凍融作用對坡面侵蝕及泥沙顆粒分選的影響

1、凍融作用對坡面侵蝕及泥沙顆粒分選的影響張 輝李鵬 魯克新 任宗萍 王 添 湯珊珊 王飛超(西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，西安，710048)摘要為了探究凍土和解凍土對水力侵蝕的影響，利用室內(nèi)模擬降雨試驗對凍土和解凍土兩種坡面的坡面侵蝕過程及泥沙顆粒分選特征進行了研究。結(jié)果表明：在降雨條件下，相對于解凍坡面仃S)，凍土坡面(FS)的產(chǎn)流時間提前了 173s，而產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量分別增加了9%和105%;兩種坡面侵蝕過程中的土壤顆粒平均重量直徑(MWD)大小次序均為濺蝕顆粒徑流沖刷泥沙顆粒，且凍土坡面濺蝕顆粒及沖刷泥沙顆粒 MWD均顯著大于凍土坡面(p V 0.05);隨著降

2、雨進行，解凍土坡面侵蝕泥沙中的黏粒、細粉粒含量呈先迅 速增大后減少的趨勢，而粗粉粒和砂粒含量則呈先減小后增大的趨勢，侵蝕泥沙逐漸向粗顆粒發(fā)展；而凍 土坡面各粒級顆粒隨時間變化相對穩(wěn)定。本文研究成果可以為進一步揭示凍融作用下坡面水力侵蝕機理提 供一定的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞 模擬降雨；凍土 /解凍土；濺蝕；徑流沖刷；顆粒分選中圖分類號文獻標(biāo)識碼 A凍融作用是指氣候的日、年和多年變化可能導(dǎo)致特定氣候區(qū)域的地球表層一定范圍內(nèi)土壤的凍結(jié)和融化作用 。黃河中游地處溫帶中緯度地區(qū)，每年約有105125 d的氣溫在0C以下，多年平均年降水量300600 mm，滿足凍融侵蝕發(fā)生的氣候條件2。已有研究表明，凍融作用能

3、有效地改變土壤結(jié)構(gòu)3-4，從而影響土壤的可蝕性；當(dāng)土壤處于凍結(jié)狀態(tài)時，土壤水因結(jié)冰而發(fā)生的體積膨脹會破壞土壤顆粒之間的連結(jié)性，從而改變土壤顆粒的大小分布5;凍融作用將導(dǎo)致土壤顆粒大小呈減小的趨勢6-7，而這將對水力侵蝕造成很大影響。在凍土解凍期，由于解凍土層和凍結(jié)土層的存在，坡面土壤可蝕性與未凍融和完全解凍坡面存在較大差異8，而前人的研究成果主要關(guān)注凍融前、后土壤可蝕性的變化，而對凍結(jié) 狀態(tài)下土壤可蝕性研究較少9-10，12，同時凍土和解凍土的土壤可蝕性差異尚不清楚。有研究表明，凍土解凍后，抗剪強度下降，土壤可蝕性增加11-13;坡面凍土初始解凍深度愈小，則前期侵蝕率愈大，侵蝕總量愈大8，因此

4、，相對于解凍土坡面，凍土坡面更易發(fā)生侵蝕，而這種現(xiàn)象發(fā)生的具體原因目前尚不明確。在侵蝕過程中的侵蝕泥沙顆粒粒徑分布能夠很好地反映侵蝕的變化過程14。在侵蝕開始階段，侵蝕泥沙中的黏粒、粉粒含量較高；隨著侵蝕時間的延長，泥沙顆粒逐漸變粗，最 后趨于穩(wěn)定15。吳鳳至等16研究發(fā)現(xiàn)，濺蝕階段侵蝕泥沙中250m顆粒含量較高；細溝間侵蝕階段的粗顆粒減少、細顆粒增多。吳新亮等17研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕泥沙顆粒分布主要受黃土母質(zhì)和降雨侵蝕力的影響，且兩者的影響差異較大。坡面侵蝕泥沙顆粒的粒徑分布取決于土壤質(zhì)地、降雨特性、徑流類型、凍融作用、地形特征等很多因素1820，而這些因素也導(dǎo)致侵蝕泥沙顆粒分選規(guī)律存在很大差異。

