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  中国水土保持科学   2019, Vol. 17 Issue (1): 10-15.  DOI: 10.16843/j.sswc.2019.01.002
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引用本文 

柴亚凡, 周波, 吕文强, 吴玉锋. 人工模拟降雨条件下泻溜红土坡积体的侵蚀过程和入渗特征[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(1): 10-15. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.01.002.
CHAI Yafan, ZHOU Bo, LÜ Wenqiang, WU Yufeng. Erosion process and infiltration features of red soil slumping slope sediment under artificial simulated rainfall condition[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(1): 10-15. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.01.002.

项目名称

水利部技术示范项目"黄土高原残塬沟壑区红土泻溜面防治技术与示范"(TG1209);甘肃省水利重点科研项目"半干旱区红土泻溜面防治技术研究与示范"(2013-239)

第一作者简介

柴亚凡(1981-), 男, 高级工程师, 硕士。主要研究方向:土壤侵蚀。E-mail:46736731@qq.com

文章历史

收稿日期:2018-03-06
修回日期:2018-07-17
人工模拟降雨条件下泻溜红土坡积体的侵蚀过程和入渗特征
柴亚凡, 周波, 吕文强, 吴玉锋     
甘肃省水土保持科学研究所, 730020, 兰州
摘要:为了探究泻溜红土坡积体的侵蚀过程和入渗特征,采用人工模拟降雨方法,设定16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h共4种降雨强度,测定分析4种降雨强度下产流产沙量和入渗速率。4种降雨强度产生的产流总量分别为2 250、5 174、10 036和17 612 cm3;产沙总量从小到大依次为290 g(16.1 mm/h) < 620 g(29.3 mm/h) < 780 g(40.5 mm/h) < 810 g(51.3 mm/h);产沙量达到峰值所需时间分别是26、20、18和16 min,径流所携带的泥沙趋于稳定所需时间分别是34、32、30和26 min;平均入渗速率分别为0.22、0.37、0.44和0.45 mm/min,稳渗速率分别为0.19、0.32、0.38和0.39 mm/min。随着降雨强度的增加,产流量、产沙量、入渗速率逐渐增加,但稳渗速率增加的趋势不明显,稳定产流产沙所需时间逐渐缩短。本研究结果可为红土泻溜侵蚀的防治和泻溜红土坡积体的改良利用提供指导。
关键词人工模拟降雨    泻溜侵蚀    坡积体    侵蚀过程    渗透特征    
Erosion process and infiltration features of red soil slumping slope sediment under artificial simulated rainfall condition
CHAI Yafan, ZHOU Bo, LÜ Wenqiang, WU Yufeng     
Soil and Water Conservation Institute of Gansu, 730020, Lanzhou, China
Abstract: [Background] Erosion of red soil is one of the serious forms of soil erosion in the gully region of the Loess Plateau. However, the erosion characteristics of the sloping erosion and the infiltration of the slope are not studied in depth. It is of great significance to further explore its erosion process and permeability for preventing the erosion of red soil. [Methods] Test materials from the shady slope and the sunny slope of Tianjiagou watershed in Gansu province were collected, and filled into the experimental trough tank at 10 degree as similar to natural dump status as possible. Four rainfall intensities of 16.1, 29.3, 40.5, and 51.3 mm/h were set by simulated artificial rainfall Norton 8100 from USA, 3 times of experiment were repeated for each rainfall intensity, thus total 12 experiments were conducted. Runoff period, rainfall duration, runoff yield, average runoff rate, runoff coefficient, sediment yield, average sediment rate, and infiltration rate were recorded and calculated. The data was processed by Excel 2007. [Results] For the erosion process of the red soil slumping slope sediment, the total runoff generated under 4 rainfall intensities (16.1, 29.3, 40.5, and 51.3 mm/h) was 2 250, 5 174, 10 036, and 17 612 cm3, respectively. The total amount of sediment production increased gradually from 290 g (in 16.1 mm/h) to 810 g (in 51.3 mm/h), which expressed as follows 290 g (in 16.1 mm/h) < 620 g (in 29.3 mm/h) < 780 g (in 40.5 mm/h) < 810 g (in 51.3 mm/h).The time required for reaching peak sediment was shortened from 26 min to 16 min, which were 26, 20, 18 and 16 min, respectively. The time required for sediment reaching stabilization in the runoff showed similar changes with the time required for reaching peak sediment, which were 34, 32, 30 and 26 min, respectively, and the average infiltration rates were 0.22, 0.37, 0.44, and 0.45 mm/min, respectively, and steady infiltration rates gradually increased, and appeared as from 0.19 to 0.39 mm/min. [Conclusions] As rainfall intensity increases, the runoff, sediment yield, and infiltration rate under different rainfall intensity of the red soil slumping slope sediment increase gradually, while the trend of increasing the rate of steady infiltration is not obvious, and the time required for stable production and sediment production is gradually shortened. In addition to this, the conclusions of this study may provide guidance for the prevention and control of erosive erosion and improvement of the red soil slumping slope sediment.
Keywords: artificial simulated rainfall    red soil slumping erosion    slope sediment    erosion process    infiltration features    

