不同降雨強度下黃土區凍土坡面產流產沙過程及水沙關系

張 洋，張 輝，李占斌,※2，李 鵬，肖 列，柯浩成，陳怡婷

（1. 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室（西安理工大學），西安 710048；2. 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，楊凌 712100；3. 陜西西部聯盟生態股份有限公司，西安 710075）

0 引 言

季節性凍融現象主要發生在中緯度地區，一般表現為冬季凍結，夏季消融[1-3]。黃河中游位于中緯度地區，在每年的10月下旬至來年3月下旬，土壤溫度均在0 ℃以下，最低溫度可達到–15 ℃左右，年 0 ℃以下的天數約為110 d，多年平均降雨量在500 mm左右，該研究區的氣候條件滿足凍融侵蝕發生的要求[4-6]。

土壤的凍融會對土壤的理化性質產生直接或間接影響[7-9]。已有研究表明，凍融作用能夠通過改變土壤結構[10-12]，從而降低土壤抗剪強度[13]，增大土壤可蝕性，增加溝蝕發生的幾率[14]。Frame等[15]通過室內試驗發現，凍融循環后的侵蝕產沙量相對增加了25%左右。李強等[16]通過對黃土丘陵區的野外試驗發現，與凍融前相比，裸地處理(CK)和低密度草被覆蓋(LD)處理的總產沙量顯著增加，分別增加了19.4%和6.7%。

前人的研究主要集中于土壤可蝕性在凍融作用前后的變化，而對于凍結狀態下土壤的可蝕性研究較少。凍結時和未凍土土壤可蝕性的差異仍不清楚。當土壤中的水分以固體冰晶存在時，土壤中的含冰量較多，當春季外部氣溫升高，土壤表層土體中冰體融解而深處尚未融解的情況下，未融解部分就形成了不透水層或弱透水層[17]，春季的降水和融冰水無法從土層中迅速下滲，多余的水體會導致表層土壤含水量增加，使土體處于流動狀態，此時已解凍土層的強度比其在凍結狀態下或原始未凍狀態要顯著降低[18]，在降雨和融冰水的外營力作用下極易發生土壤侵蝕。故有研究認為，土壤表層水分含量高的一個主要原因是土壤中存在不透水的“心土層”，它是導致大范圍片蝕和小范圍細溝侵蝕發生的主要原因[19]。Kirkby通過研究認為，溫帶地區全年水土流失的一半發生在凍土層解凍時期[20]，“心土層”對解凍期土壤侵蝕影響顯著[21]。當凍土消融時，土壤的抗剪強度下降，因而土壤可蝕性增大，處于解凍期的土壤可能更容易發生土壤侵蝕[22]。Sharratt等[23]通過模擬降雨試驗發現，解凍期土壤中存在的不透水凍結層是導致土壤侵蝕加劇的主要因素。

有學者根據不同時期降雨過程對凍融侵蝕強度的影響程度將降雨分為凍結期降雨、消融期前期降雨和消融期后期降雨 3類，認為在消融期，冰雪消融、降雨徑流對土壤有侵蝕搬運作用，弱透水的“心土層”的存在是導致土壤侵蝕隨著降水的增多而增大的主要原因[24-26]。由此可見凍土層在凍融與水力復合侵蝕中的重要性，而國內關于解凍期土壤侵蝕的研究主要集中在東北地區，而對于西北黃土高原地區研究較少，對于定量研究黃土高原凍融侵蝕的所開展的試驗更是少之又少。因此，為了探究黃土高原地區降雨對凍土坡面侵蝕的作用機理，明確黃土區凍土和未凍土在不同水力條件下侵蝕之間的差異，本文選擇凍土坡面為主要研究對象，并以未凍土坡面作為對照坡面，對比分析不同降雨強度條件下凍土坡面和未凍土坡面水力侵蝕的差異，以期為完善土壤侵蝕機理提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土源于黃土高原地區陜北綏德王茂溝流域，地理位置為東經 110°20′26″～110°22′46″，北緯 37°34′13″～37°36′03″。該區屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫10 ℃，最大值為39 ℃，出現在7月；最小值–27 ℃，出現在 1月，因而該區域在冬季以及初春，地表會出現不同程度的凍結現象。流域年平均降水量為475 mm，7～9月降雨量占全年總降水總量超過65%。流域土地利用類型以草地、坡耕地、梯田以及林地為主，流域內地質構造比較單一，表層多覆蓋質地疏松、勻細的黃綿土，覆蓋厚度 20～30m。土壤機械組成為黏粒 0.20%、粉粒72.01%、沙粒27.79%，土壤容重為(1.30±0.10)g/cm3，有機質含量為(2.0±0.1)g/kg[27]。

