王英敏

(本溪市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，遼寧 本溪 117022)

遼西地區(qū)是我國東北水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一。研究表明，遼西地區(qū)水土流失最嚴(yán)重的并不是降雨量相對較多的水蝕地區(qū)，而是受大陸性季風(fēng)氣候、特殊的土壤和地質(zhì)環(huán)境共同影響而形成的風(fēng)水蝕交錯地區(qū)[1]。從侵蝕方式來看，細(xì)溝侵蝕是這些地區(qū)黃土坡面土壤侵蝕的主要方式，其在間歇性降雨作用下在坡面上形成、分叉、合并、連通，進(jìn)而構(gòu)成一個十分龐大的細(xì)溝網(wǎng)，使侵蝕作用加速并造成嚴(yán)重的水土流失[2]。本研究借助沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)課題項目“間歇性降雨條件下黃土與覆沙坡面細(xì)溝形態(tài)特征變化試驗研究”，通過室內(nèi)模擬間歇性降雨試驗，利用水文學(xué)、水力學(xué)及土壤侵蝕運動學(xué)等理論，研究遼西風(fēng)水蝕交錯地區(qū)黃土和覆沙黃土坡面間歇性降雨條件下的細(xì)溝形態(tài)特征，希望能為當(dāng)?shù)氐乃帘３执胧┲贫ㄌ峁├碚撝С帧?/p>

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

遼西地區(qū)風(fēng)沙作用強(qiáng)烈，特別是在春季風(fēng)沙之后黃土坡面上往往會出現(xiàn)覆沙，對坡面的侵蝕特征造成影響。因此，研究中設(shè)置了原始黃土坡面和風(fēng)沙過程之后的覆沙黃土坡面兩種不同的坡面開展室內(nèi)模擬間歇性降雨試驗。試驗所用的黃土和覆沙均取自遼寧省朝陽縣小凌河流域上游河谷地帶的典型坡面。通過實驗室測定，黃土土樣為砂質(zhì)壤土，干容重約1.35 g/cm3，含水率為45.3%；覆沙土樣為細(xì)沙，其細(xì)度模數(shù)為2.2～1.6，粒徑大于0.075 mm的顆粒超過85%，平均粒徑為0.25～0.125 mm。采用激光粒度儀測量試驗用土粒徑體積比，其中黃土的黏粒、粉粒、砂粒含量分別為11.20%、57.50%、31.30%，覆沙的黏粒、粉粒、砂粒含量分別為0.75%、15.45%、83.80%。

1.2 試驗裝置

本試驗地點位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水力學(xué)院水力學(xué)試驗室。試驗采用下噴式模擬降雨裝置。該裝置降雨高度為5.1 m，有效降雨面積為4.5 m×4.5 m，降雨強(qiáng)度可根據(jù)試驗要求進(jìn)行調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)范圍為0.5～2.0 mm/min)，模擬降雨均勻度較高(不低于85%)。試驗土槽為可移動式木質(zhì)土槽，長×寬×高為2 m×0.75 m×0.5 m，土槽的末端連接集流槽，用于收集徑流和泥沙樣品。為研究坡度對試驗結(jié)果的影響，在土槽的兩側(cè)安裝有調(diào)節(jié)裝置。試驗裝置結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.3 試驗設(shè)計

為模擬黃土坡面和覆沙黃土坡面的實際情況，按照如下思路進(jìn)行試驗設(shè)計：在黃土坡面的制作過程中，首先在土槽底部鋪上一層細(xì)沙，以保證試驗過程中土壤水分可以均勻下滲，從而模擬天然坡面水分入滲情況，然后再進(jìn)行填土。根據(jù)原狀土特征，將試驗用土的容重控制在1.35 g/cm3左右，前期土壤含水量保持均勻并控制在15%左右。土槽內(nèi)裝土厚度設(shè)計為40 cm，按照層厚10 cm進(jìn)行分層裝填。在距離坡頂40、80、160 cm位置的土壤表層以下10、20、30 cm處共設(shè)置3組9個土壤水分測定探頭，布置CR1000數(shù)據(jù)采集器及CS616土壤水分傳感器。覆沙黃土坡面和黃土坡面的設(shè)計類似，僅在黃土坡面上分兩次覆蓋厚度共2 cm的覆沙。

