降雨和匯流條件下淺溝侵蝕過程試驗研究

吳桐嘉, 潘成忠, 羅明杰, 劉春雷, 汪嘯宇

(北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院 水沙科學(xué)教育部重點實驗室, 北京 100875)

土壤侵蝕是世界范圍內(nèi)的主要環(huán)境問題[1]。我國黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，是世界上土壤侵蝕問題最嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。淺溝侵蝕在黃土丘陵溝壑區(qū)占有重要地位，其侵蝕量約占溝間地總侵蝕量的70%[3]。相對于黃土高原地區(qū)片蝕和細(xì)溝侵蝕研究[4,5]，淺溝侵蝕研究還有待加強[6]，而淺溝侵蝕對于明晰黃土高原地區(qū)的坡溝侵蝕產(chǎn)沙機制具有重要意義。目前，對淺溝侵蝕發(fā)生的臨界坡長與坡度及其影響因素、匯水面積、淺溝橫斷面形態(tài)等方面的調(diào)查統(tǒng)計分析已經(jīng)取得了一定進展[7-9]。現(xiàn)有研究將淺溝侵蝕的影響因素總結(jié)為地形因子、侵蝕動力因子阻控因子[7]。秦偉等[8]基于RS和GIS技術(shù)提取了地形參數(shù)，認(rèn)為坡長、坡度和匯水面積決定了淺溝侵蝕的發(fā)展。基于已有研究和室內(nèi)模擬降雨開展小尺度的淺溝侵蝕模擬試驗，淺溝侵蝕預(yù)報模型的建立也取得了一定進展[7,10-11]。但是，關(guān)于坡面含沙水流匯入對野外坡耕地淺溝的徑流產(chǎn)沙和侵蝕形態(tài)綜合影響方面的研究還較少[7-11]。在當(dāng)前國家實行退耕還林還草這一重大生態(tài)工程背景下，植被恢復(fù)會顯著改變淺溝的來水來沙條件以及淺溝的侵蝕輸沙過程[12]，研究淺溝侵蝕產(chǎn)沙變化規(guī)律對含沙水流的響應(yīng)，對于如何科學(xué)合理布設(shè)淺溝及坡面林草措施具有重要指導(dǎo)意義。為此，本研究通過野外模擬試驗減少土壤擾動，對比研究降雨和有含沙水流匯入對淺溝侵蝕產(chǎn)沙變化規(guī)律，揭示裸坡和退耕還林還草坡面上含沙水流的匯入對淺溝侵蝕產(chǎn)沙過程及淺溝形態(tài)發(fā)育的影響，以期為該地區(qū)淺溝侵蝕治理提供理論依據(jù)，并為坡溝系統(tǒng)的土壤侵蝕模型建立奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

野外試驗在北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室懷來野外試驗站(40°20′N，115°37′E)開展。

試驗站內(nèi)徑流小區(qū)大小為2 m×5 m，其土壤類型為次生黃土母質(zhì)發(fā)育的褐土，土壤容重為1.40 g/cm3。土壤的基本性質(zhì)詳見表1，土壤粒徑采用MS 2000型激光粒度分析儀測定。

表1 試驗土壤機械組成

1.2 試驗裝置

為了模擬淺溝侵蝕，在徑流小區(qū)內(nèi)部人工構(gòu)建了一個淺溝模型(長4.5 m，寬1 m，深0.3 m)，橫截面近似于V形，兩側(cè)寬為0.5 m(圖1)。

徑流小區(qū)的頂部安裝了由聚氯乙烯(PVC)材料(長2.0 m，直徑0.15 m)制成的穩(wěn)流管，穩(wěn)流管內(nèi)側(cè)有一排等間距(1 cm)的小圓孔。緊靠穩(wěn)流管下端裝有長0.5 m，寬2 m的穩(wěn)流板。

