隧道工程對喀斯特槽谷區坡面產流及土壤侵蝕的影響

張遠矚, 蔣勇軍,李 勇,王正雄,段世輝,吳 韋,彭學義,王 冬

1 西南大學地理科學學院, 重慶 400715 2 巖溶環境重慶市重點實驗室, 重慶 400715 3 西南大學附屬中學, 重慶 400715

喀斯特地區坡面產流及水土流失的發生過程是地形因子、植被類型、氣候因子、土壤性質等多因素共同作用的結果[1- 9],人類活動主要通過不同土地利用方式對該過程產生影響[9-11]。然而,西部大開發的深入使大型隧道不斷穿越西南喀斯特山區,成為影響喀斯特脆弱生態系統的新因素。尤其是隧道建設改變了喀斯特水文系統,在隧道影響范圍內地下水位急劇下降,大量地表泉點干涸,這可能會引起土壤、植被變化,從而影響水土流失過程。目前,隧道建設對喀斯特地區水土流失過程影響的研究幾乎無人涉獵。本文基于徑流小區的高分辨率的水文、同位素數據,對比研究巖溶槽谷區有無隧道工程影響的兩徑流小區坡面產流及產沙的差異,以期為這種新的人類干擾方式所引發的巖溶區水土流失的研究提供新思路和基礎數據,為巖溶區水土流失防治和石漠化治理研究提供新視角。

1 研究區概況

圖1 研究區位置、地質、土地利用及徑流小區布置圖(Liu等2019[11]改)Fig.1 Hydrogeology, land use, sampling points and geological cross-section of the Longfeng and Longche karst trough valleys in Chongqing (adapted from Liu et al., 2019)

選擇隧道建設密集的重慶觀音峽背斜嘉陵江以南的巖溶槽谷區為研究區(圖1)。該區位于亞熱帶季風氣候區,常年平均氣溫18.1℃,平均降雨量1185 mm,降雨集中在5—9月。觀音峽背斜軸部為三疊系的飛仙關組(T1f)灰巖、泥灰巖和頁巖,兩翼分別為三疊系的嘉陵江組灰巖(T1j)和雷口坡組(T2l)白云巖以及須家河組(T3xj)砂頁巖。巖性組合特征及長期的巖溶作用,使研究區發育出東、西兩個近南北走向的大型溶蝕槽谷,形成“三山夾兩槽”的“筆架型”的地形,海拔495—707 m。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林。槽谷內土壤為三疊系嘉陵江組灰巖發育的黃色石灰土,土層厚薄不均,15—100 cm。

研究區由鳳凰村附近的分水嶺分成北、南兩個小流域(106°23′15″—106°28′05″E, 29°40′30″—29°48′10″N),分別為龍鳳槽谷(流域面積11.7 km2)龍車槽谷(流域面積26.8 km2),槽谷內地表河不發育。1999年以來,龍鳳槽谷流域已建成3條橫穿背斜核部的隧道(圖1,表1)。隧道修建前,流域降雨匯集后大部分經南向北的地下河排泄入嘉陵江,另有部分以泉的方式在槽谷內排泄。隧道建成后隧道成為了地下水的排泄通道,排泄量1.5—23.3 L/s,導致地下河流量減小為不足原來的20%。原有的流量為0.08—5 L/s的13泉點中11個已被疏干,僅剩2個流量很小的季節泉。同時,水田因不能蓄水而被迫變成旱地?？梢?隧道建設對該流域水文生態環境影響嚴重。龍車槽谷流域尚未修建隧道,受北邊流域隧道影響較小。兩流域相同的地質背景、氣候條件、相似的土地利用類型,為對比研究隧道建設對巖溶槽谷區的影響提供了良好的基礎。

表1 龍鳳槽谷三條隧道的基本情況

2 研究方法

2.1 實驗設計

在兩流域同一順層坡上分別選擇坡度相同的林地建設20 m×5 m的徑流小區,基本情況見表2。徑流小區四周挖至基巖下,在兩側及坡后灌石漿高出地表,使小區內坡面流、壤中流及泥沙不與外部交換。小區坡前用碎石填至土巖界面,鋪不透水膜,再繼續填充碎石至坡面,再鋪不透水膜,將壤中流與坡面流分隔。坡面流被引入50 cm×40 cm×30 cm的收集池,同時沉積泥沙；壤中流被引入20 cm×20 cm×20 cm的收集池。收集池排出口裝直角三角堰,用于計算流量。

