弃土弃渣坡面产流产沙模拟研究

张维静，王　健，于卫洁，李建业

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

弃土弃渣坡面产流产沙模拟研究

张维静，王健，于卫洁，李建业

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

[关键词]模拟降雨；弃土弃渣；石块出露量；石块比例；侵蚀强度

[摘要]弃土弃渣水土流失量预测是生产建设项目水土流失监测的重要内容。通过室内人工模拟降雨试验，模拟建设项目侵蚀强度与弃土弃渣在不同降雨条件下石块出露面积和土壤粗化的关系，探讨弃土弃渣坡面产流产沙量预测方法。在不同雨强(0.7、1.0、1.5 mm/min)和坡度(5°、15°、25°)组合的9种情况下，研究了降雨侵蚀过程，以及降雨前后单位面积石块出露变化量、表层土石混合物中石块所占比例、侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间的关系。结果表明：不同坡度、雨强条件下产流率随降雨时间推移均呈先增大后逐渐趋于平稳的趋势，两者之间的关系可用幂函数方程描述；不同坡度、雨强条件下含沙量均在产流后4 min和10 min左右出现峰值，16 min后基本平稳；降雨侵蚀导致土壤中细小颗粒被剥蚀，石块逐渐出露，侵蚀强度与单位面积石块出露变化量之间呈线性正相关关系；侵蚀强度与降雨前表层土石混合物中石块所占比例之间呈指数负相关关系；侵蚀导致分选作用，使得表层土壤粗化，不同雨强、坡度下侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间呈线性正相关关系。

生产建设活动对原地面造成破坏扰动会产生大量弃土弃渣，进而造成水土流失。生产建设项目造成的水土流失是以人类生产建设活动为主要外营力形成的特殊的水土流失类型，是一种典型的人为加速侵蚀，具有流失量大、集中、突发性强、危害大等特点。近年来，关于弃土弃渣水土流失规律的研究取得了不少成果[1-4]，主要是通过野外放水冲刷和人工模拟降雨试验，分析不同雨强和坡度条件下弃土弃渣的侵蚀产沙规律，也有学者对工程建设中土石混合堆积体侵蚀规律进行了研究，比如模拟不同雨强条件下不同砾石类型[5]、砾石含量[6-7]、砾石覆盖[8-10]、堆积类型[11]的堆积体产流产沙规律，而对生产建设项目弃土弃渣水土流失量进行快速有效监测的研究成果却不多。现有的经验模型RUSLE[12]和物理模型WEPP[13]、EUROSEM[14]等在预测预报土壤侵蚀时考虑了砾石的影响，但在弃土弃渣体的应用方面存在一定局限，探寻一种快速准确估算弃土弃渣水土流失量的方法成为当前水土流失预测监测需要重点解决的问题之一。本试验采用室内人工模拟降雨方法，在研究坡面弃土弃渣产流产沙规律的基础上，通过模拟生产建设项目中弃土弃渣在降雨过程中石块出露变化估算水土流失量，进而构建弃土弃渣水土流失预测模型，以方便有效地计算弃土弃渣坡面水土流失量。

1材料与方法

1.1试验材料

试验在西北农林科技大学土壤侵蚀降雨大厅进行。采用铁制2.00 m(长)× 1.00 m(宽)× 0.25 m(深)土槽，利用硬质卵石(20～40 mm)拌合取自西北农林科技大学试验地的表层塿土，以模拟生产建设项目弃土弃渣。表层土石随机混合，测定土槽坡面在不同雨强、不同坡度条件下的水土流失量。设计雨强为0.7、1.0、1.5 mm/min，降雨时间为自产流起历时30 min。坡度参数为5°、15°、25°。雨强、坡度组合共9组降雨试验。观测项目有产沙量、径流量、降雨前后单位面积石块出露量、降雨前后表层土石混合物中石块所占比例。

1.2试验设计与观测

(1)产流过程观测。从坡面产流开始，用量筒收集径流，每隔3 min收集一次，每次收集1 min。利用比重瓶法测定浊水含沙量[15]，计算公式为

(1)

式中：C为浊水含沙量，kg/m3；γ水为纯水的密度，g/cm3；γ沙为干泥沙密度，g/cm3；G瓶为比重瓶的自重(包括柱塞)，g；G水+瓶为比重瓶及比重瓶所盛纯水的最大质量，g；G浊+瓶为比重瓶及比重瓶所盛浊水的最大质量，g。

(2)侵蚀作用下降雨前后单位面积石块出露量观测。降雨侵蚀后，土壤中细小颗粒随水流移走，造成径流小区坡面石块不同程度的裸露。单位面积石块出露量反映了土壤侵蚀的强弱，从而可以反映出弃土弃渣水土流失状况。按照试验条件设置，每场降雨前在试验小区上随机选取5个10 cm×10 cm的样方，降雨前后拍照对比，并用ImageJ软件计算降雨前后单位面积石块出露量。根据比重瓶法测定径流含沙量，确定坡面侵蚀强度，构建侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量的关系模型。

