土壤侵蚀:流体和颗粒物的故事

  所有材料无论多么坚硬,都难逃自然或人为条件下水与风的侵蚀。表层与深层水流引起的土壤侵蚀问题,能够通过河堤和大坝阻挡水渗透和水流而得到缓解。本文提出了不同的侵蚀机制,介绍了土壤抵御侵蚀的特征以及控制侵蚀的调控原则。本文的讨论基于实际发生的侵蚀、实验室与原位实验以及数值模拟。

1.土壤,空气和水的持久竞争

  水和风塑造了地貌景观。从大尺度上讲,水通过降水的形式到达地表,一定强度的降水是可以破坏土壤结构的,并通过地表径流造成水土流失。随后,通过大量沉积物的运移,汇成激流和河流,形成山谷景观;暴风雨造成海浪的反复冲击,改变了海岸线。狂风移动了沙丘,由此扬起的沙尘有时会在几千公里以外重新沉积。例如,撒哈拉沙漠的沙尘能够跨越大西洋。

环境百科全书-土壤侵蚀-土壤侵蚀穴
图1.沙拉布尔(Chalabre)大坝溢流(2020年1月,奥德省)造成了土壤侵蚀穴(erosion niche)[图片来源: P. Gastineau and A.Wautier]

  小尺度上,土壤侵蚀涉及到流体(空气或水)和颗粒物,土壤可以被看作由颗粒物组成的物质,这些颗粒之间存在着或多或少的相互作用(物质是如何形变的-流体和固体)。流体会对这些颗粒施加机械应力,强度足够大时就能够破坏土壤,造成土壤中的物质流失。

  堤岸和水坝使得人类能够越来越有效地控制水对环境的影响。通常人们以为它们是混凝土结构,但实际上大多由填充物即压实的土建造的。这些设施不仅保护我们免受洪水和暴风雨的侵袭,同时也能保障水源(饮用水或灌溉用水)和能源。如同所有的人类建筑一样并非坚不可摧,也会受到侵蚀的影响。本文从堤坝侵蚀的特定视角提出土壤侵蚀的问题(图1)。本文并非详尽无遗,因此没有涉及土地荒漠化或农业用地侵蚀等问题[1]。不过文章提出的土壤侵蚀机制不只限于堤坝,同时也适用于抵御侵蚀的其他研究及其限制策略。

2.堤坝侵蚀的不同模式

环境百科全书-土壤侵蚀-沙涌
图2.堤岸下游“沙涌”导致沙丘形成的例子(阿格利大坝,2013年3月)[图片来源: P. Mériaux]

  在堤坝设施结构层面,水流作用下的侵蚀主要分为两种类型。如果水流侵蚀了设施的可见部分,称为外部侵蚀。反之,如果水流侵蚀了设施的不可见部分或根基,则称为内部侵蚀[2]。应当注意的是“外部 “和 “内部 “这两个词是指设施结构本身而非材料,在下文中会继续讨论。在材料层面,侵蚀会发生在材料的表面或直接发生于其内部,取决于不同情况。

  据全球统计,内部和外部侵蚀分别造成了约50%和45%的溃坝[3]。然而,侵蚀发生的条件、演化速度,以及其对设施结构脆化的影响,仍需深入研究与探讨。尽管已有研究表明,大坝在短期溢流过程中不会溃坝,但在水库溢流失控的情况下,是无法通过大坝阻力计算来判断溃坝情况的。

  关于内部侵蚀,过去15年开展的研究工作提出了四种机制,并得到学界广泛认可[4],即逆向侵蚀(regressive erosion),管涌侵蚀(conduit erosion),接触侵蚀(contact erosion)和潜蚀(suffusion)。

