短時強降雨對巖溶坡面土壤地表流失/地下漏失的影響

閆釔全, 劉 琦,2, 鄧大鵬, 廖啟迪

(1.同濟大學 土木工程學院 地下建筑與工程系， 上海 200092;2.巖土及地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)， 上海 200092)

中國西南巖溶地區具有獨特的地表、地下二元水文地質結構，因此其水土流失存在特殊的地表流失和地下漏失兩方面，貴州省人口密集和不合理的社會經濟活動的影響，呈現出大面積巖溶石漠化現象[1-3]。其中，貴州省石漠化面積約37 597 km2，占中國石漠化總面積的28.1%[4-5]。影響西南巖溶地區水土流失和石漠化發展程度的諸多因素包括氣候、地理地貌、地質條件和人類活動等[6]。經多年研究成果可以看出，侵蝕性降雨是其中非常重要的影響因素之一。侵蝕性降雨是指能夠造成真正意義土壤侵蝕的降雨[7]，且短時(1-3小時)強降雨更易引發相關地質災害發生[8]。杜波等[9]提出小雨量、短歷時、大雨強的降雨是巖溶地區最易產流產沙的降雨類型，西南地區雨熱同期，降雨時空分布不均，暴雨發生頻率高、強度大，且大暴雨和特大暴雨所占比例高[10-11]。這些自然因素都加劇了巖溶地區的水土流失。

目前國內外學者對巖溶地區水土流失機理的研究已有一定成果，研究方法主要有徑流小區觀測法，核素示蹤法、3S技術、室內模擬降雨試驗法[12-16]，由于野外場地與研究方法的限制，室內試驗法針對進一步研究水土流失的機理具有一定優越性，目前已有相關研究集中在基巖裸露率、地下孔隙度、坡面地貌特征、降雨強度等影響因子。雨量與土壤侵蝕聯系密切，雨強是一個十分重要的降雨參數，有學者研究指出[7,17]，使用平均雨強對侵蝕性降雨進行定義，有一定的錯選率，存在放大低強度降雨對土壤的侵蝕作用，而弱化了高強度降雨對土壤侵蝕的影響。在黃土地區存在總降雨量和土壤量相關性低的情況。目前還少有學者進行不同降雨強度交替作用下室內模擬降雨試驗，因此本文基于貴州貞豐關嶺—花江石漠化治理示范區的野外研究現狀，通過模擬降雨強度交替組合方式探究自然界中降雨條件變化對表層巖溶坡面土壤地表流失與地下漏失的影響，該項研究對揭露巖溶地區水土流失的規律及防治石漠化具有理論和現實意義。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國貴州省關嶺縣與貞豐縣相交處的北盤江峽谷花江地段，東經105°36′30″—105°46′30″、北緯25°39′13″—25°41′00″，示范區總面積51.62 km2。多年平均降雨量1 100 mm，降水量時空分布不均。研究區巖性以碳酸鹽巖為主。示范區石漠化面積2 527.71 hm2，其中輕度石漠化面積1 497.18 hm2，占59.23%；中度—強度石漠化面積占比40.77%。研究區內中度—強度石漠化較為常見，局部地區已經嚴重到威脅當地居民的生產生活[18]。

1.2 研究區降雨特征

有學者通過研究確定了坡地土壤侵蝕主要由大雨量、中歷時、大雨強的降雨造成[19-20]。現對研究區所屬貴州省安順地區氣象站1991—2020年連續30 a的逐日降雨數據進行分析，得出研究區共發生降雨5 423次。降雨量資料來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)。按氣象學的劃分方法(24小時降雨量)對研究區的降雨等級進行分級，即大暴雨(p≥100 mm)、暴雨(50≤p<100 mm)、大雨(25≤p<50 mm)、中雨(10≤p<25 mm)、小雨(p<10 mm)進行分級。將5 423次降雨按照降雨量大小統計分析，得出研究區降雨特征見圖1。小雨共4 394次，占降雨總次數的81%，累計降雨量8 885 mm，占降雨總量的23%；中雨共609次，占降雨總次數的11%，累計降雨量9 710 mm，占降雨總量的25%；大雨共281次，占降雨總次數的5.2%，累計降雨量9 535 mm，占降雨總量的24.7%；暴雨次數120次，占降雨總次數的2.2%，累計降雨量8 107.3 m m，占降雨總量的21%；大暴雨次數19次，占降雨總次數的0.6%，累計降雨量2 392 mm，占降雨總量的6.3%。

