降雨強度對梯田邊坡細溝侵蝕的影響

溫永福, 高 鵬, 穆興民, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

水土流失已成為阻礙黃土丘陵溝壑區發展的重要因素之一[1]，退耕還林還草則成為改善該地區生態環境以及防止水土流失的一項戰略性措施。將坡耕地改為高標準梯田并進一步提高耕作技術會滿足農村人口對糧食基本需求，并在一定程度上推動退耕還林還草的貫徹與實施[2]。但由于機修梯田規模化發展使梯田邊坡不斷增高，加之極端降雨頻發，當面臨百年不遇特大暴雨時，極易產生較大降雨徑流，對梯田邊坡坡面造成嚴重的沖刷，侵蝕形式一旦由面狀侵蝕發展為細溝侵蝕，侵蝕量會成倍甚至數十倍的增長，與細溝侵蝕量相比，細溝間侵蝕量所占比例很小[3-6]。最終使得梯田被毀，農作物減產甚至絕收，嚴重威脅人民群眾的生命與財產安全[7]。

細溝侵蝕是一個非常復雜的土壤侵蝕過程。細溝侵蝕過程及其影響因素一直是土壤侵蝕研究的熱點，關于降雨強度、降雨量、坡度、坡長、坡形、土壤性質、土壤前期含水量等因素對細溝侵蝕的影響，以及不同因素組合下細溝侵蝕過程的研究已經取得了豐碩的成果。有學者[8-9]認為:細溝侵蝕的發生主要是由坡面本身所具有的起伏以及淺層洞穴的崩塌，以及降雨過程中形成的小跌坎及其受坡面徑流下切影響造成的。雷廷武等[10]、張玉斌和鄭粉莉[11]、王占禮等[12]通過大量室內和野外模擬降雨試驗，將細溝侵蝕過程細分為4個階段:濺蝕階段、細溝間侵蝕階段、細溝侵蝕為主階段和雨后徑流侵蝕階段。和繼軍等[13]采用室內純凈水模擬降雨試驗的方法，研究了塿土和黃綿土的坡面細溝發育過程和水沙關系，表明細溝主要由沿坡面方向呈線狀平行分布的跌坎鏈相互連通演化而成，在雨強較小時塿土更易形成細溝，而黃綿土在雨強較大時才能形成細溝。鄭粉莉等[14]通過野外觀測和室內人工模擬降雨試驗相結合的方法統計了黃土高原坡耕地細溝寬度和深度分布范圍，指出大多數細溝深度小于20 cm，寬度小于30 cm。韓鵬等[15]對黃土坡面的研究表明，考慮雨滴擊濺作用時的產沙量要比消減雨量擊濺作用時的產沙量高。Bruno等[16]利用細溝長度和橫斷面描述細溝形態，得出細溝長度與細溝體積呈冪函數關系，并通過剖面形態變化推斷細溝侵蝕沉積情況。

盡管國內外學者對細溝侵蝕形成和演化過程進行了大量的試驗研究，但筆者發現：梯田邊坡細溝侵蝕規律與緩坡細溝侵蝕差異性明顯，且有關對梯田邊坡細溝侵蝕的研究較少。鑒于此，本文采用室內模擬降雨試驗并結合高清晰攝像設備，通過對降雨試驗過程實時監測，系統分析降雨強度對梯田邊坡坡面細溝形態的演變以及細溝發育對侵蝕速率的影響，以期為梯田邊坡細溝侵蝕的有效防治提供必要的理論指導。

1　材料與方法

1.1　試驗土體性質

本次模型試驗用土取自陜西安塞縣紙坊溝，取土深度為6～8 m，屬于Q4黃綿土[17]。試驗用土的基本參數指標見表1。輕型擊實試驗測得最大干密度為1.703 g/cm3，最優含水率為19.3%。土壤粒徑采用馬爾文激光粒度儀進行測定。測定范圍在0～2 mm，平均級配的特征值為：黏粒(≤0.002 mm)含量為12.1%，粉粒(0.05～0.002 mm)含量為52.55%，砂粒(2～0.05 mm)含量為35.35%，不均勻系數CU為7.52，說明土樣中包含的粒徑級數較少，粗細粒徑之間差別較小，顆粒級配曲線的曲率系數CC為1.79，級配優良。

表1　試驗用土的基本參數指標

1.2　試驗裝置

本模型的主體部分為一個梯形的模型槽，尺寸為2.6 m×1 m×2.1 m[18]。試驗填筑的邊坡部分的高度為1.2 m，坡度為65°，上、下各留有1 m平臺。模型的前、后緣和其中的一個側面用鋼板圍筑，涂抹了一層凡士林材料進行了墻面光滑處理，以減小模型的邊界效應對試驗的影響。另一個側面采用厚度為1 cm的高透明有機玻璃作為可視窗口，以便于隨時觀測試驗過程中土體內部的運動情況。同時，為了便于土體運動觀測，在有機玻璃上畫上邊長為10×20 cm的長方形格子，并緊靠鋼板安置臺階以便于試驗過程中對溝道形態參數、流速的測量，前緣設集水槽以便收集徑流泥沙。與模型配套的有人工降雨系統，多物理量測試系統：水分傳感器、數碼相機動態拍照攝影。模型見圖1。

