間歇降雨對鐵尾砂重構(gòu)坡面侵蝕水動力學(xué)特性的影響

呂春娟，張 徐，畢如田，牛耀彬，夏 露，郭星星，陳 丹

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心，太谷030801）

0 引 言

2019 年9 月18 日習(xí)總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上明確將黃河流域生態(tài)環(huán)境和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)“治理黃河，重在保護(hù)，要在治理”。山西省作為黃河流域中游的流經(jīng)省份，河谷縱橫，地貌類型復(fù)雜多樣，夏季忽晴忽雨、晴雨夾雜的天氣經(jīng)常出現(xiàn)，且多暴雨，一年中土壤侵蝕量往往由幾次較大的暴雨造成[1]；同時山西省也是礦產(chǎn)資源大省，鐵礦儲量居全國第四位，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用嚴(yán)重擾動了原地表土壤、破壞植被，產(chǎn)生大量的廢棄土石混合堆積體，組成成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散、黏聚力差[2]，極易成為黃河流域泥沙來源，加速侵蝕，因此減少水土流失，加快礦區(qū)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)已成為山西省及黃河流經(jīng)市縣生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重點任務(wù)[3]。

工程堆積體是由生產(chǎn)建設(shè)活動排棄的廢棄物重塑而形成的松散堆積體，外在的地貌形態(tài)和內(nèi)在物質(zhì)組成等與原生地表都有很大的區(qū)別，其土壤侵蝕速率和產(chǎn)沙量遠(yuǎn)超原地貌[2,4]。基于野外各類工程堆積體的調(diào)查[5]和室內(nèi)模擬沖刷試驗[4]發(fā)現(xiàn)工程堆積體的侵蝕形式因物質(zhì)組成不同有所差異，依據(jù)堆積體的物質(zhì)組成和顆粒大小，可以分為土質(zhì)堆積體、土多石少混合堆積體、土少石多混合堆積體石質(zhì)堆積體、尾礦堆積體等。其中工程建設(shè)活動產(chǎn)生的土石混合堆積體的侵蝕關(guān)注度最高，主要圍繞石礫含量與堆積體產(chǎn)流產(chǎn)沙和水動力學(xué)展開研究。土壤中的礫石改變了堆積體的流速、坡面粗糙度、弗汝德數(shù)流態(tài)等而影響侵蝕過程。不同研究得出的礫石對坡面堆積體侵蝕作用不盡相同[2,6-8]，但均認(rèn)為可能存在礫石含量、粒徑大小的“臨界值”，小于這個臨界值，會促進(jìn)坡面侵蝕，高于臨界值，會減小坡面侵蝕[9-10]。也有研究表明礫石的侵蝕影響與降雨強(qiáng)度有關(guān)系[11]，或者與礫石在堆積體中分布的位置，在堆積體的表面還是處在堆積體內(nèi)部有關(guān)[12]。張樂濤等[13-14]等研究了以土質(zhì)為主體的高速公路堆積體的水力學(xué)特性及治理措施對土壤剝蝕率的影響。這些研究中堆積體坡面均是在系列放水流量或者系列雨強(qiáng)單一作用下的侵蝕過程觀測，野外坡面往往要經(jīng)歷多次間歇性非均勻降雨或者非均勻連續(xù)降雨的侵蝕，因此也有學(xué)者關(guān)注持續(xù)降雨條件或者雨型改變對坡面侵蝕的影響，Parsons 等[15-16]根據(jù)雨強(qiáng)變化均設(shè)計了均勻型、上升型、下降型、上升下降型和下降上升型5 種暴雨模式；呂佼容等[10]研究了連續(xù)3 次恒雨強(qiáng)條件下礫石含量對堆積體剝蝕率和坡面侵蝕的影響；張樂濤等[17]在總來水量一致條件下，對比了連續(xù)均勻性與3 種連續(xù)性非均勻上方來水對土質(zhì)堆積體坡面侵蝕過程的影響；霍云云等[18]對土質(zhì)堆積體坡面在7 次恒雨強(qiáng)降雨下的細(xì)溝動態(tài)發(fā)育過程進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測。持續(xù)降雨更接近真實氣象條件，易于反映坡面的侵蝕發(fā)展演化；研究發(fā)現(xiàn)，與均勻降雨相比，非均勻降雨條件增加了坡面侵蝕的時空隨機(jī)性，對總徑流量影響不大，但是顯著影響坡面產(chǎn)沙量。對于堆積體侵蝕的水動力學(xué)研究，大多文獻(xiàn)從坡面流流速、阻力系數(shù)、徑流剪切力、水流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芰俊⒏ト甑聰?shù)、雷諾數(shù)等多個參數(shù)去分析，可能因研究對象和試驗條件的改變，不同堆積體坡面侵蝕描述的水動力參數(shù)不同，但大多數(shù)研究結(jié)果都認(rèn)同的是水流功率能很好地刻畫侵蝕產(chǎn)沙量，對產(chǎn)流量的水動力學(xué)研究較少[7-8,11,13-14,17]。

