陳 磊，謝永生，，田 飛，景民曉

（1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100）

在我國生產(chǎn)建設(shè)過程中，各類開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目與日俱增，如水利工程建設(shè)、礦產(chǎn)資源開發(fā)、城鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)建設(shè)、鐵路公路建設(shè)等。這些工程一般由于規(guī)模大、數(shù)量多，不僅對原生下墊面土壤造成破壞、擾動，而且在工程的建設(shè)過程中由于受挖填方的施工時段、材料質(zhì)量、標(biāo)段劃分、運(yùn)距等諸多因素的影響，不可避免地產(chǎn)生大量的棄土棄渣［1－3］，這些棄土棄渣物質(zhì)成分以土、土夾礫石或塊石為主，物質(zhì)結(jié)構(gòu)雜亂無章、分選性差、透水性強(qiáng)。大量棄土棄渣的存在將會成為水土流失的重要來源［4］，該類型的水土流失具有點(diǎn)強(qiáng)面廣的特點(diǎn)［5］。許多國內(nèi)外學(xué)者對開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失做了很多研究，取得了許多成果［6－11］，但是目前這些研究往往是用填裝土槽的方法進(jìn)行的，未能準(zhǔn)確反映棄土堆置體野外的堆積狀況，將堆置形態(tài)作為影響水土流失特征的因素也鮮有人考慮。同時有許多研究表明［12－15］：當(dāng)?shù)[石混入土壤后，產(chǎn)沙、入滲等一系列性質(zhì)會發(fā)生改變。鑒于以上情況，筆者以趙暄等［11］抽象概化出的4類棄土堆置體中的坡頂平臺有車輛碾壓的堆置類型作為研究對象，采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法對4種土石比例棄土堆置體進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，研究不同土石比例棄土堆置體的侵蝕產(chǎn)沙過程特征，以期為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目棄土堆置體水土流失量測算提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

1.1 下墊面選擇

根據(jù)趙暄等［11］對開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目棄土堆置體的分類概化，選擇坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置類型（圖1）作為模擬研究對象，研究該類型下不同礫石含量對棄土堆置體產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響。在模擬棄土堆置體時，嚴(yán)格控制棄土堆置體的尺寸大小、容重和含水量等參數(shù)，確保下墊面狀況一致［12］，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。堆置體坡度控制在（33±2）°，坡面容重控制在1.10～1.20g／cm3，平臺頂部容重控制在1.45～1.55g／cm3。

圖1 坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置類型

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備 試驗(yàn)土壤為陜西省楊凌地區(qū)重壤質(zhì)土壤，土壤機(jī)械組成如下：土壤粒徑為＜0.001，0.001～0.01，0.01～0.05，＞0.05mm 的質(zhì)量百分含量依次為14.50%，19.70%，60.25%，5.55%，堆土前將土壤過10mm篩。所選用礫石為人工破碎石，大小為0～5cm，根據(jù)碎石粒徑大小，按一定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合。其中碎石粒徑為＜1.5，1.5～3，3～5cm的質(zhì)量百分含量依次為30%，50%，20%。將土壤與礫石按10∶0，9∶1，8∶2，7∶3（質(zhì)量比）的比例均勻混合。實(shí)驗(yàn)前期的土壤含水量為12%～15%。

室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)于2013年7—8月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨大廳內(nèi)進(jìn)行，所用的降雨設(shè)備為下噴式自動模擬降雨器，噴頭高18m，滿足所有降雨雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度，降雨均勻度大于80%。試驗(yàn)采用去除重金屬離子的純凈水作為模擬降雨水源，國際上采用純凈水作為水源來進(jìn)行室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［16］。棄土堆置體侵蝕觀測平臺參見趙暄［12］文中所述，平臺的有效堆土面積為2.5m×3.0m，坡度可調(diào)節(jié)范圍為0～10°，上層堆土平臺坡度為0°，保持水平，下層水沙匯集平臺以5°向集流裝置傾斜，以保證堆土平臺上的徑流產(chǎn)沙全部匯入出水口處的徑流桶內(nèi)。上層堆土平臺與下層水沙匯集平臺用鋼龍骨固定，保證上方堆土平臺的穩(wěn)定性。鋼龍骨沿傾斜方向平行設(shè)置，不阻礙水沙的正常遷移。

