流量及坡度對崩崗崩積體侵蝕的影響

趙 淦，黃炎和，林金石，蔣芳市，葛宏力，陳培濟，李新光，詹振芝，鄭巧鳳

（福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002）

崩崗侵蝕具有侵蝕量大、突發(fā)性強、發(fā)展迅速、侵蝕劇烈、治理難度大等特點，危害十分嚴(yán)重［1］。目前，崩崗已成為我國水土保持學(xué)科的重要研究方向。崩積體是崩崗的重要組成部分，具有土質(zhì)疏松、粗顆粒含量高、坡度大、易侵蝕等特點［2］，其再侵蝕過程是崩崗侵蝕的重要環(huán)節(jié)，影響崩壁土體物質(zhì)的再分配及崩崗的危害程度［1］。在崩積體侵蝕特征的研究中，蔣芳市等［2－3］利用環(huán)刀法滲透試驗及土槽沖刷試驗對崩積體的土壤滲透性能及水流分離土壤的動力學(xué)特征進行了研究，結(jié)果表明，崩積體土壤的入滲能力強于崩壁的紅土層和砂土層，流量和水深對土壤分離速率的影響均大于坡度。上方來水和坡度是土壤侵蝕的重要因素［4－5］。上方來水量的變化直接影響土壤坡面徑流流態(tài)及坡面侵蝕方式的變化，坡度的不同造成土壤侵蝕量的差別。研究上方來水和坡度與土壤侵蝕之間的關(guān)系，對于揭示崩積體的侵蝕過程機理具有重要意義。國內(nèi)外很多學(xué)者對不同上方來水和坡度條件下的侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律做了研究，鄭粉莉等［6］利用室內(nèi)雙土槽徑流小區(qū)在模擬降雨試驗條件下，研究了20°坡度時上方來水來沙對坡下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙量的影響，試驗表明，上方來水引起的侵蝕產(chǎn)沙量隨降雨強度的增加可增加4.4%～83.5%。張樂濤等［5］利用模擬徑流對工程堆積體陡坡土壤侵蝕過程的研究結(jié)果表明，產(chǎn)沙量隨放水流量的增大而增大。Fox等［4］利用模擬降雨對不同坡度下淺溝侵蝕過程進行研究，結(jié)果表明產(chǎn)沙量隨著坡度的增加而增大，而Fu等［7］的研究結(jié)果認(rèn)為坡度對產(chǎn)沙量的影響存在臨界值，且這個值是波動的。由于影響土壤侵蝕的因素眾多且復(fù)雜，崩崗上方來水對崩積體的侵蝕機理研究還沒有開展。因此，本文擬通過室內(nèi)放水試驗，模擬不同流量上方來水和坡度對崩積體坡面產(chǎn)沙過程的影響，為進一步豐富和完善崩崗崩積體的侵蝕機理提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)（118°05′E，24°57′N），屬于南亞熱帶氣候區(qū)，年平均氣溫18℃，年平均降水量1800 mm。該區(qū)土壤主要由花崗巖發(fā)育而成，由于土層深厚且人為活動頻繁導(dǎo)致崩崗侵蝕現(xiàn)象十分普遍。根據(jù)2005年調(diào)查的數(shù)據(jù)，安溪縣崩崗數(shù)量為12828 個，占福建省崩崗總數(shù)（26024 個）的49.28%，崩崗面積為2305 hm2，占福建省崩崗總面積（6406 hm2）的35.98%；龍門鎮(zhèn)共有崩崗1228 個，密度為7.86個／km2，崩崗侵蝕面積264.77hm2，數(shù)量和面積分別占安溪縣的9.57%和11.48%，崩崗侵蝕劇烈，治理難度大，是福建省崩崗最發(fā)育的地區(qū)之一；在南方崩崗發(fā)生區(qū)，龍門鎮(zhèn)的崩崗侵蝕也具有典型性和代表性。

1.2 土樣的采集及性質(zhì)

