神府煤田建設(shè)中擾動地面水沙過程模擬研究

黃鵬飛，劉敏，王文龍，3?，羅婷

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100 陜西楊凌;2.楊凌區(qū)水務(wù)局水利水保站，712100 陜西楊凌;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100 陜西楊凌;4.杭州大地科技有限公司，310000，杭州)

伴隨我國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的日益增多，生產(chǎn)建設(shè)過程中的水土流失問題也愈加嚴(yán)重［1］，其中，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的水土流失已經(jīng)成為當(dāng)前我國新增水土流失的主要策源地［2］。如水利建設(shè)、城鎮(zhèn)開發(fā)、鐵路公路建設(shè)、礦山開采等，常常對地表植被和地面造成不同程度的擾動，破壞了原始地貌，造成了新的、嚴(yán)重的水土流失，形成了獨(dú)特的侵蝕特點(diǎn)［3－5］。孫飛云等［6］研究認(rèn)為，在強(qiáng)降雨條件下，棄土場內(nèi)的泥沙輸移量是建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行前的幾十倍乃至上百倍。郭成久等［7］對棄土場侵蝕產(chǎn)沙過程的研究結(jié)果表明，產(chǎn)沙量隨坡度和降雨強(qiáng)度的增大而增加，侵蝕量增加較快。徐永年等［8］通過研究各種土壤侵蝕影響因素，提出了新的水土流失預(yù)測方法。李強(qiáng)等［9］對煤田開發(fā)區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，擾動地面的土壤入滲率和徑流量均大于原始地面。此外，國內(nèi)一些學(xué)者［10－12］還對生產(chǎn)建設(shè)中擾動地面侵蝕產(chǎn)沙的影響因子、侵蝕過程、預(yù)測方法等進(jìn)行了相應(yīng)的研究，盡管取得了一些成果，但我國對生產(chǎn)建設(shè)人為活動水土流失過程、機(jī)制、預(yù)測預(yù)報及其侵蝕特殊性等方面的研究還十分薄弱［13］。筆者采用野外放水沖刷試驗(yàn)方法，通過模擬生產(chǎn)建設(shè)中擾動地面，探討生產(chǎn)建設(shè)擾動地面的侵蝕過程及其機(jī)制，并對侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行定量研究，以期為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失準(zhǔn)確預(yù)測、科學(xué)配置水土保持措施、生態(tài)環(huán)境重建及科學(xué)合理編制水土保持方案提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計與研究方法

1.1 放水試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用野外放水沖刷模擬的方法。共設(shè)計5種放水流量，分別為5、10、15、20 和25 L/min，3 個坡度級別，分別為5°、10°和18°。

1.2 樣地選取

試驗(yàn)于2011 年6—8 月在野外進(jìn)行，試驗(yàn)樣地選取位于神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝村的一塊撂荒地坡面。因神府東勝煤田生產(chǎn)建設(shè)中造成的地面擾動情況復(fù)雜，真實(shí)擾動地面不能滿足試驗(yàn)所需的水源、坡度、坡長等條件，因此，試驗(yàn)?zāi)M的擾動地面是用鐵鍬將原始地面翻動20 cm 深，并將其平整后形成。試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)Tab.1 Physical characteristics of soil samples

1.3 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

試驗(yàn)小區(qū)為10 m×1 m 的長方形，兩側(cè)邊界用1 mm 厚的鋼板密封(插入地下0.15 m，地面露出0.1 m)。小區(qū)上方放置一個容積為2 m3的水箱，經(jīng)水泵由水庫供水。緊靠小區(qū)頂端布置一個嵌入地下與小區(qū)等寬、與坡面齊平的溢流箱，由汽油泵從水箱供水，并在汽油泵出水管口安裝2 個閘閥以調(diào)節(jié)放水流量，確保試驗(yàn)水流是均勻的薄層水流。小區(qū)底端安置可嵌入地表的集流槽。依次在距離小區(qū)頂端2 ～3 m、5 ～6 m、8 ～9 m 處設(shè)置3 個觀測斷面。試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