圖1模型試驗裝置

降雨裝置是由中國科學院水利部水土保持研究所研制,降雨高度16 m,滿足所有降雨雨滴達到終點速度。降雨強度變化范圍為40～260 mm/h,降雨均勻度大于80%,最大持續降雨時間12 h。降雨區由兩個獨立降雨試驗區組成,單個試驗區有效降雨面積4 m×9 m，能很好地模擬天然降雨[19]。

1.3　填土方式

用邊長為1 cm的方格鐵篩篩分，使模型填土的土顆粒粒徑最大不超過1 cm。然后把這些土均勻的平鋪攤開，噴灑適量的水分，均勻拌和，蓋上塑料膜，使土的基本物理指標如密度，含水率等和原狀土接近，但在模型填筑的過程中，土的結構、顆粒級配、地層結構、土的裂隙等都會有所改變，這是不可避免的。本次試驗采用分層擊實填筑的方法：把試驗前配制好的土均勻的每隔10 cm厚度分層，共分17層，在每層填土的交界面上用5 kg重的鐵餅從20 cm高處落下，均勻擊實土體[20]。在每一層擊實完成后，用環刀在幾個不同部位取樣，測定其每層土體的濕密度在1.32～1.40 g/cm3，含水率在7.5%附近，分層填筑完成后通過人工削坡得到65°邊坡和模型所需幾何尺寸。

1.4　試驗方法

試驗于2016年9月—2016年11月在陜西省水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳側噴Ⅱ區進行。試驗設計1.5，1.75，2.0，2.25，2.5 mm/min共5個雨強，試驗重復1次，共10場試驗。為保證雨強的均勻性和穩定性，試驗開始前先將梯田邊坡用塑料布遮蓋，在模型槽四周及其頂部5個位置對雨強進行率定，當雨強穩定后，迅速將塑料布揭開并開始計時。當梯田坡面上的水流呈層流狀態，并由上到下流至出水口時視為產流開始，記錄產流時間，之后重新開始計時，試驗設計時長60 min，試驗產流后每2 min收集一次徑流和泥沙全樣。坡面出現細溝后，記錄細溝出現的時間，出現細溝后每2 min用精度為1 mm的直尺測量溝長，當細溝長度超過10 cm后，沿細溝長度每10 cm測量一次寬度和深度，其平均值作為細溝寬度和深度，在細溝形態突變比較明顯的部位增大測量密度，同時，用數碼相機每5 min記錄坡面形態，在坡面形態變化劇烈的時間段可加大照相機拍攝頻率。試驗結束后，將泥沙樣靜置6個小時后倒去上層清液，用烘干法(105°)將樣品烘干后稱量泥沙重量。

2　結果與分析

2.1　細溝出現的時間和雨強的關系

表2是梯田邊坡坡面侵蝕過程中幾個關鍵時刻。由表2可知，降雨強度越大，產流、跌坎和細溝出現的時間越早。這是由于雨強越大，徑流侵蝕力越大，加之雨滴擊濺作用對土壤的破壞使得土壤的抗侵蝕性降低，進而徑流侵蝕力大于土壤抗蝕力的時間提前。

2.2　細溝的形態發育特征

圖2A表示的是各雨強條件下，細溝長度隨時間的變化情況。該圖的數據表明：各降雨強度下，細溝的長度均呈現出先劇烈增大后逐漸穩定的趨勢。對數據進行分析發現：隨著雨強的增大，溝長劇烈增長時的速率分別為3.41 cm/min，5.14 cm/min和6.44 cm/min，細溝最終長度分別為50.8 cm，80.4 cm和126 cm。這表明雨強越大，細溝發育到穩定階段所需的時間越長，細溝發育越劇烈，細溝的最終長度越長。圖2B表示不同雨強下細溝的寬度隨時間的變化關系。細溝寬度總體隨降雨強度呈增大趨勢，且最終寬度隨著雨強的增加而增大。產生這種現象的原因在于：在細溝發育初期，細溝逐漸發育，細溝加寬；之后在股流的掏蝕作用下，細溝的溝壁穩定性降低，土塊失去平衡進而整個崩塌下來，致使細溝寬度呈現突變式增加；溝壁崩塌后，溝壁土層暫時達到了新的平衡，此時細溝寬度相對穩定；隨著降雨的繼續，股流的掏蝕作用將沉積在溝底的泥沙帶走，細溝的深度再次增加，溝壁逐漸變陡，溝壁再次發生崩塌。(如2.5 mm/min雨強曲線所示)。圖2C表示的是細溝的深度隨時間的變化關系。由于溝岸崩塌所導致的泥沙臨時性堆積現象和股流的掏蝕作用，雨強越大，細溝的最終深度越大。