红土泻溜侵蚀是指发生重力侵蚀形成的红土泻溜面岩体[1],由于冬春冻融变化引起收缩和物理风化作用所产生的岩屑,受重力作用向坡脚滚溜而发生泻溜的一种侵蚀方式[2-3],是黄土高原沟壑区和黄土高原残塬沟壑区交接地带严重的土壤侵蚀形式之一[4]。李裕后[5]在陇东黄土高原对红土泻溜侵的研究表明,红土泻溜侵蚀易发生于含黏量大于30%的第三纪黏土层,是黏土矿物吸水膨胀的结果。涂安千[2]研究认为,红土泻溜侵蚀主要受内在因素(岩性)和外在因素(降雨、植被等)影响,其形成过程包括裂隙的形成、疏松土层的形成和泻溜发生3个阶段。曾伯庆等[6]在晋西黄土高原的研究认为:红土泻溜侵蚀是红土受物理风化并发生位移的过程,与降雨特征、坡度、土壤含水量、冻融和风力等因素密切相关;此外,红土泻溜侵蚀的危害和治理也受到研究人员的关注。有研究发现,红土泻溜侵蚀能够加剧覆盖在其上部的黄土层发生崩塌、滑坡,加速沟谷岸扩展,蚕食塬面,泻溜坡积物淤积沟道,导致行洪能力下降,严重威胁着当地人民群众的生产生活[1]。红土泻溜侵蚀坡面水热条件变化剧烈和泻溜坡面结皮化程度高导致纯植物措施和纯工程措施治理泻溜侵蚀效果差,胡建忠[7-8]探索先用淤地坝稳定坡脚,再用生物坝体拦泻,最后栽植沙棘的工程措施和植物措施相结合的综合治理模式,并取得了良好效果。王玉惠等[9]在小流域内通过工程措施固定沟床和坡脚,再利用沙棘、沙打旺等林草措施有效治理了红土泻溜侵蚀。

以上研究对红土泻溜侵蚀的成因、危害和防治做了探究,并取得了一定成果,但对红土泻溜坡积体并未进行深入研究。红土泻溜坡积体是发生泻溜侵蚀后在泻溜坡脚形成的松散堆积体,其膨胀系数可以达到自身体积的18%,是黄土的2~3倍;具有土体结构紧密,含黏量高、吸水易迅速膨胀,透水性差,土体结构紧密的特点[2],探究其侵蚀过程和渗透性对进一步了解泻溜红土坡积体特性,防治红土泻溜侵蚀具有重要意义。笔者探讨不同降雨强度下泻溜红土坡积体的侵蚀过程和渗透特征,阐述降雨强度与产流时间、产流总量、产沙总量、平均泥沙含量和入渗特征之间的相互关系,以期从土壤侵蚀过程的角度为红土泻溜侵蚀的防治提供数据支撑和理论基础。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省平凉市泾川县田家沟小流域,田家沟是泾河的一级支流,海拔在1 027.9~1 374.1 m之间,属典型的黄土高原丘陵沟壑区。流域总面积56.3 km2,主沟道长17.3 km,沟道平均比降为2.33%,沟壑密度1.64 km/km2。沟谷上部为黄土,中下部为红土,泻溜侵蚀强烈。气候属温带半湿润气候,年平均气温10.1 ℃,极端最低气温-24 ℃,极端最高气温40.0 ℃,日照时间2 274 h,太阳总辐射量542.661 J/cm2,≥10 ℃积温2 863 ℃,年均降水量514.5 mm,年均蒸发量1 237.9 mm,最大冻土深度55 cm,无霜期174 d。流域内常见的植物种有侧柏(Platycladus orientalis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、狼牙刺(Sophora viciifolia)、紫荆(Cercis chinensis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、酸枣(Ziziphus jujuba)和杜梨(Pyrus betulifolia)等。

