三種土壤質(zhì)地工程堆積體坡面流速及產(chǎn)沙特征

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(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所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，陜西 楊凌 712100； 5.榆林學(xué)院 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

1 研究背景

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目造成的堆積體是在施工過程中擾動原地表，破壞土層結(jié)構(gòu)，加之礫石等雜物的混合而形成的松散堆積坡面，是現(xiàn)階段新增土壤侵蝕的一個(gè)重要來源[1-2]。礫石的存在，不僅破壞土壤的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時(shí)造成堆積體混合介質(zhì)理化性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)一步影響侵蝕過程[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對土石混合介質(zhì)的入滲規(guī)律展開研究：倪含斌等[4]、郭朝旭[5]采用人工降雨試驗(yàn)研究堆積體的入滲規(guī)律，表明新的堆積體入滲率顯著高于原狀土，降雨進(jìn)程可分為降雨入滲—滲透產(chǎn)流—滲流快速增長—最終穩(wěn)定階段；周蓓蓓等[6]、王慧芳等[7]研究含礫石土壤及礦區(qū)料漿石、煤矸石等混合介質(zhì)的入滲特性，結(jié)果表明礫石種類及粒徑大小差異導(dǎo)致土石混合介質(zhì)的入滲過程發(fā)生改變；符素華[8]總結(jié)了國內(nèi)外土壤中礫石對土壤特性、水力傳導(dǎo)率及入滲的影響，結(jié)果表明礫石通過影響容重和含水量等特性進(jìn)而對入滲產(chǎn)生影響，入滲量與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性取決于土壤質(zhì)地、礫石在土壤中的位置及礫石附近的土壤孔隙類型等。堆積體中的礫石會增大坡面粗糙度，水流流態(tài)變緩，流速減小[9-10]。

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體由于其特性不僅導(dǎo)致在降雨過程中的入滲產(chǎn)流發(fā)生改變，也進(jìn)一步改變了侵蝕特性：朱波等[11]研究指出，紫色土丘陵區(qū)生產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)過程中大量擾動地表、損壞水保設(shè)施、邊坡開挖、棄土堆積松散，未采取防護(hù)措施，侵蝕模數(shù)可高達(dá)13 895～52 400 t/(km2·a)，是原草坡地的19～142倍；崔斌等[12]、宓永寧等[13]采用室內(nèi)人工模擬降雨研究了工程棄土的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，表明產(chǎn)沙量隨細(xì)度模數(shù)的增加而減少，但對徑流量影響較??；張婧媛等[14]采用人工模擬降雨研究黃土和紫色土在相同下墊面條件下的侵蝕過程，結(jié)果表明黃土坡面侵蝕量大于紫色土，抗沖性試驗(yàn)得出紫色土抗沖系數(shù)是黃土的3.1倍，黃土隨產(chǎn)流持續(xù)出現(xiàn)侵蝕紋溝，股流形成導(dǎo)致侵蝕量增加；史東梅等[15]采用土工試驗(yàn)方法及野外實(shí)地放水沖刷法研究房地產(chǎn)建設(shè)地基開挖的黃沙壤及紫色土棄土棄渣的侵蝕特征，結(jié)果表明堆積體邊坡溝壁崩塌脫落是導(dǎo)致產(chǎn)沙率波動的重要原因。

而針對礫石覆蓋對侵蝕量的影響也有系列研究：Poesen等[16]認(rèn)為碎石覆蓋使得集中水流的侵蝕速率以指數(shù)函數(shù)形式減少；王小燕等[17]總結(jié)已有研究認(rèn)為，表土礫石覆蓋能抑制細(xì)溝形成，增加細(xì)溝糙度，降低細(xì)溝徑流速率及其侵蝕速率，且現(xiàn)有的土壤侵蝕模型RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)、WEPP(Water Erosion Prediction Project)、EUORSEM(European Soil Erosion Model)等在對含礫石土壤流失量預(yù)測時(shí)均需對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正；研究也表明工程建設(shè)造成的堆積體、開挖面等容易受降雨及礫石等因素影響[18-22]。