試驗土壤取自福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)洋坑村，為花崗巖發(fā)育的崩崗崩積土，土壤理化性質(zhì)如下:土壤pH值為5.19；有機質(zhì)含量低，為1.68g／kg；陽離子交換量（CEC）低，為1.07cmol／kg；礫石（＞2mm）含量高，可達到35.26%，＜2mm的顆粒以砂粒、粉粒為主，黏粒含量低，礫石∶砂?！梅哿！灭ち＃?∶0.95∶0.84∶0.12；無大團粒結(jié)構(gòu)，＞0.25mm微團聚含量低，為13.40%，土壤質(zhì)地疏松，結(jié)構(gòu)性差。

1.3 試驗設(shè)計

結(jié)合安溪縣降雨特征和崩崗崩積體的坡度調(diào)查，采用雙因素完全試驗設(shè)計。根據(jù)野外調(diào)查可知，崩崗崩積體的坡度主要集中在20°～40°，所以試驗坡度設(shè)計為20°，25°，30°，35°，40°。根據(jù)研究區(qū)常年的降雨數(shù)據(jù)設(shè)定雨強為1.5mm／min，設(shè)定崩積體上方來水坡面長度分別為3，6，9，12m，坡面寬度為1m，坡面徑流系數(shù)為0.8的條件下，對應(yīng)的上方來水量分別為:3.6，7.2，10.8，14.4L／min。試驗重復(fù)1次，共計40場次。

1.4 試驗設(shè)備及試驗過程

試驗土槽為固定式可變坡鋼槽，坡度變化范圍為0～40°，土槽長5m，深1m，寬2m，土槽按寬1m分成兩個槽。試驗土槽上方分別放置一個與其同寬的溢流槽，保證試驗中水能均勻地從溢流槽流出，試驗水源來自容積為10m3的不銹鋼水罐，可滿足試驗用水需求。所有試驗土樣經(jīng)自然風(fēng)干并過10mm篩，以除去雜草和石塊。在填土之前，先在土槽底部鋪60cm厚細(xì)沙，并鋪上透水紗布，以保持試驗土層的透水狀況接近天然坡面，然后在沙層上填30cm的試驗用土。為保證試驗用土容重均勻，填土?xí)r采用分層填土并壓實，每次填土厚度為5cm，土壤容重控制在1.33～1.47g／cm3，平均容重1.40g／cm3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.04。試驗前一天，用0.5mm／min雨強進行降雨至坡面產(chǎn)流為止，放置18h后進行試驗，這樣既能使試驗土壤水分接近自然狀態(tài)，又能保證各場次試驗前期土壤含水率保持一致。試驗前土壤質(zhì)量含水量為23.97%～27.56%，土壤平均含水量為25.84%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.16。每次試驗開始前，采用定水頭控制流量的方法通過閥門控制流量，并用標(biāo)有刻度的徑流桶率定上方來水量3次，在精度均達到95%以上后再進行試驗；試驗開始后，水流通過自制的溢流槽進行穩(wěn)流和消能，然后流經(jīng)防滲布，使水流在坡面上盡可能均勻分散，坡面產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流開始時刻記為0。徑流泥沙樣在產(chǎn)流后每1min接取1次，徑流桶接收全部徑流和泥沙。單場次試驗持續(xù)時間為20min。徑流量用量筒直接測量，泥沙用稱重和烘干法（105℃）測定；輸沙率為單位時間內(nèi)坡面的產(chǎn)沙量；含沙量為單位體積的渾水中所含的干沙的質(zhì)量。

1.5 模型精度檢驗

本文利用模型有效系數(shù)（ME）［8］來檢驗產(chǎn)沙量及含沙量的模型擬合效果，計算方法為:

式中:ME——模型有效系數(shù)；Qi——第i個樣本實測值；Qci——第i個樣本計算值；Qm——實測值平均值。

1.6 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 18.0進行數(shù)理統(tǒng)計與分析。方差分析、相關(guān)性分析和繪圖等通過Excel 2007進行完成?；貧w、非線性擬合檢驗等利用SPSS 18.0進行完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同上方來水和坡度下崩積體坡面產(chǎn)沙量研究

