神府礦區(qū)土質(zhì)道路侵蝕及其與徑流特性的關(guān)系

張孝中 王文龍 袁瀛

摘要：為明確神府礦區(qū)土質(zhì)道路土壤侵蝕特征，采用野外模擬降雨的試驗(yàn)方法，研究了不同降雨強(qiáng)度（1.O、1.5、2.O、2.5、3.Omm/min）條件下礦區(qū)3°和6°土質(zhì)道路土壤侵蝕過程及其與徑流特性的關(guān)系。結(jié)果表明：道路侵蝕速率隨降雨歷時(shí)呈突增一波動(dòng)一穩(wěn)定的變化過程，且雨強(qiáng)和坡度越大，侵蝕過程的波動(dòng)程度就越高；相同雨強(qiáng)條件下，6°坡侵蝕速率是3°坡的2.61～3.46倍，兩坡度道路侵蝕速率與雨強(qiáng)和徑流率均成極顯著的線性函數(shù)關(guān)系（顯著性水平P關(guān)鍵詞：道路侵蝕；徑流特性；降雨強(qiáng)度；神府礦區(qū)

中圖分類號(hào)：S157.1：TV149.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.019

土質(zhì)道路土壤物理性質(zhì)與農(nóng)地存在明顯的差異，這就使道路土壤侵蝕過程和方式有別于農(nóng)地，道路網(wǎng)系的存在會(huì)改變區(qū)域徑流泥沙的自然匯集過程，使徑流集中下瀉，加劇溝谷侵蝕，最終導(dǎo)致更為劇烈的水土流失。20世紀(jì)70年代初，國外就開展了道路侵蝕方面的研究，并取得了大量成果，國內(nèi)關(guān)于道路侵蝕的研究始于20世紀(jì)90年代鄭世清等對(duì)山坡道路侵蝕與防治的研究。黃土高原丘陵區(qū)山坡道路產(chǎn)沙強(qiáng)度遠(yuǎn)大于農(nóng)林草地的，道路產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的42%。A.JORDAN等

研究表明，土質(zhì)森林道路的不同部位侵蝕差異較大，其中道路邊坡侵蝕速率最大，可達(dá)106g/（m2·a），是其他區(qū)域的5～6倍。道路侵蝕嚴(yán)重的原因在于路面透水性差，徑流系數(shù)較大，很小的降水量也有可能產(chǎn)生徑流，并造成嚴(yán)重的路面和邊坡的侵蝕。DONG J.Z.等對(duì)壓實(shí)土路進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)果表明容重是影響道路產(chǎn)流的最重要因素。從道路土壤侵蝕過程來看，史志華等 認(rèn)為路面表層浮土顆粒首先被徑流沖刷；李建明等采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法研究了浮土存在條件下的道路侵蝕特征，結(jié)果表明侵蝕速率在產(chǎn)流開始9min時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在浮土侵蝕時(shí)段波動(dòng)劇烈，混合侵蝕時(shí)段在大坡度下隨降雨過程持續(xù)遞增，小坡度下趨于相對(duì)穩(wěn)定。CAOL.X.等認(rèn)為降雨強(qiáng)度、坡度和徑流率可作為黃土高原小流域各級(jí)道路土壤侵蝕速率的預(yù)測因子，而黃鵬飛等則認(rèn)為徑流動(dòng)能是影響道路土壤侵蝕最重要的徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)道路侵蝕的研究多集中在道路侵蝕過程、特征、影響因素、預(yù)報(bào)等方面，目前研究對(duì)象多為農(nóng)田、交通及林內(nèi)土質(zhì)道路，而針對(duì)礦區(qū)土質(zhì)運(yùn)輸?shù)缆返难芯窟€較為少見。礦區(qū)土質(zhì)道路經(jīng)過長期的重型機(jī)械碾壓，其性質(zhì)顯著區(qū)別于農(nóng)田、林間道路，作為礦區(qū)重要的產(chǎn)沙單元，其人滲性能差，在強(qiáng)降水條件下極易產(chǎn)流并匯集成股，集中沖刷路面，不僅嚴(yán)重破壞道路結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生劇烈土壤侵蝕，而且對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。筆者在礦區(qū)土質(zhì)道路建立原位試驗(yàn)小區(qū)，采用模擬降雨試驗(yàn)方法，對(duì)礦區(qū)土質(zhì)道路土壤侵蝕過程及其與徑流特性的關(guān)系進(jìn)行了研究，以期為礦區(qū)道路土壤侵蝕模型的建立提供參數(shù)依據(jù)，以及為礦區(qū)土質(zhì)道路水土流失防治和水土保持措施制定提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于神府東勝煤田，該區(qū)地處晉陜蒙3省交界處，屬典型的干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為7.6℃，年均降水量為368mm，降水多集中于7-9月，年均水面蒸發(fā)量為2140mm。地表物質(zhì)組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，易風(fēng)化，抗蝕能力差，土壤類型多為風(fēng)沙土。植被主要為溫帶半干旱植被，沙地植被占多數(shù)，且覆蓋度低。該區(qū)處于風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)、黃河粗泥沙來源區(qū)、干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱帶，在人類采礦活動(dòng)擾動(dòng)下，夏季水蝕劇烈并占主導(dǎo)地位，春季則以風(fēng)蝕為主，風(fēng)蝕、水蝕交替進(jìn)行，使該區(qū)水土流失極其嚴(yán)重。