綜上，目前針對含礫石工程堆積體的水土流失規(guī)律已有一定研究，并取得了較多的成果。但針對不同地域不同土壤質(zhì)地堆積體在相同條件下的流速和產(chǎn)沙差異特征對比研究仍鮮有報(bào)道。本文采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，研究3種土壤質(zhì)地堆積體的侵蝕特性，以期拓展土壤侵蝕研究范疇，深化研究內(nèi)容。同時(shí)也可為后期建立我國不同地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體的預(yù)測模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 野外調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

我國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目分布范圍廣泛，采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)?zāi)苡行П容^不同土壤質(zhì)地堆積體水土流失規(guī)律。室內(nèi)概化工程堆積體是在野外實(shí)地調(diào)查了368座生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體基礎(chǔ)上進(jìn)行的。統(tǒng)計(jì)分析野外實(shí)際記錄堆積體的坡長、坡度、礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)顯示堆積體坡度主要分布在15°～40°，坡長以中短坡為主，分散在堆積體坡面礫石粒徑多在10～36 mm，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)<40%的占調(diào)查總數(shù)的90%以上[23]。鑒于野外工程堆積體實(shí)際及室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)設(shè)置徑流小區(qū)規(guī)格為斜坡長5 m、坡度25°。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)研究經(jīng)人為擾動影響較大的砂土、壤土及黏土3種土質(zhì)工程堆積體，其中：砂土采自陜西省榆林市靖邊縣境內(nèi)，屬于典型風(fēng)沙土分布區(qū)，土壤質(zhì)地較輕，粉砂粒含量較多；壤土取自陜西楊凌的非耕層成土母質(zhì)；黏土取自江西省南昌市新建縣，為典型紅壤。試驗(yàn)用土經(jīng)6 mm篩網(wǎng)篩分剔除雜質(zhì)后平鋪室外自然風(fēng)干，測定顆粒組成及有機(jī)質(zhì)含量，裝填前通過灑水控制土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%。試驗(yàn)土壤顆粒組成及有機(jī)碳含量見表1。

表1 土壤顆粒粒徑組成及有機(jī)碳含量

以野外實(shí)際工程堆積體中坡面上分布粒徑的尺寸為依據(jù)，將粒徑劃分為3級，按粒徑<14 mm(小)、[14 ,25)mm(中)、[25,50)mm(大)劃分，小、中、大礫石，按質(zhì)量比3∶5∶2進(jìn)行配置，形成礫石質(zhì)量占土石總質(zhì)量百分比分別為0，10%，20%，30%的不同試驗(yàn)堆積體。礫石為工程常用的機(jī)械粉碎的破口石。

基于對3種土壤質(zhì)地區(qū)域多年降雨氣象資料的調(diào)查，統(tǒng)計(jì)發(fā)生暴雨時(shí)出現(xiàn)頻率較高的30 min雨強(qiáng)作為本試驗(yàn)雨強(qiáng)設(shè)計(jì)依據(jù)，取整后最終設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為1.0，1.5，2.0 mm/min 3種。

2.3 降雨試驗(yàn)布置

試驗(yàn)所用鋼槽可通過液壓系統(tǒng)調(diào)整坡度，鋼槽尺寸5 m×1 m×0.5 m(長×寬×高)，共計(jì)填土0.45 m。將風(fēng)干篩選后的土壤與配比好的礫石人工攪拌3～4次均勻混合，用傳送帶向土槽內(nèi)運(yùn)裝均勻混合后的土石體。為模擬天然降雨入滲過程，槽底鋪設(shè)天然砂并用紗布隔開。為防止降雨中發(fā)生滑塌，供試土石體分下層、中層、上層分別填裝，層厚分別為20,15,10 cm。中層和下層試樣密度控制在1.3 g/cm3以上，并分層夯實(shí)，上層10 cm不夯實(shí)只平整，放置24 h自然沉降后試驗(yàn)。測算得到砂土、壤土和黏土堆積體隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大的容重變化范圍分別為1.30～1.42，1.21～1.34，1.24～1.41 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍分別為0.02～0.05，0.02～0.06，0.01～0.07 g/cm3。平均含水率質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別為8.58%，10.45%，9.07%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.90%，1.53%，1.30%。

