神府矿区土质道路侵蚀及其与径流特性的关系

张孝中 王文龙 袁瀛

摘要：为明确神府矿区土质道路土壤侵蚀特征，采用野外模拟降雨的试验方法，研究了不同降雨强度（1.O、1.5、2.O、2.5、3.Omm/min）条件下矿区3°和6°土质道路土壤侵蚀过程及其与径流特性的关系。结果表明：道路侵蚀速率随降雨历时呈突增一波动一稳定的变化过程，且雨强和坡度越大，侵蚀过程的波动程度就越高；相同雨强条件下，6°坡侵蚀速率是3°坡的2.61～3.46倍，两坡度道路侵蚀速率与雨强和径流率均成极显著的线性函数关系（显著性水平P关键词：道路侵蚀；径流特性；降雨强度；神府矿区

中图分类号：S157.1：TV149.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.019

土质道路土壤物理性质与农地存在明显的差异，这就使道路土壤侵蚀过程和方式有别于农地，道路网系的存在会改变区域径流泥沙的自然汇集过程，使径流集中下泻，加剧沟谷侵蚀，最终导致更为剧烈的水土流失。20世纪70年代初，国外就开展了道路侵蚀方面的研究，并取得了大量成果，国内关于道路侵蚀的研究始于20世纪90年代郑世清等对山坡道路侵蚀与防治的研究。黄土高原丘陵区山坡道路产沙强度远大于农林草地的，道路产沙量占流域总产沙量的42%。A.JORDAN等

研究表明，土质森林道路的不同部位侵蚀差异较大，其中道路边坡侵蚀速率最大，可达106g/（m2·a），是其他区域的5～6倍。道路侵蚀严重的原因在于路面透水性差，径流系数较大，很小的降水量也有可能产生径流，并造成严重的路面和边坡的侵蚀。DONG J.Z.等对压实土路进行模拟降雨试验，结果表明容重是影响道路产流的最重要因素。从道路土壤侵蚀过程来看，史志华等 认为路面表层浮土颗粒首先被径流冲刷；李建明等采用室内人工模拟降雨的方法研究了浮土存在条件下的道路侵蚀特征，结果表明侵蚀速率在产流开始9min时出现转折，在浮土侵蚀时段波动剧烈，混合侵蚀时段在大坡度下随降雨过程持续递增，小坡度下趋于相对稳定。CAOL.X.等认为降雨强度、坡度和径流率可作为黄土高原小流域各级道路土壤侵蚀速率的预测因子，而黄鹏飞等则认为径流动能是影响道路土壤侵蚀最重要的径流水动力学参数。

综上所述，国内外学者针对道路侵蚀的研究多集中在道路侵蚀过程、特征、影响因素、预报等方面，目前研究对象多为农田、交通及林内土质道路，而针对矿区土质运输道路的研究还较为少见。矿区土质道路经过长期的重型机械碾压，其性质显著区别于农田、林间道路，作为矿区重要的产沙单元，其人渗性能差，在强降水条件下极易产流并汇集成股，集中冲刷路面，不仅严重破坏道路结构、产生剧烈土壤侵蚀，而且对矿区安全生产构成极大威胁。笔者在矿区土质道路建立原位试验小区，采用模拟降雨试验方法，对矿区土质道路土壤侵蚀过程及其与径流特性的关系进行了研究，以期为矿区道路土壤侵蚀模型的建立提供参数依据，以及为矿区土质道路水土流失防治和水土保持措施制定提供参考。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于神府东胜煤田，该区地处晋陕蒙3省交界处，属典型的干旱半干旱大陆性季风气候区，年均气温为7.6℃，年均降水量为368mm，降水多集中于7-9月，年均水面蒸发量为2140mm。地表物质组成复杂，结构松散，易风化，抗蚀能力差，土壤类型多为风沙土。植被主要为温带半干旱植被，沙地植被占多数，且覆盖度低。该区处于风蚀水蚀交错区、黄河粗泥沙来源区、干旱半干旱生态环境脆弱带，在人类采矿活动扰动下，夏季水蚀剧烈并占主导地位，春季则以风蚀为主，风蚀、水蚀交替进行，使该区水土流失极其严重。

