间歇性降雨条件下辽西地区坡面细沟形态特征变化试验研究

2021-01-15王英敏

中国水土保持 2021年1期

王英敏

(本溪市水利工程质量与安全监督站，辽宁本溪 117022)

辽西地区是我国东北水土流失严重的地区之一。研究表明，辽西地区水土流失最严重的并不是降雨量相对较多的水蚀地区，而是受大陆性季风气候、特殊的土壤和地质环境共同影响而形成的风水蚀交错地区[1]。从侵蚀方式来看，细沟侵蚀是这些地区黄土坡面土壤侵蚀的主要方式，其在间歇性降雨作用下在坡面上形成、分叉、合并、连通，进而构成一个十分庞大的细沟网，使侵蚀作用加速并造成严重的水土流失[2]。本研究借助沈阳农业大学课题项目“间歇性降雨条件下黄土与覆沙坡面细沟形态特征变化试验研究”，通过室内模拟间歇性降雨试验，利用水文学、水力学及土壤侵蚀运动学等理论，研究辽西风水蚀交错地区黄土和覆沙黄土坡面间歇性降雨条件下的细沟形态特征，希望能为当地的水土保持措施制定提供理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

辽西地区风沙作用强烈，特别是在春季风沙之后黄土坡面上往往会出现覆沙，对坡面的侵蚀特征造成影响。因此，研究中设置了原始黄土坡面和风沙过程之后的覆沙黄土坡面两种不同的坡面开展室内模拟间歇性降雨试验。试验所用的黄土和覆沙均取自辽宁省朝阳县小凌河流域上游河谷地带的典型坡面。通过实验室测定，黄土土样为砂质壤土，干容重约1.35 g/cm3，含水率为45.3%；覆沙土样为细沙，其细度模数为2.2～1.6，粒径大于0.075 mm的颗粒超过85%，平均粒径为0.25～0.125 mm。采用激光粒度仪测量试验用土粒径体积比，其中黄土的黏粒、粉粒、砂粒含量分别为11.20%、57.50%、31.30%，覆沙的黏粒、粉粒、砂粒含量分别为0.75%、15.45%、83.80%。

1.2 试验装置

本试验地点位于沈阳农业大学水力学院水力学试验室。试验采用下喷式模拟降雨装置。该装置降雨高度为5.1 m，有效降雨面积为4.5 m×4.5 m，降雨强度可根据试验要求进行调节(调节范围为0.5～2.0 mm/min)，模拟降雨均匀度较高(不低于85%)。试验土槽为可移动式木质土槽，长×宽×高为2 m×0.75 m×0.5 m，土槽的末端连接集流槽，用于收集径流和泥沙样品。为研究坡度对试验结果的影响，在土槽的两侧安装有调节装置。试验装置结构示意见图1。

图1 试验系统结构示意

1.3 试验设计

为模拟黄土坡面和覆沙黄土坡面的实际情况，按照如下思路进行试验设计：在黄土坡面的制作过程中，首先在土槽底部铺上一层细沙，以保证试验过程中土壤水分可以均匀下渗，从而模拟天然坡面水分入渗情况，然后再进行填土。根据原状土特征，将试验用土的容重控制在1.35 g/cm3左右，前期土壤含水量保持均匀并控制在15%左右。土槽内装土厚度设计为40 cm，按照层厚10 cm进行分层装填。在距离坡顶40、80、160 cm位置的土壤表层以下10、20、30 cm处共设置3组9个土壤水分测定探头，布置CR1000数据采集器及CS616土壤水分传感器。覆沙黄土坡面和黄土坡面的设计类似，仅在黄土坡面上分两次覆盖厚度共2 cm的覆沙。

试验于2019年4—5月进行，结合小凌河流域上游河谷地带的典型坡面的实际情况，设计土槽坡度12°、降雨强度1.5 mm/min、降雨历时60 min，以最大限度模拟当地自然降雨特征。每次试验设置3个阶段的降雨，相邻两阶段之间间隔48 h，每个阶段内设置3场降雨，每两场降雨之间间隔24 h。因此，每次试验共设计9场降雨。在覆沙黄土坡面试验过程中，分别在第一阶段和第三阶段试验开始之前覆沙1 cm。试验降雨场次设计见表1。

在试验过程中出现产流之后，记录下初始产流的时间，并对产流过程进行细致观察。收集集流槽出口处径流泥沙样，先用广口瓶收集浑水样，再用储存桶收集其余浑水。在量测浑水体积后，过滤烘干称量测定侵蚀量，采用换算公式计算每1 min的产流量与产沙量。将坡面以50 cm的间隔分为4个断面，利用高锰酸钾染料示踪法测定各个断面的径流表面流速[3]。在每场降雨结束之后，利用直尺按照10 cm的间隔测定坡面细沟的深度、宽度和长度，在必要时加密测量以减小误差。土壤水分采用布设在两侧的土壤水分传感器测定。利用SPSS 21.0对试验获得的数据进行整理分析，获得试验成果。

