崩崗不同土層滲透差異研究范文

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《水土保持研究雜志》2014年第三期

1材料與方法

1．1研究區(qū)概況研究區(qū)位于福建省安溪縣，該縣崩崗數(shù)量12828個(gè)，占全省崩崗總數(shù)的49．28％，是南方崩崗侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，具有較好的代表性。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫16～22℃，年均降雨量1600～2000mm，降雨的季節(jié)分配不均勻，每年的3—6月份為梅雨季節(jié)，7—9月份受臺(tái)風(fēng)影響大，暴雨增多。本研究選取安溪縣龍門鎮(zhèn)洋坑村活動(dòng)型崩崗為研究對(duì)象［10］，該崩崗從上到下紅土層、砂土層和碎屑層發(fā)育完整，以長(zhǎng)石類礦物為主，其次是石英和云母，土體屬于花崗巖類，整個(gè)崩壁高度為32．5m。

1．2野外選點(diǎn)及土壤樣品的采集在典型崩崗上選取近11m的崩壁進(jìn)行采樣，共采集22層土樣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。由于紅土層滲透過程較為復(fù)雜［8－10］，所以對(duì)紅土層加密取樣，砂土層和碎屑層采取等間距取樣，具體采樣方法見表1。土樣采集和分析都在2013年8月進(jìn)行。

1．3土體滲透特性的測(cè)定采用“環(huán)刀法”測(cè)定土樣滲透特性［13］，將環(huán)刀采回的土樣進(jìn)行從上到下預(yù)飽和處理。為提高實(shí)驗(yàn)精確度，在環(huán)刀下面放置電子天平，下滲水量直接用電子天平稱重，通過重量與體積換算得到下滲水的體積。從滴下第一滴水開始計(jì)時(shí)，前兩分鐘每隔30s記一次重量，然后每隔1min記錄一次，到30min后每隔2min記錄一次，60min后每隔5min記錄一次，至滲透達(dá)到穩(wěn)定入滲為止。

1．4土壤理化性質(zhì)的測(cè)定和相關(guān)指標(biāo)的確定方法（1）土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法。土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法［14］；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀消煮法［14］，＞0．25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用干篩法和濕篩法［15］。土壤質(zhì)地分析方法：＞0．25mm粒徑的土粒采用篩分法［14］，＜0．25mm粒徑的土粒采用粒度儀分析，設(shè)備為丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT－9300ST激光粒度分布儀。

2結(jié)果與分析

2．1崩崗?fù)馏w滲透特性

2．1．1崩崗?fù)馏w不同土層滲透穩(wěn)定過程滲透是水分在重力作用下的垂直運(yùn)移，土壤滲透特性是影響其水分運(yùn)動(dòng)和抗蝕性能的重要指標(biāo)。圖1—3分別是紅土層、砂土層和碎屑層土體的滲透速率和時(shí)間的關(guān)系趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，除表層0．1m土層外，崩崗?fù)馏w整體滲透性能較差。從圖中可以看出，紅土層（0～1．8m）滲透速率波動(dòng)相對(duì)較大，在10～15min滲透速率相對(duì)穩(wěn)定，其次為碎屑層（6．8～10．8m），在5～10min滲透速率相對(duì)穩(wěn)定，砂土層的滲透過程最為平緩，且紅土層的穩(wěn)定滲透速率要大于砂土層和碎屑層。袁東海等［17］對(duì)鄂東南紅壤水分?jǐn)U散和入滲的研究也表明表土層的水分入滲要大于心土層和底土層，這說(shuō)明紅土層的蓄水空間要大于砂土層和碎屑層，也更容易吸水達(dá)到重量極限而產(chǎn)生崩塌。

