集中水流冲刷条件下土石崩积混合物坡面产沙特征

集中水流冲刷条件下土石崩积混合物坡面产沙特征 1陈培济～黄炎和～蒋芳市～林金石～詹振芝～胡安东～黄清瑜～申芳芳～陈泽文 (福建农林大学资源与环境学院，福州 350002) 摘 要:通过室内人工放水冲刷试验，探究不同流量(2 L/min、4 L/min、8 L/min、16 L/min)和砾石含量(0%、 20%、40%、60%)条件之下土石崩积混合物坡面产沙特征。结果表明:各条件下产沙过程均呈“先增大后 减小再趋于稳定”的趋势。产沙量随着流量的增大而增大，而含沙量随流量的增大总体呈减小的趋势;在2 L/min和4 L/min条件下，产沙量及含沙量随着砾石含量的增大呈先减小后增大的趋势，存在临界砾石含量 (20-40%之间);在8 L/min和16 L/min条件下，产沙量及含沙量随着砾石含量的增大而增大。产沙率与含 沙量的关系表明含石量对产沙的影响存在临界含石量(20% - 40%)。砾石含量和流量可以用来很好地预测 土石崩积混合物的产沙率，但对含沙量的预测效果较差。流量对产沙率及含沙量的影响均大于砾石含量。 关键词:崩岗崩积体;土石混合物;集中水流;土壤侵蚀 中图分类号:S157.1 文献标识码:A 文章编号: DOI: Feature of Sediment Yield on Soil-rock Mixed Colluvial Soil Slope under Concentrated Flow CHEN Pei-ji , HUANG Yan-he , JIANG Fang-shi , LIN Jin-shi , ZHAN Zhen-zhi , HU An-dong , HUANG Qing-yu , SHEN Fang-fang , CHEN Ze-wen (College of Resource and Environmental Science , Fujian Agriculture and Forestry University , Fuzhou 350002) Abstract:The soil-rock mixed colluvial slope was selected to study the feature of sediment yield that was affected by four gravel contents(0%，20%，40%，60%)and four discharges(2 L/min，4 L/min，8 L/min，16 L/min) in indoor artificial runoff experimental condition(The results showed that: the process of sediment yield indicated that the sediment yield overall increased first, and then decreased, reached a steady finally with erosion duration. Sediment volume increased with increasing discharge, whereas sediment concentration decreased with increasing discharge; sediment volume and sediment concentration firstly decreased and then increased with increasing gravel content at the discharges of 2 L/min and 4 L/min, existing critical gravel content (20% - 40%), but sediment yield and 收稿日期:2016-01-06 基金项目:国家自然科学基金项目(41001169，41571272);国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2014BAD15B0303) 第一作者:陈培济(1989—)，福建尤溪人，男，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀研究。