1.2.2 雨強(qiáng)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)選擇1.0，1.5，2.0，2.5 mm／min共4組雨強(qiáng)。試驗(yàn)開始前在堆置體觀測平臺周圍均勻布置6個雨量筒對雨強(qiáng)進(jìn)行率定，待雨強(qiáng)達(dá)到試驗(yàn)要求后，開始試驗(yàn)，并記錄產(chǎn)流時間，降雨時間為自產(chǎn)流起歷時45min。

1.2.3 取樣和觀測 每場試驗(yàn)開始前，測定棄土堆置體的表層容重及含水量。在人工模擬降雨試驗(yàn)開始產(chǎn)流時，記錄產(chǎn)流產(chǎn)沙時間并取樣。取樣時間為：產(chǎn)流的前3min，每1min取一次徑流泥沙樣，之后每3min取一個樣。降雨結(jié)束后，用量筒測量取樣體積，將采集的泥沙樣烘干、稱重。計(jì)算不同時間段的產(chǎn)沙量及總的產(chǎn)沙量。同時對應(yīng)上述采樣時間，測量不同時間段的產(chǎn)流量，并計(jì)算總的產(chǎn)流量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003和Sigma Plot 10.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆置體形態(tài)特征及入滲特性分析

坡頂平臺有車輛碾壓的傾倒堆置類型在大型點(diǎn)式工程的施工過程中比較常見，如水利水電工程、礦產(chǎn)資源開發(fā)等。該類型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目由于工程規(guī)模大、工期長、施工地點(diǎn)集中，在局部產(chǎn)沙的棄土棄渣量較大，棄土棄渣的堆積過程中堆置體坡頂經(jīng)過車輛碾壓夯實(shí)且使用施工機(jī)械的裝載壓實(shí)。堆置體經(jīng)強(qiáng)力壓實(shí)后土壤密度增大、滲透性降低，是導(dǎo)致徑流和產(chǎn)生侵蝕的主要原因。圖2為不同雨強(qiáng)條件下，平均徑流速率隨礫石含量的變化關(guān)系，可以看出，相同降雨條件下，平均入滲速率隨著礫石含量的增大而增大，當(dāng)雨強(qiáng)≤1.5mm／min時，增大的趨勢很明顯，當(dāng)雨強(qiáng)≥2.0mm／min時，增大的趨勢不明顯，基本持平。這與楊艷芬等［17］的研究結(jié)果基本一致。主要原因是：由于土壤中碎石的存在一方面減小了過水?dāng)嗝?，直接減小土壤的累積入滲量；另一方面增加了土壤中的大孔隙，大孔隙增加到一定數(shù)量后，在土壤中產(chǎn)生優(yōu)勢流，對土壤的入滲產(chǎn)生促進(jìn)作用。碎石含量較小時，大孔隙的數(shù)量還不足以產(chǎn)生優(yōu)勢流，或產(chǎn)生優(yōu)勢流較少，使其促進(jìn)作用小于過水?dāng)嗝孀璧K作用，因此，隨著礫石含量的增加，大孔隙數(shù)量的增加所產(chǎn)生的促進(jìn)作用大于過水?dāng)嗝鏈p小所產(chǎn)生的阻礙作用，平均入滲速率隨含石量的增加而增加，隨著礫石含量的繼續(xù)增加，大孔隙的數(shù)量繼續(xù)增加所產(chǎn)生的促進(jìn)作用漸漸小于過水?dāng)嗝鏈p小產(chǎn)生的阻礙作用，平均入滲速率隨含礫石含量的增加而基本持平。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下平均入滲速率隨礫石含量的變化關(guān)系

