辽西春季解冻期褐土工程堆积体坡面侵蚀特征

纪政全，吕 刚†，李坤衡，王 双，刘 爽，朱 肃

(1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，123000，辽宁阜新；2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；3.铁岭县自然资源事务服务中心，112600，辽宁铁岭；4.铁岭市自然资源事务服务中心，112000，辽宁铁岭)

土壤侵蚀是重要的全球环境问题之一[1]。它不仅导致土地退化，而且随着全球变暖的持续也制约着生态环境的发展。在中国北方的大部分地区只要温度在0 ℃或更低，就会产生冻融过程。根据第2次全国土壤侵蚀遥感调查[2]，我国冻融侵蚀区主要分布在北部，覆盖面积约为126.98万km2。冻融作用不仅会改变土壤的密度和孔隙度[3]，还会降低土壤多种力学强度，改变土壤中团聚体的稳定性[4]，导致土壤可蚀性明显增加。很多研究[5-7]表明，在与未冻融土壤相比较下，冻融土壤侵蚀强度更大，且冻融土更易遭受侵蚀[8]。尤其在春季解冻期，气温的回暖和昼夜温差的加大，不仅使冻融作用愈加明显，同时融雪径流配合春季降雨等多种气候因素及外营力的交互作用下，坡面侵蚀也愈发严重[9-10]。

目前，国内外针对冻融侵蚀的研究中，多集中于黄土、黑土及高原地区的耕地和坡地等自然地块[11-13]，但随着我国城市生产建设项目的数量和规模的迅速增加，在冻融作用影响下的工程堆积体坡面侵蚀却鲜有研究。工程堆积体是生产建设项目过程中人为堆砌的一种特殊地貌单元，施工过程中不仅干扰和破坏原生地块的表土及下垫面，而且重塑土体结构，导致堆积体机构复杂、土石离散性大、抗蚀能力弱和恢复难度较高[14]。堆积体表层土壤水分接近饱和后，土壤剥蚀率会增加1.64～40.77倍，其对土壤流失总量的贡献可达78%～90%[15-16]。生产建设项目水土流失是一种典型的人为加速侵蚀[17-18]。

阜新市地处辽西半干旱区，土壤类型以褐土和风沙土为主[19]，是辽宁省生态环境最脆弱的地区，水土流失严重[20]。基于此，笔者选取阜新市细河河道整治项目的开挖河道堆积体为研究对象，通过室内模拟冲刷实验，对受冻融影响的堆积体坡面产沙特征、坡面水动力学参数及侵蚀沟形态特征进行研究，并且设置对照试验，探究受冻融影响下堆积体坡面侵蚀特征，以期为生产建设项目水土保持措施布置提供基本参数和技术依据。

1 材料和方法

1.1 试验用土

本试验采用的土壤来自阜新市海州区细河河道整治项目的河道土，堆积体初始形成于2019年6月成“一”字型堆放于河道两侧。采用皮尺对工程堆积体体积进行测量，顶部平台长约5.9 m，宽约2 m，底部长约22.6 m，宽约15.8 m，堆积体高2.7 m，坡度在20°～30°之间。采用环刀法，按照0～10、10～20和20～30 cm的土层深度，采集堆积体平台、边坡的原状土壤样品用于分析土壤物理性质[21](表1)。

表1 土壤物理性质Tab.1 Physical properties of soil

1.2 试验装置与试验设计

1.2.1 室内模拟冲刷装置 试验装置由水源、稳压阀、溢流槽、稳流槽、试验土槽等部分相互连接组成(图1)。土槽长1.2 m、宽0.3 m、深0.3 m。稳流槽长70 cm，采用表面粗糙度较小的玻璃材质，以确保水流为层流。

1.水源 Waterhead. 2.稳压阀 Pressure regulator valve. 3.溢流槽 Overflow tank. 4.稳流槽 Flow stabilizer. 5.土槽 Soil tank. 6.挡板 Baffle. 7.出水口 Water outlet,. 8.径流桶 Runoff bucket图1 模拟冲刷试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of simulated scourexperiment device