試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳開展，降雨高度16 m，雨強(qiáng)變化范圍為0.50～5.83 mm/min，降雨均勻度>80%。以梅花樁法布設(shè)率定雨強(qiáng)，在試驗(yàn)槽4個(gè)角落分別布設(shè)1個(gè)雨量筒，測定單位時(shí)間單位面積的降雨量，多次率定的平均值作為整個(gè)斷面平均雨強(qiáng)，誤差控制在5%內(nèi)。徑流泥沙樣接取次序?yàn)楫a(chǎn)流開始后3 min內(nèi)每1 min各接1個(gè)，3 min后每隔3 min重復(fù)1次上述過程。根據(jù)暴雨歷時(shí)短特點(diǎn)設(shè)計(jì)總產(chǎn)流時(shí)間為45 min。在距土槽底部4.5,3.0,1.5 m處分別布設(shè)3個(gè)長度為1.5 m的觀測斷面，用于測定流速、流深和流寬等，測定時(shí)間與接取徑流泥沙樣同步進(jìn)行。其中流速算法是在3個(gè)觀測斷面采用高錳酸鉀溶液及電子秒表測定通過1.5 m斷面所需的時(shí)間，計(jì)算得到的各觀測斷面最大流速，3個(gè)斷面最大流速的平均值乘以系數(shù)0.75得到最終平均流速[24]。產(chǎn)沙率、徑流率通過每一場降雨采集17個(gè)徑流樣和泥沙樣獲取，烘干法測定泥沙干質(zhì)量，每一場降雨的徑流量、侵蝕量通過收集降雨過程中各樣品累積計(jì)算而得。

圖1 3種土壤質(zhì)地工程堆積體流速隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤質(zhì)地堆積體侵蝕過程流速特征

圖1為不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3種工程堆積體在雨強(qiáng)1.0～2.0 mm/min下流速隨產(chǎn)流歷時(shí)變化。3種土壤質(zhì)地堆積體流速隨產(chǎn)流歷時(shí)總體呈現(xiàn)“遞增—穩(wěn)定”的變化趨勢，僅砂土在雨強(qiáng)為1.0 mm/min時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在產(chǎn)流后15 min左右，其余各場次降雨下流速變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致都在產(chǎn)流開始后3 min左右。降雨初期，堆積體表面干燥，降雨主要消耗于入滲，隨時(shí)間延長，入滲率減少，坡面徑流增大，進(jìn)而導(dǎo)致流速變大。砂土堆積體在雨強(qiáng)1.0，1.5，2.0 mm/min時(shí)所對應(yīng)的平均流速分別為0.08，0.11，0.12 m/s，流速隨雨強(qiáng)增大呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系，純土體(礫石質(zhì)量占土石總質(zhì)量百分比為0)的流速在雨強(qiáng)為1.5 mm/min時(shí)，在產(chǎn)流27 min后迅速遞增，導(dǎo)致最終的平均流速增大；壤土堆積體過程平均流速分別為0.07，0.10，0.14 m/s，隨雨強(qiáng)增大，波動愈加顯著；黏土堆積體過程平均流速分別為0.07，0.08，0.11 m/s。砂土、壤土和黏土堆積體產(chǎn)流3 min后平均流速分別是前3 min的1.5倍、1.4倍和1.5倍。砂土、黏土堆積體平均流速表現(xiàn)為礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)最大，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)最小，變化范圍分別為0.08～0.10 m/s和0.07～0.10 m/s；壤土堆積體表現(xiàn)為礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)最大，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)最小，變化范圍為0.08～0.13 m/s。礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對壤土堆積體平均流速影響最明顯。

