Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 12: 73 - 81

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231187

Soil and Water Conservation and Ecological Restoration

Effects of Soil Texture and Gravel on Infiltration and Sediment Yield of Engineering Spoil Heaps under Rainfall Condition

  • LI Jian-ming , 1, 2 ,
  • LIU Chen-xi 1, 2 ,
  • ZHANG Chang-wei 1, 2 ,
  • WANG Wen-long , 3, 4 ,
  • WANG Yi-feng 1, 2 ,
  • GUO Ming-ming 5 ,
  • KANG Hong-liang 6 ,
  • SUN Bao-yang 1, 2
Expand
  • 1 Soil and Water Conservation Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China
  • 2 Research Center on Mountain Torrent & Geologic Disaster Prevention of the Ministry of Water Resources,Wuhan 430010, China
  • 3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling712100,China
  • 4 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soiland Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling 712100,China
  • 5 Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China
  • 6 School of Land Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China

Received date: 2023-11-01

  Revised date: 2024-02-29

  Online published: 2024-12-24

Fold

Abstract

The influence of soil and gravel on the infiltration and sediment yield on engineering spoil heaps was investigated via artificial simulated rainfall experiments. Three soil types (sand, loam, and clay) and gravel mass fractions (10%, 20%, and 30%, with bare slope as control) were evaluated under three rainfall intensities (1.0, 1.5, and 2.0 mm/min). The findings are summarized as follows: 1) sandy soils exhibited a continuous decrease in infiltration rate, whereas loam and clay showed stable infiltration at 6 min and 3-18 min, respectively. Gravel inhibited the infiltration of sandy soils but promoted it in clay soils. The initial and stable infiltration rates of loam increased with higher gravel mass fraction. 2) The average infiltration rate of sandy soil was 0.88-2.40 times and 1.04-2.18 times those of loam and clay, respectively. The Horton infiltration model effectively predicted the infiltration rates of loam and clay during rainfall, with errors ranging from 0.61% to 6.82%. 3) Erosion in sandy soils occurred throughout the entire rainfall process, becoming more severe in the later stages. In contrast, initial erosion in loam and clay was significantly greater than in the later stages. The average erosion rate of sandy soil was 4.74 times and 2.84 times those of loam and clay, respectively. 4) Gravel significantly inhibited erosion in sandy soil and loam at rainfall intensities of 1.5 and 2.0 mm/min, but increased erosion in sandy soil and clay at 1.0 mm/min. These results provide data foundation for developing soil erosion models for engineering spoil heaps, offering both theoretical and practical values.

Key words： spoil heaps; soil texture; mass fraction of gravel; rainfall simulation; infiltration; sediment yield

Cite this article

LI Jian-ming , LIU Chen-xi , ZHANG Chang-wei , WANG Wen-long , WANG Yi-feng , GUO Ming-ming , KANG Hong-liang , SUN Bao-yang . Effects of Soil Texture and Gravel on Infiltration and Sediment Yield of Engineering Spoil Heaps under Rainfall Condition[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(12) : 73 -81 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231187

