降雨強(qiáng)度對(duì)坡地徑流和產(chǎn)沙的影響研究

李彥芳

(山西鴻海工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000)

由于碳酸鹽巖孔隙率較低，保水能力較差，因此土壤侵蝕和水土流失較為嚴(yán)重。喀斯特地區(qū)形成于可溶性碳酸鹽巖區(qū)域，這些碳酸鹽巖經(jīng)受了地質(zhì)和化學(xué)溶解的影響，形成由裂縫、管道和洞穴網(wǎng)組成的地下巖溶排水系統(tǒng)。巖溶系統(tǒng)的地表和地下形成了一個(gè)空間開放的雙層水文系統(tǒng)。這種特殊的“二元結(jié)構(gòu)”導(dǎo)致了地表和地下水土資源的損失。研究表明，地表和地下水土資源流失會(huì)引起喀斯特石漠化、土壤沉降和塌陷等危害。由于自然因素和人類活動(dòng)的影響，我國(guó)西南喀斯特地區(qū)地表呈現(xiàn)出特殊的喀斯特石漠化景觀，包括裸露的巖石、植被退化和嚴(yán)重的水土流失。

喀斯特石漠化是我國(guó)日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，已成為僅次于西北荒漠化和黃土高原水土流失的第三大生態(tài)問題。喀斯特石漠化主要發(fā)生在石灰?guī)r巖溶地區(qū)。這些地區(qū)也是主要的農(nóng)業(yè)區(qū)。由于人類活動(dòng)的影響，石灰?guī)r土壤形成速度極其緩慢，土壤侵蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤形成速度，隨著時(shí)間的推移，這種不平衡導(dǎo)致了石漠化的景觀。因此，防治巖溶地區(qū)地下滲漏是防治水土流失的關(guān)鍵。

目前的研究中，關(guān)于巖溶地下滲漏的相關(guān)研究較少。研究地下水土流失的方法和技術(shù)尚處于探索階段。近年來，極端降水事件更加頻繁，造成的極端降水更多，影響更顯著。相關(guān)研究表明，極端降水事件的數(shù)量和比例呈增加趨勢(shì)。降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的最重要?jiǎng)討B(tài)因素之一，降雨強(qiáng)度的變化對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生了重大影響。因此，本文通過模擬降雨研究了地下裂縫孔隙度、坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)坡面徑流和產(chǎn)沙的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1土壤

試驗(yàn)土壤由碳酸鹽巖和鈣質(zhì)黏土組成，土壤的物理特性見表1。

表1 試驗(yàn)土壤的物理特性

試驗(yàn)土壤采集地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，季風(fēng)發(fā)達(dá)。年平均氣溫22.5°C，年平均降水量約1100mm。雨季主要發(fā)生在4—8月。土壤的厚度在18～31cm范圍內(nèi)。因此，從坡耕地中收集了深度為0～25cm的土壤。

1.1.2地貌模擬

首先，將高度超過32cm的碳酸鹽巖隨機(jī)放置在長(zhǎng)4m×寬2m×深0.4m的鋼槽中。然后，根據(jù)采樣時(shí)實(shí)地測(cè)量的土壤密度，在巖石空間中分層均勻回填，模擬基巖裸露率。土層總深度為28cm。土壤和巖石之間的接觸區(qū)域進(jìn)行人工壓實(shí)。

