坡面土壤侵蝕響應(yīng)機制及其水動力學(xué)特征研究進展

安文濤, 宋曉敏, 蔣謙, 王艷晗, 冀曉東

(1.山東泰山路橋工程公司,山東 泰安 271001; 2.北京閃通達技術(shù)有限公司,北京 101400; 3.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京 100083)

土壤侵蝕是指土壤及土壤母質(zhì)在外營力作用下,被破環(huán)、剝蝕、轉(zhuǎn)運、沉積的過程。坡面是土壤侵蝕的主要發(fā)生地和溝道泥沙的主要來源區(qū)[1],同時也是研究土壤侵蝕的微觀單位,而坡面水動力學(xué)特征則是土壤侵蝕過程的直觀反映。當(dāng)前,有關(guān)坡面土壤侵蝕的研究以影響坡面土壤侵蝕的因素以及坡面水動力學(xué)機理研究為主,但由于坡面土壤侵蝕過程和影響因素的復(fù)雜多樣以及各影響因素之間的相互聯(lián)系與作用,導(dǎo)致當(dāng)前對坡面土壤侵蝕過程及其調(diào)控機制仍然不清晰。鑒于此,本文對坡面土壤侵蝕發(fā)生與各影響因子之間的響應(yīng)機制進行概述,對坡面土壤侵蝕水動力學(xué)特征進行闡釋,并適當(dāng)分析當(dāng)前土壤侵蝕研究中存在的缺陷與不足,旨在為坡面土壤侵蝕研究的發(fā)展提供參考。

1 坡面土壤侵蝕響應(yīng)機制

1.1 土壤性質(zhì)

前人研究表明,當(dāng)外界因素保持一致時,坡面侵蝕的程度主要取決于土壤性質(zhì)的差異[2]。大量研究結(jié)果也證明:土壤孔隙、質(zhì)地和機械組成、團聚體結(jié)構(gòu)等均對坡面產(chǎn)流有較大影響[3-6]。

土層中的顆粒之間存在大小不一的孔隙,當(dāng)產(chǎn)生入滲時,水分便通過這些孔隙從地表至地下層進行水分運移[6],孔隙量的多少直接影響著土壤滲水性能。特別是在降雨過程中,水分轉(zhuǎn)換過程中優(yōu)先進行的就是土壤入滲,當(dāng)土壤水分達到飽和含水量,多余的水分無法繼續(xù)入滲時,此時這些水分便會在坡面表層匯集,受重力影響產(chǎn)生自上而下的徑流[7-8]。

土壤質(zhì)地則直接影響了土壤運輸水分的能力,進而決定了整個坡面產(chǎn)流過程。土壤質(zhì)地越粗,透水性越強;質(zhì)地越細,透水性越弱。當(dāng)其他因素不變時,疏松的土壤通?？紫遁^多,水分入滲較為通暢,滲水性能較好;當(dāng)土壤被壓實后,土壤孔隙被破壞,入滲速率降低,大量水分無法產(chǎn)生入滲只能產(chǎn)生坡面徑流。此外,土壤機械組成對土壤抗蝕性能也會產(chǎn)生重要影響。WISCHMEIER W H等[9]研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田產(chǎn)生侵蝕的土壤主要為粉砂性和砂性土壤。李勇等[10]研究表明,在黃土高原地區(qū)砂粒和粗粉粒的含量是決定土壤抗蝕性能的主要因子之一。

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位,同時也是徑流搬運過程中的基本單元。團聚體的顆粒大小和布局影響了土壤孔隙的分布,從而決定了土壤水分的入滲能力。同時,團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起了決定性作用,其在徑流運移中的剝蝕破壞影響著土壤泥沙含量、坡面徑流入滲狀況及地表侵蝕過程的強度[11]。一般認為,砂性土壤中的團聚體結(jié)構(gòu)較分散,當(dāng)受到外力影響時,比較容易產(chǎn)生土壤侵蝕;而黏粒含量較高的土壤中,有機質(zhì)含量大,土壤膠體較多,產(chǎn)生的粘合力也就越強,因此，導(dǎo)致團聚體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,土壤的抗蝕性也就越好。