1.2試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)和試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前對(duì)礦區(qū)土質(zhì)道路進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明：該區(qū)土質(zhì)道路坡角多集中在30～90，其中30～50的和50～70的分別占42%和35%；調(diào)查道路的土壤容重平均為1.68g/cm^3。結(jié)合野外試驗(yàn)實(shí)際條件，土質(zhì)道路坡角選擇30和60作為代表。試驗(yàn)小區(qū)尺寸設(shè)計(jì)為3m×1m，小區(qū)兩側(cè)邊界用2mm厚的PVC板密封（插入地下15cm，出露10cm），小區(qū)設(shè)2個(gè)長度均為1.0m的測流斷面。采用擋風(fēng)布和鋼架結(jié)構(gòu)搭建降雨棚，小區(qū)正上方2.5m高度布置一排下噴降雨器（噴頭間距67cm），降雨均勻度為85%，滿足模擬試驗(yàn)要求的降雨雨滴終速和均勻度。使用多個(gè)移動(dòng)式水袋儲(chǔ)存降雨所需水源，使用潛水泵抽水至降雨器管道，通過管道上安裝的閥門組控制雨強(qiáng)，降雨器進(jìn)水口前端安裝壓力表指示不同雨強(qiáng)時(shí)的水壓力狀況，降雨強(qiáng)度選擇1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min 5個(gè)級(jí)別。試驗(yàn)前率定雨強(qiáng)與設(shè)計(jì)雨強(qiáng)相比誤差在3%以內(nèi)，均勻度在85%以上，符合要求后快速掀起小區(qū)上的遮雨布，待坡面產(chǎn)流后，在集流槽出口使用接樣桶接泥沙樣并記錄接樣時(shí)間，每3min接1次泥沙樣，設(shè)計(jì)產(chǎn)流歷時(shí)45min，接樣同時(shí)在兩斷面處使用KMnO4溶液和秒表測流速，流速取2個(gè)斷面的平均值。泥沙質(zhì)量采用烘干法測定，進(jìn)而計(jì)算出侵蝕速率和徑流率。

1.3參數(shù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

（1）徑流參數(shù)計(jì)算。涉及的徑流參數(shù)有徑流深h（m）、徑流剪切力τ（N/m^2）、徑流功率ω（ W/m^2）、單位徑流功率Up（m/s），可依據(jù)明渠水流公式計(jì)算得出。

（2）采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和回歸分析，采用Origin8.5進(jìn)行繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1土質(zhì)道路侵蝕特征

