模擬降雨條件下不同顆粒級(jí)配工程棄土的侵蝕實(shí)驗(yàn)

崔斌，蘇芳莉，郭成久

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，110866，沈陽(yáng))

開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失造成的水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，是一種典型的現(xiàn)代人為加速侵蝕，具有突發(fā)性較強(qiáng)、形式和流失強(qiáng)度多樣、危害大的特點(diǎn)［1］。水利部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院聯(lián)合組織完成的“中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察”結(jié)果顯示，“十五”期間，全國(guó)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)地表面積5.5 萬(wàn)km2，造成了大量的水土流失。擾動(dòng)后的土壤經(jīng)雨澆、風(fēng)干日曬等干濕交替作用，會(huì)改變?cè)瓉?lái)土壤的理化性狀，特別是土壤的顆粒組成，因此，研究不同顆粒級(jí)配土壤的侵蝕規(guī)律顯得尤為重要。筆者通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究在不同降雨強(qiáng)度作用下，不同顆粒級(jí)配棄土的侵蝕規(guī)律及主要影響因素，以期為即將進(jìn)行的沈陽(yáng)市東部等一系列開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)與防治提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)置在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院水工大廳。試驗(yàn)小區(qū)采用鐵槽代替，坡度設(shè)定為25°，規(guī)格為0.6 m×0.3 m×0.1 m，鐵槽底部打有小孔，以模擬自然條件下的土壤滲流，鐵槽下端預(yù)留出水口，用來(lái)接樣。試驗(yàn)用土取自沈陽(yáng)市天柱山附近的工程棄土(大部分土壤顆粒＜5 mm)，除去所取土樣中的雜草、根系、較大的土塊和石頭等雜質(zhì)。為更好地模擬天然條件下次降雨對(duì)徑流量和產(chǎn)沙量的影響，且便于獲得更多的土壤顆粒，進(jìn)行試驗(yàn)前先把除去雜質(zhì)的土潤(rùn)濕，待自然晾曬風(fēng)干后置于一套標(biāo)準(zhǔn)篩(篩孔尺寸分別為0.15、0.30、0.60、1.18、2.36 和4.75 mm)過(guò)篩，得到7 種不同粒徑范圍的土樣。將這7種粒徑的土樣按照5 種不同比例(表1)均勻混合后，采用分層回填土樣法進(jìn)行填土，每5 cm 為一層，填裝2 層土樣，在填裝上層土料之前，抓毛下層土壤表面，以達(dá)到混合均勻并防止分層現(xiàn)象。

表1 5 組土樣不同粒徑顆粒組成比例Tab.1 Different particle size composition of five soil samples

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)5 組不同顆粒級(jí)配土樣進(jìn)行降雨試驗(yàn)，降雨前對(duì)供試土樣進(jìn)行少量噴水，以使土壤含水率在7.5%～8.7%(模擬原棄土含水率)之間，降雨強(qiáng)度采用1.0、1.5 和2.0 mm/min 3 個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)前對(duì)設(shè)備進(jìn)行濾定，通過(guò)壓力表讀數(shù)來(lái)確定所需降雨強(qiáng)度。共設(shè)置15 組試驗(yàn)，每組設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)試驗(yàn)45 次。采用下噴式降雨設(shè)備，主要原件包括水泵、輸水管、壓力表、開(kāi)關(guān)和噴頭。下噴式噴頭距地面8 m，大部分雨滴均可達(dá)到終點(diǎn)速度且均勻降落，噴頭有效控制面積達(dá)到5 m×5 m，可滿足試驗(yàn)要求。每種土樣降雨歷時(shí)設(shè)為50 min，從產(chǎn)流開(kāi)始計(jì)時(shí)，之后每間隔5 min 用塑料桶接1 次徑流樣，整個(gè)降雨過(guò)程共接徑流樣10 次。

1.3 徑流量、產(chǎn)沙量的計(jì)算方法

降雨結(jié)束后，用大量筒分別測(cè)得10 個(gè)桶內(nèi)的渾水量，所測(cè)得的體積為5 min 內(nèi)的徑流量、產(chǎn)沙量與降落到接樣塑料桶內(nèi)的雨水量之和，其中泥沙體積待泥沙沉淀后從量筒直接讀出。每5 min 的徑流量計(jì)算公式為

式中:V徑為每5 min 的徑流量，mL;V總為測(cè)得的每5 min 內(nèi)的渾水總量，mL;V泥沙為測(cè)得的每5 min 內(nèi)的泥沙體積，mL;I 為降雨強(qiáng)度，mm/min;A 為接樣塑料桶上口口徑面積，cm2，A 取3 017 cm2。

測(cè)完徑流量后，將水樣靜置沉淀1 d 后，將上層清水倒掉，把所剩泥沙轉(zhuǎn)移到鋁盒中，置于105 ℃烘箱中烘干8 h 至恒質(zhì)量，測(cè)得干土質(zhì)量即為產(chǎn)沙量。

