初始解凍深度對凍融坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的影響

程圣東,杭朋磊,李占斌,張 輝,王 添,成玉婷

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西西安 710048;2.陜西西部聯(lián)盟生態(tài)股份有限公司,陜西西安 710075)

凍融侵蝕是指土體或巖石中的水分由于溫度變化發(fā)生相變,導(dǎo)致土體或巖石發(fā)生機械破壞,進而造成的侵蝕[1],黃土丘陵溝壑區(qū)的氣候條件滿足季節(jié)性凍融侵蝕發(fā)生的要素[2]。長期以來,凍融侵蝕的研究大多集中在凍融侵蝕前后土壤可蝕性的變化[3-6]、侵蝕產(chǎn)沙量變化[7-8]等方面,而對于凍土解凍時期土壤侵蝕的研究相對較少。受季節(jié)溫度的影響,凍土層在溫度升高時表土解凍,土壤侵蝕效果顯著增強[9-13]。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,解凍期的未完全解凍層和土壤中存在的不透水土層是造成凍融侵蝕區(qū)強烈片蝕、溝蝕等的主要原因[14-16],未完全解凍層的阻水作用會隨著解凍深度的增加而降低。當(dāng)凍土消融時,土壤的抗剪強度減弱,可蝕性增大,更容易發(fā)生土壤侵蝕[17]。因此,為揭示黃土丘陵溝壑區(qū)凍土解凍期未完全解凍層對坡面土壤侵蝕的影響,本文通過模擬降雨試驗,分析初始解凍深度對凍融坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的影響,以期為黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕機理研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究材料

試驗用土為陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的黃綿土,其機械組成為粉粒65.28%、砂粒34.7%、黏粒0.02%,土壤質(zhì)地為粉沙質(zhì)壤土。試驗地點位于西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室的雨洪侵蝕大廳。模擬降雨試驗示意圖如圖1所示,由降雨系統(tǒng)、試驗土槽及凍土裝置組成。

圖1 模擬降雨試驗示意圖Fig.1 Illustration of simulated rainfall test

降雨系統(tǒng)采用自主研發(fā)的針管式模擬降雨裝置,其降雨空間均勻度大于80%,能夠保證與天然雨強的相似性要求;試驗土槽長2 m,寬0.75 m,深0.35 m,為木質(zhì)不透水結(jié)構(gòu),為保證承重以及土體的單向解凍要求,木板厚度均為5 cm,外圍用矩形鐵架固定;凍土裝置采用澳柯瑪DW-40W300型凍融箱室,長4.5 m,寬2.5 m,高2.5 m,溫度變化范圍為-40 ℃～30 ℃,具備制冷和加熱系統(tǒng),可以滿足試驗需求。

1.2 研究方法

黃土高原地區(qū)平均最大凍土深度97.8 cm,且每年的3～5月凍土層由土壤表面逐漸向下全部融化[18]。野外監(jiān)測表明,解凍深度增加是一個漸進的過程,侵蝕主要來自于表層土壤,鑒于室內(nèi)控制試驗主要研究侵蝕機理,設(shè)計初始解凍深度分別為0 cm、2 cm、4 cm和6 cm。根據(jù)侵蝕性降雨的相關(guān)理論,考慮到雨強太小時無法觀測到凍融坡面產(chǎn)流的實際情況,為保證模擬降雨強度的梯度,試驗設(shè)定的雨強分別為0.6 mm/min、0.9 mm/min和1.2 mm/min,設(shè)定坡度為15°,試驗采用全因子試驗,一組試驗設(shè)置12場降雨,每組重復(fù)三次,共計36場降雨,數(shù)據(jù)分析時采用三場試驗的平均值。將雨強為0.9 mm/min的未凍結(jié)坡面作為對照坡面,進行對比分析。