5、其中，凍融作用能夠破壞土壤顆粒之間的粘結(jié)力5，改變土壤原狀顆粒大小，進而導(dǎo)致土壤顆粒容易發(fā)生分離。在水力侵蝕與凍融侵蝕復(fù)合 作用下，坡面侵蝕及侵蝕泥沙顆粒分選規(guī)律會與單一的水力侵蝕作用有很大不同，然而，這種復(fù)合侵蝕作用下的侵蝕及泥沙分選過程目前尚不清楚。由于下墊面條件差異和氣候變化等原因，黃河中游局部地區(qū)之間的解凍期存在較大差異，而這種差異會影響該區(qū)域的土壤侵蝕情況，進而影響侵蝕泥沙的輸移規(guī)律。本研究的主要目的是利用室內(nèi)模擬降雨試驗明確凍土坡面和解凍土坡面的水力侵蝕過程以及坡面侵蝕泥沙國家自然科學(xué)基金項目(41330858,41471226)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2016JM401

6、7)共同資助Supported by theNational Natural Scienee Foundation of China (Nos. 41330858，41471226) and Basic Research Program of NaturalSciences of Shanxi (No. 2016JM4017)通訊作者Corresponding author：李鵬(1974-)，男，山東煙臺人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土資源與環(huán)境的研究。E-mail: lipe 。E-mail : zhanghui10170.84 m(長0寬X高)。模擬降雨裝置采用西安 理工大學(xué)水資源研究

7、所研制的由供水管路、 恒壓供水箱、 針管式降雨器和控制閥等組成針管 式降雨裝置。試驗設(shè)計與方法試驗設(shè)計首先將自然風(fēng)干后的供試土樣過10 mm篩，剔除根系、石塊等雜物；而后對過篩后的土樣進行悶土， 使其質(zhì)量含水量達到 15%左右， 并保持土樣內(nèi)水分均勻。 填土前， 首先在土槽底部鋪 1 層紗布，再裝入 2 cm 厚的天然沙，以保證試驗用土的透水性與天然坡 面接近；然后根據(jù)土樣的設(shè)計干容重1.2 g cm-3按照式(1)計算出所需土樣重量；按照每層土厚 5 cm 進行分層填裝；在填完每一層土后，將表土略整粗糙后填裝下一層土，以保證上、 下兩層土樣結(jié)合緊密。在距坡頂 30 cm 和 60 cm 處的

8、土壤表層以下 3cm 處各布設(shè)一個溫度 探頭，以測定土壤凍結(jié)時的溫度變化特征。m = B X (1 + w) Xl Xb Xh式中，m為所需裝土量，kg; B為干容重，取1.2 g cm-3; w為土壤質(zhì)量含水量，取 15%; l 為土槽長，m; b為土槽寬，m; h為土槽深，m。試驗于 2015年 6月在西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點試驗室培育基地雨 洪侵蝕大廳完成。試驗設(shè)計坡度為12設(shè)計雨強為1.0 mm min-1，降雨空間分布均勻度控制在 80%以上。1.2.3 試驗方法室內(nèi)試驗分為凍土坡面模擬降雨試驗和解凍土坡面模擬降雨試驗2個部分，降雨歷時均為60 min。具體過程如下：

9、將填土后的土槽放入凍土裝置，在-18 C環(huán)境下連續(xù)凍結(jié) 24 h ,保證距表層3 cm處的溫度達到-5C -6C之間。第一組試驗，將冷凍處理結(jié)束后的土槽立即 放在模擬降雨裝置下進行凍土坡面模擬降雨試驗。 第二組試驗， 將冷凍處理結(jié)束后的土槽放 在室溫下解凍 24 h 后放在模擬降雨裝置下進行解凍土坡面模擬降雨試驗。每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取 3 次試驗數(shù)據(jù)的平均值。在模擬降雨試驗開始前， 將濺蝕板插入試驗?zāi)静鄣膬蓚?cè)， 用于收集試驗過程中的濺蝕泥 沙顆粒; 用水準(zhǔn)儀校正試驗土槽的坡度; 進行雨強率定工作， 當(dāng)雨強滿足 1.00.05mm min-1 時，開始模擬降雨試驗。在試驗過程中，當(dāng)土槽出