由圖1還可看出，雨強(qiáng)1.0 mm/min時(shí)，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流速影響在黏土堆積體較壤土及砂土堆積體顯著。相同條件下，砂土堆積體平均流速是0.08 m/s，壤土及黏土堆積體均為0.07 m/s；在雨強(qiáng)1.5 mm/min時(shí)，流速隨產(chǎn)流歷時(shí)發(fā)生顯著波動，且不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)間流速差異性較明顯，相同條件下，砂土堆積體平均流速分別是壤土和黏土的1.1倍和1.4倍；在雨強(qiáng)2.0 mm/min時(shí)，壤土堆積體流速降雨過程波動顯著，且平均流速表現(xiàn)為壤土>黏土>砂土，前者分別是后兩者的1.3倍和1.4倍。經(jīng)過計(jì)算，砂土、壤土及黏土堆積體產(chǎn)流過程的各流速與雨強(qiáng)、產(chǎn)流歷時(shí)均呈顯著相關(guān)，3種堆積體流速與雨強(qiáng)相關(guān)系數(shù)分別為0.558，0.911,0.709(P<0.01)，流速與產(chǎn)流歷時(shí)相關(guān)系數(shù)分別為0.676，0.344，0.574(P<0.05)。平均流速可用雨強(qiáng)、產(chǎn)流歷時(shí)的冪函數(shù)表達(dá)，即

V=aIbTc。

(1)

式中：a,b,c均為系數(shù)；V為平均流速；I為雨強(qiáng)；T為產(chǎn)流歷時(shí)。

式(1)中對于砂土堆積體，a，b，c分別為0.053，0.151，0.423；對于壤土堆積體，a，b，c分別為0.053，0.098，1.013；對于黏土堆積體，a，b，c分別為0.043，0.155，0.638，決定系數(shù)分別為0.814，0.953，0.899。

3.2 不同土壤質(zhì)地堆積體累積產(chǎn)沙特征

隨著降雨強(qiáng)度增大堆積體侵蝕過程的產(chǎn)沙波動性增強(qiáng)，但降雨過程的總體趨勢保持一致。以降雨強(qiáng)度1.0 mm/min下的累積產(chǎn)沙量為例，分析不同土質(zhì)及礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下堆積體的侵蝕規(guī)律，見圖2。

圖2 3種土壤質(zhì)地工程堆積體累積產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)變化

砂土堆積體累積產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)持續(xù)遞增，且幅度增大，表現(xiàn)為趨勢線的斜率逐漸增大，且含礫石堆積體斜率遞增幅度遠(yuǎn)大于純土堆積體；而壤土堆積體及黏土堆積體的累積產(chǎn)沙量在產(chǎn)流初期快速遞增，隨后遞增趨勢減少，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別在產(chǎn)流后6 min和18 min，與快速入滲階段和穩(wěn)定入滲階段分割點(diǎn)一致，說明徑流是造成產(chǎn)沙的主要因素。

砂土堆積體隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%遞增至30%在產(chǎn)流21 min后的累計(jì)產(chǎn)沙量分別為4.11，2.80，2.48 kg/m2，分別占次降雨總產(chǎn)沙量的95.6%，86.8%，92.5%，而純土堆積體占次降雨總產(chǎn)沙量的52.3%，表明含礫石砂土堆積體侵蝕主要發(fā)生在侵蝕的中后期，純土的侵蝕速率在整個(gè)侵蝕過程較穩(wěn)定。壤土和黏土堆積體0%，10%，20%和30%產(chǎn)流21 min后產(chǎn)沙累計(jì)量分別占次降雨總產(chǎn)沙量的33.5%，29.6%，39.7%，44.9%和50.0%，42.1%，45.8%，49.6%，即壤土堆積體的侵蝕主要發(fā)生在產(chǎn)流的前期和中期，而黏土堆積體的侵蝕發(fā)生在整個(gè)產(chǎn)流過程。