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

21世纪以来我国工程建设的规模及数量呈显著递增趋势,据统计,每5 a由工程建设产生的弃土弃渣总量均接近百亿吨[1]。工程建设不仅破坏原地表及植被,也严重威胁当地生态环境及周边居民的生命财产安全[2-3],其中堆积体是造成严重水土流失的典型产沙单元[4],已成为现阶段新增水土流失的重要来源[5]。堆积体是在人为作用下土壤及砾石混合堆积形成坡度陡峭、坡长不一、缺乏土壤结构的松散体,易发生严重水土流失[6]。气候、地形尤其是下垫面组成是造成堆积体抗蚀抗冲性差异大的重要原因[2]。已有研究中地形对坡面侵蚀的影响主要体现在坡度,且多针对耕地或荒地等缓坡条件下(0~20°)的侵蚀产沙过程,而生产建设项目形成的堆积体坡度一般>20°,甚至达到40°~70°,对生态环境威胁更加严重,对陡坡堆积体侵蚀过程研究成为了土壤侵蚀领域新的焦点问题[7-8]。除地形外,下垫面物质组成也是影响侵蚀的重要方面,已有研究表明砾石对侵蚀的影响显著,主要与砾石的含量、粒径、空间分布等密切相关,加之人为扰动影响了土体与砾石的作用方式进而影响坡面水文及侵蚀过程[9]。工程堆积体中的土石混合破坏土层结构,对水分的空间分布及运移有较大影响,直接体现在含水率和入渗等方面,如砾石质量分数增大会导致储水能力下降,且砾石粒径大小对水分再分配也造成一定影响[10];Gong等[11]研究表明初始入渗率随砾石质量分数增大显著增加,但砾石对稳定入渗率的作用还受坡度影响;Lü等[12]研究表明堆积体稳定入渗速率随砾石质量分数增加显著增大。
截至目前,针对土壤入渗已有较多研究,但大多针对的是非扰动坡面,提出了表征入渗随时间变化模型,包括Green-Ampt模型、Horton入渗模型、Philip入渗模型、Kostiakov模型、Lewis模型等,其中Horton和Philip入渗模型使用较广泛,且能够适用于扰动坡面降雨入渗[13-14]。堆积体中砾石对水文及产沙特性的作用除受地形、降雨特性等外因素影响外,与砾石自身的特性也存在显著关系。研究表明砾石对侵蚀影响呈现出质量分数>粒径>位置>形状[15];随砾石质量分数和粒径增大,对减少侵蚀的效果降低[16]。而不同土壤质地侵蚀也具有显著差异,如Peng等[17]研究表明黄沙土含砾石堆积体比紫色土堆积体更容易遭受侵蚀;陈俊杰等[18]研究表明壤土相对于黄绵土产流更快、流速更大而入渗减少,使得其侵蚀更加严重。针对不同土壤质地侵蚀差异或者相同土壤质地在不同措施下侵蚀规律已有一定研究,但对陡坡堆积体的研究较少。
综上,生产建设项目形成的工程堆积体是造成新增水土流失的重要来源,也是现阶段各级政府加强事中事后监管的主要对象,容易造成严重的水土流失,甚至滑坡、泥石流等地质灾害。针对特定的土壤质地类型及砾石对堆积体侵蚀已有相关的研究,但研究不同土壤质地类型及砾石质量分数在相同降雨条件下的水文及产沙特征及其差异等方面研究仍较薄弱。因此,本研究针对降雨条件下不同砾石质量分数砂土、壤土和黏土堆积体的入渗和产沙过程特征开展分析,能够深入揭示堆积体侵蚀的内在机理,研究结果可为砂土、壤土和黏土区工程扰动边坡侵蚀研究提供借鉴,具有重要的理论价值和指导生产实践的现实意义。

1 材料与方法

1.1 堆积体模型及试验设计

野外调查表明堆积体坡度主要分布在15°~40°,坡长均值为5 m,坡面砾石粒径集中在10~36 mm,砾石质量分数低于40%的占90%以上[19]。基于此,设置本研究工程堆积体为土石混合均匀介质,坡长5 m,坡度25°,砾石质量分数10%、20%和30%,土壤质地包括砂土、壤土和黏土3种,并设置3种土质裸坡(砾石质量分数为0,CK)堆积体作对比。基于前期对368座堆积体的野外实地调查数据分析结果,确定3种土壤质地的采样区域,其中砂土来自陕西省榆林市靖边县,壤土来自陕西杨凌,黏土来自江西省南昌市新建区,试验用土选取地表以下1 m的非耕作层进行采样。试验用土运至室内后首先经6 mm筛剔除杂质后平铺室外自然风干。根据砾石在坡面可被搬运的尺寸,确定砾石粒径<14 mm(小)、14~25 mm(中)、25~50 mm(大)的质量比为3∶5∶2。试验土壤和砾石配置好后,按照不同砾石质量分数均匀混合后通过传送带填入试验槽。3种土壤质地特性见表1。
表1 试验土壤特性