試驗于2019年4—5月進(jìn)行，結(jié)合小凌河流域上游河谷地帶的典型坡面的實際情況，設(shè)計土槽坡度12°、降雨強(qiáng)度1.5 mm/min、降雨歷時60 min，以最大限度模擬當(dāng)?shù)刈匀唤涤晏卣?。每次試驗設(shè)置3個階段的降雨，相鄰兩階段之間間隔48 h，每個階段內(nèi)設(shè)置3場降雨，每兩場降雨之間間隔24 h。因此，每次試驗共設(shè)計9場降雨。在覆沙黃土坡面試驗過程中，分別在第一階段和第三階段試驗開始之前覆沙1 cm。試驗降雨場次設(shè)計見表1。

在試驗過程中出現(xiàn)產(chǎn)流之后，記錄下初始產(chǎn)流的時間，并對產(chǎn)流過程進(jìn)行細(xì)致觀察。收集集流槽出口處徑流泥沙樣，先用廣口瓶收集渾水樣，再用儲存桶收集其余渾水。在量測渾水體積后，過濾烘干稱量測定侵蝕量，采用換算公式計算每1 min的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量。將坡面以50 cm的間隔分為4個斷面，利用高錳酸鉀染料示蹤法測定各個斷面的徑流表面流速[3]。在每場降雨結(jié)束之后，利用直尺按照10 cm的間隔測定坡面細(xì)溝的深度、寬度和長度，在必要時加密測量以減小誤差。土壤水分采用布設(shè)在兩側(cè)的土壤水分傳感器測定。利用SPSS 21.0對試驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，獲得試驗成果。

表1 試驗降雨場次設(shè)計

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 細(xì)溝形態(tài)參數(shù)指標(biāo)

細(xì)溝幾何形態(tài)的基本指標(biāo)為長度、寬度和深度，以此為基礎(chǔ)，學(xué)者們提出了諸多關(guān)于細(xì)溝形態(tài)的具體指標(biāo)。本研究結(jié)合試驗實際情況，并借鑒前人研究成果，在細(xì)溝長度、寬度和深度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加細(xì)溝密度、細(xì)溝平面密度、細(xì)溝寬深比及細(xì)溝侵蝕量作為本試驗細(xì)溝形態(tài)研究的指標(biāo)。其中：細(xì)溝密度為單位面積內(nèi)細(xì)溝的長度總值；細(xì)溝平面密度為坡面所有細(xì)溝面積之和與坡面總面積的比值；細(xì)溝寬深比為細(xì)溝寬度與深度的比值；細(xì)溝侵蝕量為單位面積坡面上所產(chǎn)生的細(xì)溝侵蝕量，用產(chǎn)沙量除以坡面總面積獲得。利用試驗數(shù)據(jù)對細(xì)溝的相關(guān)形態(tài)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

表2 細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)變化統(tǒng)計計算結(jié)果

從表2中可以看出，黃土坡面在第二場降雨結(jié)束后，最長溝溝長達(dá)到最大值，即84.00 cm，此時最長溝的平均溝寬與平均溝深分別為5.06、9.45 cm；第三場至第九場降雨是細(xì)溝發(fā)育比較穩(wěn)定的階段，主要表現(xiàn)為溝底下切的加深及溝壁在崩坍作用下不斷加寬；到第九場降雨結(jié)束后，最長溝的平均溝寬與平均溝深分別達(dá)到16.06、15.95 cm。在覆沙黃土坡面條件下，試驗開始后細(xì)溝的發(fā)育比較迅速，最長溝溝長在第三場降雨后即迅速增加至128.78 cm，此時最長溝平均溝寬、溝深分別為10.39、11.97 cm；之后，細(xì)溝發(fā)育速度明顯減緩，呈現(xiàn)出小幅增加的態(tài)勢，說明細(xì)溝發(fā)育基本穩(wěn)定，最長溝溝長、平均溝寬、平均溝深在第九場降雨后發(fā)展為170、21.39、14.68 cm。兩者對比可以看出，第九場降雨結(jié)束后覆沙黃土坡面的最長溝溝長、平均溝寬和平均溝深分別是黃土坡面的2.02、1.33、0.92倍。結(jié)果表明，覆沙黃土坡面的侵蝕程度要大于黃土坡面，但在第三階段降雨前增加了1 cm厚的沙層，致使徑流在一段時間內(nèi)不能直接接觸溝底，造成覆沙坡面的最終溝深較小。

