模擬降雨條件下坡面細溝侵蝕形態(tài)特征試驗研究

模擬降雨條件下坡面細溝侵蝕形態(tài)特征試驗研究

細溝侵蝕是嚴(yán)重的土壤侵蝕的主要方式，也是坡耕地表面土壤和養(yǎng)分流失的重要原因。細溝在坡面上的分叉、合并及連通現(xiàn)象促進了細溝侵蝕的發(fā)展,形成了復(fù)雜的侵蝕形態(tài)。而細溝侵蝕形態(tài)在坡面上具有明顯的時空變異特征,顯著地影響了坡面侵蝕產(chǎn)沙特性。但是,由于細溝形態(tài)不規(guī)則,且雨季期間演化迅速,使得野外細溝的動態(tài)監(jiān)測比較困難。因此,多數(shù)研究者采用模擬降雨試驗研究細溝侵蝕特征。細溝侵蝕的發(fā)生演變過程及水沙關(guān)系研究一直土壤侵蝕領(lǐng)域的重要研究方向,其中多以細溝形態(tài)特征作為支撐。鄭粉莉等通過野外觀測和室內(nèi)人工模擬降雨試驗相結(jié)合的方法統(tǒng)計了黃土高原坡耕地細溝寬度和深度分布范圍,指出大多數(shù)細溝深度小于20cm,寬度小于30cm。霍云云等通過室內(nèi)連續(xù)降雨分析了坡面細溝侵蝕的動態(tài)發(fā)育過程,表明細溝平均寬度、平均深度、溝長最大值分別從第一場降雨的0.025、0.029和0.111m發(fā)展到第7場降雨的0.098、0.044和1.379m,說明細溝侵蝕具有穩(wěn)定發(fā)展和不斷加強的過程。Bruno等利用細溝長度和橫斷面描述細溝形態(tài),得出細溝長度與細溝體積呈冪函數(shù)關(guān)系,并通過剖面形態(tài)變化推斷細溝侵蝕沉積情況。和繼軍等選用細溝密度和細溝寬深比等指標(biāo)從宏觀上表征楊凌塿土和安塞黃綿土的細溝侵蝕特征差異。隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展,高精度攝影測量法和三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用到土壤侵蝕研究中,通過獲取高精度DEM,進而提取溝道整體形態(tài)。綜上可見,以往研究中專門針對細溝形態(tài)進行的探討較少,或者僅以細溝長寬深作為描述指標(biāo),未對三者之間的關(guān)系進行討論;盡管應(yīng)用高新技術(shù)能夠獲取坡面細溝形態(tài)數(shù)據(jù),但是已有的研究多側(cè)重于對坡面細溝網(wǎng)整體的描述,對于單條細溝及細溝間形態(tài)指標(biāo)關(guān)系的研究較少。鑒于此,本文通過室內(nèi)連續(xù)人工模擬降雨,定量研究坡面細溝的發(fā)育狀況、空間分布及各形態(tài)要素之間的關(guān)系,旨在進一步揭示黃土高原細溝侵蝕變化規(guī)律,為坡面侵蝕防治提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗設(shè)備及試驗土槽試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行,降雨設(shè)備采用下噴式降雨機,降雨覆蓋面積為27m×18m,降雨高度18m,能夠滿足所有雨滴達到終點速度。為了確保模擬降雨的均勻性和準(zhǔn)確性,試驗開始前對降雨強度進行率定,當(dāng)降雨均勻度達90%以上,實測降雨強度與設(shè)計目標(biāo)雨強的差值小于5%時方可進行正式降雨。依據(jù)黃土高原侵蝕性降雨的瞬時雨強標(biāo)準(zhǔn)(即I10=1.055mm/min),設(shè)計試驗降雨強度為60mm/h。為了使細溝充分發(fā)育,在試驗土槽上連續(xù)進行兩次降雨,這樣兩次試驗之間試驗土槽上的細溝侵蝕既有獨立性又有繼承性,第2次降雨是在第1次降雨的基礎(chǔ)上進行,每一次降雨歷時為65min,兩次降雨間隔24h,設(shè)計兩次降雨時間間隔的依據(jù)是基于李毅等研究結(jié)果。