綜上，目前堆積體的侵蝕研究：1）多集中在公路鐵路等工程建設(shè)活動產(chǎn)生的棄土棄渣；2）多以產(chǎn)流產(chǎn)沙研究為主，對于坡面形態(tài)變化的觀測較少；3）單一降雨條件較多，有少量連續(xù)降雨條件但土壤多于飽和狀態(tài)或者高含水率狀態(tài)，土壤在自然含水率的非飽和狀態(tài)下的間歇性降雨研究較少；4）基質(zhì)類型多以純土或者土石混合體為主，類似尾礦的基質(zhì)研究很少。研究區(qū)鐵尾礦堆積體，顆粒細(xì)，與土質(zhì)堆積體或者巖土堆積體組成有很大差異，且坡度陡，入滲率速度慢，有機(jī)質(zhì)缺乏，坡面溝壑縱橫，嚴(yán)重制約生態(tài)恢復(fù)，初步研究表明尾礦中添加土壤和菌糠可以顯著提高其滯留貯水量，暴雨時快速吸納積水[19]。根據(jù)研究區(qū)的降雨特征，模擬雨季自然氣象條件下非均勻間歇性降雨，基于少土復(fù)墾思路，選擇添加少量土壤和菌糠作為尾礦改良模式，研究不同重構(gòu)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙、坡面微形態(tài)變化及水動力學(xué)特征，以期為尾礦坡面的生態(tài)恢復(fù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)垣曲縣位于黃土高原西南部，山西省南段 （35°14′14″～35°14′54″N，111°40′24″～111°41′09″E），境內(nèi)地勢西北高、東南低，海拔范圍176.7～2 358 m，高差大，主要河流有亳清河、允西河、板澗河、西陽河、五福澗河等，均由北而南注入黃河；屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量631 mm，季節(jié)分布不均，主要集中在6—8 月，且短歷時暴雨較為頻發(fā)，存在水土流失的潛在客觀條件。亳清河流域是垣曲縣面積最大、人口最多、耕地最多的流域，也是小浪底庫區(qū)的主要匯水區(qū)之一；上游零散分布有很多鐵礦區(qū)，試驗基地為位于亳清河流域中游的泉子溝干排尾礦庫，尾礦砂自然堆積坡度大多在30°～40°之間，表層容重1.70 g/cm3左右，水分入滲率遠(yuǎn)低于農(nóng)田土壤入滲率[19]，坡面侵蝕嚴(yán)重，因此尾礦砂的水土流失治理和生態(tài)修復(fù)對于小浪底庫區(qū)的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗材料包括鐵尾礦砂、土壤和菌糠。鐵尾礦砂采集于泉子溝干排尾礦庫，土壤采自尾礦周圍的農(nóng)田，菌糠來源于當(dāng)?shù)啬⒐椒N植基地，采集的材料均置于陰涼處，自然風(fēng)干后，尾礦砂和土壤過2 mm 篩，碾碎后的菌糠過5 mm 篩，以備裝填土槽所用。

工程堆積體坡度一般在30°～40°之間[13,20]，結(jié)合對鐵尾礦區(qū)的調(diào)查，試驗設(shè)計25°、30°、35°3 個坡度；根據(jù)黃土高原點雨量站記錄的暴雨強(qiáng)度[21]和汛期多暴雨的降雨特點，同時參考土高原侵蝕相關(guān)文獻(xiàn)中的雨強(qiáng)變化[20,22-23]，本研究設(shè)置3 場間歇性非均勻降雨，降雨強(qiáng)度依次為60、90、120 mm/h（定義為第1 次，第2次，第3 次），在同一基質(zhì)坡面上依次間斷進(jìn)行，每2場降雨之間的時間間隔不固定，主要依據(jù)坡面水分風(fēng)干的快慢，保證每次降雨前表層的含水率都在8%左右（接近尾礦砂夏季自然含水率），一般間隔約1 周；中國尾礦區(qū)大多是土石山區(qū)，復(fù)墾土源缺乏，因此選擇添加少量土壤或者添加菌糠的無土和少土基質(zhì)改良模式，共6 種鐵尾礦砂重構(gòu)坡面：松散鐵尾礦砂（LT），模擬新排棄的尾礦坡面；結(jié)殼鐵尾礦砂（CT），模擬長期堆積壓實的尾礦坡面；鐵尾礦砂與菌糠混合物（質(zhì)量比10∶1，TM），鐵尾礦砂 、菌糠和土壤混合物（質(zhì)量比10∶1∶4，TSM），鐵尾礦砂和土壤混合物（質(zhì)量比2.6∶1，TS），純土（S）模擬鐵尾礦添加外源物后的坡重構(gòu)面；每個處理重復(fù)3次。根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類制，LT 和CT 為砂質(zhì)壤土，TM、TSM 和TS 均為砂質(zhì)黏壤土，S 為黏壤土。

所有試驗材料按照試驗設(shè)計比例混合均勻后，以5 cm 一層分層裝填的方式裝填至設(shè)計坡度，下部為尾礦砂，表層20 cm 為6 種重構(gòu)基質(zhì)。參照野外復(fù)墾小區(qū)容重實測值[19]，設(shè)計LT、CT、TM、TSM、TS 和S 裝填容重分別為1.65、1.65、1.35、1.4、1.5、1.3 g/cm3；為保證垂直剖面均勻性，層間采用鋼絲刷打毛以消除分層效應(yīng)。

1.3 間歇模擬降雨試驗方法

間歇模擬降雨試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗站進(jìn)行。降雨模擬系統(tǒng)為QYJY-501 全自動下噴式模擬降雨器，由西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司定制，通過調(diào)控噴頭，降雨強(qiáng)度可在15～200 mm/h 范圍內(nèi)變化；試驗土槽長為2 m，寬為1 m，前端高為0.6 m、后端高為2.3 m，通過前后端試驗材料裝填深度，坡度可在0～40°之間調(diào)節(jié)（圖1）。每場降雨過程中均以坡面產(chǎn)流開始計時，以3 min 為間隔，在土槽出水口連續(xù)收集30 min 徑流、泥沙樣，樣品充分沉降后，用量筒量測徑流體積，計算徑流率；泥沙樣在105 ℃烘干稱質(zhì)量，以計算產(chǎn)沙率，流速用高錳酸鉀示蹤法測定，降雨開始前后分別測定試驗水溫，計算水流的運動黏滯系數(shù)[24]。

