短時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)巖溶坡面土壤地表流失/地下漏失的影響

閆釔全, 劉 琦,2, 鄧大鵬, 廖啟迪

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 地下建筑與工程系， 上海 200092;2.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))， 上海 200092)

中國(guó)西南巖溶地區(qū)具有獨(dú)特的地表、地下二元水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此其水土流失存在特殊的地表流失和地下漏失兩方面，貴州省人口密集和不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，呈現(xiàn)出大面積巖溶石漠化現(xiàn)象[1-3]。其中，貴州省石漠化面積約37 597 km2，占中國(guó)石漠化總面積的28.1%[4-5]。影響西南巖溶地區(qū)水土流失和石漠化發(fā)展程度的諸多因素包括氣候、地理地貌、地質(zhì)條件和人類(lèi)活動(dòng)等[6]。經(jīng)多年研究成果可以看出，侵蝕性降雨是其中非常重要的影響因素之一。侵蝕性降雨是指能夠造成真正意義土壤侵蝕的降雨[7]，且短時(shí)(1-3小時(shí))強(qiáng)降雨更易引發(fā)相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[8]。杜波等[9]提出小雨量、短歷時(shí)、大雨強(qiáng)的降雨是巖溶地區(qū)最易產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨類(lèi)型，西南地區(qū)雨熱同期，降雨時(shí)空分布不均，暴雨發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大，且大暴雨和特大暴雨所占比例高[10-11]。這些自然因素都加劇了巖溶地區(qū)的水土流失。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖溶地區(qū)水土流失機(jī)理的研究已有一定成果，研究方法主要有徑流小區(qū)觀測(cè)法，核素示蹤法、3S技術(shù)、室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)法[12-16]，由于野外場(chǎng)地與研究方法的限制，室內(nèi)試驗(yàn)法針對(duì)進(jìn)一步研究水土流失的機(jī)理具有一定優(yōu)越性，目前已有相關(guān)研究集中在基巖裸露率、地下孔隙度、坡面地貌特征、降雨強(qiáng)度等影響因子。雨量與土壤侵蝕聯(lián)系密切，雨強(qiáng)是一個(gè)十分重要的降雨參數(shù)，有學(xué)者研究指出[7,17]，使用平均雨強(qiáng)對(duì)侵蝕性降雨進(jìn)行定義，有一定的錯(cuò)選率，存在放大低強(qiáng)度降雨對(duì)土壤的侵蝕作用，而弱化了高強(qiáng)度降雨對(duì)土壤侵蝕的影響。在黃土地區(qū)存在總降雨量和土壤量相關(guān)性低的情況。目前還少有學(xué)者進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度交替作用下室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，因此本文基于貴州貞豐關(guān)嶺—花江石漠化治理示范區(qū)的野外研究現(xiàn)狀，通過(guò)模擬降雨強(qiáng)度交替組合方式探究自然界中降雨條件變化對(duì)表層巖溶坡面土壤地表流失與地下漏失的影響，該項(xiàng)研究對(duì)揭露巖溶地區(qū)水土流失的規(guī)律及防治石漠化具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)貴州省關(guān)嶺縣與貞豐縣相交處的北盤(pán)江峽谷花江地段，東經(jīng)105°36′30″—105°46′30″、北緯25°39′13″—25°41′00″，示范區(qū)總面積51.62 km2。多年平均降雨量1 100 mm，降水量時(shí)空分布不均。研究區(qū)巖性以碳酸鹽巖為主。示范區(qū)石漠化面積2 527.71 hm2，其中輕度石漠化面積1 497.18 hm2，占59.23%；中度—強(qiáng)度石漠化面積占比40.77%。研究區(qū)內(nèi)中度—強(qiáng)度石漠化較為常見(jiàn)，局部地區(qū)已經(jīng)嚴(yán)重到威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活[18]。