試驗土槽為10m(長)×3m(寬)×0.5m(深)的液壓式可調(diào)坡度鋼槽(圖1),試驗土槽底部每1m長排列4個孔徑為2cm的排水孔保證降雨試驗過程中排水良好。由于細溝流現(xiàn)象在10°—30°的裸露坡耕地上表現(xiàn)最明顯,而15°是坡耕地土壤侵蝕強度的相對質(zhì)變點,因此本研究坡度選為15°。供試土壤為黃土高原丘陵溝壑區(qū)安塞縣的耕層黃綿土,砂粒含量為28.3%,粉粒為58.1%,粘粒為13.6%,有機質(zhì)含量5.9g/kg。裝填土槽時,用紗布填充試驗土槽底部的排水孔,并在土槽底部填5cm厚天然細沙作為透水層,保障試驗過程中試驗土槽排水良好;然后在細沙層之上覆蓋紗布,再裝填試驗土壤。填土?xí)r將土層分為耕作層和犁底層,耕作層深度為20cm,土壤容重控制在1.10g/cm3;犁底層深度為15cm,土壤容重控制在1.25g/cm3。為保證裝土的均勻性,采用分層填土,每層土厚度為5cm,填土?xí)r邊填土邊壓實;每填完一層土后,將土層表面用齒耙耙松,再填裝下一層土壤,以保證兩個土層能夠很好地接觸;同時,將試驗土槽四周邊壁盡量壓實,以盡可能減小邊界效應(yīng)的影響。將試驗土槽翻耕20cm,并用齒耙耙平,模擬當(dāng)?shù)仄赂馗麑訝顩r。翻耕完畢后,自沉降1d。為了保證試驗前期土壤條件的一致性,采用30mm/h雨強進行預(yù)降雨至坡面產(chǎn)流為止。預(yù)降雨結(jié)束后,為了防止試驗土槽土壤水分蒸發(fā)和減緩結(jié)皮的形成,用塑料布將試驗土槽覆蓋,靜置24h待正式模擬降雨試驗。每場降雨試驗開始前,利用小型土鉆在試驗土槽上、中、下3個斷面按照0—5、5—10、10—15、15—20、20—25、25—30cm6個土層深度采集土壤樣品,測定土壤含水量,降雨試驗前坡面土壤含水量如表1所示。次降雨結(jié)束后,采用直尺測量坡面細溝基本形態(tài),具體方法是沿著細溝溝道每隔5或10cm詳細測量細溝的位置坐標(biāo)(x,y)及細溝的寬度和深度,在特殊溝道位置進行加密測量,即將每一條細溝劃分為多個小段進行測量,以此來減小因細溝形態(tài)不規(guī)則而造成的測量誤差。1.2侵蝕土壤環(huán)境質(zhì)量ro的確定細溝累積長度是指坡面上出現(xiàn)的所有細溝的長度之和,其值大小能夠反映細溝侵蝕對坡面的切割程度。細溝侵蝕平均深度(RED),是指次降雨條件下細溝對表層土壤剝蝕的平均深度,其值大小可以客觀反映細溝侵蝕強度(cm);其計算方法為:坡面上的細溝侵蝕總體積(容積法)除以試驗土槽斜坡表面積所得的數(shù)值。距細溝溝頭長度是指單條細溝上每一個測點距該條細溝溝頭的距離,其最大值就是細溝的總長,該參數(shù)能夠在一定程度上反映細溝在坡面上的分布狀況。1.3參數(shù)的測量和計算1.3.1量段劃分的計算指坡面上所有細溝面積的總和,在試驗土槽坡面上,自上而下每隔5或10cm量測每條細溝的寬度,根據(jù)測量段的劃分,把每一條細溝每一個測量段的細溝面積簡化為梯形計算,計算過程為:式中,RSj為第j條細溝面積;n為量測一條細溝寬、深的次數(shù);RWi,RWi+1分別代表第i次和第i+1次量測的細溝寬,單位為cm;RLi為量測間距,為5或10cm;式中,RS為坡面細溝總面積(cm2);m為坡面細溝總條數(shù)。1.3.2動態(tài)監(jiān)測坡長位置指降雨過程中細溝溝頭溯源侵蝕前進速度,其監(jiān)測方法為:降雨過程中,在細溝發(fā)育初期,在細溝溝頭插上指示牌標(biāo)記細溝,同時記錄每條細溝溝頭所在的坡長位置;由于細溝溯源侵蝕使細溝的溝頭向坡上發(fā)展,因此在試驗過程中每間隔5或10min動態(tài)監(jiān)測每條細溝溝頭所在坡長的位置。依次類推,實時監(jiān)測細溝溝頭所在位置的坡長并記錄對應(yīng)的降雨歷時;據(jù)此就可以計算降雨過程中不同時段每條細溝的溯源侵蝕速率,也可估算平均細溝溯源侵蝕速率。2結(jié)果與討論2.1不同坡段的細溝分布及形態(tài)特征圖2為第1次和第2次降雨后坡面細溝的空間分布。