引用本文
赵霞玉, 邱明明, 周占江, 赵艳秋, 郭富杭. 延安丘陵区黄土雨滴溅蚀过程模拟[J].中国地质调查, 2023,10(2): 111-117.
ZHAO Xiayu, QIU Mingming, ZHOU Zhanjiang, ZHAO Yanqiu, GUO Fuhang. Simulation on raindrop splash erosion process of loess in Yan'an hilly region[J].Geological Survey of China, 2023,10(2): 111-117.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2023.02.14
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延安丘陵区黄土雨滴溅蚀过程模拟
赵霞玉, 邱明明, 周占江, 赵艳秋, 郭富杭
延安大学,建筑工程学院,陕西 延安 716000
通讯作者简介: 邱明明(1985—),男,副教授,主要从事黄土力学与工程方面的研究工作。Email: sxdfqiuming@163.com。

第一作者简介: 赵霞玉(2001—),男,大学本科,主要从事黄土力学与工程方面的研究工作。Email: zxy2292463101@163.com。

收稿日期: 2022-06-13 修回日期: 2023-03-23
基金资助: 陕西省科技厅“黄土沟壑区新建重大工程场地地质与生态环境监测评估关键技术研究与示范(编号: 2020ZDLSF06-03)”、延安市科技局“黄土沟壑区边坡降雨入渗致灾模式及生态防护技术研究(编号: 2019ZCSY-006)”、延安大学科研计划项目“降雨入渗下高填方结构性黄土边坡稳定性演化机理研究(编号: YDY2020-36)”和国家级大学生创新创业训练计划项目“降雨水力侵蚀作用对原状黄土变形破坏规律的影响(编号: 202110719009)”联合资助
摘要

为揭示延安丘陵区黄土雨滴溅蚀特征及其演变过程,选取晚更新世原状黄土为研究对象,利用自制的雨径、雨强可控的单雨滴模拟试验装置,对边坡浅表层采集的原状黄土进行雨滴击溅侵蚀试验,研究降雨强度和降雨历时对原状黄土侵蚀特征的影响规律。结果表明: ①雨滴连续击打作用下,原状黄土表面逐渐形成一近似圆形的溅蚀坑,溅蚀坑由浅变深、由小变大,侵蚀深度随降雨历时的发展过程可描述为快速增长阶段(0~10 min)、缓慢增长阶段(10~40 min)和稳定发展阶段(40~60 min)。②侵蚀深度、侵蚀破坏直径及侵蚀扩散直径随降雨历时发展过程符合幂函数型增长,0~10 min为侵蚀变形主要增长阶段,降雨强度越大,土壤侵蚀作用越显著,0~10 min阶段的侵蚀深度占总侵蚀深度比例可达81%以上; 降雨历时约10 min后,溅蚀面上横向侵蚀范围基本趋于稳定状态,侵蚀深度、侵蚀破坏直径及侵蚀扩散直径均随降雨强度呈正相关,且侵蚀扩散直径 D约为侵蚀破坏直径 D0的2.71~3.55倍。③强降雨是诱发黄土边坡发生侵蚀灾害和水土流失的重要影响因素,建议采用坡面植绿、加筋和防排水等防护措施,增强坡面抗侵蚀能力,降低黄土边坡浅层水蚀灾害发生。研究成果可为黄土地区降雨侵蚀灾害防治提供参考。

关键词: 黄土边坡; 降雨强度; 原状黄土; 雨滴溅蚀; 溅蚀过程
中图分类号:P642;TU411;S153 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2023)02-0111-07
Simulation on raindrop splash erosion process of loess in Yan'an hilly region
ZHAO Xiayu, QIU Mingming, ZHOU Zhanjiang, ZHAO Yanqiu, GUO Fuhang
School of Architectural Engineering, Yan'an University, Shanxi Yan'an 716000, China
Abstract

