黃河流域砒砂巖區(qū)多動(dòng)力侵蝕交互疊加效應(yīng)研究

張 攀，姚文藝，肖培青，劉國(guó)彬，楊春霞

（1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2.中國(guó)科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100）

1 研究背景

黃河流域砒砂巖區(qū)土壤侵蝕劇烈［1］，且為典型的水力、風(fēng)力、凍融多動(dòng)力復(fù)合侵蝕類型［2］，研究其多動(dòng)力侵蝕疊加規(guī)律，對(duì)于揭示砒砂巖區(qū)土壤侵蝕機(jī)理，制定相應(yīng)的治理對(duì)策具有重要意義。

砒砂巖集中分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市、陜西省府谷縣及山西北部部分地區(qū)，面積1.67 萬km2，該區(qū)域處于多種自然環(huán)境要素相互交錯(cuò)的過渡區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)極度脆弱，具有水力、風(fēng)力、凍融等多動(dòng)力在時(shí)間上交替、在空間上疊加的侵蝕特征，在冬春季凍融、風(fēng)化嚴(yán)重［3-4］，到了夏秋季暴雨洪水多發(fā)，加之砒砂巖膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)松散，水力侵蝕劇烈［5-7］，形成了相當(dāng)復(fù)雜的多動(dòng)力復(fù)合侵蝕機(jī)制［8-11］。砒砂巖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化除與砒砂巖質(zhì)地性質(zhì)、人類活動(dòng)有關(guān)外，還直接受制于復(fù)合侵蝕的驅(qū)動(dòng)，多類侵蝕子過程交互疊加，使這一地區(qū)形成了與單一風(fēng)蝕或水蝕不同的泥沙侵蝕、搬運(yùn)、沉積過程［12-15］。多動(dòng)力復(fù)合侵蝕現(xiàn)象及其危害早已為人們所注意［16-17］，國(guó)外多相侵蝕研究區(qū)域主要分布于沙漠與流水鑲嵌地貌類型區(qū)［18-19］，對(duì)多相侵蝕交互關(guān)系的研究主要集中在風(fēng)力對(duì)流水沉積物，以及流水對(duì)風(fēng)積物進(jìn)行的交替侵蝕、搬運(yùn)與沉積過程［20-21］，通常采用地質(zhì)地貌學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)的理論，從風(fēng)水交互作用形成的地貌景觀、地層沉積物與風(fēng)沙系統(tǒng)及地表集水作用關(guān)系的角度研究風(fēng)水侵蝕動(dòng)力過程［22-23］。自1980年代以來，我國(guó)學(xué)者開始從不同角度對(duì)多相侵蝕問題進(jìn)行相關(guān)討論，研究區(qū)域主要分布于黃土高原風(fēng)水交錯(cuò)帶、北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶等干旱、半干旱區(qū)域，通常采用局地或試驗(yàn)小區(qū)觀測(cè)，以揭示年或季節(jié)尺度風(fēng)水兩相侵蝕特征，內(nèi)容主要涉及水風(fēng)交互侵蝕區(qū)類型的劃分［24-25］、兩相侵蝕的時(shí)空變化與分布［26-27］、風(fēng)水交互侵蝕特征［28-29］、動(dòng)力交互過程中的泥沙搬運(yùn)與堆積等方面［30-32］。但目前的研究主要關(guān)注于復(fù)合侵蝕發(fā)生過程、侵蝕類型及侵蝕產(chǎn)沙量等方面［33］，而在多動(dòng)力交互侵蝕的疊加效應(yīng)方面卻是研究的薄弱環(huán)節(jié)。復(fù)合侵蝕不是多種單一侵蝕過程的簡(jiǎn)單線性相加，而是一個(gè)多動(dòng)力侵蝕相互耦合的復(fù)雜體系，其耦合效應(yīng)表現(xiàn)為：①通過下墊面特征的改變而產(chǎn)生耦合作用；②通過形成高含沙水（風(fēng)）流產(chǎn)生耦合作用［34］。因此，通過量化侵蝕邊界和侵蝕過程的變化，研究多動(dòng)力因子耦合作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合侵蝕系統(tǒng)疊加效應(yīng)的揭示，是深入認(rèn)識(shí)這一地區(qū)土壤侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理的關(guān)鍵。