1.2 研究區(qū)降雨特征

有學(xué)者通過(guò)研究確定了坡地土壤侵蝕主要由大雨量、中歷時(shí)、大雨強(qiáng)的降雨造成[19-20]。現(xiàn)對(duì)研究區(qū)所屬貴州省安順地區(qū)氣象站1991—2020年連續(xù)30 a的逐日降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出研究區(qū)共發(fā)生降雨5 423次。降雨量資料來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。按氣象學(xué)的劃分方法(24小時(shí)降雨量)對(duì)研究區(qū)的降雨等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，即大暴雨(p≥100 mm)、暴雨(50≤p<100 mm)、大雨(25≤p<50 mm)、中雨(10≤p<25 mm)、小雨(p<10 mm)進(jìn)行分級(jí)。將5 423次降雨按照降雨量大小統(tǒng)計(jì)分析，得出研究區(qū)降雨特征見(jiàn)圖1。小雨共4 394次，占降雨總次數(shù)的81%，累計(jì)降雨量8 885 mm，占降雨總量的23%；中雨共609次，占降雨總次數(shù)的11%，累計(jì)降雨量9 710 mm，占降雨總量的25%；大雨共281次，占降雨總次數(shù)的5.2%，累計(jì)降雨量9 535 mm，占降雨總量的24.7%；暴雨次數(shù)120次，占降雨總次數(shù)的2.2%，累計(jì)降雨量8 107.3 m m，占降雨總量的21%；大暴雨次數(shù)19次，占降雨總次數(shù)的0.6%，累計(jì)降雨量2 392 mm，占降雨總量的6.3%。

圖1 不同等級(jí)降雨總量及次數(shù)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)30年的降雨特征分析得出：降雨等級(jí)按照發(fā)生頻次排序?yàn)椋盒∮?中雨>大雨>暴雨>大暴雨；按照降雨量排序?yàn)椋褐杏?大雨>小雨>暴雨>大暴雨。暴雨及大暴雨主要集中在4—10月份，中雨、大雨、暴雨、大暴雨均呈現(xiàn)雨季降雨頻次增加，旱季減少的情況。但這些降雨是否引起侵蝕性降雨還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

為了進(jìn)一步了解研究區(qū)的侵蝕性降雨特征，分析侵蝕性降雨對(duì)土壤地表流失/地下漏失的影響。本課題組在研究區(qū)選取典型坡面修建徑流小區(qū)和氣象站以獲取數(shù)據(jù)。該氣象站每30 min記錄一次降雨量數(shù)據(jù)并自動(dòng)儲(chǔ)存，共統(tǒng)計(jì)了2018年4月至2020年9月的降雨數(shù)據(jù)，以每次降雨后徑流小區(qū)是否產(chǎn)沙作為發(fā)生侵蝕性降雨的依據(jù)。隨機(jī)選擇研究區(qū)2 h降雨歷時(shí)的5組侵蝕性降雨量數(shù)據(jù)分析(圖2)，以該區(qū)2019年5月26日的降雨數(shù)據(jù)為例，其降雨強(qiáng)度瞬時(shí)最高可達(dá)34.8 mm/h，但僅0.5 h過(guò)后降雨強(qiáng)度變?yōu)榱?，之后又開(kāi)始降雨?？芍芯繀^(qū)的降雨具有瞬時(shí)雨強(qiáng)大、降雨在時(shí)間上較為集中且不同雨強(qiáng)交替發(fā)生的特點(diǎn)。

圖2 降雨強(qiáng)度隨降雨時(shí)長(zhǎng)變化

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)土壤樣品采自示范區(qū)中碳酸鹽巖風(fēng)化形成的紅黏土，該區(qū)土壤一般都很淺薄，但質(zhì)地黏重、透水性差，易在降雨季節(jié)發(fā)生水土流失，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1。進(jìn)行試驗(yàn)前先對(duì)土壤進(jìn)行篩分，去除石礫，配備成含水率25%的土壤均勻地鋪在模型表面并壓實(shí)，用以模擬示范區(qū)表層土。

表1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)

試驗(yàn)設(shè)備為自制的表層巖溶裂隙帶土壤地表流失和地下漏失模擬裝置(圖3)[21]，試驗(yàn)設(shè)備主要由模型箱和降雨平臺(tái)組成。模型箱中由切割成型的泡沫、承壓鐵板和承壓鐵板上的石灰?guī)r石板和填充碎石組成，該部分用以模擬基巖，之后在基巖上鋪設(shè)土壤和放置碎石充當(dāng)土巖界面和裸露巖體。承壓鐵板上預(yù)留出一個(gè)長(zhǎng)寬為10 cm×2 cm的開(kāi)口，用以模擬野外裂隙。降雨模擬裝置采用針頭式降雨方式模擬降雨，降雨均勻系數(shù)大于80%，降雨器高度為2 m。降雨強(qiáng)度的變化范圍10 mm/h～120 mm/h，調(diào)節(jié)變化時(shí)間<15 s。

