不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

张 洋，张 辉，李占斌,※2，李 鹏，肖 列，柯浩成，陈怡婷

（1. 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室（西安理工大学），西安 710048；2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；3. 陕西西部联盟生态股份有限公司，西安 710075）

0 引 言

季节性冻融现象主要发生在中纬度地区，一般表现为冬季冻结，夏季消融[1-3]。黄河中游位于中纬度地区，在每年的10月下旬至来年3月下旬，土壤温度均在0 ℃以下，最低温度可达到–15 ℃左右，年 0 ℃以下的天数约为110 d，多年平均降雨量在500 mm左右，该研究区的气候条件满足冻融侵蚀发生的要求[4-6]。

土壤的冻融会对土壤的理化性质产生直接或间接影响[7-9]。已有研究表明，冻融作用能够通过改变土壤结构[10-12]，从而降低土壤抗剪强度[13]，增大土壤可蚀性，增加沟蚀发生的几率[14]。Frame等[15]通过室内试验发现，冻融循环后的侵蚀产沙量相对增加了25%左右。李强等[16]通过对黄土丘陵区的野外试验发现，与冻融前相比，裸地处理(CK)和低密度草被覆盖(LD)处理的总产沙量显著增加，分别增加了19.4%和6.7%。

前人的研究主要集中于土壤可蚀性在冻融作用前后的变化，而对于冻结状态下土壤的可蚀性研究较少。冻结时和未冻土土壤可蚀性的差异仍不清楚。当土壤中的水分以固体冰晶存在时，土壤中的含冰量较多，当春季外部气温升高，土壤表层土体中冰体融解而深处尚未融解的情况下，未融解部分就形成了不透水层或弱透水层[17]，春季的降水和融冰水无法从土层中迅速下渗，多余的水体会导致表层土壤含水量增加，使土体处于流动状态，此时已解冻土层的强度比其在冻结状态下或原始未冻状态要显著降低[18]，在降雨和融冰水的外营力作用下极易发生土壤侵蚀。故有研究认为，土壤表层水分含量高的一个主要原因是土壤中存在不透水的“心土层”，它是导致大范围片蚀和小范围细沟侵蚀发生的主要原因[19]。Kirkby通过研究认为，温带地区全年水土流失的一半发生在冻土层解冻时期[20]，“心土层”对解冻期土壤侵蚀影响显著[21]。当冻土消融时，土壤的抗剪强度下降，因而土壤可蚀性增大，处于解冻期的土壤可能更容易发生土壤侵蚀[22]。Sharratt等[23]通过模拟降雨试验发现，解冻期土壤中存在的不透水冻结层是导致土壤侵蚀加剧的主要因素。

有学者根据不同时期降雨过程对冻融侵蚀强度的影响程度将降雨分为冻结期降雨、消融期前期降雨和消融期后期降雨 3类，认为在消融期，冰雪消融、降雨径流对土壤有侵蚀搬运作用，弱透水的“心土层”的存在是导致土壤侵蚀随着降水的增多而增大的主要原因[24-26]。由此可见冻土层在冻融与水力复合侵蚀中的重要性，而国内关于解冻期土壤侵蚀的研究主要集中在东北地区，而对于西北黄土高原地区研究较少，对于定量研究黄土高原冻融侵蚀的所开展的试验更是少之又少。因此，为了探究黄土高原地区降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理，明确黄土区冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异，本文选择冻土坡面为主要研究对象，并以未冻土坡面作为对照坡面，对比分析不同降雨强度条件下冻土坡面和未冻土坡面水力侵蚀的差异，以期为完善土壤侵蚀机理提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土源于黄土高原地区陕北绥德王茂沟流域，地理位置为东经 110°20′26″～110°22′46″，北纬 37°34′13″～37°36′03″。该区属于温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温10 ℃，最大值为39 ℃，出现在7月；最小值–27 ℃，出现在 1月，因而该区域在冬季以及初春，地表会出现不同程度的冻结现象。流域年平均降水量为475 mm，7～9月降雨量占全年总降水总量超过65%。流域土地利用类型以草地、坡耕地、梯田以及林地为主，流域内地质构造比较单一，表层多覆盖质地疏松、匀细的黄绵土，覆盖厚度 20～30m。土壤机械组成为黏粒 0.20%、粉粒72.01%、沙粒27.79%，土壤容重为(1.30±0.10)g/cm3，有机质含量为(2.0±0.1)g/kg[27]。