2 试验材料与方法 2.1 采样点的选择

供试的泻溜红土坡积体采集于典型的红土泻溜坡面坡脚堆积区域,共选择采样点2处,采样点基本特征如表 1所示。

表 1 采样点的基本信息 Tab. 1 Basic situation of sampling points
2.2 降雨试验的准备

试验在甘肃省兰州市窦家山水土保持科技示范园内进行。利用1.2 m×0.8 m×0.4 m (长×宽×高)的液压式径流槽车,坡度可在0~30°调节。试验时将槽车统一调整到10°,由于受坡度影响,计算径流小区承雨面积时要考虑修正坡度。将采集的泻溜红土坡积体过1 cm×1 cm的粗筛,以5 cm分层将其填充至径流槽车内,填装上层土体之前,刮毛下层土体表面,以防土层之间出现分层,边填充、边压实,以保证土体的压实程度与均匀性[10],使土体剖面接近自然堆积状态(密度控制在1.40 g/cm3),为避免土体初期含水量对试验结果的影响,试验时将土体含水量统一控制在10%左右。

2.3 人工模拟降雨强度设定

使用美国生产的Norton 8100喷嘴型槽式人工模拟降雨机装置,该降雨模拟器降雨方式为摆动式,有效雨滴降落高度为2.6 m。试验时将人工模拟降雨器架设在径流槽车上端,保证其坡度为10°,并与径流槽车保持平行。降雨水源采用自来水。降雨强度设定16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h共4种降雨强度,每种降雨强度进行3次重复,共计12次试验。试验前采用雨量筒进行人工测定,试验过程中采用激光雨滴谱仪进行实时监测。

2.4 指标测定与计算

1) 产流所需时间:从降雨试验开始至出现产流的时间间隔,min;

2) 产流历时:开始产流后至试验结束的时间,本次试验统一设定为46 min;

3) 降雨历时:从降雨试验开始至人工降雨试验结束的时间间隔,min;

4) 降雨总量:指产流历时内径流槽车内所承接的降雨量,cm3

5) 产流量:即开始产流后单位时间内(2 min)承接的径流和泥沙的混合体积,采用量筒测定,cm3

7) 平均径流速率:产流总量与产流历时的比值,cm3/min;

8) 径流系数:产流总量与降雨总量的比值,量纲为1;

9) 产沙量:将产流后单位时间为(2 min)所采集泥沙样常温下静置后,倒掉上清液,将下层浑浊液烘干后的质量, g;

10) 产沙总量:产沙量的累加值,即整个产流历时内的产沙量,g;

11) 平均泥沙含量:产沙总量除以产流总量,g/cm3;

12) 入渗速率:利用单位时间内的降雨总量和产流总量的差值分别计算产流后的平均入渗速率和土壤稳渗速率,mm/min[11]