(3)降雨前后表层土石混合物中石块所占比例观测。侵蚀过程对坡面土壤形成强烈分选，表层土壤呈现明显粗化。测定降雨前后小区表层土石混合物中石块所占比例，并计算两者的差值，从而可估算侵蚀强度。具体方法如下：降雨前后，在小区内分别取表层5 cm深土壤样品，烘干筛分称量后获得降雨前后表层土石混合物中石块所占比例，并计算两者的差值。

2试验结果及分析

2.1降雨过程分析

(1)产流率。坡面径流是坡面侵蚀的主要动力，也是侵蚀泥沙输移的重要载体。将不同雨强、坡度条件下产流率随降雨时间变化的观测数据绘成图1，并对观测数据进行统计分析，所得方程及检验结果见表1。随降雨时间延长，坡面产流率总体表现为先增大后逐渐趋于平稳的趋势。不同坡度条件下，高雨强(1.5 mm/min)降雨的产流率随降雨时间延长波动较明显，其他两个雨强(0.7、1.0 mm/min)降雨的产流率相对来说变化比较平缓；随着坡度的增加，两个低雨强(0.7、1.0 mm/min)降雨的产流率差异逐渐减小，尤其是在坡度25°时两者产流4 min后产流率基本趋于一致。不同雨强、坡度条件下的产流率与降雨时间皆呈现幂函数关系(表1)。

坡面产流率随降雨时间的变化实际上反映了降雨与入渗相互平衡的过程，降雨开始短时间内土壤入渗能力>降雨强度，地表没有径流产生；随着时间的推移，表层土壤含水量增大，土壤入渗能力<降雨强度，进而产生超渗径流；随着降雨时间延长产流率趋于稳定。因此，坡面径流随降雨时间延长的基本变化过程为先增加后逐渐稳定。

(2)含沙量。径流是泥沙输移的载体，雨强、坡度通过影响径流量的大小及流速的快慢，从而影响泥沙的运载能力，这在一定程度上反映了侵蚀规律。通过测定每场降雨试验中径流样品的含沙量，将不同雨强、坡度条件下径流含沙量随降雨时间变化的观测数据汇成图2。从图2可以看出，坡面含沙量随降雨侵蚀过程呈现波动变化趋势，不同雨强、坡度条件下含沙量均出现两个峰值，分别出现在产流后4 min和10 min左右，而16 min后含沙量趋于平稳状态；坡度5°时不同雨强条件下降雨产流含沙量相差不明显，且变化趋势基本一致；15°时含沙量有轻微差异；25°时含沙量差异显著，且随着雨强的增加，含沙量曲线呈明显分离状态，雨强越大含沙量越大。试验结果说明小坡度时不同雨强条件下含沙量相差不明显，大坡度时不同雨强条件下含沙量差异显著，且随着雨强的增大含沙量增大。

图1　不同雨强、坡度条件下产流率随降雨时间变化过程

坡度(°)雨强(mm/min)拟合方程相关系数显著水平50.7y=0.1373t0.19240.7280<0.011.0y=0.3231t0.18920.7119<0.011.5y=0.7416t0.09740.5469<0.01150.7y=0.1394t0.26870.8892<0.011.0y=0.1394t0.26870.8778<0.011.5y=0.6558t0.06750.8084<0.01250.7y=0.2701t0.07540.8711<0.011.0y=0.3864t0.07530.8161<0.011.5y=0.7148t0.09250.5996<0.01

注：y为产流率，mm/min；t为降雨时间，min。

图2　不同雨强、坡度下坡面含沙量随降雨时间变化过程

降雨开始后，雨滴降落到坡面，打击土壤和砾石形成溅蚀，随着降雨持续，土壤孔隙逐渐被水充满，土壤入渗能力降低，表层土壤含水量继续增加，土壤颗粒间吸附能力降低，土壤表现为泥浆状态，径流挟带着被雨滴剥蚀的土壤颗粒，含沙量逐渐增加，达到第一个峰值；由于砾石的存在，一部分降雨用来浸湿砾石并将其包裹上水膜，使砾石跟周边土壤成为入渗点，入渗量随之增加，延缓了坡面径流，径流量逐渐减小，随着降雨时间的延长，暴露在外面的砾石逐渐增多，由超渗产流形成的径流流速增大，相对应的侵蚀率急剧增加，含沙量达到第二个峰值；随着降雨过程的持续，入渗和产流逐渐处于稳定状态，侵蚀趋于平稳。

2.2侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量的关系

随着降雨过程的持续，伴随着土壤侵蚀的进行，坡面细小土壤颗粒在雨滴击溅和薄层径流剥蚀下被带走，土壤中较大粒径颗粒抗蚀能力较强，逐渐出露。石块出露变化量的多少在一定程度上可以反映侵蚀强度的大小，据此设计探寻侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量间的关系。