本次试验在西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室的冻融实验室完成。试验装置主要由冻土装置、试验土槽和降雨系统 3部分组成。试验所用的冻土仪器为西安理工大学定制的冻融试验系统，该试验系统采用六面体拼装结构，其内部尺寸：长4.5 m×宽2.5 m×高 2.5 m，温度变化范围–40～30 ℃，精度±1 ℃，温度均匀度≤±2.0 ℃，同时具备制冷和加热系统，能够满足试验需求。冻土装置试验土槽为木制不透水结构，边角及外围用角铁锚固定，底部配有可移动的试验小车，土槽尺寸为长200 cm、宽75 cm、深35 cm，下端连接有用于收集径流、泥沙样品的集流槽。试验采用下喷式模拟降雨系统，根据不同的降雨强度选择不同型号的喷头，有效降雨覆盖面积约为4.5 m×4.5 m，降雨高度为5.2 m，降雨强度变化范围为 0.5～2.0 mm/min，降雨均匀度在85%以上。

图1 降雨装置以及试验土槽的结构示意图Fig.1 Structure diagram of rainfall device and test soil slot

1.2 试验方法

1.2.1 试验装土处理

首先将野外采集的供试土样过5 mm×5 mm的筛，剔除根系、石块等杂物，而后对过筛后的土样进行闷土，使其水分质量含水量达到15%±1.0%，并保持土样内水分均匀。填土前在土槽底部铺1层纱布，再装入5 cm厚的天然沙，以保证试验用土的透水性与天然坡面接近，然后根据土样的设计干容重1.25 g/cm3按照式（1）计算出所需土样质量，按照每层土厚5 cm一层进行分层填装，在填完第一层的时将表土略整粗糙后填装下一层，保证两层土样结合紧密。填土深度为20 cm。在距坡顶40、100、160 cm处的土壤表层以下3 cm处各布设一个温度探头。

式中：m为所需装土质量（kg）；B为干容重，本研究取1.30 g/cm3；w为土壤含水量（%）；l为土槽长（cm）；b为土槽宽（cm）；h为土槽深（cm）。

1.2.2 试验设计

试验于2016年10月在西北旱区生态水利工程国家重点试验室的冻融实验室。在中国，坡度为 10°～20°的坡地随处可见，为保证模拟降雨试验的初始条件一致，本文选择15°的坡地作为研究对象。查阅研究区王茂沟小流域的降雨分布发现，在该流域开始解冻期，即每年的3月初，均有侵蚀性降雨出现；另外，考虑到在预试验中当降雨强度较小时未冻土坡面不产流的情况，本文将降雨强度设为3个指标值，分别为0.6、0.9、1.2 mm/min，以确保试验的顺利进行，并保证了模拟降雨强度的梯度变化。降雨历时自降雨开始至产流后60 min结束。试验时的降雨水温和室温均在15 ℃左右。

1.2.3 试验步骤

室内试验分为冻土坡面模拟降雨试验和未冻土模拟降雨试验 2个阶段。前期预试验的结果发现，将试验小车推入冻土装置，在–18～–22 ℃环境下连续冻结 24 h时，距离土体表层下3cm的温度为–6℃左右，整个坡面所有土体的温度均在–2～–3 ℃，即所有土体中的液态水分都变成固态冰晶，故在模拟降雨试验开始前，冻土坡面的土壤含水率（土壤中液态水的含量）为0，而对照坡面的含水量在 15%左右。因此，在预试验的基础上，文中将填土后的试验土槽上部覆上塑料薄膜，一方面防止土壤冻干分散，另一方面阻止空气中的水源补给在坡面表层形成固体冰晶。然后将试验小车推入冻土装置，在–18～–22 ℃环境下连续冻结24 h，保证每次土槽中所有土体冻结状态的一致性。与此同时，对降雨强度进行率定，当率定降雨均匀度大于 85%，且实测降雨强度与目标降雨强度的差值小于5%时，即可进行后续正式降雨试验。随后将冻土系统中的土槽小车推出并放在模拟降雨装置下进行模拟降雨试验。每组试验重复 2次，试验结果取 2次试验数据的平均值。从坡面出口开始有径流产生起，用具有刻度、统一规格的塑料小桶每分钟收集 1次径流泥沙样，通过刻度读取桶内浑水体积后采用烘干法测得每分钟的产沙量，并计算出泥沙体积，最后用浑水体积减去泥沙体积后得到每分钟的径流量。