10、水口開始產(chǎn)流后，記錄產(chǎn)流時間，每隔5min 用高錳酸鉀測量 1 次坡面徑流流速;每 1 min 收集 1 次土槽出水口處的全部渾水樣品， 用精度為0.01g的電子天平測定渾水總重量后，放置在烘箱中65C烘干并稱重測得每 1min的坡面產(chǎn)沙量， 進而推求每 1min 的產(chǎn)流量。 坡面產(chǎn)流后更換第 1 次濺蝕板， 以后每隔 10 min 更換 1 次;將換下的濺蝕板水平放置，待風(fēng)干 24 h 后收集濺蝕泥沙顆粒。將烘干后徑流泥 沙和風(fēng)干后的濺蝕泥沙收集備測。數(shù)據(jù)處理與分析采用激光粒度儀測量泥沙樣品的機械組成，激光粒度儀型號為Mastersizer2000,測定的范圍為02 mm18。泥沙顆粒機械組

11、成的粒徑分級采用中國制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，即：黏 粒(v 0.002 mm)、細粉粒(0.0020.02 mm)、粗粉粒(0.020.05 mm)、砂粒(0.050.25 mm)和粗 砂粒( 0.25 mm)。在試驗中采用平均重量直徑(MWD)表示侵蝕泥沙的顆粒大小分布狀況，具體過程為：假設(shè)各粒級泥沙顆粒密度相同，泥沙顆粒平均重量直徑(MWD) 在數(shù)值上等于各粒級顆粒的體積百分比乘以該粒級范圍的算數(shù)平均值的總和，以此通過體積重量直徑求得各泥沙顆粒的平均重量直徑 20-22 。采用Excel2010和SPSS18.0進行試驗數(shù)據(jù)分析，通過Origin8.0進行繪圖，采用SPSS18.0 對相關(guān)數(shù)據(jù)

12、進行 ANOVA 方差分析和 t 檢驗。2 結(jié)果2.1 兩種坡面侵蝕過程試驗結(jié)果表明， 在模擬降雨條件下， 凍土坡面和解凍土坡面的產(chǎn)流量、 產(chǎn)沙量顯著不同 (表1)。由表1中可以看出，凍土坡面的產(chǎn)流時間較解凍土坡面提前了173s。兩種坡面狀態(tài)下的產(chǎn)流強度隨時間變化的趨勢相似(圖1a):在產(chǎn)流開始后的10 min內(nèi)，凍土坡面和解凍土坡面的產(chǎn)流強度均迅速增加，平均增加速率分別為0.042、0.036 Lm-2 min-2；在產(chǎn)流開始后的 1021 min 內(nèi)， 凍土坡面和解凍土坡面的產(chǎn)流強度緩慢增長， 坡面的產(chǎn)流強度平均增加 速率分別為0.004、0.007 Lm-2 min-2;在產(chǎn)流開始21

13、min以后，凍土坡面和解凍土坡面的產(chǎn) 流強度分別逐漸趨近于0.49、0.47 L m-2 min-1。在整個產(chǎn)流過程中，凍土坡面的產(chǎn)流強度始終大于解凍土坡面(圖1a),凍土坡面的產(chǎn)流量、平均流速分別為解凍坡面的1.09倍、1.35倍(表1)。凍土坡面與解凍土坡面的侵蝕過程表現(xiàn)出明顯的差異(圖1b)，在降雨過程中，凍土坡面的產(chǎn)沙強度始終顯著大于解凍坡面，同時凍土坡面的產(chǎn)沙量是解凍坡面的2.05 倍；在產(chǎn)流開始的 05min 內(nèi)，凍土坡面的產(chǎn)沙強度隨著產(chǎn)流時間的延長呈顯著增加趨勢，并在第4min達到峰值19.45 g m-2min-1,前5 min的平均產(chǎn)沙強度是解凍土坡面的4.67倍；而解凍土坡