本次試驗在西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室的凍融實驗室完成。試驗裝置主要由凍土裝置、試驗土槽和降雨系統 3部分組成。試驗所用的凍土儀器為西安理工大學定制的凍融試驗系統，該試驗系統采用六面體拼裝結構，其內部尺寸：長4.5 m×寬2.5 m×高 2.5 m，溫度變化范圍–40～30 ℃，精度±1 ℃，溫度均勻度≤±2.0 ℃，同時具備制冷和加熱系統，能夠滿足試驗需求。凍土裝置試驗土槽為木制不透水結構，邊角及外圍用角鐵錨固定，底部配有可移動的試驗小車，土槽尺寸為長200 cm、寬75 cm、深35 cm，下端連接有用于收集徑流、泥沙樣品的集流槽。試驗采用下噴式模擬降雨系統，根據不同的降雨強度選擇不同型號的噴頭，有效降雨覆蓋面積約為4.5 m×4.5 m，降雨高度為5.2 m，降雨強度變化范圍為 0.5～2.0 mm/min，降雨均勻度在85%以上。

圖1 降雨裝置以及試驗土槽的結構示意圖Fig.1 Structure diagram of rainfall device and test soil slot

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝土處理

首先將野外采集的供試土樣過5 mm×5 mm的篩，剔除根系、石塊等雜物，而后對過篩后的土樣進行悶土，使其水分質量含水量達到15%±1.0%，并保持土樣內水分均勻。填土前在土槽底部鋪1層紗布，再裝入5 cm厚的天然沙，以保證試驗用土的透水性與天然坡面接近，然后根據土樣的設計干容重1.25 g/cm3按照式（1）計算出所需土樣質量，按照每層土厚5 cm一層進行分層填裝，在填完第一層的時將表土略整粗糙后填裝下一層，保證兩層土樣結合緊密。填土深度為20 cm。在距坡頂40、100、160 cm處的土壤表層以下3 cm處各布設一個溫度探頭。

式中：m為所需裝土質量（kg）；B為干容重，本研究取1.30 g/cm3；w為土壤含水量（%）；l為土槽長（cm）；b為土槽寬（cm）；h為土槽深（cm）。

1.2.2 試驗設計

試驗于2016年10月在西北旱區生態水利工程國家重點試驗室的凍融實驗室。在中國，坡度為 10°～20°的坡地隨處可見，為保證模擬降雨試驗的初始條件一致，本文選擇15°的坡地作為研究對象。查閱研究區王茂溝小流域的降雨分布發現，在該流域開始解凍期，即每年的3月初，均有侵蝕性降雨出現；另外，考慮到在預試驗中當降雨強度較小時未凍土坡面不產流的情況，本文將降雨強度設為3個指標值，分別為0.6、0.9、1.2 mm/min，以確保試驗的順利進行，并保證了模擬降雨強度的梯度變化。降雨歷時自降雨開始至產流后60 min結束。試驗時的降雨水溫和室溫均在15 ℃左右。