此外,土壤水分也會對土壤侵蝕產(chǎn)生顯著影響。研究結(jié)果表明,在外界條件基本一致的情況下,土壤初始含水率越高,土壤侵蝕越嚴(yán)重[12]。

1.2 降雨

降雨是一個顯著影響坡面土壤侵蝕的動力源,主要包括降雨強度、降雨歷時、降雨量和雨滴動能等指標(biāo),其中降雨強度對侵蝕強度的影響最大。

在坡面土壤侵蝕過程中,降雨強度是最直接的降雨因素,前人對此進行了深入的研究[13-15]。研究表明,當(dāng)其他因素基本一致時,土壤侵蝕強度隨著降雨強度的變化而變化[16]。這主要是由于降雨強度通過坡面降雨量變化及雨滴濺蝕土壤結(jié)皮等途徑改變了地表徑流產(chǎn)生過程中的土壤入滲和下墊面對降水的分配,進而影響了坡面土壤侵蝕過程。

降雨歷時對土壤侵蝕也有較大影響,主要體現(xiàn)在徑流量大小以及土壤入滲率的變化方面。一般情況下,降雨強度越大,產(chǎn)流越快,產(chǎn)流量越大。在短歷時降雨中,最大10 min雨強(I10)、最大30 min雨強(I30)、最大60 min雨強(I60)與土壤侵蝕的關(guān)系最為密切。

降雨量是坡面土壤侵蝕的源動力。在我國,不同降雨量分級地區(qū)間的土壤侵蝕強度也存在著顯著差異。其中，我國年均降雨量為1 000～1 600 mm的地區(qū),土壤侵蝕強度最高。研究表明,此區(qū)域內(nèi)降雨量與地表徑流量和水土流失量均呈正相關(guān)關(guān)系[17]。

雨滴動能是度量降雨侵蝕力的指標(biāo)。降雨侵蝕力也會對土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響。WISCHMEIER W H等[9]利用降雨和土壤侵蝕的實測資料,通過回歸分析研究發(fā)現(xiàn),雨滴動能和最大30 min雨強(I30)兩者的乘積與土壤流失量的相關(guān)性最好。因此，可將雨滴動能作為度量降雨侵蝕力的指標(biāo),且降雨侵蝕力與土壤侵蝕成正相關(guān)關(guān)系,降雨侵蝕力越大,土壤被侵蝕越強烈。

1.3 植被

森林植被作為陸地上最重要的生態(tài)系統(tǒng),在防治土壤侵蝕方面有其不可缺少的地位。森林植被通過其冠層、林下茂密的灌草層、林地上富集的枯枝落葉層以及發(fā)育疏松而深厚的土壤層截持和儲蓄大氣降水,發(fā)揮著其特有的水文生態(tài)功能。植被可以通過本身的多層次結(jié)構(gòu)攔蓄降雨水分,減少雨滴擊濺,提升地表粗糙程度,改善土壤理化性質(zhì),強化降雨入滲。植被根系可通過直接固持土體、產(chǎn)生根系分泌物等方式影響侵蝕過程[18]。同時,植被覆蓋度、林分結(jié)構(gòu)、地表枯枝落葉物以及植被根系等植物性因素也都會影響坡面土壤侵蝕[19]。

植被覆蓋度是研究植被與坡面土壤侵蝕關(guān)系應(yīng)用最多的指標(biāo)[20-21]。當(dāng)植被覆蓋程度不斷增加時,其降低徑流含沙率的能力就越強,坡面土壤侵蝕程度逐漸減弱,侵蝕產(chǎn)沙量逐漸減少[22-23]。植被的地上部分(尤其是冠層)呈多層重疊遮蔽地面,對雨滴及雨滴能量起到承受、削弱和分散的作用。植被的截留作用,使雨滴匯集后滴落或沿枝干緩慢流落地面,改變了降雨的落地方式,減少了降雨量與降雨強度。

植被的林分結(jié)構(gòu)也會對坡面土壤侵蝕產(chǎn)生影響。分層結(jié)構(gòu)的植被比單層結(jié)構(gòu)植被更能保護土壤,更能減輕侵蝕的影響。