1.4 試驗(yàn)條件

依據(jù)熊康寧等[22]及本課題組在示范區(qū)典型巖溶坡面所建徑流小區(qū)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果[23]，結(jié)合示范區(qū)野外調(diào)查可知示范區(qū)典型坡面的傾角范圍為10°～25°，基巖裸露率為60%～85%，將本試驗(yàn)的坡度選取為15°，基巖裸露率為60%，選取4個(gè)降雨強(qiáng)度(10, 20, 40, 80 mm/h)，試驗(yàn)每0.5 h變化一次降雨強(qiáng)度，共變化4次，一組試驗(yàn)持續(xù)2 h。將選取的降雨強(qiáng)度換算為24 h降雨量，按照氣象學(xué)中依靠降雨量區(qū)分降雨等級(jí)的方法區(qū)分本試驗(yàn)的降雨等級(jí)，故對(duì)本試驗(yàn)降雨強(qiáng)度的描述為：10 mm/h的降雨為中雨，20 mm/h的降雨為大雨，40 mm/h的降雨為暴雨，80 mm/h的降雨為大暴雨。降雨強(qiáng)度的設(shè)定根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的示范區(qū)降雨特征及徑流小區(qū)侵蝕性降雨特征選取，正式試驗(yàn)前先進(jìn)行一組預(yù)試驗(yàn)標(biāo)定降雨強(qiáng)度，將室內(nèi)試驗(yàn)次降雨徑流深情況與野外實(shí)際情況相比較，依據(jù)動(dòng)力相似、產(chǎn)生徑流量相似原則[24]確定。試驗(yàn)開(kāi)始后，每5分鐘用采樣瓶分別接滿土壤地表流失與地下漏失泥水樣，用烘干法測(cè)得每組數(shù)據(jù)的土壤地表流失和地下漏失量。本試驗(yàn)的試驗(yàn)條件設(shè)置可見(jiàn)表2。

注：1：供水水龍頭；2：穩(wěn)壓水箱；3：閥門(mén)；4：針孔式降雨器；5：支架；6：土壤層；7：地表碎石；8：石灰?guī)r石板；9：采樣瓶；10：水土地下漏失；11：水土地表流失；12：電子秤；13：巖溶裂隙；14：泡沫填充物。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種不同降雨強(qiáng)度交替作用下對(duì)土壤地表流失/地下漏失的影響

降雨是發(fā)生土壤地表流失/地下漏失的重要驅(qū)動(dòng)力，分析兩種不同降雨強(qiáng)度交替作用下土壤地表流失、地下漏失的特征(圖4)，可知在此試驗(yàn)條件下土壤地下漏失占土壤侵蝕總量的63%～91%，平均占比為80%，6組試驗(yàn)均呈現(xiàn)出土壤地下漏失占土壤侵蝕主導(dǎo)地位的現(xiàn)象。組合1土壤地下漏失占土壤侵蝕總量的85%，土壤地下漏失總量約為其他降雨強(qiáng)度交替作用情況下的1.7～2.4倍，相比于其他降雨強(qiáng)度交替作用的情況更容易發(fā)生土壤地下漏失。組合6的土壤地表流失占土壤侵蝕總量的37%，土壤地表流失總量約為其他降雨強(qiáng)度交替作用情況下的1.4～4.4倍。在降雨量一定的情況下，組合6有最高的土壤地表流失量，而地下漏失量為同組最低。

表2 試驗(yàn)條件

組合1、組合3、組合6均設(shè)置連續(xù)降大雨1 h，這3個(gè)組合的土壤地表流失量分別為1.97 g，1.82 g，2.83 g，土壤地表流失量高于其它間斷性降大雨的3組。結(jié)果表明在總降雨量相同的情況下，高降雨強(qiáng)度下的集中降雨更容易導(dǎo)致土壤地表流失的發(fā)生。土壤地表流失的發(fā)生常常伴隨著坡面徑流的形成，高降雨強(qiáng)度集中降雨雨水多轉(zhuǎn)化為土壤水，更容易改變土體結(jié)構(gòu)，快速形成坡面徑流，發(fā)生坡面徑流攜沙流失的現(xiàn)象。組合2、組合4、組合5即間斷性降大雨的情況中土壤地表流失量小于其它3種組合，土壤地下漏失量差異不大，結(jié)果表明在總降雨量相同情況中，間斷性大雨的不同組合下土壤地下漏量對(duì)降雨交替作用的變化響應(yīng)不敏感。