Table 1 Properties of test soils

土质
类型		 不同粒径的颗粒质量分数/% 有机质
含量/
%
砂粒
([0.05,2) mm)		 粉粒
([0.002,0.05)mm)		 黏粒
(<0.002 mm)
砂土 57.64 36.46 5.90 0.16
壤土 22.70 73.90 3.40 0.79
黏土 17.90 54.10 28.00 0.31
试验槽规格为5 m×1 m×0.5 m(长×宽×高),采用液压系统调坡度,填土深度与土槽集流槽出口平齐为0.45 m。为模拟天然降雨入渗过程,槽底铺设天然砂5 cm并用纱布隔开。为防止降雨中发生滑塌,供试土石混合介质按下层15 cm、中层15 cm、上层10 cm 3层填装,中层和下层人工夯实,上层10 cm用压实板平整,放置24 h自然沉降后开始降雨试验。试验前测定砂土、壤土和黏土堆积体不同砾石质量分数下的密度范围分别为1.30~1.42、1.21~1.34、1.24~1.41 g/cm3,标准差分別为0.02~0.05、0.02~0.06、0.01~0.07 g/cm3;平均含水率分别为8.58%、10.45%、9.07%,标准差分别为1.90%、1.53%、1.30%。

1.2 降雨试验

降雨试验在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行,降雨高度16 m,降雨强度变化范围0.5~5.8 mm/min,降雨均匀度>80%。根据3个采样区域侵蚀性降雨特征设置降雨强度分别为1.0、1.5、2.0 mm/min。降雨试验前以梅花桩法率定降雨强度,直至降雨强度及均匀度误差控制在5%内后开始试验。入渗(通过径流计算)和泥沙样在产流开始后3 min内每1 min各接1个,3 min后每隔3 min重复1次上述过程。根据暴雨历时特点设计总产流时间为45 min。共完成36场模拟降雨试验(3种土壤质地×3种降雨强度×4种砾石质量分数=36场),针对试验过程出现滑塌、垮塌或数据异常情况,舍弃该场试验并重新完成降雨试验。

1.3 数据分析

本研究入渗速率参考已有研究[20],并用Philip[21]和Horton[22]入渗模型验证,见式(1)。
K i = r c o s θ - k F A t 　 。
式中:Ki为入渗速率(mm/min):r为降雨量(mm/min);θ为坡度(°);t为时间间隔(min);F为时间间隔t内的产流量(g);A为土槽截面积(mm2);k为将产流量换算成水的体积的转换系数,k=1 000 mm3/g。
Philip入渗模型[21]认为任意时刻的入渗速率i与入渗时间t呈幂级数关系,即
i = 1 2 S t - 1 2 + A 　 。
式中:i为入渗速率(mm/min);S为土壤吸湿率(mm/min0.5);t为入渗时间(min);A为稳定入渗速率(mm/min)。
Horton入渗模型[22]是经验入渗公式,但实践证明其具有很强的实用性,其表达式为
i = i c + ( i 0 - i c ) e - β t 　 。
式中:ic为稳定入渗速率(mm/min);i0为初始入渗速率(mm/min);β为经验系数。
本文中入渗速率、侵蚀速率通过每一场降雨采集的17个混合样处理后获取。烘干法测定泥沙干质量。采用Excel 2016和SPSS 16.0数据处理和统计分析,采用Origin 8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 堆积体入渗特征

