模擬降雨條件下不同礫石含量工程邊坡土壤侵蝕及水動力學特征

楊 興, 張家喜, 彭培好, 王明田, 李 偉

(1.成都理工大學 地球科學學院, 四川 成都 610059; 2.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所 山地表生過程與生態調控重點實驗室, 四川 成都 610041;3.成都理工大學 生態資源與景觀研究所, 四川 成都 610059; 4.四川省氣象臺, 四川 成都 610072)

國家對交通建設的投資力度不斷加大，對改善區域交通條件，促進區域經濟發展起著至關重要的作用。但在地質條件復雜的西南高山—亞高山地區，在公路建設過程中不可避免地切挖山體導致大量的裸露高陡土石邊坡，不僅改變了原有山體的生態環境與巖土結構，使工程邊坡土壤及其養分極易流失，還嚴重影響了沿線公路運輸安全[1-2]。工程建設會破壞原有的土體結構和表層土壤環境，導致雨滴對土壤表層的直接沖擊和地表徑流對土壤沖擊攜帶的能力的增強，嚴重影響工程邊坡土壤理化性質和生態環境的穩定性[3]。土壤侵蝕不僅會帶走大量用于植被生長的土壤，還會使土壤中氮、磷、鉀、有機質等養分大量流失。

礫石會增加土壤容重、孔隙度、剪切力等，導致土體下滲率增大，影響土體水分運移規律[4-5]。礫石使土壤表面較為粗糙而具有較高的攔截徑流的能力，并減緩了地表徑流的運移[6]。礫石的粒徑、含量、形態、間距等對徑流的運動特征具有重要的影響[7-9]。然而也有研究認為，礫石對土壤侵蝕的影響還是復雜的和矛盾的，這取決于巖石碎片的特征及徑流狀況[10-11]。綜上所述，由于雨強、礫石含量、土壤類型、坡度、含水量等不同，礫石對坡面侵蝕的影響存在巨大差異[12-16]，而目前針對嵌套礫石邊坡研究多為坡度較低，礫石含量不高的坡耕地或工程堆積體[17-19]。西南高山—亞高山地區廣泛存在的工程坡面具有裸露、高坡度、高礫石含量的特點。高坡度狀況下不僅導致土壤因剪切力較大帶來的土體不穩定，而且會使得坡面徑流對坡面土壤結構沖擊和搬運能力加強。表層的礫石會降低雨滴的濺蝕能力和徑流對土壤結構的沖擊，土體中的礫石會加大土壤的孔隙度從而減少地表徑流量。本研究通過對在高坡度、高礫石含量下的工程邊坡侵蝕特征進行研究，分析不同雨強、坡度、礫石含量等對工程邊坡徑流的水力學參數和土壤侵蝕特征的影響，旨在為西南高山—亞高山區工程邊坡水土保持、土壤重建、生態恢復提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗所用土壤樣品于2018年11月采自四川省瀘定縣二郎山西坡G318國道工程邊坡表層土，類型屬于棕壤，為間棕色；下層黃棕色、棕褐色；土層深厚，但層次過渡不明顯；上層為中壤質，下層為黏壤質；土體中夾礫石極多；母質多為花崗巖沉積物；土壤近中性或微酸性，pH值約5.4～6.2[20]通過結合研究區工程邊坡具體的土壤及礫石狀況，對邊坡土壤進行風干、過篩、分選、混合等處理，分別過0.2，0.5，1，2，4和6 cm樣品篩，制備<0.2 cm土壤和0.2～0.5 cm，0.5～1 cm，1～2 cm，2～4 cm，4～6 cm這5種粒徑礫石并按照體積比2.2∶3.0∶2.3∶1.7∶0.8比例將礫石裝袋混合。

