坡長對黃土區工程堆積體產流產沙影響的模擬試驗研究

李玉亭婷， 高照良,2， 李永紅， 齊星圓， 張 翔

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌712100； 3.萍鄉學院， 江西 萍鄉337000)

工程堆積體是由生產建設項目產生的棄土棄渣堆置而形成的具有特殊結構的人工“再塑”地貌單元，具有結構松散，抗沖性差、坡度較陡，植被缺乏等特性，是生產建設項目新增水土流失的最主要單元[1]。尤其是在短歷時強降雨條件下，極易發生水土流失危害，甚至導致滑坡泥石流等嚴重災害[2-3]。近20 a來，隨著社會經濟的快速發展和開發建設項目的不斷增多，產生了數量巨大的工程堆積體，造成了嚴重的水土流失隱患，引起了社會各界的廣泛關注[4]。已有學者對坡長與產流產沙之間的關系進行研究，主要結論有3種，第一種認為產流產沙隨坡長的增加而增大，第二種認為產流產沙隨坡長的增加先增加后減小，第三種認為產流產沙隨著坡長的增加不斷波動。其中蔡強國等人[5]發現徑流及侵蝕產沙量隨著坡長的增大而增大，且超過某一臨界坡長后累積侵蝕模數與降雨歷時非線性變化；郭新亞等人[6]研究認為坡面產流量隨坡長的增大先減小后增加再減小，產沙量隨坡長的增大線性增加；Kinnell等[7]研究表明含沙量與坡度及坡長均具有相關性，特別是坡度超過10°時坡長對含沙量的影響更加明顯；Agassi等[8]的研究結果顯示，10 m坡長比1.5 m坡長的坡面侵蝕量大5.4倍。但以上成果主要集中在坡耕地及緩坡地上，而對于具有特殊性質的地貌單元—工程堆積體來說只在近年來有較少成果出現，如：牛耀彬等人[9]通過標準徑流小區的沖刷試驗研究表明黃土工程堆積體的坡面產沙率隨著產流時間呈現上下波動的變化趨勢，且坡長增大，波動頻率變少，振幅變大；坡面徑流含沙量隨著坡長的增大而增大；形成細溝的寬深比隨著坡長的增大而增大。鄧利強等人[10]通過室內模擬降雨研究認為在坡度為25°不同坡長的工程堆積體坡面上徑流率隨放水時間呈先增大后平穩波動趨勢，且不同坡長下徑流率和土壤剝蝕率的波動程度不同，坡長越長，細溝數量越多，波動程度越大。張樂濤等人[11]通過野外放水試驗研究36°的工程堆積體邊坡發現不同坡段的堆積體邊坡水流的平均流速隨坡長增加呈S形曲線變化，平均阻力系數與坡長呈雙曲線函數關系。已有成果[12]表明，工程堆積體因其本身的特殊質地和地貌特征在侵蝕規律方面和緩坡地有著很大差別，而關于坡耕地、緩坡地的成果不能代表較陡工程堆積體的侵蝕規律，進而影響了工程堆積體水土流失的防治效果。坡長作為RUSLE模型中一個重要的影響因子，不但是決定坡面能量沿程變化，影響坡面產流產沙過程的重要地貌因素之一，而且決定著相應水土流失防控措施的配置。因此，本文通過野外模擬徑流沖刷試驗，旨在揭示工程堆積體徑流侵蝕過程中，坡面長度與工程堆積體產流產沙的關系，為生產實踐中工程堆積體水土流失合理防控提供重要的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年7—9月在中國科學院水利部水土保持研究所楊凌水土保持野外科學試驗站(107°59′36.12″E，34°19′24.84″N)，所在地北接黃土高原，南臨渭水，地勢北高南低，海拔在431～559 m之間，屬于暖溫帶大陸季風型半濕潤氣候，多年平均氣溫約13 ℃，多年平均降雨量610 mm且季節分布不均勻，多集中在7—9月份，多年平均蒸發量1 500 mm。地帶性土壤類型為褐土，土壤母質為中壤質馬蘭黃土[13-14]。

試驗小區為標準徑流小區(坡面投影長20 m，寬5 m)，覆土厚度0.5 m。試驗小區修建在工程開挖坡面上，覆土為工程棄土，均勻填充在試驗小區上，堆置前清除雜草及植物根系，坡面無植被覆蓋，土石比超過9∶1，粒徑多在1 mm以下。試驗用土砂礫、粉粒、黏粒的含量分別為4.19%，71.95%和23.86%。