In order to reveal the raindrop splash erosion characteristics and evolution process of loess in Yan'an hilly region, the authors selected the soil of Late Pleistocene as the research object, and used self-made raindrop simulation test device with controllable rain diameter and rain intensity to conduct the raindrop splash erosion test on the raw loess collected from the shallow surface of the slope and investigate the influence law of rainfall intensity and rainfall duration on the erosion characteristics of loess. The results show that an approximately circular spattering pit is gradually formed on the surface of undisturbed loess under the continuous impact of raindrops, and the pattering pit changes from shallow to deep and from small to large. The development process of erosion depth with different rainfall duration can be described as rapid growth stage (0-10 min), slow growth stage (10-40 min) and stable development stage (40-60 min). The development of erosion depth, erosion damage diameter and erosion diffusion diameter with different rainfall duration showed a power function growth trend, and 0-10 min is the main growth stage of erosion deformation. The greater the rainfall intensity is, the more significant the soil erosion is. The erosion depth of 0-10 min accounted for more than 81% of the total erosion depth, and the lateral erosion range on the splash surface is stabilized gradually after the rainfall lasted for about 10 minutes. The erosion depth, erosion damage diameter and erosion diffusion diameter are positively correlated with rainfall intensity, and the erosion diffusion diameter D is about 2.71-3.55 times the erosion damage diameter D0. The heavy rainfall is an important factor that induces erosion disasters and water and soil erosion on loess slope, so the it is recommended to take protective measures to enhance the slope anti-erosion ability, including green planting, reinforcement and waterproof and drainage, which can reduce the occurrence of shallow water erosion disaster on loess slope. This research can provide reference for rainfall erosion disasters in loess region.

Keyword: loess slope; rainfall intensity; undisturbed loess; raindrop splash erosion; splash erosion process
0 引言

黄土高原区地质环境复杂, 降雨导致水土流失问题突出, 特别是近年来极端降雨气候出现频率增加, 由此诱发的一系列黄土地质灾害和工程灾害频繁发生[1, 2], 对黄土高原地区城乡建设发展和区域生态环境保护极为不利。黄土作为一种典型的强水敏性非饱和土[3], 降雨作用对黄土力学性质和边坡侵蚀特征影响显著。因此, 有必要对降雨作用下黄土侵蚀变形破坏特征进行深入研究, 以揭示黄土受降雨击溅侵蚀的发展过程和渐变规律。

目前, 前人在降雨对土壤侵蚀的研究方面已经取得了较多成果。王子轩等[4]开展了不同坡度塿土降雨溅蚀试验, 分析了坡度对溅蚀量以及溅蚀距离的影响规律; 周春梅等[5]利用自制的人工模拟雨滴溅蚀试验装置, 研究了土样压实度和含水率对黄土降雨溅蚀的影响规律, 研究结果表明适当增大土体压实度可以有效改善土体耐溅蚀性; 朱建东等[6]利用室内人工降雨试验和三维激光扫描方法, 研究了连续降雨和间断降雨条件下黄土坡面侵蚀的动态变化过程; 李叶鑫等[7]采用人工模拟降雨试验, 研究了降雨强度、降雨历时和坡度对耕地褐土溅蚀的影响; 梁双双等[8]开展了崩壁原状土雨滴击溅侵蚀试验, 分析了不同降雨条件下崩壁不同土层的溅蚀特征; 张兴义等[9]基于野外人工模拟降雨试验, 研究了降雨强度和坡度对典型黑土溅蚀特征的影响; 刘柏玲等[10]通过人工模拟降雨试验研究了黄土土质对溅蚀特征的影响; 沈海鸥等[11]通过消除和不消除雨滴击打作用模拟降雨试验, 研究了不同雨强和坡度对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响。

综上所述, 雨滴溅蚀引起土壤结构破坏、土粒分散和迁移, 是降雨侵蚀发生的初始过程。因此, 雨滴击打作用是土壤溅蚀破坏特征演变的重要因素。由于前人研究中所选取的土质类型、降雨特性等试验条件的不同, 所获得的试验结果存在一定的差异性。因此本文以延安丘陵区晚更新世原状黄土为研究对象, 利用自制的雨径、雨强可控的单雨滴模拟试验装置, 以雨滴频率、雨滴落高、降雨历时作为控制参数来模拟降雨特性对土壤溅蚀的影响, 开展不同降雨强度条件下原状黄土雨滴击溅侵蚀试验, 分析降雨强度和降雨历时对原状黄土侵蚀特征的影响规律, 旨在为黄土地区降雨侵蚀灾害防治提供参考。

1 试验方案设计
1.1 试验用土

试验用土选取延安某工点边坡浅表层晚更新世原状黄土, 土体呈褐黄— 黄褐色, 土质较均匀。采用内径155 mm、壁厚2.5 mm、高200 mm的透明亚克力管进行原位土体取样, 取样深度为 0.5~1.0 m; 取回的试样采用保鲜膜密封保存, 避免试样内部水分损失(图1)。根据室内土工试验[12]测定, 试样天然密度为1.45 g/cm3, 天然含水率为14.5%, 液限为33.2%, 塑限为18.3%。

