堆土容重與土壤侵蝕量關(guān)系及其在水土流失監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用設(shè)想

李鳳鳴，李純乾，李 娜，李 菲，丁宏宇

(遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽 122000)

堆土容重與土壤侵蝕量關(guān)系及其在水土流失監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用設(shè)想

李鳳鳴，李純乾，李 娜，李 菲，丁宏宇

(遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽 122000)

人工模擬降雨；堆土；容重；土壤侵蝕量；雨強(qiáng)

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中臨時(shí)或永久棄土場(chǎng)是水土流失產(chǎn)生較為集中的區(qū)域。根據(jù)棄渣場(chǎng)堆土邊坡水土流失發(fā)生機(jī)理，通過人工模擬降雨試驗(yàn)研究堆土容重變化與土壤侵蝕量的關(guān)系，進(jìn)而探討通過測(cè)定容重精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)土壤侵蝕量方法的可行性。SPSS相關(guān)性分析結(jié)果表明，容重和土壤侵蝕量呈極顯著負(fù)相關(guān)，隨著容重增大，土壤侵蝕量呈明顯減少趨勢(shì)，且這種相關(guān)性的存在并不受雨強(qiáng)和堆積體坡度這兩個(gè)因素影響。利用數(shù)據(jù)分析方法，建立了容重與土壤侵蝕量的關(guān)系模型。但是要利用這種方法監(jiān)測(cè)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕量還需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，這是今后研究的重點(diǎn)。

1 研究設(shè)想

土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)是開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。目前常用的一些侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)方法[2]，手段比較落后，工作效率低，而且野外工作量大、周期長(zhǎng)，不適應(yīng)水土保持監(jiān)測(cè)便捷化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì)。因此，有必要試驗(yàn)性地將一些用于科學(xué)研究的儀器設(shè)備、方法與思路，用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)，以尋求提高監(jiān)測(cè)精度和效率的有效途徑。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榕R時(shí)或永久棄土場(chǎng)。棄土堆放形成了以邊坡和平臺(tái)為主的重塑地貌，這些地段雖然布設(shè)有苫蓋和攔擋措施，但多數(shù)受限于工期、棄土場(chǎng)規(guī)模而未能及時(shí)跟進(jìn)，甚至是未能實(shí)施，從而形成措施真空期，造成特定時(shí)期的水土流失。以邊坡、平臺(tái)等重塑地貌形式存在的棄土堆積體，初期土體疏松、顆粒間膠結(jié)作用微弱，造成土體抗蝕能力下降，隨著堆積時(shí)間增加，受自身重力、降雨等外力影響，土體發(fā)生沉降變得緊實(shí)，顆粒間膠結(jié)作用增強(qiáng)，抗蝕力提升。具體表現(xiàn)為：一方面沉降作用導(dǎo)致土壤容重逐步加大(變得密實(shí))，進(jìn)而引起土壤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終影響了土體表面徑流及內(nèi)部徑流分配，入滲速率減小，地表徑流流速和流量加大，從而導(dǎo)致土壤表層的侵蝕動(dòng)力增加[3-5]；另一方面，隨著容重的增大，土壤凝聚作用逐步增強(qiáng)，土壤抗蝕力提升。也就是說，堆土在自重及外力作用下的沉降作用，引發(fā)的土體容重變化在水土流失上的本質(zhì)特征表現(xiàn)為侵蝕動(dòng)力與抗蝕力的相互制約、此消彼長(zhǎng)的影響過程，而這一過程可以通過容重這個(gè)指標(biāo)來具體反映。考慮到在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中土方容重的改變貫穿整個(gè)過程，若能通過模擬、試驗(yàn)等手段找出容重增減與土壤侵蝕量大小的變化關(guān)系，并以數(shù)學(xué)模型的形式表現(xiàn)出來，則每次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以僅通過對(duì)表層取樣測(cè)定其容重從而將土壤侵蝕量精準(zhǔn)量化，這樣不僅可以大大減輕外業(yè)工作量，提高土壤侵蝕量的計(jì)算精度，而且可以進(jìn)一步研究堆土沉降條件下的水文循環(huán)變化過程及其對(duì)土壤抗蝕性的影響，定量分析水土流失過程及其特征，為防護(hù)措施配置及應(yīng)用尋求新的切入點(diǎn)，為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)和預(yù)警奠定新的理論基礎(chǔ)。