1.4 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)開始前，測定小區(qū)的土壤含水量、土壤密度、水流溫度等，并對放水流量進(jìn)行2 次率定，前后誤差不超過5%。試驗(yàn)過程中，記錄徑流形成前時間并觀測坡面微形態(tài)變化。當(dāng)徑流形成后，在小區(qū)集流槽出水口用集流桶收集徑流泥沙樣并記錄采集時間，隨后用量筒測量其體積。

圖1 野外放水沖刷試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of outdoor scouring erosion experimental apparatus

試驗(yàn)時間共45 min，產(chǎn)流初期每1 min 取1 次徑流泥沙樣，放水歷時3 min 后，每隔3 min 取1 次徑流泥沙樣。同時，用高錳酸鉀示蹤法測量坡面上不同斷面的徑流平均流速，用薄鋼尺測量坡面各斷面水流寬度及徑流深。各樣品的含沙量采用烘干法測定。

1.5 土壤入滲率計算

下墊面不同，土壤水分入滲過程也不相同。一般而言，土壤入滲過程直接決定了產(chǎn)流過程和產(chǎn)流量。根據(jù)水分平衡公式可知，放水量為徑流量、入滲量與蒸發(fā)量之和，由于水分蒸發(fā)量與徑流量和入滲量相比很小，故忽略水分蒸發(fā)量。土壤入滲率為單位時間單位面積上土壤水分下滲量，可知，土壤入滲率公式［14］為

式中:i 為土壤入滲率，mm/min;W 為放水量，m3;R為徑流量，m3;S 為小區(qū)水平投影面積，m2;t 為放水時間，min;1 000 為單位換算系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

土壤侵蝕產(chǎn)沙主要是降水特征、下墊面狀況等因素共同作用的結(jié)果。放水沖刷形成的徑流不僅是引起坡面發(fā)生侵蝕的主要驅(qū)動力，而且是泥沙輸移的載體。為了更直觀地闡述徑流沖刷對坡面侵蝕的微觀機(jī)制，揭示不同坡面處理?xiàng)l件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙在整場放水沖刷過程中隨時間的動態(tài)變化過程，研究土壤入滲率、含沙量、土壤剝蝕率與放水流量和坡度之間的定量關(guān)系，筆者根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測徑流泥沙數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理分析，分別點(diǎn)繪出了不同下墊面坡面土壤入滲率、徑流含沙量、土壤剝蝕率隨時間的變化趨勢圖，見圖2 ～圖4。

圖2 不同下墊面土壤入滲率隨時間的變化Fig.2 Variation of soil infiltration rate over souring time under different underlying surface

圖3 不同下墊面徑流含沙量隨時間的變化Fig.3 Variation of sediment concentration over souring time under different underlying surface

圖4 不同下墊面土壤剝蝕率隨時間的變化Fig.4 Variation of soil detachment rate over souring time under different underlying surface

2.1 土壤入滲率動態(tài)變化特征

由圖2 可以看出:在不同的放水流量下，原始地面的土壤入滲率變化趨勢較擾動地面平緩。擾動地面的土壤入滲率在1 ～9 min 內(nèi)變化較為劇烈，呈急劇的下降趨勢，土壤入滲率的減小幅度達(dá)38.53%～97.10%，隨后則以平緩波動變化。不同放水流量下，原始地面的土壤入滲率變化范圍為0.19 ～0.95 mm/min，其中，流量為20 和25 L/min 時的平均土壤入滲率較為接近，分別為0.58 和0.61 mm/min，其余放水流量下的平均土壤入滲率較為接近，變化范圍在0.31 ～0.35 mm/min 之間;擾動地面土壤入滲率的變化區(qū)間為0.04 ～2.03 mm/min，各放水流量下的平均土壤入滲率不同，在0.14 ～0.51 mm/min 之間變化。對比可知，擾動地面平均土壤入滲率是原始地面的0.44 ～0.73 倍。利用SPSS 18.0對原始地面和擾動地面的平均土壤入滲率與放水流量進(jìn)行回歸擬合，得出經(jīng)驗(yàn)方程如下。

原始地面:

擾動地面:

式中:Q 為放水流量，L/min;θ 為坡度，(°) 。

回歸方程(2)與(3)表明，原始地面的平均土壤入滲率隨放水流量呈顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擾動地面的平均土壤入滲率與放水流量則呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，二者的決定系數(shù)R2均在0.850 以上，Sig.值均小于0.05，回歸效果顯著。

結(jié)合現(xiàn)場觀測分析可知，原始地面植被較好。Liu Guobin［15］對草地植被恢復(fù)的研究結(jié)果表明，根系層對土壤的纏繞、固結(jié)等作用強(qiáng)化了土壤的抗沖性，使土壤具有良好的結(jié)構(gòu)和孔隙。如表1 所示，原始地面的平均土壤密度為1.53 g/cm3，較擾動地面(1.21 g/cm3)大，表明原始地面具有較強(qiáng)的抗蝕能力。擾動地面土壤疏松，土粒之間多存在較大孔隙，平均孔隙度為0.54，原始地面為自然狀態(tài)，平均孔隙度為0.42;因此，當(dāng)放水沖刷時水流首先入滲土壤，此時原始地面和擾動地面的土壤入滲率最大。隨沖刷歷時的延續(xù)，原始地面因土壤結(jié)構(gòu)和孔隙度較好，地面細(xì)小碎散土粒較少，土壤入滲率在整個過程中變化趨勢較為平緩，而擾動地面土壤多為大空隙且碎散土粒多，因大量細(xì)小土粒堵塞土壤大孔隙，故在9 min 前土壤入滲率急劇減小，最終趨于穩(wěn)定。

2.2 不同放水流量下坡面侵蝕產(chǎn)沙特征

2.2.1 徑流含沙量動態(tài)變化特征 徑流含沙量的變化是侵蝕產(chǎn)沙過程的一個重要體現(xiàn)，是產(chǎn)流、產(chǎn)沙及水沙動態(tài)關(guān)系消長與演變的重要指標(biāo)［16］。

從圖3 可知:原始地面和擾動地面的徑流含沙量均隨時間呈逐漸減小趨勢，且隨著放水流量的增大，徑流含沙量均增大。相同的放水流量下，原始地面平均徑流含沙量的變化范圍為1.61 ～12.05 g/L，擾動地面為62.16 ～118.66 g/L，擾動地面的平均徑流含沙量是原始地面的10 ～39 倍。放水流量為5和20 L/min 時，原始地面的徑流含沙量波動較為劇烈，在1 ～3 min 呈急劇減小趨勢，其余則在1 ～9 min表現(xiàn)為急劇下降，隨后徑流含沙量隨時間呈現(xiàn)平緩波動變化。擾動地面的徑流含沙量在1 ～12 min 呈現(xiàn)出劇烈的多峰型波動狀態(tài)，12 min 后各放水流量下徑流含沙量相差變化不大，均表現(xiàn)為平緩減小的趨勢。對原始地面和擾動地面的平均含沙量與放水流量分別進(jìn)行相關(guān)分析，建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下。

原始地面:

擾動地面:

式中Sw為徑流含沙量，g/L。

通過式(4)與(5)可知，原始地面的平均徑流含沙量隨放水流量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擾動地面的平均含沙量與放水流量呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，二者的決定系數(shù)R2均在0.980 以上，Sig.值均小于0.001，回歸效果達(dá)到極顯著水平。

經(jīng)分析可知:原始地面具有密實(shí)的土壤結(jié)構(gòu)和良好的土壤孔隙度(表1)，因此，土壤抵抗徑流的沖刷能力較強(qiáng)，且因原始地面具有細(xì)小的碎屑土壤顆粒，產(chǎn)流初期首先被沖刷運(yùn)移;所以此時徑流含沙量最大。對于擾動地面，由于土壤的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞，地表碎屑土粒增多，且土粒大小不均一，土壤抗蝕能力差，徑流初期就能形成較大的含沙量。隨著沖刷歷時的推移，原始地面和擾動地面均有不同程度的跌坎形成，并逐漸貫通形成結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的細(xì)溝，此時徑流含沙量趨于穩(wěn)定。