E-mail:chenguyu2012@163.com 通信作者:黄炎和(1962—)，广东饶平人，男，博士，教授，主要从事土壤侵蚀研究。E-mail:yanhehuang@163.com 1 sediment concentration increased with increasing gravel content at the discharges of 8 L/min and 16 L/min. According to the relationship between sediment yield rate and sediment concentration, it was indicated that the effect of gravel content on sediment yield existed critical gravel content (20% - 40%). Gravel content and discharge could be used to predict sediment yield rate of soil-gravel mixed colluvial slope correctly, but prediction for sediment concentration was poorer. The effects of discharge were higher than gravel content. Key words: colluvial soil; soil-rock mixture; concentrated flow; soil erosion 崩岗侵蚀是我国南方一种危害极大的水土流失类型，广泛分布于风化母质残积物深厚的花岗岩低山丘 -[2陵区，其具有侵蚀剧烈、突发性强、发展速度快、治理难度大等特点错误～未找到引用源。]。崩积体是 [3]崩岗的重要组成部分，土质疏松、粗颗粒含量高、坡度大、易被降雨或径流侵蚀，是崩岗侵蚀泥沙的主要来源。根据野外调查，试验区的崩岗崩积体砾石(粒径>2 mm)含量高，最高可达近70%，属于典型土石 [3][3]混合物。此外，野外调查发现，崩积体坡面在集中水流的作用下形成密集的细沟，产生浅沟、切沟。崩积体的侵蚀已引起不少学者的关注，其主要研究了崩积体的侵蚀过程、产流产沙特性、侵蚀影响因子以及 [3]水动力学机制等。但目前关于在集中水流条件下崩积体坡面的侵蚀特征以及砾石对崩积体坡面侵蚀的作用机制尚未探明。 由于砾石与土壤颗粒在密度、表面结构及透水性等方面存在本质的差异，因此当砾石和土壤混合后必将导致土壤结构与物理性质产生变化错误～未找到引用源。，进而影响坡面水力侵蚀过程。众多学者对不同 [9]砾石含量条件下土壤坡面侵蚀展开了研究。王小燕等对紫色土研究认为土壤流失量及含沙量随碎石含量的增大而显著减小，景民晓和陈磊等错误～未找到引用源。对弃土堆置体的研究得出了相似的规律。然而， [12]王雪松等对工程堆积体研究却认为侵蚀速率随着砾石含量的增大而增大。以上 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明，坡面产沙随含石量的增加呈简单的减小或增大的规律。然而，砾石含量的增加一方面起到增加土壤入渗，减少地表径流，从而起到减少土壤侵蚀的作用;另一方面随着砾石含量的增加，土壤颗粒间的作用力降低，土壤的团聚状况变差，造成土壤的稳定性下降，从而起到增加土壤侵蚀的作用。因此，不同砾石含量对坡面侵蚀的影响有不同的机制，在不同条件下会有不同的侵蚀规律，不能简单的认为起到减少或增加侵蚀的作用，还需进一步摸清其作用机制。 崩岗崩积体属于典型的土石混合物，细沟侵蚀严重，其侵蚀有其特殊性。本文通过室内人工放水冲刷试验，模拟细沟(集中水流)侵蚀，分析不同流量、砾石含量条件之下坡面侵蚀产沙特征，为完善崩岗侵蚀的机理研究提供基础，也为进一步深化认识砾石对土壤侵蚀的影响机制提供依据。 1材料与方法 2 1.1试验区概况 试验区选自位于福建省安溪县位于安溪县南部的龙门镇(118?05′E，24?57′N)，位于南亚热带季风气候区，气候温暖，雨水充沛，年均气温18~20.9?，年均降雨量1 800 mm。据调查，福建省有崩岗数26 024 22个，占地总面积6 406 hm，而安溪县的崩岗数量(12 828个)和面积(2 305 hm)分别占了其中的49.28%、 235.99%，成为福建省之最;其中1 228个崩岗分布于龙门镇，侵蚀面积264.77 hm，分别占安溪县的9.57%和11.48%。