1.2.3 試驗步驟

室內試驗分為凍土坡面模擬降雨試驗和未凍土模擬降雨試驗 2個階段。前期預試驗的結果發現，將試驗小車推入凍土裝置，在–18～–22 ℃環境下連續凍結 24 h時，距離土體表層下3cm的溫度為–6℃左右，整個坡面所有土體的溫度均在–2～–3 ℃，即所有土體中的液態水分都變成固態冰晶，故在模擬降雨試驗開始前，凍土坡面的土壤含水率（土壤中液態水的含量）為0，而對照坡面的含水量在 15%左右。因此，在預試驗的基礎上，文中將填土后的試驗土槽上部覆上塑料薄膜，一方面防止土壤凍干分散，另一方面阻止空氣中的水源補給在坡面表層形成固體冰晶。然后將試驗小車推入凍土裝置，在–18～–22 ℃環境下連續凍結24 h，保證每次土槽中所有土體凍結狀態的一致性。與此同時，對降雨強度進行率定，當率定降雨均勻度大于 85%，且實測降雨強度與目標降雨強度的差值小于5%時，即可進行后續正式降雨試驗。隨后將凍土系統中的土槽小車推出并放在模擬降雨裝置下進行模擬降雨試驗。每組試驗重復 2次，試驗結果取 2次試驗數據的平均值。從坡面出口開始有徑流產生起，用具有刻度、統一規格的塑料小桶每分鐘收集 1次徑流泥沙樣，通過刻度讀取桶內渾水體積后采用烘干法測得每分鐘的產沙量，并計算出泥沙體積，最后用渾水體積減去泥沙體積后得到每分鐘的徑流量。

1.2.4 數據處理與分析方法

數據采用Excel 2010錄入整理，Origin Pro 8.0進行繪圖制作。

2 結果與分析

2.1 凍土坡面、對照坡面降雨徑流過程

表 1為坡面徑流量、侵蝕量及主要時刻統計表。由表 1可以看出，降雨強度對初始產流時間影響顯著；當雨強由0.9 mm/min增加為1.2 mm/min時，凍土坡面（FS）、對照坡面（CK）產流時間分別減小了2.9、15.2 min。對比相同降雨強度條件下凍土坡面和對照坡面的產流時間發現，凍土坡面的產流時間相對較小，1.2 mm/min、0.9 mm/min雨強條件下凍土坡面（FS）的產流時間相對于對照坡面（CK）分別提前了6.4、18.7 min。隨著降雨強度的增加，坡面徑流量明顯增大，當雨強由0.9 mm/min增加為1.2 mm/min時，凍土坡面（FS）、對照坡面（CK）徑流量分別增加了0.69倍、0.66倍。對比2種坡面徑流量發現，凍土坡面（FS）徑流量明顯大于對照坡面（CK），0.9、1.2 mm/min雨強條件下凍土坡面（FS）是對照坡面（CK）徑流量的1.19和1.16倍。在雨強為0.6 mm/min條件下，對照坡面（CK）未產流，土壤水分全部入滲，而凍土坡面由于凍結層的存在，在降雨強度很小的條件下產生了徑流。

表1 坡面徑流量、侵蝕量及其主要時刻Tab.1 Slope runoff, erosion and its main moments

圖2表示坡面產流過程。由圖2可以看出，降雨初期坡面產流強度迅速增加，而在降雨后期逐漸趨于穩定，且坡面產流強度隨降雨強度的增加而顯著增大。坡面產流后，凍土坡面（FS）徑流量很快達到穩定狀態，而對照坡面（CK）需要很長時間才能達到穩定狀態。在1.2 mm/min雨強下，產流開始后的1～10 min，產流強度迅速增大，凍土坡面（FS）的產流強度迅速接近于1 L/(m2.min)，而對照坡面（CK）隨產流歷時的增加逐漸接近于 0.7 L/(m2.min)，始終大于對照坡面（CK）。在0.9 mm/min條件下，凍土坡面（FS）產流強度在第15 min左右趨于穩定，而對照坡面（CK）則一直呈現逐漸增大的趨勢，在第53 min時才趨于穩定。說明凍層的存在一方面減小了坡面匯流時間，另一方面增加了坡面的產流強度，從而導致坡面產流強度增加。坡面徑流量過程不同主要是以下兩方面共同作用的結果：一是坡面凍層的存在導致入滲率減小，從而導致凍土坡面產流量增大；二是試驗設計的土壤初始含水量為 15%，相對較小，在試驗初期入滲率較大，但隨著降雨強度的增加，土壤入滲率顯著降低，地表徑流隨之增加。圖 2中最后一個測次表示模擬降雨結束后坡面上剩余的徑流量，因此該數值顯著減小。