為此，本文利用人工降雨-室內(nèi)風(fēng)洞-凍融過程循環(huán)試驗(yàn)等方法，模擬多動(dòng)力復(fù)合侵蝕營(yíng)力交互作用，以單一侵蝕營(yíng)力作用下的產(chǎn)沙過程模擬作為參照試驗(yàn)，研究水蝕、風(fēng)蝕、凍融的復(fù)合侵蝕機(jī)制及其關(guān)系，分析不同侵蝕營(yíng)力組合對(duì)產(chǎn)沙過程的影響，進(jìn)而明晰風(fēng)蝕、凍融與水蝕過程耦合的疊加效應(yīng)，深化認(rèn)識(shí)復(fù)雜侵蝕環(huán)境下砒砂巖區(qū)水土流失規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置與材料利用水利部黃土高原水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在鄭州“模型黃河試驗(yàn)基地”建造的人工降雨-風(fēng)洞-凍融循環(huán)實(shí)體模型開展復(fù)合侵蝕試驗(yàn)。該模型由封閉式制冷系統(tǒng)、緊湊回流式低紊流風(fēng)洞、人工模擬降雨系統(tǒng)、試驗(yàn)土槽和軌道等5 部分組成（圖1）。其中，人工模擬降雨系統(tǒng)由下噴式模擬降雨器、壓力管道、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄水池構(gòu)成，每組降雨器上配備5 個(gè)不同大小的噴頭，其噴灑雨滴的直徑在0～3 mm，可模擬30～180 mm/h 的降雨強(qiáng)度，噴頭距地面22 m，使95%以上的雨滴終速達(dá)到天然降雨終速，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)界面可以設(shè)定降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)；緊湊回流式低紊流風(fēng)洞系根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，有效試驗(yàn)段直徑4 m，全長(zhǎng)30 m，風(fēng)洞內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)板和自動(dòng)風(fēng)速采集器，風(fēng)速風(fēng)向可自動(dòng)交替變換，模擬風(fēng)速范圍為0～30 m/s，可模擬外界自然風(fēng)，并通過自動(dòng)風(fēng)速采集器直接讀取模擬風(fēng)速；封閉式制冷系統(tǒng)主要由7.5 m×3 m×4 m（長(zhǎng)×寬×高）的冷凍箱、制冷設(shè)備構(gòu)成，箱體系采用彩鋼聚氨酯硬泡夾芯保溫板制成，內(nèi)置兩臺(tái)工業(yè)空調(diào)設(shè)備，模擬溫度0～-30℃，可模擬自然條件下土壤凍融循環(huán)過程；試驗(yàn)土槽為5 m×1 m×0.6 m（長(zhǎng)×寬×高）的標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)坡度土槽，坡度變化范圍在0～35°，土槽底設(shè)有直徑為5 mm 的透水孔，以保證土壤水自由入滲，土槽底架上裝有4 個(gè)輪子，可在軌道上來回滑動(dòng)，在試驗(yàn)土槽內(nèi)埋設(shè)全自動(dòng)水分-地溫采集系統(tǒng)，配置5 通道水分-地溫傳感器，測(cè)點(diǎn)位置按沿土層縱向埋深10、20、30、40、50 cm 布設(shè)，實(shí)時(shí)獲取5 個(gè)層面土壤水分和溫度變化過程。試驗(yàn)用土為取自于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗（北緯39°47′39″，東經(jīng)110°36′3″）二老虎溝小流域的砒砂巖表層風(fēng)化土壤，其密度為1.2～1.4 g/cm3（表1）。