龙门镇的崩岗侵蚀剧烈，为福建省崩岗最发育的地区之一，在南方崩岗发生区，其崩岗侵蚀亦具典型性和代表性。 1.2试验土的采集及性质 试验土于2015年4月采自福建省安溪县龙门镇洋坑村，为发育于侏罗纪、白垩纪燕山运动晚期的酸性侵入体之上且属花岗岩类岩石结构的崩岗崩积土。供试土壤pH值为5.24，属酸性土;有机质含量低，仅为2.09 g/kg;< 2 mm的颗粒中的砂粒(0.05~2 mm)、粉粒(0.002~0.05 mm)和黏粒(< 0.002 mm)含量分别为78.90%、18.85%、2.25%，土质疏松、结构性差。 1.3试验装置及 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 冲刷装置由1个可调坡度(0?~40?)升降试验架与4个钢槽组合构成。升降试验架高0.6 m，钢槽的长、宽、深分别为2.0 m、0.1 m、0.3 m，槽的顶部设置0.1 m溢流槽和0.1 m的稳流面，槽的前部设置0.1 m引流槽，槽底部钻有细孔，以便重力水可自由渗出。流量由蠕动泵(WT600-4F)控制，采用双泵头组合控制，以期达到预计流量。综合安溪县降雨产流特征和崩岗崩积体土石分布及其坡度的野外调查，进行双因素组合设计:集中水流流量2 L/min、4 L/min、8 L/min、16 L/min，砾石含量0%、20%、40%、60%，试验坡度 ?。每场试验时间为5 min，每组试验做3次重复。 根据野外调查的平均坡度设置，为30 1.4试验过程 冲刷试验于2015年8~10月在福建农林大学金山水土保持科教园人工室内模拟大厅进行。试验前在钢槽内壁粘一层试验用土，以增加其粗糙度，使其填土后尽可能接近自然状态;将采回的土样混合均匀后分别过2 mm、10 mm的筛，除去>10 mm的石块以及杂草、树枝、根系等杂物，按设计好的4种土石质量比混合均匀后，先在4个钢槽底部填入5 cm厚的砾石并铺上纱布以保证填土后水分可自由下渗，再将含有4 3种不同砾石比例的混合土石分四层分别填入4个钢槽，每层填5 cm，控制其容重为1.30-1.40 g/cm。试验土装填完毕后，将纱布铺于试验用土上，并用喷壶均匀洒水，直至饱和，盖上塑料布以减少蒸发，放置18 h以使水分充分渗透，保证达到试验相对一致的初始条件。 试验开始前，首先要校准流量，等校准完毕后再率定3次，直至精度超过95%后进行试验;试验开始后，水流通过软管进入溢流槽可消除大部分水流动能，再经稳流面上的纱布可保证水流均匀流出。水源由试验前提前蓄存完毕，冲刷开始时必须边抽水边添水，以保证供水充足。试验从产流后开始计时，每隔0.5 3 min用塑料桶接一次径流泥沙样。直接用量筒测量径流体积，烘干法(105?)测定泥沙干重。 1.5模型精度检验 [13]试验模型的拟合效果检验是运用模型有效系数(ME)来实现的，计算方法如下: 22 ME =1-?(Q- Q)/?(Q- Q) (1) i cii m 中，ME——模型有效系数，Q——第i个样本实测值，Q——第i个样本计算值，Q——实测值平均式icim值。 1.6数据处理软件 数据处理主要由Excel 2007和SPSS 18.0 完成。Excel 2007用于图表制作和方差分析，SPSS 18.0用于相关性分析与数据模拟。 2结果与分析 2.1产沙过程 2.1.1产沙率变化过程 图1为各条件下试验坡面细沟产沙率随冲刷时间的变化过程曲线图。如图可知，产沙率随冲刷历时的推延呈“先增大后减小再趋于稳定”的趋势。在试验初期，坡面土石混合物经过十几个小时的沉积、凝聚，土体结构相对稳定，但坡面表土比较松散，土壤抗蚀能力弱，易受径流冲刷而产生泥沙，故产沙率在短时 [14][7]间内增大到峰值，其侵蚀过程为土壤颗粒分离状况或者输沙限制状况。随着冲刷的进行，地表松散土粒减少，细沟逐渐发育成熟，沟壁和沟底土体结构趋于稳定，坡面土壤侵蚀强度显著减小，该过程进入分离 [15]限制状况，故在冲刷一段时间后产沙率明显减少并趋于恒定。四个流量下产沙过程均具有波动性，大流量条件下(8 L/min、16 L/min)尤为显著，主要是因为坡面上下出现间断的跌坎，跌坎之间迅速连通形成沟道，产沙量增加，而后沟壁发生坍塌，暂时阻塞水流路径，产沙量减小，当坍塌的土体被疏通后，大量泥 [16]沙顺流而下，产沙量又增加，如此反复便出现产沙波动性。