圖1 人工模擬降雨示意圖 Fig.1 Schematic diagram of artificial simulated rainfall

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

1.4.1 坡面形態(tài)變化

坡面形態(tài)微變化采用測釬法、網(wǎng)格坐標(biāo)法和照相法相結(jié)合。第1 次降雨前在坡面上以10 cm×10 cm 網(wǎng)格布設(shè)測釬，保證測釬頂部和坡面剛好齊平，每次降雨結(jié)束后采用精度為1 mm 的鋼尺測量各測釬三維坐標(biāo)，如果有細(xì)溝在網(wǎng)格中間出現(xiàn)，則采用坐標(biāo)加密方式對細(xì)溝的坐標(biāo)進(jìn)行測量；利用AutoCAD 2010 軟件對照片數(shù)據(jù)矢量化，再根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，形成坡面及細(xì)溝的閉合圖，用來計算面積及長度。選擇地形起伏度RA（mm）、溝壑密度GD（km/km2）和溝壑面積GA（%）3 個指標(biāo)來反映降雨過程中的坡面微地形變化[25]。

式中 iH 為測釬出露地表的高度，mm；m 為測釬數(shù)量；A 代表細(xì)溝面積，m2；S 為坡面面積，m2；L 為坡面細(xì)溝總長度，m；1 000 為單位換算系數(shù)。

1.4.2 坡面水動力學(xué)參數(shù)計算

坡面流是坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要動力，水層一般很薄，并且受下墊面影響，水深、流速沿程不斷變化；水流底面坡度一般也比較陡峭，在一定條件下便會失穩(wěn)，產(chǎn)生滾波，并且產(chǎn)流過程中受降雨雨滴的擾動，水流在時間和空間上都是變化的，這些復(fù)雜因素交織在一起，使得對坡面水流的研究有很大難度[26-27]。目前大多數(shù)學(xué)者的做法是將坡面流過程進(jìn)行簡化處理，應(yīng)用明渠流理論進(jìn)行研究[13-14,27]。本研究中用雷諾數(shù)Re和弗如德數(shù)Fr來判斷坡面水流流態(tài)，用Darcy-weisbach 阻力系數(shù)f 和Manning 粗糙系數(shù)n 作為坡面流阻力指標(biāo)，坡面流流速ν 、徑流剪切力τ、水流功率ω 作為侵蝕動力指標(biāo)，來分析不同基質(zhì)在間歇性降雨條件下的侵蝕水動力特征差異。

式中h 為坡面平均徑流深，m；Q 為坡面產(chǎn)流量，L；S為土槽面積，m2；Re雷諾數(shù)，無量綱；V 為坡面平均流速，m/s；R 為水力半徑，m，在薄層水流下用水深h 代替R；υ 為流體運動黏滯系數(shù)，cm2/s，t 為水溫，℃；rF為坡面流弗汝德數(shù)，無量綱；f 為Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)；n 為Manning 粗糙系數(shù)；ω 為水流功率，N/(m·s)；g為重力加速度9.8 m/s2；τ 為徑流剪切力，N/m2；γ 為水的重度，N/m3；ρ 為水的容重，kg/m3；J 為水力坡度，取坡度的正弦值。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面產(chǎn)流變化

3 種坡度重構(gòu)坡面產(chǎn)流率變化趨勢相似，以30°重構(gòu)坡面為例闡述產(chǎn)流率隨降雨場次的變化，見圖2。3 次降雨過程中，6 種基質(zhì)的產(chǎn)流率均隨著產(chǎn)流歷時波動增加，且隨著降雨次數(shù)的增加，產(chǎn)流率增大；但是3 次降雨中產(chǎn)流率的增幅（產(chǎn)流率均值之差）不同，前2 次降雨各基質(zhì)的增幅為0.55～2.52 L/min；后2 次降雨雖然雨強(qiáng)增大，但是產(chǎn)流率并沒有按比例增加，增幅反而減小，均小于1.77 L/min，主要是因為第1 次降雨時，基質(zhì)表面整體比較疏松，基質(zhì)入滲能力大，坡面主要是濺蝕和面蝕，第1 次降雨結(jié)束后，表面被擊實，形成結(jié)皮，基質(zhì)孔隙也部分被堵塞，降雨入滲減少，而且降雨強(qiáng)度增大，結(jié)合觀察到的坡面形態(tài)變化可知，第2 次降雨過程很多坡面出現(xiàn)大量細(xì)溝，因此綜合作用下，產(chǎn)流率大幅增加；第3 次降雨，坡面流主要集中于細(xì)溝，由于細(xì)溝的溝壁坍塌，溝道下部也出現(xiàn)很多泥沙沉積物，溝道內(nèi)坡度反而變緩，因此溝道徑流有了更多入滲機(jī)會，產(chǎn)流率增幅也相應(yīng)減小。