考虑到工程堆积体顶部平台的面积以及辽西地区冬季降雪厚度，采用下式进行放水冲刷量计算[22]：

(1)

Qx=AHk×1 000/60。

(2)

式中：Qf为放水流量，L/min；Qx为单位面积下积雪产生的水量，L；Iy为降雨强度，mm/h；A为汇流区单位面积，m2；H为积雪厚度，m；k为松散密度，一般取0.24。

根据堆积体边坡实际坡度，试验设计20°和25°2个坡度，根据计算设计3个冲刷量级(1、2和3 L/min)，根据辽西地区气象资料，在春季解冻期气温在-4 ℃～7 ℃之间，冷暖空气交替频繁，最高气温出现在10：00—14：00之间，土壤处于未完全解冻状态，故设计3个解冻时间，分别为未解冻、解冻2 h、解冻4 h。对照试验是相同冲刷量和坡度处理下，不做冻融处理。

供试土样取回后先过5 mm筛，然后自然风干后进行培土，根据测得的土壤物理性质，按照密度(1.35 g/cm3)、土层厚度(30 cm)、10%含水率计算填土质量。按5 cm 1层分层填土，装填好的土槽用保鲜膜包裹，防止水分蒸发。将土槽放入-25 ℃～-15 ℃的冷库中，冷冻12～15 h以保证供试土壤彻底冻实，由冷库专用的箱式冷藏车送到实验室。将土槽放置在固定铁架中，按照图1连接试验装置，共设置3组土槽，准备开始模拟冲刷试验。试验在8 ℃～15 ℃室温下进行，冲刷试验开始后用秒表计时，观察试验过程并记录产流发生时间，用径流桶(大量筒)每1 min采集1次径流泥沙样，试验过程中采用KMnO4染色法测坡面径流的平均流速，乘以修正系数0.67[23]；采用直尺对坡面径流深度及侵蚀沟形态进行测量。将径流泥沙样静止12 h后倒掉上清液，用烘干称量法测定泥沙量。径流量和产沙量均用电子天平测量，精确到小数点后2位。每场试验重复2次。

1.2.2 坡面流速测定及水力学参数计算 径流深度[23]

h=Q/(dv)。

(3)

式中：h为径流深度，m；Q为地表产流量，L/min；d为径流宽，m；v为平均流速,m/s。

弗劳德数

Fr=v/(gh)0.5。

(4)

式中g为重力加速度，取9.81 m/s2；

Darcy-Weisbach阻力系数

f=8gRS/v2。

(5)

式中：R为水力半径，可近似于径流深,m；S为水力坡降,m/m。

1.3 数据处理

采用SPSS 20进行数据处理，AutoCAD2012和Excel进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同解冻时间堆积体坡面产沙量特征

产沙量是判定坡面侵蚀程度的重要指标之一[24]。在不同坡度、冲刷量和解冻时间条件下，堆积体坡面产沙过程如图2所示。

Control refers to the experiment without any freezing-thawing under the same slope and scouring amount.图2 不同冲刷量和坡度条件下坡面产沙量变化特征Fig.2 Variation characteristics of sediment yield under different scouring flows and slope conditions

由图可知，在不同条件影响下，堆积体坡面产沙过程均呈现先增加后趋于稳定的趋势。在侵蚀初期，坡面侵蚀量呈现不规则的波动，或增加或减小。这是由于堆积体坡面土壤解冻状态的不同，导致坡面入渗能力和抗蚀能力的差异。而随着冲刷的持续，堆积体表层土壤空隙内的冰晶逐渐融化，以及坡面细沟的逐渐形成，坡面径流的流经途径逐渐集中，侵蚀量也逐渐趋于稳定。而随着坡面细沟侵蚀逐渐发育，沟深和沟宽逐渐增大，2侧沟壁土壤在水流冲刷以及重力作用下，开始不断崩塌脱落，造成侵蚀量的增加。坡度、冲刷量越大，解冻时间越长，侵蚀中期的产沙量波动越大，呈现多峰多谷的变化趋势。