表2 徑流小區情況與2017.6—2018.5產水、土壤侵蝕統計

2.2 數據獲取

流域內安裝有小型氣象站(美國DAVIS公司,Vantage Pro2),每個收集池內安裝有自動水位記錄儀(美國HOBO公司,U 20-001-04),根據水位計算流量和徑流深度(徑流量/投影面積),設定15分鐘自動記錄一次降雨量和水位。

2017年6月1日到2018年5月31日,根據產沙量不定期收集池中全部泥沙,風干后稱重,并計算年侵蝕產沙模數(年泥沙總量/投影面積)。兩徑流小區沿剖面按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm分層采集土樣,土樣風干后磨碎,過篩,用粒徑掃描儀得到粒徑組成。土壤有機質采取重鉻酸鉀法測定。研究期間選擇一場暴雨,收集降雨,對坡面徑流、壤中流進行高頻采集。取30 mL水樣儲存于高密度乙烯瓶中,不留氣泡,蓋緊后用封口膠密封,用于測定水中氫氧穩定同位素值。δD-H2O、δ18O-H2O由自然資源部巖溶動力學重點實驗室的采用離軸整合積分腔光譜輸出技術(OA2ICOS)的液態水穩定同位素分析儀(LWIA- 24-d,Los Gatos Research,USA)測定,測試結果均以 V-SMOW 標準給出,精度分別為±0.6%和±0.2‰。

3 結果與分析

3.1 降雨特征

降雨特征是指每次降雨的雨型、雨量和雨強,對坡面產流影響較大的兩個因素是降雨量和雨強,為了更好地揭示降雨影響徑流的物理機制,尤其是高強度降雨時段的產流能力,本文選取降雨量和最大15 min雨強兩個指標。按兩場降雨間隔12小時計算降雨場次,研究年內共降雨128場1170.9 mm,其中5—9月降雨800.4 mm,占全年降雨量的68%,降雨量最高值出現在8月,為198.6 mm,最低值出現在12月,為11.6 mm(圖6)。全年暴雨(>50. 00 mm/d)8場、大雨(25. 00—49. 90 mm/d)9場、中雨(10. 00—24. 90 mm/d)17場,其余為小雨 (<10. 00 mm/d)。降雨量主要集中在17場暴雨和大雨中,占全年降雨的56%(表3)。全年最大場次降雨量為72.1 mm,出現在2018年4月13—14日；最大日降雨量出現在2017年9月1日,為68.6 mm；15分鐘最大雨強為17 mm/15 min,出現在2017年8月25日。

表3 降雨、產流基本情況統計

3.2 產流特征對比

3.2.1年產流

降雨及地表徑流是水力侵蝕發生的動力[12]。在降雨相同的情況下,地表徑流差異是產生地表土壤侵蝕差異的重要動力因素。從全年看,兩徑流小區產流主要集中在6月和9月,7、8月雖有較強的降雨,但強烈的蒸發使產流并不突出(圖2)。在全年128場降雨中,1號徑流小區(受隧道影響)產生坡面徑流的降雨43場(表3),徑流系數為0.027(表2)；而2號徑流小區(無隧道影響)產生坡面徑流的降雨37場,徑流系數為0.013。說明隧道影響區坡面產流更容易,產流量更大,對土壤的侵蝕能力更強。壤中流是坡地徑流的重要組成部分,在兩徑流小區其產流情況與坡面產流相反。1號徑流小區產生壤中流的降雨場次為13場,徑流系數為0.009,均小于2號徑流小區(表2、3)。說明隧道影響區下滲進入土壤的降雨較少。