1.2.4 数据处理与分析方法

数据采用Excel 2010录入整理，Origin Pro 8.0进行绘图制作。

2 结果与分析

2.1 冻土坡面、对照坡面降雨径流过程

表 1为坡面径流量、侵蚀量及主要时刻统计表。由表 1可以看出，降雨强度对初始产流时间影响显著；当雨强由0.9 mm/min增加为1.2 mm/min时，冻土坡面（FS）、对照坡面（CK）产流时间分别减小了2.9、15.2 min。对比相同降雨强度条件下冻土坡面和对照坡面的产流时间发现，冻土坡面的产流时间相对较小，1.2 mm/min、0.9 mm/min雨强条件下冻土坡面（FS）的产流时间相对于对照坡面（CK）分别提前了6.4、18.7 min。随着降雨强度的增加，坡面径流量明显增大，当雨强由0.9 mm/min增加为1.2 mm/min时，冻土坡面（FS）、对照坡面（CK）径流量分别增加了0.69倍、0.66倍。对比2种坡面径流量发现，冻土坡面（FS）径流量明显大于对照坡面（CK），0.9、1.2 mm/min雨强条件下冻土坡面（FS）是对照坡面（CK）径流量的1.19和1.16倍。在雨强为0.6 mm/min条件下，对照坡面（CK）未产流，土壤水分全部入渗，而冻土坡面由于冻结层的存在，在降雨强度很小的条件下产生了径流。

表1 坡面径流量、侵蚀量及其主要时刻Tab.1 Slope runoff, erosion and its main moments

图2表示坡面产流过程。由图2可以看出，降雨初期坡面产流强度迅速增加，而在降雨后期逐渐趋于稳定，且坡面产流强度随降雨强度的增加而显著增大。坡面产流后，冻土坡面（FS）径流量很快达到稳定状态，而对照坡面（CK）需要很长时间才能达到稳定状态。在1.2 mm/min雨强下，产流开始后的1～10 min，产流强度迅速增大，冻土坡面（FS）的产流强度迅速接近于1 L/(m2.min)，而对照坡面（CK）随产流历时的增加逐渐接近于 0.7 L/(m2.min)，始终大于对照坡面（CK）。在0.9 mm/min条件下，冻土坡面（FS）产流强度在第15 min左右趋于稳定，而对照坡面（CK）则一直呈现逐渐增大的趋势，在第53 min时才趋于稳定。说明冻层的存在一方面减小了坡面汇流时间，另一方面增加了坡面的产流强度，从而导致坡面产流强度增加。坡面径流量过程不同主要是以下两方面共同作用的结果：一是坡面冻层的存在导致入渗率减小，从而导致冻土坡面产流量增大；二是试验设计的土壤初始含水量为 15%，相对较小，在试验初期入渗率较大，但随着降雨强度的增加，土壤入渗率显著降低，地表径流随之增加。图 2中最后一个测次表示模拟降雨结束后坡面上剩余的径流量，因此该数值显著减小。

图2 坡面径流强度随产流历时的变化Fig.2 Change of slope runoff intensity with runoff duration

2.2 冻土坡面、对照坡面侵蚀产沙过程

由表 1可以看出，坡面侵蚀量随着降雨强度的增加而增加；当雨强由0.9 mm/min增加到1.2 mm/min时，冻土坡面（FS）、对照坡面（CK）的侵蚀产沙量分别增加了0.46倍和1.37倍。虽然2种处理下的坡面均发生了细沟侵蚀，但 2种坡面处理在相同水力条件下细沟侵蚀出现的时间相差较大（表1），侵蚀结果也相差较大（图3）。

由图3可以看出，对照坡面（CK）形成的细沟较短，深度较浅，而冻土坡面（FS）细沟发育水平较高，细沟较长。细沟的发育速度和程度直接影响坡面侵蚀的强烈程度。随着雨强的增加，2种坡面的产流时间、跌坎、细沟出现时间均有所缩短。相对于对照坡面（CK），冻土坡面产流时间、细沟出现时间缩短，更易产生地表径流，也更容易形成细沟。冻土坡面（FS）侵蚀量远大于对照坡面（CK），在1.2、0.9 mm/min条件下冻土坡面的产沙量分别是对照坡面（CK）的6.40、10.40倍。这说明冻土层阻水作用对水力侵蚀影响显著。