第1次模擬降雨坡面細溝呈斷續(xù)狀,大致分布在4個徑流流路上,此時坡面細溝網(wǎng)形態(tài)已基本形成,細溝在坡面上的分布可以分為3個坡段:第一坡段為0—4m,位于試驗土槽上部,匯水面積小且坡面平整,水流相對均勻,徑流侵蝕力較弱,坡面以小細溝為主;細溝分布密集且均勻,分布密度為1.7條/m2,細溝平均寬度和深度分別為9.5和6.8cm,坡面細溝侵蝕平均深度(RED)為1.0cm(表2)。第二坡段為4—7m,由于第一坡段細溝匯流作用及細溝間橫向溢流使徑流集中,造成該坡段細溝數(shù)量減少,分布密度減小為1.3條/m2;但是細溝平均寬度和深度分別較第一坡段增加30.5%和38.2%,RED增加到1.6cm,較第一坡段增加64.3%。第三坡段為7—10m,細溝形態(tài)與第二坡段相似,細溝分叉較少,徑流集中作用繼續(xù)加強,細溝分布密度為1.0條/m2,細溝平均寬度在此坡段達到最大值14.0cm,較第一坡段增加47.4%,較第二坡段增加12.9%;該坡段細溝平均深度為9.1cm,較第一坡段增加33.8%,但較第二坡段減少3.2%;RED達到2.0cm,分別較第一坡段和第二坡段增加102.0%和23.0%。第1次降雨結(jié)束后統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),細溝累積長度為39.3m;細溝間距離約為0.4—1.0m;坡面細溝總面積為4.27m2,占試驗土槽總面積的14.2%。第2次降雨坡面細溝基本為連續(xù)細溝(圖2),中間兩個流路上的細溝幾乎全部連通,虛線表示該處細溝發(fā)生潛蝕。潛蝕是指由于坡耕地前期翻耕作用,使部分坡位表層土壤以下由于土塊的存在形成相對較大的空隙,降雨過程中會在這些部位形成潛流而發(fā)生侵蝕。在細溝發(fā)育過程中,一旦徑流匯入這些潛蝕部位,會經(jīng)過一段時間在某一坡位涌出,隨著降雨過程的進行,當(dāng)這些潛蝕部位的土體全部塌陷,潛蝕現(xiàn)象隨即演變?yōu)榧殰锨治g。靠近土槽左右邊壁的兩個流路上的細溝與第1次降雨相比,同一條流路上,上部細溝溝尾與下部細溝溝頭的距離變短。第2次降雨后第一坡段內(nèi)細溝分布更為密集,分布密度較第1次降雨增加47.1%(表2),而第二與第三坡段內(nèi)細溝分布密度與第1次降雨基本相同。細溝平均寬度、深度和RED分別較第1次降雨增加,并在第二坡段內(nèi)增加幅度最大。第2次降雨后細溝平均寬度、深度和RED在3個坡段內(nèi)的大小變化為:第二坡段>第三坡段>第一坡段。第2次降雨結(jié)束后坡面細溝累積長度為51.8m,較第1次降雨增加32.1%。細溝間距離由第1次降雨的0.4—1.0m減小為0.3—0.8m。坡面細溝總面積為9.21m2,占試驗土槽總面積的30.7%,坡面細溝總面積與第1次降雨相比增加了115.6%。通過對比兩次降雨的細溝溯源侵蝕速率、細溝平均寬度的變化率及面積發(fā)現(xiàn),第1次降雨以溯源侵蝕為主,平均溯源侵蝕速率為4.6cm/min,溝長增加較快。第2次降雨細溝累積長度增加32.1%,坡面細溝總面積卻增加115.6%,細溝平均寬度較第1次降雨增加60.1%,而平均溯源侵蝕速率減小為1.1cm/min,由此推斷細溝溯源侵蝕逐漸減弱,溝壁崩塌明顯增強,坡面的破碎程度增加。2.2梯度-橫向流的幾何結(jié)構(gòu)分析2.2.1坡面徑流分布密度和細溝范圍分別對第1次降雨與第2次降雨單位斜坡長上細溝平均寬度、深度隨斜坡長的變化進行分析,結(jié)果顯示(圖3和圖4)兩次降雨后細溝平均寬度、深度隨斜坡長度的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這與降雨過程中徑流能量變化有關(guān)。在次降雨過程中,隨著斜坡長的增加,徑流量增加,侵蝕能量增加,進而徑流含沙量也增加;徑流搬運泥沙所消耗的能量加大,侵蝕減弱,兩者相互消長,導(dǎo)致徑流能量沿程呈現(xiàn)先增后減的變化。