2.2 不同土石比例堆置體開始產(chǎn)流時間分析

產(chǎn)流時間是坡面綜合效應(yīng)的反映，主要取決于降雨強(qiáng)度、坡度和土壤初始含水量。在降雨的最初階段，降雨全部滲入土壤，坡面無徑流產(chǎn)生。當(dāng)雨強(qiáng)大于土壤入滲能力時，產(chǎn)生超滲雨。超滲雨形成坡面積水，然后沿坡面向低處流動，稱為坡面漫流［11］。影響產(chǎn)流時間的因素有土壤特性、降雨強(qiáng)度、坡度坡長及礫石含量等。圖3為模擬降雨條件下坡面開始產(chǎn)流時間隨礫石含量的變化關(guān)系。從總體上看，開始產(chǎn)流時間隨著礫石含量的增大而縮短。原因在于在降雨的最初階段，主要是雨滴浸潤土壤和礫石的過程。由于礫石的存在，一部分雨滴擊濺礫石，使礫石表面濕潤。隨著時間的推移，礫石包裹一層水膜使土壤與礫石的周邊接觸成為入滲點(diǎn)，進(jìn)而逐漸增大了水分濕潤土壤的面積，入滲隨之增加。當(dāng)?shù)[石被完全浸潤后，入滲不再以入滲點(diǎn)的形式進(jìn)行。這實(shí)際上是由于礫石的存在增大入滲孔隙的彎曲度，從而延緩了入滲，增加了坡面匯流，使產(chǎn)流時間減小。而且當(dāng)土壤中礫石含量越大，坡面暴露的礫石也就越多，礫石的這種作用也就越明顯。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流時間隨礫石含量的變化關(guān)系

2.3 不同土石比例棄土堆置體徑流率分析

徑流是坡面侵蝕產(chǎn)生的主要營動力又是土壤輸沙的載體；徑流率是指單位時間的徑流量，主要受下墊面狀況和降雨強(qiáng)度的影響。圖4為不同土石比例棄土堆置體徑流率隨降雨時間的變化關(guān)系。圖4表明：同一土石比條件下，徑流速率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大；相同降雨強(qiáng)度下，徑流率隨著土石比例的減小而減小。在不同的降雨強(qiáng)度條件下，不同土石比例堆置體的徑流率在產(chǎn)流后5～8min內(nèi)，徑流率緩慢增大，之后隨著時間的推移在一定范圍內(nèi)上下波動。主要是因?yàn)榻涤觊_始后，雨水滴到坡面初期，水分全部滲入土壤，坡面不產(chǎn)流；隨著時間的推移，表層土壤入滲效率明顯降低，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于坡面表層土壤入滲速率時，形成超滲徑流，徑流率逐漸增大；坡面產(chǎn)流5～8min后，表層土壤水分達(dá)到飽和，徑流率基本穩(wěn)定，并在一定范圍內(nèi)呈上下波動。徑流率隨礫石含量的增加而減小，主要因?yàn)榈[石含量增加，其入滲速率增大，累計(jì)入滲量也增大，所以徑流率減小。

2.4 不同土石比例棄土堆置體侵蝕速率分析

研究侵蝕輸沙能力大小的有許多表征方式，其中侵蝕速率能夠較為直觀地體現(xiàn)降雨過程中各時段侵蝕的劇烈程度。侵蝕速率是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的泥沙量，主要受降雨強(qiáng)度、土石比例等影響。圖5為不同土石比例棄土堆置體侵蝕速率隨降雨時間的變化關(guān)系。圖5表明：同一土石比例條件下，侵蝕速率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大；相同降雨強(qiáng)度條件下，侵蝕速率隨著土石比例的減小而減小。侵蝕速率隨礫石含量的增大會減小主要是因?yàn)榈[石含量的增多，導(dǎo)致土石混合體的抗侵蝕能力增大?？傮w上看，不同土石比例棄土堆置體侵蝕速率隨著降雨時間的持續(xù)而表現(xiàn)出兩種變化趨勢：在1.0，1.5mm／min降雨強(qiáng)度下，侵蝕速率隨降雨時間呈平緩的變化趨勢；在2.0，2.5mm／min降雨強(qiáng)度下侵蝕速率隨降雨時間在一定范圍內(nèi)呈波動變化。因?yàn)橛陱?qiáng)較小時，坡面徑流量小，挾帶泥沙的能力弱，小于土石混合體的抗侵蝕能力，因而侵蝕速率小，此時，降雨強(qiáng)度和入滲速率基本達(dá)到動態(tài)平衡，坡面徑流率相對穩(wěn)定，所以侵蝕速率隨降雨時間的變化不明顯；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時，坡面徑流量大，挾帶泥沙的能力強(qiáng)，且大于土石混合體的抗蝕能力，因而侵蝕速率較大，隨著礫石含量的增加，這種抗侵蝕能力進(jìn)一步增大，所以，隨著礫石含量的增加侵蝕速率減小。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下徑流率隨降雨時間的變化關(guān)系

