喀斯特槽谷区特殊的顺/逆层边坡地质构造导致不同倾角岩层出露地面,地表裸露岩石与斜坡面沿坡向形成不同夹角,显著改变地表径流汇聚形成的集中流水动力特性 [1-3]。而该区域地表集中流侵蚀和土壤地下漏失耦合存在,已造成严重的土壤侵蚀[4]。目前,已有大量研究关注了该区二元空间地质结构及岩石裸露率等因素对产流产沙的影响[5-7]。如彭旭东等[5]研究发现,在不同程度石漠化条件下裸坡地表产沙量总体上高于地下产沙量;操玥等[8]研究表明喀斯特槽谷区盆地的土壤侵蚀模数大于平原地区。但关于喀斯特槽谷区坡面侵蚀水动力学机制的研究还很少见,对该区不同岩石与坡面夹角条件下的地表集中流侵蚀水动力动态变化过程的认识也不深入。
水流剪切力τ、水流功率ω、单位水流功率Up和过水断面单位能量ε等是常用的描述土壤侵蚀过程的水动力学指标[9-10]。由于试验条件和研究方法的差异,学者们对哪种指标可以更好地描述水流侵蚀过程尚未有定论。张光辉等[11]、Nearing等[12]研究认为水流功率可以很好地描述坡面水流土壤剥蚀能力。Govers[13]认为单位水流功率是表征水流剥蚀过程效果最好的水动力学指标。而肖海等[14]研究表明平均单位水流功率和水流功率均可很好地预测集中流作用下的坡面侵蚀率;王秋霞等[15]、张乐涛等[16]、吴淑芳等[17]和师宏强等[18]通过放水冲刷试验研究表明水流剪切力、水流功率与土壤侵蚀率之间存在良好的线性关系。王瑄等[19]则发现在流量相同时,水流剪切力与坡面土壤侵蚀率呈相关性较大的幂函数关系。然而,上述研究均集中于非喀斯特区域,对于喀斯特槽谷区不同地表裸露岩石与坡面夹角下集中流水动力学指标变化特征及其与土壤侵蚀率之间关系尚不清楚。基于此,本文通过室内模拟喀斯特槽谷区出露岩石与地表形成不同夹角的坡面,采用放水冲刷试验,研究在一定地下孔隙、不同夹角、流量及坡度组合条件下的适用于描述喀斯特槽谷区坡面土壤侵蚀过程的集中流水动力学指标及其变化特征,为明确喀斯特槽谷区坡面土壤侵蚀水动力学机制及发展土壤侵蚀预测模型提供数据支撑。
1 材料与方法 1.1 供试材料试验土壤采自重庆市北碚区鸡公山(29°47′41″N,106°27′19″E)喀斯特地区碳酸盐岩发育的石灰性土坡耕地0~30 cm耕层土壤,土壤颗粒组成及容重见表 1。土壤风干后过10 mm筛。为模拟喀斯特槽谷区坡面条件,确保尽可能地接近野外实际情况,选择9块直径大于25 cm的不规则碳酸盐石块置于试验钢槽中,确保试验过程中岩土接触面积不变;自下而上按设计容重分层装填土壤,填土表面用特制木板耙平。钢槽两侧与土壤接触边界处涂抹凡士林,两边土壤适当填高以减小边缘效应。
重庆市酉阳喀斯特槽谷区存在地表地下双层地质空间结构,槽谷两侧岩层倾向一致,坡向相反,出现坡向和岩层倾向一致的顺倾坡、坡向和岩层倾向相反的逆倾坡,相对于锥、塔峰喀斯特地貌等类型,其两翼水土资源漏失严重,土层较薄,发育土壤为黄色石灰土,基岩裸露率大,大部分径流泥沙沿坡面汇集到槽谷底部的洼地[20]。根据野外调查重庆市酉阳喀斯特槽谷区典型基岩裸露坡面,本试验设置岩石裸露率为15%,地下裂隙度为地下裂隙水平投影面积与钢槽底板面积的百分比,本试验设置为2%(轻度发育)[21];岩石与坡面夹角设置为30°、60°、90°、120°、150°和180°(0°);土层厚度20 cm,分上(15 cm)、下(5 cm)两层,其土壤容重分别为1.2、1.3 g·cm–3。根据研究区典型坡度和雨强及前人研究[3],试验坡度设计为10°、15°和20°,冲刷流量分别为5、7.5和10 L·min–1。前期预试验发现冲刷进行到18 min时产流产沙已基本稳定,且最大流量和坡度下细沟沟道深度已达到土槽底部,故每场试验冲刷历时18 min。各组合条件试验重复2次,共计108场次。一次冲刷试验结束后,根据细沟深度更换表层土壤,待达到设计要求后准备下一场试验。