坡面匯水從進水管中進入穩(wěn)流管通過小圓孔和穩(wěn)流板溢流過渡后流入小區(qū)。

該裝置有效地保證了水流均勻、穩(wěn)定的流入小區(qū)。降雨器采用的是中國水土保持研究所開發(fā)的便攜式降雨模擬器。

1.3 試驗設(shè)計

考慮到黃土高原地區(qū)短歷時暴雨侵蝕的特點，選取了60 mm/h的降雨強度和15 L/min的放水流量，水流含沙濃度為20，40和80 g/L。為了保證淺溝侵蝕充分發(fā)育，降雨和放水歷時都為60 min。由于淺溝通常出現(xiàn)在15°～35°的坡面上[8]，因此本文試驗坡度設(shè)定為淺溝出現(xiàn)的臨界坡度15°。為了研究已進行退耕還林還草坡面上的淺溝對含沙水流匯入的響應(yīng)，在徑流小區(qū)內(nèi)種植了當(dāng)?shù)爻Ｒ娔敛莶ㄋ咕铡２ㄋ咕站哂休^高的耐旱性和景觀效益，廣泛應(yīng)用于減少洪水和侵蝕風(fēng)險，已有研究表明其具有較好的徑流泥沙攔截效益[13]。經(jīng)過兩年的生長，草種高約30 cm，目視觀察覆蓋率為50%。具體試驗設(shè)計詳見表2。

圖1 淺溝侵蝕徑流小區(qū)示意圖

表2 試驗設(shè)計參數(shù)

為了研究小區(qū)內(nèi)不同部位的侵蝕情況，在小區(qū)淺溝部位布設(shè)了45根侵蝕針。侵蝕針列間距為0.25 m，行間距為0.5 m(圖1)。每根侵蝕針刻度范圍為-15～15 cm，最小間隔為0.5 cm。在每次試驗之前，將侵蝕針垂直插入傾斜坡面，使“0”刻度線恰好落在坡面上[14]。同時，為了減少侵蝕針的迎水面積，使侵蝕針寬度方向和小區(qū)長度方向平齊。為了最大限度的降低風(fēng)的擾動，所有的試驗均在夏季凌晨5點左右開展，此時風(fēng)速基本小于0.3 m/s。每次試驗結(jié)束后，將小區(qū)自然放置一段時間，待小區(qū)的土壤不再粘結(jié)成塊后，將表層土壤(20 cm)深翻2～3次，取小區(qū)周圍表土適量回填和壓實，同時保證小區(qū)內(nèi)淺溝尺寸和試驗前保持一致。隨后，每天測量3次小區(qū)土壤含水量，直到土壤含水量為12%左右，在第2天進行下1次試驗。試驗開始前，校準(zhǔn)降雨強度和均勻性以滿足試驗要求。每場試驗主要分為3個步驟，第1步是采用60 mm/h雨強進行60 min 降雨。試驗過程中，開始產(chǎn)流后前20 min，由于徑流變化幅度較大，每隔1 min在徑流小區(qū)出口處用塑料桶接一組徑流樣，20 min后徑流變化相對不大，每隔3 min接一組徑流樣，試驗結(jié)束到產(chǎn)流停止再接一組徑流樣，共計21組徑流樣。用染色劑(KMnO4)法測定兩側(cè)坡面和淺溝流速，并用數(shù)碼照相機每隔5 min拍照一次，記錄淺溝形態(tài)的演變過程。對每組徑流樣，測量其體積，用烘干法測定泥沙量。第2步是進行數(shù)據(jù)記錄和準(zhǔn)備，時間為60 min。降雨結(jié)束后，拍照記錄淺溝形態(tài)，用方格紙勾畫淺溝形態(tài)，用于淺溝形態(tài)特征和侵蝕空間分布分析。記錄侵蝕針讀數(shù)，用于淺溝部位侵蝕量的計算。讀取每根侵蝕針正、反兩面標(biāo)志線出露高度或掩埋深度，出露高度(凈侵蝕)記為正，掩埋深度(凈沉積)記為負(fù)，仍在坡面(侵蝕沉積平衡記為0)。侵蝕針正反兩面讀數(shù)差異較大時，取平均值作為最終讀數(shù)。標(biāo)定放水流量，為下一步試驗進行準(zhǔn)備。第3步是是進行降雨(60 mm/h)和放水(15 L/min)相結(jié)合的模擬試驗，時間為60 min。徑流樣，流速和淺溝形態(tài)測定方法與第一步相同。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用侵蝕針法計算淺溝部位的侵蝕量，其原理是每1根侵蝕針的讀數(shù)代表其控制面積內(nèi)的平均侵蝕(沉積)深度。侵蝕針法[15-16]具體表達式為：