表2 土壤入滲-徑流-產(chǎn)沙特性與產(chǎn)流歷時(shí)、雨強(qiáng)、礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其交互項(xiàng)相關(guān)性分析

注：*是指顯著性水平0.05(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**是指顯著性水平0.01(雙側(cè))上顯著相關(guān)，下同；T×I為產(chǎn)流歷時(shí)和雨強(qiáng)的交互項(xiàng)；T×Di為產(chǎn)流歷時(shí)和礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互項(xiàng)；I×Di為雨強(qiáng)和礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互項(xiàng)；T×I×Di為產(chǎn)流歷時(shí)、雨強(qiáng)和礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互項(xiàng)。

礫石對不同土質(zhì)堆積體的影響規(guī)律不同，砂土堆積體和黏土堆積體中礫石存在增加次降雨侵蝕量且在黏土堆積體表現(xiàn)更為顯著，而壤土堆積體中礫石顯著降低次降雨侵蝕量。壤土和黏土堆積體隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，侵蝕量遞減，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的次降雨侵蝕量分別為0.43，0.89 kg/m2，是礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的1.1倍和1.3倍。對比分析不同土質(zhì)對堆積體侵蝕影響表明總體上砂土堆積體侵蝕量最大，壤土堆積體最小，黏土堆積體居中，且含礫石堆積體較純土堆積體差異更顯著，砂土含礫石堆積體次降雨侵蝕量是黏土堆積體的3.5～4.8倍，是壤土堆積體的6.8～9.9倍。

3.3 不同土壤質(zhì)地堆積體入滲-產(chǎn)流-產(chǎn)沙相關(guān)性分析

分析3種土壤質(zhì)地工程堆積體在不同雨強(qiáng)不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)采集計(jì)算得到的204個(gè)徑流泥沙樣本與影響因素間的相關(guān)性，結(jié)果見表2。

相關(guān)分析表明，產(chǎn)流歷時(shí)與3種土壤質(zhì)地工程堆積體的徑流率、流速、入滲率及產(chǎn)沙率均呈顯著相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)流歷時(shí)對入滲率均呈負(fù)相關(guān)，即隨產(chǎn)流歷時(shí)增大，入滲率呈遞減關(guān)系；產(chǎn)流歷時(shí)對砂土產(chǎn)沙率呈正相關(guān)，隨產(chǎn)流時(shí)間推移，砂土產(chǎn)沙率增大，而壤土及黏土產(chǎn)沙率遞減，與前述結(jié)果一致。雨強(qiáng)對各侵蝕過程參數(shù)呈顯著正相關(guān)。產(chǎn)流歷時(shí)與雨強(qiáng)的交互項(xiàng)、產(chǎn)流歷時(shí)、雨強(qiáng)及礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互項(xiàng)對徑流率、流速和入滲率影響顯著，僅對砂土產(chǎn)沙率影響較顯著。產(chǎn)流歷時(shí)與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互項(xiàng)、雨強(qiáng)與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互項(xiàng)對各參數(shù)均顯著相關(guān)，進(jìn)一步說明礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對降雨過程的產(chǎn)流產(chǎn)沙特性作用受雨強(qiáng)及產(chǎn)流歷時(shí)等其他因素的影響。

徑流率對3種土壤質(zhì)地的流速及產(chǎn)沙率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，對砂土堆積體入滲率呈負(fù)相關(guān)影響。流速與產(chǎn)沙率呈正相關(guān)關(guān)系，與砂土及黏土的入滲率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。入滲率與砂土產(chǎn)沙率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與壤土及黏土產(chǎn)沙率呈正相關(guān)關(guān)系。

