2. 旱区生态水文与侵蚀灾害防治国家林业局重点实验室,710048,西安;
3. 西安国际港务区农业农村和水务局,710026,西安;
4. 宁夏回族自治区水土保持监测总站,750002,银川;
5. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,710065,西安
中国水土保持科学 2023, Vol. 21 Issue (1): 10-18. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.01.002 |
季节性冻融过程主要发生在中高纬度地区,通常以冬季冻结和夏季消融为特征[1]。黄土高原北部气温每年在0 ℃以下有105~125 d,其多年平均降水量为300 mm左右,该地区是我国发生冻融侵蚀的主要地区之一[2]。在冻融侵蚀区,由于春季地表温度升高,表层土壤中的不完全解冻层是发生严重土壤侵蚀的关键因素[3]。冻结的土壤会阻碍径流的入渗,径流迅速汇集下切形成细沟,大量泥沙沿细沟被剥离,使侵蚀量增大[4]。并且冻融作用改变土壤的物理特性。李占斌等[5]研究发现,土壤冻结使土壤孔隙中的水体凝结成冰,冻融作用使孔隙度增大,土壤密度降低。因此在土壤解冻过程中土壤稳定性降低,导致土壤可蚀性增大[6]。与此同时,黄土高原风水侵蚀交错带夏秋多雨、冬春干旱,受风力侵蚀的影响,该地区分布着广泛的片沙覆盖地貌区,由于其独特的沙土二元结构,覆沙坡面的土壤侵蚀特征不同于单一黄土坡面[7]。由于风沙土泥沙颗粒较粗,在坡面产流前沙层贮存大量的水分,当坡面开始产流后,径流中的含沙量很大,导致严重的水土流失。在黄土高原北部,受冻融作用影响的区域与覆沙区域重叠,重叠区域受水蚀、风蚀和冻融等多种侵蚀力的影响,水土流失现象异常严重[8]。
径流是搬运泥沙颗粒的主要驱动力,在土壤侵蚀过程中侵蚀泥沙颗粒的分布特征可较好地反映坡面侵蚀的变化过程,因此侵蚀泥沙颗粒分布特征也成为研究土壤侵蚀过程的一个重要指标[9]。侵蚀泥沙颗粒的分布特征受侵蚀类型、原始土壤颗粒的大小、各泥沙粒径的沉降速度等多种因素的影响[10-11]。张辉等[12]通过室内模拟降雨试验研究得出,冻土坡面的黏粒和细粉粒容易被坡面径流搬运与输移。在冻融作用的影响下,土壤冻结使土壤孔隙中的水体凝结膨胀,改变土壤颗粒的大小,破坏土壤颗粒之间的结合[13]。在春季解冻期,较小的降雨或积雪融化形成坡面径流使经过冻融作用的土壤颗粒更容易发生分离[14]。一般来说较细的土壤颗粒结合聚合力较强[15],Assouline等[16]认为当土壤颗粒中的黏粒体积分数在30%~50%之间时,土壤聚合力较大,容易形成稳定性较好的土壤结构体。汤珊珊等[17]以覆沙坡面为研究对象,对粗泥沙颗粒含量较高土壤的侵蚀泥沙颗粒分布特征进行研究,指出覆沙坡面的侵蚀泥沙颗粒在0~10 min以粗颗粒为主,随着降雨的继续细颗粒逐渐增多。
黄土高原北部属多动力综合作用区,冬春季节以风蚀为主,并且部分地区存在冻融侵蚀,多种侵蚀力叠加使该区域土壤侵蚀过程复杂,侵蚀量加剧。