(1)

式中：M——一次試驗坡面總侵蝕產(chǎn)沙量(g)；i——侵蝕針編號；di——試驗結(jié)束后i號侵蝕針的讀數(shù)(cm)；n——侵蝕針總數(shù)量；γ——土壤容重(g/cm3)；s——坡面水平投影面積(cm2)；θ——坡度。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺溝侵蝕量

裸坡和草地坡面在降雨條件下的侵蝕產(chǎn)沙量結(jié)果詳見表3。由表3可知，種植了波斯菊的徑流小區(qū)淺溝部位、坡面部位和整個小區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙量分別減少了6.5，1.6和2.6倍。可以看出草地恢復(fù)能夠在降雨條件下顯著減少淺溝部位的侵蝕量。這主要是因為植被能夠攔截雨滴減小雨滴動能，同時植被的恢復(fù)能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤可蝕性，進而減少徑流泥沙。其他研究者在不同地區(qū)、不同植被類型及不同氣候條件也得出了相似結(jié)論[17-19]。和只降雨條件下不同，增加含沙水流匯入后草地對坡面部位的減沙效益更顯著，對淺溝部位的減沙效益降低，徑流小區(qū)淺溝部位的、坡面部位和整個小區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙量分別減少了3.4，11.6和7.2倍。這是因為波斯菊的莖稈會阻礙徑流，改變徑流的流向，水流更容易匯入到中部的淺溝，減少了坡面部位的侵蝕。同時增加了含沙水流和坡面水流的匯入后，淺溝部位匯集的水流增加，流速增加，徑流的搬運能力增強，草地對泥沙的攔截效益下降。因此在降雨加放水條件下草地對淺溝部位泥沙攔截效益下降，對坡面部位的泥沙攔截效益增加。增加含沙水流匯入，對裸坡和草地淺溝坡面的侵蝕量都有顯著影響(表3)。裸坡上增加了含沙水流匯入，整個小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量增加，是只降雨條件下的1.15～1.58倍，其中坡面部位的侵蝕量顯著增加。這一結(jié)論與其他研究學(xué)者[20-21]的研究結(jié)果相似，增加坡面水流匯入會導(dǎo)致淺溝侵蝕產(chǎn)沙量顯著增加。然而在草地坡面上，增加含沙水流整個小區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙量并不是呈現(xiàn)出單一的增加趨勢，在含沙濃度為20和40 g/L時整個小區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙量分別下降了33%和15%，其中坡面部位的侵蝕產(chǎn)沙量顯著減少。這可能是因為草地改變了土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤抗蝕能力，在經(jīng)過一個小時后的降雨，小區(qū)表層易剝離搬運的土壤減少，再進行降雨加放水試驗也無法侵蝕剝離下層土壤。

根據(jù)表3對比淺溝侵蝕在不同植被蓋度、降雨和含沙水流條件下對坡面總侵蝕產(chǎn)沙量的貢獻率可以發(fā)現(xiàn)，裸坡上淺溝部位侵蝕量占總產(chǎn)沙量的43%，草地條件下僅為21%；增加坡面含沙水流匯入后，裸坡上淺溝部位的侵蝕產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的31%，草地條件下為48%，基本不超過50%。在淺溝和坡面投影面積相同的情況下，徑流小區(qū)內(nèi)的總侵蝕產(chǎn)沙量并不是主要受淺溝侵蝕量的影響，而是受到坡面部位侵蝕影響顯著。

