西南喀斯特地區不同巖面形態下巖面徑流特征

吳瑤琴, 蔣超華, 徐勤學, 方榮杰, 付智勇, 陳洪松

(1.桂林理工大學 巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心, 廣西 桂林 541004;2.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室科教結合科技創新基地, 廣西 桂林 541004;3.廣西珠委南寧勘測設計院, 南寧 530007; 4.中國科學院 環江喀斯特生態系統觀測研究站, 廣西 環江 547100)

中國西南喀斯特地區是世界上最大的喀斯特連續帶,也是世界石漠化災害最嚴重的地區,石漠化嚴重危害該地區的生態環境和經濟可持續發展[1]。石漠化最顯著的景觀特征是裸露在地表之上的巖石,裸露巖石與土壤間隔分布,除了會形成復雜多變的微地貌單元景觀外[2],還會造成降水的再分配,從而影響喀斯特坡地的產流過程[3],是影響喀斯特降雨產流的重要因素[4]。

巖石對坡面水土流失的影響是多方面且復雜的。在非喀斯特地區有研究表明,巖石能夠增大地表粗糙度,使得徑流流速放緩,從而入滲量增加[5-6]。Niu等[7]通過沖刷試驗發現,隨著裸巖率的增加,徑流量顯著減小。在喀斯特地區相關研究表明,裸露的巖石會使得坡面不透水面積增加,阻止了水分的入滲,從而增加了地表徑流[8]。 Dai等[9]通過室內人工模擬降雨試驗研究發現,隨著巖石裸露率的增加,地表產流量顯著增加。此外,巖石的傾角條件和裸露方式也會對坡面水土流失有重要影響[10-11]。如Gan等[12]采用室內模擬降雨試驗研究發現,巖石傾角越大地表徑流量越小;樊春華等[13]研究發現,當巖石覆蓋在土壤表面可以減少地表徑流的產生,而當巖石嵌入土壤則會增加地表徑流的產生。另一方面,由于可溶性巖石的構造及長期的溶蝕作用使得出露巖石表面形成了多種不同的巖溶形態,如溶穴及溶蝕裂隙等,主要分布在降雨量較高的地區;或受腐殖質土產生的生物CO2及有機酸影響,形成溶盤等,主要分布于較濕潤的環境[14];光滑形態的巖面則未受到明顯溶蝕作用,巖石表面相對較為光滑。巖面形態的不同導致巖面對降水的再分配有所不同,對喀斯特坡面產流也會產生不同的影響。盡管目前的研究已經從多個角度探索了出露巖石對喀斯特坡地水土流失的影響,但關于不同巖面形態對產流特征的影響研究還較少。

目前,裸露巖石對喀斯特坡地水土流失影響的研究多采用人工模擬降雨或沖刷等方式[10,15],與復雜的自然降雨過程具有一定差異,缺少自然降雨觀測資料的補充和驗證。因此,本文基于野外徑流小區原位觀測試驗,對自然降雨條件下,4種巖面形態(光滑、裂隙、溶穴和溶盤)的巖面流產流特征進行研究,對比不同降雨事件下,4種巖石的產流量及產流過程差異,以期為深入了解巖面形態對喀斯特坡面土壤侵蝕的影響機制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區桂林市靈川縣海洋鄉枇杷塘村(25°17′32″N,110°33′42″E),為典型的喀斯特峰叢洼地地貌。研究區地處亞熱帶季風氣候區,多年平均氣溫17.5℃,多年平均降雨量為1 645 mm左右,降雨集中在4—9月份,10月到次年的3月雨水相對較少。研究區土壤為黑色石灰土或棕色石灰土,呈微酸性到微堿性,土壤含量較少,裸巖成片出露,出露地層為上泥盆統東村組(D3d)灰巖或夾白云巖,裸露率高達70%以上。