1.2试验小区布设和试验过程

试验前对矿区土质道路进行调查，结果表明：该区土质道路坡角多集中在30～90，其中30～50的和50～70的分别占42%和35%；调查道路的土壤容重平均为1.68g/cm^3。结合野外试验实际条件，土质道路坡角选择30和60作为代表。试验小区尺寸设计为3m×1m，小区两侧边界用2mm厚的PVC板密封（插入地下15cm，出露10cm），小区设2个长度均为1.0m的测流断面。采用挡风布和钢架结构搭建降雨棚，小区正上方2.5m高度布置一排下喷降雨器（喷头间距67cm），降雨均匀度为85%，满足模拟试验要求的降雨雨滴终速和均匀度。使用多个移动式水袋储存降雨所需水源，使用潜水泵抽水至降雨器管道，通过管道上安装的阀门组控制雨强，降雨器进水口前端安装压力表指示不同雨强时的水压力状况，降雨强度选择1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min 5个级别。试验前率定雨强与设计雨强相比误差在3%以内，均匀度在85%以上，符合要求后快速掀起小区上的遮雨布，待坡面产流后，在集流槽出口使用接样桶接泥沙样并记录接样时间，每3min接1次泥沙样，设计产流历时45min，接样同时在两断面处使用KMnO4溶液和秒表测流速，流速取2个断面的平均值。泥沙質量采用烘干法测定，进而计算出侵蚀速率和径流率。

1.3参数计算与统计分析

（1）径流参数计算。涉及的径流参数有径流深h（m）、径流剪切力τ（N/m^2）、径流功率ω（ W/m^2）、单位径流功率Up（m/s），可依据明渠水流公式计算得出。

（2）采用Excel 2003和SPSS 16.0进行数据统计和回归分析，采用Origin8.5进行绘图。

2结果与分析

2.1土质道路侵蚀特征

2.1.1侵蚀过程

图1为3°和6°坡角矿区土质道路在不同降雨强度下的土壤侵蚀过程。侵蚀过程大体可以分为3个阶段：①侵蚀突增阶段，主要发生在产流0～6min内，随着降雨强度增大，变化幅度越来越明显，原因主要是坡面产流后径流增加迅速，且初期坡面表层松散浮土抗蚀性差，在降雨和径流作用下极易被分离搬运，期间出现侵蚀速率峰值，整体上雨强越大峰值就越大，雨强为1.0～3.0mm/min时，3°和6°道路侵蚀速率峰值分别为10.84～ 51.29、19.78～ 271.39g/（m2·s）（见表1）；②侵蚀波动阶段，发生于产流6min后，降雨强度和坡度越大，波动时间越长，有波动式增长和波动式下降两种形式：径流冲刷和细沟沟壁坍塌相互作用时，沟壁一次坍塌产生的泥沙补给需径流多次搬运，产生波动式增长；侵蚀过程中径流冲刷占优势时，细沟沟槽产生的松散物质对泥沙的补给作用被径流掩盖，造成波动式下降；③侵蚀稳定阶段，随着细沟发育和径流流路趋于稳定，坡面土壤侵蚀速率亦达到稳定状态，但雨强越大稳定的时间越滞后，尤其在3.0mm/min雨强时，道路坡面细沟发育程度较高，从而导致径流汇集程度和紊动性均得到提升，侵蚀波动性也随之增强，因此侵蚀过程的稳定性也较其他雨强的低。从侵蚀过程波动程度来看（见表1），3°和6°道路侵蚀速率变异系数均随雨强递增，且相同雨强下6°道路的变异系数比3°的大，表明雨强和坡度越大，侵蚀的剧烈程度也越大。因此，为防止降雨对道路产生剧烈侵蚀，矿区道路建设应根据实际情况尽可能降低坡度。