本文的試驗過程包括試驗裝土處理、凍結(jié)土及解凍土處理以及模擬降雨過程。裝土處理:首先將試驗用土過5 cm的篩,保持土樣初始含水量為15%,在試驗土槽底部鋪一層紗布,再鋪設(shè)5 cm厚天然砂,保證其滲透情況與天然狀態(tài)相似,分5層填裝30 cm厚黃綿土(每層6 cm),土壤容重控制為1.3 g/cm3。凍結(jié)土及解凍土處理:將完成裝土處理的試驗土槽推入-20 ℃的凍融箱室中連續(xù)凍結(jié)24 h,再將試驗土槽放置在室溫約為15 ℃的環(huán)境中進行緩慢解凍,利用鋼針測量凍土坡面的解凍深度。其具體過程為:在200 cm×75 cm的試驗土槽上選擇12個均勻分布的解凍深度監(jiān)測點,每間隔25 min用細(xì)鋼針垂直插入監(jiān)測點,快速測算出監(jiān)測點的解凍深度及其平均值,當(dāng)其平均值達(dá)到試驗設(shè)計的初始解凍深度時,即進行下一步的模擬降雨試驗。模擬降雨過程:在試驗土槽完成凍結(jié)土及解凍土處理之前,完成雨強的率定工作。模擬降雨過程中,記錄坡面的初始產(chǎn)流時間(開始降雨到坡面出口開始產(chǎn)流的歷時),在坡面出水口采集渾水樣品,每1 min采集1次,歷時60 min。模擬降雨結(jié)束后,用烘干稱重的方法測量泥沙干重,用置換法計算徑流量。模擬降雨試驗在室內(nèi)進行,試驗時降雨水溫和環(huán)境溫度均在15 ℃左右,模擬降雨時室內(nèi)溫度較為恒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨和初始解凍深度條件下凍融坡面產(chǎn)流特征

對比雨強為0.9 mm/min的凍融坡面與對照坡面的平均產(chǎn)流過程,如圖2所示。

圖2 凍融坡面與對照坡面產(chǎn)流過程Fig.2 Runoff process on freeze-thaw slope and control slope

由圖2可以看出,凍融坡面與對照坡面的產(chǎn)流過程差異顯著(p<0.05)。其中,對照坡面產(chǎn)流較穩(wěn)定;而凍融坡面在初始產(chǎn)流后的前10 min產(chǎn)流迅速,隨后逐漸變緩,并在產(chǎn)流50 min后,兩者產(chǎn)流能力的差距逐漸縮小。計算前10 min曲線的平均斜率發(fā)現(xiàn),凍融坡面產(chǎn)流強度是對照坡面的2.5倍,但在后期趨勢逐漸接近,并趨于穩(wěn)定,說明雖然兩種坡面初始狀態(tài)不同,但受到土壤質(zhì)地等因素的影響,其產(chǎn)流強度存在一個上限,也就是坡面產(chǎn)流能力。對凍融坡面與未凍融坡面產(chǎn)流量的變化擬合方程,如表1所示。

表1 凍融坡面與對照坡面產(chǎn)流過程擬合方程Tab.1 Fitting equation of runoff process on freeze-thaw slope and control slope

注：Rf、Rc分別為凍融坡面、對照坡面產(chǎn)流量，t為產(chǎn)流歷時。

凍融坡面產(chǎn)流過程與對數(shù)函數(shù)曲線擬合得較好,而對照坡面產(chǎn)流過程與二次函數(shù)擬合得較好。說明凍融作用對土壤的產(chǎn)流特性產(chǎn)生了較大的影響,改變了黃土坡面的徑流過程。

不同雨強及初始解凍深度條件下凍融坡面產(chǎn)流過程如圖3所示。

從各曲線的傾斜程度可以看出,前期曲線斜率大,屬于增長期;后期曲線平緩,屬于穩(wěn)定期。增長期與穩(wěn)定期之間存在著一個臨界點,臨界點前產(chǎn)流能力迅速增加,臨界點后產(chǎn)流能力逐漸平緩且趨于穩(wěn)定的波動,對各組徑流過程的時間臨界點進行統(tǒng)計,0.6 mm/min、0.9 mm/min、1.2 mm/min雨強對應(yīng)的時間臨界點分別為51 min、44 min、17 min。此外,臨界點隨雨強的增大向前移動,即在大雨強下,凍融坡面產(chǎn)流會更快達(dá)到某一穩(wěn)定值。