图3 两种坡面雨后地形特征Fig.3 Terrain features of two slopes after rainfall

由对照坡面（CK）产沙过程发现(图3b），黄绵土坡面一般较难形成细沟，在试验条件下，产流后32 min和42 min时，才出现细沟（表1），但细沟一旦形成，坡面侵蚀则显著加剧。经统计发现，冻土坡面（FS）在细沟出现之后的侵蚀量分别占总侵蚀量的 92.02%(1.2 mm/min)、83.87%(0.9 mm/min)和79.33%(0.6 mm/min)；而对照坡面(CK)则占 83.93%(1.2 mm/min)和 65.48%(0.9 mm/min)，相对冻土坡面，其占比有所降低。

对比两种坡面产沙过程发现，冻土坡面产沙过程中冻层的阻水作用一方面缩短了细沟出现时间，冻土坡面分别在13 min和20 min形成细沟（表1），相比对照坡面（CK）分别缩短了18、22 min，即细沟出现时间提前，坡面产沙强度增幅较大，侵蚀加剧，且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%；另一方面，增加了坡面地表径流（表 1），导致侵蚀动力相对较大，侵蚀产沙强度较大。

图4表示2种坡面状态下的侵蚀产沙变化过程。由图 4可以看出，根据侵蚀产沙过程并结合试验现象发生过程，本文将冻土坡面的坡面侵蚀产沙过程可以分为 3个阶段，以1.2 mm/min为例，第一阶段，侵蚀以面蚀为主（0～10 min），产沙量主要来源于坡面细沟间侵蚀，产沙强度较小，均值仅为95.14 g/(m2·min)；第二阶段，坡面逐渐出现细小的沟道（10～18 min），坡面迅速发育，侵蚀量迅速增加，此阶段产沙强度均值为251.18 g/(m2·min)；第三阶段，细沟侵蚀不断发展阶段（18 min以后），细沟发育渐趋稳定，产沙强度的增长幅度减小，均值约为391.36 g/(m2·min)，这一阶段产沙量的变化随着溯源侵蚀、崩塌等的出现发生剧烈的上下波动现象。对照坡面的产沙过程也可分为3个阶段，第一阶段（0～25 min），主要以面蚀为主，侵蚀量较低，均值为9.36 g/(m2·min)，仅为冻土坡面均值的1/10；第二阶段（25～54 min），坡面逐渐出现细沟侵蚀，侵蚀量剧烈增加，这一阶段侵蚀强度的均值为71.36 g/(m2·min)，仅为冻土坡面的0.28倍，第三阶段，细沟发育逐渐稳定，侵蚀也渐趋平稳，侵蚀强度的均值为119.43 g/(m2·min)，约为冻土坡面的3/10。两种坡面的侵蚀过程类似，所不同的是，冻土坡面的细沟出现时间较短，坡面产沙侵蚀强度较大，且细沟发育较为迅速。图 4中最后一个测次表示模拟降雨结束后坡面上剩余径流所产生的侵蚀量，故该数值显著减小。

坡面侵蚀产沙量出现的跳跃式增加，可能与细沟发育位置和侵蚀方式有关：坡面在15°条件下，降雨产生径流在出口汇集，导致坡面底部出口处径流量大，首先会在坡面底部形成多个跌坎，而后形成细沟，产沙强度增加；伴随着降雨的继续，细沟不断发育，主要表现形式为溯源侵蚀和边壁坍塌，侵蚀进一步加剧；到降雨后期，产沙量显著增大（图3b），这与细沟的溯源、下切侵蚀加剧以及大量的滑塌现象有关。

图4 坡面产沙强度随产流历时的变化过程Fig.4 Change of slope sediment intensity with runoff duration

2.3 冻土坡面、对照坡面的水沙关系

WEPP模型的基本理论将坡面侵蚀分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀两类，其中细沟间侵蚀以降雨侵蚀为主，而细沟侵蚀以径流侵蚀为主[28]。结合以上理论，并参考文献[29]中的相关理论以及文中的试验现象，以细沟出现时间为界限，将整个坡面侵蚀过程分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀 2个阶段，并分别对试验中各场降雨的累计产沙量和累计径流量的相互关系进行函数拟合，发现累计径流量和累计产沙量间的关系满足y=kx+b的线性函数形式（y为累计产沙量，x为累计径流量），决定系数均在97%以上（表2）。

表2 累计径流量和累计产沙量的拟合方程Tab.2 Cumulative runoff and cumulative sediment yield fitting equation