1.1.3測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)使用側(cè)撒降雨模擬器。降雨設(shè)備由控制器、儀表、水泵、水管、旋轉(zhuǎn)吊桿以及其他部件組成。降雨的有效高度為2～4.5m，有效降雨面積為6m×6m。降雨均勻度>85%，雨滴直徑在0.5～6mm，降雨強(qiáng)度為6～130mm/h。模擬降雨的最終速度與自然降雨的速度相似。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究綜合考慮了基巖裸露率、土層特征、降雨強(qiáng)度、坡度和地下裂縫孔隙度等影響因素。基巖裸露率是地表基巖裸露面積與水平投影面積的比值。實(shí)驗(yàn)基巖裸露率為15%。本試驗(yàn)土壤厚度為28cm，分為耕作層和犁底層，耕作層深度為18cm，壓實(shí)力為300kPa，犁底層深度為10cm，壓實(shí)力為1000kPa。降雨強(qiáng)度分別為30、60和90mm/h，分為3種類型，即輕度降雨強(qiáng)度(30mm/h)、中度降雨強(qiáng)度(60mm/h)和極端降雨強(qiáng)度(90mm/h)。通過調(diào)整鋼槽的坡度，模擬了2種不同的斜坡角度：緩坡(10°)和陡坡(20°)。地下裂縫孔隙度是指地下裂縫孔隙總面積與水平投影面積的比值。鋼槽的底部由2塊可移動(dòng)的鋼板組成。鋼板上有很多直徑為5cm間隔均勻的孔。這些孔用于收集土壤侵蝕過程中進(jìn)入地下孔隙的水和泥沙徑流。通過調(diào)節(jié)兩板孔的重疊程度來模擬地下裂縫孔隙度，模擬了3種類型的地下裂縫孔隙度，即微孔裂縫(2%)、小孔裂縫(4%)和大孔裂縫(6%)。每次降雨持續(xù)90min，每項(xiàng)試驗(yàn)重復(fù)3次。在每次降雨之前，用新鮮的土壤替換鋼槽內(nèi)的土壤。

1.3 降雨模擬

每次降雨實(shí)驗(yàn)前，對(duì)基巖裸露率、地下裂縫孔隙度、坡度和降雨強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。模擬順序?yàn)椋菏紫葘⒌叵铝芽p孔隙度調(diào)整到設(shè)計(jì)水平。然后，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)鋼槽內(nèi)巖石進(jìn)行調(diào)整，之后用土壤進(jìn)行回填，最后將鋼槽的坡度調(diào)整為設(shè)計(jì)坡度。利用降雨加速土壤沉降，使土壤含水量達(dá)到飽和。在降雨開始后，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間從地表或地下首次發(fā)生徑流開始。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析

1.4.1地下裂縫孔隙度模擬

地下裂縫孔隙度通過調(diào)整兩個(gè)板孔之間的重疊面積來模擬。地下裂縫孔隙度可由公式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

式中，UPD—地下裂縫孔隙度，%；S孔—2板孔洞重疊總面積，m2；S槽—鋼槽底面積，m2；π—圓周率；R—底板孔的半徑，m；L—孔洞重疊區(qū)域的最大的弦，m。

1.4.2徑流量

根據(jù)徑流來源，將徑流類型分為地表徑流、次表層徑流和地下徑流。從坡面收集地表徑流。次表層徑流通過土壤充氣層飽和流中收集。地下徑流通過地下裂縫孔隙收集。在測(cè)量期間，使用塑料大桶每10min收集一次地表徑流、次表層徑流和地下徑流。對(duì)不同時(shí)期和整個(gè)降雨期的總徑流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1.4.3產(chǎn)沙量

首先用定性濾紙過濾地表徑流和地下徑流中的沉積物，然后將沉積物樣品轉(zhuǎn)移到燒杯中，放入105℃的烘箱中烘干24h，干燥至恒重并稱重。

1.4.4徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是地表或地下徑流與總徑流量的比值。徑流系數(shù)可由公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中，Cr—徑流系數(shù)，%；Ri—地表或地下徑流，L；R—總徑流量，L。

1.4.5侵蝕比

利用侵蝕比可以直觀地觀察地表和地下滲漏對(duì)土壤侵蝕的影響。侵蝕比為地表或地下產(chǎn)沙量與總產(chǎn)沙量的比值，可由公式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中，Ep—侵蝕比，%；Si—地表或地下產(chǎn)沙量，g；S—總產(chǎn)沙量，g。

1.4.6徑流率

徑流率是單位時(shí)間內(nèi)單位面積產(chǎn)生的徑流量。徑流率可由公式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中，Rr—徑流率，L/(m2·min)；R—徑流量，L；A—坡面面積，m2；T—降雨持續(xù)時(shí)間，min。

1.4.7產(chǎn)沙率

產(chǎn)沙率是單位時(shí)間內(nèi)單位面積產(chǎn)生的泥沙量。產(chǎn)沙率可由公式(6)進(jìn)行計(jì)算。

(6)