如果將坡面流與壤中流相加,兩徑流小區總產流率低于0.05,根據質量守恒原理,95%以上的降雨被蒸發或經喀斯特區發育的裂隙、管道進入地下,體現出喀斯特區特殊的地表、地下“二元”結構對產流過程的影響[13-17]。兩徑流小區中,1號小區徑流系數為0.036,低于2號的0.042。因兩小區蒸發系數一致,隧道影響區較低的徑流系數說明更多的降雨直接沿巖溶裂隙進入地下。這可能因為隧道建設中放炮破壞了巖石結構,使裂隙、管道增大；也與隧道排水后地下水位下降有關。更多的降水下滲進入地下管道系統將導致流域表層蓄水量減少,對地表生態系統產生影響。

圖2 徑流小區坡面流和壤中流流量過程線 Fig.2 Discharge curve of slope flow and interflow in runoff plots

圖3 15 min最大雨強與坡面徑流系數相關性 Fig.3 Correlation between the coefficient of slope runoff and maximum of rainfall intensity

此外,兩徑流小區中次降雨產生的坡面徑流系數與最大雨強均具有一定程度的正相關(圖3),但在1號徑流小區中二者的相關性明顯高于2號,擬合直線的斜率也遠大于2號。說明在隧道建設影響下坡面產流對雨強響應更快,隨雨強的加大也增加得更快,土壤的調蓄作用被削弱。

兩徑流小區具有相同的降水氣候、地質、地形、土地利用類型、植被類型(表2),但在研究年中,坡面流、壤中流徑流系數不同,對雨強的響應也存在差異。這與兩小區不同的土壤機械組成有關。首先,兩徑流小區的石灰土中粘粒(d<0.01 mm)含量均較高,體現出巖溶區土壤粘重的特征。但1號徑流小區粘粒含量(77%—80%)明顯高于2號(67%—72%)(表4),粘粒含量的增加將降低土壤滲透能力。其次,兩徑流小區的土壤剖面結構也存在差異。亞熱帶季風區降雨量多且強度大,強烈的化學淋溶作用使粒徑較小的粘粒不斷下移,形成上松下粘的土壤結構。2號徑流小區土壤剖面隨深度增加粘粒(d<0.01 mm與d<0.001 mm)含量增加,與自然形成的土壤結構一致,該結構有利于降雨下滲。但1號徑流小區土壤粘粒含量在土壤剖面0—10 cm處高于10—20 cm,這種上粘下松的異常結構降低了土壤滲透能力。可見,1號徑流小區的土壤粒徑和剖面結構均不利于降雨的下滲。這樣,更多的降水在地表產流,導致地表徑流量大于2號,壤中流量小于2號。另外,表層土壤中較高的粘粒含量在較大雨強時更容易結皮,土壤入滲率進一步降低,因此,地表徑流系數與最大雨強具有了更顯著的相關性。

表4 徑流小區土壤機械組成及有機質含量

土壤的形成受母質、氣候、地形、植被、人類干擾等因素的控制。兩徑流小區具有相同的自然條件及土地利用類型,相異的土壤機械組成可能與隧道建設有關。隧道建設導致地下水位下降,地表泉水干涸(表1),并使土壤含水率降低。Liu等在同一研究地監測結果表明,2017年1—12月,1號徑流小區土壤20 cm、40 cm平均濕度為22.3%、25.3%,明顯低于2號徑流小區相同層位處的25.9%、29.4%。隧道影響區土壤含水率降低影響了生物群落,植物吸收水分的方式已經發生變化[11],土壤有機質含量下降 (表4),從而逐漸改變土壤結構,削弱土壤下滲能力。研究表明喀斯特群落退化時,土壤有機質含量急劇下降,逐漸向粘質化方向發展,引起土壤板結,使土壤滲透能力下降[18-19]?？梢?喀斯特地區隧道建設可能在一定程度上產生與森林退化相似的影響。