圖1 不同等級降雨總量及次數

通過對研究區30年的降雨特征分析得出：降雨等級按照發生頻次排序為：小雨>中雨>大雨>暴雨>大暴雨；按照降雨量排序為：中雨>大雨>小雨>暴雨>大暴雨。暴雨及大暴雨主要集中在4—10月份，中雨、大雨、暴雨、大暴雨均呈現雨季降雨頻次增加，旱季減少的情況。但這些降雨是否引起侵蝕性降雨還需進一步驗證。

為了進一步了解研究區的侵蝕性降雨特征，分析侵蝕性降雨對土壤地表流失/地下漏失的影響。本課題組在研究區選取典型坡面修建徑流小區和氣象站以獲取數據。該氣象站每30 min記錄一次降雨量數據并自動儲存，共統計了2018年4月至2020年9月的降雨數據，以每次降雨后徑流小區是否產沙作為發生侵蝕性降雨的依據。隨機選擇研究區2 h降雨歷時的5組侵蝕性降雨量數據分析(圖2)，以該區2019年5月26日的降雨數據為例，其降雨強度瞬時最高可達34.8 mm/h，但僅0.5 h過后降雨強度變為零，之后又開始降雨。可知研究區的降雨具有瞬時雨強大、降雨在時間上較為集中且不同雨強交替發生的特點。

圖2 降雨強度隨降雨時長變化

1.3 試驗設備與材料

試驗土壤樣品采自示范區中碳酸鹽巖風化形成的紅黏土，該區土壤一般都很淺薄，但質地黏重、透水性差，易在降雨季節發生水土流失，其物理性質見表1。進行試驗前先對土壤進行篩分，去除石礫，配備成含水率25%的土壤均勻地鋪在模型表面并壓實，用以模擬示范區表層土。

表1 試驗土樣物理性質

試驗設備為自制的表層巖溶裂隙帶土壤地表流失和地下漏失模擬裝置(圖3)[21]，試驗設備主要由模型箱和降雨平臺組成。模型箱中由切割成型的泡沫、承壓鐵板和承壓鐵板上的石灰巖石板和填充碎石組成，該部分用以模擬基巖，之后在基巖上鋪設土壤和放置碎石充當土巖界面和裸露巖體。承壓鐵板上預留出一個長寬為10 cm×2 cm的開口，用以模擬野外裂隙。降雨模擬裝置采用針頭式降雨方式模擬降雨，降雨均勻系數大于80%，降雨器高度為2 m。降雨強度的變化范圍10 mm/h～120 mm/h，調節變化時間<15 s。

1.4 試驗條件

依據熊康寧等[22]及本課題組在示范區典型巖溶坡面所建徑流小區調查統計結果[23]，結合示范區野外調查可知示范區典型坡面的傾角范圍為10°～25°，基巖裸露率為60%～85%，將本試驗的坡度選取為15°，基巖裸露率為60%，選取4個降雨強度(10, 20, 40, 80 mm/h)，試驗每0.5 h變化一次降雨強度，共變化4次，一組試驗持續2 h。將選取的降雨強度換算為24 h降雨量，按照氣象學中依靠降雨量區分降雨等級的方法區分本試驗的降雨等級，故對本試驗降雨強度的描述為：10 mm/h的降雨為中雨，20 mm/h的降雨為大雨，40 mm/h的降雨為暴雨，80 mm/h的降雨為大暴雨。降雨強度的設定根據所統計的示范區降雨特征及徑流小區侵蝕性降雨特征選取，正式試驗前先進行一組預試驗標定降雨強度，將室內試驗次降雨徑流深情況與野外實際情況相比較，依據動力相似、產生徑流量相似原則[24]確定。試驗開始后，每5分鐘用采樣瓶分別接滿土壤地表流失與地下漏失泥水樣，用烘干法測得每組數據的土壤地表流失和地下漏失量。本試驗的試驗條件設置可見表2。

注：1：供水水龍頭；2：穩壓水箱；3：閥門；4：針孔式降雨器；5：支架；6：土壤層；7：地表碎石；8：石灰巖石板；9：采樣瓶；10：水土地下漏失；11：水土地表流失；12：電子秤；13：巖溶裂隙；14：泡沫填充物。