目前针对该区域的研究多集中在单一侵蚀力或风水复合侵蚀力作用下的侵蚀特征,对多种外营力复合侵蚀的过程侵蚀泥沙颗粒规律的研究较少;因此本研究将在前人研究的基础上,结合黄土高原冻融侵蚀的特点,采用室内模拟冷冻和放水冲刷试验,分析覆沙黄土坡面的侵蚀过程及泥沙颗粒分选特性,为进一步揭示其侵蚀过程机理提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料与装置试验用土为黄土和风沙土,根据1987年中国制粒级分级标准,采用Mastersizer 2000激光粒度仪测量泥沙样品的粒径大小(d),测得黄土的颗粒组成为黏粒(d < 0.002 mm)0.20%、细粉粒(0.002≤d < 0.010 mm)48.10%、粗粉粒(0.010≤d < 0.050 mm)23.91%和砂粒27.79%(0.050≤d < 2.000 mm),风沙土的颗粒组成为黏粒(d < 0.002 mm)0.72%、细粉粒(0.002≤d < 0.010 mm)2.11%、粗粉粒(0.010≤d < 0.050 mm)13.27%和砂粒83.90%(0.050≤d < 2.000 mm)。经测定黄土的干密度约为1.25 g/cm3,风沙土的干密度约为1.65 g/cm3。
图 1为冲刷试验装置示意图。土槽(长2 m、深0.2 m和宽0.2 m)为木质土槽,设置为12°的斜坡。在土槽顶部连接一个长2 m、宽0.2 m、深0.05 m的水槽,形成稳定的集中水流,即试验坡长4 m。稳流槽采用带孔的有机玻璃板分为2部分,稳流槽中的水来自装有流量控制器的水箱,水箱设上有排水孔,以保持水压稳定。冷冻土壤系统的装置内部尺寸为长4.5 m、宽2.5 m和高2.5 m,可调温度范围在-40~-30 ℃之间,满足试验需求。
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图 1 冲刷试验装置示意图 Fig. 1 Scouring experimental system |
冲刷试验在西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室进行,于2017年4月11日开始,至4月23日结束。试验设计为未冻裸坡(U0)、未冻覆沙(U1)、冻土裸坡(F0)、和冻土覆沙(F1)4种坡面,覆沙坡面(U1和F1)的覆沙厚度为1 cm。根据黄土丘陵区解冻期的平均降水量(5.2~18.6 mm/h),设计放水强度为1 L/min(相当于在长2.0 m和宽0.2 m的条件下发生降雨强度为15 mm/h的降雨)。根据野外现场调研结果和已有研究成果,目前黄土高原50%以上坡耕地的坡度在10°和15°之间[18],因此该试验的坡度设计为12°。将野外采回的土样称量并烘干,根据计算结果设定土壤前期含水量为15%,土壤干密度为1.25 g/cm3。
填土过程:1)土壤风干并过筛(10 mm×10 mm),除去植物根、小石块等杂质;2)取适量土样测量其含水率,用喷壶洒水混合均匀使含水量达到15%左右,并用塑料膜覆盖防止水分蒸发;3)根据测定野外黄土的干密度(1.25 g/cm3)计算得出需要的用土量,将配置好的黄土每5 cm装入土槽中,一共4层,每层黄土装填压实后在表面进行浅锄,保证土壤紧密结合;4)根据试验设计要求在需要覆沙的坡面覆盖1 cm的风沙土,覆沙坡面在装土时表层预留1 cm位置,保证每场试验填土厚度一致;5)用喷壶在覆沙坡面喷洒适量的水,让沙层的含水量接近野外;6)将需要冷冻的土槽放入冷冻土壤系统,温度设定为-20 ℃,待土壤完全冻结后取出进行试验。
