模拟降雨条件下不同颗粒级配工程弃土的侵蚀实验

崔斌，苏芳莉，郭成久

(沈阳农业大学水利学院，110866，沈阳)

开发建设项目水土流失造成的水土资源和土地生产力的破坏和损失，是一种典型的现代人为加速侵蚀，具有突发性较强、形式和流失强度多样、危害大的特点［1］。水利部、中国科学院、中国工程院联合组织完成的“中国水土流失与生态安全综合科学考察”结果显示，“十五”期间，全国开发建设项目扰动地表面积5.5 万km2，造成了大量的水土流失。扰动后的土壤经雨浇、风干日晒等干湿交替作用，会改变原来土壤的理化性状，特别是土壤的颗粒组成，因此，研究不同颗粒级配土壤的侵蚀规律显得尤为重要。笔者通过室内模拟降雨试验，研究在不同降雨强度作用下，不同颗粒级配弃土的侵蚀规律及主要影响因素，以期为即将进行的沈阳市东部等一系列开发建设项目水土流失预测与防治提供依据。

1 研究方法

1.1 试验材料

试验设置在沈阳农业大学水利学院水工大厅。试验小区采用铁槽代替，坡度设定为25°，规格为0.6 m×0.3 m×0.1 m，铁槽底部打有小孔，以模拟自然条件下的土壤渗流，铁槽下端预留出水口，用来接样。试验用土取自沈阳市天柱山附近的工程弃土(大部分土壤颗粒＜5 mm)，除去所取土样中的杂草、根系、较大的土块和石头等杂质。为更好地模拟天然条件下次降雨对径流量和产沙量的影响，且便于获得更多的土壤颗粒，进行试验前先把除去杂质的土润湿，待自然晾晒风干后置于一套标准筛(筛孔尺寸分别为0.15、0.30、0.60、1.18、2.36 和4.75 mm)过筛，得到7 种不同粒径范围的土样。将这7种粒径的土样按照5 种不同比例(表1)均匀混合后，采用分层回填土样法进行填土，每5 cm 为一层，填装2 层土样，在填装上层土料之前，抓毛下层土壤表面，以达到混合均匀并防止分层现象。

表1 5 组土样不同粒径颗粒组成比例Tab.1 Different particle size composition of five soil samples

1.2 试验方法

对5 组不同颗粒级配土样进行降雨试验，降雨前对供试土样进行少量喷水，以使土壤含水率在7.5%～8.7%(模拟原弃土含水率)之间，降雨强度采用1.0、1.5 和2.0 mm/min 3 个等级。试验前对设备进行滤定，通过压力表读数来确定所需降雨强度。共设置15 组试验，每组设置3 个重复，共计试验45 次。采用下喷式降雨设备，主要原件包括水泵、输水管、压力表、开关和喷头。下喷式喷头距地面8 m，大部分雨滴均可达到终点速度且均匀降落，喷头有效控制面积达到5 m×5 m，可满足试验要求。每种土样降雨历时设为50 min，从产流开始计时，之后每间隔5 min 用塑料桶接1 次径流样，整个降雨过程共接径流样10 次。

1.3 径流量、产沙量的计算方法

降雨结束后，用大量筒分别测得10 个桶内的浑水量，所测得的体积为5 min 内的径流量、产沙量与降落到接样塑料桶内的雨水量之和，其中泥沙体积待泥沙沉淀后从量筒直接读出。每5 min 的径流量计算公式为

式中:V径为每5 min 的径流量，mL;V总为测得的每5 min 内的浑水总量，mL;V泥沙为测得的每5 min 内的泥沙体积，mL;I 为降雨强度，mm/min;A 为接样塑料桶上口口径面积，cm2，A 取3 017 cm2。

测完径流量后，将水样静置沉淀1 d 后，将上层清水倒掉，把所剩泥沙转移到铝盒中，置于105 ℃烘箱中烘干8 h 至恒质量，测得干土质量即为产沙量。

1.4 细度模数的计算方法

细度模数的计算公式为

式中:μf为细度模数;A1、A2、A3、A4、A5和A6为累计筛余比例，%。

细度模数常用筛分法进行测定，筛分法是用一套孔径为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30 及0.15 mm的标准筛，将相同质量的待测土样由粗到细依次过筛，然后称得余留在各个筛上的土样质量，并计算出各筛上的分计筛余比例a1、a2、a3、a4、a5和a6(各筛上筛余量占土样总量的比例)及累计筛余比例A1、A2、A3、A4、A5和A6(各个筛和比该筛粗的所有分计筛余比例相加)。累计筛余与分计筛余的关系见表2。