2 結果與分析

2.1 兩種不同降雨強度交替作用下對土壤地表流失/地下漏失的影響

降雨是發生土壤地表流失/地下漏失的重要驅動力，分析兩種不同降雨強度交替作用下土壤地表流失、地下漏失的特征(圖4)，可知在此試驗條件下土壤地下漏失占土壤侵蝕總量的63%～91%，平均占比為80%，6組試驗均呈現出土壤地下漏失占土壤侵蝕主導地位的現象。組合1土壤地下漏失占土壤侵蝕總量的85%，土壤地下漏失總量約為其他降雨強度交替作用情況下的1.7～2.4倍，相比于其他降雨強度交替作用的情況更容易發生土壤地下漏失。組合6的土壤地表流失占土壤侵蝕總量的37%，土壤地表流失總量約為其他降雨強度交替作用情況下的1.4～4.4倍。在降雨量一定的情況下，組合6有最高的土壤地表流失量，而地下漏失量為同組最低。

表2 試驗條件

組合1、組合3、組合6均設置連續降大雨1 h，這3個組合的土壤地表流失量分別為1.97 g，1.82 g，2.83 g，土壤地表流失量高于其它間斷性降大雨的3組。結果表明在總降雨量相同的情況下，高降雨強度下的集中降雨更容易導致土壤地表流失的發生。土壤地表流失的發生常常伴隨著坡面徑流的形成，高降雨強度集中降雨雨水多轉化為土壤水，更容易改變土體結構，快速形成坡面徑流，發生坡面徑流攜沙流失的現象。組合2、組合4、組合5即間斷性降大雨的情況中土壤地表流失量小于其它3種組合，土壤地下漏失量差異不大，結果表明在總降雨量相同情況中，間斷性大雨的不同組合下土壤地下漏量對降雨交替作用的變化響應不敏感。

圖4 兩種降雨強度交替作用下土壤地表流失/地下漏失特征

2.2 多種不同降雨強度交替作用下對土壤地表流失/地下漏失的影響

分析多種降雨強度交替作用下土壤地表流失、地下漏失總量的特征(圖5)可知，在這6種組合情況下，總降雨量相同，土壤地下漏失占土壤侵蝕總量的56%～92%，平均占比為82%，土壤地下漏失仍然為土壤侵蝕的主要形式。降雨量與土壤侵蝕呈正相關關系，按大暴雨、暴雨、大雨、小雨組合下的組合9，組合10具有同組最大的土壤地表流失/地下漏失總量，分別為22.75 g，28.07 g。在組合9和組合10中，組合10具有最高的土壤地表流失量和土壤地下漏失量。在降雨前期，巖溶坡面的土壤經歷的短歷時大暴雨會快速導致土壤水飽和，降雨強度大于土壤水入滲率，形成地表徑流通道和地下漏失通道，之后降雨強度降低但已經形成的土壤侵蝕通道依然存在，降雨難以轉化為土壤水，通過已形成的土壤侵蝕通道攜帶土壤侵蝕。

組合11和組合12模擬了間斷性降中雨的情況，在這種情況下土壤地表流失、土壤地下漏失量均較小，兩種組合土壤地表流失/地下漏失總量為6.93 g，5.46 g，土壤地表流失量較小，土壤地表流失量占比僅為8%，土壤地下漏失占比92%。土壤地下漏量對降雨強度交替作用的變化響應不敏感。間斷性降中雨，降雨強度不能導致土壤水飽和，雨水入滲土壤較為充分，沿著已有的漏失通道，攜帶土壤漏失。由于雨水大部分入滲土壤，未能形成坡面徑流，土壤地表流失量較小。

圖5 不同降雨強度作用下土壤地表流失/地下漏失特征

2.3 不同降雨強度下土壤地表流失/地下漏失對時間的響應

分析不同降雨強度交替作用下土壤地表流失量隨時間的變化特征(圖6)可知，在降雨全過程中存在土壤地表流失量和降雨強度呈正比的關系。穩態降雨的情況下，隨著降雨強度的增高，土壤地表流失量依次為2.12 g，2.37 g，4.83 g，5.92 g，且土壤地表流失速率較為穩定。