不同降雨場次中，6 種重構(gòu)坡面間產(chǎn)流率的相對大小也是變化的（圖2）。第1 次降雨中，25°、30°和35°3個坡度下重構(gòu)坡面的平均產(chǎn)流率變幅為 0.49 ～0.65 L/min，CT、TM 和TS 的產(chǎn)流率最高；第2 次降雨中，3 個坡度下6 種基質(zhì)間的平均產(chǎn)流率變幅增大為1.12～1.89 L/min；第3 次降雨中，平均產(chǎn)流率變幅分別為1.47～1.73 L/min；第2、3 次降雨中，LT、TM 和TS表現(xiàn)出較高的產(chǎn)流率，S 表現(xiàn)出較低的產(chǎn)流率。根據(jù)3 個坡度下多次降雨累計產(chǎn)流量發(fā)現(xiàn)，TM 的累計產(chǎn)流量最高，S 累計產(chǎn)流量最低；但方差分析表明，任何坡度下，重構(gòu)坡面對產(chǎn)流率影響都不顯著。

2.2 坡面產(chǎn)沙變化

產(chǎn)沙率變化與產(chǎn)流率變化完全不同。在3 個坡度下，隨著降雨場次增加，產(chǎn)沙率并沒有持續(xù)增大，以30°重構(gòu)坡面產(chǎn)沙率為例（圖3），不同基質(zhì)表現(xiàn)不同：LT、CT 和TS 產(chǎn)沙率整體表現(xiàn)出持續(xù)快速增大的趨勢，TM、TSM 和S 在大多數(shù)試驗條件下變化緩慢甚至有減少的趨勢。說明在同樣間歇降雨條件下，不同重構(gòu)坡面基質(zhì)抵抗徑流剝蝕的能力不同，坡面侵蝕基本上經(jīng)歷擊濺侵蝕-面蝕-跌坎-細(xì)溝侵蝕4 個階段，試驗中觀測到 LT、CT和TS 坡面在第2 次降雨中已進(jìn)入細(xì)溝的發(fā)展階段，第3次降雨細(xì)溝繼續(xù)向長向?qū)挵l(fā)展，產(chǎn)沙率快速增大，而TM、TSM 和S 基本上還處在面蝕-跌坎的過渡階段或者細(xì)溝的初始階段，而且這個階段一直持續(xù)到第3 次降雨，發(fā)展特別緩慢，因此產(chǎn)沙率增加比較慢甚至減小。

圖2 30°重構(gòu)坡面產(chǎn)流率隨降雨場次的變化 Fig.2 Runoff rate variations of 30° reconstructed slopes with rainfall events

在每場降雨中，隨著產(chǎn)流歷時增加，各重構(gòu)坡面的產(chǎn)沙率波動變化，變異系數(shù)最大為70.7%，最小為7.4%，與大多數(shù)土質(zhì)或者偏土質(zhì)工程堆積體類似[4,8]，由于細(xì)溝中的重力侵蝕頻發(fā)，導(dǎo)致泥沙突然增加或減少，出現(xiàn)波動，但是本研究中不同的是6 種重構(gòu)坡面產(chǎn)沙率的波動變化趨勢不同，有3 種類型：單峰型、增加型和減少型。S 在25°坡度下第2 次降雨，30°和35°坡度下的第2、3次降雨整體表現(xiàn)為單峰型；TM 在第2 次和第3 次降雨中多表現(xiàn)為減小型；其余情況下各坡面產(chǎn)流率隨產(chǎn)流歷時變化趨勢均為增加型。重構(gòu)坡面產(chǎn)沙率也表現(xiàn)出相似的分異現(xiàn)象（圖3），方差分析表明重構(gòu)坡面類型對產(chǎn)沙率影響顯著（P<0.05）。為了更科學(xué)地探索產(chǎn)沙的分異規(guī)律，依據(jù)產(chǎn)沙率對重構(gòu)坡面進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，6 種重構(gòu)坡面可分為2 類（圖4）：1）LT、CT 和TS，表現(xiàn)為高產(chǎn)沙型；2）TM、TSM 和S，表現(xiàn)為低產(chǎn)沙型。6 種重構(gòu)坡面中TM 的產(chǎn)沙量最低，LT 最高，但CT 幾乎在所有坡度和所有降雨場次中，產(chǎn)沙率都要低于LT，累計產(chǎn)沙量約為LT 的67%，進(jìn)一步說明下墊面對產(chǎn)沙有很大的影響；煤礦區(qū)的棄土棄渣（35°和40°）也有近似的結(jié)果，不同下墊面的輸沙速率由高到低為棄土體、沙多石少棄渣體、沙少石多棄渣體、煤矸石，棄土體的輸沙速率最高，是煤矸石的100～1 000 倍[28]。

圖3 30°重構(gòu)坡面產(chǎn)沙率隨降雨場次變化 Fig.3 Variations of sediment yield rate of 30° reconstructed slopes with rainfall events

大多數(shù)重構(gòu)坡面在坡度25°下的產(chǎn)沙量最大，坡度增大產(chǎn)沙量反而減小。這可能與很多文獻(xiàn)中水力侵蝕的臨界坡度有關(guān)，王瑄等[29]在3°～30°間設(shè)置10 個塿土坡度梯度的放水沖刷試驗，發(fā)現(xiàn)21°左右是徑流剝蝕土壤的臨界坡度，小于這個坡度產(chǎn)沙率隨坡度增大，大于這個坡度產(chǎn)沙率隨坡度減小。因此推測本研究中的基質(zhì)在25°和30°之間可能存在土壤流失的臨界坡度，有待于更多的坡度梯度試驗來進(jìn)一步驗證。

圖4 重構(gòu)坡面產(chǎn)沙量聚類樹狀圖 Fig.4 Clustering tree of sediment yield of reconstructed slopes

