紀政全，呂 剛?，李坤衡，王 雙，劉 爽，朱 肅

(1.遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，123000，遼寧阜新；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；3.鐵嶺縣自然資源事務服務中心，112600，遼寧鐵嶺；4.鐵嶺市自然資源事務服務中心，112000，遼寧鐵嶺)

土壤侵蝕是重要的全球環(huán)境問題之一[1]。它不僅導致土地退化，而且隨著全球變暖的持續(xù)也制約著生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。在中國北方的大部分地區(qū)只要溫度在0 ℃或更低，就會產(chǎn)生凍融過程。根據(jù)第2次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查[2]，我國凍融侵蝕區(qū)主要分布在北部，覆蓋面積約為126.98萬km2。凍融作用不僅會改變土壤的密度和孔隙度[3]，還會降低土壤多種力學強度，改變土壤中團聚體的穩(wěn)定性[4]，導致土壤可蝕性明顯增加。很多研究[5-7]表明，在與未凍融土壤相比較下，凍融土壤侵蝕強度更大，且凍融土更易遭受侵蝕[8]。尤其在春季解凍期，氣溫的回暖和晝夜溫差的加大，不僅使凍融作用愈加明顯，同時融雪徑流配合春季降雨等多種氣候因素及外營力的交互作用下，坡面侵蝕也愈發(fā)嚴重[9-10]。

目前，國內(nèi)外針對凍融侵蝕的研究中，多集中于黃土、黑土及高原地區(qū)的耕地和坡地等自然地塊[11-13]，但隨著我國城市生產(chǎn)建設項目的數(shù)量和規(guī)模的迅速增加，在凍融作用影響下的工程堆積體坡面侵蝕卻鮮有研究。工程堆積體是生產(chǎn)建設項目過程中人為堆砌的一種特殊地貌單元，施工過程中不僅干擾和破壞原生地塊的表土及下墊面，而且重塑土體結構，導致堆積體機構復雜、土石離散性大、抗蝕能力弱和恢復難度較高[14]。堆積體表層土壤水分接近飽和后，土壤剝蝕率會增加1.64～40.77倍，其對土壤流失總量的貢獻可達78%～90%[15-16]。生產(chǎn)建設項目水土流失是一種典型的人為加速侵蝕[17-18]。

阜新市地處遼西半干旱區(qū)，土壤類型以褐土和風沙土為主[19]，是遼寧省生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)，水土流失嚴重[20]?；诖?，筆者選取阜新市細河河道整治項目的開挖河道堆積體為研究對象，通過室內(nèi)模擬沖刷實驗，對受凍融影響的堆積體坡面產(chǎn)沙特征、坡面水動力學參數(shù)及侵蝕溝形態(tài)特征進行研究，并且設置對照試驗，探究受凍融影響下堆積體坡面侵蝕特征，以期為生產(chǎn)建設項目水土保持措施布置提供基本參數(shù)和技術依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗用土

本試驗采用的土壤來自阜新市海州區(qū)細河河道整治項目的河道土，堆積體初始形成于2019年6月成“一”字型堆放于河道兩側。采用皮尺對工程堆積體體積進行測量，頂部平臺長約5.9 m，寬約2 m，底部長約22.6 m，寬約15.8 m，堆積體高2.7 m，坡度在20°～30°之間。采用環(huán)刀法，按照0～10、10～20和20～30 cm的土層深度，采集堆積體平臺、邊坡的原狀土壤樣品用于分析土壤物理性質(zhì)[21](表1)。

表1 土壤物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil

1.2 試驗裝置與試驗設計

1.2.1 室內(nèi)模擬沖刷裝置 試驗裝置由水源、穩(wěn)壓閥、溢流槽、穩(wěn)流槽、試驗土槽等部分相互連接組成(圖1)。土槽長1.2 m、寬0.3 m、深0.3 m。穩(wěn)流槽長70 cm，采用表面粗糙度較小的玻璃材質(zhì)，以確保水流為層流。

1.水源 Waterhead. 2.穩(wěn)壓閥 Pressure regulator valve. 3.溢流槽 Overflow tank. 4.穩(wěn)流槽 Flow stabilizer. 5.土槽 Soil tank. 6.擋板 Baffle. 7.出水口 Water outlet,. 8.徑流桶 Runoff bucket圖1 模擬沖刷試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulated scourexperiment device