将样方降雨前后单位面积石块出露变化量与相对应的侵蚀强度数据绘制成图3。从图3可以看出，随着变化量的增大，相对应的侵蚀强度也逐渐增大。侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量动态变化的拟合方程为

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y=83.69x+0.16 (R2=0.877 9，

P<0.01，F=309.13>F(1，9)0.01=12.25)

(2)

式中：y为侵蚀强度，kg/m2；x为单位面积石块出露变化量。

图3　侵蚀强度与降雨前后单位面积

分析表明，不同雨强、坡度条件下侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量之间呈线性关系，随着变化量的增加，侵蚀强度增大，石块出露面积的变化量可以间接反映出水土流失量的多少。因此，在实际生产中可以通过拍摄弃土弃渣中大石块在降雨过程中的裸露程度，根据侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量间的关系推算水土流失量，为生产建设项目水土流失监测提供一定的帮助。

2.3降雨冲刷作用对侵蚀强度的影响

(1)表层石块所占比例对侵蚀强度的影响。大量研究表明，土壤中砾石的存在会影响土壤的入渗和侵蚀特性[16-17]。侵蚀强度与表层石块所占比例之间呈指数函数关系(图4)，拟合方程为

F=262.42>F(1,9)0.01=12.25)

(3)

式中：y为侵蚀强度，kg/m2；x为表层石块所占比例，%。

图4　侵蚀强度与降雨前表层石块所占比例的关系

分析表明，侵蚀强度与表层石块所占比例之间呈负指数函数关系，石块比例越大，侵蚀强度越小。这主要是因为表面覆盖砾石可以保护土壤，减少雨滴对土壤的溅蚀，减少土壤颗粒的分散，减小土壤的侵蚀强度。试验表明地表砾石覆盖能够减小坡面侵蚀，覆盖度越大，侵蚀量减小的作用就越明显。

(2)径流分选作用对侵蚀强度的影响。在降雨过程中，较小粒径的土壤颗粒抗蚀性差，易被径流挟带，而粒径较大的土壤颗粒(石块)抗蚀性强，不易被径流挟带，地表径流对坡面土壤形成强烈分选，导致表层土壤明显粗化，所以降雨前后表层土石混合物中石块所占比例能在一定程度上反映出土壤侵蚀的情况。绘制侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值的变化过程(图5)，两者的拟合方程为

y=0.589 9x+0.128 9 [R2=0.735 0，

(4)

式中：y为侵蚀强度，kg/m2；x为降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值。

图5　侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中

分析结果表明，侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间呈线性函数关系，验证了之前的假设，说明侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间存在正相关关系。由于土石混合体在试验操作取样时存在一定误差，故相关性不是很高，但总体上随着降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值增加，侵蚀强度呈增大的趋势。

3结论

本次试验中考虑降雨强度、坡度对侵蚀强度的影响，对弃土弃渣水土流失监测方法进行假设验证，主要研究成果如下：

(1)不同雨强、坡度条件下产流率总体表现为先增大后逐渐趋于平稳的趋势。不同坡度条件下高雨强降雨产流率波动较大，低雨强降雨产流率变化相对比较平稳，随着坡度增加低雨强产流率差异逐渐减小。不同坡度、雨强条件下产流率随降雨时间的变化均呈现出幂函数关系。不同坡度、雨强条件下含沙量均在4 min和10 min左右出现峰值，16 min后基本平稳，低坡度不同雨强条件下含沙量相差不明显，高坡度含沙量差异显著，随着雨强增大含沙量增加。

(2)侵蚀强度与降雨前后单位面积石块出露变化量之间呈正相关关系，随着出露变化量增大，侵蚀强度增大。

(3)侵蚀强度与降雨前表层土石混合物中石块所占比例之间呈指数负相关关系，石块所占比例越大，侵蚀强度越小。降雨侵蚀作用导致土石混合物表层呈现明显粗化，石块所占比例增加，侵蚀强度与降雨前后表层土石混合物中石块所占比例差值之间呈正相关关系。

本试验采用室内模拟的方法，探索土石混合体在降雨侵蚀作用下，侵蚀强度与石块出露面积和土壤粗化的关系，探讨弃土弃渣坡面产流产沙量预测方法。然而试验中采用土壤与石块混合物模拟弃土弃渣与工程实际存在一定差距，有待在后期试验中不断完善。

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(责任编辑李杨杨)

[基金项目]国家自然科学基金项目(41371273)；西北农林科技大学科技创新项目(QN2011152)

[中图分类号]S157.1

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)05-0030-05

[作者简介]张维静(1989—)，女，陕西咸阳市人，硕士研究生，从事水土保持方向的研究工作；通信作者王健(1973—)，男，陕西商洛市人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事土壤侵蚀与流域管理方面的研究。

[收稿日期]2015-06-30