  • 逆向侵蚀是指在流体出口处附近的物质或土壤被带走、侵蚀或移动的过程。这由垂直于土壤/水界面的地下的内部水流触发,表现为“沙涌”的出现(图2)。如果水流湍急,最接近地表的土壤颗粒就会被冲走,悬浊液从土壤中喷涌而出。随着流速减缓,颗粒重新沉积,通常会观察到类似微型火山锥形的小丘。若此过程持续一段时间,沉积的颗粒物将来自越来越远的区域,随着时间的推移,就会形成从下游到上游的侵蚀通道。
环境百科全书-土壤侵蚀-管涌侵蚀试验
图3. 管涌侵蚀试验的例子[图片来源:Hanson等。(2010)[6],美国农业部(USDA)农业研究服务部门授权]
  • 管涌侵蚀(或集中流侵蚀)是指原有侵蚀通道的扩张[5],如坑洞、裂隙、未压实或根分解后遗留的通道。流经通道的水在其边缘产生剪切力,如果流量足够大,可以将物质从通道表面冲刷出来。通道的直径会因此逐渐增大,使得越来越强的水流通过,该现象会一直持续直到遇到抗蚀性更强的物质或通道发生坍塌(图3)。
  • 接触侵蚀发生在细颗粒与粗颗粒土壤之间的界面上,包含水流平行于界面流动和从细颗粒流向粗颗粒土壤两种情形。当水流强度足够大时,如果土壤细颗粒小到能够挤入土壤的粗颗粒之间,细颗粒就会被侵蚀。如果不同大小的土壤颗粒层水平排列,接触侵蚀通常会导致其发生沉降(图4)。
环境百科全书-土壤侵蚀-侵蚀实验
图4.接触侵蚀随时间变化的实验室实验[7]
  • 潜蚀是对土壤中最小颗粒物选择性侵蚀。在土壤颗粒中(沙子:液体还是固体?),并非所有的颗粒都以相同的方式承受着施加于土壤的机械应力。只有少部分仅约20%颗粒传递主要的机械应力。其他颗粒受力较小,容易随内部水流发生运移。如果粒度组成(即粒径分布)使得最小的土壤颗粒可以在最大土壤颗粒之间流动,那么部分土壤将会在内部流动的作用下发生侵蚀。土壤将会变得更多孔,直到最终崩塌,抑或随着水流的加剧,促进其他侵蚀机制的形成。这种机制很难在现实中被证实,因为潜蚀的痕迹在结构破裂前几乎无法被观察到,在破裂后也会消失殆尽。尽管如此,这一现象却可以在实验室中观测到。
环境百科全书-土壤侵蚀-侵蚀分类
图5.堤坝设施侵蚀的分类 [图片来源: A. Wautier]

  上述几类发生在土壤表面以下的内部侵蚀,其机制已经比较清楚了,而外部侵蚀的情况并非如此,因为其类型更加多样,流体流动性更强。迄今为止,还没有公认的外部侵蚀分类标准。但是溢流(overflow),岸带侵蚀(shoreline erosion),局部冲刷(local scouring)和浪蚀(wave erosion)都可以作为示例(图5)。关于外部侵蚀的分类较为初步,将根据后续研究结果持续完善。

  • 溢流是指水位超过堤坝或水坝的顶部溢出而形成地表强烈的水流。水流施加的剪切力可以拖拽并输运颗粒,这种侵蚀机制最令人担忧,因为可能会导致溃坝。
  • 岸带侵蚀主要发生在受水流影响的河堤,或通常意义上的河岸。在这种情况下,水流与堤岸平行。即使局部的流体/颗粒物的相互作用类似于溢流(水在地表的流动),堤岸侵蚀中的剪切力也不是特别强烈。另一方面,从长远来看,这些剪切力随时间持续,并可能减弱河堤或河岸的作用。
  • 局部冲刷是指水流喷射到地面导致的侵蚀,例如刚性结构上的溢流。这类集中水流垂直冲击地表,对地面造成局部冲刷。一旦这个过程开始,水的再循环和盆地中的涡流作用有助于加强这种侵蚀行为。
  • 浪蚀是指由浪涌(surge)漫顶(overtopping)两种形式引起的波浪侵蚀。浪涌是波浪反复冲击障碍物的行为,就像海浪冲刷沙滩一样。堤坝可以防止波浪在水面上扩散并使其中断。这种浪涌产生的能量有时会破坏障碍物的结构,使颗粒物处于悬浮状态。漫顶是指当波浪大到足以到达障碍物的顶点时,水流顺着障碍物向下游流动。在海边风暴期间,漫顶产生的风浪既壮观又危险。当水流回落时,可能带走一些物质。虽然漫顶产生的能量比浪涌低,但因为受影响的土壤位于堤坝的下游,漫顶对土壤的侵蚀比浪涌要更大。

3.土壤可蚀性特征

环境百科全书-土壤侵蚀-侵蚀模式
图6.理想状况下表面侵蚀模式[图片来源: A.Wautier]

  土壤可蚀性是指当水力的侵蚀大于土壤的机械阻力时所表现出来的属性。可蚀性包括两个方面,一方面是指侵蚀的触发,另一方面是指侵蚀开始后的动力学过程

  在固体与流体领域的界面可辨识的情况下,若流体沿着该界面平行流动,则侵蚀可以被表征为材料尺度上的表面侵蚀。此时流动的强度由流体在该界面施加的剪切力来表征。土壤对水流的抗蚀性由材料的粘聚力和它自身的容重决定。这使得我们能通过对比驱动力和抵抗力来明确发生侵蚀初期的规律。侵蚀的动力学一方面来自土壤力学特性的空间波动,另一方面来自界面流体应力的时空波动,后者源自湍流。

环境百科全书-土壤侵蚀-土壤样品
图7.法国国家农业、食品与环境研究所(INRAE)的实验案例
孔蚀测试(HET)装置(上图)和经历管涌侵蚀前后的土壤样品(下图)[8]