坡面表層的枯枝落葉層也是減緩?fù)寥狼治g的重要因素。當(dāng)發(fā)生降雨時,枯枝落葉物可以有效截留水分,分散降雨產(chǎn)生的動能,防止雨滴打擊坡面土壤產(chǎn)生濺蝕;同時枯枝落葉分解后產(chǎn)生的腐殖質(zhì)有助于改善土壤的理化性質(zhì),可以有效增加降水入滲并提高土壤的抗蝕性。

與植被的地上部分相比,有關(guān)植物根系部分對土壤侵蝕控制的研究起步較晚。植物根系對土壤有很好的穿插、纏繞、固結(jié)作用,通過眾多支毛根固結(jié)、阻擋、吸附、牽拉等方式,可減少徑流對土壤的沖刷,提高土壤的抗沖性,減少土壤侵蝕。

1.4 地形

地形條件對近地表物質(zhì)的能量的形成及再分配具有深刻的影響,同時也制約著坡面土壤侵蝕過程。地形條件包括坡度、坡長、坡型、坡向等,它們既聯(lián)系緊密,又相互制約,各因素綜合影響著土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展過程[24]。不同的坡度、坡長及微地形條件對徑流的影響與作用均不同,從而改變著土壤侵蝕的形式;當(dāng)坡度較大時,受重力影響,坡面流速會增大,坡面徑流更易于匯集,土壤侵蝕程度會變強[25]。

坡度是地形因素中對坡面土壤侵蝕影響最大的因子。前人研究表明,當(dāng)外界水分條件(降雨或徑流沖刷)基本一致時,土壤侵蝕程度會隨著坡度因子的不同而存在差異[26]。坡度在一定范圍內(nèi)增大時,坡面徑流量和侵蝕量會逐漸增加;但當(dāng)坡度到達一定數(shù)值時,即使坡度再增加,徑流量和侵蝕量也不會再增加,反而存在減少的情況,這一坡度數(shù)值被稱為臨界坡度。

前人對坡長與坡面土壤侵蝕的關(guān)系有著不同的觀點。部分學(xué)者[27]認為徑流中的含沙量隨坡長的增加而增加,導(dǎo)致過多消耗水流動能,使得土壤侵蝕力降低,侵蝕過程會隨之減弱。另一部分學(xué)者[28-29]則持不同意見,他們認為當(dāng)坡面長度不斷增加時,從上坡到下坡的水流深度也會隨之增加,導(dǎo)致水流動能逐漸變強,因此土壤侵蝕量也相應(yīng)變大。還有部分學(xué)者[30]認為侵蝕與坡長無關(guān),這是因為水量增加雖然會導(dǎo)致土壤侵蝕增強,但此時徑流中泥沙量也在不斷增加,泥沙負荷消耗了絕大多數(shù)徑流動能,因此土壤侵蝕減弱,故二者能量抵消,侵蝕量從上坡到下坡大體不變。

1.5 水土保持措施

水土保持措施是為防治水土流失,保護、改良與合理利用水土資源,改善生態(tài)環(huán)境所采取的一系列的技術(shù)措施與管理措施。其中包括工程措施、植物措施和農(nóng)業(yè)措施等。

水土保持工程措施(微地形改造)主要是通過改變地形,從而改變徑流路徑,攔蓄徑流,增大坡面的阻力作用,能夠削弱徑流動能,促進土壤入滲,減小坡面流速,從而減弱土壤侵蝕,達到保持水土的作用[31]。魏玉杰等[32]通過試驗發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)梯田相比,水平階工程措施具有省工省料的特點,同時也會大幅度提升水保效益。任文海[33]通過對工程措施的研究總結(jié)發(fā)現(xiàn),水土保持工程措施大體減流效益在55%以上,減沙效益高于65%;水平梯田、隔坡梯田、坡式梯田的水保效益最好,其整體效益略高于魚麟坑的和水平階的。

水土保持植物措施主要包括造林、育草,保土蓄水,建立農(nóng)林系統(tǒng)等措施。該類措施除了能起涵養(yǎng)水源、保持水土的作用外,還能改良土壤性質(zhì),增強土壤抗蝕力,為居民提供燃料、飼料、肥料和木料,從而促進農(nóng)、林、牧、副業(yè)的綜合發(fā)展,將保持水土和發(fā)展生產(chǎn)相結(jié)合。