考慮到工程堆積體頂部平臺的面積以及遼西地區(qū)冬季降雪厚度，采用下式進行放水沖刷量計算[22]：

(1)

Qx=AHk×1 000/60。

(2)

式中：Qf為放水流量，L/min；Qx為單位面積下積雪產(chǎn)生的水量，L；Iy為降雨強度，mm/h；A為匯流區(qū)單位面積，m2；H為積雪厚度，m；k為松散密度，一般取0.24。

根據(jù)堆積體邊坡實際坡度，試驗設計20°和25°2個坡度，根據(jù)計算設計3個沖刷量級(1、2和3 L/min)，根據(jù)遼西地區(qū)氣象資料，在春季解凍期氣溫在-4 ℃～7 ℃之間，冷暖空氣交替頻繁，最高氣溫出現(xiàn)在10：00—14：00之間，土壤處于未完全解凍狀態(tài)，故設計3個解凍時間，分別為未解凍、解凍2 h、解凍4 h。對照試驗是相同沖刷量和坡度處理下，不做凍融處理。

供試土樣取回后先過5 mm篩，然后自然風干后進行培土，根據(jù)測得的土壤物理性質(zhì)，按照密度(1.35 g/cm3)、土層厚度(30 cm)、10%含水率計算填土質(zhì)量。按5 cm 1層分層填土，裝填好的土槽用保鮮膜包裹，防止水分蒸發(fā)。將土槽放入-25 ℃～-15 ℃的冷庫中，冷凍12～15 h以保證供試土壤徹底凍實，由冷庫專用的箱式冷藏車送到實驗室。將土槽放置在固定鐵架中，按照圖1連接試驗裝置，共設置3組土槽，準備開始模擬沖刷試驗。試驗在8 ℃～15 ℃室溫下進行，沖刷試驗開始后用秒表計時，觀察試驗過程并記錄產(chǎn)流發(fā)生時間，用徑流桶(大量筒)每1 min采集1次徑流泥沙樣，試驗過程中采用KMnO4染色法測坡面徑流的平均流速，乘以修正系數(shù)0.67[23]；采用直尺對坡面徑流深度及侵蝕溝形態(tài)進行測量。將徑流泥沙樣靜止12 h后倒掉上清液，用烘干稱量法測定泥沙量。徑流量和產(chǎn)沙量均用電子天平測量，精確到小數(shù)點后2位。每場試驗重復2次。

1.2.2 坡面流速測定及水力學參數(shù)計算 徑流深度[23]

h=Q/(dv)。

(3)

式中：h為徑流深度，m；Q為地表產(chǎn)流量，L/min；d為徑流寬，m；v為平均流速,m/s。

弗勞德數(shù)

Fr=v/(gh)0.5。

(4)

式中g為重力加速度，取9.81 m/s2；

Darcy-Weisbach阻力系數(shù)

f=8gRS/v2。

(5)

式中：R為水力半徑，可近似于徑流深,m；S為水力坡降,m/m。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20進行數(shù)據(jù)處理，AutoCAD2012和Excel進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同解凍時間堆積體坡面產(chǎn)沙量特征

產(chǎn)沙量是判定坡面侵蝕程度的重要指標之一[24]。在不同坡度、沖刷量和解凍時間條件下，堆積體坡面產(chǎn)沙過程如圖2所示。

Control refers to the experiment without any freezing-thawing under the same slope and scouring amount.圖2 不同沖刷量和坡度條件下坡面產(chǎn)沙量變化特征Fig.2 Variation characteristics of sediment yield under different scouring flows and slope conditions

由圖可知，在不同條件影響下，堆積體坡面產(chǎn)沙過程均呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。在侵蝕初期，坡面侵蝕量呈現(xiàn)不規(guī)則的波動，或增加或減小。這是由于堆積體坡面土壤解凍狀態(tài)的不同，導致坡面入滲能力和抗蝕能力的差異。而隨著沖刷的持續(xù)，堆積體表層土壤空隙內(nèi)的冰晶逐漸融化，以及坡面細溝的逐漸形成，坡面徑流的流經(jīng)途徑逐漸集中，侵蝕量也逐漸趨于穩(wěn)定。而隨著坡面細溝侵蝕逐漸發(fā)育，溝深和溝寬逐漸增大，2側溝壁土壤在水流沖刷以及重力作用下，開始不斷崩塌脫落，造成侵蝕量的增加。坡度、沖刷量越大，解凍時間越長，侵蝕中期的產(chǎn)沙量波動越大，呈現(xiàn)多峰多谷的變化趨勢。