圖2 坡面徑流強度隨產流歷時的變化Fig.2 Change of slope runoff intensity with runoff duration

2.2 凍土坡面、對照坡面侵蝕產沙過程

由表 1可以看出，坡面侵蝕量隨著降雨強度的增加而增加；當雨強由0.9 mm/min增加到1.2 mm/min時，凍土坡面（FS）、對照坡面（CK）的侵蝕產沙量分別增加了0.46倍和1.37倍。雖然2種處理下的坡面均發生了細溝侵蝕，但 2種坡面處理在相同水力條件下細溝侵蝕出現的時間相差較大（表1），侵蝕結果也相差較大（圖3）。

由圖3可以看出，對照坡面（CK）形成的細溝較短，深度較淺，而凍土坡面（FS）細溝發育水平較高，細溝較長。細溝的發育速度和程度直接影響坡面侵蝕的強烈程度。隨著雨強的增加，2種坡面的產流時間、跌坎、細溝出現時間均有所縮短。相對于對照坡面（CK），凍土坡面產流時間、細溝出現時間縮短，更易產生地表徑流，也更容易形成細溝。凍土坡面（FS）侵蝕量遠大于對照坡面（CK），在1.2、0.9 mm/min條件下凍土坡面的產沙量分別是對照坡面（CK）的6.40、10.40倍。這說明凍土層阻水作用對水力侵蝕影響顯著。

圖3 兩種坡面雨后地形特征Fig.3 Terrain features of two slopes after rainfall

由對照坡面（CK）產沙過程發現(圖3b），黃綿土坡面一般較難形成細溝，在試驗條件下，產流后32 min和42 min時，才出現細溝（表1），但細溝一旦形成，坡面侵蝕則顯著加劇。經統計發現，凍土坡面（FS）在細溝出現之后的侵蝕量分別占總侵蝕量的 92.02%(1.2 mm/min)、83.87%(0.9 mm/min)和79.33%(0.6 mm/min)；而對照坡面(CK)則占 83.93%(1.2 mm/min)和 65.48%(0.9 mm/min)，相對凍土坡面，其占比有所降低。

對比兩種坡面產沙過程發現，凍土坡面產沙過程中凍層的阻水作用一方面縮短了細溝出現時間，凍土坡面分別在13 min和20 min形成細溝（表1），相比對照坡面（CK）分別縮短了18、22 min，即細溝出現時間提前，坡面產沙強度增幅較大，侵蝕加劇，且凍土坡面細溝侵蝕量占總侵蝕量的79%～92%；另一方面，增加了坡面地表徑流（表 1），導致侵蝕動力相對較大，侵蝕產沙強度較大。