2.1.1 不同上方來水和坡度下產(chǎn)沙量特征 不同上方來水和坡度條件下崩積體坡面產(chǎn)沙量變化曲線如圖1所示，結(jié)果表明產(chǎn)沙量過程大致可分為以下三個階段:第一，產(chǎn)沙量逐步遞增階段。發(fā)生在產(chǎn)流后7min內(nèi)，且為坡面形成細(xì)溝侵蝕的時間。同一上方來水量時，隨著坡度的增大，徑流的流速和徑流切應(yīng)力增大，徑流對坡面土壤的侵蝕力增強，產(chǎn)沙量逐步遞增。同時，產(chǎn)沙量達到前期峰值的時間也隨著坡度的增大而變短。第二，產(chǎn)沙量波動變化階段。在大坡度（30°，35°，40°）、小流量（3.6，7.2L／min）和大流量（10.8，14.4L／min）、小坡度（20°，25°）時，波動變化階段在8～16min；在大坡度（30°，35°，40°）、大流量（10.8，14.4L／min）時，波動變化階段一直持續(xù)到試驗結(jié)束。波動變化階段即為細(xì)溝侵蝕形成后的階段，且上方來水量和坡度越大，產(chǎn)沙量的波動性越強烈。這主要因為:隨著坡度和上方來水的增大，崩積體坡面土體自身的穩(wěn)定性降低，徑流的流速和切應(yīng)力增大，細(xì)溝的發(fā)育更加迅速和復(fù)雜，溝壁崩塌土體量也更多，常常會阻塞溝道，而后分多次被水流侵蝕搬運。第三，產(chǎn)沙量穩(wěn)定階段。該階段土壤坡面的細(xì)溝侵蝕已發(fā)育成熟，細(xì)溝內(nèi)徑流挾沙能力穩(wěn)定，產(chǎn)沙量也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 不同上方來水和坡度下產(chǎn)沙量隨時間變化

崩積體坡面產(chǎn)沙量變化過程與張樂濤等［5］利用模擬徑流對工程堆積體陡坡土壤侵蝕過程進行的研究結(jié)果非常相似，這是因為兩者的試驗土壤均具有質(zhì)地疏松、結(jié)構(gòu)性差、極易被水流沖蝕搬運的特點。李宏偉等［9］對煤田原地面侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律的研究結(jié)果表明，坡面產(chǎn)沙量曲線的波動性隨著坡面徑流量和坡度的增大而越來越劇烈，這與本試驗的研究結(jié)果一致。

2.1.2 上方來水和坡度對產(chǎn)沙量的影響 已有試驗研究表明，隨著上方來水和坡度的增大，徑流的沖刷能力增強，產(chǎn)沙量也隨之增大［3，10］，本試驗的研究結(jié)果也表現(xiàn)出相同的規(guī)律（圖2）。由圖2可以看出，20°，25°和30°時產(chǎn)沙量隨上方來水的增大呈冪函數(shù)關(guān)系，而35°和40°時產(chǎn)沙量隨上方來水的增大卻呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。由此可以看出:在小坡度時，小流量條件下產(chǎn)沙量增加幅度較小，但在大流量條件下產(chǎn)沙量增加迅速；在大坡度時，小流量條件下產(chǎn)沙量增加的幅度較大，但在大流量條件下增加的幅度趨于緩和。

由圖2可知，3.6L／min流量下，產(chǎn)沙量隨坡度的增大表現(xiàn)為增大—減小—穩(wěn)定的趨勢，可見該條件下產(chǎn)沙量對坡度響應(yīng)的臨界坡度在35°附近。羅斌等［11］通過理論分析結(jié)果表明花崗巖地區(qū)工程邊坡侵蝕也存在臨界坡度（35°～43°）。但在7.2，10.8，14.4 L／min流量條件下，產(chǎn)沙量均隨著坡度的增大而增大，且流量越大，產(chǎn)沙量的增加速度越快；另外，在坡度小于30°時產(chǎn)沙量增加速度緩慢，大于30°后隨坡度的增大產(chǎn)沙量迅速增加，說明坡度在20°～30°時，坡度對產(chǎn)沙量的影響較小，坡度大于30°后，坡度對產(chǎn)沙量的影響作用急劇增強。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是:在流量為7.2L／min，坡度達到30°附近時，崩積體坡面的徑流沖刷力剛好打破崩積體土體綜合受力穩(wěn)定狀態(tài)的極限值，因此滿足或大于該條件時坡面產(chǎn)沙量急劇增加。在7.2，10.8，14.4L／min流量條件下沒有臨界坡度的出現(xiàn)，這可能是因為其臨界坡度不在本試驗研究的坡度范圍內(nèi)，具體臨界坡度需進一步深入研究。