表1 供試土壤的主要物理特性

圖1 室內(nèi)人工降雨-風(fēng)洞-凍融循環(huán)實(shí)體模型

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)首先在試驗(yàn)土槽底部裝填10 cm 厚的粗砂，以模擬土壤水自然下滲環(huán)境。然后將砒砂巖土壤采用分層裝填的方式置入試驗(yàn)土槽中，參考取土處砒砂巖風(fēng)化層平均厚度，裝土厚度為50 cm，填土?xí)r以每10 cm 為一層進(jìn)行分層夯實(shí)，控制土壤容重為1.3g /cm3左右，以消除下墊面差異的影響。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的溫度、水分變化過程，填土過程中每填一層，就埋設(shè)一枚溫濕度儀探頭，沿土體剖面共埋設(shè)5 枚探頭。裝填完成后，將土槽坡度調(diào)至35°，用于模擬自然狀態(tài)下砒砂巖區(qū)陡坡，用30 mm/h 的雨強(qiáng)對(duì)坡面進(jìn)行前期降雨，控制土壤含水率在35%～40%，并靜置24 h 使土槽內(nèi)土體自然沉降。

在室內(nèi)人工降雨-風(fēng)洞-凍融循環(huán)實(shí)體模型上，將裝填好的試驗(yàn)土槽沿軌道在模型的各區(qū)間來回移動(dòng)，通過多種試驗(yàn)裝置的聯(lián)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕不同復(fù)合模式的模擬試驗(yàn)。根據(jù)砒砂巖區(qū)的侵蝕動(dòng)力交互模式，設(shè)定以水蝕過程為主的3 種侵蝕組合工況：水蝕、凍融+水蝕、風(fēng)蝕+凍融+水蝕。根據(jù)砒砂巖區(qū)野外氣象觀測(cè)資料，該地區(qū)降水集中出現(xiàn)在7—8月，且侵蝕性降雨強(qiáng)度在90 mm/h 以上。每年的春季3—5月是平均風(fēng)速較大的時(shí)期，其峰值出現(xiàn)在4月，平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)15～16 m/s。土體春季解凍期的凍融循環(huán)次數(shù)約為6～10 次，完成一次凍融循環(huán)的持續(xù)時(shí)間基本維持在24 h 左右［2］。據(jù)此設(shè)置降雨、溫度、風(fēng)速等控制參數(shù)見表2。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

同時(shí)，為便于與野外自然凍融、風(fēng)力侵蝕的情況對(duì)比，在準(zhǔn)格爾旗砒砂巖區(qū)二老虎溝小流域溝道內(nèi)選取了6 塊天然砒砂巖塊體進(jìn)行野外自然狀態(tài)下的觀測(cè)，將其置于砒砂巖坡頂上，并采取全裸露、遮雨棚遮雨、全遮擋遮雨擋風(fēng)等措施，定期觀測(cè)在凍融、風(fēng)力作用下砒砂巖塊體的重量、形態(tài)變化。

2.3 分析方法通過對(duì)不同動(dòng)力交互過程的關(guān)聯(lián)組合對(duì)比分析，分離復(fù)合侵蝕中水力、風(fēng)力、凍融的耦合疊加效應(yīng)。

設(shè)D1、D2、D3分別為風(fēng)力、水力和凍融侵蝕因子變量集，則復(fù)合侵蝕f（D）可以表示為

因?yàn)閺?fù)合侵蝕具有在時(shí)間上交替的特征，那么在某一時(shí)段內(nèi)，必然存在2 個(gè)或3 個(gè)侵蝕動(dòng)力因子的交集，在此時(shí)段內(nèi)除了主導(dǎo)侵蝕動(dòng)力作用外，還有其他動(dòng)力的聯(lián)合作用。因此在某一時(shí)段內(nèi)侵蝕動(dòng)力因子存在有以下幾種交集關(guān)系：