1.2 實驗方法

相關學者[15-16]通過野外調查發現工程堆積體的坡度大多在30°左右，陜西省關中平原區棄渣場的坡度可達到35°，因此本實驗設計坡度為24°，28°，32°。設計坡寬為1 m。設計坡長分別為4，8，12，16，20 m。根據當地氣象數據和可能產生的最大徑流量，設計雨強定為1.5 mm/min，不同坡長對應的放水流量分別為6，12，18，24，30 L/min(徑流系數為0.5條件下匯水面積為2倍試驗小區面積時的上方來水)。試驗時長為開始放水到產流開始后30 min，每場試驗重復2次。開始試驗前，為保證每次試驗的下墊面條件基本一致，需將坡面整平，壓實，并在試驗前24 h對坡面土壤均勻撒水，直至坡面即將產流，用塑料薄膜覆蓋備用。為準確控制沖刷流量，試驗前多次進行體積法率定，允許誤差范圍±5%。試驗時采用恒壓供水以確保溢流槽出流穩定，待小區出流槽產流后記錄產流時間，之后重新開始計時。開始產流后的前3 min每隔1 min用1 000 ml泥樣瓶接1次徑流泥沙樣，3 min以后每隔3 min接1次徑流泥沙樣，記錄接樣時間，將泥樣瓶收集帶回實驗室稱重，烘干處理后計算各時段產流率、產沙率、累積產流量、累積產流量。

實驗數據使用Excel和SPSS 19.0進行分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 坡長對產流過程的影響

2.1.1 產流率隨產流時間的動態變化 產流率指單位時間內產生的徑流量。由各時段的產流時間與產流率關系圖可以看出(圖1)，本試驗條件下，產流初期產流率隨產流時間呈現緩慢增加趨勢，而后從某一時刻開始，隨產流時間產流率波動且沒有明顯的增大。24°，28°，32°坡面的產流率均隨坡長的增加呈現持續波動。32°，28°，24°坡面產流率出現波動分別出現在產流后6，9，12 min。產流初期產流率緩慢增加可能是因為產流之前坡面入滲性能良好，當產流開始后坡面入滲逐漸減小，根據水量平衡原理，此階段的坡面徑流量逐漸增大，則產流率呈增加趨勢，直到入滲穩定，坡面徑流在某個范圍內穩定波動。

圖1 3種坡度條件下不同坡長的產流過程

隨著產流時間的持續，坡面開始產生小跌坎并在水流沖刷作用下不斷發生溯源侵蝕，使得跌坎逐漸貫通為細溝，產流后期，坡面細溝開始發生垂直于水流方向的侵蝕，細溝溝壁失穩、坍塌，水流與坡面土壤產生新的接觸面，水分入滲短時間內增大，坡面徑流量又一次減小，產流率減小，直到入滲再一次趨于穩定，產流率再次增大。如果溝壁發生坍塌的時間大于土壤入滲趨于穩定的時間，產流率也會增加。相同坡長不同坡度的坡面水流對坡面的垂直侵蝕力不同，導致細溝溝壁發生坍塌的時間也不同，32°坡面較28°和24°坍塌的更早，影響了產流率開始持續波動的時間。而自然黃土坡面的產流率大多隨沖刷時間的增加不斷增大，且坡長越長產流率的增幅越大。這可能是由于自然黃土坡面較工程堆積體的土質密實且具有良好的團粒結構，因此水流的面蝕時間較工程堆積體更長，水流入滲達到穩定的時間也更快，并且根據實際調查發現工程堆積體大多產生平行的獨立細溝，而自然黃土坡面的溝網復雜，且坡長越長溝網越發達，水流流路更廣，產流增幅自然更大[17]。

2.1.2 坡長對累積產流量的影響 累積產流量用來反映在相同放水條件下，不同坡長和坡度的坡面產生的總徑流量的大小。由不同坡度條件下累積產流量隨坡長變化的曲線(圖2)可以看出，累積產流量隨坡長的增加呈現波動增加趨勢，且累積產流量與坡長之間具有冪函數關系，受坡度的影響不明顯。這是因為坡長越長，面積越大，累積徑流量自然就越大。但累積產流量與坡長之間的這種關系與放水流量的大小有關，不同放水流量下兩者間的具體關系存在差異，還有待相關學者進一步研究。

圖2 不同坡度下坡長與累積產流量的關系

2.2 坡長對產沙過程的影響

2.2.1 產沙率隨產流時間的動態變化 產沙率是單位時間內產生的泥沙質量。由圖3可知，產沙率隨放水時間呈持續波動趨勢，且放水后期的波動大于放水前期，波動幅度表現為：32°>28°>24°。產沙率隨坡長持續波動。由于放水初期水流主要攜帶的是土體表面的松散碎屑物質，侵蝕方式為面蝕，產沙率增加較平穩，當土體表面的松散顆粒被全部沖走后，水流開始沖刷相對密實的土體，侵蝕方式從面蝕轉為溝蝕。隨著坡面細溝的形成，為泥沙的輸移提供了通道，徑流侵蝕搬運泥沙增大，伴隨著細溝溝壁失穩、坍塌和溝岸擴張，侵蝕泥沙出現周期性增大和減小，在產流后期，細溝形態基本穩定，侵蝕泥沙趨于減小，從而導致產沙率整體呈現波動變化。坡度影響溝壁發生失穩坍塌的時間，坡度越大，水流受重力作用產生的侵蝕力越強，因此波動幅度越大。