14、面的產(chǎn)沙強度在第 10 min時才達到峰值8.81g m-2min-1。在凍土坡面和解凍土坡面的產(chǎn)沙 強度達到峰值后,隨著降雨歷時的延長,坡面產(chǎn)沙強度一直呈現(xiàn)減小趨勢。凍土坡面和解凍土坡面的產(chǎn)沙量存在顯著差異的原因可能是：一方面, 在降雨開始時,凍土坡面的土體處于凍結(jié)狀態(tài), 固體冰晶的存在導(dǎo)致土壤孔隙度減小, 坡面存在不透水層或 弱透水層, 水力傳導(dǎo)度降低 23,坡面入滲能力下降, 導(dǎo)致在短時間內(nèi)形成較大的坡面徑流, 徑流侵蝕力較強； 另一方面, 在降雨過程中, 凍土坡面不斷加速解凍為水力侵蝕提供了較多 的可蝕性物質(zhì), 而解凍土坡面無凍結(jié)層, 入滲能力相對較大, 在降雨過程中極易形成結(jié)皮 24

15、, 在一定程度上減少了侵蝕物質(zhì)來源, 導(dǎo)致徑流含沙量降低。 因此, 從物質(zhì)來源以及侵蝕動力 兩方面來說, 凍土坡面形成的徑流量較大, 且侵蝕物質(zhì)來源于不斷解凍的坡面土壤, 故凍土 坡面的侵蝕產(chǎn)沙量相對較大。 Sharratt 等25與周麗麗等 26通過降雨試驗分析認為, 在凍土層 解凍時期, 凍土層離地表愈近, 則產(chǎn)流量愈大, 含沙量越高, 這與本文的研究結(jié)果基本一致。 試驗觀測結(jié)果表明, 在模擬降雨過程中, 凍土坡面和解凍土坡面始終未發(fā)生細溝侵蝕, 侵蝕 類型僅有濺蝕和面蝕。 坡面侵蝕的產(chǎn)沙過程主要是坡面徑流對降雨濺散土壤的輸移和對坡面 表層土壤的剝蝕 20。一般而言,坡面侵蝕速率隨降雨歷時

16、的增加而減小 27,產(chǎn)流初期的侵 蝕產(chǎn)沙強度較大,隨后逐漸減小,這與本試驗所觀察到的現(xiàn)象也基本相同。01(:=E 熒沢專5 ID 15 20 25 3ft 35 49 45 時間 Time min lMrC-.-苗；1 .JflllLFS咖1：堆血Th5 10 15 ZO 25 30 35 4ft 4S 54) 55 6fl 時何Time (min)(a)(b)圖1凍土坡面(FS)和解凍土坡面(TS)的產(chǎn)流強度(a)和產(chǎn)沙強度(b)隨時間的變化Fig.1 Temporal variations of runoff rate (a) and sediment yield intensity (b

17、) on frozen and thawed soil slopes表1相同模擬降雨條件下凍土坡面(FS)和解凍土仃S)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗結(jié)果Table 1 Runoff rate and sediment yield intensity on frozen (FS) and thawed slopes (TS) under simulated rainfall處理Treatment產(chǎn)流時間Initial runoffgeneration time(s)徑流量Runoff rate(mm)侵蝕量Sediment yield(g m-2)流速Runoff velocity(cm s-1)凍土坡面