2.1.1侵蝕過程

圖1為3°和6°坡角礦區(qū)土質(zhì)道路在不同降雨強(qiáng)度下的土壤侵蝕過程。侵蝕過程大體可以分為3個(gè)階段：①侵蝕突增階段，主要發(fā)生在產(chǎn)流0～6min內(nèi)，隨著降雨強(qiáng)度增大，變化幅度越來越明顯，原因主要是坡面產(chǎn)流后徑流增加迅速，且初期坡面表層松散浮土抗蝕性差，在降雨和徑流作用下極易被分離搬運(yùn)，期間出現(xiàn)侵蝕速率峰值，整體上雨強(qiáng)越大峰值就越大，雨強(qiáng)為1.0～3.0mm/min時(shí)，3°和6°道路侵蝕速率峰值分別為10.84～ 51.29、19.78～ 271.39g/（m2·s）（見表1）；②侵蝕波動(dòng)階段，發(fā)生于產(chǎn)流6min后，降雨強(qiáng)度和坡度越大，波動(dòng)時(shí)間越長，有波動(dòng)式增長和波動(dòng)式下降兩種形式：徑流沖刷和細(xì)溝溝壁坍塌相互作用時(shí)，溝壁一次坍塌產(chǎn)生的泥沙補(bǔ)給需徑流多次搬運(yùn)，產(chǎn)生波動(dòng)式增長；侵蝕過程中徑流沖刷占優(yōu)勢時(shí)，細(xì)溝溝槽產(chǎn)生的松散物質(zhì)對(duì)泥沙的補(bǔ)給作用被徑流掩蓋，造成波動(dòng)式下降；③侵蝕穩(wěn)定階段，隨著細(xì)溝發(fā)育和徑流流路趨于穩(wěn)定，坡面土壤侵蝕速率亦達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但雨強(qiáng)越大穩(wěn)定的時(shí)間越滯后，尤其在3.0mm/min雨強(qiáng)時(shí)，道路坡面細(xì)溝發(fā)育程度較高，從而導(dǎo)致徑流匯集程度和紊動(dòng)性均得到提升，侵蝕波動(dòng)性也隨之增強(qiáng)，因此侵蝕過程的穩(wěn)定性也較其他雨強(qiáng)的低。從侵蝕過程波動(dòng)程度來看（見表1），3°和6°道路侵蝕速率變異系數(shù)均隨雨強(qiáng)遞增，且相同雨強(qiáng)下6°道路的變異系數(shù)比3°的大，表明雨強(qiáng)和坡度越大，侵蝕的劇烈程度也越大。因此，為防止降雨對(duì)道路產(chǎn)生劇烈侵蝕，礦區(qū)道路建設(shè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡可能降低坡度。

2.1.2坡度和雨強(qiáng)對(duì)道路侵蝕速率的影響

圖2為3°和6°土質(zhì)道路土壤侵蝕速率與雨強(qiáng)的關(guān)系。由圖2可知，相同雨強(qiáng)條件下，6°坡角的道路侵蝕速率均大于3°坡角的，雨強(qiáng)為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min時(shí)，6°坡角的道路侵蝕速率分別是3°坡角的3.46倍、1.63倍、2.82倍、3.22倍和2.61倍。兩種坡角的道路土壤侵蝕速率均隨雨強(qiáng)的增大而增大，1.0mm/min雨強(qiáng)條件下，3°和6°坡角的道路侵蝕速率分別為6.51、22.53g/（m2·s），雨強(qiáng)增大至1.5、2.0、2.5、3.0mm/min時(shí)，3°坡角的道路侵蝕速率分別增大2.30倍、2.98倍、3.80倍、7.41倍，6°坡角的道路侵蝕速率則分別增大0.55倍、2.24倍、3.48倍、5.33倍?；貧w分析表明，兩種坡角道路侵蝕速率與雨強(qiáng)之間成遞增的線性關(guān)系（見圖2），6°坡角的擬合直線斜率是3°坡角的近3倍，也表明坡角越大侵蝕速率隨雨強(qiáng)遞增速率就越大。