圖3 不同雨強及初始解凍深度下凍融坡面產(chǎn)流過程Fig.3 Runoff process of freeze-thaw slopes at different rainfall intensities and initial thawing depths

在一定時間段內(nèi),坡面產(chǎn)流越早達(dá)到穩(wěn)定,其以較大流量產(chǎn)流的時間就越長,徑流總量也就越大,所以這一穩(wěn)定值顯著(p<0.05)增加了坡面徑流量。此外,對于等雨強下不同初始解凍深度的坡面,其產(chǎn)流能力隨時間發(fā)生變化的趨勢是一致的,這說明凍融坡面徑流形態(tài)受雨強的作用較大,而受初始解凍深度的影響較小。若是對各組試驗的徑流總量進行統(tǒng)計,圖3(a)各徑流總量從大到小對應(yīng)的初始解凍深度依次為4 cm、6 cm、2 cm、0 cm;圖3(b)各徑流總量從大到小對應(yīng)的初始解凍深度依次為2 cm、4 cm、0 cm、6 cm;圖3(c)各徑流總量從大到小對應(yīng)的初始解凍深度依次為4 cm、2 cm、0 cm、6 cm,對比發(fā)現(xiàn),徑流總量隨初始解凍深度的變化并沒有穩(wěn)定的規(guī)律,說明解凍深度對凍融坡面產(chǎn)流總量的影響不大。

不同雨強及初始解凍深度下各組初始產(chǎn)流時間,如表2所示，0.9 mm/min雨強下對照組的初始產(chǎn)流時間為24.2 min。對比不同雨強下的初始產(chǎn)流時間發(fā)現(xiàn),雨強越大,其初始產(chǎn)流時間變化越大,說明雨強的增加可以顯著(p<0.05)減小初始產(chǎn)流時間。在雨強一定的情況下,初始解凍深度越大,其初始產(chǎn)流時間越長,這是由于在一定的解凍深度上存在著一個弱透水的凍土層,使融化土壤水分更容易達(dá)到飽和。根據(jù)初始產(chǎn)流時間隨初始解凍深度增加的相對變化率可以發(fā)現(xiàn),初始產(chǎn)流時間在2～4 cm的初始解凍深度內(nèi)的變化率遠(yuǎn)低于其他狀態(tài)下的變化率,說明初始解凍深度由2 cm增加到4 cm時,對產(chǎn)流時間的影響較小。

表2 不同雨強及初始解凍深度的初始產(chǎn)流時間Tab.2 Initial runoff producing time at different rainfall intensities and initial thawing depths

2.2 不同降雨和初始解凍深度條件下凍融坡面產(chǎn)沙特性

雨強為0.9 mm/min時,凍融坡面及未經(jīng)凍融的對照坡面的平均產(chǎn)沙過程如圖4所示。

圖4 凍融坡面與對照坡面產(chǎn)沙過程Fig.4 Sedimentation process of freeze-thaw slope and control slope

可以看出,相對于凍融坡面,對照坡面的產(chǎn)沙過程平緩穩(wěn)定,而凍融坡面產(chǎn)沙過程波動明顯且變化迅速。統(tǒng)計凍融坡面不同初始解凍深度下的產(chǎn)沙總量,發(fā)現(xiàn)凍融坡面產(chǎn)沙總量是對照坡面的10～24倍,說明凍融作用顯著(p<0.05)增加了坡面產(chǎn)沙量。在開始產(chǎn)流后的一段時間內(nèi),凍融坡面產(chǎn)沙量迅速增加,約30 min后,各凍融坡面的產(chǎn)沙速率逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為在模擬降雨試驗進行到30 min時,凍土解凍的速度與水力侵蝕強度兩者達(dá)到相對平衡的狀態(tài),產(chǎn)沙穩(wěn)定是由于解凍土層提供的物質(zhì)來源與水力侵蝕能力處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)造成的。