圖3 3種坡度條件下不同坡長的產沙過程

當坡度為24°，坡長為4 m時，產沙率始終接近零。原因可能是該條件下水流動能與水流所受的重力勢能相互消長，因此沒有多余的能量用于搬運泥沙。自然黃土坡面的產沙率隨沖刷歷時的增加先增加后減小，且大坡長坡面的產沙率變化幅度小于小坡長坡面。原因可能是工程堆積體土質普遍比較疏松，可被沖刷的松散顆粒比較多；且工程堆積體往往缺少植被覆蓋，缺少植物根系對土壤的固定作用[18]，因此侵蝕更容易發生。

2.2.2 坡長對累積產沙量的影響 累積產沙量是用來反映在相同放水條件下，不同坡長坡度的坡面產生徑流時水流中總泥沙量的大小。由圖4可以看出，累積產沙量隨坡長的增加總體呈增加趨勢，且坡度越大，增加速率越大。從圖4中可以看出，當坡長小于8 m時，大坡度坡面的累積產沙量變化速率與小坡度相差不大，當坡長超過8 m時，累積產沙量開始隨坡度發生變化，當坡長大于16 m左右時，累積產沙量關系為：32°>28°>24°。表明當坡長大于16 m時，水流中泥沙的總動能遠大于泥沙所受的總重力勢能。此條件下的坡長和坡度與累積產沙量具有正效應。

圖4 不同坡度下坡長與累積產沙量的關系

2.3 坡長對產流和產沙關系的影響

通過分析24°,28°,32°這3個坡度下4,8,12,16,20 m坡長處的坡面在整個放水過程中產流率和產沙率的相關性得出表1。從表1可以看出，4 m和8 m坡長的產流率和產沙率都在置信度為0.01的相關性水平上顯著相關，即產流率和產沙率極強相關。坡長為12,16,20 m時，只有在坡度為32°的坡面上，產流率和產沙率在置信度為0.01的相關性水平上顯著相關，當坡度為28°和24°時產流率和產沙率表現為弱相關或不相關。當坡長較小時，坡面細溝分支少，水流流路較穩定，徑流攜帶的泥沙量隨產流時間的增加波動性小，而當坡長較大時，坡面細溝分支多，水流走向較不穩定，徑流量和產沙量的變化波動性更強。坡度影響著水流的入滲和重力勢能，短陡坡較長緩坡的產流率和產沙率間的相關性更強。因此，在大坡度坡面上控制水土流失應進行合理的削坡分級，使坡長處于4～8 m范圍內，此時坡面的產流產沙量可控性更強。

表1 不同坡長下產流率與產沙率的相關性分析

注：試驗樣本數n=12； *表示在置信度(雙側)為0.05時，相關性是顯著的； **表示在置信度(雙側)為0.01時，相關性是顯著的。

2.4 累積產流量與累積產沙量間的關系

分別擬合32°，28°，24°坡面累積產流量與累積產沙量隨坡長變化的關系(表2)。由表2可知，累積產流量與累積產沙量具有良好的線性函數關系。從方程中可以看出累積產沙量隨著累積產流量的增大而增大，坡度越大，累積產沙量隨累積產流量的增加幅度越大，且線性關系越強。

表2 累積產流量(x)與累積產沙量(y)的關系

3 結 論

(1) 黃土區工程堆集體產流率隨產流時間呈現先緩慢增加后持續波動趨勢，且出現持續波動的時間表現為：32°<28°<24°。24°，28°和32°坡面的產流率隨坡長的增加持續波動。

(2) 黃土區工程堆集體產沙率隨產流時間呈持續波動趨勢，產流后期波動大于產流前期，波動幅度表現為：32°>28°>24°。24°，28°和32°坡面的產沙率隨坡長的增加持續波動。

(3) 黃土區工程堆集體4和8 m坡長的坡面產流率和產沙率之間相關性顯著，12，16，20 m坡長的坡面只有在32°時相關性顯著，24°和28°時產流率和產沙率相關性不顯著。產流率和產沙率間的相關性表現為：短陡坡>長緩坡。

(4) 黃土區工程堆集體累積產流量和累積產沙量隨坡長的增加總體呈增加趨勢，且符合冪函數關系。在不同坡長及坡度的坡面上，累積產沙量和累積產流量之間具有良好的線性函數關系。