式中，Sr—產(chǎn)沙率，g/(m2·min)；S—產(chǎn)沙量，g；A—坡面面積，m2；T—降雨持續(xù)時(shí)間，min。

2 結(jié)果和討論

降雨是土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)因素，降雨強(qiáng)度對(duì)徑流和土壤侵蝕有積極的影響。本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析降雨強(qiáng)度對(duì)徑流和土壤侵蝕的影響。

2.1 輕度降雨強(qiáng)度下徑流特征

輕度降雨強(qiáng)度下徑流產(chǎn)沙特征見表2。輕度降雨強(qiáng)度下不同坡度的徑流率隨降雨時(shí)間增加的變化規(guī)律如圖1所示。輕度降雨強(qiáng)度下不同坡度的產(chǎn)沙率隨降雨時(shí)間增加的變化規(guī)律如圖2所示。從表中可以看出，輕度降雨強(qiáng)度(30mm/h)的情況下持續(xù)90min不產(chǎn)生坡面徑流和土壤侵蝕。降水幾乎全部滲入充氣層和地下裂隙孔隙。產(chǎn)沙總量很小，且極其緩慢，但對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)率高達(dá)100%。地下裂縫孔隙度和坡度對(duì)坡面的徑流率和產(chǎn)沙率均有著非常顯著的影響。

圖1 輕度降雨強(qiáng)度下不同坡度的徑流率隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖2 輕度降雨強(qiáng)度下不同坡度的產(chǎn)沙率隨時(shí)間的變化規(guī)律

表2 輕度降雨強(qiáng)度下徑流產(chǎn)沙特征

輕度降雨強(qiáng)度下，降水過程中不發(fā)生地表徑流，地下徑流是坡面徑流的主要過程，地下徑流系數(shù)在68.8%～96.6%之間。地下裂縫孔隙為徑流提供了額外的通道，地貌具有地表高滲透性的特征。本次研究中，輕度降雨強(qiáng)度下地下徑流率隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加呈先增加后趨于穩(wěn)定的變化。地下徑流率為0.16～0.50L/(m2·min)。

徑流是坡面水蝕的主要驅(qū)動(dòng)因素，能輸送泥沙。輕度降雨強(qiáng)度下，由于斜坡表面沒有發(fā)生徑流，試驗(yàn)中沒有泥沙被輸送到斜坡范圍之外。地貌斜坡上輸沙的主要過程為小規(guī)模地下滲漏，輸沙量在4.5～6.4g。產(chǎn)沙率隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加呈先減小后增大然后趨于穩(wěn)定的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，輕度降雨強(qiáng)度下，地下滲漏雖然是一個(gè)非常緩慢的過程，但不可忽視。

地下徑流系數(shù)隨地下裂縫孔隙度的增大而增大，隨坡度的增大而減小。當(dāng)角度為10°時(shí)，徑流系數(shù)在40min后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)角度增加到20°時(shí)，徑流系數(shù)在30min后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。地下徑流率隨地下裂縫孔隙度的增加而增加，但隨坡度的增大而減小。地下裂縫孔隙度和坡度對(duì)地下產(chǎn)沙的影響與上述地下徑流的影響相似。

2.2 中度降雨強(qiáng)度下斜坡產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

中度降雨強(qiáng)度下地下產(chǎn)沙特征見表3。中度降雨強(qiáng)度下地表徑流系數(shù)和地下徑流系數(shù)的分布特征如圖3—4所示。中度降雨強(qiáng)度下地下滲漏產(chǎn)生的侵蝕比的分布特征如圖5所示。中度降雨強(qiáng)度下，斜坡發(fā)生地表水土流失，但地下滲漏仍占斜坡水土流失的大部分。坡度越小，地下水土流失的量越大。

圖4 中度降雨強(qiáng)度下地下徑流系數(shù)的分布特征

圖5 中度降雨強(qiáng)度下地下侵蝕比的分布特征

表3 中度降雨強(qiáng)度下產(chǎn)沙特征

中度降雨強(qiáng)度下地表徑流系數(shù)在1.7%～11.2%之間，地下徑流系數(shù)在43.3%～63.5%之間。在中度降雨強(qiáng)度下，地下徑流仍是斜坡徑流的主要途徑。