2.5 数据统计分析

利用Excel 2007进行数据分析与绘图。

3 结果与分析 3.1 不同降雨强度下泻溜红土坡积体产流产沙侵蚀过程的特征

为充分说明泻溜红土坡积体在降雨条件下产流和产沙的特征及侵蚀过程,分别对不同降雨强度下产流产沙的特征进行对比和产流产沙的侵蚀过程进行分析。

3.1.1 不同降雨强度下泻溜红土坡积体产流产沙对比

表 2可以看出,在不同降雨强度条件下,所需产流时间从8 min (16.1 mm/h)逐渐缩短至2 min (51.3 mm/h),降雨强度16.1 mm/h下的产流时间是降雨强度51.3 mm/h下的近4倍。而产流总量与产沙总量随着降雨强度的增加呈现增加的趋势,在产流开始后的46 min内,降雨强度为16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h时,产流总量分别为2 250、5 174、1万0 036和1万7 612 cm3。产沙总量从小到大依次为290 g (16.1 mm/h) < 620 g (29.3 mm/h) < 780 g (40.5 mm/h) < 810 g (51.3 mm/h)。随着降雨强度的增加,径流所携带的平均泥沙含量逐渐减小,从大到小依次为:0.13 g/cm3(16.1 mm/h)>0.12 g/cm3(29.3 mm/h)>0.08 g/cm3(40.5 mm/h)>0.05 g/cm3(51.3 mm/h),这是因为径流携带的泥沙量多少不仅取决于其浓度,还与降水产生的径流总量密切相关。

表 2 不同降雨强度下产流及产沙对比 Tab. 2 Characteristics of runoff and sediment yield under different rainfall intensity
3.1.2 不同降雨强度下泻溜红土坡积体产流产沙过程

随着径流的产生,泥沙随着径流一起产生,当土体达到饱和以后产流量也逐渐趋于稳定(如图 1所示)。而径流携带的泥沙量(图 2)却不同,随着降雨强度的增加,产沙量到达峰值后开始逐渐减少并趋于稳定。降雨强度从16.1增加到51.3 mm/h,产流总量的增幅为682%,而产沙总量的增幅仅为179%,产沙总量的增幅远远低于产流总量的增幅,二者差值达到503%。

图 1 不同降雨强度下产流量与降雨历时关系 Fig. 1 Relationship between runoff yield and rainfall duration under different rainfall intensity
图 2 不同降雨强度条件下产沙量与降雨历时关系 Fig. 2 Relationship between sediment yield and rainfall duration under different rainfall intensity

图 2可以看出,在整个降雨过程中,产沙量共经历3个典型过程,即降雨开始后,径流所携带的泥沙量迅速增加,达到峰值后,产沙量逐渐减小并最终趋于稳定。在不同降雨条件下,随着降雨强度的增大,单位时间内径流所携带的泥沙量也增加,产沙量达到峰值的时间也缩短,降雨强度为16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h时,产沙量达到峰值所需时间分别是26、20、18和16 min,单位时间内产沙含量峰值分别是17.7、32.9、39.4和41.2 g。径流所携带的泥沙趋于稳定所需时间分别是34、32、30和26 min,稳定产沙量分别是10.2、23.8、30.8和32.1 g。即降雨强度越大,单位时间内径流所携带的泥沙含量也越早趋于稳定,稳定产沙量也越大。

3.2 不同降雨强度下泻溜红土坡积体入渗特征

入渗速率是单位时间内进入土体的水量,而稳渗速率是土壤入渗速率趋于相对稳定时所对应的入渗速率,可反映土壤的稳定入渗能力。在降雨过程中,利用降雨强度可以计算出单位时间内径流小区内的降水总量,减去相应时间段内的产流总量,得出单位时间内的入渗量(忽略蒸发散量和其他损失)。

表 3可以看出:在人工模拟降雨条件下,随着降雨强度的增加,平均入渗速率由0.22 mm/min(16.1 mm/h)增加至0.45 mm/min(51.3 mm/h),即降雨强度越大,平均入渗速率越大;但是稳渗速率随着雨强的增加,增加趋势却不明显,尤其是降雨强度从29.3增加至51.3 mm/h,稳渗速率由0.32增加至0.39 mm/min,增加幅度较小,即降雨强度增大到29.3 mm/h以上,稳渗速率几乎不再发生变化。

表 3 不同降雨强度下坡积体的入渗特征 Tab. 3 Infiltration characteristics of slope sediment under different rainfall intensity
4 讨论