1.2 試驗設計

研究于2018年12月采用室內人工模擬降雨試驗的方法，在中國科學院萬州典型區生態環境監測重點站人工模擬降雨大廳進行，采用4 m高下噴式降雨裝置，降雨強度通過壓力表調節，雨強可調至20～150 mm/h，兩臺降雨機并排降雨，降雨均勻度達到80%，滿足試驗要求。試驗土槽為自主設計及制作的聚丙烯土槽，規格為長1 m，寬0.4 m，深0.25 m，底部均勻打孔(2 mm)，坡度變化范圍為0°～75°。通過結合研究區工程邊坡地形、氣候、土壤等條件，設置5種礫石含量：3%，15%，35%，55%，75%；設置3種雨強：40，60和80 mm/h；坡度：50°。用噴壺噴霧及Delta-T(HH2)便攜式水分測試儀將土壤相對含水率控制在7.5%～10%范圍內。為使土壤透水狀況接近天然坡面，底層鋪設粒徑5 mm厚粗沙。土壤采取分層填土的方式進行裝填，每層5 cm并打毛處理，填充后壓實并通過稱重法使土壤容重控制在1.18～1.34 g/cm3范圍內。試驗前對降雨強度進行10 min率定，每天進行2場降雨，每場降雨1～2 h。為避免模擬降雨后土壤理化性質的改變對試驗的影響，每次試驗后將土壤取出并重新配比裝填新的試驗土壤。

1.3 樣品收集與分析

模擬降雨開始后計時，用精度0.01 s的秒表記錄初始產流時間。坡面產流后進行歷時65 min的地表徑流及泥沙收集，并用秒表記錄時間，前10 min時間段每2 min采集一次樣品，之后每5 min收集一次樣品。同時用高錳酸鉀染色劑測定流速。試驗樣品靜置24 h，用量筒測量地表徑流，將試驗樣品裝入鋁盒并放入105 ℃烘箱中烘干，稱量。相關計算公式為：

(1) 徑流深(h)。測量時段內坡面平均徑流水深，計算公式為：

(1)

式中：h——徑流深(m)；q——t內時間的徑流量(m3)；t——徑流取樣時間(s)；V——斷面平均流速(ms)；b——過水斷面寬度(m)。

(2) 土壤侵蝕率(Dr)。坡面徑流在單位時間內所輸移出的泥沙質量，計算公式為：

(2)

式中：Dr——土壤侵蝕率(g/s);Mt——測量時段t內的所運移出的泥沙含量(g);t——接樣時間(min)。

(3) 徑流率(Q)。坡面在降雨條件下單位時間內所產生地表徑流的體積，計算公式為:

(3)

式中：Q——徑流率(ml/min)；t——接樣時間(min)；Dt——接樣時間t內的徑流含量(ml)。

(4) 徑流剪切力(τ)。徑流在流動時對坡面土壤剝蝕大小的參數，計算公式為：

τ=γmgRJ

(4)

式中：τ——徑流剪切力(Pa或N/m2);γm——渾水密度(kg/m3)，考慮了含沙量的影響；g——重力加速度，取9.8 m/s2；R——水力半徑(m)，薄層水流可視為二元流，水力半徑近似于等于斷面平均水深；J——水力坡度，用坡度的正切值近似代替。

(5) 徑流功率(ω)。表征作用于單面水流所消耗的功率，水流流動時挾沙能力的參數，計算公式為：

ω=τ·V

(5)

式中：ω——徑流功率〔N/(m·s)〕，是徑流剪切力(包含坡度、水深)和流速的函數，包含了徑流剪切力和流速的影響；V——坡面水流速率(m/s)。

(6) 過水斷面單位能(E)。以過水斷面最低點做基準面的單位水中的動能和勢能之和，計算公式為：

(6)

式中：E——過水斷面單位能；α——校正系數，取值為1；h——平均徑流水深。

采用SPASS 25.0，Excel軟件進行試驗數據分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同礫石含量工程邊坡徑流特征

2.1.1 初始產流時間 初始產流時間是指坡面開始接受降雨至坡面形成薄層水流的時間，受坡面土壤特性、坡度、坡長等綜合效應的影響，工程坡面中礫石通過改變土壤孔隙狀況和坡體地貌微形態對坡面產流過程產生影響[20]。由表1可知，在不同的降雨強度下，隨著試驗坡面礫石含量的增加，坡面產流時間均隨之減少。其中在40 mm/h雨強條件下，產流時間隨著礫石含量增加減少了2.5～7.65 min；在60 mm/h雨強條件下，產流時間隨礫石增加減少了2.13～3.14 min；在80 mm/h雨強條件下，產流時間隨著礫石含量增加減少了0.64～1.79 min。回歸分析表明，各礫石含量坡面初始產流時間與雨強均呈線性函數關系(R2=0.604，p<0.05)。當礫石含量較低時，土體結構較為緊密，高坡度下，重力作用導致地表徑流下滲力降低，濕潤峰達到一定值后難以繼續下移，坡面徑流匯集時間較短[21]，隨著坡面土壤礫石含量的增加，坡面土體容易形成較多聯通的大孔隙，坡面下滲能力較強，且濕潤峰持續下移，水份入滲量隨著礫石含量的增大而增加。