2.1.1 入渗过程

图1为砂土、壤土和黏土堆积体入渗速率随产流历时变化。参照Philip和Horton入渗模型,将入渗过程划分为“初始入渗”和“稳定入渗”2个阶段。砂土入渗速率随产流历时总体呈持续递减,未达到稳定;壤土在产流6 min达到稳定;而黏土随降雨强度增大,分别在产流18、12、3 min达到稳定。砂土由于未达到稳定,以全过程均值作为入渗表征参数。3种降雨强度下均呈现出砾石质量分数20%、30%抑制入渗,平均入渗速率分别比CK减少35.41%~43.56%、12.39%~39.18%、57.16%~60.96%,而砾石质量分数10%在降雨强度≤1.5 mm/min时,促进入渗,平均入渗速率比CK增加7.51%~26.17%,但降雨强度达到2.0 mm/min时砾石抑制入渗(减少18.60%)。剔除降雨强度影响,CK、10%、20%和30%的平均入渗速率分别0.93、0.95、0.58、0.47 mm/min,随砾石质量分数增大,平均入渗速率先增大后显著递减。壤土和黏土入渗分为初始入渗速率和稳定入渗速率2个参数。剔除降雨强度影响,壤土10%、20%和30%的初始入渗速率均值比CK(0.74 mm/min)下降2.70%~18.92%,此时砾石抑制入渗;稳定入渗速率均值表现为10%砾石质量分数抑制入渗(下降7.89%),但20%和30%砾石含量促进入渗(增大2.63%~28.95%)。黏土含砾石堆积体初始入渗速率和稳定入渗速率均值均大于CK,分别比CK增大4.21%~5.98%和4.53%~12.71%。
图1 堆积体入渗速率随产流历时变化

Fig.1 Variation of infiltration rate with time for spoil heaps

分析砂土、壤土和黏土堆积体在产流45 min内的平均入渗速率。剔除降雨强度影响,砂土CK、10%、20%、30%的平均入渗速率分别为0.93、0.95、0.58、0.47 mm/min,砂土CK的平均入渗速率分别是壤土和黏土的2.05倍和2.18倍;砾石质量分数为10%和20%时,砂土是壤土的2.40、1.31倍,是黏土的2.06、1.24倍;砾石质量分数为30%时,砂土是壤土的88%,是黏土的104%。

2.1.2 入渗模型

以降雨强度1.5 mm/min为例,分析3种土壤质地堆积体入渗特征,拟合结果见表2。利用Horton入渗模型对黏土的入渗的拟合效果(R2为0.91~0.99)较壤土和砂土(R2为0.54~0.97)更显著,Philip入渗模型的拟合效果也得到一致结果,且Horton模型拟合效果高于Philip模型(R2为0.24~0.98)。Horton入渗模型表明砂土未达到稳定入渗(除了砾石质量分数30%),而壤土和黏土堆积体的入渗均达到稳定,与堆积体入渗过程分析结果相符(图1);但Philip模型对砂土仍拟合得到稳定入渗速率,与实际情况不相符。对比分析2种模型拟合得到的稳定入渗速率(A和ic),表明Horton模型拟合得到壤土和黏土稳定入渗速率结果与实测值的误差分别为-0.61%~-1.62%和0.72%~6.82%,而Philip模型拟合结果误差分别为-23.40%~-45.10%和-34.67%~-49.52%。即Horton模型比Philip模型更加适用于工程堆积体入渗预测。
表2 堆积体入渗模型拟合结果

Table 2 Fitting result of the infiltration model for spoil heaps

土质 砾石质量分数/% Philip入渗模型参数 Horton入渗模型参数
S A R2 ERMS Sig. ic i0 β R2 ERMS Sig.
砂土 CK 1.777 0.620 0.654 0.025 0 0.000 1.302 0.019 0.895 0.008 0
10 0.908 0.996 0.238 0.039 0 0.000 1.383 0.009 0.544 0.025 0
20 2.279 0.430 0.681 0.036 0 0.000 1.337 0.028 0.963 0.004 0
30 1.500 0.312 0.982 0.001 0 0.436 1.049 0.161 0.940 0.002 0
壤土 CK 1.523 0.208 0.899 0.004 0 0.376 1.670 0.639 0.946 0.002 0
10 1.196 0.252 0.887 0.003 0 0.375 1.138 0.414 0.957 0.001 0
20 1.376 0.288 0.941 0.002 0 0.434 1.355 0.463 0.974 0.001 0
30 0.921 0.353 0.860 0.002 0 0.458 1.164 0.634 0.746 0.004 0
黏土 CK 1.628 0.247 0.956 0.002 0 0.418 1.489 0.450 0.993 0.000 0
10 1.754 0.213 0.974 0.001 0 0.385 1.241 0.274 0.930 0.003 0
20 1.360 0.261 0.891 0.003 0 0.415 1.806 0.788 0.944 0.002 0
30 1.716 0.164 0.968 0.001 0 0.347 1.379 0.422 0.906 0.004 0