1.4 細(xì)度模數(shù)的計(jì)算方法

細(xì)度模數(shù)的計(jì)算公式為

式中:μf為細(xì)度模數(shù);A1、A2、A3、A4、A5和A6為累計(jì)篩余比例，%。

細(xì)度模數(shù)常用篩分法進(jìn)行測(cè)定，篩分法是用一套孔徑為4.75、2.36、1.18、0.60、0.30 及0.15 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，將相同質(zhì)量的待測(cè)土樣由粗到細(xì)依次過(guò)篩，然后稱得余留在各個(gè)篩上的土樣質(zhì)量，并計(jì)算出各篩上的分計(jì)篩余比例a1、a2、a3、a4、a5和a6(各篩上篩余量占土樣總量的比例)及累計(jì)篩余比例A1、A2、A3、A4、A5和A6(各個(gè)篩和比該篩粗的所有分計(jì)篩余比例相加)。累計(jì)篩余與分計(jì)篩余的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 累計(jì)篩余與分計(jì)篩余的關(guān)系Tab.2 Relationship between cumulative and separately remaining amount in sieves

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒級(jí)配對(duì)徑流量的影響

不同降雨強(qiáng)度條件下徑流量隨降雨時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。可以看出，不同顆粒級(jí)配的土樣在相同降雨強(qiáng)度條件下，徑流量的變化規(guī)律基本一致，即在15 ～20 min 之前，5 種顆粒級(jí)配棄土每5 min 內(nèi)的徑流量有所增加，之后趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值差異并不明顯，以1.5 mm/min 降雨強(qiáng)度(圖1(a))條件下5 種土樣的徑流量為例，依次為1 040、1 050、1 030、1 030和1 020 mL。分析認(rèn)為，試驗(yàn)用土壤顆粒大部分在5 mm 以下，土壤顆粒間填充比較密實(shí)，雨水下滲均勻，且由于實(shí)驗(yàn)小區(qū)較小，土壤顆粒間孔隙迅速被雨水所填充，此時(shí)下滲率幾乎為零，而在持續(xù)降雨條件下，當(dāng)坡面上降雨強(qiáng)度大于入滲率時(shí)，徑流便開(kāi)始產(chǎn)生;因此，這一時(shí)刻便是徑流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間。從圖中還可以看出，在同一降雨強(qiáng)度條件下，5 種顆粒級(jí)配土樣徑流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間基本相同，僅在不同降雨強(qiáng)度條件下有所不同。

圖1 不同降雨強(qiáng)度條件下徑流量隨降雨時(shí)間的變化Fig.1 Runoff over rainfall time change under different rainfall intensities

2.2 土壤顆粒級(jí)配對(duì)產(chǎn)沙量的影響

不同降雨強(qiáng)度條件下產(chǎn)沙量隨降雨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。可以看出:在3 種不同降雨強(qiáng)度條件下，土樣Ⅳ的產(chǎn)沙量均為最小，土樣Ⅰ最大，土樣Ⅱ次之，土樣Ⅲ和土樣Ⅴ居中;在同一降雨強(qiáng)度作用條件下，產(chǎn)沙量大小關(guān)系同樣如此。分析認(rèn)為，徑流是坡面土壤泥沙流失的動(dòng)力和載體，徑流在坡面?zhèn)鬟f過(guò)程實(shí)際上是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，徑流首先選擇性地?cái)y帶土壤細(xì)顆粒［2］。這說(shuō)明徑流對(duì)所攜帶的土壤顆粒具有選擇性。郭偉等［3］研究了紅壤團(tuán)聚體對(duì)坡面產(chǎn)沙的影響，認(rèn)為侵蝕泥沙平均粒徑隨團(tuán)聚體的增大而減少。這與國(guó)外的R.E.Burwell 等［4］、E.E.Alberts 等［5］、F.Gregory［6］等的研究結(jié)果一致。而不同顆粒級(jí)配粒土壤的粗細(xì)程度可以用細(xì)度模數(shù)［7］來(lái)衡量。經(jīng)計(jì)算得出5 種土樣的細(xì)度模數(shù)分別為1.42、2.22、2.90、3.44、3.39，而在任一降雨強(qiáng)度條件下，5 組土樣產(chǎn)沙量從大到小依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ。可見(jiàn)，細(xì)度模數(shù)的變化趨勢(shì)與不同顆粒級(jí)配土壤產(chǎn)沙量的變化趨式相反;因此，通過(guò)細(xì)度模數(shù)恰可以反映出不同顆粒級(jí)配土壤產(chǎn)沙量的大小關(guān)系，即產(chǎn)沙量隨著細(xì)度模數(shù)的增加而減少。這與郭偉等［3］研究團(tuán)聚體的結(jié)論不謀而合。此外，從圖2 中還可以看出，隨著降雨歷時(shí)的增加，相同間隔時(shí)間(5 min)內(nèi)產(chǎn)沙量逐漸減少，均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。原因是:在產(chǎn)流初期，坡面細(xì)小土壤顆粒比較多，且土壤顆粒間結(jié)合力小，黏滯力亦小，穩(wěn)定性就越差，越易被侵蝕;而隨著降雨歷時(shí)的增加，細(xì)小土壤顆粒越來(lái)越少，較大土壤顆粒需要更大起動(dòng)能量，越不易被侵蝕，因此，呈現(xiàn)出產(chǎn)沙量逐漸減少的趨勢(shì)。