2．1．2崩崗垂直剖面飽和導(dǎo)水率KS變化規(guī)律飽和導(dǎo)水率KS是土壤孔隙全部充滿水，在單位梯度作用下，垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量［18］，飽和導(dǎo)水率KS在數(shù)值上等同于土壤在飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定滲透系數(shù)。崩壁是崩崗的重要組成部分，其飽和導(dǎo)水率KS變化直接影響崩壁的崩塌。圖4是崩壁垂直剖面飽和導(dǎo)水率KS隨土層深度的變化特征，可以看出，表層0．1m土層KS較大，為1．2mm／min，KS在0．2m處陡然降低到0．43mm／min，降低了64．17％，在0．3～1．2m土層，KS的值非常低，基本在0．10mm／min上下，到砂土層KS稍微增大，但明顯小于紅土0．1m處的飽和導(dǎo)水率，到碎屑層基本維持在0．5mm／min以下。從整個(gè)剖面來(lái)看個(gè)別點(diǎn)稍微異常，如7．8m處KS達(dá)到0．76mm／min，可能是因?yàn)榇箢w粒含量較大，石礫和砂礫含量達(dá)到了87．13％，也可能是個(gè)別土層微節(jié)理的存在，導(dǎo)致其飽和導(dǎo)水率偏大。從崩壁土體飽和導(dǎo)水率KS的變化情況可以得出，表土層0．1m處入滲性能較好，但在0．1m表層以下，尤其是在20—40cm土層，土體滲透性能較差，飽和導(dǎo)水率KS維持在較低水平，所以這一層為弱透水層。弱透水層是指透水性相當(dāng)差的巖層，沒有具體的量化指標(biāo)，是一個(gè)相對(duì)的概念［19］。水分進(jìn)入弱透水層，很難向下入滲。弱透水層的存在可能是因?yàn)橥馏w容重較大，水分難以下滲，加之弱透水層上部的土體在雨滴打擊下，致使土體分散，細(xì)顆粒隨水流向下入滲，堵塞水分進(jìn)入土壤的通道。弱透水層向下，土體入滲能力增強(qiáng)，然后降低，最后逐漸趨于平緩。

2．1．3崩崗垂直剖面飽和導(dǎo)水率KS對(duì)崩壁崩塌的影響在一定的降雨入滲條件下，表層水分滲透性能優(yōu)于弱透水層，導(dǎo)致表層土體不斷遭到?jīng)_刷剝蝕，隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，水分由不透水層向下入滲進(jìn)入砂土層，由于砂土層的飽和導(dǎo)水率KS大于弱透水層和碎屑層，所以水分由砂土層向碎屑層縱向運(yùn)移受阻，開始側(cè)向運(yùn)移，產(chǎn)生側(cè)向的應(yīng)力，這樣在弱透水層和碎屑層之間，形成了潛在的崩塌體。一旦側(cè)向應(yīng)力大于土體的抗剪強(qiáng)度，潛在崩塌體就會(huì)沿著斷裂面產(chǎn)生崩塌。此時(shí)，崩塌體上部的弱透水層形成臨空面，在持續(xù)小型降雨條件下，臨空面不斷吸水增重，導(dǎo)致土體質(zhì)量增大，如果超過土體承載極限，就會(huì)發(fā)生坍塌。林敬蘭等［10］在研究崩崗的滲透特性時(shí)指出，砂土層的位置可能存在弱透水層，阮伏水［20］在崩崗溝侵蝕機(jī)理探討時(shí)認(rèn)為抗侵蝕能力較弱的砂土層是導(dǎo)致花崗巖崩崗侵蝕特別嚴(yán)重的重要原因，通過對(duì)崩壁垂直剖面密集采樣，得出崩崗的發(fā)生發(fā)展是因?yàn)槿跬杆畬雍蛙浫跎巴翆哟嬖诘木壒省Ｔ诒韺?．1m以下的紅土層存在弱透水層，弱透水層的存在使水分向下運(yùn)移的通道被堵，在大暴雨情況下，降雨量大于水分滲透速率，地表徑流增大，表土很容易被沖刷，崩崗侵蝕的概率增大。加上軟弱砂土層的存在，在梅雨期間夾雜高強(qiáng)度的暴雨，更容易發(fā)生崩崗侵蝕危害。