坡面产流受降雨特性和下垫面等因素影响,根据霍顿的产流理论,在降雨前期,土壤渗透性能较好,降水主要以入渗的形式被未饱和的土体吸收,大量降雨通过入渗进入土层,降雨量小于土壤渗透速率,因此这段时间不产生径流;当降雨强度逐渐增大,泻溜土体表层土体逐渐被饱和土体含水量逐渐饱和,降水进入土体的量逐渐减少;待降雨量大于其入渗速率时,降雨在土体表层汇集,随着降雨的持续,水分在土体表面汇集而产生径流[12]。这是由于在降雨开始阶段雨滴的击溅作用使表层土体被击溅分散,分散后的土体颗粒易被径流冲走,随着降雨的进行,降雨对坡面土体的作用从溅蚀逐渐转化成为薄层水流的冲刷,而随着降雨强度的增加,坡面径流量逐渐增大,土体颗粒孔隙被填充,而且泻溜红土本身含黏土量高,降雨时因土体吸水,使体积迅速膨胀,致使非毛管孔隙和部分毛管孔隙度迅速下降,土体表层形成密实黏合的结皮层,使土体抗蚀性增强,降雨动能对土壤表层做功减少,因此径流所携带的泥沙量也逐渐减少,最后趋于稳定[13-15]。有研究表明当径流深超过雨滴中值直径3倍以后,地表径流具有显著的消减雨滴动能作用,雨滴的打击作用会减弱,甚至消失[16]

本研究中红土泻溜坡积体的侵蚀过程与其他研究者[15, 17]利用黄土做的坡面侵蚀过程不同,因为在黄土人工降雨冲刷试验中,降雨开始后,雨滴对土粒的击溅作用强烈,土粒四处飞溅,表层土壤在雨滴的击溅作用下被分散分离,这些松散物质被产流后的初始薄层水流搬运走,形成坡面产沙的峰值,随着降雨的进行,坡面逐渐出现细沟,降雨进一步汇集形成径流,沿细沟流出,即整个过程分别为溅蚀,面蚀和沟蚀,呈现出完整的水力侵蚀过程。而红土泻溜坡积物为典型的松散的堆积体,在冲刷过程中只呈现出明显的溅蚀和面蚀过程,且以面蚀为主,沟蚀过程不明显甚至不出现侵蚀沟。这可能与泻溜红土黏粒含量较高的自身特性有密切关系。此外,随着降雨强度的增大,降雨动能增加,雨滴对地表的打击作用增强,对土壤的夯实作用加剧,土壤结皮会更加发育,缩短了径流冲刷历程,从而缩短了红土泻溜侵蚀过程。同时随着降雨强度的增大,土壤湿润速度加快,崩解作用导致的土壤团聚体破碎会明显加剧,细小的土壤颗粒会随下渗水流填堵土壤孔隙,导致渗透速率增加趋势减缓[18]。这也解释了在本研究中,稳渗速率随着雨强的增加并无明显增加趋势的结果。

笔者对泻溜红土坡积体产流产沙特征做了较深入特定分析,由于本次试验使用的径流槽车坡长较短,因此降雨过程中坡面集中汇流量小,降雨结束后坡面未出现明显的侵蚀沟,在更长坡度下是否会出现明显的沟蚀过程,呈现出完整的水力侵蚀过程,还有待进一步研究。

5 结论

4种降雨强度(16.1、29.3、40.5和51.3 mm/h)产生的产流总量分别为2 250、5 174、10 036和17 612 cm3;产沙总量从小到大依次为290 g (16.1 mm/h) < 620 g (29.3 mm/h) 780 g (40.5 mm/h) < 810 g (51.3 mm/h);产沙量达到峰值所需时间分别是26、20、18和16 min,径流所携带的泥沙趋于稳定所需时间分别是34、32、30和26 min;平均入渗速率分别为0.22、0.37、0.44和0.45 mm/min,稳渗速率分别为0.19、0.32、0.38和0.39 mm/min。随着降雨强度的增加,产流量、产沙量、入渗速率逐渐增加,但稳渗速率增加的趋势不明显,稳定产流产沙所需时间逐渐缩短。本研究结果可为红土泻溜侵蚀的防治和泻溜红土坡积体的改良利用提供指导。

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