18、 Frozen slope1771.4127.27 0.43891.93 2.075.42 +.94解凍土坡面Thawed slope350+7.7824.98 0.26435.21 +.674.02 +.642.2坡面侵蝕泥沙顆粒分選特征2.2.1侵蝕過程中泥沙顆粒平均重量直徑(MWD)變化規(guī)律(MWD)的試驗結(jié)果。圖2均表示本底物、凍土坡面、解凍土坡面的土壤平均重量直徑從圖2中可以看出，在模擬降雨試驗過程中， 凍土坡面和解凍土坡面 MWD大小均表現(xiàn)為: 濺蝕顆粒沖刷泥沙顆粒。由MWD的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，凍土坡面沖刷泥沙顆粒MWD的變化范圍為18.1621.79 艸，平均值為19.89 叩，

19、而濺蝕顆粒 MWD 的變化范圍為 23.4627.73 叩，平 均值為26.40 艸；解凍土坡面沖刷泥沙顆粒 MWD變化范圍為15.5822.19 叩，平均值為 19.33 ym,而濺蝕顆粒 MWD的變化范圍為 23.9227.29 m,平均值為 25.32卩；。t檢驗結(jié)果表明，凍土坡面和解凍土坡面的濺蝕顆粒MWD顯著大于沖刷泥沙顆粒MWD( p 0.01);解凍土坡面濺蝕、沖刷泥沙的MWD分別與本底土壤顆粒的 MWD間表現(xiàn)出極顯著性差異(p 0.01)，凍土坡面沖刷泥沙顆粒 MWD顯著小于土壤本底物顆粒(p 0.01), 但濺蝕顆粒與本底物顆粒之間并沒有顯著性差異。ANOVA方差分析結(jié)果表明

20、，凍土坡面侵蝕過程中的濺蝕、沖刷泥沙顆粒MWD均顯著大于解凍土坡面(p0.05)，這可能與土壤凍結(jié) 作用和徑流的分選作用有關(guān)。5220*nhHSpla&h -本 底捋sirfHiira*feSplaih摳邏內(nèi)ub吐財址*參|.:-;-如|;-;-|8:專：|-:徐Ill跖l:lll超lll.一：參：:lajsz:l老 “ ；沖剔問H320r:-L:l:-:rl.,.,1tsl:-:-h:j:(gh:-:l:L:;:l-H:l:-:-;_-?:|出:5:1.-|-:-:|:|.|.:-:|-:|.-I.l.l:.l:a:l:l.l-:li中痢彗HinJT5 1(1 15 卻 25 30 35 4

21、0 45 50 55 60時間Time (min)0 5 10 15 20 25 30 35 40 4$ 50 55 60時 fiijTime (min)(a)凍土坡面TS(b)解凍土坡面FS圖2凍土坡面FS(a)和凍土坡面TS(b)3種顆粒平均重量直徑(MWD)隨時間的變化Fig.2 Temporal variation of mean weight diameter (MWD) of 3 fractions of soil particles on frozen and thawedsoil slopes2.2.2不同粒級泥沙顆粒含量的變化規(guī)律為了進一步揭示坡面侵蝕泥沙顆粒分選過程，對凍土

22、坡面和解凍土坡面侵蝕過程中的不同粒級泥沙粒徑含量進行了統(tǒng)計 （表2、圖3），結(jié)果表明兩種坡面條件下各粒級泥沙顆粒含 量有所不同。根據(jù)t檢驗分析結(jié)果，在整個降雨過程中，凍土坡面和解凍土坡面濺蝕泥沙和 沖刷泥沙中的黏粒、 細粉粒含量顯著大于本底物 （pv 0.01）;不同粒級的泥沙顆粒含量大小依 次為沖刷泥沙濺蝕泥沙本底物；粗粉粒、砂粒含量顯著小于本底物（p v 0.01）,泥沙顆粒含量大小依次為沖刷泥沙v濺蝕v本底物，因此，濺蝕、細溝間侵蝕對土壤顆粒的分選作用不同，細溝間侵蝕對細小顆粒的分選能力大于濺蝕。凍土坡面濺蝕泥沙中的細粉粒含量大于解凍土坡面，而其他粒級的泥沙顆粒含量均小于解凍土坡面，說明