1.2 研究方法

通過野外實地調查,在研究區選取4塊具有典型巖面形態的巖石,分別為:光滑巖面形態、裂隙巖面形態、溶穴巖面形態與溶盤巖面形態,共建立了4個徑流小區并在雨季進行監測,各徑流小區的基本情況如表1,圖1所示。采用自主研發的巖面徑流收集裝置,在裸巖靠近巖土界面的部位,保持4°～6°的坡度砌筑條狀水泥,將L型聚氯乙烯條平行地插入條狀水泥中,并在巖石最低處預留出口埋設PVC管,將PVC管與雙翻斗流量計連接(每100 ml計數一次),自動記錄每場降雨下,各巖石的產流量、產流時間以及斷流時間。為方便統計分析,用巖石徑流深R(mm)表示單位面積下的巖石徑流量[16],公式如下:

圖1 光滑巖面、裂隙巖面、溶穴巖面和溶盤巖面布設圖

表1 巖石基本情況Table 1 Basic rock conditions

R=W/1000F

(1)

式中:W為徑流總量(ml);F為巖石投影面積(m2)。

1.3 自然降雨觀測

自然降雨觀測時間為2018年的雨季(4—9月),采用Onset公司生產的自記式雨量桶(RG-3M)監測降雨過程,獲得次降雨的起止時間、降雨歷時(T)、降雨量(P)、平均雨強(I平)、最大30 min雨強(I30)等降雨參數。降雨過程中按6 h為最小降雨間隙劃分降雨事件[17],并參考降雨量等級劃分國家標準(表2)。

表2 降雨等級劃分標準Table 2 Rainfall grading standards

1.4 數據處理

野外自然監測中,由于各巖石的形狀不規則,因此將已知實際尺寸的參照物放置于巖石表面,使用相機垂直對巖石進行拍攝,所得照片經ImageJ軟件處理后計算各巖石投影面積。采用Excel 2016和SPSS 26.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素(one-way ANOVA)進行方差分析,用LSD(least signification difference test,LSD)進行樣本間差異顯著性分析(p<0.05)。利用Origin 2021軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 觀測期內自然降雨特征

由表3可知,本次野外共監測到有效降雨36場,總降雨量為574.8 mm,單次最小降雨量為1.2 mm,最大降雨量為96.0 mm。小雨降雨次數最多,共發生14次,占總降雨次數的38.9%,但僅占總降雨量的5.9%;暴雨和大暴雨降雨次數最少,共發生4次,僅占總降雨次數的11.2%,降雨量為258.8 mm,占總降雨量的45.0%。同時可看出,I平在小雨事件下最小,并隨著降雨等級的增大而增大,而I30表現為小雨<中雨<暴雨<大雨<大暴雨。

表3 各降雨事件次降雨特征Table 3 Rainfall characteristics of each rainfall event

2.2 不同巖面形態下的巖面徑流系數

由圖2可知,觀測期內不同巖面形態徑流系數從大到小依次為:光滑(0.74)>溶盤(0.57)>溶穴(0.35)>裂隙(0.19)。光滑巖面的平均徑流系數顯著高于其他巖面,分別為裂隙、溶穴和溶盤巖面徑流系數的3.89,2.11,1.30倍。4種巖面形態中,溶盤巖面的徑流系數分布更為廣泛,其四分位數區間為0.42～0.74,說明次降雨條件下,溶盤巖面的徑流系數波動更大。裂隙巖面的徑流系數分布最為集中,其四分位數集中在0.16～0.25的狹小區間內,說明次降雨條件下,裂隙巖面的徑流系數變化幅度更小。光滑和溶穴巖面的上下四分位數間距大小類似,分別為0.70～0.88,0.29～0.45。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.3 不同降雨事件下巖面形態的產流過程