圖2 不同上方來水和坡度下產(chǎn)沙量的變化

通過雙因素方差分析可知，上方來水和坡度對產(chǎn)沙量的影響均達到極顯著水平，且上方來水對產(chǎn)沙量的影響大于坡度（F流量＝32.84，F(xiàn)0.01＝5.95；F坡度＝5.79，F(xiàn)0.01＝5.41）。

2.2 不同上方來水和坡度下崩積體坡面含沙量研究

2.2.1 不同上方來水和坡度下含沙量特征 土壤侵蝕過程是土壤本身屬性所決定的抗蝕能力與徑流能量相互作用的結(jié)果，對于特定下墊面來說土壤屬性基本一致，因而徑流沖刷能力決定了整個產(chǎn)沙過程，影響徑流沖刷能力的因素主要有徑流量、坡度以及徑流動能等，含沙量可以很好地體現(xiàn)一次試驗過程中各時段的水沙關(guān)系［10］。由圖3分析可知，崩積體坡面徑流含沙量的變化過程具有以下幾個特征:第一，在不同上方來水條件下徑流含沙量的變化趨勢不同。3.6，7.2，10.8L／min流量下的徑流含沙量隨時間整體上表現(xiàn)為減小—增大—減小—趨于穩(wěn)定；14.4L／min流量下的含沙量隨時間表現(xiàn)為增大—減小—趨于穩(wěn)定。兩種情況下的穩(wěn)定狀態(tài)均具有波動性，且坡度越大波動性越明顯。第二，試驗初期含沙量減小過程主要發(fā)生在試驗前期3～5min內(nèi)，此間水流主要搬運坡面表層的松散物質(zhì)，水流作用力較不穩(wěn)定。之后坡面出現(xiàn)細(xì)溝，水流沿細(xì)溝逐漸匯聚，徑流侵蝕力逐漸增強并對土壤顆粒進行分散、侵蝕和搬運，且隨著坡度和流量的增大，徑流挾沙能力也越來越強，含沙量也隨之增大，當(dāng)坡面細(xì)溝發(fā)育成熟后，徑流含沙量也逐漸趨于穩(wěn)定，但穩(wěn)定具有波動性，這主要是因為:細(xì)溝侵蝕形成后，沖蝕溝發(fā)育迅速，徑流對溝底和溝壁的侵蝕沖刷作用劇烈，使溝壁發(fā)生崩塌現(xiàn)象，導(dǎo)致徑流含沙量出現(xiàn)時大時小的變化。第三，崩積體坡面含沙量曲線大致可分為平緩型和多峰型。其中平緩型主要發(fā)生在小坡度（20°和25°）的所有流量條件下；多峰型主要發(fā)生在小流量大坡度和大流量大坡度條件下。

錢寧［12］將日平均含沙量大于400kg／m3（即0.4 g／ml）作為高含沙水流的標(biāo)準(zhǔn)。由圖3可看出，在20°，25°和30°條件下，崩積體坡面流基本都屬于低含沙水流；在35°和40°條件下，崩積體坡面流均屬于高含沙水流，這與張樂濤等［5］利用模擬徑流對工程堆積體土壤侵蝕過程進行的研究結(jié)果相似。

圖3 不同上方來水和坡度下含沙量隨時間變化（圖中虛線為高含沙水流標(biāo)準(zhǔn)線，0.4g／ml）

2.2.2 上方來水和坡度對含沙量的影響 在某一特定水動力條件下，徑流所能挾帶泥沙的最大數(shù)量叫做挾沙力，它是徑流侵蝕、泥沙輸移的控制性參數(shù)之一，也是判別地表徑流對坡面沖刷或淤積的重要依據(jù)［13］，當(dāng)徑流含沙量小于徑流挾帶含沙量極值時，徑流對坡面產(chǎn)生侵蝕；當(dāng)徑流含沙量等于其含沙量極值時，徑流不對坡面產(chǎn)生侵蝕；當(dāng)徑流含沙量大于其含沙量極值時，泥沙會在坡面產(chǎn)生淤積［14］。