組合9，組合10的土壤地表流失特征不同，組合9降雨全過程土壤地表流失量為4.42 g，在大暴雨降雨時段里，土壤地表流失量為1.92 g，占比43%，組合10降雨全過程土壤地表流失量為7.83 g，在大暴雨降雨時段里，土壤地表流失量為3.55 g，占比45%。可以發現，30 min后不同降雨強度下土壤地下漏失速率較為穩定，前30 min的不同降雨強度中土壤漏失速率差異較大，基本呈現土壤漏失速率隨降雨強度增大而增大的現象。在土壤水暫未飽和的情況下，較高的降雨強度使得土壤水快速飽和，繼續降雨，土壤水難以繼續入滲，在表層巖溶坡面形成土壤地表徑流，雨水沿著徑流通道攜帶土壤，造成穩態的土壤地表流失，即在圖表中體現為高降雨強度具有更高的地表流失初值，之后不同降雨組合的土壤地表流失速率處于穩定狀態。組合9降雨情況下的總土壤地表流失量大于穩態大雨，小于穩態暴雨情況中的土壤地表流失。而在90分鐘以后，降雨強度增大到大暴雨以后，土壤地表流失速率顯著增大，土壤隨著形成的坡面徑流通道發生流失，組合10后期降雨強度減小，但已經形成的坡面徑流通道并未消失，土壤地表流失速率仍維持在相對穩定的水平。

圖6 不同降雨強度下土壤地表流失量特征

分析不同降雨強度交替下土壤地下漏失量隨時間的變化特征(圖7)可知，總體上穩態降雨情況下不同降雨強度的土壤地下漏失量波動不大，在降雨全過程中土壤地下漏失量和降雨強度呈正相關。穩態降雨的情況下，隨著降雨強度增大土壤地下漏失量依次為1.64 g，4.15 g，5.68 g，21.35 g。4組穩態降雨的情況中，除大暴雨的情況下，土壤地下漏失速率相對較穩定。

組合9、組合10具有不同的土壤地下漏失特征，土壤地下漏失量分別為18.33 g，20.24 g，組合9隨著降雨強度的升高具有越來越大的地下漏失速率，不同降雨階段下，組合9的地下漏失量均小于80 mm/h降雨強度下的穩態降雨。從總降雨量來考慮，組合9的降雨量為75 mm，40 mm/h下穩態降雨兩小時降雨量為80 mm，兩組的總降雨量之間相差不大，但組合9降雨情況下最后30 min內，降雨強度增大為之前的2倍，加速了坡面的土壤地表流失/地下漏失能力，分析其原因在大暴雨氣候條件下，降雨強度超過一定臨界值之后，雨水入滲速率加快，土壤含水率急速增加，土體結構發生改變，更容易形成裂隙流進而加速土壤地下漏失。組合10在降雨初期30 min內，相比于其他降雨情況具有最大的土壤地下漏失量11.08 g，之后隨著降雨強度的減小，土壤地下漏失速率也在減小，并在60 min之后土壤地下漏失速率小于80 mm/h的穩態降雨，終態情況下土壤地下漏失量小于80 mm/h的穩態降雨，表明土壤地下漏失量與降雨總量呈正比。

圖7 不同降雨強度下土壤地下漏失量特征

3 結 論

(1) 降雨強度與土壤地表流失量/地下漏失量均呈正比關系，但降雨強度的大小交替順序對其影響存在差異。大雨和中雨組成的6種強度交替降雨情況下，先集中性中雨再集中性大雨產生的土壤地表流失和地下漏失總量最大；先集中性大雨再集中性中雨產生的土壤地表流失量最大，而土壤地下漏失量最小。考慮大暴雨、暴雨、大雨、中雨這4種雨強情況下，按雨強從大到小實施所產生的土壤地表流失和地下漏失總量大于雨強從小到大實施的情況。雨強大的降雨發生在降雨過程的后期更易發生土壤地下漏失。

(2) 短時多次降雨之間的時間間隔對土壤地表流失量和地下漏失量影響顯著，集中性大雨比間斷性大雨更易引發巖溶坡面土壤地表流失及地下漏失。短時多次降雨之間無雨的時間越長越不易發生水土流失和漏失，間斷性強度低的降雨對土壤地表流失和地下漏失的影響遠小于高強度集中降雨。要注意間斷性中雨對土壤地下漏失的防控。

(3) 降雨強度與時長對土壤地表流失/地下漏失的速率也有影響。降雨前期，土壤地表流失速率與降雨強度呈正相關關系，在降雨中后期其速率不受降雨強度的變化影響；在整個降雨過程中，土壤地下漏失速率均與降雨強度呈正相關關系。因此，在應對短時強降雨極端天氣時應該著重加強降雨初期的水土流失/漏失災害防治。