1.3 模拟冲刷试验室内模拟试验在西南大学后山人工降雨大厅内进行。试验土槽采用自制的可调孔(裂)隙度的变坡钢槽(图 1),土槽长5.0 m、宽1.0 m、深0.2 m,底部设置两块可错位调节的均匀打孔钢槽地板,用以实现地下裂隙模拟,裂隙度在0~5%之间可调。土槽上、下端分别设置地表、地下裂隙流集流槽,用于收集地表和地下径流泥沙样。土槽顶端安装有稳流水箱(长1 m、宽0.2 m、深0.2 m),水箱与土壤接触处填充纱布以使出流平缓,实际有效冲刷坡长为4.8 m(图 1)。前期预试验结果表明,集中流在试验土槽宽度下均未达小区边界,细沟能够自由发育不受边界限制。试验开始前,调节钢槽地板,使裂隙达到设计值2%。填土完成后,将岩石随机排列于钢槽内,调试并测量出露地表的面积,采用坡度倾斜仪将片石与坡面夹角调整到设计水平,岩石出露地面平均高度为17 cm,压实岩石与土壤接触面,试验过程中岩石位置及岩土接触面积保持不变。使用侧喷式降雨器降小雨,观察到地下产生均匀不间断漏渗且地表有蓄流时停止降雨,放置48 h。
试验开始时,调整水箱与土槽过渡段左右高度使水流在一侧出流,保证水流出流集中。调节坡度和流量至设计水平,其中流量采用手动调节,控制放水流量与设计流量相对误差≤2.5%。试验开始后,分别在距底端1 m、2.5 m、3.5 m处设置测定断面,在冲刷试验前6 min内每分钟测定流速、水深及水宽,后12 min每隔1.5 min测定流速、水深及水宽。流速测定采用染色法,测距为0.5 m;水深及水宽用薄钢尺量测,水流温度用温度计测量以计算水运动黏滞系数。
1.4 数据处理染色法测定的流速为表面流速,根据表面流速计算确定水流流态,将测定的表面流速分别乘0.67、0.70和0.80的修正系数得到水流的平均流速。流速计算公式为:
$ V=αVs $ | (1) |
式中,V为水流平均流速,m·s–1;Vs为表面流速,m·s–1;α为修正系数。
水流剪切力是沿坡面分散和剪切土壤颗粒的作用力[23],计算公式为:
$ \tau = \rho gRS $ | (2) |
式中,τ为水流剪切力,kg·m–1·s–2;ρ为水的密度,1 000 kg·m–3;g为重力加速度,9.8 m·s–2;R为水力半径,m;R = A/P,A为过水断面面积,m2;P为湿周,m;P = 2h+b,h为径流深度,m;b为径流宽度,m;S为水力坡降,S = sinθ,θ为试验坡度,°。
水流功率是指作用于单位面积水流所消耗的动能和势能的速率[24],计算公式为:
$ \omega = \tau V = \rho gRSV $ | (3) |
式中,ω为水流功率,kg·s–3。
单位水流功率是指单位重量的水体作用于泥沙床面所消耗的功率[25],计算公式为:
$ Up = VS $ | (4) |
式中,Up为单位水流功率,m·s–1。
过水断面单位能量是以过水断面最低点做基准面的单位水重的动能与势能之和[26],计算公式为:
$ \varepsilon = h + {V_2}/2g $ | (5) |
式中,ε为过水断面单位能量,m。
本文中,土壤侵蚀率为单位时间单位面积上径流剥蚀输移的泥沙量,计算公式为:
$ E = M/tbL $ | (6) |
式中,E为土壤侵蚀率,kg·m–2·s–1;M为冲刷时间内的泥沙质量,kg;t为冲刷时间,s;b为径流宽,m;L为试验坡长,m。