由数学概念与实际径流产沙的物理意义可知，k＞0，即累计产沙量随累计径流量的增大而增大，由此定义系数k为产沙速率系数，对比所有降雨场次的函数关系，发现系数 k存在一定的变化规律。在细沟间侵蚀阶段的 k值始终均小于细沟侵蚀阶段；对照坡面k值远远小于冻土坡面，在细沟间侵蚀阶段，冻土坡面的k值是对照坡面的8.48倍（1.2 mm/min）、9.02倍（0.9 mm/min），而在细沟侵蚀阶段，则分别为3.68倍和7.50倍。另外，分析不同雨强下的冻土坡面的k值发现，随着雨强的增加，k值呈现先增大后减小的规律，在0.9 mm/min雨强下的k值最大；而对照坡面在细沟间侵蚀阶段，1.2 mm/min雨强下k值小于0.9 mm/min雨强下，在细沟侵蚀阶段则相反，这可能与降雨过程中坡面解冻速率、解冻深度以及侵蚀发展程度等有关。

3 讨论

土壤剖面上的温度变化是影响和反映冻融作用的主要因素之一，可用来直接表征冻融消长过程以及冻土层厚度[30]。图5表示在降雨强度为0.9 mm/min下，在距离坡面表层土3 cm深处的土体温度的平均值随时间的变化规律，试验中室温和降雨温度均在15～20 ℃之间。由图5可以看出，在模拟降雨试验过程中，地温加速升高，其中未冻土坡面土体温度的升温幅度较小，平均为0.016 ℃/min，约为自然解冻坡面的1.2倍；而冻土坡面的升温幅度相对较大，为0.094 ℃/min，约为自然解冻坡面的6倍。

图5 试验过程中的两种坡面表层土壤（3cm）温度变化Fig.5 Change of surface soil (3cm) temperature of two slopes during experiment

冻土坡面与未冻土坡面产流强度与地表冻结层解冻有关：在降雨开始后的初始阶段，冻土坡面表层土体温度较低（图 5），坡面处于冻结状态，入渗率较小，因此产流强度较大，产流量较大；随着降雨的持续进行，坡面土体温度增加，表层一定厚度内的冻结土壤逐步解冻（温度在 0 ℃以上）（图 5），导致降雨后期两种坡面的产流强度基本接近。对于冻土坡面来说，侵蚀产沙量会随着坡面解冻速率的增加而增加，在降雨过程中，表层冻土层的存在会降低入渗、增大地表径流，增加侵蚀能力，而径流的增加又反过来作用于坡面冻土，促进坡面的解冻，促使坡面源源不断的释放出侵蚀物质，两者相互联系、相互作用加速促进了侵蚀的发生。

全球气候变化会造成季节性冻融地区局部冻土区提前消融，从而改变该区的水力侵蚀情况。因此，对于冻结土壤与未冻土壤的可蚀性差异的研究将为预测局部区域水蚀变化提供理论依据。然而，由于室内模拟试验受试验装置和试验条件的限制，文中所用的土槽尺寸较小，其坡面产流产沙规律只能够简单反映局部地区的坡面侵蚀规律，与大尺寸坡面侵蚀有很大区别，并不足以系统完整的反映坡面侵蚀过程，还需要进行大尺度坡面的验证。同时，考虑到室内模拟试验的局限性以及冻融-水力复合侵蚀的诸多影响因素，在后续的研究中应考虑更多内容。

4 结论

1）在室内模拟降雨条件下，冻土坡面的初始产流时间相对于对照坡面提前，在0.9，1.2 mm/min雨强下相对对照坡面提前了 18.7，6.4 min。且冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面，在0.9，1.2mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的 1.16、1.19倍，侵蚀量分别是对照坡面的10.39，6.39倍。冻土坡面和对照坡面的产流产沙过程存在明显显著，冻土坡面和对照坡面产流过程均呈现在产流开始后迅速增加后渐趋平稳的趋势。

2）2种坡面的产沙过程可以分为面蚀、面蚀向沟蚀过渡以及沟蚀 3个阶段，产沙过程的变化趋势为，缓慢增加、迅速增大后渐趋稳定冻土坡面细沟侵蚀量在坡面总侵蚀量上的占比大于对照坡面，且相对于对照坡面（CK）细沟出现时间分别提前了18、22 min。

3）2种坡面累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系，在细沟间侵蚀阶段，冻土坡面的 k值是对照坡面的 8.48倍（1.2 mm/min）、9.02倍（0.9 mm/min），而在细沟侵蚀阶段，则分别为3.68倍和7.50倍。

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