图3 冻融作用影响下坡面产沙总量Fig.3 Total sediment yield of downslope affected by freezing and thawing

由图3可知，随着放水冲刷量的增加，坡面侵蚀量也随之增加。在相同坡度及冲刷量条件下，堆积体坡面产沙量整体呈现解冻4 h>解冻2 h>未解冻>对照。当坡度为20°时，随着冲刷量的增加，坡面产沙量增加39.41%～202.98%，而随着坡度升到25°，产沙量随着冲刷量的增加，增长82.44%～230.43%。在冻融作用影响下，在坡度为20°时，当冲刷量为1、2和3 L/min时，相较于未解冻坡面，解冻2 h和解冻4 h坡面产沙量分别增加13.86%和28.01%、9.74%和84.23%、11.30%和24.45%。在坡度为25°时，当冲刷量为1、2和3 L/min时，相较于未解冻坡面，解冻2 h和解冻4 h坡面产沙量分别增加23.21%和20.88%、44.53%和59.04%、10.62%和25.18%。

图4 冻融作用影响下坡面弗劳德数Fr的变化Fig.4 Change of the Froude number Fr of the downslope affected by freezing and thawing

可以看出，堆积体坡面产沙量随着坡度、冲刷量的增大以及解冻时间的延长而增大。在坡度为25°，冲刷量为3 L/min时、解冻4 h坡面总产沙量最大，为38.77 kg。由图3可以看出，受冻融影响的堆积体坡面产沙量明显高于对照坡面。在坡度为20°时，当冲刷量为1、2和3 L/min时，相较于对照坡面，冻融坡面产沙量分别增加0.78～3.25、-4.43～6.17和3.63～10.17 kg。当坡度升到25°后，相较于对照坡面，冻融坡面产沙量分别增加0.54～2.57、-1.98～8.50和6.35～14.15 kg。在冻融作用影响下，坡面产沙量平均增长22.5%，说明在冻融作用的影响加剧工程堆积体坡面的侵蚀。

2.2 不同解冻时间堆积体坡面水力学参数特征

为了进一步探究在冻融作用影响下的堆积体坡面侵蚀特征，笔者选用弗劳德数Fr和Darcy-Weisbach阻力系数f2个重要的水力学参数。明渠水流理论弗劳德数Fr，即流体内惯性力与重力的比值，用来判别水流的状态[23]。在不同解冻时间(图4)，坡度和冲刷量下，在侵蚀过程中Fr变化范围在0.15～0.47之间，Fr均<1，这说明堆积体坡面径流均为缓流。

由图4可知，在相同坡度及冲刷量条件下，堆积体坡面Fr整体呈现未解冻>解冻2 h>解冻4 h>对照。当坡度为20°时，受冻融作用影响的堆积体坡面Fr在0.20～0.48之间，平均为0.26；而对照组坡面Fr在0.15～0.19，平均为0.18。当坡度为25°时，受冻融作用影响的堆积体坡面Fr在0.24～0.43之间，平均为0.33；而对照组坡面Fr在0.21～0.28之间，平均为0.25。可以看出，坡度的提升使受冻融作用影响的堆积体坡面和对照坡面Fr分别增长26.9%和38.9%。在不同坡度下，冻融影响下的坡面平均Fr相对于对照坡面分别增加了44.4%和32%。这说明在相同冲刷量和坡度条件下，受冻融作用影响的堆积体坡面流速要明显大于对照坡面。并且解冻时间越短，坡面Fr越大，坡面流速越大。