由圖3可知,隨著降雨等級的增大,不同巖面形態的徑流系數均呈增加趨勢。4種巖面形態中,溶穴巖面的徑流系數隨降雨等級增加的變化幅度最大,徑流系數從0.24(小雨)增加到0.45(大暴雨),增加了87.5%;光滑巖面的徑流系數隨降雨等級增加的變化幅度最小,徑流系數從0.70(小雨)增加到0.91(大暴雨),增加了30.0%。隨著降雨等級的增加,4種巖面形態的徑流系數差異更明顯。在小雨事件下,裂隙和溶穴巖面的徑流系數差異不顯著;在中雨事件下,光滑和溶盤巖面的徑流系數,差異也未達到顯著水平;而在大雨及以上的降雨事件下,4種巖面形態的徑流系數存在顯著差異。

注：同組不同小寫字母表示相同降雨事件下不同巖面形態徑流系數差異顯著(p<0.05)。

各選取中雨、大雨、暴雨和大暴雨下的1場典型降雨事件,觀察4種巖面形態在不同降雨事件下的徑流過程。由圖4可知,不同降雨事件下初始產流時間均表現為光滑<溶盤<溶穴<裂隙。在降雨初期,光滑巖面迅速產流,對降雨的產流響應速度最快,而裂隙巖面的產流時間明顯滯后于其余3種巖面形態;在降雨后期,隨著降雨量的減少,降雨難以在裂隙和溶穴巖面匯集成有效的徑流,這2種巖面形態均快速斷流,其中裂隙巖面斷流時間最早。不同巖面形態徑流變化過程同降雨過程有很好的相應性,隨降雨量變化波動。在次降雨初期,光滑與溶盤巖面產流量之間的差距不明顯,而當降雨量增加幅度劇烈時,光滑巖面形態的產流量增加幅度明顯大于溶盤巖面,隨著降雨量的增加二者產流量之間的差距增大。

圖4 典型降雨產流過程

2.4 巖面產流與次降雨特征的相關性分析

由表4可知,不同降雨事件下,4種巖面形態的徑流深與降雨量均呈正相關關系。在小雨事件下,4種巖面形態的徑流深與降雨量均呈顯著正相關關系,且光滑和裂隙巖面的徑流深與降雨量的相關性較高,呈極顯著正相關關系,同時溶盤巖面的徑流深與I平亦呈顯著正相關關系;在中雨事件下,光滑和裂隙巖面的徑流深與降雨歷時和降雨量均呈顯著正相關關系;在大雨事件下,光滑、溶穴和溶盤徑流深均與降雨歷時和降雨量呈正相關關系,其中光滑和溶盤巖面的徑流深與降雨量的相關系數更高,而溶穴巖面的徑流深與降雨歷時的相關性系數更高;在暴雨和大暴雨事件下,光滑、溶穴和溶盤巖面形態的徑流深與降雨量呈極顯著正相關關系,而裂隙巖面的徑流深與各降雨特征均無顯著相關關系。

表4 不同巖面形態的徑流深與降雨特征的相關性分析Table 4 Correlation analysis of runoff depth and rainfall characteristics of different rock surface forms

本文采用逐步回歸分析的方法,分析不同巖面形態的徑流深(R)與降雨歷時(T)、降雨量(P)、平均雨強(I)及最大30 min雨強(I30)之間的關系。如表5所示,4種巖面形態回歸方程的R2均在0.870以上,說明徑流深與降雨量的回歸擬合較為理想。4種巖面形態的徑流深與降雨量均呈極顯著相關關系,說明降雨量是影響巖面徑流深的主要降雨因子,其中不同巖面形態的徑流深與降雨量的相關性大小為光滑>溶盤>溶穴>裂隙。對4種巖面形態的徑流深與降雨量回歸方程進行計算,得出光滑、裂隙、溶穴和溶盤巖面產流的臨界降雨量分別為1.5,1.8,1.0,1.1 mm,臨界降雨量表現為裂隙>光滑>溶盤>溶穴。4種巖面形態的巖石產流量回歸擬合過程中,經過自檢剔除了降雨歷時和降雨強度,表明降雨因子之間存在自相關性或巖石徑流深與降雨歷時和降雨強度之間并無直接的線性關系。