试验开始前先率定冲刷流量,在率定值连续3次与设计流量之间的误差 < 5%时进行冲刷试验。水流进入土槽后到径流收集装置出现径流的时间为初始产流时间,径流收集装置出现径流开始记录产流时间,产流持续15 min后关水,每场试验重复3次。试验过程中用带刻度的塑料桶(5 L)收集每min的径流泥沙样品,并且将部分样品收集在事先定容过得广口瓶中。试验结束后记录塑料桶中浑水的体积,将广口瓶中的泥沙样品静置12 h,倒去部分上层清液并转移至事先称量过的钢制饭盒中,放在105 ℃的烘箱中12 h,烘干后用电子秤称量得到广口瓶中的泥沙质量,数据保留小数点后2位。用广口瓶中的泥沙质量与广口瓶的容积相比得到含沙量,用含沙量乘以塑料桶中浑水的体积得到塑料桶中的产沙量,随后得到侵蚀过程中每分钟的产沙量。产流量的值为每分钟塑料桶和广口瓶的总体积减去每分钟产沙量的体积。试验期间的水温始终保持在10 ℃左右,并保持相对恒定。
1.3 数据处理与分析试验后取适量烘干的泥沙样品过2 mm的筛,根据1987年中国制粒级分级标准将泥沙样品进行分级。在试验结果中用平均质量直径(mean weight diameter, MWD)来表示泥沙颗粒分选特性,其计算公式[19]为
| $ {D_{\rm{M}}} = \frac{{\sum\limits_1^i {{X_i}{W_i}} }}{{100}}。$ |
式中:DM为平均质量直径,mm;Xi为第i级颗粒的平均值,mm;Wi为第i级颗粒所占的体积分数,%。
采用Photoshop CS4绘制了冲刷试验装置示意图,用Origin 8.5软件进行绘图,用Excel 2019和SPSS 21.0进行试验数据分析,采用SPSS 21.0软件对相关数据进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 坡面产流产沙特征试验结果表明,在冲刷条件下,各坡面的初始产流时间、产流特征和产沙特征显著不同(表 1)。以U0的初始产流时间为基础,计算各坡面初始产流时间的变化特征。U1的初始产流时间明显长于U0,U1的初始产流时间较U0滞后250.46%。F0的初始产流时间比U0早37.9%,F1的初始产流时间是U0的81.01%,但是F1的初始产流时间大约是U1的1/4。由表 1可见,对于未冻坡面,坡面覆沙后初始产流时间明显滞后。在相同覆沙条件下,冻土坡面的初始产流时间明显小于未冻坡面。
| 表 1 坡面产流产沙特征值 Tab. 1 Characteristic values of runoff and sediment yield on slope |
坡面产流速率分别在未冻和冻结2种状态下随产流时间的变化趋势相似(图 2a)。未冻坡面的初始产流速率分别是245.43(U0)和458.84 mL/min(U1),产流速率呈“增大-稳定”的变化趋势;冻土坡面的初始产流速率相比于未冻坡面较大,分别是871.5(F0) 和772.74 mL/min(F1),冻土坡面产流速率随产流时间的变化趋势较为稳定。由表 1可见,各坡面平均产流速率表现为:U0<U1<F0<F1,U1、F0和F1的平均产流速率分别是U0的1.14、1.43和1.47倍。经方差分析,U0的平均产流速率与U1、F0和F1差异显著(P<0.05),而冻土坡面在裸坡和覆沙条件下的产流速率无显著差异(P>0.05)。对于未冻坡面,坡面覆沙对坡面产流过程有显著的影响。在产流过程中,U0和U1的CV值分别是22.92%和17.56%,波动范围较大;F0和F1在产流过程中CV值分别是3.16%和7.58%,波动范围较小。
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图 2 坡面产流产沙过程 Fig. 2 Runoff and sediment yield process on slope |