2．2崩壁土體滲透影響因素研究滲透是水分進(jìn)入土壤的初級(jí)過程，土壤理化性質(zhì)對(duì)其具有重要影響。選取容重、有機(jī)質(zhì)含量、分形維數(shù)、＞0．25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、水穩(wěn)系數(shù)、石礫含量、砂礫含量、粉粒含量、黏粒含量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度為指標(biāo)對(duì)滲透影響因素進(jìn)行研究，各指標(biāo)土體性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)特征值見表2。將容重、有機(jī)質(zhì)、分形維數(shù)、＞0．25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、水穩(wěn)系數(shù)、石礫、砂礫、粉粒、黏粒、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別設(shè)為X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，穩(wěn)定滲透系數(shù)為Y，考慮到紅土層弱透水層占整個(gè)紅土層層次的2／3和其特殊性，在分析不同土層滲透影響因素時(shí)，紅土層分析弱透水層0．2～1．2m、砂土層2．3～5．8m、碎屑層6．8～10．8m，通過對(duì)不同土壤指標(biāo)因子和穩(wěn)定滲透系數(shù)進(jìn)行逐步回歸分析，定量研究各因子對(duì)崩崗滲透性能影響的相對(duì)重要性。進(jìn)行回歸方程分析時(shí)，采用回歸系數(shù)的調(diào)整系數(shù)R2adj和回歸方程每增加一個(gè)因素時(shí)回歸系數(shù)的改變量R2C為判定各因子對(duì)滲透性能影響程度的指標(biāo)。通過對(duì)弱透水層、砂土層和碎屑層滲透影響因素和飽和導(dǎo)水率KS進(jìn)行回歸分析，三個(gè)層次的回歸模型分別為：表4是各因子進(jìn)入回歸方程時(shí)，R2adj和R2C的統(tǒng)計(jì)值。可以看出弱透水層最先進(jìn)入回歸方程的是容重，能解釋弱透水層滲透影響因素的68．9％，然后是分形維數(shù)和非毛管孔隙度，分別解釋了影響因素的28．6％和2．4％。說(shuō)明弱透水層的存在可能是因?yàn)槿葜剌^大，土壤質(zhì)地比較緊實(shí)，導(dǎo)致水分下滲的通道被堵塞。砂土層進(jìn)入回歸方程的因子是黏粒，能解釋該層滲透影響因素的66．3％，適當(dāng)?shù)酿ち：坑兄谕寥缊F(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好的土壤，相應(yīng)的土壤孔隙增大，水分運(yùn)動(dòng)的通道增加，導(dǎo)水率提高，滲透性能增加。而崩崗砂土層的黏粒含量較少，有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚缺乏，滲透性能較差。碎屑層進(jìn)入回歸方程的因子依次為分形維數(shù)、黏粒含量和容重，而分形維數(shù)能解釋該入滲影響因素的99．1％，黏粒含量和容重只有6．0％。分形維數(shù)反映了土壤質(zhì)地情況，和黏粒含量密切相關(guān)［21］，崩崗碎屑層［22］土壤花崗巖原生構(gòu)造，以石礫和砂礫含量為主，抗沖、抗蝕性能非常低。

3結(jié)論

對(duì)崩壁土體的滲透性能研究表明：總體上崩壁土體滲透性能較差，且紅土層滲透性能優(yōu)于砂土層和碎屑層，在表層0．1m以下存在弱透水層，弱透水層的厚度大約1m。分別對(duì)影響弱透水層、砂土層和碎屑層滲透的主要因子進(jìn)行回歸分析，三個(gè)土層主要滲透影響因子不同，且同一因子對(duì)不同土層的影響程度也存在差異。影響弱透水層滲透的主要因子是容重和土壤顆粒分布情況，二者能解釋擬合回歸方程的97．6％，影響砂土層滲透的主要因子是黏粒含量，能解釋擬合回歸方程的66．3％，影響碎屑層滲透的主要因子是顆粒分布情況，能解釋擬合回歸方程的99．4％。本研究選取完整的崩壁垂直剖面對(duì)不同土層的滲透特征和影響滲透的因素進(jìn)行研究，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)崩壁土體的水分特征提供了一定參考。但在崩崗剖面水分的分布和運(yùn)移規(guī)律方面，有待進(jìn)一步探討。

作者：張燕黃炎和林金石葛宏力蔣芳市朱高立林超鵬單位：福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院