表1 不同礫石含量下工程坡面產流時間

2.1.2 徑流率 由圖1可知，不同降雨強度下，工程坡面徑流率及其隨降雨歷時變化幅度均隨著坡面土壤礫石含量的增加而減少，坡面徑流率變化過程具有明顯差異性。雨強為40 mm/h時，隨著礫石含量增加，坡面徑流率減少了0.048～0.55 ml/s，坡面徑流率較低且隨降雨歷時整體呈現緩慢且平穩增長的趨勢；當雨強為60 mm/h時，坡面徑流率下降率為0.44～0.71 ml/s，坡面徑流率呈現出迅速增加后趨于穩定的趨勢；當雨強為80 mm/h時，坡面徑流率下降率為0.28～1.21 ml/s，坡面徑流率整體呈現出迅速增長后波浪式緩慢上升的趨勢。這是由于地表礫石的覆蓋對生物結皮具有一定的影響[22-23]；隨著礫石含量的增加，重力作用下坡體土壤剪切力的增大使坡面產生較多裂縫，這不僅使土壤孔隙數量增加而且土壤顆粒與礫石結構慢慢變得疏松，礫石與土壤—的入滲面也隨之增加；同時礫石含量的增加使水分下滲深度增加，促進壤中流的發生，表層礫石的分流作用也使得坡面徑流流速大幅降低[24]。

圖1 不同雨強和礫石含量下土壤徑流率隨產流歷時變化過程

2.1.3 徑流水動力參數變化規律 圖2為各實驗條件下的水動力學參數狀況。

圖2 各實驗條件下水動力學參數

從圖2可以看出，在5種坡面礫石含量下，徑流剪切力、徑流功率和過水斷面單位能均隨降雨強度的增加而不同程度的增加。徑流剪切力分別增加17.3%～24.6%，13.8%～41%；徑流功率分別增加了52%～82%，47.7%～75.2%；過水斷面單位能分別增加了49.2%～101.6%，55.8%～88.9%。在3種降雨強度條件下，徑流剪切力、徑流功率和過水斷面單位能均隨礫石含量的增加而明顯減少。徑流剪切力分別減少6.4%～13.5%，8.3%～12%，8.5%～18%；徑流功率分別減少了13.5%～18.2%，16%～23%，16.2%～29.4%；過水斷面單位能分別減少了16.0%～18.4%，12.6%～25.1%，14.1%～24.6%。通過回歸分析表明，各降雨強度下徑流剪切力與礫石含量均呈顯著線性函數關系(R2=0.971～0.992，p<0.05)；徑流功率與礫石含量均呈顯著對數函數關系(R2=0.928～0.949，p<0.05)；過水斷面單位能與礫石含量均呈顯著線性函數關系(R2=0.944～0.973，p<0.05)。隨著雨強的增加，坡面徑流量隨著增加，徑流流速及其徑流深度隨著增加。坡度較大，重力作用導致坡面徑流流速較快，同時礫石含量的增加使坡面土壤入滲率增加，坡面徑流量的降低導致坡面平均徑流深度隨著減少。同等降雨條件下礫石覆蓋大大增加了工程坡面的地表粗糙度，礫石對水流具有分流及阻礙作用，一方面礫石將坡面徑流分成細小的溝流，另一方面礫石對向下運動的水流具有阻礙和能量消耗作用，礫石含量增多坡面流速明顯降低[25-26]。