1.5 数据分析方法采用Excel2016进行试验数据整理,利用SPSS24.0进行数据统计分析。采用双因素方差分析方法检验坡度、流量对土壤侵蚀率的作用,分别使用多元回归分析拟合土壤侵蚀率、水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能量与坡度、流量的关系;采用单因素方差(One-way ANOVA)对不同夹角下水流剪切力、水流功率、单位水流功率及过水断面单位能量进行分析,用Duncan法进行多重比较;采用简单回归分析确定土壤侵蚀率与水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能量间的数学关系。本文显著水平为P < 0.05。使用Origin2018及AutoCAD2018进行作图。
2 结果与讨论 2.1 土壤侵蚀率变化特征由图 2可知,坡面土壤侵蚀率随放水冲刷历时呈波动性减小后逐渐趋于稳定。这是由于试验初期坡面表层平整且土壤较分散,集中水流阻力较小,快速冲刷大量泥沙的同时,形成具有固定流路的细沟,无坡面漫流过程。随着地下漏渗产生,细沟形态阻力增大,水流能量减小,冲刷能力减弱。细沟中水流不同部位侵蚀动力在岩石影响下发生突变继而冲刷形成跌坑(图 3)。随着冲刷时间延长,跌坑形态发育基本稳定,同时细沟侵蚀下切深度增加导致剥蚀的土壤越来越少,伴随着水流能量不断减小,侵蚀动力减弱,土壤侵蚀率趋于稳定[15,27]。由于水流侧切,细沟深度增加,试验后期细沟沟道上方土体坍塌,使得冲刷后期土壤侵蚀率有所波动但总体较为平稳,如15°坡面、7.5 L·min–1流量、30°和150°夹角条件下。试验条件下不同夹角坡面的土壤侵蚀率随冲刷历时变化过程交叉变化。但在60°夹角时,相同坡度和流量下侵蚀率最小出现的次数较多,说明相较于其他夹角,岩石与坡面夹角为60°条件下集中水流侵蚀能力较弱。15°坡面、10 L·min–1流量、150°夹角条件下,初始坡面集中水流较宽,流速较大,冲刷进行到2 min时,侵蚀细沟产生,岩石对水流扰动作用较明显,径流深增大,水流侵蚀能力突变,土壤侵蚀率增大,后随冲刷历时而逐渐减小。夹角为30°、60°、90°、120°、150°和180°时,土壤侵蚀率变化范围分别为0.0003~0.626、0.0001~0.665、0.0005~0.591、0.0005~0.626、0.001~0.915和0.0006~0.585 kg·m–2·s–1。夹角150°时平均土壤侵蚀率最大,为0.078 kg·m–2·s–1,结果表明岩石与坡面夹角大于90°时,坡面土壤侵蚀加剧,这可能是因为此时岩石有利于维持水流能量集中,水流贯通能力较强,同时由于集中水流与岩石形成的流路较长以及侵蚀突变点的存在,使得土壤侵蚀程度增加[28]。双因素方差分析结果表明土壤侵蚀率受坡度和流量的显著影响[29],其随坡度和流量的增加而增大,坡度对土壤侵蚀率的影响较流量大(F坡度=30.445 > F流量=9.153)。这是由于坡度和流量增加,使得集中流侵蚀能力增强[18]。对试验条件下土壤侵蚀率与坡度和流量关系拟合,得到:
$ E=0.007θ+0.007Q–0.092 ~~R^{2}=0.587 ~~ P <0.01 $ | (7) |
式中,θ为坡度,°;Q为放水流量,L·min–1。
2.2 水流剪切力变化特征由图 4可知,在各岩石与坡面夹角条件下,水流剪切力随冲刷历时总体表现出波动性增大的趋势,其中在20°坡面、10 L·min–1流量条件下,其在冲刷试验后期明显表现出减小的变化趋势,转折点在15 min左右。这与不同坡度和流量条件下集中流水力半径的变化有关。坡面集中流水流剪切力取决于水力半径和坡度,而水力半径由试验条件下的水深和水宽决定。试验过程中,随着侵蚀细沟形成和加深,水深逐渐增大,水流剪切力增大[30]。通过对试验数据分析发现,当坡度和流量均达到最大时,在冲刷后期水宽减小的变化大于水深增大的变化,使得水力半径出现了减小的趋势。这可能是由于大坡度条件下水流更集中地下切侵蚀细沟[31],当细沟下切到不同容重土层界面时,形成了宽度小深度大的侵蚀断面,同时地下漏渗增多也会对集中流水力半径产生影响;试验过程中由于水流剥离作用和坍塌作用会影响坡面水流中泥沙含量,从而影响径流对土壤的剪切作用,以上因素综合作用产生如结果所示的波动变化[14]。