表3 徑流小區(qū)內(nèi)部各侵蝕量

2.2 淺溝侵蝕產(chǎn)沙過程

徑流量和泥沙濃度隨時間的變化過程，可以從一個方面反映土壤侵蝕的動態(tài)變化過程。圖2描述了降雨條件下徑流強度和泥沙濃度隨降雨歷時的變化趨勢。總體上，裸坡和草地坡面上，徑流量在降雨條件下表現(xiàn)出一致的規(guī)律：隨著降雨時間的增加，徑流強度逐漸增加，然后達到穩(wěn)定狀態(tài)。不同的是，草地攔蓄徑流效應(yīng)顯著，草地平均徑流為4.73 L/min，最大徑流為5.50 L/min；而裸坡坡面上最大徑流能夠達到8.70 L/min,平均徑流為7.41 L/min。草地坡面的徑流攔蓄率(徑流后期坡面徑流基本穩(wěn)定后的攔蓄率)為36%。增加含沙水流匯入后(圖3)，裸坡坡面上最大徑流能夠達到27.51 L/min,平均徑流為24.22 L/min，草地平均徑流為18.03 L/min，最大徑流為21.23 L/min，與裸坡相比，草地的穩(wěn)定徑流速率降低了26%。這是因為草覆蓋降低了雨滴的動能防止表面土壤密封，草地增加了表面粗糙度阻礙了陸地流動并增加了滲透時間，同時草根提高了土壤入滲能力[22]。其他研究者[23-24]在降雨條件下測得不同類型植被不同蓋度的草地降雨攔蓄率為14%～75%，與本研究結(jié)果相似。如圖2—3所示，在只降雨條件和降雨加放水條件下，泥沙濃度都表現(xiàn)出相似的變化趨勢，即泥沙濃度在產(chǎn)流開始時達到最大值，然后逐漸降低，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)，這與Martinez-Mena等[25]人的研究結(jié)果相同。不同的是裸坡和草地坡面泥沙濃度達到穩(wěn)定所需的時間不同，降雨條件下，裸坡達到穩(wěn)定時所需要的為20～30 min，增加了含沙水流匯入后達到穩(wěn)定所需的時間更久，為40～50 min；而草地泥沙濃度在兩種條件下達到穩(wěn)定所需要的時間都為10 min左右。

圖2 降雨條件下徑流強度和泥沙濃度隨時間變化

2.3 淺溝形態(tài)

在只降雨和降雨加放水條件下的淺溝發(fā)育形態(tài)如圖4所示。在已經(jīng)形成的淺溝上進行降雨試驗，會首先在兩側(cè)坡面以及中間的淺溝溝槽上形成一些斷斷續(xù)續(xù)的不連續(xù)的細(xì)溝，首先在下坡段出現(xiàn)，隨著徑流雨水的匯集，逐步發(fā)生下切侵蝕和溯源侵蝕，向坡中及坡上部位發(fā)育貫通。增加含沙水流匯入后，可以發(fā)現(xiàn)淺溝發(fā)育速度明顯增快，新生成的細(xì)溝迅速貫通整個坡面，溝道下切明顯，形成大量的跌坎，因此增加含沙水流匯入后，無論是草地還是裸坡淺溝部位的侵蝕都有明顯的增加。在試驗條件下淺溝的溝壁擴張都不明顯，淺溝溝壁上出現(xiàn)了很多細(xì)小的紋路和細(xì)溝，并且根據(jù)侵蝕針的讀數(shù)可以發(fā)現(xiàn)溝壁上存在面蝕，但是淺溝的橫向擴張并不明顯，其主要的侵蝕形式為下切侵蝕和溯源侵蝕。和康宏亮等[26]人通過室內(nèi)降雨和野外放水沖刷相結(jié)合的模擬試驗結(jié)果不同，他們發(fā)現(xiàn)淺溝平均溝寬及溝深變化范圍分別為4.45～17.09 cm 和1.88～10.15 cm，溝寬變化幅度更大。這可能是因為康宏亮等人試驗?zāi)M的是雛形淺溝，雛形淺溝發(fā)育初期橫向侵蝕明顯，而已經(jīng)具有明顯寬度和深度的淺溝再次侵蝕發(fā)育則以下切侵蝕和溯源侵蝕為主。結(jié)合圖4和表4可以發(fā)現(xiàn)，草地恢復(fù)顯著減緩了淺溝的發(fā)育速度，尤其是淺溝的下切侵蝕，溝道平均深度減少88%，溝道的寬度減少了25%。

表4 淺溝部位上形成的溝道形態(tài)特征

2.4 淺溝流速

坡面徑流流速是影響坡面侵蝕的主導(dǎo)因子[27]，流速大小的變化影響著徑流攜帶泥沙的能力。如圖5所示，只降雨條件下，隨著水流逐漸匯集，受到的重力分力增加，水流流速加快，流速沿坡面向下基本呈現(xiàn)增加趨勢。裸坡上淺溝部位流速最大為0.27 m/s，草地上淺溝部位的最大流速為0.22 m/s，在坡面各坡段上草地淺溝部位流速和坡面部位的流速分別低于裸坡上相應(yīng)部位的流速。這是因為草地的恢復(fù)提高了土壤的入滲能力，降低了坡面產(chǎn)流，進而使得徑流流速減小。