未冻坡面和冻土坡面的产沙过程表现出明显的差异(图 2b)。在相同覆沙条件下,冻土坡面在整个试验过程中的产沙速率始终明显大于未冻坡面。U0和F0的产沙速率随产流时间的延长变化趋势较为平稳,U1和F1的产沙速率随产流时间的变化波动范围较大,分别在86.24~315.50和323.43~ 788.99 g/min之间(表 1),覆沙坡面的产沙速率随产流时间的延长呈先减小后增大再减小的趋势。各坡面的平均产沙速率差异较大,平均产沙速率表现为:U0<U1<F0<F1,U1、F0和F1的平均产流速率分别是U0的3.37、8.38和8.88倍。经方差分析,U0的平均产沙速率与U1、F0和F1差异显著(P<0.05),而冻土坡面在裸坡和覆沙条件下的产沙速率无显著差异(P>0.05)。由此可以看出,坡面产沙过程受土壤冻结的影响较大,并且在裸坡条件下土壤冻结对产沙过程的影响大于覆沙条件下土壤冻结对产沙过程的影响。在产沙过程中,各坡面的CV值分别是28.77%(U0)、44.78%(U1)、5.62%(F0)和27.27%(F1)。U1的CV值是U0的1.56倍,F1的CV值是F0的4.85倍,说明不论是未冻坡面还是冻土坡面,覆沙对坡面产沙过程的影响较大。
2.2 坡面泥沙颗粒分选特征 2.2.1 泥沙颗粒平均质量直径的变化规律图 3为黄土本底物、风沙土本底物和各坡面泥沙颗粒MWD的试验结果。由图 3a可见,在试验过程中U0和F0的MWD随产流时间的延长波动程度较小。U0的MWD在坡面开始产流的0~2 min降低并保持稳定,在2~10 min的MWD大小接近黄土本底物,在产流末期上下波动最终保持相对稳定。F0和U0的MWD变化规律较为相似,F0的MWD在3~11 min保持稳定并且始终大于U0的MWD。U1和F1的MWD随产流时间的延长波动程度较大,并且变化规律大致相同。U1和F1的MWD在试验过程中均有2个明显增大和减小的过程,在产流末期均逐渐减小并且趋于稳定。由图 3b可以看出,黄土本底物和风沙土本底物的MWD分别是0.29和0.86 mm,并且裸坡坡面的MWD明显小于覆沙坡面的MWD(P<0.05)。
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图 3 坡面泥沙颗粒平均质量直径随产流时间的变化特征及其平均值 Fig. 3 Variation characteristics of mean weight diameter (MWD) with runoff time and average value |
为了进一步揭示各坡面泥沙颗粒MWD的变化规律,将黄土本底物、风沙土本底物和各坡面泥沙颗粒MWD的平均值、最大值和最小值进行统计并绘制成表。如表 2所示,MWD的平均值大小依次为:黄土本底物<F0<U0<F1<U1<风沙土本底物。U1的MWD平均值最大,为0.57 mm,变化范围在0.42~0.79 mm之间,F0的MWD平均值最小,为0.30 mm,变化范围在0.26~0.38 mm之间。经方差分析,U1和F1之间的MWD没有显著性差异(P>0.05),而U0的MWD与U1、F0和F1的MWD差异显著(P<0.05)。
| 表 2 各坡面MWD的统计特征 Tab. 2 Statistical characteristics of MWD on slope |