圖3 凍融作用影響下坡面產(chǎn)沙總量Fig.3 Total sediment yield of downslope affected by freezing and thawing

由圖3可知，隨著放水沖刷量的增加，坡面侵蝕量也隨之增加。在相同坡度及沖刷量條件下，堆積體坡面產(chǎn)沙量整體呈現(xiàn)解凍4 h>解凍2 h>未解凍>對照。當坡度為20°時，隨著沖刷量的增加，坡面產(chǎn)沙量增加39.41%～202.98%，而隨著坡度升到25°，產(chǎn)沙量隨著沖刷量的增加，增長82.44%～230.43%。在凍融作用影響下，在坡度為20°時，當沖刷量為1、2和3 L/min時，相較于未解凍坡面，解凍2 h和解凍4 h坡面產(chǎn)沙量分別增加13.86%和28.01%、9.74%和84.23%、11.30%和24.45%。在坡度為25°時，當沖刷量為1、2和3 L/min時，相較于未解凍坡面，解凍2 h和解凍4 h坡面產(chǎn)沙量分別增加23.21%和20.88%、44.53%和59.04%、10.62%和25.18%。

圖4 凍融作用影響下坡面弗勞德數(shù)Fr的變化Fig.4 Change of the Froude number Fr of the downslope affected by freezing and thawing

可以看出，堆積體坡面產(chǎn)沙量隨著坡度、沖刷量的增大以及解凍時間的延長而增大。在坡度為25°，沖刷量為3 L/min時、解凍4 h坡面總產(chǎn)沙量最大，為38.77 kg。由圖3可以看出，受凍融影響的堆積體坡面產(chǎn)沙量明顯高于對照坡面。在坡度為20°時，當沖刷量為1、2和3 L/min時，相較于對照坡面，凍融坡面產(chǎn)沙量分別增加0.78～3.25、-4.43～6.17和3.63～10.17 kg。當坡度升到25°后，相較于對照坡面，凍融坡面產(chǎn)沙量分別增加0.54～2.57、-1.98～8.50和6.35～14.15 kg。在凍融作用影響下，坡面產(chǎn)沙量平均增長22.5%，說明在凍融作用的影響加劇工程堆積體坡面的侵蝕。

2.2 不同解凍時間堆積體坡面水力學參數(shù)特征

為了進一步探究在凍融作用影響下的堆積體坡面侵蝕特征，筆者選用弗勞德數(shù)Fr和Darcy-Weisbach阻力系數(shù)f2個重要的水力學參數(shù)。明渠水流理論弗勞德數(shù)Fr，即流體內(nèi)慣性力與重力的比值，用來判別水流的狀態(tài)[23]。在不同解凍時間(圖4)，坡度和沖刷量下，在侵蝕過程中Fr變化范圍在0.15～0.47之間，F(xiàn)r均<1，這說明堆積體坡面徑流均為緩流。

由圖4可知，在相同坡度及沖刷量條件下，堆積體坡面Fr整體呈現(xiàn)未解凍>解凍2 h>解凍4 h>對照。當坡度為20°時，受凍融作用影響的堆積體坡面Fr在0.20～0.48之間，平均為0.26；而對照組坡面Fr在0.15～0.19，平均為0.18。當坡度為25°時，受凍融作用影響的堆積體坡面Fr在0.24～0.43之間，平均為0.33；而對照組坡面Fr在0.21～0.28之間，平均為0.25?？梢钥闯?，坡度的提升使受凍融作用影響的堆積體坡面和對照坡面Fr分別增長26.9%和38.9%。在不同坡度下，凍融影響下的坡面平均Fr相對于對照坡面分別增加了44.4%和32%。這說明在相同沖刷量和坡度條件下，受凍融作用影響的堆積體坡面流速要明顯大于對照坡面。并且解凍時間越短，坡面Fr越大，坡面流速越大。

