貴州巖溶地區不同角度坡面土壤侵蝕的研究

肖 穎

(黔西南州水務局,貴州 黔西南州 562400)

0 引言

由于氣溫變暖的影響,極端降水的事件頻繁發生,加速了巖溶地區的土壤侵蝕,如何防止土壤流失,針對此問題,學者們進行了多方面研究。許陽光等[1]對極端降雨下黃土高原草被溝坡淺層滑坡特征及其對產流產沙的影響進行了研究,結果表明:植被根系與土壤容重、孔隙度等土壤性質致使滑坡面上、下層土壤物理性質差異顯著,在極端降雨下滑坡面上層土壤水分更快達到飽和,導致淺層滑坡發生;劉曉路等[2]對紅壤和紫色土坡面產流產沙特征進行了研究,研究結果表明:在相同雨強和坡度情況下,紅壤的徑流深大于紫色土,且紅壤先達到穩定狀態,當雨強較小時,紅壤的侵蝕速率大于紫色土,但中大雨強時情況與之相反;孫旭等[3]研究了模擬降雨條件下枯落物覆蓋對坡面地表和壤中流產流過程的影響,研究結果表明:隨枯落物覆蓋密度的增大,地表產流時間延長,產流量逐漸減小,與裸土坡面相比,枯落物覆蓋坡面地表產流時間延長3～8倍,枯落物覆蓋坡面均會產生壤中流,壤中流產流量隨著覆蓋密度的增大而增加;王照潤等[4]研究了坡度對降雨徑流挾沙能力的影響,研究結果表明:相同雨強裸坡條件下,徑流含沙量與水力坡度的1/2次方呈正相關,與坡長的4/5次方呈正相關,水流挾沙能力約與水力坡度的1/2次方呈正相關。

以上學者研究了模擬降雨條件下坡面產流產沙的特征,總結了坡面土壤侵蝕的過程。本文通過人工模擬降雨試驗,對巖溶地區不同角度坡面的土壤流失進行了研究,并分析了不同降雨強度條件下坡面的徑流特征和侵蝕特征。

1 工程概況

研究區為典型喀斯特地貌。受降雨的影響,該地區土壤侵蝕的速度大于土壤形成的速度,這種不平衡導致水土流失嚴重。由于喀斯特地區碳酸鹽巖孔隙度低,保水能力極差,導致地表和地下水資源流失,土壤侵蝕嚴重,大面積巖石裸露、植被退化。為防止土壤遭受侵蝕,本文通過人工模擬降雨,在不同角度和不同孔隙裂縫率條件下,對巖溶地區的坡面徑流和侵蝕特征進行了研究。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

本次試驗土壤采集于研究區一處傾斜農田,從農田中收集0～25 cm深的土壤。土壤采集完后,除去樹木枯枝等雜物,然后在實驗室模擬巖溶地區的耕地結構。模擬降雨試驗的土壤鋼槽采用不銹鋼制作,其規格長×寬×高分別為5 m×2 m×0.6 m。將高度大于30 cm碳酸鹽巖隨機放入鋼槽內,再將采集的土壤分層均勻填入巖石中,保持填充密度與采集土壤區密度相同,土壤的總深度為30 cm,根據農田土層分布,填入的土壤分兩層,上層為耕作層,高度為20 cm,下層為犁底層,高度為10 cm,土壤填充完成后,將土壤整理平整,并壓實土壤,使土壤與底面巖石充分接觸。

試驗采用的人工降雨設備為全自動人工模擬降雨設備,降雨高度為6 m,降雨總面積為12 m×12 m,可分區降雨,降雨均勻性大于90%,雨滴直徑為0.3～5 mm范圍內,強度范圍為0.1～0.5 mm/min,降雨精度確保為0.1 mm/min。降雨前,設置雨滴的終端速度與自然降雨的速度相同。

2.2 試驗方法

本次模擬降雨試驗設置了兩種降雨強度,分別為0.8 mm/min和1.2 mm/min。因研究區土壤流失多發生在坡度小于30°的地區,對此試驗設置三種不同坡度,分別為8°、18°、28°,8°和18°坡度為緩坡,28°坡度為陡坡。鋼槽底部有可活動的鋼板,鋼板上有均勻的小孔,小孔直徑為8 cm,方便收集降雨產生的徑流。通過調整活動鋼板小孔的重疊程度,可調節不同的孔隙裂縫率,孔隙裂縫率為地下孔隙裂縫總面積與水平投影面積的比值。試驗設置了3種不同的孔隙裂縫率,分別為1%、4%、7%,其中1%為微孔裂隙,4%為小孔裂隙,7%為中孔裂隙。

試驗中每次降雨歷程為90 min,每次試驗均重復進行3次,取3次試驗的平均值作為試驗結果,每次降雨前均替換鋼槽中已結束試驗的土壤,確保試驗精度。

3 試驗結果與分析

3.1 雨強為0.8 mm/min時的徑流特征

人工模擬降雨結束后,根據試驗測量數據,可得當降雨強度為0.8 mm/min時,不同坡度條件下的徑流特征,如圖1所示。

圖1 雨強為0.8 mm/min條件下徑流特征

如圖1(a)所示,在坡度為8°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為54.4%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為70.2%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為85.0%。由此可知,在坡度為8°條件下,坡面幾乎沒有發生地表徑流,降雨全部滲入土壤,從而形成地下徑流。當孔隙裂縫率逐漸增大時,地下徑流隨之增大。