注:R2为采用Horton入渗方程和Philip公式拟合的决定系数;ERMS为均方根误差;Sig.为显著性水平。

2.2 堆积体产沙特征

2.2.1 侵蚀速率动态变化特征

图2为堆积体侵蚀速率随产流历时变化。3种降雨强度下砂土侵蚀速率随产流历时呈“相对稳定-迅速递增”趋势。1.0 mm/min时,侵蚀速率在产流18 min前维持较低水平(<30 g/(m2·min)),随后含砾石堆积体侵蚀速率快速递增而CK不变;1.5 mm/min时,砾石质量分数20%、30%侵蚀速率总体平稳变化,砾石质量分数10%在产流36 min前较低但36 min后快速增大甚至超过CK,CK侵蚀速率呈总体递增变化;2.0 mm/min时,侵蚀速率总体随产流历时呈递增趋势。壤土侵蚀速率总体呈“波动递减-稳定”变化趋势(随降雨强度增大转折点分别在9、6、3 min)。3种降雨强度下,CK波动阶段的平均侵蚀速率分别为26.77、80.66、172.95 g/(m2·min),是稳定阶段的1.58~3.69倍,而含砾石堆积体前者是后者的2.19~7.71倍。黏土侵蚀速率在1.0和1.5 mm/min时,总体呈“先递增-递减-稳定”变化,转折点在产流12 min左右,CK波动阶段的平均侵蚀速率为16.47~56.29 g/(m2·min),是稳定阶段的0.97~1.37倍,而含砾石堆积体前者是后者的1.38~3.52倍。当降雨强度为2.0 mm/min时,CK和砾石质量分数为10%的侵蚀速率呈“递减-稳定-递增”趋势,而砾石质量分数20%和30%则呈“递减-稳定”的变化,转折点在产流3 min;CK在波动阶段的平均侵蚀速率是稳定阶段的0.98倍,但含砾石堆积体前者是后者的1.60~3.34倍。
图2 堆积体侵蚀速率随产流历时变化

Fig.2 Variation of erosion rate with time for spoil heaps

以次降雨侵蚀速率均值作为侵蚀表征参数,结果如图3所示。
图3 堆积体平均侵蚀速率

注:图中小写字母代表相同下垫面在3种不同降雨强度下的差异性分析;大写字母代表相同降雨强度下3种土壤质地之间的差异性分析;其中不同字母代表显著差异(p<0.05),相同字母代表差异性不显著(p≥0.05)。