2.1.2坡度和雨强对道路侵蚀速率的影响

图2为3°和6°土质道路土壤侵蚀速率与雨强的关系。由图2可知，相同雨强条件下，6°坡角的道路侵蚀速率均大于3°坡角的，雨强为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min时，6°坡角的道路侵蚀速率分别是3°坡角的3.46倍、1.63倍、2.82倍、3.22倍和2.61倍。两种坡角的道路土壤侵蚀速率均随雨强的增大而增大，1.0mm/min雨强条件下，3°和6°坡角的道路侵蚀速率分别为6.51、22.53g/（m2·s），雨强增大至1.5、2.0、2.5、3.0mm/min时，3°坡角的道路侵蚀速率分别增大2.30倍、2.98倍、3.80倍、7.41倍，6°坡角的道路侵蚀速率则分别增大0.55倍、2.24倍、3.48倍、5.33倍。回归分析表明，两种坡角道路侵蚀速率与雨强之间成递增的线性关系（见图2），6°坡角的拟合直线斜率是3°坡角的近3倍，也表明坡角越大侵蚀速率随雨强递增速率就越大。

2.2道路径流特性

表2为不同雨强条件下3°和6°土质道路径流特性。3°和6°坡角的道路径流率均随雨强增大而增大，且径流率与雨强之间分别成幂函数和指数函数关系（拟合优度R^2分别为0.985和0.993）。相同降雨条件下6°坡角的道路径流率是3°坡角的0.81～1.11倍，二者差异较小，表明坡角对道路土壤人渗的影响较小。30和60坡角的道路1.0～3.0mm/min雨强的径流系数分别为0.77～0.88和0.70～0.85，随雨强和坡角的变化不明显，但明显高于黄土区坡面径流系数，表明相同降雨条件下矿区道路具有易产流的特点。3°和6°坡角的道路径流深均随雨强增大而增大，分别为0.0040～0.0063m和0.0047～0.0100m，二者分别成线性和对数函数关系（R^2分别为0.910和0.986）；在相同雨强条件下，6°坡角的道路径流深是3°坡角的1.17～1.60倍。3°和6°坡角的道路径流剪切力、径流功率和单位径流功率均随雨强增大而增大，3°坡角的道路这3个水动力学参数与雨强均成极显著线性关系（R^2分别为0.925、0.982和0.990）；6°坡角的道路径流剪切力与雨强成极显著对数函数关系（ R^2=0.976），而径流功率与单位径流功率则与雨强均成极显著线性关系（R^2分别为0.986和0.981）。对于同一雨强，6°坡角的道路径流剪切力、径流功率和单位径流功率分别是3°坡角的2.34～3.10倍、2.56～3.53倍、2.04～2.38倍。以上结果表明，随着雨强和坡度的增大，坡面径流深和水动力学参数成倍增大，主要原因是随着雨强和坡度增大，路面细沟不断发育，径流逐渐汇集成股，使坡面径流深和剪切力不断增大，路面粗糙度增大，径流能量消耗沿程增大，因此径流功率和单位径流功率增大。

2.3道路侵蚀速率与径流特性的关系

2.3.1侵蚀速率与径流率和径流深的关系

图3（a）为3°和6°坡角的道路侵蚀速率与径流率的关系（即坡面水沙关系），二者线性关系极显著（R^2分别为0.94和0.99，显著性水平P2.3.2侵蚀速率与水动力学参数的关系

研究表明，当坡面水流达到一定水力条件时才发生坡面侵蚀，而这一条件主要用水力学参数临界值表示，径流剪切力、径流功率及单位径流功率是侵蚀动力学常用的水动力学参数。图4为道路土壤侵蚀速率与3个水动力学参数之间的关系，可以看出其关系均可采用y=K（x-xe）（K为土壤可蚀性参数，xe为临界水动力学参数）描述。由图4（a）可知，试验条件下径流剪切力变化范围为1.98～9.74 N/m^2，回归分析表明，二者之間成显著递增的线性函数关系（R^2=0.71，P<0.01），其中土壤可蚀性参数转化为国际单位制为0.012s/m，道路产生侵蚀的临界剪切力为0.80N/m^2。图4（b）为土壤侵蚀速率与径流功率的关系，侵蚀速率随着径流功率增大而增大，二者线性关系极显著（R^2=0.89，P