正是有這些侵蝕動(dòng)力因子的交集關(guān)系存在，也必然有

即復(fù)合侵蝕大于等于單相侵蝕的線性疊加，其疊加的放大效應(yīng)應(yīng)該是函數(shù)。

據(jù)此，可以設(shè)計(jì)辨識(shí)復(fù)合侵蝕效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)路徑為：“凍融+水蝕”與“凍融-水蝕”復(fù)合侵蝕對(duì)比，認(rèn)識(shí)“凍-水”疊加效應(yīng)；“凍融+風(fēng)蝕+水蝕”與“凍融-風(fēng)蝕-水蝕”復(fù)合侵蝕對(duì)比，分解“凍-風(fēng)-水”疊加效應(yīng)（圖2）。

圖2 水力、風(fēng)力、凍融耦合的疊加效應(yīng)分離方案（其中“-”表示過程的疊加，“+”表示過程的相加）

3 結(jié)果與分析

3.1 單相侵蝕過程根據(jù)砒砂巖區(qū)主要侵蝕類型，在模型試驗(yàn)中模擬的單相侵蝕包括水蝕、風(fēng)蝕和凍融侵蝕。

（1）水蝕過程。砒砂巖區(qū)水力侵蝕多發(fā)生于夏季7—8月，此時(shí)降雨集中且多為暴雨，其降雨量約占全年總降雨量的64%［2］。從水蝕作用下砒砂巖坡面侵蝕產(chǎn)沙過程看（圖3），水蝕單獨(dú)作用使砒砂巖坡面產(chǎn)沙量呈先波動(dòng)上升后波動(dòng)下降、再趨于相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)序規(guī)律。坡面產(chǎn)沙開始于降雨約8 min后，產(chǎn)沙活躍時(shí)段為降雨后的12～38 min，隨著降雨持續(xù)，約40 min 后坡面形態(tài)發(fā)育趨于穩(wěn)定，相應(yīng)的產(chǎn)沙量也逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定，整個(gè)試驗(yàn)過程中坡面累積產(chǎn)沙量約為330 kg。砒砂巖坡面在水蝕作用下的產(chǎn)沙過程與黃土坡面細(xì)溝產(chǎn)沙較為相似，即細(xì)溝的發(fā)生發(fā)展過程分為活躍期與穩(wěn)定期，處于發(fā)育活躍期的細(xì)溝，其溝頭前進(jìn)、溝壁坍塌、溝底下切等過程發(fā)展較快，產(chǎn)沙量增加明顯，當(dāng)細(xì)溝發(fā)育到一定程度，形態(tài)基本達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)產(chǎn)沙量較發(fā)育活躍期略有下降， 隨后達(dá)到平衡狀態(tài)下的相對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)沙量［21］。

圖3 水蝕作用下砒砂巖坡面侵蝕產(chǎn)沙過程

（2）凍融過程。砒砂巖區(qū)凍融侵蝕多發(fā)生于春季解凍期。在白天，隨著氣溫升高表層土體解凍；到了夜晚，氣溫降低土體再次上凍，完成一次凍融循環(huán)，其持續(xù)時(shí)間基本維持在24 h 左右。圖4 為凍融作用下砒砂巖坡面不同層次土體的凍融循環(huán)過程，其凍融循環(huán)試驗(yàn)歷時(shí)7 d。