3.2.2次產流

為研究兩徑流小區產流過程的差異,對2017年6月13—16日的降雨進行了最高頻率為3小時的加密采樣監測(具體時間間隔視降雨情況確定)。本次降雨共80.6 mm,最大雨強4.6 mm/15min。降雨分為兩個階段,第一階段降雨強度大歷時短,第二階段降雨強度略小,但持續時間長。降雨期間,1號徑流小區產生的地表、壤中流徑流系數分別是0.08與0.02,2號分別為0.06與0.21。其結果與全年觀測一致,即坡面徑流系數為1號徑流小區大于2號,而壤中流則相反；坡面流+壤中流徑流系數為1號徑流小區小于2號。從產流順序看：兩徑流小區對降水均迅速響應,首先產生坡面徑流,但1號徑流小區響應更快,且流量過程線漲落更陡(圖4 a, b)；2號坡面產流滯后約45分鐘,峰值較1號低。其次產生壤中流,但1號徑流小區比2號滯后2小時15分,且波峰低(圖4 c, d)。1號徑流小區壤中流比坡面流滯后約3小時30分,而2號徑流小區僅滯后30分鐘。兩徑流小區產流順序的差異進一步說明1號徑流小區異常的土壤機械組成使土壤下滲率低,降雨在地表產流所需時間短,產流量更大。因滲入土壤的水少,壤中流產流慢,產流量也較少。

降雨既是地表徑流和壤中流的主要來源,又是在土壤侵蝕發生與發展過程中水力侵蝕的動力。降雨在產流中的貢獻率可以在一定程度上反映其侵蝕能力。為此,運用降雨、“老水”兩個端元的氫氧穩定同位素混合模型計算二者在地表徑流、壤中流的貢獻率[20]。

Qt=Q0+Qn
CtQt=C0Q0+CnQn

(1)

式中,Qt、Q0和Qn分別表示徑流、“老水”和降雨的體積；Ct、C0和Cn表示對應的δD-H2O或δ18O-H2O同位素值。本研究按朱曉峰等[21]的研究,選擇前期降雨較少的5月22 日降雨事件產流尾水作為“老水”端元,當場降雨為另一端元(表5)。這種確定“老水”端元的方法因不能完全排除降雨(同位素值偏負)的影響,導致Q0的計算結果可能偏大,但該影響對于兩徑流小區是一樣的,故用該方法進行定量的對比研究仍然可行。

表5 2017.6.13—6.15降雨及坡面流、壤中流中“老水”端元氫氧穩定同位素值

圖4 2017.6.13—6.15降雨產生的地表徑流和坡面流的流量過程線、δD-H2O、δ18O-H2O值變化及降雨、“老水”貢獻率Fig.4 Discharge carve, variations of δD-H2O、δ18O-H2O values and the contributions of rainwater and “old water” in the slope flow and the interflow in the rainfall event of June 13—15, 2017

本次降雨事件中,兩徑流小區δD-H2O、δ18O-H2O坡面流中氫氧同位素組成均值相似,但壤中流中卻差異顯著(表6),1號徑流小區壤中流中δD-H2O、δ18O-H2O值比2號均更偏負,說明1號徑流小區壤中流中降雨貢獻比2號大。從產流過程看,兩徑流小區的坡面流、壤中流的δD-H2O、δ18O-H2O值均表現出明顯的同步下降(圖4),證明同位素值偏負的降雨端元在產流過程中貢獻不斷增加。用穩定同位素混合模型(式1)分析降雨貢獻率,δD-H2O和δ18O-H2O分析的結果表現出很高的相似度,與朱曉峰等在環江的研究結果一致[21],故以下以δD-H2O的計算結果闡述。降雨初期,在兩徑流小區的坡面流中降雨的貢獻率均約5%,短暫下降后一直增加,直到產流結束時1、2號徑流小區分別為85%和82%。此過程可解釋為產流初期,降雨沖擊土壤表層,將其中“老水”不斷擠壓出去,此時地表徑流以“老水”為主。隨著降雨的進行,“老水”在表層土壤含量降低,降雨貢獻不斷增加。對比兩徑流小區,1號坡面徑流降雨貢獻率略高于2號。從壤中流產流過程看,降雨初期,在兩徑流小區降雨的貢獻率差異較大,1號為29%,2號僅9%。隨降雨的進行,降水貢獻在短暫下降后不斷增加,直到產流結束時1、2號小區中降雨貢獻率分別為44%和37%?？梢?兩徑流小區中,1號壤中流中降雨貢獻率明顯高于2號,這與其較低的土壤含水量[11]有關。較低的土壤含水量使壤中流中“老水”貢獻減少,降雨的貢獻增加?？梢?無論是坡面流還是壤中流,降雨貢獻率在隧道影響區都比無隧道影響區大,侵蝕作用也更強。