随着夹角增大,水流剪切力先减小后增大(表 2)。相比较于其他夹角,60°夹角条件下的水流剪切力较小,而30°夹角条件下的水流剪切力相对较大,两者平均水流剪切力之间存在显著性差异(P < 0.05),这可能与不同夹角条件下岩石对水流阻挡作用不同有关。夹角30°条件下,岩石对水流阻挡作用小,且由于岩石光滑面的存在,岩石对水流有促进作用[4],水流流速较大,冲刷水流更多以地表径流形式流出,且跌水较多,细沟内水深较大,水流剪切力较大。当夹角为60°时,岩石倾向与坡向一致,岩石阻挡作用增强,水流流速较30°条件下有所减小,在地下裂隙影响下漏渗量增多,地表径流减少,水深减小,水流剪切力减小,随着夹角继续增大,岩石阻挡水流作用增强,流速减小,水深增加,水力半径增大,水流剪切力增大。试验条件下,水流剪切力变化范围为6.382~34.871 kg·m–1·s–2,随着冲刷流量和坡度的增加,水流剪切力也随之增大[32],且坡度越大其随流量增加而增大表现越明显,说明本试验条件下的水流剪切力受流量的影响显著。对试验条件下水流剪切力与坡度和流量关系拟合,得到:
$ τ=0.673θ+1.224Q-5.075 ~~ R^{2}=0.833 ~~ P <0.01 $ | (8) |
式中,θ为坡度,°;Q为放水流量,L·min–1。
2.3 水流功率变化特征水流功率随冲刷历时的变化如图 5所示。由图可知,20°坡面的各流量条件下,各夹角下的集中流水流功率均随冲刷历时延长而减小。而其他条件下,水流功率随冲刷历时的变化均受流量和坡度的影响,呈现不特定的变化趋势。总体而言,坡度对水流功率变化的影响较为显著。细沟水流水动力学特性受到细沟冲刷形态的显著影响[33]。冲刷过程中,受与坡面形成不同夹角的岩石影响,不同坡度条件下的细沟形态发育机制不同[34],在流量影响下,流速和水力半径波动增减不一致,使得不同夹角条件下的水流功率随冲刷历时表现出不特定的变化趋势。在20°坡面下,水流势能转化为动能,快速冲刷坡面产生细沟继而改变细沟形态[35],冲刷过程中跌坑紊流引起水力损失[36],在岩石阻挡作用下,水力坡度及水流所受阻滞作用增大,水流运动过程中克服阻力做功增加。同时随着地下漏渗增多,细沟中水流能量减小,水流功率减小[37]。在20°坡面、7.5 L·min–1流量、180°夹角条件下,由于试验过程中受岩石影响水流发生改道,水流流速及水流剪切力均发生改变,使得在20°坡面下,相较于其他流量条件,7.5 L·min–1流量下试验过程前后水流功率变化不大[38]。如表 2所示,同水流剪切力大小变化类似,随着夹角增大,水流功率先减小后增加,各夹角条件下的水流功率表现出显著性差异(P < 0.05)。相同坡度和流量下,30°夹角条件的水流功率最大出现的次数较多,这可能是在该夹角条件下岩石阻挡作用小,跌坎发育明显,水流流速和水流剪切力(水深)较大,综合作用使得水流功率较大。当夹角从90°增大至150°时,岩石阻挡作用增强,流速减小,水深增大起主导作用,使得此时水流功率随夹角增大而增加。试验条件下,水流功率变化范围为1.381~11.382 kg·s–3,随着流量和坡度的增加而增大。这可能是由于放水流量越大,单宽流量越大,水流流速就越大,进而水流功率越大[39]。对试验条件下水流功率与坡度和流量关系拟合,得到:
$ ω=0.391θ+0.396Q–3.731~~ R^{2}=0.813~~ P <0.01 $ | (9) |
式中,θ为坡度,°;Q为放水流量,L·min–1。