2.2.2 土壤剝蝕率動態(tài)變化特征 從圖4 可以看出:總體趨勢上，原始地面與擾動地面的土壤剝蝕率均隨放水流量的增大而增大，并隨時間呈現(xiàn)出平緩或劇烈的上下波動直至達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)。此外，在相同的放水流量下，擾動地面的平均土壤剝蝕率(19.38 ～202.58 g/(m2·s))遠(yuǎn)大于原始地面(0.24 ～21.75 g/(m2·s))，其平均土壤剝蝕率是原始地面的9 ～79 倍，其中5 L/min 放水流量情況下，甚至達(dá)到79 倍左右。由此可知，人為對地面的擾動加劇了土壤侵蝕的發(fā)生。通過比較可知:1 ～9 min 原始地面的土壤剝蝕率急劇減小，隨后出現(xiàn)了不同程度的波動;但總體趨于平緩，其中20 和25 L/min 放水流量情況下，土壤剝蝕率在9 min 后呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的波動。可知，隨著放水流量的增大，徑流量、徑流深、流速均增大，徑流具有較大的侵蝕動能及搬運(yùn)能力，沖刷能力強(qiáng)，土壤剝蝕率大。擾動地面的土壤剝蝕率表現(xiàn)為先增大后減小，并逐漸趨于平緩的趨勢，其中5 和25 L/min 放水流量情況下，土壤剝蝕率在9 min 時達(dá)到最大，其余均在6 min 時達(dá)到最大，15、20和25 L/min 放水流量情況下，土壤剝蝕率均表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的波動減小趨勢。分析原因，可能是產(chǎn)流初期徑流量小，一部分徑流入滲土壤，徑流所能挾帶的泥沙含量少，隨著歷時的延續(xù)，土壤入滲率減小，用于形成徑流的水量增加，且形成的細(xì)溝結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，土壤剝蝕率增大。

經(jīng)回歸擬合，原始地面與擾動地面平均土壤剝蝕率與放水流量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下。

原始地面:

擾動地面:

式中Dr為土壤剝蝕率，g/(m2·s)。

可以看出，原始地面的平均土壤剝蝕率與放水流量可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，擾動地面則表現(xiàn)為顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

2.3 不同坡度下坡面侵蝕產(chǎn)沙特征

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測徑流泥沙數(shù)據(jù)，分別點(diǎn)繪了不同坡度下徑流含沙量、土壤剝蝕率隨時間的變化趨勢，見圖5 ～圖6。

圖5 不同下墊面徑流含沙量隨時間的變化Fig.5 Variation of sediment concentration over souring time under different underlying surface

圖6 不同下墊面土壤剝蝕率隨時間的變化Fig.6 Variation of soil detachment rate over souring time under different underlying surface

2.3.1 徑流含沙量動態(tài)變化特征 由圖5 可知:不同下墊面的徑流含沙量均隨著坡度的增大而增大，并隨沖刷歷時呈現(xiàn)不同程度的波動減小趨勢，進(jìn)而趨于穩(wěn)定波動狀態(tài)。原始地面坡度為5°和10°，擾動地面為5°時，徑流含沙量在1 ～9 min 內(nèi)變化較為劇烈，之后趨于穩(wěn)定。原始地面坡度為18°，擾動地面為10°和18°時，徑流含沙量則在24 min 前呈現(xiàn)急劇減小趨勢。分析原因，可能是小的坡度下，徑流具有較小的動能，侵蝕能力較弱，細(xì)溝形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且規(guī)模較小，表現(xiàn)為緩慢的侵蝕演變過程;因原始地面土壤結(jié)構(gòu)良好，坡度為10°時，徑流含沙量(對比擾動地面)表現(xiàn)為平緩的波動狀態(tài)。隨著坡度增大，徑流動能變大，侵蝕能力變強(qiáng)，細(xì)溝形成較快，但初期結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，隨歷時延續(xù)(24 min 時)，細(xì)溝規(guī)模及徑流含沙量逐漸趨于穩(wěn)定。原始地面的平均徑流含沙量變化范圍為3.27 ～9.62 g/L，擾動地面為36.19 ～155.96 g/L，不同坡度下擾動地面的平均徑流含沙量是原始地面的11 ～23 倍。