2.3 坡面微地形侵蝕特征

觀察圖5a～圖5c 重構(gòu)坡面溝壑密度和圖5d～圖5f 溝壑面積的變化，發(fā)現(xiàn)3 種坡度下，第1 次降雨后的溝壑密度和溝壑面積都很小，第2 次降雨后均急劇增加，但第3次降雨后，大多數(shù)重構(gòu)坡面溝壑密度表現(xiàn)為減小，溝壑面積表現(xiàn)為增加。這與細(xì)溝的形態(tài)特征有很大的關(guān)系，LT、CT 和TS 的細(xì)溝寬深比一般比較小，細(xì)溝狹長，上下易貫通，S 的細(xì)溝寬深比較大，細(xì)溝一般中部最寬，上下不易貫通，TM 和TSM 坡面多為小坑穴，偶然局部有少量細(xì)溝，但都比較淺。大多坡面是在第2 次降雨后產(chǎn)生細(xì)溝并發(fā)育，細(xì)溝在向長、向?qū)挕⑾蛏畹娜虬l(fā)展過程中，會有相鄰細(xì)溝的合并，上下細(xì)溝的貫通和溝道的橫向擴(kuò)展，因此第3 次降雨后，溝壑面積均增加，但溝壑密度不一定增加。

圖5 重構(gòu)坡面微地形特征隨降雨場次的變化 Fig.5 Microtopography variations of reconstructed slopes with rainfall events

隨著降雨場次的增加，各坡面的地形起伏度均增大，但增大速率不同，第1 次降雨中，3 個坡度下的地表起伏度差別不大，但是隨著降雨場次增加，LT、CT 和TS 坡面的起伏度增加速度遠(yuǎn)大于TM、TSM 和S，特別是在30°和35°下，2 組重構(gòu)坡面間的分異更明顯，LT、CT 和TS 起伏度變化范圍為10.2～38.9 mm，TM、TSM 和S 起伏度變化僅在3.2～10.6 mm 范圍內(nèi)。主要是因為鐵尾礦砂抗蝕性差，陡坡下的LT、CT 和TS 極易產(chǎn)生細(xì)溝，造成坡面的高低起伏，坡面徑流匯集細(xì)溝，導(dǎo)致細(xì)溝的縱向發(fā)展，進(jìn)一步加劇坡面的起伏度。S 坡面主要是因為強(qiáng)大的入滲能力，徑流流量和流速均減小，坡面細(xì)溝發(fā)展緩慢，因此隨降雨場次的增加，起伏度也沒有太大的變化。TM、TSM 坡面第1 次降雨后，表層尾礦顆粒流失之后，坡面殘留的菌糠類似不透水的小片石鑲嵌在尾礦中形成均勻分布的菌糠結(jié)殼和小坑穴結(jié)構(gòu)，坡面粗糙度增加，坡面徑流被約束形成“網(wǎng)狀流”[30]沿著菌糠間隙曲折流動，路徑延長，流速減小，動能降低，雖然整個坡面上都有水流在流動，但由于無法匯集成大的股流，因此坡面上的細(xì)溝很少，類似鱗片狀面蝕，起伏度變化也很小；尤其TM在30°和35°坡度下3 場次降雨中，均沒有明顯細(xì)溝產(chǎn)生。

重構(gòu)坡面對侵蝕形態(tài)影響很大。根據(jù)溝壑面積、溝壑密度和地表起伏度微地形指標(biāo)，對6 種重構(gòu)坡面進(jìn)行系統(tǒng)聚類，可以分為2 類（圖6）：1）LT、CT 和TS，侵蝕形態(tài)嚴(yán)重；2）TM、TSM 和S，侵蝕形態(tài)輕微。坡面基質(zhì)類型對侵蝕形態(tài)的影響在堆積體研究中也有發(fā)現(xiàn)，礫石堆積體在連續(xù)降雨條件下，隨著表土剝離礫石覆蓋率增大，坡面沒有細(xì)溝產(chǎn)生[10]；而黃壤堆積體一般形成單一主溝，紫色土堆積體則形成較多細(xì)溝[4]。

比較3 個坡度之間微地形侵蝕特征，沒有明顯變化趨勢，也并非坡度越小，溝壑面積和溝壑密度和起伏度越小，甚至有些重構(gòu)坡面在25°坡度下反而比30°和35°下侵蝕特征嚴(yán)重，與前面的產(chǎn)沙量變化一致，可能也是受臨界坡度的影響。

圖6 重構(gòu)坡面微地形聚類分析樹狀圖 Fig.6 Clustering tree of microtopography of reconstructed slopes

2.4 坡面侵蝕的水力學(xué)特征分析

2.4.1 坡面流流速

3 種坡度下的流速變化趨勢相似，以30°坡面流速變化圖為例：隨降雨次數(shù)增加，6 種基質(zhì)的坡面流平均流速整體呈現(xiàn)增大趨勢，LT、CT 和TS 增速快；TM、TSM和S 增速稍慢，受下墊面影響個別條件下流速甚至?xí)p小（圖7）。在每場降雨中，隨著產(chǎn)流歷時延長，流速呈現(xiàn)波動變化；坡面不同，變化趨勢不同，有的是波動增加，有的平穩(wěn)波動，特別是LT、CT 和TS 的流速波動幅度最大，流速也較大；相對而言，整個降雨過程中TM 流速平穩(wěn)，在最后1 次降雨中流速也最小。在降雨情況相同的條件下，一般坡面流的流速小于細(xì)溝流的流速，試驗中流速觀測，是在坡面微形態(tài)不斷演化過程中測定的，降雨過程中LT、CT 和TS 的坡面侵蝕產(chǎn)沙量最高，坡面的溝壑密度、溝壑面積和起伏度等侵蝕形態(tài)也最嚴(yán)重，因此觀測的流速是坡面流向細(xì)溝流的轉(zhuǎn)化過程，特別是第2 次和第3 次降雨中，坡面細(xì)溝進(jìn)入到快速發(fā)展和擴(kuò)張階段，坡面測定的流速大多是細(xì)溝流的流速，而細(xì)溝流流速受細(xì)溝的發(fā)展影響，側(cè)壁崩塌、波涌等現(xiàn)象，流速出現(xiàn)短暫的波動增大或減小趨勢；而TM 在第1 次降雨條件下，表層“浮砂”被沖刷后，自然風(fēng)干過程中形成“菌糠結(jié)殼”，在第2、3 次降雨中，如前所述則會延長徑流流路，消耗能量，因此流速小而且平穩(wěn)。不僅6種重構(gòu)坡面的徑流流速變化過程不同，方程分析表明6種重構(gòu)坡面間平均流速差異也顯著（P<0.05）。