在整個(gè)降雨過程中，滿足下墊面入滲條件下，形成的坡面徑流不僅對流速、侵蝕、輸移等過程產(chǎn)生影響，同時(shí)也是計(jì)算侵蝕水力學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，分析堆積體的徑流特征具有重要意義。采用人工模擬降雨研究堆積體入滲，是通過降雨量與徑流量之差推求而得[19,25-26]，侵蝕過程徑流率變化趨勢與入滲率呈反向規(guī)律。3種雨強(qiáng)下總體表現(xiàn)為砂土堆積體徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)呈持續(xù)遞增趨勢，壤土及黏土堆積體呈“先遞增后穩(wěn)定”變化?；貧w分析可知，徑流率與產(chǎn)流歷時(shí)、雨強(qiáng)間可用二元一次函數(shù)表示：

R1=0.070T+3.350I-3.037，R2=0.632，

F=172.948，n=204，P<0.001 。

(2)

R2=0.026T+3.526I-1.115，R2=0.883，

F=759.500，n=204，P<0.001 。

(3)

R3=0.042T+3.279I-1.057，R2=0.836，

F=511.109，n=204，P<0.001 。

(4)

式中：R1,R2,R3為砂土、壤土、黏土工程堆積體徑流率(mm/min)；T為產(chǎn)流歷時(shí)(min)；I為雨強(qiáng)，取值分別為1.0，1.5，2.0 mm/min；n為樣本數(shù)；F為檢驗(yàn)值；R2為決定系數(shù)，下同。

礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對產(chǎn)沙的作用還受雨強(qiáng)的影響，分析次降雨的平均產(chǎn)沙率與雨強(qiáng)及礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系，具體表達(dá)式如下:

E1=75.346I2.584(1-Di)2.215，R2=0.904，

n=12 。

(5)

E2=16.262I2.836(1-Di)3.820，R2=0.971，

n=12 。

(6)

E3=22.079I2.708(1-Di)1.172，R2=0.932，

n=12 。

(7)

式中：E1,E2,E3為砂土、壤土、黏土工程堆積體平均產(chǎn)沙率(g/( m2·min))；礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)Di取值為0，10%，20%，30%。

坡面侵蝕一方面來自于雨滴對下墊面的擊濺造成土壤顆粒發(fā)生位移，另一方面來自于徑流對下墊面產(chǎn)生剝蝕作用，附著于表層顆粒隨徑流流出小區(qū)造成侵蝕。平均產(chǎn)沙率、平均流速與平均徑流率的相關(guān)性分析結(jié)果見表3。3種土壤質(zhì)地工程堆積體的平均徑流率與平均流速呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與壤土及黏土的平均產(chǎn)沙率顯著相關(guān)。

表3 平均產(chǎn)沙率、平均流速與平均徑流率的相關(guān)性分析

3.4 不同土壤質(zhì)地堆積體侵蝕量差異

圖3為3種雨強(qiáng)下不同土壤質(zhì)地工程堆積體次降雨侵蝕量隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。

(1)雨強(qiáng)為1.0 mm/min時(shí)，砂土及黏土堆積體次降雨侵蝕量表現(xiàn)為純土體小于含礫石堆積體，后隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，侵蝕量遞減。壤土堆積體次降雨侵蝕量總體表現(xiàn)為純土體大于含礫石堆積體，侵蝕量隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減少。砂土及黏土純土堆積體較含礫石堆積體侵蝕量分別減少78.9%～86.9%和15.8%～34.7%，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的砂土及黏土堆積體侵蝕量分別較10%堆積體減少37.7%和22.4%。壤土純土堆積體侵蝕量是含礫石堆積體的1.1～1.2倍。

(2)雨強(qiáng)為1.5 mm/min時(shí)，3種土壤質(zhì)地堆積體的侵蝕量均表現(xiàn)為純土體大于含礫石堆積體，砂土礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%堆積體侵蝕量是含礫石的2.0～2.9倍，壤土為1.4～2.6倍，黏土是1.1～1.4倍，但隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，侵蝕量變化規(guī)律不顯著；對于砂土、黏土堆積體，表現(xiàn)為礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、20%、10%的侵蝕量依次減小，而壤土堆積體，呈礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、10%、30%的侵蝕量依次減小。

