數(shù)據(jù)繪制成圖3。從圖3可以看出，隨著變化量的增大，相對應的侵蝕強度也逐漸增大。侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量動態(tài)變化的擬合方程為

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y=83.69x+0.16 (R2=0.877 9，

P<0.01，F(xiàn)=309.13>F(1，9)0.01=12.25)

(2)

式中：y為侵蝕強度，kg/m2；x為單位面積石塊出露變化量。

圖3　侵蝕強度與降雨前后單位面積

分析表明，不同雨強、坡度條件下侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量之間呈線性關(guān)系，隨著變化量的增加，侵蝕強度增大，石塊出露面積的變化量可以間接反映出水土流失量的多少。因此，在實際生產(chǎn)中可以通過拍攝棄土棄渣中大石塊在降雨過程中的裸露程度，根據(jù)侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量間的關(guān)系推算水土流失量，為生產(chǎn)建設項目水土流失監(jiān)測提供一定的幫助。

2.3降雨沖刷作用對侵蝕強度的影響

(1)表層石塊所占比例對侵蝕強度的影響。大量研究表明，土壤中礫石的存在會影響土壤的入滲和侵蝕特性[16-17]。侵蝕強度與表層石塊所占比例之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖4)，擬合方程為

F=262.42>F(1,9)0.01=12.25)

(3)

式中：y為侵蝕強度，kg/m2；x為表層石塊所占比例，%。

圖4　侵蝕強度與降雨前表層石塊所占比例的關(guān)系

分析表明，侵蝕強度與表層石塊所占比例之間呈負指數(shù)函數(shù)關(guān)系，石塊比例越大，侵蝕強度越小。這主要是因為表面覆蓋礫石可以保護土壤，減少雨滴對土壤的濺蝕，減少土壤顆粒的分散，減小土壤的侵蝕強度。試驗表明地表礫石覆蓋能夠減小坡面侵蝕，覆蓋度越大，侵蝕量減小的作用就越明顯。

(2)徑流分選作用對侵蝕強度的影響。在降雨過程中，較小粒徑的土壤顆粒抗蝕性差，易被徑流挾帶，而粒徑較大的土壤顆粒(石塊)抗蝕性強，不易被徑流挾帶，地表徑流對坡面土壤形成強烈分選，導致表層土壤明顯粗化，所以降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例能在一定程度上反映出土壤侵蝕的情況。繪制侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值的變化過程(圖5)，兩者的擬合方程為

y=0.589 9x+0.128 9 [R2=0.735 0，

(4)

式中：y為侵蝕強度，kg/m2；x為降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值。

圖5　侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中

分析結(jié)果表明，侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間呈線性函數(shù)關(guān)系，驗證了之前的假設，說明侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間存在正相關(guān)關(guān)系。由于土石混合體在試驗操作取樣時存在一定誤差，故相關(guān)性不是很高，但總體上隨著降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值增加，侵蝕強度呈增大的趨勢。

3結(jié)論

本次試驗中考慮降雨強度、坡度對侵蝕強度的影響，對棄土棄渣水土流失監(jiān)測方法進行假設驗證，主要研究成果如下：

(1)不同雨強、坡度條件下產(chǎn)流率總體表現(xiàn)為先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。不同坡度條件下高雨強降雨產(chǎn)流率波動較大，低雨強降雨產(chǎn)流率變化相對比較平穩(wěn)，隨著坡度增加低雨強產(chǎn)流率差異逐漸減小。不同坡度、雨強條件下產(chǎn)流率隨降雨時間的變化均呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系。不同坡度、雨強條件下含沙量均在4 min和10 min左右出現(xiàn)峰值，16 min后基本平穩(wěn)，低坡度不同雨強條件下含沙量相差不明顯，高坡度含沙量差異顯著，隨著雨強增大含沙量增加。

(2)侵蝕強度與降雨前后單位面積石塊出露變化量之間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著出露變化量增大，侵蝕強度增大。

(3)侵蝕強度與降雨前表層土石混合物中石塊所占比例之間呈指數(shù)負相關(guān)關(guān)系，石塊所占比例越大，侵蝕強度越小。降雨侵蝕作用導致土石混合物表層呈現(xiàn)明顯粗化，石塊所占比例增加，侵蝕強度與降雨前后表層土石混合物中石塊所占比例差值之間呈正相關(guān)關(guān)系。

本試驗采用室內(nèi)模擬的方法，探索土石混合體在降雨侵蝕作用下，侵蝕強度與石塊出露面積和土壤粗化的關(guān)系，探討棄土棄渣坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量預測方法。然而試驗中采用土壤與石塊混合物模擬棄土棄渣與工程實際存在一定差距，有待在后期試驗中不斷完善。

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(責任編輯李楊楊)

[基金項目]國家自然科學基金項目(41371273)；西北農(nóng)林科技大學科技創(chuàng)新項目(QN2011152)

[中圖分類號]S157.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0030-05

[作者簡介]張維靜(1989—)，女，陜西咸陽市人，碩士研究生，從事水土保持方向的研究工作；通信作者王健(1973—)，男，陜西商洛市人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事土壤侵蝕與流域管理方面的研究。

[收稿日期]2015-06-30