圖7 30°重構(gòu)坡面流流速隨降雨場次變化 Fig.7 Change of flow velocity on 30° reconstructed slopes with rainfall events

2.4.2 坡面流流態(tài)分析

所有坡度所有場次降雨中，各坡面水流的雷諾數(shù)變化范圍在0.95～74.88（表1），均小于500，表明黏滯力對流場的影響大于慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，坡面流流型為層流，但隨著降雨場次的增加，特別是第2 次和第3 次降雨中，坡面細(xì)溝出現(xiàn)，部分坡面細(xì)溝甚至上下貫通，促使流速加快，因此雷諾數(shù)表現(xiàn)出增加的趨勢，也表明慣性力相對于黏滯力對坡面流流場的影響越來越大，增強(qiáng)了水流的局部紊動性，在坡面LT 和CT 細(xì)溝中也觀測到“徑流浪”現(xiàn)象，驅(qū)動更多的泥沙，流型依然為層流，但降雨場次間雷諾數(shù)差異顯著（P<0.05）。而在15°平直黃土坡面或者魚鱗坑坡面在5 場間歇性模擬降雨試驗中，隨著降雨場次增加，坡面流均由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鱗31-32]。與本研究結(jié)果不同，分析原因發(fā)現(xiàn)降雨場次增加后，細(xì)溝流流速均增大，但文獻(xiàn)中坡面徑流深增加的程度遠(yuǎn)大于本研究基質(zhì)，導(dǎo)致慣性力相對于黏滯力大幅增加，呈現(xiàn)紊流流態(tài)；同樣是土石混合堆積體，25°～40°紫色土堆積體和黃壤堆積體坡面流大多是紊流[4]，北方風(fēng)沙土堆積體和贛北典型紅壤堆積體在25°坡面流大多是層流[8,11]。坡面流受很多因素影響，不同的試驗條件，研究結(jié)果不同，目前關(guān)于坡面流流型尚沒有統(tǒng)一的結(jié)論。判斷坡面薄層水流的流態(tài)的弗如德數(shù)，在大多數(shù)基質(zhì)中均大于1，為急流；只有S、TM、TMS 坡面和TS 在極個別情況下Fr小于1，為緩流（表1）。隨降雨場次和坡度增加，同一重構(gòu)坡面的弗如德數(shù)沒有明顯的變化規(guī)律，但降雨場次和坡度對弗如德數(shù)影響顯著（P<0.05）。重構(gòu)坡面間弗如德數(shù)差異顯著（P<0.05），雷諾數(shù)差異不顯著；但觀察表1中3 個坡度下的雷諾數(shù)和弗如德數(shù)變化，均表現(xiàn)出相似的波動性，說明重構(gòu)坡面對雷諾數(shù)也具有較大的影響。

表1 重構(gòu)坡面的流態(tài)參數(shù)與坡面流阻力特征 Table 1 Flow parameters and resistance characteristics of surface flow of reconstructed slope

2.4.3 坡面流阻力特征分析

坡面流阻力反映外界影響因素對坡面薄層水流阻滯能力的大小，是各種因素共同作用的一個綜合系數(shù)，其影響因素通常包括地貌形態(tài)、土壤性狀、降雨、礫石、表面覆蓋物的覆蓋程度以及水流運動邊界的形態(tài)特征等[27]，坡面流阻力最大，消耗于坡面侵蝕的能量則越小。

同一坡面，隨著降雨場次增加，阻力系數(shù)和粗糙系數(shù)基本呈現(xiàn)減少的趨勢（表1，P<0.05），主要是因為隨著降雨場次增加，坡面的起伏程度加劇，整個坡面的粗糙度增加，但是在后期的次降雨中，坡面流已不是坡面漫流，而是在坡面細(xì)溝或者菌糠間隙均形成固定流路，流速增大，產(chǎn)生阻力的邊界接觸面減小，因此影響水流的阻力還是會減小。重構(gòu)坡面間的阻力系數(shù)和粗糙系數(shù)差異不顯著（P>0.05），但因重構(gòu)坡面物質(zhì)組成不同，坡面間的阻力系數(shù)還是存在一定程度的差異，TM 和TSM和S 阻力系數(shù)和粗糙系數(shù)較大，LT、CT 和TS 坡面流阻力系數(shù)和粗糙系數(shù)相對較低，說明TM、TSM 和S 坡面水流流動過程中需要消耗的能量大，則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就小，因此坡面侵蝕產(chǎn)沙就少；反之，LT、CT 和TS 坡面水流克服阻力消耗的能量小，則用于侵蝕的能量大，產(chǎn)沙大。