注：—表示未產生細溝。

2.3　侵蝕產沙和細溝發育過程的關系

研究表明，溝壁的崩塌、側蝕具有較強的隨機性，而細溝長度能較好的代表細溝的發育過程，為了更好的研究細溝的發育過程和侵蝕產沙的關系，將溝長的發育過程和侵蝕速率之間的關系點繪見圖3。

細溝出現并開始發育的時間和侵蝕速率迅速增長的時間相一致。細溝發育初期，侵蝕嚴重，細溝長度增長迅速，侵蝕速率急劇增加，此時細溝長度變化曲線的斜率和侵蝕速率變化的曲線斜率均最陡；在細溝發育中后期，侵蝕速率降低，細溝溝長的增長逐漸變緩，此時坡面侵蝕速率趨于平穩，并出現波動，這主要是細溝侵蝕過程逐漸停止，而溝壁崩塌和側蝕現象時有發生所造成的。通過SPSS 17.0軟件對數據進行相關性分析發現，各雨強條件下，溝長和侵蝕速率的相關性系數P分別為0.912，0.864，0.831，Sig.值均小于0.001，由此說明，細溝長度的發育過程和侵蝕速率的變化之間呈極顯著的正相關關系。通過對比發現，坡面徑流含沙量的變化情況與坡面細溝形態變化過程基本一致，這跟Catherine等[21]學者的研究結果相同。

圖2　細溝的長度、寬度、深度隨時間變化的變化

2.4　梯田邊坡崩塌過程

不同降雨強度下(2.0 mm/min，2.25 mm/min和2.5 mm/min)，梯田邊坡崩塌過程相同，主要包括土體裂隙的產生和崩塌的形成兩個過程。首先，坡面上會產生跌坎、裂隙，裂隙的產生是崩塌形成的關鍵。梯田邊坡土體在降雨作用下，會逐漸由不飽和變為飽和狀態，這就會降低黃土的抗剪強度，導致坡體在自重力和向外的滲透力下開始向臨空方向蠕動。邊坡土體強度的逐漸減弱，最終會因抗剪強度小于剪切應力而發生失穩。本次試驗邊坡為沖蝕引起的局部淺層崩塌破壞，其發展過程分為3個階段：第1階段為坡面跌坎的形成；第2階段為隨著降雨的持續，坡面發生沖蝕破壞，跌坎相互貫通形成細溝；第3階段為淺層崩塌的產生，細溝溝體由坡腳向坡頂逐漸擴展，后期靠近坡頂的坡面出現淺層崩塌(圖4)。該種破壞模式與文獻[22]研究結果相似。

圖3　細溝長度和侵蝕速率之間的關系

圖4　崩塌失穩模式

3　結論與建議

(1) 降雨強度越大，產流、跌坎和細溝出現的時間越早且總體上細溝的平均長、寬和深度隨降雨強度的增加而增加，細溝出現的時間分別為：40.78，28.93，11.98 min；不同雨強下，細溝形態變化趨勢相同，細溝的長度均呈現出先劇烈增大后逐漸穩定的趨勢；細溝寬度總體呈增大的特點；細溝深度總體呈增大趨勢。

(2) 不同降雨強度條件下，細溝出現并開始發育的時間和侵蝕速率迅速增長的時間相一致，溝長和侵蝕速率的相關性系數P分別為0.912，0.864，0.831，Sig.值均小于0.001，由此說明，細溝長度的發育過程和侵蝕速率的變化之間呈極顯著的正相關關系。當1.5 mm/min≤I≤1.75 mm/min時,坡面未出現細溝，坡面侵蝕主要是坡面侵蝕，當2.0 mm/min≤I≤2.5 mm/min時,坡面出現細溝，坡面侵蝕主要為細溝侵蝕，細溝出現并開始發育的時間和侵蝕速率迅速增長的時間相一致，溝長和侵蝕速率的相關性系數P分別為0.912，0.864，0.831，Sig.值均小于0.001，由此說明，細溝長度的發育過程和侵蝕速率的變化之間呈極顯著的正相關關系。

(3) 不同降雨強度下，梯田邊坡發生崩塌的過程分為3個階段：跌坎的形成、有跌坎相互貫通形成細溝、由于表層土體懸空靠近坡頂的坡面出現淺層崩塌。

本文基于室內模擬降雨條件下得出的以上結論，鑒于田面寬度僅為1.1 m，其對土梯田邊坡侵蝕影響需要進一步研究。

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