水土保持農(nóng)業(yè)措施是指在農(nóng)業(yè)種植過程中實施的等高耕作、等高帶狀間作，溝壟耕作少耕、免耕等耕作措施。實踐證明,在水土流失的坡面因地制宜地采取合適的水土保持農(nóng)業(yè)技術(shù)措施,有效改變坡面微小地形,提升地面覆蓋率,增強土壤抗蝕性,攔蓄降水,減緩地表徑流,減少土壤沖刷,改良土壤結(jié)構(gòu),增加土壤抗蝕、滲透、蓄水、保水性能,培肥地力和提高作物產(chǎn)量,都具有顯著的作用。

2 坡面流土壤侵蝕的水動力學(xué)特征

2.1 坡面流水力學(xué)特征參數(shù)研究

坡面流水力學(xué)特性是土壤侵蝕過程的直觀反映,因此，研究坡面流的水力學(xué)特性對深入研究坡面侵蝕具有重要意義。當(dāng)前研究中,主要以坡面流流速、坡面流水深、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)等水力學(xué)參數(shù)來表征坡面流的水力學(xué)特征。根據(jù)明渠水流理論[34],雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)分別為坡面流流態(tài)和流型的劃分指標(biāo)。按照雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的數(shù)值不同,流態(tài)一般界定為層流、過渡流和紊流;流型一般劃分為急流和緩流。

當(dāng)前,關(guān)于坡面流水力學(xué)特征的研究,主要通過人工模擬降雨、放水沖刷、水文模型、數(shù)值模擬計算等手段,研究降雨強度、水流流量、下墊面條件、坡面坡度、坡長等條件變化下坡面水力學(xué)特征參數(shù)的特征以及水力學(xué)特征參數(shù)間的相互關(guān)系。

影響坡面流水力學(xué)特征的直接因素是降雨強度和水流流量。研究人員采用人工模擬降雨試驗和放水沖刷試驗研究不同降雨強度和水流流量下坡面流的水力學(xué)特性[35-37]。結(jié)果表明,隨著降雨強度和水流流量的增大,坡面流的流速、水深和雷諾數(shù)會增大,而阻力系數(shù)則減小。

坡面下墊面條件的變化顯著影響坡面流的水力學(xué)特性。受土壤質(zhì)地、礫石分布、植被類型、植被覆蓋度及空間格局等指標(biāo)的影響,坡面下墊面條件和坡面粗糙度會發(fā)生改變,進而影響坡面流的水力學(xué)特性。坡面大粗糙單元增加了坡面流所受的阻力,延緩了坡面流的流速,壅高了坡面流的水深,并使得水流流型由急流向緩流發(fā)展[38]。臺田措施、草被覆蓋等措施導(dǎo)致坡面覆蓋度發(fā)生變化,顯著影響坡面流的流態(tài),降低其流速[39-40]。植被空間配置雖能影響坡面流的阻力系數(shù),但是其影響程度弱于植被類型[41-42]。

相關(guān)研究表明,在坡度與降雨強度不發(fā)生變化時,坡面流的流速隨坡長的增加而逐漸增大;在相同降雨強度下,坡長與坡面流的流速具有良好的指數(shù)關(guān)系[35]。

2.2 坡面流水動力學(xué)機理

土壤侵蝕是一個不斷消耗能量的過程。坡面水流形成的侵蝕包括雨滴擊濺和水流沖刷侵蝕,是坡面水力侵蝕的基礎(chǔ)和起始點,徑流剪切力、水流功率和單位水流功率等指標(biāo)常用于描述侵蝕過程和臨界水動力條件。

土壤分離是坡面侵蝕產(chǎn)沙的必要途徑,而徑流剪切力是土壤產(chǎn)生分離的主要動力。當(dāng)徑流剪切力大于土壤的臨界剪切力時,土壤顆粒發(fā)生剝蝕。在坡面侵蝕的過程中,徑流剪切力與土壤剝蝕率均隨著沖刷量的增加而增加,臨界剪切力與土壤剝蝕率呈負相關(guān)關(guān)系。當(dāng)徑流剪切力變大時,逐漸削弱土粒間黏結(jié)力,土粒逐漸疏松直至分散并被剝離出來,從而為侵蝕提供了物質(zhì)來源。徑流剪切力越大,土壤上的有效剪切力就越大,被剝離的土粒就越多,侵蝕過程就越嚴(yán)重。