2.4.4 坡面流的徑流剪切力和水流功率特征分析

當(dāng)坡面水流處于運動狀態(tài)時，水土接觸面方向存在剪切力，當(dāng)剪切力大于土壤臨界剪切應(yīng)力時，土壤顆粒被分散剝蝕，卷入水流并挾帶出坡面，徑流剪切力是分離土壤的主要動力[33]。重構(gòu)坡面間的徑流剪切力差異顯著（P<0.05），最為顯著的特征就是與其他重構(gòu)坡面相比，TM 的徑流剪切力最高（表2），但是通過前面分析知道，TM 的累計產(chǎn)流率是最高的，累計產(chǎn)沙量又是最低的，據(jù)此可以推測本試驗中徑流剪切力值可能尚未達(dá)到TM 的臨界剪切應(yīng)力，說明TM 具有較高的抗剪切能力。

水流功率是水流剪切力和流速的函數(shù)，水流功率包含了坡度、徑流深和流速的影響，比水流剪切力具有更廣的水動力特性[29]。表2 也可以看出，同一重構(gòu)坡面水流功率隨著降雨場次增加整體表現(xiàn)為增加，不同重構(gòu)坡面間水流功率差異不顯著，但6 種重構(gòu)坡面的水流功率在3 個坡度下均表現(xiàn)出的相似的波動變化，說明重構(gòu)坡面對水流功率還是具有較大的影響。

表2 重構(gòu)坡面徑流剪切力和水流功率特征變化 Table 2 Variations of runoff shear stress and runoff power of reconstructed slopes

2.5 坡面侵蝕特征的水力學(xué)驅(qū)動因素分析

坡面侵蝕特征與水力學(xué)參數(shù)多為非線性單調(diào)關(guān)系[7,9,13-14]，基于此，本研究采用Spearman 相關(guān)系數(shù)來分析侵蝕特征與水力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，進(jìn)一步從坡面徑流的水動力學(xué)角度科學(xué)揭示產(chǎn)流產(chǎn)沙的驅(qū)動因素，但基于前面不同坡面間顯著的產(chǎn)流產(chǎn)沙差異和試驗中觀測到的一些現(xiàn)象，若6 種重構(gòu)坡面放到一起，可能會掩蓋某些坡面的特殊屬性，因此按重構(gòu)坡面類型分別對侵蝕特征和水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行Spearman 相關(guān)分析（表3）。表3 可以看到，LT、CT、TS 和S 的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率顯著正相關(guān)（P<0.05），表現(xiàn)為水大沙大；TM 和TSM的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率之間雖然也是正相關(guān)，但是不具有統(tǒng)計學(xué)意義的顯著性，特別是TM 的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的相關(guān)系數(shù)僅為0.033，與前面高產(chǎn)流、低產(chǎn)沙的試驗結(jié)果一致。6 種坡面的產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率與水力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性不盡相同。LT和CT 的產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率受水力學(xué)參數(shù)的影響相同，均與流速、雷諾數(shù)、弗如德數(shù)、水流功率顯著正相關(guān)，與阻力系數(shù)和粗糙系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)；TSM、TS 和S 的產(chǎn)流率與流速、雷諾數(shù)和水流功率為顯著正相關(guān)；TM 的產(chǎn)流率僅與雷諾數(shù)和水流功率顯著正相關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)重構(gòu)坡面的產(chǎn)流率與水流功率均存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為1，究其原因發(fā)現(xiàn)二者都與試驗中的徑流量有著直接的線性函數(shù)關(guān)系，所以相關(guān)性極高，說明水流功率能很好地預(yù)測產(chǎn)流過程，不受基質(zhì)類型的影響。TS 和S 的產(chǎn)沙率與流速、雷諾數(shù)和水流功率為顯著正相關(guān)；TSM 和TM 的產(chǎn)沙率僅與流速顯著正相關(guān)，其他水力學(xué)參數(shù)影響均不顯著。

表3 重構(gòu)坡面的侵蝕特征與水力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù) Table 3 Correlation coefficient between erosion characteristics and hydraulic parameters of reconstructed slopes

坡面微地形的侵蝕表征指標(biāo)溝壑密度、溝壑面積和起伏度，因坡面基質(zhì)不同，與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關(guān)性表現(xiàn)出極大的差異（表3）。LT、CT 和TS 坡面的溝壑面積和起伏度顯著正相關(guān)于其產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率，而溝壑密度與產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的相關(guān)性不顯著。TM、TMS 和TS的溝壑面積、起伏度和溝壑密度與產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)性大多不顯著，說明LT、CT 和TS 的產(chǎn)流產(chǎn)沙主要來源于坡面地形的微變化，細(xì)溝的發(fā)展促進(jìn)徑流的匯集和產(chǎn)沙量的增加；TM、TMS 和S 的產(chǎn)流產(chǎn)沙多來源于坡面的“均勻”流失，與地形的高低起伏變化相關(guān)性相對不強(qiáng)。

大多數(shù)坡面的坡面微地形侵蝕表征指標(biāo)溝壑密度、溝壑面積和起伏度大多數(shù)情況下與水力學(xué)參數(shù)平均流速、雷諾數(shù)、弗如德數(shù)、徑流剪切力、水流功率表現(xiàn)為正相關(guān)，與阻力系數(shù)和粗糙系數(shù)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；TM 和TMS 的坡面微地形侵蝕表征指標(biāo)中個別指標(biāo)與水力學(xué)參數(shù)間表現(xiàn)出與其他基質(zhì)相反的相關(guān)關(guān)系，且沒有明顯的規(guī)律。說明坡面微地形的變化可能受多種水力學(xué)因素的綜合作用，單一因素很難改變坡面的變化，且這些相關(guān)關(guān)系大多達(dá)不到顯著水平，因此對于坡面微地形的侵蝕表征指標(biāo)與水力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系沒有進(jìn)一步定量預(yù)測的必要。