Darcy-Weisbach阻力系數(shù)f是一個常用的反映水流阻力大小的指標。由圖5可知，當坡度為20°時，受凍融作用影響的堆積體坡面徑流f在12.89～74.99之間，平均為51.09；而對照組坡面f在73.87～120.91之間，平均為89.61。當坡度為25°時，受凍融作用影響的堆積體坡面f在20.47～66.71之間，平均為36.42；對照組坡面f在46.45～85.07之間，平均為62.40。與對照坡面對比之下，受凍融作用影響的坡面在20°和25°坡度下，f分別下降75.40%和71.33%。在凍融作用的影響下，工程堆積體坡面在侵蝕過程中，相較于未經(jīng)凍融影響的坡面，其坡面徑流流速更快，并且徑流阻力更小。這就造成凍融坡面的產(chǎn)沙量明顯高于對照坡面。

圖5 凍融作用影響下坡面Darcy-Weisbach阻力系數(shù)f的變化Fig.5 Change of the Darcy-Weisbach resistance coefficient f of the downslope affected by freezing and thawing

2.3 不同解凍時間堆積體坡面侵蝕溝形態(tài)特征

筆者選取最大溝深、平均溝深、平均溝寬、平均橫斷面積、平均寬深比、溝壁坍塌次數(shù)以及溝壁坍塌最早出現(xiàn)時刻作為特征參數(shù)，來描述堆積體侵蝕溝的形態(tài)特征(表2)。

1)溝深：放水沖刷量1、2和3 L/min時，受凍融作用影響的堆積體坡面平均溝深分別為4.10～6.25、6.05～7.60和7.50～9.80 cm，對照組平均溝深為4.05～8.25 cm，凍融邊坡溝深大于對照，比對照邊坡平均溝深增加1.26%～37.36%。平均溝深、最大溝深沿坡面從上至下呈現(xiàn)減小趨勢，坡面上部是侵蝕溝深最大的坡段。各類型坡面平均溝深均隨流量的增大而增加。

2)溝寬：受凍融作用影響的堆積體坡面和對照坡面平均溝深分別為12.36和12.31 cm，2種處理下侵蝕溝平均溝寬相差不大。在流量為1 L/min時，凍融坡面平均溝寬明顯大于對照坡面，并且隨著解凍時間的延長，平均溝寬不斷增加，而隨著沖刷量的增加，平均溝寬的變化已無明顯規(guī)律?？傮w而言，平均溝寬隨著放水沖刷量的增大而增大。

3)平均橫斷面積：在流量為1 L/min和坡度20°時，凍融坡面平均橫截面積明顯大于對照坡面。當沖刷量增大至2和3 L/min，坡度升至25°時，凍融坡面與對照坡面平均橫斷面積無明顯變化規(guī)律。但是平均橫斷面積隨著解凍時間的延長而增大；在流量為3 L/min和25°時，解凍4 h堆積體坡面侵蝕溝平均橫斷面積最大，為157.86 cm2。

從表3相關性分析結果表明，工程堆積體坡面侵蝕主要受放水沖刷量的影響，與解凍時間之間存在一定相關性，但未達顯著。侵蝕量、平均橫斷面積與放水沖刷量之間呈現(xiàn)極顯著正相關(P<0.01)，f與放水沖刷量之間呈現(xiàn)極顯著負相關(P<0.01)，F(xiàn)r與放水沖刷量之間呈現(xiàn)顯著正相關(P<0.05)。

3 討論

在探究春季解凍期褐土工程堆積體坡面侵蝕的過程中發(fā)現(xiàn)，總體上呈現(xiàn)受凍融影響的堆積體坡面侵蝕量明顯大于對照坡面。這是由于土體中冰晶的凍脹作用，擴大了土壤空隙，待冰晶融化后增加了土壤空隙中的持水量，破壞了土壤顆粒間的黏結力，降低土壤的力學強度以及抗蝕能力，造成侵蝕的加劇，這與很多研究結果[6-8]一致。但是當坡度20°、沖刷量為2 L/min時，對照坡面侵蝕量要高于未解凍坡面和解凍2 h坡面。這是由于未解凍坡面土壤顆粒之間被冰晶緊密相連，當坡面徑流較小時，未解凍的土體反而具有不錯的抗蝕能力，水流的沖刷力無法將土壤顆粒從坡面裹挾搬運，導致坡面侵蝕量小于對照坡面。而隨著解凍時間的延長以及沖刷量的增大，凍融作用對坡面侵蝕的作用開始凸顯。程圣東等[25]在對黃土凍融坡面侵蝕過程研究中發(fā)現(xiàn)，解凍時間越長，土體初始解凍深度越大，坡面侵蝕越劇烈。

表2 堆積體坡面侵蝕形態(tài)特征Tab.2 Erosion morphological characteristics of accumulation body slope