圖4 兩種降雨強(qiáng)度交替作用下土壤地表流失/地下漏失特征

2.2 多種不同降雨強(qiáng)度交替作用下對(duì)土壤地表流失/地下漏失的影響

分析多種降雨強(qiáng)度交替作用下土壤地表流失、地下漏失總量的特征(圖5)可知，在這6種組合情況下，總降雨量相同，土壤地下漏失占土壤侵蝕總量的56%～92%，平均占比為82%，土壤地下漏失仍然為土壤侵蝕的主要形式。降雨量與土壤侵蝕呈正相關(guān)關(guān)系，按大暴雨、暴雨、大雨、小雨組合下的組合9，組合10具有同組最大的土壤地表流失/地下漏失總量，分別為22.75 g，28.07 g。在組合9和組合10中，組合10具有最高的土壤地表流失量和土壤地下漏失量。在降雨前期，巖溶坡面的土壤經(jīng)歷的短歷時(shí)大暴雨會(huì)快速導(dǎo)致土壤水飽和，降雨強(qiáng)度大于土壤水入滲率，形成地表徑流通道和地下漏失通道，之后降雨強(qiáng)度降低但已經(jīng)形成的土壤侵蝕通道依然存在，降雨難以轉(zhuǎn)化為土壤水，通過(guò)已形成的土壤侵蝕通道攜帶土壤侵蝕。

組合11和組合12模擬了間斷性降中雨的情況，在這種情況下土壤地表流失、土壤地下漏失量均較小，兩種組合土壤地表流失/地下漏失總量為6.93 g，5.46 g，土壤地表流失量較小，土壤地表流失量占比僅為8%，土壤地下漏失占比92%。土壤地下漏量對(duì)降雨強(qiáng)度交替作用的變化響應(yīng)不敏感。間斷性降中雨，降雨強(qiáng)度不能導(dǎo)致土壤水飽和，雨水入滲土壤較為充分，沿著已有的漏失通道，攜帶土壤漏失。由于雨水大部分入滲土壤，未能形成坡面徑流，土壤地表流失量較小。

圖5 不同降雨強(qiáng)度作用下土壤地表流失/地下漏失特征

2.3 不同降雨強(qiáng)度下土壤地表流失/地下漏失對(duì)時(shí)間的響應(yīng)

分析不同降雨強(qiáng)度交替作用下土壤地表流失量隨時(shí)間的變化特征(圖6)可知，在降雨全過(guò)程中存在土壤地表流失量和降雨強(qiáng)度呈正比的關(guān)系。穩(wěn)態(tài)降雨的情況下，隨著降雨強(qiáng)度的增高，土壤地表流失量依次為2.12 g，2.37 g，4.83 g，5.92 g，且土壤地表流失速率較為穩(wěn)定。

組合9，組合10的土壤地表流失特征不同，組合9降雨全過(guò)程土壤地表流失量為4.42 g，在大暴雨降雨時(shí)段里，土壤地表流失量為1.92 g，占比43%，組合10降雨全過(guò)程土壤地表流失量為7.83 g，在大暴雨降雨時(shí)段里，土壤地表流失量為3.55 g，占比45%?？梢园l(fā)現(xiàn)，30 min后不同降雨強(qiáng)度下土壤地下漏失速率較為穩(wěn)定，前30 min的不同降雨強(qiáng)度中土壤漏失速率差異較大，基本呈現(xiàn)土壤漏失速率隨降雨強(qiáng)度增大而增大的現(xiàn)象。在土壤水暫未飽和的情況下，較高的降雨強(qiáng)度使得土壤水快速飽和，繼續(xù)降雨，土壤水難以繼續(xù)入滲，在表層巖溶坡面形成土壤地表徑流，雨水沿著徑流通道攜帶土壤，造成穩(wěn)態(tài)的土壤地表流失，即在圖表中體現(xiàn)為高降雨強(qiáng)度具有更高的地表流失初值，之后不同降雨組合的土壤地表流失速率處于穩(wěn)定狀態(tài)。組合9降雨情況下的總土壤地表流失量大于穩(wěn)態(tài)大雨，小于穩(wěn)態(tài)暴雨情況中的土壤地表流失。而在90分鐘以后，降雨強(qiáng)度增大到大暴雨以后，土壤地表流失速率顯著增大，土壤隨著形成的坡面徑流通道發(fā)生流失，組合10后期降雨強(qiáng)度減小，但已經(jīng)形成的坡面徑流通道并未消失，土壤地表流失速率仍維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。