图1 黄土土柱原位取样Fig.1 In-situ sampling of soil column

1.2 方案设计

为更好地探明不同降雨强度对原状黄土溅蚀的规律, 自制雨径、雨强可控的单雨滴模拟试验装置, 该装置包括固定支架、给水箱、橡胶连接管、调水阀、锥形玻璃滴管等(图2(a))。利用在试样上方布设的可旋转三脚架、激光测距仪和高清摄像机实现测试数据动态监测。根据国家气象局对降雨强度的界定, 依次设置10滴/min、25滴/min、50滴/min、100滴/min、150滴/min以上5种雨滴频率以模拟不同降雨强度。具体试验步骤如下。

图2 原状黄土雨滴溅蚀模拟试验平台Fig.2 Raindrop splash erosion simulation test platform of undisturbed loess

(1)试样准备。将取回的原状黄土土柱试样表面切削平整备用(图2(b))。

(2)试样安装。将准备好的试样放置在锥形玻璃滴管正下方, 保证雨滴正好落在试样中心位置。

(3)降雨调试。安装孔径为3 mm的锥形玻璃滴管, 调节固定支架使雨滴下落高度为1 000 mm; 在试样表面放置一透明塑料板, 调节止水阀使降雨强度达到某一选定值进行试滴, 连续测试降雨强度3次, 保证降雨强度误差不超过1~3滴/min。

(4)击溅试验。移除试样上透明塑料板, 依次开展降雨强度为10滴/min、25滴/min、50滴/min、100滴/min、150滴/min的溅蚀试验(图2(c)), 降雨总历时60 min, 分别间隔2 min、2 min、3 min、3 min、5 min、5 min、5 min、5 min、10 min、10 min、10 min 进行数据观测。

(5)记录试验现象和观测数据。

2 试验结果与分析
2.1 雨滴溅蚀试验结果

依次测试不同降雨强度和不同降雨历时条件下, 原状黄土侵蚀深度Δ h、侵蚀破坏直径D0、侵蚀扩散直径D的变化, 测试结果见表1。根据表1可绘制不同雨强作用产生的原状黄土侵蚀随降雨历时的分布规律如图3所示。

表1 原状黄土雨滴侵蚀试验结果 Tab.1 Raindrop splash erosion test results of undisturbed loess

图3 不同降雨强度作用产生的原状黄土侵蚀随降雨历时的分布规律Fig.3 Distribution rules of undisturbed loess erosion with rainfall duration under different rainfall intensities

侵蚀深度Δ h、侵蚀破坏直径D0、侵蚀扩散直径D均随降雨历时t增加而逐渐增大, 近似呈幂函数型发展; 侵蚀深度Δ h随降雨历时t可分为3个阶段: 0~10 min 阶段, 侵蚀深度增长速率较大, 呈快速增长趋势, 此阶段为侵蚀变形主要增长阶段; 10~40 min 阶段, 侵蚀深度增长速率逐渐减缓, 侵蚀深度趋于稳定; 40~60 min阶段, 侵蚀深度达到最大值并达到稳定状态。降雨历时大于10 min以后试样的侵蚀破坏直径D0和侵蚀扩散直径D基本趋于稳定状态。

图4、图5和图6分别为10滴/min、50滴/min、100滴/min降雨强度下原状黄土侵蚀随降雨历时变化过程。由此可知, 在雨滴的连续击打作用下, 试样表面逐渐形成一近似圆形的溅蚀坑, 溅蚀坑由小变大, 雨滴击溅侵蚀发展过程可描述为3个阶段: 侵蚀初期(0~10 min), 试样表层土体含水率相对较小, 下落雨滴迅速被试样表面所吸收, 表层土体开始由非饱和向饱和状态发展, 雨滴对土体的溅蚀作用明显, 形成的溅蚀坑深度增加迅速; 侵蚀中期(10~40 min), 试样表层土体含水率渐进饱和, 在溅蚀坑内出现薄层积水, 水、土颗粒同时被溅出, 导致雨滴对土体的击打作用被削弱, 侵蚀速率逐渐降低; 侵蚀后期(40~60 min), 试样溅蚀坑周围土体接近饱和, 土体因渗水作用减弱引起溅蚀坑内积水加剧, 侵蚀深度变化不明显。

图4 降雨强度10滴/min作用产生的原状黄土侵蚀随降雨历时变化过程Fig.4 The change process of undisturbed loess erosion with rainfall duration under the rainfall intensity of 10 drops/min

图5 降雨强度50滴/min作用产生的原状黄土侵蚀随降雨历时变化过程Fig.5 The change process of undisturbed loess erosion with rainfall duration under the rainfall intensity of 50 drops/min

图6 降雨强度100滴/min作用产生的原状黄土侵蚀随降雨历时变化过程Fig.6 The change process of undisturbed loess erosion with rainfall duration under the rainfall intensity of 100 drops/min