表1 试验降雨场次设计

2 试验结果与分析

2.1 细沟形态参数指标

细沟几何形态的基本指标为长度、宽度和深度，以此为基础，学者们提出了诸多关于细沟形态的具体指标。本研究结合试验实际情况，并借鉴前人研究成果，在细沟长度、宽度和深度指标的基础上，增加细沟密度、细沟平面密度、细沟宽深比及细沟侵蚀量作为本试验细沟形态研究的指标。其中：细沟密度为单位面积内细沟的长度总值；细沟平面密度为坡面所有细沟面积之和与坡面总面积的比值；细沟宽深比为细沟宽度与深度的比值；细沟侵蚀量为单位面积坡面上所产生的细沟侵蚀量，用产沙量除以坡面总面积获得。利用试验数据对细沟的相关形态参数指标进行计算，结果见表2。

表2 细沟形态指标变化统计计算结果

从表2中可以看出，黄土坡面在第二场降雨结束后，最长沟沟长达到最大值，即84.00 cm，此时最长沟的平均沟宽与平均沟深分别为5.06、9.45 cm；第三场至第九场降雨是细沟发育比较稳定的阶段，主要表现为沟底下切的加深及沟壁在崩坍作用下不断加宽；到第九场降雨结束后，最长沟的平均沟宽与平均沟深分别达到16.06、15.95 cm。在覆沙黄土坡面条件下，试验开始后细沟的发育比较迅速，最长沟沟长在第三场降雨后即迅速增加至128.78 cm，此时最长沟平均沟宽、沟深分别为10.39、11.97 cm；之后，细沟发育速度明显减缓，呈现出小幅增加的态势，说明细沟发育基本稳定，最长沟沟长、平均沟宽、平均沟深在第九场降雨后发展为170、21.39、14.68 cm。两者对比可以看出，第九场降雨结束后覆沙黄土坡面的最长沟沟长、平均沟宽和平均沟深分别是黄土坡面的2.02、1.33、0.92倍。结果表明，覆沙黄土坡面的侵蚀程度要大于黄土坡面，但在第三阶段降雨前增加了1 cm厚的沙层，致使径流在一段时间内不能直接接触沟底，造成覆沙坡面的最终沟深较小。

选择第一阶段降雨结束(第三场降雨后)和全部降雨结束(第九场降雨后)两个时间点进行对比，黄土坡面的细沟平面密度和细沟密度由0.10和1.11 m/m2逐步增加至0.16和1.18 m/m2，而覆沙黄土坡面的这两个指标则分别由0.21和2.58 m/m2增加至0.36和3.57 m/m2。由此可见，覆沙黄土坡面的细沟侵蚀程度要大于黄土坡面。

细沟侵蚀量是细沟侵蚀形态参数的综合体现，可以综合反映坡面侵蚀的剧烈程度[4]。黄土坡面细沟发育特征并不是简单的线性变化特征，而是呈先增后减的变化趋势，在第三场降雨后就达到2.76 kg的极值。从细沟侵蚀量占总侵蚀量的比例来看，由第一场降雨后的9.65%，经过波动变化，在第九场降雨后达到74.50%，这说明，细沟的侵蚀作用是黄土坡面泥沙的主要来源。覆沙黄土坡面的侵蚀量无明显变化规律，原因可能是中间进行了覆沙，但分阶段来看，第一阶段呈现出先增后减的趋势，而第二和第三阶段则呈现出逐渐减少的趋势。

2.2 细沟形态参数之间的关系

为揭示细沟形态参数之间的关系，利用试验数据进行相关参数之间的相关性分析，以判断其内在联系，结果如图2～7所示。由图2～7可知，黄土坡面细沟平均沟宽、平均沟深与累计细沟长度之间均表现为线性关系，判定系数分别为0.543 2、0.877 1，相关性显著；细沟的平均沟宽与平均沟深之间的关系也可以通过线性关系表达，判定系数为0.875 9。覆沙黄土坡面细沟形态参数之间的关系呈现出与黄土坡面类似的规律，平均沟宽、平均沟深与累计细沟长度之间，以及细沟的平均沟宽与平均沟深之间的关系，均可以通过线性关系表达，判定系数分别为 0.699 7、0.804 3和0.726 9。由此可见，细沟形态参数之间具有明显的相互作用和影响，细沟形态参数变化是相互耦合与协同变化的结果，是坡面侵蚀系统能量的综合反映。