由图 4a可见,覆沙坡面侵蚀泥沙中的砂粒含量大于裸坡坡面。在坡面开始产流后,覆沙坡面侵蚀泥沙中的砂粒含量有2个迅速增大和减小的过程,在产流末期趋于稳定。裸坡坡面泥沙中的砂粒含量随产流时间的延长相对保持稳定,并且未冻坡面侵蚀泥沙中的砂粒含量普遍大于冻土坡面。各坡面侵蚀泥沙中粗粉粒含量随产流时间的变化趋势与砂粒相反(图 4b)。各坡面侵蚀泥沙中细粉粒含量随产流时间的延长波动程度较小,并且裸坡坡面侵蚀泥沙中的细粉粒含量大于覆沙坡面,在相同覆沙条件下冻土坡面侵蚀泥沙中的细粉粒含量普遍大于未冻坡面(图 4c)。各坡面侵蚀泥沙中黏粒含量极低,裸坡坡面的黏粒含量大于覆沙坡面,各坡面黏粒含量随着产流时间的延长并无明显变化规律(图 4d)。
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图 4 坡面不同粒级泥沙颗粒含量随时间的变化规律 Fig. 4 Variation of sediment particle contents with time in different particle sizes on slope |
为了进一步揭示各坡面不同粒级颗粒含量的变化规律,对各坡面侵蚀过程中的不同粒级颗粒含量进行统计(表 3)。由表 3可见,对于裸坡坡面,粗粉粒的体积分数较高,U0和F0的粗粉粒体积分数分别达到55.43%和58.64%;其次是砂粒,U0和F0的砂粒体积分数分别达到34.31%和27.89%。对于覆沙坡面,砂粒的含量较高,U1和F1的砂粒体积分数分别达到54.23%(U1)和51.08%(F1);其次是粗粉粒,U1和F1的粗粉粒体积分数分别达到42.61%和44.4%。各坡面细粉粒的体积分数分别为10.04%(U0)、3.15%(F0)、13.18%(U1)和4.50%(F1)。经方差分析,覆沙坡面细粉粒的含量均显著小于裸坡坡面细粉粒的含量(P<0.05),未冻坡面细粉粒的含量均显著小于冻土坡面细粉粒的含量(P<0.05)。各坡面黏粒的含量极少,占泥沙颗粒总量的0.02%~0.29%。
| 表 3 各坡面不同粒级泥沙颗粒体积分数 Tab. 3 Contents of sediment particles with different particle sizes on each slope |
全球气候变暖已是不争的事实,因此21世纪以来,高寒地区由于气候变暖引起的土壤侵蚀问题得到了众多学者的广泛关注[20]。在中国黄河中上游地区的冬春交替时期,由于气候、地质、地貌、物质组成等多因素相互影响,以水体的冰冻和消融为主要驱动力,并且通过重力作用发生强烈的冻融侵蚀,严重的土壤侵蚀给当地的生产生活造成了巨大的影响[1]。
在本研究中,未冻覆沙坡面(U1)的初始产流时间较未冻裸坡坡面(U0)大大增加,冻土坡面(F0和F1)的初始产流时间较U0明显减小(表 1)。对于U1而言,由于风沙土孔隙度较大,有储存大量水分的能力,此时土壤的入渗能力较强,坡面无径流产生。随着试验的继续,土壤入渗能力逐渐下降,当风沙土中的蓄水达到饱和后坡面开始产流,因此初始产流时间大大增加。对于冻土坡面而言,表层土壤中的水体凝结成冰形成不透水层,土壤入渗能力较小,径流迅速汇集开始产流,因此初始产流时间大大减少[3]。在试验过程中,覆沙坡面(U1和F1)的产沙速率随产流时间的变化波动范围较大,而裸坡坡面(U0和F0)的产沙速率随产流时间的变化波动范围较小,这与汤珊珊等[7]的研究结果一致。覆沙坡面的沙层在产流初期储存了大量的水分,此时沙层较黄土具有较大的势能。由于风沙土黏性较差,在产流初期的侵蚀以沙层的坍塌后退形成的溯源侵蚀为主,因此覆沙坡面在产流初期的产沙速率较大。覆沙坡面的产沙速率随着产流时间的延长逐渐减小,随后增大并在产流末期趋于稳定。