降雨強(qiáng)度增大會(huì)引起地表水土流失，并增大地下產(chǎn)沙量。與輕度降雨強(qiáng)度相比，中度降雨強(qiáng)度下地下輸沙量增加5.1倍～7.2倍。結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度增加導(dǎo)致地表和地下水土流失增加。雨滴濺射侵蝕力隨著降雨強(qiáng)度的增加而增大。這種侵蝕力的增大導(dǎo)致土塊的破壞，從而導(dǎo)致侵蝕比的增加。本次試驗(yàn)中雨滴濺射侵蝕比例隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。

地表和地下輸沙量隨降雨強(qiáng)度、坡度和地下裂縫孔隙度的變化特征分析結(jié)果表明，中度降雨強(qiáng)度下，隨著地下裂縫孔隙度的增加，地表產(chǎn)沙量逐漸減小，地下產(chǎn)沙量逐漸增加。地表產(chǎn)沙總量和地下產(chǎn)沙總量相當(dāng)。隨著坡度的增加，地表產(chǎn)沙量增加，地下產(chǎn)沙量減小。地下侵蝕比例隨著地下裂縫孔隙度的增加而增加，隨著坡度的增加而減小，但坡度的影響較小。

2.3 極端降雨強(qiáng)度下斜坡徑流產(chǎn)沙特征

極端降雨強(qiáng)度下地下產(chǎn)沙特征見表4。極端降雨強(qiáng)度下地表徑流、次表層徑流和地下徑流分布特征如圖6所示。極端降雨強(qiáng)度下地下侵蝕比的分布特征如圖7所示。可以看出，極端降雨條件下以地表徑流和地表產(chǎn)沙為主。極端降雨條件下地下侵蝕比小于輕度和中度降雨強(qiáng)度，但地下產(chǎn)沙最大。

圖6 極端降雨強(qiáng)度下徑流率的分布特征

圖7 極端降雨強(qiáng)度下地下侵蝕比的分布特征

表4 極端降雨強(qiáng)度下產(chǎn)沙特征

極端降雨強(qiáng)度下，地下裂縫孔隙度為2%時(shí)，徑流以地表徑流為主，地表徑流系數(shù)在40%～43%之間，地下徑流系數(shù)在25%～27%之間。當(dāng)?shù)叵铝芽p孔隙度增大到6%，地表徑流系數(shù)減小到16%～22%，地下徑流系數(shù)增大到37%～41%。極端降雨強(qiáng)度大于土壤入滲速率，通過入滲過剩徑流和飽和過剩徑流產(chǎn)生地表徑流。地表徑流量系數(shù)隨坡度增大而增大，地下徑流量系數(shù)隨坡度增大而減小。

極端降雨強(qiáng)度對(duì)地表和地下產(chǎn)沙均有顯著的促進(jìn)作用。與輕度降雨強(qiáng)度相比，地下侵蝕比急劇下降。然而，與輕度降雨強(qiáng)度和中度降雨強(qiáng)度相比，極端降水強(qiáng)度下的地下產(chǎn)沙量顯著增加。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)分析降雨強(qiáng)度、坡度和地下裂縫孔隙度對(duì)坡面徑流和產(chǎn)沙的影響。結(jié)果表明：①?gòu)搅鞯挠绊懸蛩匾来螢榻涤陱?qiáng)度、坡度和地下裂縫孔隙度，產(chǎn)沙的影響因素依次為降雨強(qiáng)度、地下裂縫孔隙度和坡度。②輕、中度降雨強(qiáng)度時(shí)，地下裂縫孔隙度是徑流和產(chǎn)沙的主要途徑；極端降雨條件下，坡面土壤侵蝕的主要部分是地表徑流及其產(chǎn)沙量。在此期間，地下侵蝕比例較低，但產(chǎn)沙量較大。③輕、中度降雨強(qiáng)度是目前最主要降水事件，地表的徑流和產(chǎn)沙很少，應(yīng)防止或減輕地下水土流失。④實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件可能導(dǎo)致結(jié)果存在偏差，水土保持治理中，需加強(qiáng)治理效果監(jiān)測(cè)，最大限度減小水土流失。