水流功率是水流在一定高度向下流動時所形成的動能,也是作用于坡面侵蝕的水動力學(xué)重要指標(biāo),對于預(yù)測徑流分離能力具有重要意義。水流功率和單位水流功率主要受坡面流流速的影響,而水流功率顯著影響土壤的分離速率,說明水流能量大小控制了土壤侵蝕過程。劉俊娥[43]的研究表明,水流功率與坡面片蝕率和土壤分離速率的響應(yīng)關(guān)系均較好且關(guān)系緊密,使用水流功率是預(yù)測和模擬坡面侵蝕過程和坡面侵蝕量的最佳參數(shù)。綜上可見,水流功率在目前的土壤侵蝕研究中得到廣泛的認可。

3 當(dāng)前土壤侵蝕研究中存在的問題

坡面產(chǎn)流過程體現(xiàn)了各影響因子的綜合作用及響應(yīng)效應(yīng),特別是在徑流分配過程中,土壤入滲性能及地表結(jié)構(gòu)的變化體現(xiàn)了一個動態(tài)的變化過程。當(dāng)前,有關(guān)坡面土壤侵蝕對各單影響因子的響應(yīng)研究已經(jīng)較為深入,但有關(guān)各因子對侵蝕影響的權(quán)重研究較少,且對各因子之間的相互影響及關(guān)聯(lián)程度等方面均有待深入研究。未來工作是嘗試通過對各影響因子間的相互關(guān)系進行進一步研究,分析各因子在侵蝕過程中所占的權(quán)重,并尋求能表達各因子與侵蝕過程之間聯(lián)系的綜合性指標(biāo),從而更好地歸納和預(yù)測降雨/沖刷條件下坡面土壤侵蝕的發(fā)生。

當(dāng)前，對土壤性質(zhì)與坡面土壤侵蝕間關(guān)系的研究主要是從土壤理化性質(zhì)和機械組成等方面入手,但是對于坡面侵蝕過程中土壤性質(zhì)的變化機制研究尚不深入。在今后的研究中，應(yīng)進一步揭示土壤抗蝕性機理,為防治坡面土壤侵蝕提供理論依據(jù)。

在植被方面,坡面土壤侵蝕與植被覆蓋及其種類間的關(guān)系十分復(fù)雜。植被類型不同,其地上高度、蓋度、林下枯枝落葉層和地下根系分布等都存在較大差異,導(dǎo)致其對土壤侵蝕產(chǎn)生不同的影響與結(jié)果。但前人在研究植被因子對土壤侵蝕的影響時,多集中在單因素角度,對各植被因子的綜合研究有待于進一步深入。

針對水土保持單項措施對坡面土壤侵蝕的影響已進行了廣泛的研究,在避免自身修建產(chǎn)生水土流失的基礎(chǔ)上,如何更好地配置使用這些水土保持措施,發(fā)揮其蓄流減沙效益,是下一步研究工作的重點。

此外,當(dāng)前對于坡面水動力學(xué)參數(shù)特征的研究相對較多,但是由于坡面土壤侵蝕的影響因素眾多,侵蝕機理較為復(fù)雜,導(dǎo)致目前關(guān)于坡面侵蝕水動力學(xué)的機理研究仍相對較少。若可以從不同侵蝕因素綜合作用的角度對坡面水流的水動力學(xué)特性進行分析,將有助于加深對坡面侵蝕內(nèi)在機理的理解,也可以為構(gòu)建坡面侵蝕模型提供充分的理論依據(jù)。

4 結(jié)語

本文從不同方面系統(tǒng)闡述了坡面土壤侵蝕的響應(yīng)機制和水動力學(xué)特征,分析表明,坡面土壤侵蝕是一個十分復(fù)雜的過程,不僅受土壤內(nèi)部因素如土壤均質(zhì)程度、土壤質(zhì)地、土壤含水量等的影響,還與外部條件如降雨、植被、地形、水土保持工程等緊密相關(guān)。當(dāng)前,現(xiàn)行的土壤侵蝕研究體系并不完善,對土壤侵蝕各影響因素之間的相互作用關(guān)系和動力學(xué)物理機制需要進一步明確和深入認知。