不同雨強及初始解凍深度下凍融坡面產(chǎn)沙過程,如圖5所示。

圖5 不同雨強及初始解凍深度下凍融坡面產(chǎn)沙過程Fig.5 Sedimentation process of freeze-thaw slopes at different rainfall intensities and initial thawing depths

對比圖5中三種雨強下的坡面產(chǎn)沙過程發(fā)現(xiàn),產(chǎn)沙強度隨著雨強的增大而迅速增加。三組曲線的趨勢都具有較好的一致性,在產(chǎn)流后一段時間內(nèi)產(chǎn)沙強度迅速增加,隨后產(chǎn)沙量達(dá)到某一穩(wěn)定值,其曲線在在這一穩(wěn)定值的周圍上下波動。圖5(a)中4條曲線反映出,在產(chǎn)流約35 min內(nèi)產(chǎn)沙強度迅速增加,35 min后產(chǎn)沙逐漸趨于穩(wěn)定,表明在0.6 mm/min雨強下凍融坡面產(chǎn)沙強度變化的臨界點約為35 min。對比發(fā)現(xiàn),產(chǎn)沙強度從大到小對應(yīng)的初始解凍深度依次為6 cm、4 cm、2 cm、0 cm,對應(yīng)穩(wěn)定后的平均產(chǎn)沙強度分別為717.36 g/min、551.60 g/min、234.53 g/min、136.42 g/min。說明當(dāng)雨強為0.6 mm/min時,隨著初始解凍深度的增加,產(chǎn)沙強度也隨之增加。在雨強較小時完全凍結(jié)的黃土坡面產(chǎn)沙過程比較穩(wěn)定,這可能是由于在雨強較小時產(chǎn)流較小,且完全凍結(jié)的黃土坡面解凍較慢,徑流量較小,徑流能量較小,侵蝕能力微弱,水流挾沙力較小,導(dǎo)致侵蝕量較小。圖5(b)中4條曲線反映出其產(chǎn)沙強度在開始產(chǎn)流的30 min內(nèi)都處于快速增長階段,隨后逐漸趨于穩(wěn)定,并且它們的趨勢更具一致性,產(chǎn)沙過程隨初始解凍深度的變化層次性更加明顯;但是與圖5(a)不同的是,0.9 mm/min雨強下產(chǎn)沙強度從大到小對應(yīng)的初始解凍深度依次為4 cm、2 cm、6 cm、0 cm,對應(yīng)穩(wěn)定后的平均產(chǎn)沙強度分別為961.61 g/min、834.15 g/min、758.53 g/min、395.91 g/min。對比圖5(a)穩(wěn)定產(chǎn)沙強度,圖5(b)中各值的差距在逐漸縮小。從圖5(c)中可以看出,除了初始解凍深度為6 cm的產(chǎn)沙過程線,另外三條曲線具有較好的一致性,其產(chǎn)沙強度在產(chǎn)流后20 min內(nèi)處于快速增長階段,20 min后逐漸趨于穩(wěn)定;而初始解凍深度為6 cm的產(chǎn)沙過程線在產(chǎn)流后41 min內(nèi)都呈現(xiàn)快速增長,其中在起始的26 min內(nèi)產(chǎn)沙強度小于前三者,而在27～36 min內(nèi)迅速增長。對于初始解凍深度為6cm的坡面,由于降雨開始入滲強度相對于其它坡面較大,徑流侵蝕動力較小,泥沙輸移能力微弱;隨著降雨的繼續(xù),土壤含水量增加,土壤入滲減小,坡面流量增加;在較大的流量下,初始解凍深度較大的坡面土體被強烈侵蝕。其產(chǎn)沙強度從大到小對應(yīng)的初始解凍深度依次為6 cm、4 cm、2 cm、0 cm,對應(yīng)產(chǎn)沙穩(wěn)定后的平均產(chǎn)沙強度分別為1 734.98 g/min、771.32 g/min、766.35 g/min、533.25 g/min。本試驗的坡面侵蝕量主要來自于細(xì)溝侵蝕,產(chǎn)沙強度基本隨初始解凍深度的增加而增加,這不同于范昊明和劉佳等[15-16]的研究成果,他們的研究認(rèn)為,坡面的侵蝕產(chǎn)沙強度受含水率、降雨強度、初始解凍深度的綜合影響,在一定程度上,坡面侵蝕產(chǎn)沙強度隨初始解凍深度的增加而減小。這可能是由于試驗設(shè)計的降雨歷時、土壤質(zhì)地等不同所導(dǎo)致的,在范昊明和劉佳的試驗研究中,采用的降雨歷時僅為20 min,初始解凍深度的增加導(dǎo)致入滲量增加,細(xì)溝處于剛開始發(fā)育階段,細(xì)溝侵蝕時間較短,侵蝕量較小,坡面初始解凍深度較大的坡面還未發(fā)生不斷的溯源侵蝕以及滑塌現(xiàn)象,因此侵蝕量較小,產(chǎn)沙能力微弱。另外,疏松軟綿的黃綿土的可蝕性遠(yuǎn)大于黑土,也是導(dǎo)致黃綿土更易發(fā)生滑塌和溯源侵蝕的原因之一。