圖4表示2種坡面狀態下的侵蝕產沙變化過程。由圖 4可以看出，根據侵蝕產沙過程并結合試驗現象發生過程，本文將凍土坡面的坡面侵蝕產沙過程可以分為 3個階段，以1.2 mm/min為例，第一階段，侵蝕以面蝕為主（0～10 min），產沙量主要來源于坡面細溝間侵蝕，產沙強度較小，均值僅為95.14 g/(m2·min)；第二階段，坡面逐漸出現細小的溝道（10～18 min），坡面迅速發育，侵蝕量迅速增加，此階段產沙強度均值為251.18 g/(m2·min)；第三階段，細溝侵蝕不斷發展階段（18 min以后），細溝發育漸趨穩定，產沙強度的增長幅度減小，均值約為391.36 g/(m2·min)，這一階段產沙量的變化隨著溯源侵蝕、崩塌等的出現發生劇烈的上下波動現象。對照坡面的產沙過程也可分為3個階段，第一階段（0～25 min），主要以面蝕為主，侵蝕量較低，均值為9.36 g/(m2·min)，僅為凍土坡面均值的1/10；第二階段（25～54 min），坡面逐漸出現細溝侵蝕，侵蝕量劇烈增加，這一階段侵蝕強度的均值為71.36 g/(m2·min)，僅為凍土坡面的0.28倍，第三階段，細溝發育逐漸穩定，侵蝕也漸趨平穩，侵蝕強度的均值為119.43 g/(m2·min)，約為凍土坡面的3/10。兩種坡面的侵蝕過程類似，所不同的是，凍土坡面的細溝出現時間較短，坡面產沙侵蝕強度較大，且細溝發育較為迅速。圖 4中最后一個測次表示模擬降雨結束后坡面上剩余徑流所產生的侵蝕量，故該數值顯著減小。

坡面侵蝕產沙量出現的跳躍式增加，可能與細溝發育位置和侵蝕方式有關：坡面在15°條件下，降雨產生徑流在出口匯集，導致坡面底部出口處徑流量大，首先會在坡面底部形成多個跌坎，而后形成細溝，產沙強度增加；伴隨著降雨的繼續，細溝不斷發育，主要表現形式為溯源侵蝕和邊壁坍塌，侵蝕進一步加劇；到降雨后期，產沙量顯著增大（圖3b），這與細溝的溯源、下切侵蝕加劇以及大量的滑塌現象有關。

圖4 坡面產沙強度隨產流歷時的變化過程Fig.4 Change of slope sediment intensity with runoff duration

2.3 凍土坡面、對照坡面的水沙關系

WEPP模型的基本理論將坡面侵蝕分為細溝間侵蝕和細溝侵蝕兩類，其中細溝間侵蝕以降雨侵蝕為主，而細溝侵蝕以徑流侵蝕為主[28]。結合以上理論，并參考文獻[29]中的相關理論以及文中的試驗現象，以細溝出現時間為界限，將整個坡面侵蝕過程分為細溝間侵蝕和細溝侵蝕 2個階段，并分別對試驗中各場降雨的累計產沙量和累計徑流量的相互關系進行函數擬合，發現累計徑流量和累計產沙量間的關系滿足y=kx+b的線性函數形式（y為累計產沙量，x為累計徑流量），決定系數均在97%以上（表2）。

表2 累計徑流量和累計產沙量的擬合方程Tab.2 Cumulative runoff and cumulative sediment yield fitting equation

由數學概念與實際徑流產沙的物理意義可知，k＞0，即累計產沙量隨累計徑流量的增大而增大，由此定義系數k為產沙速率系數，對比所有降雨場次的函數關系，發現系數 k存在一定的變化規律。在細溝間侵蝕階段的 k值始終均小于細溝侵蝕階段；對照坡面k值遠遠小于凍土坡面，在細溝間侵蝕階段，凍土坡面的k值是對照坡面的8.48倍（1.2 mm/min）、9.02倍（0.9 mm/min），而在細溝侵蝕階段，則分別為3.68倍和7.50倍。另外，分析不同雨強下的凍土坡面的k值發現，隨著雨強的增加，k值呈現先增大后減小的規律，在0.9 mm/min雨強下的k值最大；而對照坡面在細溝間侵蝕階段，1.2 mm/min雨強下k值小于0.9 mm/min雨強下，在細溝侵蝕階段則相反，這可能與降雨過程中坡面解凍速率、解凍深度以及侵蝕發展程度等有關。