(3)雨強(qiáng)為2.0 mm/min時(shí)，3種土壤質(zhì)地堆積體侵蝕量均表現(xiàn)為礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，侵蝕量越小。砂土、壤土和黏土純土堆積體的侵蝕量分別是含礫石堆積體的1.3～2.8倍、1.8～6.8倍和1.1～1.9倍。隨雨強(qiáng)增大，礫石對侵蝕量的影響更加顯著。相同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，雨強(qiáng)增加1.5～2.0倍，3種土壤質(zhì)地堆積體侵蝕量隨之增大1.2～39.8倍。

圖3 不同雨強(qiáng)下工程堆積體侵蝕量隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征

3種雨強(qiáng)下，次降雨侵蝕量均表現(xiàn)為砂土>黏土>壤土。相同雨強(qiáng)下，砂土堆積體侵蝕量是壤土的6.0～6.3倍，是黏土的3.2～3.5倍；相同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，砂土堆積體侵蝕量分別是壤土的5.0～9.8倍，是黏土的2.7～3.8倍。相關(guān)分析可知，砂土、壤土、黏土堆積體侵蝕量與雨強(qiáng)的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.813，0.670和0.885，顯著性P<0.05。相同雨強(qiáng)下，砂土、壤土、黏土堆積體侵蝕量與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.978，0.979，0.953(P<0.05)。

4 討 論

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體由于堆積物質(zhì)組成復(fù)雜，包括了土壤和礫石，且由于礫石在坡面分布位置、粒徑大小、礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)等的不同，進(jìn)而造成侵蝕過程差異[3,27]。本試驗(yàn)只研究了土石均勻混合、礫石粒徑<50 mm、礫石為機(jī)械碎石，因此，本文所得結(jié)論是在以上特定條件下得出的。

本試驗(yàn)砂土堆積體產(chǎn)沙高峰期在產(chǎn)流后期，且總體表現(xiàn)為純土侵蝕量高于含礫石堆積體，與朱元駿等[19]認(rèn)為產(chǎn)沙高峰期均出現(xiàn)在降雨初期 0～ 20 min，10 %碎石含量的土壤侵蝕含沙率一直保持穩(wěn)定較低水平有差異，造成上述差異可能原因是土壤質(zhì)地不同，土壤與礫石的交互作用也各不相同，同時(shí)試驗(yàn)用的礫石粒徑差異及試驗(yàn)槽規(guī)格大小也都不同，均可能造成試驗(yàn)結(jié)果的差異性。史冬梅等[15]采用野外放水試驗(yàn)研究認(rèn)為紫色土的徑流流速表現(xiàn)為偏土質(zhì)大于土石質(zhì)，即認(rèn)為礫石阻礙徑流流動，本試驗(yàn)結(jié)果表明砂土、黏土堆積體礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的平均流速最大，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%最小，壤土堆積體相反，造成結(jié)果有一定差異性是土石質(zhì)量混合比例不一致，且降雨試驗(yàn)包括了雨滴的擊濺侵蝕與徑流沖刷過程，而放水沖刷不存在實(shí)際應(yīng)包含的降雨前期的雨滴對下墊面作用，同時(shí)不同的試驗(yàn)條件及對象也都會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響；放水流量越大，產(chǎn)沙率波動越顯著，主要是發(fā)生細(xì)溝侵蝕造成的，與本試驗(yàn)得出的產(chǎn)沙率在大雨強(qiáng)下波動顯著結(jié)論相近，大雨強(qiáng)下坡面侵蝕進(jìn)一步發(fā)育為細(xì)溝侵蝕，加之溝壁坍塌造成產(chǎn)沙率波動明顯。Peng 等[28]研究也表明了細(xì)溝溝壁在重力作用下的坍塌是造成降雨過程產(chǎn)沙率呈波動變化的主要原因，且礫石起到抑制堆積體侵蝕，與本試驗(yàn)小雨強(qiáng)下壤土堆積體研究結(jié)果相近，但與砂土及黏土的研究結(jié)果有差異，造成差異的原因包括雨強(qiáng)、土壤質(zhì)地不同等。李君蘭等[29]室內(nèi)模擬降雨研究了坡面流速與含沙量關(guān)系，分析認(rèn)為坡面徑流能量分配為自身流動所需能量、剝蝕土壤消耗能量以及攜帶搬運(yùn)土壤所需能量，輸沙能力超過一定長度(5 m)后，徑流不再以剝蝕為主，而是剝蝕與沉積交替進(jìn)行，本文試驗(yàn)表明3種土壤質(zhì)地堆積體的坡面流速與產(chǎn)沙率均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即從坡頂至坡底，徑流匯集導(dǎo)致流速增大，徑流能量一部分用于輸移泥沙，另一部分繼續(xù)剝蝕土壤，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)沙率遞增，與李君蘭等研究結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了砂土、壤土及黏土堆積體流速及產(chǎn)沙特征，主要結(jié)論包括：