2.3 不同降雨和初始解凍深度條件下凍融坡面水沙關(guān)系響應(yīng)

不同初始解凍深度和雨強下的水沙關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖6 不同雨強及初始解凍深度的水沙關(guān)系曲線Fig.6 Water-sediment relationship curve at different rainfall intensities and initial thawing depths

從圖中可以發(fā)現(xiàn),凍融坡面水沙關(guān)系分為兩個階段,第一階段為緩慢增長期,產(chǎn)沙量隨著產(chǎn)流量緩慢增加,這主要是由于對于初始解凍深度為0 cm的土壤,雖然降雨初期幾乎沒有入滲,但完全凍結(jié)的土壤不易被剝離,而對于解凍土壤,降雨初期雨水大量入滲,徑流量較小,對泥沙的輸移能力較弱,所以產(chǎn)沙量較小;第二個階段為急速增長期,此時產(chǎn)沙量急劇增長,這是由于隨著降雨的持續(xù),土壤坡面在水流的沖刷下產(chǎn)生細(xì)溝,且細(xì)溝的長度和深度會隨著持續(xù)降雨迅速發(fā)展,使產(chǎn)沙量迅速增加,此外,由于未完全解凍的黃土坡面存在不透水的凍結(jié)層,從而增加了坡面徑流量,為泥沙輸移提供了動力條件。兩個階段交匯的地方即是凍融坡面水沙關(guān)系發(fā)生變化的突變點。綜合來看,相同坡面條件下,對于凍融坡面水沙關(guān)系的突變點,隨著雨強的變大對應(yīng)突變點的徑流量越大;隨著初始解凍深度的增加,在0.6～0.9 mm/min雨強下的突變點逐漸靠近,對應(yīng)徑流量及產(chǎn)沙量差距在縮短,說明隨著初始解凍深度的增加,雨強對于凍融坡面水沙關(guān)系的影響在減小。突變點的產(chǎn)生一方面可能是由于隨著降雨的持續(xù),土壤含水量增加,入滲量降低,從而造成徑流量迅速增大,為凍融坡面產(chǎn)沙提供了更多水動力條件;另一方面,坡面細(xì)溝的形成,使集中流對溝道的掏蝕更加劇烈。

不同雨強及初始解凍深度下凍融坡面的水沙雙累積關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 不同雨強及初始解凍深度的水沙雙累積關(guān)系曲線Fig.7 Water-sediment double-accumulation curve at different rainfall intensities and initial thawing depths