2 可行性分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盛土鋼槽模擬開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)邊坡，通過人工模擬降雨試驗(yàn)，測(cè)定不同雨強(qiáng)條件下鋼槽中土壤容重變化規(guī)律，并分析土壤容重與土壤侵蝕量之間的關(guān)系。考慮到堆土作業(yè)結(jié)束后土方總體坡度在無大規(guī)模人為擾動(dòng)下僅存微弱變化[6]，甚至近似于不變，試驗(yàn)采用定坡度變雨強(qiáng)的設(shè)計(jì)，即保持鋼槽坡度不變(15°)，雨強(qiáng)設(shè)計(jì)為40、60、80、100 mm/h。試驗(yàn)是在遼寧省水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的人工模擬降雨大廳進(jìn)行的，主要供試材料包括試驗(yàn)場(chǎng)地周邊挖取的褐土和人工降雨水源等，主要試驗(yàn)設(shè)備包括人工降雨模擬器(QDJY)、移動(dòng)式液壓變坡鋼槽(規(guī)格2.0 m×1.0 m×0.5 m)3個(gè)、備用鋼槽(規(guī)格1.0 m×0.5 m×0.5 m)1個(gè)、徑流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水土流失監(jiān)測(cè)儀、TDR設(shè)備等，以及環(huán)刀、鋁盒、廣口瓶(30個(gè))、水桶(30個(gè))、量筒等小型試驗(yàn)器材，其中水桶用于收集每3 min時(shí)段的徑流量，廣口瓶用于盛裝濾液，均按試驗(yàn)順序編號(hào)。

取試驗(yàn)場(chǎng)地周邊土壤(褐土)，充分松散混勻后裝入3個(gè)鋼槽(裝土深度0.5 m)用于人工模擬降雨試驗(yàn)，備用鋼槽內(nèi)的土壤用于填補(bǔ)3個(gè)試驗(yàn)鋼槽的土壤損失。3個(gè)鋼槽中1個(gè)作為主試驗(yàn)槽，另2個(gè)作為對(duì)比試驗(yàn)槽，與主試驗(yàn)槽的土壤侵蝕量變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，以降低試驗(yàn)誤差。采用慢速澆水法充分濕潤(rùn)，待沉降、干燥，土壤質(zhì)量含水量降至12%時(shí)再進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)雨強(qiáng)降雨3次，每次降雨歷時(shí)30 min。每次試驗(yàn)后將土槽推至降雨大廳外晾曬3 d，目的是在保持鋼槽內(nèi)土壤原狀不遭到破壞的前提下降低土體的含水量，避免外力干擾，保證影響土壤沉降壓實(shí)的作用力為自身重力及降雨動(dòng)力。晾曬結(jié)束后，重新測(cè)定每個(gè)槽內(nèi)的土體容重，進(jìn)行第二次降雨試驗(yàn)。同理，第三次降雨試驗(yàn)前仍需進(jìn)行晾曬與容重測(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。①容重。降雨前，用環(huán)刀法在鋼槽上、中、下位置(與鋼槽上邊坡距離分別為0.05、1.00、1.95 m)取土樣，將土樣密封運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，分別測(cè)定土壤容重，取平均值。②土壤侵蝕量。人工模擬降雨結(jié)束(30 min)后，先測(cè)量每個(gè)水桶中水樣的體積，再攪拌均勻，取100 mL用濾紙過濾，烘干稱量后算出水樣中的泥沙質(zhì)量，即3 min土壤侵蝕量，則單次降雨的泥沙總量(土壤侵蝕量)計(jì)算公式為

式中：M為單次降雨泥沙總量(土壤侵蝕量)，g；mi為第i個(gè)水桶100 mL水樣中泥沙質(zhì)量，g；Vi為第i個(gè)水桶中水樣總體積，mL。

2.2 試驗(yàn)分析

圖1為試驗(yàn)條件下土壤侵蝕量與土壤容重的關(guān)系。由圖1知，次降雨過程中隨著容重的逐漸增加，鋼槽內(nèi)土壤侵蝕量呈明顯減少趨勢(shì)；隨著雨強(qiáng)增大(40～100 mm/h)，最大土壤侵蝕量由0.74 kg增加到1.35 kg，最小土壤侵蝕量由0.25 kg增加到0.51 kg，說明降雨強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕量增加。雨強(qiáng)的變化影響了次降雨造成的土壤侵蝕量，但并未影響土壤侵蝕量與容重之間的相互關(guān)系。根據(jù)基于SPSS分析獲得的土壤侵蝕量與土壤容重相關(guān)性分析結(jié)果，不同雨強(qiáng)條件下土壤侵蝕量與土壤容重的相關(guān)系數(shù)分別為-0.843、-0.898、-0.937、-0.968，顯著性水平均<0.01，說明土壤侵蝕量和土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，即隨著容重的增大，土壤侵蝕量呈明顯降低趨勢(shì)。

圖1 人工模擬降雨條件下土壤侵蝕量與容重的關(guān)系

土壤侵蝕量與土壤容重的擬合關(guān)系為y=a+bx，其中：x為容重；y為土壤侵蝕量；a、b為參數(shù)(b<1)，通過人工模擬降雨試驗(yàn)確定。經(jīng)分析，在降雨強(qiáng)度40、60、80、100 mm/h條件下，擬合優(yōu)度分別為0.71、0.81、0.88、0.94。但在實(shí)際水土保持監(jiān)測(cè)工作中，影響堆土水土流失的因子更加多元化，通常還包括土壤粒徑[7]、邊坡坡度等，因此表達(dá)式可近似為y=k粒徑(a+bx1+cx2+dx3)，其中：x1為容重，x2為坡度，x3為降雨強(qiáng)度，k粒徑為粒徑修正系數(shù)。通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)確定a、b、c、d的值，再通過徑流小區(qū)試驗(yàn)校核，最終得出因變量y與自變量x1、x2、x3之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。而在此表達(dá)式中，需要多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的只有容重，一次堆土過程坡度基本固定(自然狀態(tài)下，堆土的天然休止角相對(duì)比較穩(wěn)定)，降雨強(qiáng)度可通過氣象資料獲得，粒徑修正系數(shù)可查表獲得。因此，通過測(cè)定臨時(shí)或永久堆土的容重來監(jiān)測(cè)土壤侵蝕量從理論上來講是可行的，前提條件是需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與討論