圖2 不同降雨強(qiáng)度條件下產(chǎn)沙量隨降雨時(shí)間的變化Fig.2 Sediment over rainfall time change under different rainfall intensities

2.3 不同降雨強(qiáng)度對(duì)坡面徑流量、產(chǎn)沙量的影響

從圖1 可以看出，對(duì)于任一顆粒級(jí)配的土樣，徑流量均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，且差異比較明顯，1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下每5 min 的徑流量峰值分別為1 000、1 100 和1 300 mL，而每5 min 內(nèi)徑流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間大約分別為20、15 和15 min。分析認(rèn)為:地表徑流量的大小主要由坡面土壤入滲率和承雨量來(lái)決定。由于鐵槽較小，觀察發(fā)現(xiàn)鐵槽底部小孔滲流量遠(yuǎn)小于降雨量，鐵槽內(nèi)土壤孔隙很快被雨水填充，此時(shí)己屬于蓄滿產(chǎn)流，坡面產(chǎn)流后入滲率接近于零，降雨量全部轉(zhuǎn)化為徑流量;因此，降雨量直接影響徑流量。而在降雨初期，坡面可蝕性土壤顆粒較多，對(duì)徑流有一定的滯流作用，隨著降雨歷時(shí)的增加，可蝕性土壤顆粒越來(lái)越少，對(duì)徑流的滯流作用越來(lái)越不明顯，此時(shí)徑流量趨于穩(wěn)定。在1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下，這個(gè)時(shí)間大約為20 min，而在1.5 和2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下，每5 min 產(chǎn)生的徑流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間比1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下提前約5 min 左右。這是由于在降雨強(qiáng)度相對(duì)比較大的情況下，產(chǎn)生的徑流量也大，水流挾沙能力增加，坡面上較小的土壤顆粒在更短的時(shí)間內(nèi)被水流帶走，因此，徑流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間有所縮短。

由圖2 可以看出，降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)沙量的影響具有一定的規(guī)律性，對(duì)于任一顆粒級(jí)配的土樣，產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，而且差異比較明顯。以土樣Ⅰ的累積產(chǎn)沙量為例，3 種降雨強(qiáng)度條件下的累積產(chǎn)沙量分別為56.3、67.19、79.14 g。分析認(rèn)為，坡面上不同粒徑土壤顆粒起動(dòng)能量不同，隨著粒徑的增加而增加。在1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下，Ⅰ～Ⅴ組土樣的產(chǎn)沙量主要集中在0.3 mm 以下土壤顆粒，而在降雨強(qiáng)度為1.5 和2.0 mm/min 條件下的產(chǎn)沙量土壤顆粒種類比較多，存在一定數(shù)量粒徑比較大的土壤顆粒。這也說(shuō)明了徑流對(duì)所攜帶的土壤顆粒具有選擇性。

3 結(jié)論與討論

1)降雨強(qiáng)度是影響徑流量和產(chǎn)沙量的重要因子，降雨強(qiáng)度的改變對(duì)徑流量和產(chǎn)沙量都有明顯的影響，在0.18 m2的受雨面積上，當(dāng)降雨強(qiáng)度從1.5增加到2.0 mm/min 時(shí)，同一種土樣在50 min 內(nèi)的徑流量和產(chǎn)沙量相應(yīng)增加了約1 760 mL 和10.3 g。

2)顆粒級(jí)配是影響產(chǎn)沙量的重要因子，對(duì)于不同顆粒級(jí)配的土壤，其產(chǎn)沙量可以用細(xì)度模數(shù)來(lái)作對(duì)比，且呈現(xiàn)出產(chǎn)沙量隨細(xì)度模數(shù)的增加而減少的規(guī)律;顆粒級(jí)配對(duì)徑流量的影響比較小，同一降雨強(qiáng)度條件下，50 min 內(nèi)的最大與最小徑流量差值不到120 mL。

基于以上結(jié)論，對(duì)擾動(dòng)后的裸露表土，特別是土壤顆粒比較小的區(qū)域，應(yīng)加以防護(hù)，進(jìn)行覆蓋或攔擋，以減少土壤侵蝕。

試驗(yàn)中，將供試土樣用細(xì)度模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)篩過(guò)篩之后，得到了不同粒徑的土壤顆粒。為使不同粒徑土壤顆粒遇水后分散對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響達(dá)到最小化，把土壤顆粒認(rèn)為是理想的穩(wěn)定單體結(jié)構(gòu)。在此基本假設(shè)條件下，得出了用細(xì)度模數(shù)來(lái)比較不同粗細(xì)程度土壤的流失程度;但實(shí)際上缺少對(duì)土壤顆粒單體的穩(wěn)定性分析。對(duì)于土壤顆粒在降雨作用下的分散機(jī)制以及這一過(guò)程對(duì)徑流產(chǎn)沙的影響，更有待進(jìn)一步研究。

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