表3 侵蝕參數(shù)相關性分析Tab.3 Correlation analysis of erosion parameters

坡面水力學特征中，F(xiàn)r和f是2個重要的參數(shù)，可以直接反映堆積體坡面徑流的狀態(tài)和流速。研究發(fā)現(xiàn)，受凍融影響的堆積坡面相較于對照坡面，F(xiàn)r平均增長38.2%，f平均下降73.42%。說明凍融堆積體坡面徑流流速更快并且坡面徑流受到的阻力更小，因此造成更為嚴重的土壤侵蝕。由圖6和圖7可知，在坡面土體未解凍的情況下，土體表面比較光滑，坡面徑流難以下滲到凍結土體當中，導致坡面徑流流速加快。大量研究[26-27]表明，凍融作用會改變土壤空隙度，降低土壤黏聚力。堆積體坡面在解凍4 h后(圖7)，坡面出現(xiàn)很多細小的裂縫。這就使本就松散的堆積體坡面，更難以抵抗徑流的沖刷。

圖6 未解凍坡面Fig.6 Unthawed slope

圖7 解凍4 h坡面Fig.7 4 h after thawed

總體上，對比凍融坡面和對照坡面，凍融坡面侵蝕溝的平均溝深、平均溝寬和平均橫斷面積均大于對照坡面。但是，侵蝕量、寬深比等參數(shù)與放水沖刷量呈顯著相關，卻與解凍時間之間存在一定相關性，但未達顯著。這是由于侵蝕過程中徑流掏蝕作用促進了溝蝕的橫向發(fā)展，徑流量較小也會引發(fā)崩塌，加速了水土流失；而侵蝕溝溝壁的崩塌次數(shù)、時間和體積具有不確定性和隨機性，導致產(chǎn)沙量出現(xiàn)波動。速歡等[28]在對露天礦排土場平臺- 邊坡系統(tǒng)侵蝕形態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn)，侵蝕溝沿平臺至坡腳呈“寬淺- 窄深- 寬淺”式發(fā)展。而本研究中，受凍融影響的堆積體坡面侵蝕溝沿坡上至坡下呈“寬深- 窄深- 寬淺”式發(fā)展。本研究中坡面侵蝕的過程是由面蝕轉變?yōu)闇衔g(細溝侵蝕)，坡面表層土壤在凍融作用影響下抗蝕能力減弱，縮短了坡面的面蝕的時間，侵蝕溝更容易縱向發(fā)育。在沖刷初期便在坡上部形成細溝，而隨著水流的匯集在坡中部位置形成“窄深”的細溝，而隨著泥沙在坡底部的沉積，細溝又變?yōu)椤皩挏\”的形態(tài)。

本研究存在一定的局限性，試驗過程中只考慮了試驗環(huán)境溫度(室溫)，并未考慮到試驗過程中水流、土壤的溫度變化問題。其次應在較大的空間尺度進一步深入研究凍融作用、沖刷量、坡度對工程堆積體坡面徑流影響和坡面侵蝕的問題。為深入分析和解決工程堆積體邊坡土壤侵蝕問題，提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

4 結論

1)工程堆積體邊坡在同因素影響下產(chǎn)沙量整體呈先增長后趨于穩(wěn)定的趨勢，并隨著沖刷量、坡度的增大以及解凍時間的延長，侵蝕量也逐漸變大。與對照坡面對比，在凍融作用影響下坡面產(chǎn)沙量平均增長22.5%，加劇了工程堆積體坡面的侵蝕。

2)與對照坡面對比之下，受凍融作用影響的坡面在20°和25°坡度下，f分別下降75.40%和71.33%，F(xiàn)r增加44.4%和32.0%。在凍融作用的影響下，工程堆積體坡面在侵蝕過程中，相較于未經(jīng)凍融影響的坡面，其坡面徑流流速更快，并且徑流阻力更小。

3)侵蝕量、平均橫斷面積與放水沖刷量之間呈現(xiàn)極顯著正相關，f與放水沖刷量之間呈現(xiàn)極顯著負相關，F(xiàn)r與放水沖刷量之間呈現(xiàn)顯著正相關。

4)受凍融影響的堆積體坡面侵蝕溝更容易縱向發(fā)育，侵蝕溝沿坡下至坡上呈“寬深- 窄深- 寬淺”式發(fā)展。