(1)容重、土壤侵蝕量、雨強(qiáng)之間的關(guān)系。土方從堆積之初的松散狀態(tài)到自然的緊實(shí)定形要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過程，期間受降雨等外力及土體自重的作用，隨著堆積時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤顆粒被壓實(shí)，土壤抗侵蝕能力逐漸提高，歸根結(jié)底是土壤容重的變化導(dǎo)致土體對(duì)降雨的蓄滲能力發(fā)生改變。試驗(yàn)過程中，在發(fā)生水土流失的同時(shí)，也導(dǎo)致了土壤容重的改變，土壤侵蝕量與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。雨強(qiáng)的增減在這種聯(lián)系中起到了一定的作用，但不是決定性作用。

(2)容重臨界點(diǎn)假設(shè)與水土流失防治。大多數(shù)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目是以土方的開挖堆存為始、以回填平覆為終，期間產(chǎn)生的堆土體若得不到很好的防護(hù)甚至是基本的壓實(shí)處理，則會(huì)發(fā)生水土流失。土方堆置過程中土壤侵蝕量隨土體容重的不同變化比較明顯，隨著土方堆積時(shí)間的逐漸增長(zhǎng)，土壤侵蝕量與容重的關(guān)系會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界點(diǎn)(此時(shí)土壤侵蝕量最低)。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的堆土，在坡角自然休止、整體沉降的條件下，土體初始容重與容重臨界點(diǎn)差距較大。在無人為干預(yù)的條件下，土方堆積體從松散到接近容重臨界點(diǎn)需經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過程，而在這個(gè)過程中受降雨侵蝕力的影響，會(huì)伴隨著水土流失的發(fā)生。反之，若對(duì)土方的堆存實(shí)施前期干預(yù)，分層壓實(shí)土體，那么土體的起始容重將更接近容重臨界點(diǎn)，容重變化幅度減小，相應(yīng)的變化過程也就縮短，大規(guī)模水土流失發(fā)生的概率也將降低。這也能很好地解釋為什么壓實(shí)的泥土路面在坡度、雨強(qiáng)相同的條件下，土壤侵蝕量比擾動(dòng)過的地表和土方堆積體要低很多。

(3)粒徑修正系數(shù)。純土方粒徑比較均一(k粒徑=1)，但實(shí)際棄渣中純土方較少，往往摻雜著砂石，導(dǎo)致堆積體粒徑發(fā)生變化，因此需要引入粒徑修正系數(shù)。粒徑修正系數(shù)的確定是以純土方作為基準(zhǔn)試驗(yàn)材料，逐步摻混砂石，以改變供試體粒徑，然后根據(jù)土壤侵蝕量的變化，推算粒徑修正系數(shù)。通過多次粒徑調(diào)整，反復(fù)試驗(yàn)建立粒徑修正系數(shù)表格。野外工作時(shí)可根據(jù)單位體積土體的平均粒徑，查表獲得粒徑修正系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算土壤侵蝕量。

4 結(jié) 語

根據(jù)棄渣場(chǎng)堆土邊坡水土流失發(fā)生機(jī)理，通過人工模擬降雨試驗(yàn)研究堆土容重變化與土壤侵蝕量的關(guān)系，進(jìn)而探討通過測(cè)定容重精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)土壤侵蝕量方法的可行性。為了能更好地表述該方法中容重變化與土壤侵蝕量的關(guān)系，下一階段的試驗(yàn)將嘗試變換基質(zhì)，調(diào)節(jié)基質(zhì)的粒徑及試驗(yàn)坡度，建立包含土壤侵蝕量、容重、基質(zhì)粒徑、坡度等的表格查詢系統(tǒng)，以實(shí)測(cè)結(jié)合表格查詢的方式精準(zhǔn)量化棄土場(chǎng)土壤侵蝕量，使開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作更加簡(jiǎn)便化。

[1] 王繼增,鄧嵐,郭新波.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水保監(jiān)測(cè)中土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)方法探討——以“東深供水改造工程水土保持監(jiān)測(cè)”項(xiàng)目為例[J].水土保持研究,2006,13(1):21-23.

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2017)07-0052-03

李鳳鳴(1981—)，男，遼寧阜新市人，助理研究員，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)、礦業(yè)跡地恢復(fù)等方面的研究工作。

2016-12-20