如圖1(b)所示,在坡度為18°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為53.0%,地表徑流率為10.2%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為53.7%,地表徑流率為9.38%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為62.1%,地表徑流率為6.9%。由此可知,在坡度為18°條件下,地表開始出現徑流,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小。當孔隙裂縫率為1%和4%時,地下徑流流量基本相同,當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流逐漸增大。

如圖1(c)所示,在坡度為28°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為44.7%,地表徑流率為12.2%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為51.5%,地表徑流率為9.7%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為54.0%,地表徑流率為4.5%。由此可知,在坡度為28°條件下,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大。

由圖1可知,當坡度為8°時,坡面幾乎沒有發生地表徑流,降雨滲入地下形成地下徑流。當坡度為18°和28°時,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大。在強度為0.8mm/min的降雨條件下,地下徑流是坡面徑流的主要途徑,而且地下滲漏是坡面水土流失的主要原因,坡度和孔隙裂縫率較大的緩坡地下土壤流失較大。

3.2 雨強為1.2 mm/min時的徑流特征

人工模擬降雨結束后,根據試驗測量數據,可得當降雨強度為1.2 mm/min時,不同坡度條件下的徑流特征,如圖2所示。

圖2 雨強為1.2mm/min條件下徑流特征

如圖2(a)所示,在坡度為8°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為48.1%,地表徑流率為4.2%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為62.3%,地表徑流率為4.2%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為74.1%,地表徑流率為3.1%。由此可知,在坡度為8°條件下,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大,在當孔隙裂縫率為1%和4%時,地表徑流的流量基本相同。

如圖2(b)所示,在坡度為18°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為54.7%,地表徑流率為1.8%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為58.4%,地表徑流率為1.8%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為59.0%,地表徑流率為0.9%。由此可知,在坡度為18°條件下,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大,在當孔隙裂縫率為4%和7%時,地下徑流的流量基本相同。在當孔隙裂縫率為7%時,坡面幾乎不發生地表徑流。

如圖2(c)所示,在坡度為28°條件下,當孔隙裂縫率為1%時,地下徑流率為37.4%,地表徑流率為21.3%;當孔隙裂縫率為4%時,地下徑流率為41.1%,地表徑流率為20.8%;當孔隙裂縫率為7%時,地下徑流率為43.2%,地表徑流率為18.9%。由此可知,在坡度為28°條件下,相較其它兩種坡度,地表徑流明顯增大,而地下徑流明顯減小,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大。

由圖2可知,在相同坡度條件下,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大,而地表徑流越小,地下土壤的流失隨著孔隙裂縫率的增大而增大。在坡度為28°條件下,地表徑流較其它兩種坡度明顯增大,地下徑流較其它兩種坡度明顯減小。在強度為1.2 mm/min的降雨條件下,地下徑流隨之坡度的增加而減小,其地下土壤侵蝕也相應減小。

3.3 不同雨強條件時的侵蝕特征

人工模擬降雨結束后,根據試驗測量數據,可得不同降雨強度和不同坡度條件下的土壤侵蝕特征,如圖3所示。

圖3 不同雨強條件下土壤侵蝕特征

如圖3(a)～(b)所示,隨著孔隙裂縫率的增大,地下土壤的侵蝕比例越大。在1%和4%的孔隙裂縫率條件下,坡面角度對侵蝕比例的影響比5%孔隙裂縫率時變化明顯,且隨著坡面角度增大,地下土壤侵蝕逐漸減小。當雨強為1.2 mm/min時,對于1%和4%的孔隙裂縫率,當坡角從8°增加到18°時,侵蝕比例分別降低了10.4%和11.4%,當坡角度從18°增加到28°時,腐蝕比例分別降低了5.7%和1.3%。對于7%的孔隙裂縫率,當坡度角從5°增加到15°和從15°增加到25°時,侵蝕比例分別降低了7.3%和23.2%。

4 結語

本文通過人工模擬降雨,對巖溶地區不同角度坡面的土壤流失進行了研究,得到如下結論:

(1)在強度為0.8 mm/min的降雨條件下,當坡度為8°時,坡面幾乎沒有發生地表徑流,降雨滲入地下形成地下徑流。當坡度為18°和28°時,隨著孔隙裂縫率逐漸增大,地表徑流逐漸減小,而地下徑流逐漸增大。

(2)在強度為1.2 mm/min的降雨條件下,當坡度相同時,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大,而地表徑流越小,地下土壤的流失隨著孔隙裂縫率的增大而增大。在坡度為28°條件下,相較其它兩種坡度,地表徑流明顯增大,而地下徑流明顯減小,孔隙裂縫率越大,地下徑流越大。

(3)在不同降雨強度條件下,隨著孔隙裂縫率的增大,地下土壤的侵蝕比例越大。當孔隙裂縫率為1%和4%時,坡面角度對侵蝕比例的影響比5%孔隙裂縫率時變化明顯,且隨著坡面角度增大,地下土壤侵蝕逐漸減小。