这与李天阳研究的汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟产沙过程的波动特征相似。 从图1还可看出，不同流量下随着砾石含量的增大，产沙过程的波动性更加明显。这说明砾石含量高的土壤坡面，其侵蚀过程更加复杂。出现这种情况是因为随着砾石含量的增大，土石混合物反而变得更加松散，在大坡度下(30?)更易被侵蚀，加之沟壁坍塌的作用，因此产沙过程波动变大。 4 772L/min4 L/min0%20%0%20%40%60%40%60%66))-1-155 44 33 产沙率/(kg?min产沙率/(kg?min22 11 00 306090120150180210240270300306090120150180210240270300 历时/S历时/S 78L/min1016L/min0%20%0%20%40%60%640%60%9))-1-158 47 36 产沙率/(kg?min产沙率/(kg?min25 41 30 306090120150180210240270300306090120150180210240270300 历时/S历时/S 图1 产沙率随冲刷时间变化过程 2.1.2含沙量变化过程 各条件下坡面细沟含沙量随冲刷历时的变化过程如图2。由图可知，含沙量的变化过程与产沙率的变化过程相似，均呈现“先增大后减小再趋于稳定”的变化趋势。从图2还可看出，随着流量的增大四条含沙量曲线波动范围减小，达到峰值的时间缩短，即流量从2 L/min递增至16 L/min四条曲线达到峰值的时间分别为90-240 s、90-120 s、60-120 s、60 s，这主要是因为试验流量越大，重力势能越大，水流冲蚀能力也就越强，侵蚀过程提前进入输沙限制状况，因此含沙量达到峰值的时间也提前。此外，含沙量随冲刷历时的变化过程同产沙过程相似，在各流量下随着砾石含量的增大，含沙过程的波动性呈增大的趋势。 5 2 L/min4 L/min0.7 0.8 0%20%0%20%40%60%40%60%0.6 0.7 )0.5 0.6 )-1-1 0.4 0.5 0.3 0.4 含沙量/(g?ml含沙量/(g?ml0.2 0.3 0.1 0.2 0.0 0.1 306090120150180210240270300306090120150180210240270300 历时/S历时/S 8L/min16L/min0.7 0.7 0%20%0%20%40%60%40%60%0.6 0.6 0.5 0.5 ))-1-1 0.4 0.4 0.3 0.3 含沙量/(g?ml含沙量/(g?ml0.2 0.2 0.1 0.1 0.0 0.0 306090120150180210240270300306090120150180210240270300 历时/S历时/S 图2含沙量随冲刷时间变化过程 2.2砾石含量及流量对产沙量、含沙量的影响 2.2.1砾石含量及流量对产沙量的影响 不同砾石含量及流量条件下试验坡面细沟总产沙量的变化趋势如图3所示。由图3(a)可知，总产沙量随流量呈对数函数增大，说明产沙量随着流量的增大先迅速增大再趋于缓和，这与已有研究的结果表现 [4,[17]出相似的规律]。这是因为随着流量的增加坡面径流的冲刷力变强，产沙量迅速增加，但同时细沟逐渐发育成熟，土体结构变得稳定，产沙量增加变缓。 从图3(b)可以看出，在流量2 L/min和4 L/min条件下，总产沙量随砾石含量的增大呈先减小后增大的趋势，说明砾石含量对总产沙量的影响存在一个临界值，这个值在含石量20% - 40%之间。这是因为砾石本身具有很强的抗蚀性，能消散径流冲刷动能，当其与土壤混合后，增强了土壤抗蚀性和抗冲性，能保护土壤免受径流冲刷;但随着砾石含量的增大，土石混合体大孔隙急剧增多，颗粒之间的作用力下降，土体稳定性下降，砾石的存在削弱了土壤抗蚀性和抗冲性。因此，一些学者研究表明产沙量随砾石含量的增大 [9-[11[12]而减小]]，而有学者研究得出产沙量随砾石含量的增大而增大。而本文得出在2 L/min和4 L/min条件下，砾石含量对产沙的影响存在临界含石量，这个值在20% - 40%之间。再由图3(b)可知，流量从8 L/min增加至16 L/min总产沙量趋于随砾石含量的增大而增大，分别呈幂函数和线性函数关系，临界砾石含量消 6 失。