Fig.3 Average erosion rate of spoil heaps

相同降雨强度下CK及含砾石堆积体的平均侵蚀速率均表现为砂土>黏土>壤土。1.0 mm/min时,砂土CK平均侵蚀速率是13.67 g/(m2·min),壤土和黏土CK比砂土CK分别降低4.90%和0.73%;砂土10%、20%和30%的平均侵蚀速率分别为86.04、66.26、53.49 g/(m2·min),3种砾石质量分数下壤土和黏土分别比砂土降低83.96%、81.69%、81.59%和73.69%、69.97%、69.90%。1.5 mm/min时,壤土和黏土CK的平均侵蚀速率分别比砂土CK降低83.43%、79.07%,含砾石堆积体分别比砂土减少67.41%~87.34%和35.85%~61.24%。2.0 mm/min时,壤土和黏土CK的平均侵蚀速率分别比砂土CK降低72.94%和67.34%,含砾石堆积体分别比砂土降低79.09%~85.31%和45.76%~71.18%。剔除砾石质量分数和降雨强度影响,砂土堆积体平均侵蚀速率分别是壤土和黏土的4.74倍和2.84倍,黏土堆积体平均侵蚀速率是壤土堆积体的1.67倍。差异性分析表明,砂土与壤土、黏土之间差异性显著(p<0.05),但壤土与黏土之间差异性还受砾石质量分数和降雨强度影响。总体上降雨强度对黏土堆积体平均侵蚀速率影响显著(p<0.05)且大于对砂土和壤土的影响。
3种土质CK堆积体平均侵蚀速率为13.00~446.23 g/(m2·min),砾石质量分数10%、20%、30%的平均侵蚀速率分别为13.80~352.95、12.13~308.27、9.85~171.58 g/(m2·min)。在1.5、2.0 mm/min时,砂土及壤土CK的平均侵蚀速率显著大于含砾石堆积体,即砾石起到抑制堆积体侵蚀作用,砂土含砾石堆积体较CK减少20.90%~63.67%,壤土减少28.54%~79.13%;而黏土含砾石堆积体较CK减少-11.32%~39.04%,即砾石既可能增加侵蚀也可能减少侵蚀。而在1.0 mm/min时,砂土和黏土堆积体均出现了含砾石堆积体平均侵蚀速率显著大于CK,即砾石增大侵蚀,砂土及黏土含砾石堆积体平均侵蚀速率分别是CK的3.91~6.30倍和1.19~1.67倍;而壤土堆积体仅有10%砾石质量分数的平均侵蚀速率高于CK(达1.06倍),20%和30%砾石含量的平均侵蚀速率均低于CK(减少6.73%~24.27%)。对比含砾石堆积体表明,3种降雨强度下砂土平均侵蚀速率随砾石质量分数10%递增到30%时的平均侵蚀速率减少13.21%~30.06%,壤土和黏土分别减少21.94%~53.83%和19.97%~21.14%。剔除降雨强度影响,砂土、壤土和黏土CK平均侵蚀速率均大于含砾石堆积体,分别增大1.34~1.92倍、1.51~3.26倍和1.00~1.27倍,砾石质量分数对壤土堆积体减蚀效果最大,对黏土的减蚀效果最小。

2.2.2 土壤流失比

通过分析土壤流失比(含砾石堆积体流失量与CK堆积体土壤流失量的比值,Rsl)[23],更能直观突出砾石质量分数对堆积体侵蚀的影响,利用3种雨强下的次降雨侵蚀量的平均值作为基础数据,分析结果见图4。结果表明,随砾石质量分数增大,土壤流失比递减,且增大砾石质量分数对减少壤土堆积体效果最显著,壤土砾石质量分数30%的次降雨侵蚀量为0.61 kg/m2,相较于CK减少75.21%,相同条件下砂土和黏土分别较CK减少51.56%和30.76%。拟合结果表明土壤流失比(Rsl)与砾石质量分数(Rv)呈极显著的指数函数关系,拟合方程的决定系数达到0.81~0.94。
图4 土壤流失比与砾石质量分数的关系