表2 累计筛余与分计筛余的关系Tab.2 Relationship between cumulative and separately remaining amount in sieves

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒级配对径流量的影响

不同降雨强度条件下径流量随降雨时间的变化见图1。可以看出，不同颗粒级配的土样在相同降雨强度条件下，径流量的变化规律基本一致，即在15 ～20 min 之前，5 种颗粒级配弃土每5 min 内的径流量有所增加，之后趋于稳定，且稳定值差异并不明显，以1.5 mm/min 降雨强度(图1(a))条件下5 种土样的径流量为例，依次为1 040、1 050、1 030、1 030和1 020 mL。分析认为，试验用土壤颗粒大部分在5 mm 以下，土壤颗粒间填充比较密实，雨水下渗均匀，且由于实验小区较小，土壤颗粒间孔隙迅速被雨水所填充，此时下渗率几乎为零，而在持续降雨条件下，当坡面上降雨强度大于入渗率时，径流便开始产生;因此，这一时刻便是径流量趋于稳定的时间。从图中还可以看出，在同一降雨强度条件下，5 种颗粒级配土样径流量趋于稳定的时间基本相同，仅在不同降雨强度条件下有所不同。

图1 不同降雨强度条件下径流量随降雨时间的变化Fig.1 Runoff over rainfall time change under different rainfall intensities

2.2 土壤颗粒级配对产沙量的影响

不同降雨强度条件下产沙量随降雨时间的变化见图2。可以看出:在3 种不同降雨强度条件下，土样Ⅳ的产沙量均为最小，土样Ⅰ最大，土样Ⅱ次之，土样Ⅲ和土样Ⅴ居中;在同一降雨强度作用条件下，产沙量大小关系同样如此。分析认为，径流是坡面土壤泥沙流失的动力和载体，径流在坡面传递过程实际上是径流与坡面土壤颗粒相互作用的过程，在这个过程中，径流首先选择性地携带土壤细颗粒［2］。这说明径流对所携带的土壤颗粒具有选择性。郭伟等［3］研究了红壤团聚体对坡面产沙的影响，认为侵蚀泥沙平均粒径随团聚体的增大而减少。这与国外的R.E.Burwell 等［4］、E.E.Alberts 等［5］、F.Gregory［6］等的研究结果一致。而不同颗粒级配粒土壤的粗细程度可以用细度模数［7］来衡量。经计算得出5 种土样的细度模数分别为1.42、2.22、2.90、3.44、3.39，而在任一降雨强度条件下，5 组土样产沙量从大到小依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ。可见，细度模数的变化趋势与不同颗粒级配土壤产沙量的变化趋式相反;因此，通过细度模数恰可以反映出不同颗粒级配土壤产沙量的大小关系，即产沙量随着细度模数的增加而减少。这与郭伟等［3］研究团聚体的结论不谋而合。此外，从图2 中还可以看出，随着降雨历时的增加，相同间隔时间(5 min)内产沙量逐渐减少，均呈现递减的趋势。原因是:在产流初期，坡面细小土壤颗粒比较多，且土壤颗粒间结合力小，黏滞力亦小，稳定性就越差，越易被侵蚀;而随着降雨历时的增加，细小土壤颗粒越来越少，较大土壤颗粒需要更大起动能量，越不易被侵蚀，因此，呈现出产沙量逐渐减少的趋势。

图2 不同降雨强度条件下产沙量随降雨时间的变化Fig.2 Sediment over rainfall time change under different rainfall intensities