这是因为在大流量条件下，径流的冲刷作用更加明显，掩盖了砾石对崩积土土体的稳定作用。 通过双因素方差分析可知，砾石含量对总产沙量的影响达到了显著水平，而流量对其影响达到了极显 [17]著水平(F=72.74，F=6.24，F=3.86，F=6.99)，这与史倩华等对产沙量与砾石含量相关分析的结流砾0.050.01 果一致。 3535ab3030 2525 20202L/min0% 15154L/min20%总产沙量/kg总产沙量/kg10108L/min40% 5516L/min60% 00 0102030405060700246810121416-1流量/(L?min)砾石含量/% 图3 不同砾石含量和流量下总产沙量的变化 2.2.2砾石含量及流量对含沙量的影响 不同砾石含量和流量条件下试验坡面细沟含沙量的变化趋势线如图4所示。由图4(a)可知，不同砾石含量下含沙量随流量的增大整体呈缓慢减小的趋势。其中，当含石量为0%时，含沙量随流量的增大呈对数函数减小，这是因为全土土体结构相比于土石混合物较稳定，成倍增加的流量超过了径流的冲刷作用，因此径流含沙量逐步减小;当含石量为20%、40%、60%时两者呈二项式函数关系，即随流量的增大含沙量 [18]先缓慢增大后迅速减小。含沙量可以用来表征水流挟沙能力，即水流所能挟带泥沙的最大数量，当水流含沙量小于水流挟沙能力时，坡面发生侵蚀;当水流含沙量等于水流挟沙能力时，坡面停止侵蚀;当水流 [19]含沙量大于水流挟沙能力时，水流中的部分泥沙开始淤积。因此，当含石量为20%、40%、60%时，随着流量增大到8 L/min，含沙量却变化不大，说明此时坡面径流达到了水流挟沙能力;当流量增大到16 L/min，水流侵蚀下切速度加快，加速细沟逐渐发育成熟，水流分离土壤颗粒的数量趋于恒定，产沙率趋于恒定，但流量成倍增大，导致径流率急剧增大，因此径流含沙量逐渐减小，说明其挟沙能力进一步增强。 由图4(b)可知，当流量为2 L/min、4 L/min时，含沙量随含石量的增大呈先减小后增大的趋势，含沙量随砾石含量的增大呈二项式函数关系，说明在小流量条件下坡面径流挟沙数量存在临界含石量，这个 [9]值在20% - 40%之间，王小燕对紫色土坡面研究发现，在含石量低于30%条件下，含沙量随着砾石含量的增加而减少，与本研究中2 L/min、4 L/min流量下含石量小于20%的情况相似，说明在小流量条件下，一定砾石含量起着增加土壤抗冲性及抗蚀性的作用;但随着含石量增加，土体的稳定性降低，土壤更易发生侵蚀，径流含沙量增大。当流量为8 L/min、16 L/min时，含沙量随含石量的增大分别呈幂函数和线性函数增大，这是因为大径流对土体的冲刷作用掩盖了砾石对土壤的稳定作用。 7 通过双因素方差分析可以发现，砾石含量和流量对含沙量的影响均达到了极显著水平(F=7.44，F流砾 [17]=14.16，F=3.86，F=6.99)。但史倩华等研究却表明含沙量与砾石含量的相关性不显著。 0.050.01 0.6 0.6 ab 0.5 0.5 ))-1-1 0.4 0.4 2L/min0% 4L/min0.3 0.3 20% 含沙量/(g?ml含沙量/(g?ml8L/min40%0.2 0.2 16L/min60% 0.1 0.1 0246810121416010203040506070 -1流量/(L?min)砾石含量/% 图4 不同砾石含量和流量下含沙量的变化 2.3产沙率与含沙量的关系 根据泥沙分散与搬运相匹配的原理可知，径流侵蚀分散率与径流输沙能力和径流泥沙含量之差成正比[20]，因此有必要对侵蚀产沙率与含沙量的关系进行分析。各条件及不同时间段下坡面产沙率与径流含沙量的关系均呈线性函数关系(表1)，其表达式为S=aS+b (S为产沙率，S为含沙量，a和b分别为方程VCVC 2的系数)，各方程的相关系数R均超过0.85，达到了极显著水平。结合实际物理意义与数学概念分析易知，系数a更多地体现了不同条件下的产沙能力，当含沙量相同时，径流输移能力与径流含沙量之差越大，产 [20]沙量便越大，a值也便越大。由表1可知，a值随着流量的增大而增大，说明大流量下产沙能力增强，与前文结论一致;而随着砾石含量的增大，a值大致呈先减小后增大的趋势，说明含石量对径流的产沙能力的影响存在砾石含量临界值，这个值大约在20% - 40%之间，与前文结论一致，这也在一定程度上解释了坡面侵蚀产沙为什么存在临界含石量。 