2.4 单位水流功率变化特征由图 6可知,不同夹角坡面集中流单位水流功率随冲刷历时整体呈波动减小的变化趋势。单位水流功率受坡度和流速的影响[40],通过对试验过程中地下产流变化率进行分析发现,12 min时的平均地下产流率是3 min时的1.97倍,因此以上结果可能是由于冲刷过程中水流流速在细沟形态阻力增大、岩石阻挡作用和地下漏渗增加的影响下逐渐减小导致的,这与受水深变化影响较大的水流剪切力随时间变化趋势有所不同。同时由图 6可知,20°坡面、10 L·min–1流量和30°夹角条件下,集中流单位水流功率相对其他夹角条件下较小。试验数据表明,此时的集中水流平均流速为0.300 m·s–1,相同流量及坡度的其他夹角条件下水流平均流速为夹角30°时的1.01倍~1.30倍。这可能是因为当坡度和流量均达到最大时,水流能量较大,加之此时岩石阻挡作用小,侵蚀细沟在试验过程中产生了较深的跌坎,地下漏渗增加,水流流速明显减小,单位水流功率反而较小。夹角为30°、60°、90°、120°、150°和180°时,单位水流功率变化范围分别为0.040~0.131、0.029~0.158、0.034~0.124、0.027~0.125、0.032~0.121和0.035~0.133 m·s–1。且随着夹角增大,岩石对水流阻挡作用增强,流速减小,各夹角下平均单位水流功率之间存在显著差异且整体呈减小趋势(表 2)。试验条件下,单位水流功率随着流量的增加而增大,随着坡度增大而增大。对试验条件下单位水流功率与坡度和流量关系拟合,得到:
$ Up=0.003θ+0.006Q-0.037 ~~ R^{2}=0.893 ~~P <0.01 $ | (10) |
式中,θ为坡度,°;Q为放水流量,L·min–1。
2.5 过水断面单位能量变化特征由图 7可知,喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下坡面集中流过水断面单位能量随冲刷历时整体呈波动性增加的变化趋势。这可能是由于试验过程中水深增大的变化大于流速减小的变化,使得过水断面单位能量随冲刷历时呈波动性增加。总体上,夹角小于90°时集中流过水断面单位能量随时间变化波动幅度较夹角大于90°条件下大,说明当岩石倾向与坡向一致时,水流能量变化波动较大。与水流剪切力变化类似,随着夹角增大,岩石阻挡作用增强,受水深及流速变化的影响,各夹角下平均过水断面单位能量之间存在显著差异且呈先减小后增大的趋势(表 2)。试验条件下,过水断面单位能量变化范围为0.006~0.029 m,随着流量的增加而增大,随着坡度变化不明显。说明相对于坡度,流量对过水断面单位能量影响更显著。这是因为流速对指标有二次方的影响[14],流量增大,单宽流量增大,流速增加,过水断面单位能量增大。而坡度变化时,细沟糙度变化和流速随坡度增大的变化之间的相互反馈作用使得坡度对水流流速的影响较流量小,从而导致坡度对过水断面单位能量的影响不明显[13]。对试验条件下过水断面单位能量与坡度和流量关系拟合,得到:
$ ε=0.001θ+0.0002Q+0.008 ~~R^{2}=0.395 ~~ P <0.01$ | (11) |
式中,θ为坡度,°;Q为放水流量,L·min–1。
2.6 土壤侵蚀率与各水动力学参数间的关系由表 3可知,土壤侵蚀率与各水动力学参数间均呈极显著正相关。本研究中,各水动力学参数均能较好描述土壤侵蚀率(P < 0.01),水流剪切力、水流功率和单位水流功率均可采用幂函数方程很好地描述集中流作用下的坡面土壤侵蚀率(R2=0.583~0.603)。但相比较各拟合关系式决定系数R2,其中水流剪切力拟合效果最好,水流功率拟合效果较好,单位水流功率次之。这说明在试验条件下,从以水流剪切力为代表的力的角度来描述坡面土壤侵蚀率效果更好,这与肖海等[14]研究结果不一致。王秋霞等[15]通过室内模拟冲刷试验研究发现,径流剪切力和水流功率均可作为描述花岗岩崩岗各土层土壤侵蚀率的水动力学参数。王瑄等[19]通过灰色关联分析方法研究了坡面水蚀动力因子与土壤剥蚀率关系,发现流量相同时,水流剪切力与土壤剥蚀率关联度最大,两者存在幂函数关系,这与本试验研究结果类似。