第1次降雨細溝平均寬度和深度均在斜坡長8m處達到最大值,其后逐漸減小,而第2次降雨二者在斜坡長7m處達到最大值,后開始減小,分析原因是,隨著降雨歷時的延長,土壤含水量逐漸增大,上坡細溝分布密度增加,細溝匯流能力增大及細溝間橫向溢流使徑流集中,造成坡面徑流量增加;而徑流含沙濃度也顯著增加,與之相應(yīng)徑流搬運泥沙所消耗的能量顯著增加,導(dǎo)致徑流能量沿程增長較快、消耗也較快,進而影響坡面細溝侵蝕發(fā)育過程及細溝形態(tài)。第2次降雨細溝平均寬度均大于相應(yīng)的第1次降雨細溝平均寬度,且在斜坡長4—8m處增幅較大,增幅為6.9—14.5cm(圖3),這與第2次降雨中細溝溝壁崩塌增強有關(guān)。隨著降雨歷時的延長,試驗土槽土壤含水量增大,導(dǎo)致細溝溝壁土體穩(wěn)定性降低,易于發(fā)生崩塌侵蝕。而斜坡長小于4m和大于8m的坡段分別是徑流能量積蓄增長和消耗減小階段,因此第2次降雨細溝平均寬度與第1次降雨相比增幅較小。兩次降雨后細溝最大寬度主要位于6—8m處,尤其是第2次降雨更為明顯。與第1次降雨相比,第2次降雨細溝平均深度增幅較大處位于斜坡長4—7m坡段,增幅從5.9cm逐漸遞增到10.6cm(圖4)。當(dāng)斜坡長大于7m時,第2次降雨細溝平均深度開始減小,至9m后,細溝平均深度甚至小于第1次降雨,分析原因有兩點:一是隨著匯水坡長的增加并超過一定范圍時,徑流搬運能力相對減弱;二是隨著降雨歷時的延長,由于累積沉積的影響,試驗土槽底部坡度發(fā)生變化,導(dǎo)致細溝平均深度減小。2.2.2坡面細溝寬度隨距細溝長度的變化為了進一步探討細溝各要素之間的關(guān)系,對距細溝溝頭長度、細溝寬度和深度的關(guān)系進行分析。第1次降雨結(jié)束后(圖5)細溝寬度隨距細溝溝頭長度的增大而增大,但是增加的趨勢不明顯。此時樣本總數(shù)的98.8%位于外包線內(nèi),細溝長度均小于3m。第2次降雨結(jié)束后(圖5),有93.8%的樣本分布在外包線內(nèi),細溝寬度隨著距細溝溝頭長度的增加呈先增大后減小的趨勢,通過對擬合方程求導(dǎo)可知,細溝寬度的最大值出現(xiàn)在距細溝溝頭長度490.5cm處。分析原因是在一定的長度范圍內(nèi),細溝流的能量足以剝蝕并攜帶搬運細溝邊壁土壤,但是細溝流沿溝槽流動時,必然受到阻力的影響,阻力主要來自含沙水流中沙粒本身對水流的阻礙作用、溝槽形態(tài)對水流的約束和細溝流攜沙過程所造成的能量消耗。當(dāng)超過一定的細溝長度范圍,細溝流的能量不足以支持剝蝕土壤耗能,細溝寬度隨溝長的繼續(xù)增加而呈現(xiàn)減小趨勢。細溝深度隨距細溝溝頭長度的增加先增大后減小(圖6),且第2次降雨的這種趨勢較第1次降雨更明顯。由圖6可知,第1次降雨距細溝溝頭長度約為1.5m時,細溝深度發(fā)生轉(zhuǎn)折,此后細溝深度隨距細溝溝頭長度的增加呈現(xiàn)微弱的減小趨勢,此時91.0%的樣本位于細溝深度小于20cm,且距細溝溝頭長度小于2m的區(qū)間內(nèi)。第2次降雨有90.8%的樣本分布于細溝深度小于30cm,且距細溝溝頭長度小于4m的區(qū)間內(nèi),通過對擬合方程求導(dǎo)可知,細溝深度的最大值出現(xiàn)在距細溝溝頭長度402.5cm處,細溝深度隨距細溝溝頭長度的變化也與細溝流的能量轉(zhuǎn)換有關(guān)。細溝寬度與深度的擬合關(guān)系最好(圖7),兩次降雨細溝深度均隨寬度的增加而增大,后趨于平穩(wěn)。第1次降雨98.5%的樣本位于外包線以內(nèi),絕大部分細溝深度小于15cm,寬度小于20cm;第2次降雨96.1%的樣本分布在外包線以內(nèi),大部分細溝深度小于20cm,寬度小于30cm,這與鄭粉莉等的野外研究結(jié)果相同,且經(jīng)過第2次模擬降雨,由于坡面細溝繼續(xù)發(fā)育及匯流作用的存在,使得坡面細溝發(fā)育表現(xiàn)出一定的空間差異性,坡面中下部部分細溝深度超過20cm,由圖7可以看出,當(dāng)細溝深度超過20cm后