圖4 凍融作用下砒砂巖坡面不同層次土體的凍融循環(huán)過程（2019年）

根據(jù)6 次完整的凍融循環(huán)過程觀測(cè)，凍融循環(huán)影響厚度基本上只在表層10 cm 內(nèi)，更深層的土體則一直處于冰凍狀態(tài)。根據(jù)土力學(xué)基本原理，由于溫度變化，表層10 cm 內(nèi)的土體水分會(huì)發(fā)生由液態(tài)（固態(tài)）到固態(tài)（液態(tài)）的相變過程，進(jìn)而引起體積不均勻膨脹，可造成土體機(jī)械性破壞。不過，在這一過程中并未觀測(cè)到坡面產(chǎn)沙，而且置于野外現(xiàn)場(chǎng)坡頂?shù)奶烊慌皫r塊體在經(jīng)歷了一次凍融循環(huán)后，其形態(tài)、質(zhì)量也并未發(fā)生明顯變化。這一現(xiàn)象說明，在單一凍融作用下可能并不會(huì)導(dǎo)致坡面產(chǎn)沙量明顯增加，但其對(duì)砒砂巖表層結(jié)構(gòu)的破壞可以為水蝕提供更為充足的物質(zhì)來源，就是說凍融作用只有在水力、重力等驅(qū)動(dòng)因子的復(fù)合作用下才能使坡面凍融物質(zhì)被搬運(yùn)、堆積。

（3）風(fēng)蝕過程。砒砂巖區(qū)風(fēng)力侵蝕的主要作用時(shí)段在每年的3—5月，此時(shí)隨著春季氣溫逐漸回升，地表凍土開始融化，且降雨稀少，植被覆蓋度低，平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)15～16 m/s。自然界中風(fēng)蝕過程分為風(fēng)積和風(fēng)化兩個(gè)方面，其中風(fēng)化作用是在大氣條件下使砒砂巖的物理性狀和化學(xué)成分發(fā)生變化；風(fēng)積作用是風(fēng)力所挾帶的沙粒發(fā)生堆積。在單一風(fēng)蝕試驗(yàn)中，由于砒砂巖土壤的顆粒較粗，風(fēng)積產(chǎn)沙量非常小。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在風(fēng)力作用環(huán)境下的天然砒砂巖塊體形態(tài)、質(zhì)量并未出現(xiàn)明顯變化。這一現(xiàn)象說明，單一風(fēng)蝕作用也可能不會(huì)造成砒砂巖坡面產(chǎn)沙量的明顯增加，只有在水力等作用下，風(fēng)蝕對(duì)砒砂巖表層的風(fēng)化影響才會(huì)顯現(xiàn)。當(dāng)然，對(duì)這一現(xiàn)象還需要深化研究。

3.2 凍融-風(fēng)蝕-水蝕疊加過程砒砂巖區(qū)侵蝕環(huán)境因子呈明顯的季節(jié)性變化特征，水力、風(fēng)力、凍融侵蝕過程在時(shí)間上交替、在空間上疊加，延長(zhǎng)了侵蝕時(shí)間，加劇了侵蝕程度。要揭示水力-風(fēng)力-凍融的驅(qū)動(dòng)疊加效應(yīng)，需要通過與不同侵蝕動(dòng)力組合的對(duì)比分析，定量分離風(fēng)蝕、凍融與水蝕過程的疊加關(guān)系。

以“凍-水”表示凍融、水力二者的復(fù)合侵蝕產(chǎn)沙量，以“凍-風(fēng)-水”表示凍融、風(fēng)力、水力三者的復(fù)合侵蝕產(chǎn)沙量，由“凍+水/凍+風(fēng)+水”表示凍融與水蝕（或凍融與風(fēng)蝕和水蝕）過程相加的產(chǎn)沙量。根據(jù)不同動(dòng)力組合作用下砒砂巖坡面侵蝕產(chǎn)沙過程分析（圖5），由于試驗(yàn)過程中單一風(fēng)蝕過程產(chǎn)沙量極少，因此“凍+水”和“凍+風(fēng)+水”兩條線基本上重合、“風(fēng)蝕”和“凍融”兩條線重合。也說明在單一的凍融、風(fēng)蝕作用下砒砂巖坡面產(chǎn)沙量甚微?！皟?水/凍+風(fēng)+水”產(chǎn)沙過程較復(fù)合侵蝕產(chǎn)沙量明顯偏小，且累積產(chǎn)沙量的增加過程較為平緩；“凍-水”和“凍-風(fēng)-水”產(chǎn)沙過程較“凍+水/凍+風(fēng)+水”過程增加明顯，且在降雨開始后的14～42 min 累積產(chǎn)沙量劇烈增加，而此時(shí)正是坡面侵蝕形態(tài)發(fā)育的活躍階段，說明多動(dòng)力交互作用下的復(fù)合侵蝕會(huì)導(dǎo)致砒砂巖坡面產(chǎn)沙的明顯增加，尤其是對(duì)坡面侵蝕形態(tài)發(fā)育活躍期的侵蝕產(chǎn)沙量影響顯著。