试验条件下,过水断面单位能量描述坡面土壤侵蚀率效果最差(R2=0.294),两者采用线性方程拟合效果较好。这可能是由于试验过程中易出现侵蚀突变点,使侵蚀细沟中出现台阶结构的跌坎,在岩石影响下,水流过水断面单位能量沿细沟分布的连续性被破坏,从而使得相较于其他水动力学参数,过水断面单位能量与土壤侵蚀率拟合关系表现较差[17]。
前人研究表明[16-17,39],土壤侵蚀率与水动力学指标之间存在如表 3所展示的线性关系:
$ E=k(x–x_{c}) $ | (12) |
式中,E为土壤侵蚀率;k为土壤可蚀性参数,与土壤性质有关,xc为临界水动力学参数。由表可知,
临界水流剪切力、临界水流功率、临界单位水流功率和临界过水断面单位能量分别为6.700 kg·m–1·s–2、1.200 kg·s–3、0.018 m·s–1和0.009 m。其中临界水流剪切力较张光辉等[41]的相关研究成果要大,说明本试验条件下水流分离喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下的地表土壤颗粒需要更大的剪切力,这可能是由于试验条件以及地表特征的不同导致的[17]。本试验在水流剪切力和水流功率公式中相应的土壤可蚀性参数分别为0.006 s·m–1和0.015 s2·m–2,均小于Geng等[42]、王瑄等[38]在非喀斯特区域所得到的相应结果。以上试验结果表明,在喀斯特槽谷区地表裸露岩石与坡面形成的夹角和地下裂隙对坡面土壤侵蚀过程及水动力学指标变化均具有重要影响。本文通过室内模拟控制试验,研究了喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下的集中水流水动力学指标及坡面土壤侵蚀率变化特征,但基于该区域特殊二元地质结构特性,不同地下裂隙度对于地表集中流水动力学变化特征的影响还需进一步研究,同时室内模拟试验条件与野外实际情况可能会有所偏差,因此还需结合野外试验对本研究结果进行进一步验证。
3 结论喀斯特槽谷区集中流条件下坡面土壤侵蚀率随放水冲刷历时先波动性减小后逐渐趋于稳定。试验条件下,土壤侵蚀率随坡度和流量的增加而增大,其中坡度对土壤侵蚀率的影响较流量大。各岩石与坡面夹角下,集中流水流剪切力及过水断面单位能量随冲刷历时整体表现出波动性增大的趋势,而水流功率随冲刷历时变化规律不明显,单位水流功率随冲刷历时呈波动减小的变化趋势;随着夹角增大,岩石阻挡作用改变,集中水流流速与水深均发生变化使得水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量均呈先减小后增大,单位水流功率整体表现出减小的变化趋势,各夹角下水动力学指标存在显著性差异;水流剪切力、水流功率和单位水流功率均随坡度和流量的增大而增大,过水断面单位能量随着流量的增大而增大,随着坡度变化不明显。土壤侵蚀率与水流剪切力、水流功率和单位水流功率间的关系用幂函数方程描述较好,与过水断面单位能量间的关系则用线性方程描述较好;水流剪切力可更好地描述坡面土壤侵蚀率。临界水流剪切力、临界水流功率、临界单位水流功率和临界过水断面单位能量分别为6.700 kg·m–1·s–2、1.200 kg·s–3、0.018 m·s–1和0.009 m。研究为揭示喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角条件下的地表集中流侵蚀水动力学机制提供理论依据,也为发展区域土壤侵蚀预报模型提供数据支撑。
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