從圖7(a)中可以看出,曲線都呈上升趨勢。初始階段,隨著累積產(chǎn)流量的增加,初始解凍深度為4 cm及6 cm兩條曲線呈上凹趨勢,說明產(chǎn)沙量的增長率大于產(chǎn)流量的增長率;累積產(chǎn)流量達(dá)到約7 500 mL之后兩條曲線趨于穩(wěn)定,呈線性增加的趨勢。初始解凍深度2 cm的曲線在起始階段呈下凹趨勢,當(dāng)累積產(chǎn)流量達(dá)到7 500 mL之后趨于穩(wěn)定;初始解凍深度為0 cm的曲線一直比較穩(wěn)定,說明其累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量關(guān)系穩(wěn)定。圖7(b)中,產(chǎn)流總量和初始解凍深度的關(guān)系為線性增長趨勢。圖7(c)中曲線與前兩組有較為明顯的不同,初始解凍深度6cm的曲線在初期上凹,且曲率遠(yuǎn)大于其余三者,后期曲線斜率又明顯大于上述三者,累積產(chǎn)流量在20 000 mL左右時,累積產(chǎn)沙量開始迅速增加,累積產(chǎn)流量達(dá)到35 000 mL之后,產(chǎn)沙量的增加速率達(dá)到最大。其余三條曲線在累積產(chǎn)流量為10 000 mL之前緩慢增加,之后迅速增加。初始解凍深度為2 cm和4 cm的兩條曲線幾乎重合,其產(chǎn)流及產(chǎn)沙過程近似,說明在大雨強下,初始解凍深度對凍融坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響在減小。

2.4 凍融坡面侵蝕因子相關(guān)性分析

以上分析表明,初始解凍深度和雨強都對土壤侵蝕量有一定的影響,為了進一步量化它們之間的關(guān)系,文中對產(chǎn)流歷時、初始解凍深度、雨強、產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量、累積產(chǎn)流量等侵蝕因子進行雙變量相關(guān)性分析(Pearson),結(jié)果如表3所示。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量都與降雨歷時呈顯著相關(guān)關(guān)系,累積產(chǎn)沙量和累積產(chǎn)流量與降雨歷時的相關(guān)性則更大,這說明產(chǎn)沙量及產(chǎn)流量屬于時變性的侵蝕因子。此外,初始解凍深度與產(chǎn)沙量的相關(guān)性最大,反而與產(chǎn)流量的關(guān)系并不密切,這說明初始解凍深度顯著影響了產(chǎn)沙量,但對產(chǎn)流量的影響并不顯著。而雨強與產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量都呈顯著相關(guān),其中雨強對產(chǎn)流量的影響大于對產(chǎn)沙量的影響,雨強與產(chǎn)沙量的相關(guān)性為0.403,大于初始解凍深度與產(chǎn)沙量的相關(guān)性0.327,說明雨強對于坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻更大。

表3 各侵蝕因子間的相關(guān)性統(tǒng)計Tab.3 Correlation between the erosion factors

注：**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾檢驗)。

3 結(jié) 論

1) 凍融作用顯著影響黃土坡面的產(chǎn)流及產(chǎn)沙過程。相對于對照坡面,雨強的增加會顯著減小初始產(chǎn)流時間,而初始解凍深度則相反,且凍融坡面產(chǎn)沙量顯著增加了10～24倍;凍融坡面的產(chǎn)流過程及產(chǎn)沙過程都可以分為增長階段和穩(wěn)定階段,且兩個階段的臨界值都會隨著雨強的增大而減小;相對于產(chǎn)沙過程,初始解凍深度與產(chǎn)流過程的相關(guān)性較低,但初始解凍深度越大,雨強對坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響越顯著。

2) 在相同雨強下,凍融坡面水沙關(guān)系曲線分為緩慢增長期和急速增長期兩個階段。第一個階段,不同初始解凍深度的關(guān)系曲線重合且增長較慢,第二個階段曲線斜率迅速增大,且等雨強下不同初始解凍深度的水沙關(guān)系曲線具有很好的一致性。解凍深度越大,產(chǎn)沙量增加的速率越快,且雨強在0.9 mm/min時產(chǎn)沙量增加的速率最快。

3) 坡面產(chǎn)沙量與降雨歷時、雨強和初始解凍深度均呈極顯著相關(guān)(p<0.01),坡面產(chǎn)流量與降雨歷時、雨強和產(chǎn)沙量均呈極顯著相關(guān)(p<0.01),而與初始解凍深度沒有表現(xiàn)出相關(guān)性(p>0.01),說明初始解凍深度對坡面產(chǎn)流的影響不顯著,而與坡面產(chǎn)沙量的關(guān)系密切。