Fig.4 Relationship between soil loss ratio and gravel mass fraction

3 讨论

本研究得出砾石抑制砂土入渗速率和壤土初始入渗率,但促进黏土入渗(图1),土壤质地不同导致砾石对堆积体水流下渗的路径和水分在剖面的分布也不同。Gong等[11]研究砾石质量分数对壤土入渗的影响表明,5°时砾石促进入渗,且初始入渗率随砾石质量分数增大递增,与本试验黏土堆积体的结果一致,其他学者也获得了相似的结论[20,24],且砾石质量分数增大至60%时,稳定入渗率会继续增大[25]。Zhang等[26]研究表明紫色土累积入渗量随砾石质量分数增大呈递减,与本试验砂土堆积体获得了相同的结论。本研究结果表明利用Horton模型的拟合结果比Philip模型更加实用,对壤土和黏土的拟合结果比实测值低0.54%~20.36%,Almeida等[27]利用Kostiakov-Lewis、Horton、Philip 3种模型研究不同土地覆盖和利用方式下的土壤入渗率,结果表明Horton模型的适用性要高于其他两者,而王小燕等[20]研究表明Philip模型对参数精度要求更高且长时间条件下的偏差大,但其可作为在短历时条件下进行入渗速率的预测,与本研究结果有一定差异,可能是试验条件差异导致。同时,本研究中由于砂土的入渗速率在45 min内始终未达到稳定,与壤土及黏土堆积体差异较大,但在自然状态下坡面上方有一定汇水面积,后续研究可以采用坡面上方有出流条件下来模拟砂土入渗过程,更接近实际的入渗情况。
堆积体土质差异导致了侵蚀速率随产流历时的变化不一致,其中砂土的侵蚀速率在产流后期显著大于降雨初期,而壤土侵蚀速率前期大于后期,且在降雨过程中出现不同程度的波动,黏土侵蚀速率随产流历时的波动趋势受砾石质量分数影响较大(图2)。Peng等[17]通过野外冲刷试验研究黄沙土和紫色土堆积体侵蚀产沙规律,也得出随流量增大,侵蚀后期细沟沟壁受重力作用而坍塌导致侵蚀速率波动显著,且黄沙土堆积体比紫色土更容易遭受侵蚀。杨帅[28]通过放水冲刷研究砂土和壤土堆积体侵蚀速率随放水历时的延续呈“多峰多谷”的变化趋势,且砂土比壤土更易遭受侵蚀,与本试验的结果一致。而堆积体中砾石是其显著的特征,也是侵蚀具有独特规律的重要原因[12],但目前针对陡坡条件下不同砾石质量分数对不同土质堆积体侵蚀影响的研究仍较少[2]。
已有的研究认为砾石影响侵蚀和水文过程中砾石质量分数是最重要的一个方面[12],在本研究中,选取了3种不同粒径级别的砾石,并将砾石与土壤进行均匀混合分布在整个剖面范围内,重点探讨砾石质量分数对3种土壤质地堆积体侵蚀速率和入渗的影响。结果表明,在雨强>1.5 mm/min情况下,砾石对砂土和壤土堆积体具有显著的减少侵蚀作用,含砾石堆积体的侵蚀量比CK堆积体减少20.90%~79.13%(图3)。Wang等[29]研究认为40%砾石质量分数下的侵蚀量仅是裸土的20%,Niu等[30]野外放水冲刷试验也表明砾石质量分数20%和40%能够显著减少侵蚀和产流,与本试验研究结果相近;而在小降雨强度时,砾石会增加黏土和砂土堆积体侵蚀速率,含砾石堆积体侵蚀速率可达到CK的1.19~6.30倍,可能是砾石破坏堆积体内部结构。且小降雨强度坡面侵蚀主要是面蚀,加之雨滴击溅增加了坡面表层土壤细颗粒数量,为径流提供了更丰富的侵蚀物质源,导致更大的侵蚀量。综合分析土质与砾石对堆积体的侵蚀过程的影响是反映工程建设过程中扰动坡面实际侵蚀情况的重要方面,也是今后研究需要重点关注的方面。

4 结论

(1)砂土堆积体未达到稳定入渗,而壤土和黏土堆积体在产流初期(3~18 min)可达到稳定入渗。砂土堆积体的平均入渗速率是壤土和黏土堆积体的0.88~2.40倍。砾石抑制砂土堆积体入渗,但却显著促进黏土堆积体的入渗,砾石对壤土入渗影响与砾石质量分数有关。采用Horton入渗模型拟合堆积体入渗速率较Philip入渗模型拟合效果更显著(R2=0.91~0.99),与实测值的相对误差在0.61%~6.82%范围内。
(2)砂土堆积体平均侵蚀速率分别是壤土和黏土堆积体的4.74倍和2.84倍,黏土是壤土的1.67倍。
(3)降雨强度为1.5、2.0 mm/min时砾石抑制砂土和壤土堆积体侵蚀,较裸坡(CK)减少20.90%~79.13%,但在1.0 mm/min雨强时,砾石增大砂土和黏土堆积体侵蚀,可达1.19~6.30倍。土壤流失比表明砾石对壤土堆积体减蚀效果最显著,对黏土的减蚀效果较小。

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