2.2 不同礫石含量工程邊坡侵蝕特征

2.2.1 侵蝕率隨降雨歷時變化特征 由圖3可以看出，坡面侵蝕率隨著礫石含量的增加而減小，不同降雨強度下侵蝕率大小及變化過程具有明顯差異。當雨強為40 mm/h時，隨著礫石含量增加侵蝕率減少了0.001 3～0.015 5 g/s，坡面整體侵蝕率較低，隨降雨歷時整體呈現出緩慢增加的趨勢；當雨強為60 mm/h時，隨著礫石含量增加侵蝕率減少了0.021～0.037 g/s，侵蝕率在10～15 min時達到峰值，其中當礫石含量為3%和15%時，侵蝕率迅速增加后后波浪式緩慢上升，當礫石含量≥35%后，侵蝕率迅速達到峰值后開始緩慢下降；當雨強為80 mm/h時，隨著礫石含量增加侵蝕率減少了0.015～0.046 g/s，其中礫石含量為3%時，坡面侵蝕率1～15 min迅速增長后增長速率變緩慢，55 min時達到峰值后開始下降，當礫石含量≥15%時，邊坡侵蝕率在8～12分鐘迅速達到峰值后都開始緩慢下降。隨著雨強的增加，不同礫石含量工程坡面侵蝕率也隨著增加，當雨強由40 mm/h增至60 mm/h時，侵蝕率增加了0.041～0.124 g/s(360%～520%)；但雨強由60 mm/h增至80 mm/h時，侵蝕率增加了0.002～0.021 g/s(15%～40%)。坡面侵蝕率增速隨著礫石含量增多而降低。

2.2.2 礫石含量對侵蝕量的影響 如圖3所示，不同礫石含量工程邊坡降雨侵蝕量與雨強呈冪函數關系(p<0.05)。工程坡面土壤侵蝕量在不同雨強下均隨著礫石含量的增多而減小，在40，60，80 mm/h雨強下，隨著坡面礫石含量的增多侵蝕量分別減少了15.0～62.5 g，78.7～145.6 g，58.6～108.9 g；土質坡面侵蝕量分別是的礫石含量為15%，35%，55%，75%礫石的1.19～1.21倍，1.41～2.15倍，2.1～2.86倍，2.55～3.79倍。

逐步回歸分析工程邊坡降雨侵蝕量與雨強和礫石含量的關系表明，降雨侵蝕量與雨強及礫石含量呈極顯著線性關系：

H=9.36I-4.51G-67.309

(R2=0.834，p<0.01，N=16)

(7)

式中：H——工程邊坡侵蝕量(kg)；I——為雨強(mm/h)；G——礫石含量(%)。

圖3 不同雨強和礫石含量下土壤侵蝕量及侵蝕率隨產流歷時變化過程

2.3 工程邊坡土壤侵蝕率Y與徑流特征的關系

圖4為邊坡土壤侵蝕率與各徑流特征參數的關系，通過對試驗所得徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能與侵蝕率進行相關性分析及回歸分析，相關性分析表明，工程邊坡土壤侵蝕率與徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能均呈顯著或極顯著正相關關系，相關系數依次為0.860，0.922，0.869和0.890，徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能對土壤侵蝕率有顯著影響；回歸分析表明，工程邊坡土壤侵蝕率與徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能呈顯著冪函數或線性函數關系，具體變化方程式如圖4所示。

圖4 土壤剝蝕率與水動力學參數的關系

3 討論與結論

(1) 工程坡面所含礫石增加了土壤入滲率并降低了徑流流速，產流時間隨礫石含量的增加而延長并與雨強呈線性函數關系；徑流率隨著礫石含量的增多而減少，不同雨強下，徑流率隨降雨歷時變化過程具有明顯的差異。不同雨強下徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能與礫石含量均呈極顯著負相關關系。

(2) 坡面侵蝕量隨著礫石含量的增加而減小，降雨侵蝕量與雨強及礫石含量呈極顯著線性關系；不同雨強和礫石含量下，坡面徑流率大小及變化過程具有明顯的差異性，隨著坡面土壤礫石含量的增多，徑流率變化幅度減少，坡面侵蝕量逐漸下降；坡面礫石具有抗侵蝕作用。

(3) 工程邊坡土壤侵蝕率與徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能均呈顯著或極顯著正相關關系，徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能對工程邊坡土壤侵蝕有顯著影響，回歸分析表明，工程邊坡土壤侵蝕率與各水動力學參數呈顯著冪函數或線性函數關系。

礫石對工程邊坡土壤侵蝕及水動力學特征的影響不僅取決于礫石含量，也取決于礫石的粒徑及其形狀，后者對徑流入滲特征、坡面徑流具有重要影響。本文僅基于50°短坡下的模擬試驗結果開展不同礫石含量和雨強對工程邊坡土壤侵蝕的影響研究，但實際上工程邊坡坡度、坡長對于工程邊坡土壤侵蝕也存在顯著影響。因此，今后仍需針對不同坡長、坡度、礫石粒徑及其形狀、植被覆蓋等因素對工程邊坡土壤侵蝕特征的影響進行深入研究。