2.2 溅蚀坑侵蚀深度随雨强的变化规律

从图3可知, 试样溅蚀坑深度随降雨强度增大而增大, 且0~10 min阶段侵蚀深度占比也显著增加, 雨强为150滴/min条件下其占比达到81%以上。由图7、图8可知: 随着降雨强度增大, 试样侵蚀深度显著增大, 通过拟合分析可知, 侵蚀深度与降雨强度的关系符合线性增长趋势; 不同降雨强度条件下试样侵蚀深度试验值分别为9 mm、10 mm、13 mm、15 mm、21 mm, 以降雨强度10滴/min为参照, 降低雨强度在25滴/min、50滴/min、100滴/min、150滴/min条件下的侵蚀深度依次约为雨强10滴/min的1.1倍、1.4倍、1.7倍、2.3倍。

图7 历时t=60min时原状黄土侵蚀深度随降雨强度的变化规律Fig.7 Variation rules of undisturbed loess erosion depth with rainfall intensity under rainfall duration t=60 min

图8 历时t=60 min时不同降雨强度下原状黄土侵蚀情况比较Fig.8 Comparison of undisturbed loess erosion caused by different rainfall intensity under rainfall duration t=60 min

2.3 溅蚀面上侵蚀范围随雨强的变化规律

由图9可知: 雨滴侵蚀扩散直径D(土颗粒向四周迸溅范围)与侵蚀破坏直径D0(溅蚀坑直径)随降雨强度增加基本呈单调递增趋势; 以侵蚀破坏直径D0为参照, 不同雨强雨滴溅蚀作用侵蚀扩散直径D与侵蚀破坏直径D0的比值依次为3.21、3.54、3.55、2.95、2.71, 大雨强对应的D/D0值较中小雨强对应的D/D0值小, 且D/D0值范围约为2.71~ 3.55。同时, 降雨强度100滴/min 作用产生的侵蚀扩散直径D值相较于雨强25滴/min和50滴/min 作用产生的侵蚀扩散直径D值小, 原因可能有: ①原状黄土取样过程中的随机性使得试样之间存在的微小差异(初始含水量、密实程度、孔隙分布等), 进而引起试验结果产生误差; ②降雨强度100滴/min作用下, 在试样溅蚀坑内出现明显薄层积水, 导致雨滴对土粒的击打作用被削弱, 故在溅蚀面上的土粒侵蚀扩散范围有所减小。

图9 不同降雨强度下原状黄土横向侵蚀变化规律Fig.9 Lateral erosion variation rules of undisturbed loess caused by different rainfall intensities

3 结论与建议

(1)雨滴连续击打作用下在原状黄土表面逐渐形成一近似圆形的溅蚀坑, 溅蚀坑由浅变深、由小变大; 侵蚀深度随降雨历时演变过程可分为3个阶段: 0~10 min为快速增长阶段, 表层土体受降雨作用增湿软化, 侵蚀深度呈快速增加趋势; 10~40 min 为缓慢增长阶段, 表层土体含水率渐进饱和, 溅蚀坑内出现薄层积水, 溅蚀速率减缓, 侵蚀深度呈缓慢增加趋势; 40~60 min为稳定发展阶段, 溅蚀坑周围土体含水率接近饱和, 坑内积水现象加剧, 侵蚀深度呈稳定趋势。

(2)侵蚀深度、侵蚀破坏直径、侵蚀扩散直径均随降雨历时呈幂函数型增长趋势: 0~10 min为侵蚀变形主要增长阶段, 降雨强度越大, 土壤侵蚀作用越显著, 0~10 min阶段的侵蚀深度占总侵蚀深度比例可达81%以上; 降雨历时约10 min后, 溅蚀面上横向侵蚀范围基本趋于稳定状态, 侵蚀深度、侵蚀破坏直径、侵蚀扩散直径均随降雨强度呈正相关, 且侵蚀扩散直径D约为侵蚀破坏直径D0的2.71~3.55倍。

(3)强降雨是诱发延安丘陵区黄土边坡发生侵蚀灾害和水土流失的重要影响因素, 建议通过坡面植绿、加筋和防排水等防护措施, 增强坡面抗侵蚀能力, 降低黄土边坡浅层水蚀灾害发生。

(4)本研究主要对微黄土单元在不同雨滴频率下的溅蚀演变过程进行模拟分析, 但土壤侵蚀受降雨强度、降雨历时、降雨频率、土质性状等诸多因素影响, 仍需进一步探明黄土降雨侵蚀演变规律及其敏感性因素。

(责任编辑: 刘丹, 王晗)

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