圖6 不同降雨強(qiáng)度下土壤地表流失量特征

分析不同降雨強(qiáng)度交替下土壤地下漏失量隨時(shí)間的變化特征(圖7)可知，總體上穩(wěn)態(tài)降雨情況下不同降雨強(qiáng)度的土壤地下漏失量波動(dòng)不大，在降雨全過(guò)程中土壤地下漏失量和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)。穩(wěn)態(tài)降雨的情況下，隨著降雨強(qiáng)度增大土壤地下漏失量依次為1.64 g，4.15 g，5.68 g，21.35 g。4組穩(wěn)態(tài)降雨的情況中，除大暴雨的情況下，土壤地下漏失速率相對(duì)較穩(wěn)定。

組合9、組合10具有不同的土壤地下漏失特征，土壤地下漏失量分別為18.33 g，20.24 g，組合9隨著降雨強(qiáng)度的升高具有越來(lái)越大的地下漏失速率，不同降雨階段下，組合9的地下漏失量均小于80 mm/h降雨強(qiáng)度下的穩(wěn)態(tài)降雨。從總降雨量來(lái)考慮，組合9的降雨量為75 mm，40 mm/h下穩(wěn)態(tài)降雨兩小時(shí)降雨量為80 mm，兩組的總降雨量之間相差不大，但組合9降雨情況下最后30 min內(nèi)，降雨強(qiáng)度增大為之前的2倍，加速了坡面的土壤地表流失/地下漏失能力，分析其原因在大暴雨氣候條件下，降雨強(qiáng)度超過(guò)一定臨界值之后，雨水入滲速率加快，土壤含水率急速增加，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，更容易形成裂隙流進(jìn)而加速土壤地下漏失。組合10在降雨初期30 min內(nèi)，相比于其他降雨情況具有最大的土壤地下漏失量11.08 g，之后隨著降雨強(qiáng)度的減小，土壤地下漏失速率也在減小，并在60 min之后土壤地下漏失速率小于80 mm/h的穩(wěn)態(tài)降雨，終態(tài)情況下土壤地下漏失量小于80 mm/h的穩(wěn)態(tài)降雨，表明土壤地下漏失量與降雨總量呈正比。

圖7 不同降雨強(qiáng)度下土壤地下漏失量特征

3 結(jié) 論

(1) 降雨強(qiáng)度與土壤地表流失量/地下漏失量均呈正比關(guān)系，但降雨強(qiáng)度的大小交替順序?qū)ζ溆绊懘嬖诓町?。大雨和中雨組成的6種強(qiáng)度交替降雨情況下，先集中性中雨再集中性大雨產(chǎn)生的土壤地表流失和地下漏失總量最大；先集中性大雨再集中性中雨產(chǎn)生的土壤地表流失量最大，而土壤地下漏失量最小?？紤]大暴雨、暴雨、大雨、中雨這4種雨強(qiáng)情況下，按雨強(qiáng)從大到小實(shí)施所產(chǎn)生的土壤地表流失和地下漏失總量大于雨強(qiáng)從小到大實(shí)施的情況。雨強(qiáng)大的降雨發(fā)生在降雨過(guò)程的后期更易發(fā)生土壤地下漏失。

(2) 短時(shí)多次降雨之間的時(shí)間間隔對(duì)土壤地表流失量和地下漏失量影響顯著，集中性大雨比間斷性大雨更易引發(fā)巖溶坡面土壤地表流失及地下漏失。短時(shí)多次降雨之間無(wú)雨的時(shí)間越長(zhǎng)越不易發(fā)生水土流失和漏失，間斷性強(qiáng)度低的降雨對(duì)土壤地表流失和地下漏失的影響遠(yuǎn)小于高強(qiáng)度集中降雨。要注意間斷性中雨對(duì)土壤地下漏失的防控。

(3) 降雨強(qiáng)度與時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤地表流失/地下漏失的速率也有影響。降雨前期，土壤地表流失速率與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，在降雨中后期其速率不受降雨強(qiáng)度的變化影響；在整個(gè)降雨過(guò)程中，土壤地下漏失速率均與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。因此，在應(yīng)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨極端天氣時(shí)應(yīng)該著重加強(qiáng)降雨初期的水土流失/漏失災(zāi)害防治。