Darcy-Weisbach阻力系数f是一个常用的反映水流阻力大小的指标。由图5可知，当坡度为20°时，受冻融作用影响的堆积体坡面径流f在12.89～74.99之间，平均为51.09；而对照组坡面f在73.87～120.91之间，平均为89.61。当坡度为25°时，受冻融作用影响的堆积体坡面f在20.47～66.71之间，平均为36.42；对照组坡面f在46.45～85.07之间，平均为62.40。与对照坡面对比之下，受冻融作用影响的坡面在20°和25°坡度下，f分别下降75.40%和71.33%。在冻融作用的影响下，工程堆积体坡面在侵蚀过程中，相较于未经冻融影响的坡面，其坡面径流流速更快，并且径流阻力更小。这就造成冻融坡面的产沙量明显高于对照坡面。

图5 冻融作用影响下坡面Darcy-Weisbach阻力系数f的变化Fig.5 Change of the Darcy-Weisbach resistance coefficient f of the downslope affected by freezing and thawing

2.3 不同解冻时间堆积体坡面侵蚀沟形态特征

笔者选取最大沟深、平均沟深、平均沟宽、平均横断面积、平均宽深比、沟壁坍塌次数以及沟壁坍塌最早出现时刻作为特征参数，来描述堆积体侵蚀沟的形态特征(表2)。

1)沟深：放水冲刷量1、2和3 L/min时，受冻融作用影响的堆积体坡面平均沟深分别为4.10～6.25、6.05～7.60和7.50～9.80 cm，对照组平均沟深为4.05～8.25 cm，冻融边坡沟深大于对照，比对照边坡平均沟深增加1.26%～37.36%。平均沟深、最大沟深沿坡面从上至下呈现减小趋势，坡面上部是侵蚀沟深最大的坡段。各类型坡面平均沟深均随流量的增大而增加。

2)沟宽：受冻融作用影响的堆积体坡面和对照坡面平均沟深分别为12.36和12.31 cm，2种处理下侵蚀沟平均沟宽相差不大。在流量为1 L/min时，冻融坡面平均沟宽明显大于对照坡面，并且随着解冻时间的延长，平均沟宽不断增加，而随着冲刷量的增加，平均沟宽的变化已无明显规律。总体而言，平均沟宽随着放水冲刷量的增大而增大。

3)平均横断面积：在流量为1 L/min和坡度20°时，冻融坡面平均横截面积明显大于对照坡面。当冲刷量增大至2和3 L/min，坡度升至25°时，冻融坡面与对照坡面平均横断面积无明显变化规律。但是平均横断面积随着解冻时间的延长而增大；在流量为3 L/min和25°时，解冻4 h堆积体坡面侵蚀沟平均横断面积最大，为157.86 cm2。

从表3相关性分析结果表明，工程堆积体坡面侵蚀主要受放水冲刷量的影响，与解冻时间之间存在一定相关性，但未达显著。侵蚀量、平均横断面积与放水冲刷量之间呈现极显著正相关(P<0.01)，f与放水冲刷量之间呈现极显著负相关(P<0.01)，Fr与放水冲刷量之间呈现显著正相关(P<0.05)。

3 讨论

在探究春季解冻期褐土工程堆积体坡面侵蚀的过程中发现，总体上呈现受冻融影响的堆积体坡面侵蚀量明显大于对照坡面。这是由于土体中冰晶的冻胀作用，扩大了土壤空隙，待冰晶融化后增加了土壤空隙中的持水量，破坏了土壤颗粒间的黏结力，降低土壤的力学强度以及抗蚀能力，造成侵蚀的加剧，这与很多研究结果[6-8]一致。但是当坡度20°、冲刷量为2 L/min时，对照坡面侵蚀量要高于未解冻坡面和解冻2 h坡面。这是由于未解冻坡面土壤颗粒之间被冰晶紧密相连，当坡面径流较小时，未解冻的土体反而具有不错的抗蚀能力，水流的冲刷力无法将土壤颗粒从坡面裹挟搬运，导致坡面侵蚀量小于对照坡面。而随着解冻时间的延长以及冲刷量的增大，冻融作用对坡面侵蚀的作用开始凸显。程圣东等[25]在对黄土冻融坡面侵蚀过程研究中发现，解冻时间越长，土体初始解冻深度越大，坡面侵蚀越剧烈。