通過回歸模擬，建立的平均徑流含沙量隨坡度的經(jīng)驗(yàn)方程如下。

原始地面:

擾動地面:

回歸方程式(8)和(9)表明，原始地面的平均徑流含沙量是坡度的指數(shù)函數(shù)關(guān)系式，擾動地面的平均徑流含沙量與坡度呈現(xiàn)為顯著的線性函數(shù)關(guān)系。

統(tǒng)計分析(R2＞0.96)結(jié)果說明，坡度對徑流含沙量具有顯著的影響。

2.3.2 土壤剝蝕率動態(tài)變化特征 由圖6 可知:不同下墊面土壤剝蝕率均隨坡度的增大而增加，原始地面在坡度為5°和10°時，土壤剝蝕率隨時間呈現(xiàn)出先減小(9 min 前)后趨于平穩(wěn)波動的變化趨勢，坡度為18°時，在1 ～24 min 內(nèi)土壤剝蝕率隨時間波動劇烈，12 ～24 min 內(nèi)土壤剝蝕率急劇減小并逐漸趨于穩(wěn)定;而擾動地面的土壤剝蝕率均呈現(xiàn)為先增大后減小的單峰變化過程，且峰值出現(xiàn)在6 min 左右。經(jīng)比較，原始地面的平均土壤剝蝕率變化范圍為0.05 ～0.19 g/(m2·s)，擾動地面為0.79 ～2.70 g/(m2·s)，不同坡度下擾動地面的平均土壤剝蝕率是原始地面的14 ～22 倍。分析可知:坡度較小時，坡面徑流的流速、流量較小，徑流侵蝕能力和挾沙能力小，土壤剝蝕率小;坡度增大，徑流流速、流量均增大，徑流侵蝕能力和挾沙能力變大，土壤剝蝕率變大。通過對原始地面和擾動地面土壤剝蝕率與坡度進(jìn)行回歸分析，建立的二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下。

原始地面:

擾動地面:

可以看出，原始地面的平均土壤剝蝕率與坡度呈現(xiàn)顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擾動地面的平均土壤剝蝕率與坡度則為顯著的線性相關(guān)。

2.4 不同下墊面平均土壤剝蝕率與放水流量和坡度的關(guān)系

為了探討不同下墊面處理?xiàng)l件下土壤剝蝕率與放水流量和坡度之間的定量關(guān)系，利用SPSS 18.0對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸擬合分析。結(jié)果表明，不同放水流量情況下，原始地面和擾動地面的土壤剝蝕率與放水流量和坡度呈顯著的復(fù)合冪函數(shù)關(guān)系。數(shù)據(jù)樣本方差決定系數(shù)R2均大于0.896，顯著性水平Sig.值均小于0.01。通過比較表2 中原始地面與擾動地面各回歸關(guān)系式的顯著性水平可知，土壤剝蝕率受放水流量和坡度的共同影響。

表2 土壤剝蝕率與放水流量和坡度的回歸方程Tab.2 Regressive equations between soil detachment rate with flow discharge and slope gradient

3 結(jié)論

1) 不同放水流量情況下，平均土壤入滲率原始地面＞擾動地面。原始地面與擾動地面的平均土壤入滲率與放水流量分別呈顯著的指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系。

2) 原始地面和擾動地面的徑流含沙量及土壤剝蝕率均隨放水流量和坡度的增大而增大，隨放水歷時延續(xù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。擾動地面的平均徑流含沙量及土壤剝蝕率遠(yuǎn)大于原始地面。原始地面平均徑流含沙量及土壤剝蝕率與放水流量、坡度呈顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系。擾動地面的平均徑流含沙量與放水流量呈顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，與坡度呈線性關(guān)系，其平均土壤剝蝕率與放水流量和坡度分別呈顯著的線性關(guān)系。

3) 原始地面和擾動地面的平均土壤剝蝕率與放水流量和坡度呈復(fù)合冪函數(shù)關(guān)系，土壤剝蝕率由放水流量和坡度共同影響。

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