擾動土與原狀土侵蝕產沙規律研究

秦百順，李占斌，劉海波

（1.西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，陜西 西安710048；2.北京水保生態工程咨詢有限公司，北京100053；3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

建設項目區水土資源的破壞和干擾主要是由人為開挖地表和隨意堆置棄土、棄石、棄渣造成的，是一種特殊的水土流失類型［1］，其中開發建設活動形成的擾動土在建設項目區所占面積比例較大，是新增產沙的重要來源之一［2］。相對于原狀土而言，擾動土的土體的空隙比、含水量及壓密固實狀態都發生了改變［3］，這種土壤特性的變化更加容易導致建設項目區的水土流失。近年來，研究人員圍繞開發建設項目擾動土的水土流失問題進行了系列研究，從擾動土物理性質變化、力學性質變化及對工程建設的影響等方面［4－8］，揭示了擾動土土壤性質變化以及生態修復的機理。夏素平等［9］從力學角度分析了典型施工對土體的擾動，并給出了擾動土體的評價標準。于廣云等［10］分析了工程建設對土體含水量、土體空隙比等物理性質的影響。李宗禹等［11］分析了植被恢復對擾動土壤水保與改土效益。這些研究有力推動了開發建設項目擾動土水土流失防治工作的進展。

從水土流失治理的角度來說，掌握建設項目區擾動土在降雨入滲、產流、匯流及侵蝕過程中的特點，是防治新增水土流失的關鍵，但是已有研究中對擾動土的侵蝕產沙規律研究較少。因此，本文通過模擬降雨試驗對比分析擾動土與原狀土徑流產沙過程，揭示開發建設擾動地面的水土流失特征，以期為開發建設項目水土流失防治措施提供科學依據。

1 材料與方法

模擬降雨試驗布設在神府東勝礦區。該煤礦位于陜西省和內蒙古自治區交界地帶，中國最大煤盆地鄂爾多斯盆地腹地，陜西省神木縣北部、府谷縣西部和內蒙古自治區伊克昭盟的南部，地理位置為北緯37°20′—40°16′，東經108°36′—110°36′。據神木氣象站觀測資料，多年平均氣溫8.5℃，多年平均降水量434mm，多年平均蒸發量1 712mm，最大凍土深度1.46m，最大風速19m／s，平均風速2.5m／s。

模擬降雨裝置采用西安理工大學設計的下噴式降雨器，試驗裝置分別由供水、穩壓及降雨3部分組成。下噴式模擬降雨器形成雨滴與天然降雨接近，降雨均勻系數高，穩定性良好。降雨強度可以通過降雨器孔口直徑及水壓的大小來調節，模擬降雨強度范圍為0.5～3.5mm／min。

野外模擬降雨試驗小區的投影面積為2.0m（長）×1.0m（寬）。本次模擬降雨試驗選擇2種土地類型，3種坡度，3種雨強（表1）。每次試驗持續30～45min。試驗原狀土采用沒有人工擾動的撂荒地；擾動土是在原生地面基礎上，去掉地面稀疏雜草，翻耕后簡單壓實，主要用于模擬剝離表土堆積對坡面產流產沙的影響。試驗前在小區上方用塑料布覆蓋，在塑料布上方按一定密度擺放多個水桶，模擬降雨3min后，用量筒測量桶內水量，計算降雨強度。試驗從降雨器降雨時開始觀測，記錄小區產流時刻，此后每2min收集1次徑流泥沙，采用置換法計算每個時段產沙量和含沙量。

表1 神府東勝礦區野外模擬降雨試驗設計

2 結果與分析

2.1 原狀土與擾動土徑流過程分析

坡面匯流時間是指坡面上最上端一點的凈雨量匯流到坡面出口斷面所需的時間。坡面匯流時間與坡度、坡面粗糙程度、凈雨強度相關。坡度越陡，粗糙程度越小，坡面匯流時間就越短；反之，坡面匯流時間就越長。從圖1中可以看出，不同坡度下擾動土與原狀土的徑流過程漲水時間大約在8～10min。徑流量過程線的漲水是由凈雨增大和坡面匯流共同作用的結果，漲水時間不能簡單認為就是坡面匯流時間。在后期徑流量穩定部分，凈雨達到相對穩定狀態，降雨停止后的退流時間可以認為是坡面最上端位置凈雨匯流到出口的時間，即匯流時間。根據擾動土與原狀土試驗記錄，退水時間最大值為104s，最小值為38s，平均值為64s，因此降水試驗的的匯流時間約為64s。

圖1 不同坡度下擾動土與原狀土的徑流過程

從圖1中可以發現，原狀土的起始流量均高于擾動土，說明在前2min內原狀土產生的凈雨大于擾動土。擾動土是原狀土經過剝離后的簡單堆積，土質相對疏松，因此初始階段擾動土的下滲率較大，產生的凈雨少，隨著雨水下滲，土壤含水量增加，下滲率逐漸減小，最后達到穩定值。而原狀土土質經過多年的自然恢復，不受人工干擾，土壤質地相對密實，因此初始下滲率較低，產生的凈雨較大，徑流量的初始值較高。初始徑流量值與穩定的徑流量值相差不多，說明原狀土初始下滲率與穩定下滲率相對較接近。