2.3 不同降雨强度对坡面径流量、产沙量的影响

从图1 可以看出，对于任一颗粒级配的土样，径流量均随着降雨强度的增大而增加，且差异比较明显，1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨强度条件下每5 min 的径流量峰值分别为1 000、1 100 和1 300 mL，而每5 min 内径流量趋于稳定的时间大约分别为20、15 和15 min。分析认为:地表径流量的大小主要由坡面土壤入渗率和承雨量来决定。由于铁槽较小，观察发现铁槽底部小孔渗流量远小于降雨量，铁槽内土壤孔隙很快被雨水填充，此时己属于蓄满产流，坡面产流后入渗率接近于零，降雨量全部转化为径流量;因此，降雨量直接影响径流量。而在降雨初期，坡面可蚀性土壤颗粒较多，对径流有一定的滞流作用，随着降雨历时的增加，可蚀性土壤颗粒越来越少，对径流的滞流作用越来越不明显，此时径流量趋于稳定。在1.0 mm/min 降雨强度条件下，这个时间大约为20 min，而在1.5 和2.0 mm/min 降雨强度条件下，每5 min 产生的径流量趋于稳定的时间比1.0 mm/min 降雨强度条件下提前约5 min 左右。这是由于在降雨强度相对比较大的情况下，产生的径流量也大，水流挟沙能力增加，坡面上较小的土壤颗粒在更短的时间内被水流带走，因此，径流量趋于稳定的时间有所缩短。

由图2 可以看出，降雨强度对产沙量的影响具有一定的规律性，对于任一颗粒级配的土样，产沙量随着降雨强度的增大而增加，而且差异比较明显。以土样Ⅰ的累积产沙量为例，3 种降雨强度条件下的累积产沙量分别为56.3、67.19、79.14 g。分析认为，坡面上不同粒径土壤颗粒起动能量不同，随着粒径的增加而增加。在1.0 mm/min 降雨强度条件下，Ⅰ～Ⅴ组土样的产沙量主要集中在0.3 mm 以下土壤颗粒，而在降雨强度为1.5 和2.0 mm/min 条件下的产沙量土壤颗粒种类比较多，存在一定数量粒径比较大的土壤颗粒。这也说明了径流对所携带的土壤颗粒具有选择性。

3 结论与讨论

1)降雨强度是影响径流量和产沙量的重要因子，降雨强度的改变对径流量和产沙量都有明显的影响，在0.18 m2的受雨面积上，当降雨强度从1.5增加到2.0 mm/min 时，同一种土样在50 min 内的径流量和产沙量相应增加了约1 760 mL 和10.3 g。

2)颗粒级配是影响产沙量的重要因子，对于不同颗粒级配的土壤，其产沙量可以用细度模数来作对比，且呈现出产沙量随细度模数的增加而减少的规律;颗粒级配对径流量的影响比较小，同一降雨强度条件下，50 min 内的最大与最小径流量差值不到120 mL。

基于以上结论，对扰动后的裸露表土，特别是土壤颗粒比较小的区域，应加以防护，进行覆盖或拦挡，以减少土壤侵蚀。

试验中，将供试土样用细度模数标准筛过筛之后，得到了不同粒径的土壤颗粒。为使不同粒径土壤颗粒遇水后分散对实验的影响达到最小化，把土壤颗粒认为是理想的稳定单体结构。在此基本假设条件下，得出了用细度模数来比较不同粗细程度土壤的流失程度;但实际上缺少对土壤颗粒单体的稳定性分析。对于土壤颗粒在降雨作用下的分散机制以及这一过程对径流产沙的影响，更有待进一步研究。

［1］ 孙厚才，赵永军.我国开发建设项目水土保持现状及发展趋势［J］.中国水土保持，2007(1):50－52

［2］ 张兴昌，刘国彬，刘文兆.不同土壤颗粒组成在水蚀中的流失规律［J］.西北农业学报，2000，9(3):55－58

［3］ 郭伟，史志华.红壤表土团聚体粒径对坡面侵蚀过程的影响［J］.生态学报，2007(6):2516－2522

［4］ Burwell R E，Timmons D R，Holt R F.Nutrient transport in surface runoff as affected by soil cover and seasonal periods［J］.Soil Sci Soc Am Proc，1975，37:523－538

［5］ Alberts E E，Wendt R C，Piest R F.Physical and chemical properties of erosion sediment［J］.Adv Agron，1983，15:303－316

［6］ Gregory F.Nitrogen and phosphorus in eroded sediment form corn and soybean tillage system［J］.J Enviorn Qual，1991，20:663－670

［7］ 宓永宁，娄宗科.建筑材料［M］.北京:中国农业出版社，2006:73－76