3 討論

土壤剖面上的溫度變化是影響和反映凍融作用的主要因素之一，可用來直接表征凍融消長過程以及凍土層厚度[30]。圖5表示在降雨強度為0.9 mm/min下，在距離坡面表層土3 cm深處的土體溫度的平均值隨時間的變化規律，試驗中室溫和降雨溫度均在15～20 ℃之間。由圖5可以看出，在模擬降雨試驗過程中，地溫加速升高，其中未凍土坡面土體溫度的升溫幅度較小，平均為0.016 ℃/min，約為自然解凍坡面的1.2倍；而凍土坡面的升溫幅度相對較大，為0.094 ℃/min，約為自然解凍坡面的6倍。

圖5 試驗過程中的兩種坡面表層土壤（3cm）溫度變化Fig.5 Change of surface soil (3cm) temperature of two slopes during experiment

凍土坡面與未凍土坡面產流強度與地表凍結層解凍有關：在降雨開始后的初始階段，凍土坡面表層土體溫度較低（圖 5），坡面處于凍結狀態，入滲率較小，因此產流強度較大，產流量較大；隨著降雨的持續進行，坡面土體溫度增加，表層一定厚度內的凍結土壤逐步解凍（溫度在 0 ℃以上）（圖 5），導致降雨后期兩種坡面的產流強度基本接近。對于凍土坡面來說，侵蝕產沙量會隨著坡面解凍速率的增加而增加，在降雨過程中，表層凍土層的存在會降低入滲、增大地表徑流，增加侵蝕能力，而徑流的增加又反過來作用于坡面凍土，促進坡面的解凍，促使坡面源源不斷的釋放出侵蝕物質，兩者相互聯系、相互作用加速促進了侵蝕的發生。

全球氣候變化會造成季節性凍融地區局部凍土區提前消融，從而改變該區的水力侵蝕情況。因此，對于凍結土壤與未凍土壤的可蝕性差異的研究將為預測局部區域水蝕變化提供理論依據。然而，由于室內模擬試驗受試驗裝置和試驗條件的限制，文中所用的土槽尺寸較小，其坡面產流產沙規律只能夠簡單反映局部地區的坡面侵蝕規律，與大尺寸坡面侵蝕有很大區別，并不足以系統完整的反映坡面侵蝕過程，還需要進行大尺度坡面的驗證。同時，考慮到室內模擬試驗的局限性以及凍融-水力復合侵蝕的諸多影響因素，在后續的研究中應考慮更多內容。

4 結論

1）在室內模擬降雨條件下，凍土坡面的初始產流時間相對于對照坡面提前，在0.9，1.2 mm/min雨強下相對對照坡面提前了 18.7，6.4 min。且凍土坡面徑流量、侵蝕量均遠大于對照坡面，在0.9，1.2mm/min雨強下徑流量分別是對照坡面的 1.16、1.19倍，侵蝕量分別是對照坡面的10.39，6.39倍。凍土坡面和對照坡面的產流產沙過程存在明顯顯著，凍土坡面和對照坡面產流過程均呈現在產流開始后迅速增加后漸趨平穩的趨勢。

2）2種坡面的產沙過程可以分為面蝕、面蝕向溝蝕過渡以及溝蝕 3個階段，產沙過程的變化趨勢為，緩慢增加、迅速增大后漸趨穩定凍土坡面細溝侵蝕量在坡面總侵蝕量上的占比大于對照坡面，且相對于對照坡面（CK）細溝出現時間分別提前了18、22 min。

3）2種坡面累計徑流量與累計產沙量之間滿足y=kx+b的線性關系，在細溝間侵蝕階段，凍土坡面的 k值是對照坡面的 8.48倍（1.2 mm/min）、9.02倍（0.9 mm/min），而在細溝侵蝕階段，則分別為3.68倍和7.50倍。

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