由圖4可以看出，在坡度一定時，含沙量隨上方來水的增大整體上呈先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。尤其是在流量大于10.8L／min后，各坡度的平均含沙量變化趨于穩(wěn)定，這說明大流量條件下坡面挾沙能力已經(jīng)達到極限值，隨著上方來水的增大徑流含沙量趨于一個恒值。由此可見，大流量條件下崩積體坡面土壤顆粒更容易被分離，形成各坡度條件下的最高含沙水流，且隨坡度的增大，徑流的最高含沙量也增大。綜上所述，可推斷10.8L／min流量是崩積體土壤坡面產(chǎn)生含沙量極值的閾值流量。

圖4 不同上方來水和坡度下徑流含沙量的變化

由圖4可知，在3.6L／min流量下的含沙量隨坡度的增大呈先增大后減小，這說明小流量下的徑流挾沙力存在臨界坡度，這與劉力［15］對紫色土和黃土坡耕地的研究結(jié)果一致。在其余流量條件下，含沙量整體上隨坡度的增大而增大，這主要是因為隨著坡度的增大，土體的穩(wěn)定性降低，更易被水流破壞侵蝕，因此用于分散土壤顆粒的能量降低，用于運移泥沙的能量則明顯增多，徑流的含沙量也隨之增大；此外，其余流量條件下沒有出現(xiàn)臨界坡度，這可能是因為大流量的徑流挾沙力臨界坡度超出本試驗的研究坡度范圍，還需進一步研究。通過雙因素方差分析可知，上方來水對含沙量的影響到達到了顯著水平，而坡度對含沙量的影響達到了極顯著水平，說明坡度對含沙量的影響大于上方來水（F流量＝5.78，F(xiàn)0.05＝3.49，F(xiàn)0.01＝5.95；F坡度＝21.99，F(xiàn)0.01＝5.41）。

2.3 崩積體產(chǎn)沙量及含沙量的模擬

通過對不同上方來水和坡度條件下的土壤侵蝕試驗結(jié)果進行多元統(tǒng)計分析，獲得崩積體坡面次沖刷侵蝕泥沙量和含沙量的經(jīng)驗方程，分別為:

式中:Sy——產(chǎn)沙量（kg）；Sc——含沙量（g／L）；q——單寬流量［L／（min·m）］；S——坡度的正切值（%）。

利用測算所得的結(jié)果與實測結(jié)果擬合效果見圖5。對產(chǎn)沙量和含沙量的模擬效果顯著，模型有效系數(shù)分別為0.966和0.877，說明可以應(yīng)用公式（2），（3）對崩積體坡面的產(chǎn)沙量和含沙量進行預(yù)測。

圖5 產(chǎn)沙量及含沙量實測值與測算值的比較

3 結(jié)論

（1）崩積體坡面侵蝕產(chǎn)沙過程可分為逐步遞增階段、波動變化階段和穩(wěn)定階段。在不同上方來水和坡度條件下徑流含沙量的變化趨勢不同，徑流含沙量曲線包括小坡度（20°和25°）所有流量條件下的平緩型和小流量大坡度及大流量大坡度條件下的多峰型。

（2）在20°，25°和30°條件下，崩積體坡面流基本都屬于低含沙水流，產(chǎn)沙量隨上方來水的增大呈冪函數(shù)關(guān)系；在35°和40°條件下，崩積體坡面流均屬于高含沙水流，產(chǎn)沙量隨上方來水的增大呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。上方來水和坡度對產(chǎn)沙量、含沙量的影響均達到顯著或極顯著水平，且上方來水對產(chǎn)沙量的影響大于坡度，而坡度對含沙量的影響大于上方來水。

（3）可利用上方來水和坡度對崩積體的產(chǎn)沙量和含沙量進行較好的預(yù)測，模型有效系數(shù)分別達到了0.966和0.877。模型有助于定量評價崩積體坡面土壤侵蝕的影響因子，為崩積體治理的施工設(shè)計提供科學(xué)理論依據(jù)。

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