这是由于随着试验的继续,坡面风沙土急剧减少,产沙速率降低。随后水流在沙土界面形成的细沟中汇集,导致侵蚀力增大,产流速率随之增大[7]。在相同覆沙条件下,冻土坡面(F0和F1)在整个试验过程中的产沙速率始终明显大于未冻坡面(U0和U1),这与张辉等[12]的研究结果相同。相比于未冻坡面,冻土坡面侵蚀量急剧增大主要有以下3点:1)土壤冻结使坡面形成了不透水层(冻结层),径流入渗量大大减小,径流系数接近于1,水流在坡面迅速汇集形成细沟,导致土壤侵蚀加剧[12];2)土壤在秋冬开始冻结时水分一般比较充分,土壤孔隙中的水分凝结增加土壤前期蓄水量,在解冻期发生侵蚀的过程中,径流量增大也是导致侵蚀加剧的原因之一;3)当温度降到零摄氏度以下,土壤孔隙中的水体凝结成冰,水体膨胀使土壤孔隙度增大,大大降低土体的稳定性,使侵蚀加剧。
土壤质地是影响泥沙颗粒分选的主要因素。本试验的研究结果表明,覆沙坡面泥沙颗粒的MWD较裸坡坡面明显增大(图 3b)。此研究结果与汤珊珊等[17]的研究结果相同。汤珊珊等[17]还指出在细沟发育和细沟侵蚀与细沟间侵蚀交替期,MWD随着覆沙厚度的增加而增大。这是由于泥沙颗粒越细的土壤黏结性较强,细颗粒使土壤形成团状结构体,土壤抗蚀性增强,因此裸坡坡面泥沙颗粒的MWD明显小于覆沙坡面(P<0.05)。在本试验中,覆沙坡面的MWD在试验过程中有2个明显增大和减小的过程。出现第1个峰值是由于覆沙坡面表层的颗粒较粗,土壤黏结性较弱,容易受到径流的冲蚀,因此在冲刷条件下砂粒和粗粉粒更容易被坡面径流带走,MWD明显增大后出现第1个峰值。在此之后径流经过的土壤表面沙粒逐渐减少直到被完全搬运,MWD的值也随之减小。随着试验的继续,土壤含水率逐渐增大直至饱和,土壤入渗率随之逐渐减小,坡面径流增大使径流的搬运能力增强,此时土壤中的粗颗粒被搬运,导致覆沙坡面的MWD出现第2个峰值。对于未冻坡面和冻土坡面而言,未冻坡面泥沙颗粒的MWD显著大于冻土坡面(P<0.05)。土壤冻结使土壤孔隙中的水体凝结,水体膨胀使土壤形成的团状结构体稳定性降低,土壤不易形成颗粒较大的团状结构体,因此相比于未冻坡面,冻土坡面的侵蚀泥沙颗粒中细颗粒的含量相对较高(表 3)。
4 结论1) 在本试验中,坡面覆沙后的初始产流时间会明显滞后;在相同覆沙条件下,冻土坡面的初始产流时间明显小于未冻坡面。各坡面平均产流速率表现为U0<U1<F0<F1,未冻坡面的产流速率呈“增大-稳定”的变化趋势,冻土坡面产流速率随产流时间的变化趋势较为稳定。在相同覆沙条件下,冻土坡面的产沙速率始终明显大于未冻坡面。各坡面平均产沙速率表现为U0<U1<F0<F1,裸坡坡面的产沙速率随产流时间的延长变化趋势较为平稳,覆沙坡面的产沙速率随产流时间的变化波动范围较大。冻土坡面在裸坡和覆沙条件下的产流速率与产沙速率产流速率均无显著差异(P>0.05)。
2) 在侵蚀过程中,裸坡坡面的MWD随产流时间的延长波动程度较小,而覆沙坡面的MWD波动程度较大,并且裸坡坡面的WMD明显小于覆沙坡面(P<0.05)。各坡面泥沙颗粒MWD的平均值表现为黄土本底物<F0<U0<F1<U1<风沙土本底物。裸坡坡面粗粉粒的含量较高,覆沙坡面砂粒的含量较高。覆沙坡面细粉粒的含量均显著小于裸坡坡面细粉粒的含量(P<0.05),未冻坡面细粉粒的含量均显著小于冻土坡面细粉粒的含量(P<0.05)。各坡面黏粒的含量极少,占泥沙颗粒总量的0.02%~0.29%。
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