選擇第一階段降雨結(jié)束(第三場降雨后)和全部降雨結(jié)束(第九場降雨后)兩個時間點進(jìn)行對比，黃土坡面的細(xì)溝平面密度和細(xì)溝密度由0.10和1.11 m/m2逐步增加至0.16和1.18 m/m2，而覆沙黃土坡面的這兩個指標(biāo)則分別由0.21和2.58 m/m2增加至0.36和3.57 m/m2。由此可見，覆沙黃土坡面的細(xì)溝侵蝕程度要大于黃土坡面。

細(xì)溝侵蝕量是細(xì)溝侵蝕形態(tài)參數(shù)的綜合體現(xiàn)，可以綜合反映坡面侵蝕的劇烈程度[4]。黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征并不是簡單的線性變化特征，而是呈先增后減的變化趨勢，在第三場降雨后就達(dá)到2.76 kg的極值。從細(xì)溝侵蝕量占總侵蝕量的比例來看，由第一場降雨后的9.65%，經(jīng)過波動變化，在第九場降雨后達(dá)到74.50%，這說明，細(xì)溝的侵蝕作用是黃土坡面泥沙的主要來源。覆沙黃土坡面的侵蝕量無明顯變化規(guī)律，原因可能是中間進(jìn)行了覆沙，但分階段來看，第一階段呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，而第二和第三階段則呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。

2.2 細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系

為揭示細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，利用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)之間的相關(guān)性分析，以判斷其內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)果如圖2～7所示。由圖2～7可知，黃土坡面細(xì)溝平均溝寬、平均溝深與累計細(xì)溝長度之間均表現(xiàn)為線性關(guān)系，判定系數(shù)分別為0.543 2、0.877 1，相關(guān)性顯著；細(xì)溝的平均溝寬與平均溝深之間的關(guān)系也可以通過線性關(guān)系表達(dá)，判定系數(shù)為0.875 9。覆沙黃土坡面細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系呈現(xiàn)出與黃土坡面類似的規(guī)律，平均溝寬、平均溝深與累計細(xì)溝長度之間，以及細(xì)溝的平均溝寬與平均溝深之間的關(guān)系，均可以通過線性關(guān)系表達(dá)，判定系數(shù)分別為 0.699 7、0.804 3和0.726 9。由此可見，細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間具有明顯的相互作用和影響，細(xì)溝形態(tài)參數(shù)變化是相互耦合與協(xié)同變化的結(jié)果，是坡面侵蝕系統(tǒng)能量的綜合反映。

圖2 黃土坡面細(xì)溝平均溝寬與累計細(xì)溝長度的關(guān)系

圖3 黃土坡面細(xì)溝平均溝深與累計細(xì)溝長度的關(guān)系

圖4 黃土坡面細(xì)溝平均溝寬與平均溝深的關(guān)系

圖5 覆沙黃土坡面細(xì)溝平均溝寬與累計細(xì)溝長度的關(guān)系

圖6 覆沙黃土坡面細(xì)溝平均溝深與累計細(xì)溝長度的關(guān)系

圖7 覆沙黃土坡面細(xì)溝平均溝寬與平均溝深的關(guān)系

3 結(jié) 論

本研究以遼西風(fēng)水蝕交錯地區(qū)為例，利用實驗室模型試驗的方法，對黃土坡面和覆沙黃土坡面在夏季間歇性降雨作用下的坡面細(xì)溝形態(tài)特征變化進(jìn)行研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)前兩場降雨是黃土坡面細(xì)溝的快速形成階段，而后續(xù)場次降雨是細(xì)溝穩(wěn)定發(fā)育階段，主要表現(xiàn)為細(xì)溝溝底的下切加深及溝壁崩塌導(dǎo)致的溝寬增加。覆沙黃土坡面在第三場降雨后發(fā)育基本穩(wěn)定，其侵蝕程度要大于黃土坡面。

(2)黃土坡面和覆沙黃土坡面累計細(xì)溝長度、平均寬度和平均溝深之間均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，屬于一個相互耦合的協(xié)同作用系統(tǒng)。