(1)三種土壤質(zhì)地堆積體流速隨產(chǎn)流歷時(shí)總體呈現(xiàn)“遞增—穩(wěn)定”的變化趨勢，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)在產(chǎn)流開始后3 min左右，穩(wěn)定后的平均流速是前期的1.4～1.5倍。壤土及黏土堆積體平均流速隨雨強(qiáng)增大而遞增。砂土、黏土堆積體平均流速表現(xiàn)為礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)最大，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)最小，而壤土呈相反規(guī)律。平均流速可用雨強(qiáng)、產(chǎn)流歷時(shí)的冪函數(shù)表達(dá)。

(2)在雨強(qiáng)為1.0 mm/min時(shí)，砂土堆積體侵蝕主要發(fā)生在產(chǎn)流的中后期，壤土堆積體的侵蝕主要發(fā)生在產(chǎn)流的前期和中期，而黏土堆積體的侵蝕發(fā)生在整個(gè)產(chǎn)流過程，砂土、壤土和黏土堆積體21 min后累計(jì)產(chǎn)沙量占次降雨總產(chǎn)沙量分別為52.3%～95.6%、29.6%～44.9%和42.1%～50.0%。礫石增大了砂土和黏土堆積體次降雨侵蝕量且在黏土堆積體表現(xiàn)更為顯著，而壤土堆積體中礫石顯著降低次降雨侵蝕量。產(chǎn)流歷時(shí)、雨強(qiáng)、雨強(qiáng)及礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互項(xiàng)對徑流率、流速、入滲率及產(chǎn)沙率均顯著相關(guān)。徑流率對3種土壤質(zhì)地堆積體的流速及產(chǎn)沙率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。徑流率與產(chǎn)流歷時(shí)、雨強(qiáng)間可用二元一次函數(shù)表示。

(3)雨強(qiáng)1.0 mm/min時(shí)，礫石存在增加砂土堆積體侵蝕量，但對壤土和黏土堆積體起抑制作用。雨強(qiáng)1.5和2.0 mm/min時(shí)，礫石均能顯著減少3種土壤質(zhì)地堆積體次降雨侵蝕量。雨強(qiáng)增加1.5～2.0倍，3種土壤質(zhì)地堆積體侵蝕量增大1.2～39.8倍。次降雨侵蝕量均表現(xiàn)為砂土>黏土>壤土。相同雨強(qiáng)下，砂土堆積體侵蝕量是壤土的6.0～6.3倍，是黏土的3.2～3.5倍；相同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，砂土堆積體侵蝕量分別是壤土的5.0～9.8倍，是黏土的2.7～3.8倍。