據(jù)上述產(chǎn)流產(chǎn)沙與水力學(xué)參數(shù)間顯著相關(guān)分析結(jié)果，利用SPSS 中的非線性回歸法篩選各類基質(zhì)侵蝕特征的最佳預(yù)測模型（表4）。因LT 和CT 的擬合方程比較接近，所以將二者合并到一起，表4 中6 種坡面的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率與水力學(xué)參數(shù)間的預(yù)測模型均通過回歸方程的擬合優(yōu)度檢驗、顯著性檢驗和回歸系數(shù)的顯著性檢驗，結(jié)果表明水力學(xué)參數(shù)能通過對數(shù)、線性和冪函數(shù)較好地預(yù)測產(chǎn)流產(chǎn)沙，同時發(fā)現(xiàn)基質(zhì)類型相近的有近似的函數(shù)關(guān)系，如TM 和TSM 的產(chǎn)沙與流速的冪函數(shù)關(guān)系，LT和CT 具有相同的水力影響因素，說明重構(gòu)坡面類型對侵蝕的水動力學(xué)參數(shù)有一定的影響。關(guān)于坡面侵蝕的水動力學(xué)影響因素及函數(shù)描述有很多學(xué)者關(guān)注[9,17,28-29,34]，土壤剝蝕率隨水力學(xué)相關(guān)參數(shù)增大主要以線性函數(shù)或冪函數(shù)關(guān)系增加，即使坡度接近，因基質(zhì)類型不同，水動力學(xué)的影響因素和函數(shù)關(guān)系也不完全相同；可見單獨的水力學(xué)參數(shù)無法考慮坡面類型差異對剝蝕率的影響[35]，目前已有學(xué)者嘗試將土壤黏聚力作為表征土壤性質(zhì)差異的指標(biāo)引入到水力學(xué)參數(shù)預(yù)測土壤剝蝕率的定量關(guān)系中[36]，基于水動力學(xué)參數(shù)融合能代表土壤性質(zhì)的指標(biāo)預(yù)測土壤剝蝕率將進(jìn)一步增加預(yù)測的科學(xué)性，也是本研究進(jìn)一步要考慮的問題。

3 結(jié) 論

在鐵尾礦砂中添加不同比例的土壤、菌糠，共形成6種重構(gòu)坡面：松散鐵尾礦砂（LT），結(jié)殼鐵尾礦砂（CT），鐵尾礦砂與菌糠混合物（TM），鐵尾礦砂、菌糠和土壤混合物（TSM），鐵尾礦砂和土壤混合物（TS），純土（S），在3 次非均勻間歇模擬降雨條件下，研究重構(gòu)坡面水動力特性，主要結(jié)論如下：

1）鐵尾礦砂重構(gòu)坡面的產(chǎn)流率隨降雨場次均持續(xù)增大；重構(gòu)坡面間產(chǎn)流差異不顯著。而重構(gòu)坡面間的產(chǎn)沙率、坡面微地形差異顯著，因重構(gòu)坡面類型不同表現(xiàn)出明顯的分異規(guī)律：純尾礦砂、鐵尾礦砂和土壤混合物坡面細(xì)溝發(fā)展迅速，坡體上下細(xì)溝易貫通，細(xì)溝寬深比較小，侵蝕形態(tài)嚴(yán)重，為高產(chǎn)沙型坡面，產(chǎn)沙率隨降雨場次持續(xù)增大。覆土坡面和在鐵尾礦砂中添加菌糠坡面可不同程度抑制坡面細(xì)溝發(fā)展速度，但覆土坡面細(xì)溝僅發(fā)生在坡體中下部局部部位，寬深比較大；添加菌糠的坡面細(xì)溝很少，多以均勻分布的菌糠小坑穴出現(xiàn)；這些坡面侵蝕形態(tài)輕微，為低產(chǎn)沙型，產(chǎn)沙率隨降雨場次整體表現(xiàn)為先增加后減少。

2）鐵尾礦砂6 種重構(gòu)坡面產(chǎn)流率均隨產(chǎn)流歷時持續(xù)波動增加，而產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流歷時變化表現(xiàn)出3 種類型：單峰型、增加型和減少型。

3）鐵尾礦砂6 種重構(gòu)坡面的坡面流流型均為層流，流態(tài)大多為急流；隨降雨場次增加，流速和水流功率整體表現(xiàn)為增大的趨勢，阻力系數(shù)、曼寧粗糙系數(shù)表現(xiàn)出減小的趨勢，降雨場次對這些水動力因素影響顯著（P<0.05）。6 種坡面因重構(gòu)基質(zhì)類型不同，與產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率顯著相關(guān)的水力學(xué)參數(shù)和最佳預(yù)測函數(shù)關(guān)系不盡相同，主要為對數(shù)、線性或冪函數(shù)。

4）鐵尾礦砂坡面覆土減流效果最明顯，添加菌糠的減沙效果最好，但不能有效減流，因此對于土源缺乏的鐵尾礦砂復(fù)墾區(qū)，可利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物如菌糠和土壤的無土或者少土模式進(jìn)行基質(zhì)改良，有效減緩侵蝕，促進(jìn)植被修復(fù)。