圖5 不同降雨強(qiáng)度下侵蝕速率隨降雨時間的變化關(guān)系

2.5 不同土石比例棄土堆置體徑流產(chǎn)沙關(guān)系分析

產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量之間的變化關(guān)系是描述一個特定下墊面水土流失的重要指標(biāo)。圖6為不同土石比例棄土堆置體總徑流量和總產(chǎn)沙量隨礫石含量的變化關(guān)系。不同土石比例棄土堆置體總徑流量和總產(chǎn)沙量隨礫石含量的增大而減小。在降雨強(qiáng)度≤1.5 mm／min時，不同土石比例棄土堆置體總徑流量和總產(chǎn)沙量差異不大；在降雨強(qiáng)度≥2.0mm／min時，不同土石比例棄土堆置體的總徑流量和總產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出一定的差異性，并且隨著雨強(qiáng)的增大，這種差異性越顯著。主要原因是當(dāng)降雨強(qiáng)度≤1.5mm／min時，由于堆置體平臺頂部的容重較大，而雨滴的濺蝕和沖刷能力相對較小，對不同土石比例堆置體的沖刷效果不是很明顯，所以，總徑流量和總產(chǎn)沙量之間的差異不大；當(dāng)降雨強(qiáng)度≥2.0mm／min時，雨滴的濺蝕和沖刷能力較大，坡面流在搬運(yùn)泥沙的過程中，礫石對徑流有一定的阻滯作用，礫石含量越多，雨滴搬運(yùn)泥沙的能量就越小，不同土石比例的總徑流和泥沙量的差異性就會越大。

圖6 總徑流量和總產(chǎn)沙量隨礫石含量的變化關(guān)系

3 結(jié)論

本研究在模擬降雨條件下，選擇坡頂平臺有車輛碾壓的棄土堆置類型的4種不同土石比例棄土堆置體為研究對象，分析了在4種雨強(qiáng)條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程特征，結(jié)果表明：

（1）棄土堆置體隨著礫石含量的增加，大孔隙數(shù)量的增加所產(chǎn)生的促進(jìn)作用大于過水?dāng)嗝鏈p小所產(chǎn)生的阻礙作用，平均入滲速率隨含石量的增加而增加，隨著礫石含量的繼續(xù)增加，大孔隙的數(shù)量繼續(xù)增加所產(chǎn)生的促進(jìn)作用漸漸小于過水?dāng)嗝鏈p小產(chǎn)生的阻礙作用，平均入滲速率隨礫石含量的增加而基本持平。

（2）棄土堆置體的開始產(chǎn)流時間隨礫石含量的增大而縮短；相同土石比例條件下，徑流率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大；相同降雨條件下，徑流率隨著土石比例的減小而減小；徑流率隨著降雨時間的推移在一定范圍內(nèi)呈波動式變化，侵蝕速率隨時間推移呈穩(wěn)定、波動兩種變化趨勢。

（3）棄土堆置體的平均徑流率、平均侵蝕速率隨礫石含量的增大而增大；總產(chǎn)沙量隨著總徑流量的增大而增大。

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