表1 不同砾石含量和流量下含沙量(S)和产沙率(S)的关系方程 CV 流量0% 20% 40% 60% -1(L?min) 22222 S=3.553S-0.322 R=0.986** S=3.028S-0.189 R=0.988** S=2.495S-0.036 R=0.909** S=3.380S-0.373 R=0.942** VCVCVCVC 22224 S=6.204S-0.430 R=0.987** S=5.578S-0.252 R=0.986** S=5.812S-0.318 R=0.998** S=6.541S-0.665 R=0.986** VCVCVCVC 22228 S=11.817S-0.612 R=0.988** S=11.158S-0.506 R=0.978** S=10.522S-0.200 R=0.986** S=10.861S-0.013 R=0.852** VCVCVCVC 222216 S=20.384S-0.492 R=0.954** S=25.192S-1.808 R=0.935** S=23.031S-1.423 R=0.952** S=24.882S-2.146 R=0.990** VCVCVCVC 注:*表示两者关系达到显著水平，**表示两者关系达到极显著水平。 2.4崩岗土石崩积混合物产沙率与含沙量之模拟 通过对不同砾石含量及流量控制条件下的试验冲刷结果进行多元统计分析，可得到崩岗土石崩积混合物坡面细沟冲刷侵蚀产沙率和含沙量的经验方程，分别如下: 8 2S=0.307Q+0.020R+0.045 R=0.907 n=16 (2) V C 2S=-0.006Q+0.002R+0.340 R=0.664 n=16 (3) C C 式中，S——平均产沙率(kg/min)，S——平均含沙量(g/ml)，Q——流量(L/min)，R——砾石含量VCC(%)。 )式测算的结果与实测结果可得如图5所示的拟合效果。通过计算得到这两个方程利用方程(2)、(3 的模型有效系数ME分别为0.907、0.656，说明该模型对产沙率的模拟效果很好，对含沙量的拟合效果较差。因此，(2)、(3)式均可以用来预测崩岗土石崩积混合物的产沙率和含沙量，其中对产沙率的预测效果很好，但对含沙量的预测效果较差。 70.50 60.45))-1-150.40 40.35 3 0.302含沙量测算值/(g?ml产沙率测算值/(kg?min0.251 0.200 0.200.250.300.350.400.450.5001234567 -1-1产沙率实测值/(kg?min)含沙量实测值/(g?ml) 图5 产沙率和含沙量的测算值与实测值之比较 同时，通过比较方程(2)、(3)式中流量与砾石含量的系数绝对值大小，可知(2)式中流量的系数绝对值(0.307)大于砾石含量的(0.02)，(3)式中流量的系数绝对值(0.006)也大于砾石含量的(0.002)，因此，流量对产沙率及含沙量的影响均大于砾石含量。 3结论 通过设置不同流量和土石比条件，对崩岗崩积体坡面进行冲刷试验表明: (1)在流量和砾石含量组合下产沙过程均呈“先增大后减小再趋于稳定”的趋势，并具有波动性，高砾石大流量条件下尤为显著。 (2)产沙量随着流量的增大而增大，含沙量随流量的增大总体呈减少的趋势;流量2 L/min和4 L/min条件下，产沙量及含沙量与含石量呈二项式函数关系，即产沙量随着砾石含量的增大呈先减小后增大的规律，其存在临界含石量(20% - 40%);在8 L/min和16 L/min流量条件下，产沙量及含沙量随砾石含量的增大而增大，分别呈幂函数和线性函数关系。通过双因素方差分析可知，砾石含量对产沙量影响达到显著水平，而流量对其影响达到极显著水平，两因素对含沙量的影响均达到极显著水平。 9 (3)产沙率与含沙量呈线性函数关系，其表达式为S=aS+b(S为产沙率，S为含沙量)。由系数aVCVC可知，含石量对崩积土坡面侵蚀影响存在临界含石量(20% - 40%)。 (4)砾石含量和流量可以用来很好地预测土石崩积混合物的产沙率，但对于含沙量的预测效果较差;流量对产沙率及含沙量的影响均大于砾石含量。 参考文献 [1] 唐克丽.中国水土保持[M].北京:科学出版社,2004, 80-82. 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