2.2 擾動土與原狀土的含沙量過程對比分析

從圖2中可以看出，不同坡度下擾動土與原狀土的含沙量變化過程相似。原狀土含沙量呈先下降后波動的過程，擾動土在坡度為5°，11°時含沙量呈上升—下降后波動的過程。擾動土被剝離后隨意堆積，土壤結構受到破壞，土質疏松，土壤顆粒之間的粘結力較差，易于被侵蝕流失。

與原狀土相比，擾動土表層疏散土壤較多，因此相似降雨條件下，擾動土坡面徑流含沙量高于原狀土的坡面徑流含沙量。

從圖2中可以看出，擾動土在5°，11°坡度時，會在產流開始約6～8min時含沙量出現峰值。

圖2 擾動土與原狀土不同坡度下的含沙量過程

在坡度5°，11°時，雨強相近的情況下，擾動土含沙量略大于原狀土，但是在17°坡時，雨強在1.6mm／min附近情況下，擾動土含沙量明顯高于原狀土。

2.3 擾動土與原狀土的累積產沙過程對比分析

圖3為同坡度下擾動土與原狀土累積產沙量之差，即擾動土新增產沙量＝擾動土累積產沙量—原狀土累積產沙量。在不同坡度的降雨試驗中，原狀土的試驗雨強均大于擾動土。根據徑流過程分析，原狀土的平均徑流量同樣均大于擾動土，但是從圖3可以看出，在降雨前期，原狀土的累積產沙量大于擾動土，隨著降雨的持續進行，擾動土的產沙速率增加，最終在某一時刻，擾動土的產沙量大于原狀土，并且差距越來越大。

5°坡時，前期原狀土與擾動土的累積產沙量曲線接近，差距小，在114～303g內變動，從28min開始，兩者差距減小，在30～32min產沙量相等，32min后擾動土產沙量大于擾動土。11°坡時開始階段，擾動土與原狀土的產沙量差距緩慢增加，在18min兩者差距最大，達378g，之后擾動土的侵蝕速率增加，在28～30min擾動土與原狀土的產沙量一致。17°坡時，在12min擾動土與原狀土的差距最大，之后擾動土產沙速率增大，在18～20min內兩者相等。

圖3 同坡度下擾動土與原狀土累積產沙量之差

綜上所述，擾動土與原狀土產沙量差距開始減小的時間分別為28，18，12min，隨著坡度的增加，時間逐漸提前。擾動土與原狀土累積產沙量相等的時間段分別為30～32，28～30，18～20min，同樣隨著坡度的增加，時間提前。

從圖4原狀土不同坡度下累積產沙量可以看出，5°，11°后期累積產沙曲線與17°中期20～30min內曲線是平行上升的，說明5°，11°后期與17°中期的產沙速率相近。而擾動土只有5°，11°后期的曲線是平行上升的，產沙速率相近。

圖4 擾動土與原狀土不同坡度下的累積產沙量

從以上分析可以看出，產沙速率在整個降雨過程是變化的，降雨前幾分鐘內，產沙速率變化較大，后期特別是20min后，產沙速率比較穩定。為比較后期穩定后的產沙速率，對不同下墊面20min后累積產沙曲線進行擬合，確定產沙速率，擬合結果如表2所示。

表2 累積產沙曲線擬合公式

從表2分析，比較原狀土與擾動土的后期產沙速率，5°坡時，原狀土與擾動土雨強分別為1.68，1.53mm／min，產沙速率分別為52.7，81.2g／min，在擾動土雨強小于原狀土0.15mm／min的情況下，擾動土的產沙速率大于原狀土28.5g／min。17°坡時，擾動土同樣在雨強小于0.08mm／min的情況下，產沙速率大于84.2g／min。隨著坡度的增大，相同雨強下，原狀土與擾動土產沙速率的差距越來越大。擾動土與原狀土在5°，11°，17°坡時產沙速率的比值依次為1.5，2.1，2.8，隨著坡度的增加而增大。

3 結論

原狀土坡面徑流含沙量變化呈先下降后波動的過程，擾動土在坡度為5°，11°時含沙量呈上升—下降后波動的過程。坡度相同，雨強相近的情況下，擾動土坡面徑流含沙量大于原狀土。在降雨前期，原狀土的累積產沙量大于擾動土，隨著降雨的持續進行，擾動土的產沙速率增加，最終在某一時刻，擾動土的產沙量大于原狀土，并且差距越來越大。擾動土與原狀土累積產沙量相等的時間段，隨著坡度的增加，時間有所提前。產沙速率達到穩定后，擾動土產沙速率大于原狀土，差距隨著坡度的增大而增大。在5°坡時，擾動土產沙速率是原狀土的1.5倍，在17°坡時，擾動土產沙速率是原狀土的2.8倍。

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