表5 徑流深與降雨因子的回歸方程Table 5 Regression equation of runoff depth and rainfall factor

3 討 論

本文結果顯示,不同巖面形態平均徑流系數為0.466,即巖石能接收約46.6%的降水轉化為巖面流。相關研究表明,在裸巖覆蓋率高的坡面,地表巖石能接收大部分降雨并多轉化為巖面流,進而顯著影響巖石附近土壤水分的空間異質性[18]。主要原因是地表裸露的巖石能與土壤形成巖石—土壤界面優先通道,巖面產生的徑流能短距離輸出,從而很快入滲到土壤中。Sohrt等[19]通過亮藍染色示蹤試驗對巖—土界面優先流的研究結果表明,沿巖石—土壤界面的徑流入滲速度更快,滲透深度更大?？λ固仄碌赝翆訙\薄缺乏C層,到達地表的降水,絕大部分進入土壤層后,經裂隙、管道等進入地下河網,故喀斯特地區雖然降雨充沛,但是地表徑流少,工程性缺水嚴重。彭韜等[20]通過對喀斯特坡地野外自然降雨定點監測得出,地表徑流系數非常小為0.01%～12.81%;陳洪松等[21]在喀斯特峰叢洼地徑流小區得到類似的研究結論,不同土地利用方式下坡面次降雨徑流系數<5%。地表裸露的巖石能匯集降雨形成巖面流,也是喀斯特坡地的主要產流面之一[22]。本研究中,巖石能接收約46.6%的降水轉化為巖面流,巖石降水—徑流轉換系數明顯大于喀斯特坡地,巖面產流量較多。因此,在喀斯特部分地區可以考慮將巖面流作為一種新的產流水資源加以收集利用,這對解決喀斯特地區坡耕地農水灌溉的問題有重要意義。

巖面形態能顯著影響巖面產流能力,不同降雨事件下,巖面徑流系數均表現為光滑>溶盤>溶穴>裂隙,其中光滑和溶盤巖面的徑流系數顯著大于裂隙和溶穴形態。出現此差異的根本原因在于巖溶通道發育,無巖溶通道發育的巖面產流方式類似于弱透水面上的產流,絕大部分降水都形成了徑流,而有巖溶通道的巖面產流是降水、下滲、蒸發等過程綜合作用的結果,降雨可經裂隙、溶穴等巖溶通道流入地下[23],從而減少了單位面積的徑流量。彭旭東等[15]的研究也表明,在喀斯特地區裂隙的發育程度對地表、地下產流有較大的影響,即地表徑流系數隨著裂隙度增加而減少,但地下徑流系數卻會增大。此外,光滑巖面的徑流系數顯著大于溶盤巖面,這主要是因為溶盤巖面具有獨特的儲水構造,在巖面產生的徑流大多匯聚于此,待巖面儲水空間蓄滿降水后才會發生產流。而溶穴巖面的徑流系數顯著大于裂隙巖面,一方面是因為巖面裂隙、溶穴發育程度不同,降雨隨裂隙、溶穴的入滲量也不同;另一方面是因為溶穴巖石表面只有較少的孔穴發育,降水只能通過固定的孔穴漏失進入土壤,而裂隙巖石表面分布著許多交錯的裂隙紋理,使得裂隙巖石表面徑流路徑更不連續,降水更易被截流,從而導致產流出現差異性。在筆者團隊的巖面形態對喀斯特坡面產流產沙的研究中,溶穴的地表徑流系數大于光滑,但本研究中溶穴的巖面徑流系數小于光滑,造成該差異的主要原因是溶穴的部分巖面徑流形成后,通過溶穴這一優先通道直接進入地下,在巖面所接收到的巖面徑流則有所減少。但另一研究中巖面徑流通過溶穴進入地下,加快了試驗土槽下部土壤水分的飽和,更快形成地表徑流,因此溶穴的地表徑流系數更高。