表6 2017.6.13—6.15降雨產生的地表徑流和坡面流的δD-H2O、δ18O-H2O特征

3.3 產沙特征對比

降雨及地表徑流產生的動力,不斷侵蝕搬運土壤。監測年內,1號徑流小區產沙量1.67 kg,侵蝕模數為16.68 t km-2a-1,而2號徑流小區產沙量0.77 kg,侵蝕模數為7.73 t km-2a-1(表2,圖5)。可見,隧道影響區土壤侵蝕模數較大,導致1號徑流小區土壤厚度比2號小(表2)。分析其原因,首先,隧道影響區具有更強的水動力條件。雖然兩徑流小區降水一樣,但隧道影響區產生了更多地表徑流,對土壤有更強的侵蝕作用。同時地表徑流和壤中流中具有侵蝕和搬運能力的降水的貢獻率都更大,使地表徑流和壤中流具有更強的侵蝕能力。其次,隧道影響區土壤的抗侵蝕能力較弱。土壤中較低的含水率使土壤團聚體穩定性降低,在降水條件下更易崩解離散[22-23]。土壤團聚體崩解后離散出的顆粒細小、容易被降雨和流水搬運。同時,隧道影響區土壤粒徑更小,也更容易搬運。當然,從隧道建設到影響土壤流失是一個很復雜的過程,其中還有很多環節需要繼續研究完善。

圖5 月降雨量、最大雨強、坡面徑流深度及土壤侵蝕量變化Fig.5 Monthly variations of precipitation, maximum of rainfall intensity, runoff depth and soil erosion

坡面土壤侵蝕過程包括雨滴濺蝕和坡面徑流侵蝕搬運兩個過程[24],降雨量、降雨強度和坡面徑流深度是土壤侵蝕量的直接影響因素。將13次收集的土壤侵蝕量與降雨量、15 min最大雨強、徑流深度分別進行相關性分析,發現降雨量和坡面徑流深度與土壤侵蝕量的相關性更強,可見,喀斯特槽谷區,降雨量和地表徑流深度是土壤侵蝕的重要影響因子。對比兩徑流小區,1號土壤侵蝕量受降雨量影響更大,而2號受徑流深度的影響更顯著(圖6),這與二者不同的土壤性質有關。隧道影響區較低的土壤含水量和更小的土壤粒徑在雨滴的打擊下,更容易被破壞形成分散的土粒。

圖6 土壤侵蝕量與降雨量、雨強和徑流深度的相關性Fig.6 Correlation between soil erosion and precipitation, rainfall intensity and slope runoff depth

兩徑流小區4—10月產生了有效坡面徑流,并導致明顯的產沙。產沙的7個月中,兩徑流小區產沙量最小值均出現在7月,因為該月降雨量、地表徑流深度都處于最低值,這與重慶的伏旱天氣有關；土壤侵蝕最大量在1、2徑流小區分別出現在8月和5月,是全年降雨量最高月份,且前期明顯干旱。干旱使土壤松疏,力學強度降低、穩定性變差, 突然的暴雨在坡面迅速產流,將疏松的土壤帶走。

3.4 結論與討論

喀斯特地區的隧道工程建設不僅降低了地下水位,改變地下水流場,也使坡面產流、壤中流產流和土壤侵蝕過程受到影響。重慶觀音峽背斜20多年隧道影響區地表徑流系數增加2.6倍,而壤中流量減少為無隧道影響區的31%。用氫氧同位素端元模型,認為受隧道影響區的坡面流和壤中流中降雨的貢獻率均增大。地表徑流量增加以及地表徑流及壤中流中降水貢獻率的增加,使降水和徑流的侵蝕能力增強。同時,由于隧道影響區土壤含水率減少,土壤團聚體穩定性降低,以及土壤粒徑的減小,使隧道影響區土壤的抗侵蝕能力降低。因此,隧道建設區土壤侵蝕模數增加了2.2倍。本研究為隧道建設對喀斯特地區土壤侵蝕的研究提供了新的思路和基礎數據,但喀斯特地區特殊的地表、地下雙層結構使降水和土壤不僅從地表流失,更多的可能從地下漏失[13-17,22, 24-25],但目前還沒有找到合適的研究方法,這也將是今后的一個重點研究方向。