表2 堆积体坡面侵蚀形态特征Tab.2 Erosion morphological characteristics of accumulation body slope

表3 侵蚀参数相关性分析Tab.3 Correlation analysis of erosion parameters

坡面水力学特征中，Fr和f是2个重要的参数，可以直接反映堆积体坡面径流的状态和流速。研究发现，受冻融影响的堆积坡面相较于对照坡面，Fr平均增长38.2%，f平均下降73.42%。说明冻融堆积体坡面径流流速更快并且坡面径流受到的阻力更小，因此造成更为严重的土壤侵蚀。由图6和图7可知，在坡面土体未解冻的情况下，土体表面比较光滑，坡面径流难以下渗到冻结土体当中，导致坡面径流流速加快。大量研究[26-27]表明，冻融作用会改变土壤空隙度，降低土壤黏聚力。堆积体坡面在解冻4 h后(图7)，坡面出现很多细小的裂缝。这就使本就松散的堆积体坡面，更难以抵抗径流的冲刷。

图6 未解冻坡面Fig.6 Unthawed slope

图7 解冻4 h坡面Fig.7 4 h after thawed

总体上，对比冻融坡面和对照坡面，冻融坡面侵蚀沟的平均沟深、平均沟宽和平均横断面积均大于对照坡面。但是，侵蚀量、宽深比等参数与放水冲刷量呈显著相关，却与解冻时间之间存在一定相关性，但未达显著。这是由于侵蚀过程中径流掏蚀作用促进了沟蚀的横向发展，径流量较小也会引发崩塌，加速了水土流失；而侵蚀沟沟壁的崩塌次数、时间和体积具有不确定性和随机性，导致产沙量出现波动。速欢等[28]在对露天矿排土场平台- 边坡系统侵蚀形态的研究中发现，侵蚀沟沿平台至坡脚呈“宽浅- 窄深- 宽浅”式发展。而本研究中，受冻融影响的堆积体坡面侵蚀沟沿坡上至坡下呈“宽深- 窄深- 宽浅”式发展。本研究中坡面侵蚀的过程是由面蚀转变为沟蚀(细沟侵蚀)，坡面表层土壤在冻融作用影响下抗蚀能力减弱，缩短了坡面的面蚀的时间，侵蚀沟更容易纵向发育。在冲刷初期便在坡上部形成细沟，而随着水流的汇集在坡中部位置形成“窄深”的细沟，而随着泥沙在坡底部的沉积，细沟又变为“宽浅”的形态。

本研究存在一定的局限性，试验过程中只考虑了试验环境温度(室温)，并未考虑到试验过程中水流、土壤的温度变化问题。其次应在较大的空间尺度进一步深入研究冻融作用、冲刷量、坡度对工程堆积体坡面径流影响和坡面侵蚀的问题。为深入分析和解决工程堆积体边坡土壤侵蚀问题，提供理论依据和数据支撑。

4 结论

1)工程堆积体边坡在同因素影响下产沙量整体呈先增长后趋于稳定的趋势，并随着冲刷量、坡度的增大以及解冻时间的延长，侵蚀量也逐渐变大。与对照坡面对比，在冻融作用影响下坡面产沙量平均增长22.5%，加剧了工程堆积体坡面的侵蚀。

2)与对照坡面对比之下，受冻融作用影响的坡面在20°和25°坡度下，f分别下降75.40%和71.33%，Fr增加44.4%和32.0%。在冻融作用的影响下，工程堆积体坡面在侵蚀过程中，相较于未经冻融影响的坡面，其坡面径流流速更快，并且径流阻力更小。

3)侵蚀量、平均横断面积与放水冲刷量之间呈现极显著正相关，f与放水冲刷量之间呈现极显著负相关，Fr与放水冲刷量之间呈现显著正相关。

4)受冻融影响的堆积体坡面侵蚀沟更容易纵向发育，侵蚀沟沿坡下至坡上呈“宽深- 窄深- 宽浅”式发展。