本研究發現,不同降雨事件下初始產流時間均表現為光滑<溶盤<溶穴<裂隙。裂隙的初始產流時間明顯小于其余3種巖面形態,這主要是因為,在降雨初期降雨量還較小,裂隙巖面上方匯集的徑流也較少,且絕大部分從裂隙漏失,只有當降雨量較大時,巖面上的徑流才有機會越過裂隙,在巖面出口被收集。裂隙的漏失能力不僅與裂隙大小有關,還與裂隙中土壤的滲透能力有關,裂隙較小或者土壤的滲透能力較差都會減弱裂隙對徑流的漏失能力。光滑巖面由于無漏失路徑,降雨大部分都匯集成徑流在巖面出口被收集,溶盤巖面雖然也無漏失路徑,由于特殊的儲水構造,所以產流還受前期降雨的影響,在前期無降雨時,產流較晚。

降雨是產生徑流的先決條件,降雨量、雨強、降雨歷時等特征參數的不同,其對坡面徑流的影響也不同[24]。本文研究巖面的徑流深與降雨因子的相關性結果表明,不同降雨事件下巖面形態的徑流深與降雨量呈極顯著相關關系,而與雨強和降雨歷時的相關性較弱。這表明在自然降雨條件下,次降雨量較雨強對產流的影響更明顯,徑流量隨著降雨量的增加而增加。王慶賀等[16]對云南喀斯特露石徑流的研究表明,在一定降雨范圍內,露石承接降雨量與露石徑流量間存在極顯著的正相關關系,這與本研究結果相似。受喀斯特獨特的超滲—蓄滿產流機制的影響,當降雨強度和降雨量都滿足時,才會產生地表徑流[25]。因此,許多學者研究表明[26-27],雨強也是影響坡面產流的主要因素。但是本文研究對象為喀斯特裸露巖石,其本身為弱透水面,降雨強度對巖面降水入滲能力的影響較小,故雨強不是影響各巖面徑流深的主要因素。有相關研究表明[28-29],對于同樣為弱透水面的道路,雨強與道路產流率的相關性較低,而降雨量能顯著影響道路產流率,這與本文研究結果相似。

最后,由于本試驗僅在雨季進行,觀測時間較短,為更好地研究不同巖面形態的產流特征,在未來,還需進行長期野外觀測。同時,本研究中僅研究了不同巖面形態的產流特征,今后可擴展研究不同巖面形態對喀斯特坡地產流產沙的影響,為進一步認識喀斯特坡地水土流失過程與機理提供依據。

4 結 論

(1) 研究區2018年雨季降雨總量為574.8 mm,小雨是發生頻次最高的降雨事件,但巖面產流總量最少,而大暴雨雖然發生頻次低,但單場降雨對巖面的產流量影響最大。

(2) 巖面形態能顯著影響裸露巖石的產流能力,巖面徑流系數表現為光滑(0.74)>溶盤(0.57)>溶穴(0.35)>裂隙(0.19)。裸露巖石能接收約46.6%的降水轉化為巖面流,巖面流在部分地區可以考慮作為一種新的產流水資源加以收集利用,這對解決喀斯特地區坡耕地農水灌溉的問題有重要意義。

(3) 隨著降雨等級的增大,不同巖面徑流系數均呈增加趨勢,溶穴巖面徑流系數隨降雨等級增加的變化幅度最大,光滑巖面徑流系數增加的變化幅度最小。

(4) 不同降雨事件下,降雨量對巖面徑流深的影響較降雨強度和降雨歷時更明顯。光滑、裂隙、溶穴和溶盤巖面產流的臨界降雨量分別為1.5,1.8,1.0,1.1 mm,臨界降雨量之間的差距較小。