23、凍結(jié)作用改變了濺蝕對土壤顆粒的分選作用。 此外，沖刷泥沙各粒級平均含量的ANOVA檢驗結(jié)果表明，在降雨過程中，凍土坡面黏粒、粗粉粒的平均含量顯著大于解凍土坡面（pv 0.01）,細粉粒含量顯著小于解凍土坡面（p v 0.05）,而兩者沙粒含量之間無顯著差異。以上分析結(jié)果表明， 在凍土坡面和解凍土坡面水力侵蝕條件下，黏粒和細粉粒等細顆粒更容易被坡面徑流輸移帶走，而凍土坡面相對于解凍坡面更容易侵蝕黏粒和粗粉粒，即v2卩m和20卩m的泥沙顆粒，解凍坡面更容易侵蝕220卩m的細粉粒。圖3表示凍土坡面和解凍土坡面沖刷泥沙中各粒級泥沙百分含量隨時間的變化規(guī)律。 從圖3中可以看出，在產(chǎn)流開始時，解凍土坡面侵

24、蝕泥沙中的黏粒、細粉粒含量呈先迅速增大后減小的趨勢，而粗粉粒和砂粒含量呈先減小后增大的趨勢。因此，在坡面侵蝕過程中， 凍土坡面侵蝕泥沙隨著降雨時間的延長逐漸向粗顆粒發(fā)展；在坡面出口產(chǎn)流后的前21min內(nèi)，解凍土坡面的細粉粒含量大于凍土坡面（圖3b）,而粗粉粒含量小于凍土坡面（圖4c）;凍土坡面侵蝕泥沙顆粒含量隨著降雨時間的延長并無明顯變化規(guī)律。解凍土坡面的徑流侵蝕動力相對較小，徑流對顆粒的分選性較好，土體表面細顆粒物 質(zhì)在產(chǎn)流開始后的較短時間內(nèi)被徑流挾帶并輸運至坡面出口，導(dǎo)致細顆粒物質(zhì)含量在降雨初期迅速升高，隨著降雨繼續(xù)，細顆粒物質(zhì)消耗殆盡而粗顆粒含量逐漸增加（圖3b）。對于凍土坡面來說，坡面

25、處于凍結(jié)狀態(tài)， 坡面入滲能力較低24,產(chǎn)流量較大，徑流侵蝕動力較大， 對粗顆粒的輸移作用較強。因此，在降雨過程中，伴隨著坡面凍土加速解凍，侵蝕顆粒不斷釋放，使得徑流中的泥沙顆粒組成處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，這說明凍土坡面在一定程度上改變了侵蝕泥沙顆粒的分選特征，降低了徑流對泥沙顆粒的分選作用，導(dǎo)致不同粒級的泥沙顆粒的變化幅度較小。O.tii_Ii_60 L 0510 15 2ft 25 M 35 40 45 JO 55 600510 15 20 25 W 35 40 45 50 55 60H(min)時 iiihi )(a)(b):;幅協(xié)TS1-9-那 r.wos e 胖葆 i-ifiiTs0 5 1

26、0 15 20 25 50 35 40 45 W W時間 T ime (min)(c)圖3凍土坡面和解凍土坡面中黏粒15 ID 15 20 2S 30 35 40 J5 50 55 60I ； D . I Hite (mm)(d)(a)細粉粒(b)粗粉粒(c)砂粒(d)含量隨時間的變化規(guī)律表2各粒級顆粒含量的平均百分含量Table 2 Average percentage of each fraction of soil particles in content (%)處理 Treatment黏粒Clay細粉粒Fine silt粗粉粒Coarse silt砂粒Sand本底值Substrate1.0656.2237.365.36濺蝕Splash1.1859.2934.285.25凍土坡面TS沖刷泥沙Scour1.5570.1226.381.96濺蝕Splash1.1260.4433.904.53解凍坡面FS沖刷泥沙Scour1.3371.9824.901.79?丄一陳上域自卜豈 y解;1上坡購性85 ! scouring particles, but MWDs of the two types of particles were both significantly