2.2道路徑流特性

表2為不同雨強(qiáng)條件下3°和6°土質(zhì)道路徑流特性。3°和6°坡角的道路徑流率均隨雨強(qiáng)增大而增大，且徑流率與雨強(qiáng)之間分別成冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系（擬合優(yōu)度R^2分別為0.985和0.993）。相同降雨條件下6°坡角的道路徑流率是3°坡角的0.81～1.11倍，二者差異較小，表明坡角對(duì)道路土壤人滲的影響較小。30和60坡角的道路1.0～3.0mm/min雨強(qiáng)的徑流系數(shù)分別為0.77～0.88和0.70～0.85，隨雨強(qiáng)和坡角的變化不明顯，但明顯高于黃土區(qū)坡面徑流系數(shù)，表明相同降雨條件下礦區(qū)道路具有易產(chǎn)流的特點(diǎn)。3°和6°坡角的道路徑流深均隨雨強(qiáng)增大而增大，分別為0.0040～0.0063m和0.0047～0.0100m，二者分別成線性和對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（R^2分別為0.910和0.986）；在相同雨強(qiáng)條件下，6°坡角的道路徑流深是3°坡角的1.17～1.60倍。3°和6°坡角的道路徑流剪切力、徑流功率和單位徑流功率均隨雨強(qiáng)增大而增大，3°坡角的道路這3個(gè)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與雨強(qiáng)均成極顯著線性關(guān)系（R^2分別為0.925、0.982和0.990）；6°坡角的道路徑流剪切力與雨強(qiáng)成極顯著對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（ R^2=0.976），而徑流功率與單位徑流功率則與雨強(qiáng)均成極顯著線性關(guān)系（R^2分別為0.986和0.981）。對(duì)于同一雨強(qiáng)，6°坡角的道路徑流剪切力、徑流功率和單位徑流功率分別是3°坡角的2.34～3.10倍、2.56～3.53倍、2.04～2.38倍。以上結(jié)果表明，隨著雨強(qiáng)和坡度的增大，坡面徑流深和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)成倍增大，主要原因是隨著雨強(qiáng)和坡度增大，路面細(xì)溝不斷發(fā)育，徑流逐漸匯集成股，使坡面徑流深和剪切力不斷增大，路面粗糙度增大，徑流能量消耗沿程增大，因此徑流功率和單位徑流功率增大。

2.3道路侵蝕速率與徑流特性的關(guān)系

2.3.1侵蝕速率與徑流率和徑流深的關(guān)系

圖3（a）為3°和6°坡角的道路侵蝕速率與徑流率的關(guān)系（即坡面水沙關(guān)系），二者線性關(guān)系極顯著（R^2分別為0.94和0.99，顯著性水平P2.3.2侵蝕速率與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

研究表明，當(dāng)坡面水流達(dá)到一定水力條件時(shí)才發(fā)生坡面侵蝕，而這一條件主要用水力學(xué)參數(shù)臨界值表示，徑流剪切力、徑流功率及單位徑流功率是侵蝕動(dòng)力學(xué)常用的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。圖4為道路土壤侵蝕速率與3個(gè)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，可以看出其關(guān)系均可采用y=K（x-xe）（K為土壤可蝕性參數(shù)，xe為臨界水動(dòng)力學(xué)參數(shù)）描述。由圖4（a）可知，試驗(yàn)條件下徑流剪切力變化范圍為1.98～9.74 N/m^2，回歸分析表明，二者之間成顯著遞增的線性函數(shù)關(guān)系（R^2=0.71，P<0.01），其中土壤可蝕性參數(shù)轉(zhuǎn)化為國際單位制為0.012s/m，道路產(chǎn)生侵蝕的臨界剪切力為0.80N/m^2。圖4（b）為土壤侵蝕速率與徑流功率的關(guān)系，侵蝕速率隨著徑流功率增大而增大，二者線性關(guān)系極顯著（R^2=0.89，P