圖3 降雨加放水條件下徑流強度和泥沙濃度隨時間變化

由于水流的含沙濃度對流速的影響較小，因此將不同濃度的含沙水流條件下各坡段的流速進行平均。從圖5可以看出，增加了坡面含沙水流匯入后，裸坡上淺溝部位、坡面部位流速以及草地上淺溝部位B，C斷面的流速略高于D斷面的流速。主要是因為隨著徑流搬運能力的提升，逐漸剝蝕坡面表層的土壤，會在D坡段的坡面和淺溝溝槽上先出現(xiàn)細(xì)溝，以至于會造成土體的下切，在坡面和淺溝溝槽上產(chǎn)生細(xì)溝，短時間內(nèi)增加了坡面流速，但隨著溝道的發(fā)育，溝道內(nèi)跌坎的發(fā)生使徑流阻力增大，對徑流產(chǎn)生消能作用，直到溝道逐漸貫通B，C斷面、發(fā)生溯源侵蝕、產(chǎn)生溝道下切、溝壁擴張等劇烈的侵蝕過程，甚至引發(fā)溝壁塌陷等重力侵蝕，導(dǎo)致徑流流速低于B，C斷面。草地上坡面部位流速變化規(guī)律則相反，B，C斷面流速略低于D斷面流速，這是因為坡面上匯集的水流收到波斯菊莖稈的阻擋，改變了水流的流向匯入到淺溝中，因此坡面上的水流減少，坡面流速降低。

增加含沙水流匯入后，主要增加了坡上及坡中(A，B，C段)的流速，D坡段僅草地上淺溝部位流速增大，其他部位流速沒有明顯增加。且草地上淺溝最大流速為0.29 m/s略大于裸坡上淺溝流速，上文提到的草地坡面上大量水流匯入淺溝是草地淺溝流速大于裸坡的原因之一，裸坡條件下地表沒有障礙物阻擋，坡面水流較為順直，流速最大能夠達到0.21 m/s，而草地坡面流速最大僅為0.13 m/s。另一個原因是，裸坡淺溝上新形成的溝道深度較大，且有大量的跌砍，也導(dǎo)致了裸坡淺溝水流流速較小。對比有無含沙水流匯入可以發(fā)現(xiàn)，草地上坡面流速增幅最小各坡段流速平均增加0.01 m/s，草地上淺溝各坡段流速平均增加0.09 m/s。草地上淺溝流速增幅最大，增長了55%，而裸坡上淺溝和坡面流速增幅各坡段流速增幅相同都是0.04 m/s。因此草地恢復(fù)改變了小區(qū)內(nèi)水流的分配及徑流流速，這也是上文所提到的增加含沙水流匯入后草地坡面侵蝕量減少的原因之一。

注：線段粗細(xì)表示溝道的寬度；粗線表示溝道寬度大于15 cm，細(xì)線表示溝道寬度小于15 cm。圖4 降雨條件下和降雨+含沙水流條件下的淺溝形態(tài)

圖5 坡面各坡段徑流流速變化過程

3 結(jié) 論

(1) 含沙水流匯入顯著增大了裸土淺溝坡面的侵蝕量，而對草地淺溝坡面的侵蝕影響不顯著，這說明草地恢復(fù)對于減少由匯流作用的侵蝕具有顯著效益。

(2) 裸坡和草地上泥沙濃度都在產(chǎn)流開始時達到最大值然后逐漸降低，最后達到穩(wěn)定，但含沙水流匯入后，裸坡泥沙濃度達到穩(wěn)定所需的時間延長。

(3) 含沙水流匯入能夠顯著增加淺溝發(fā)育速度，特別是淺溝溝寬和下切深度，但是草地恢復(fù)可以顯著減緩淺溝的下切侵蝕，進而減緩淺溝的發(fā)育速度。

(4) 對于裸土和草地淺溝坡面，含沙水流匯入顯著增加了淺溝部位流速，尤其是草地坡面上淺溝部位的流速，且對淺溝中上部位流速增幅更顯著。