圖5 不同動(dòng)力組合作用下砒砂巖坡面侵蝕產(chǎn)沙過程（其中“-”表示過程的疊加，“+”表示過程的相加）

從圖6所示的多動(dòng)力交互作用下砒砂巖坡面復(fù)合侵蝕疊加效應(yīng)看，在“凍+水”作用下，砒砂巖坡面產(chǎn)沙量約為330 kg，“凍-水”復(fù)合作用下的產(chǎn)沙量約為748 kg，“凍-水”疊加效應(yīng)約放大到127%；在“凍+風(fēng)+水”作用下，砒砂巖坡面產(chǎn)沙量約為329 kg，“凍-風(fēng)-水”復(fù)合作用下的產(chǎn)沙量約為868 kg，“凍-風(fēng)-水”疊加效應(yīng)放大至164%。說明復(fù)合侵蝕作用存在著疊加放大效應(yīng)，兩相或三相作用力的交互能使砒砂巖坡面的產(chǎn)沙量增加1 倍以上，這也是砒砂巖區(qū)成為黃河粗泥沙來源核心區(qū)的重要原因之一。此研究結(jié)果與李秋艷等［35］、顏明等［36］的有關(guān)研究結(jié)論是一致的，后者認(rèn)為，在黃河中游多沙粗沙區(qū)的產(chǎn)沙過程中，復(fù)合侵蝕扮演著重要的角色。

圖6 多動(dòng)力交互作用下砒砂巖坡面復(fù)合侵蝕疊加效應(yīng)

4 結(jié)論

（1）單一的凍融、風(fēng)蝕作用并不會(huì)直接導(dǎo)致砒砂巖坡面產(chǎn)沙量明顯增加，二者只有在水力、重力等驅(qū)動(dòng)因子的共同作用下才能使坡面泥沙被搬運(yùn)、堆積，砒砂巖區(qū)的復(fù)合侵蝕主要表現(xiàn)為以水蝕過程為主導(dǎo)的水力-風(fēng)力-凍融交互侵蝕作用。（2）在砒砂巖坡面，風(fēng)力產(chǎn)沙量甚微，其影響作用主要是使砒砂巖表層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，形成風(fēng)化層，為水力侵蝕提供更為充足的物質(zhì)來源，砒砂巖體表面風(fēng)化層的存在是影響風(fēng)蝕產(chǎn)沙的一個(gè)重要因素。（3）復(fù)合侵蝕不等于水力、風(fēng)力、凍融單一動(dòng)力侵蝕量的簡(jiǎn)單線性疊加，其復(fù)合侵蝕作用存在著疊加放大效應(yīng)，水力、風(fēng)力、凍融等兩相或三相作用力的交互能使砒砂巖坡面的產(chǎn)沙量增加1 倍以上，這種多動(dòng)力的疊加尤其對(duì)坡面侵蝕形態(tài)發(fā)育活躍期的侵蝕產(chǎn)沙量影響顯著。（4）黃河流域砒砂巖區(qū)水蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕交替發(fā)生，多類侵蝕子過程共同構(gòu)成了復(fù)雜的土壤侵蝕過程，多動(dòng)力交互作用下的復(fù)合侵蝕疊加放大效應(yīng)是使其成為黃河粗泥沙來源核心區(qū)的重要原因之一。