  上述情形(图6)涉及到具有明确的固体域和流体域的两相几何结构。不仅能描述一些外部侵蚀机制,也可以描述四种内部侵蚀机制之一的管涌侵蚀,(在管道边缘处看作表面侵蚀),在更小的范围上也可以看作是平行流情景下的接触侵蚀。另一方面,探明其他内部侵蚀的机制(逆向侵蚀,垂直于界面的接触侵蚀和潜蚀)涉及内部水流状况,并需要在考虑土壤颗粒平衡性的情况下进行详尽分析。

  目前一些实验室的测试可以表征材料的可蚀性,包括侵蚀现象的发生(由此产生的流动强度)和侵蚀动力学(材料侵蚀的速度)两个方面。这些测试包括HET测试(Hole Erosion Test)[8](图7),适用于管涌侵蚀的研究,JET测试(Jet Erosion Test)[9]和EFA测试(Erosion Function Apparatus)[10],适用于外部侵蚀的研究,或适用于内部潜蚀研究的潜蚀渗透仪(suffusion permeameter)。对前三种测试的解释基于表面侵蚀模型(还存在其他模型[11]),该模型基于两个参数:一个是侵蚀系数(表征侵蚀动力学),另一个是临界流体应力(表征侵蚀的起始)。但对潜蚀测试的解释仍缺乏建立完善的理论框架,目前仅是以研究为目的的测试。

环境百科全书-土壤侵蚀-数字化成果
图8.颗粒物尺度下的数字化成果图解
左图:潜蚀研究[13],右图:射流侵蚀模拟[14]

  随着数值计算工具的发展,特别是离散元素方法[12](DEM,discrete element method)与流体流动解析方法(fluid flow resolution method)相结合的兴起,可以直接在微观尺度(即构成材料的颗粒尺度)上解决土壤侵蚀问题(图8)。在该尺度下,我们不再真正讨论侵蚀,而是土壤颗粒的剥离运移沉积/堵塞。目前有大量研究,将这种非常局部的视角与工程师在结构尺度上的更全局的视角联系起来。这项小尺度的研究结果有助于在更大范围内澄清观察到的侵蚀规律。

4.抑制内部和外部侵蚀的措施

  了解各种内部侵蚀机制有助于制定策略,以限制水对土壤的影响。这需要制定一系列“良好行为”准则。对于堤坝而言,这些准则(也称为推荐规范)由国家和国际组织的专家编写。这些组织包括法国堤坝与水库委员会(CFBR[15])和国际大型堤坝委员会(ICOLD[16])。

  反馈信息告诉我们预防比修复要容易得多,因为一旦产生侵蚀,就很难在溃坝之前阻止。例如,1976年美国提顿大坝[17]的标志性垮塌,尽管人们拼命地试图修复它,但在发现第一个渗漏点仅几个小时后,溃坝就发生了。

  首先,选择用于建造堤坝的材料必须适应它所要承受的水力压力。尽管如此,如果在危机情况下产生的水力压力过于强烈,则可以实施专门针对限制最脆弱材料水力压力的保护措施(土壤加固:必不可少的技术)。以下是一些措施(当然这个列表并非详尽):

  • 低渗透性的粘土材料能够限制渗入土壤的水流强度,并减少内部侵蚀发生的可能性(黏土:令人惊讶的天然纳米材料)。
  • 不同材料接触时的过滤标准和每一种材料自身的过滤标准,限制了观测内部接触侵蚀或潜蚀的风险。如果不能满足这些过滤标准,则可以使用土工布将涉及的两种土壤层之间进行隔离。
  • 植被覆盖控制穴居动物将限制管涌侵蚀。
  • 土壤的内在抗侵蚀能力能够通过化学过程(石灰处理的土壤,与膨润土和水泥浆混合等)和生物化学过程(土壤生物钙化)得到提升,这些过程增加了土壤颗粒之间的粘结力。
  • 草地覆盖(或矮植被)能限制地表径流施加在土壤表面的剪切力(边界层厚度增加[17]),因此延缓了侵蚀的发生。植被的存在也缓解了大雨或水浪通过时的溅蚀效应对土壤所造成的破坏。
  • 乱石堤对海浪来说就像一个外壳,在海浪到达细颗粒土壤之前使其能量消散。
  • 在受逆向侵蚀的堤坝下游设置一个反调节水库,能够减小上下游的水位差,从而减缓内部流动的强度。这就是危机状况下在“沙涌”周围放置沙袋的原因。

5.堤坝保护技术的前景如何?

  目前存在关于水流引起的土壤侵蚀的分类体系,涉及内部侵蚀(逆向侵蚀,管涌侵蚀,接触侵蚀和潜蚀)。另一方面,外部侵蚀机制的分类仍在业内讨论中,本文提出的四种机制应仅被视为思考的首要基础。

  许多施工技术被用来尽可能地限制水对易侵蚀土壤的作用。这些技术是基于目前的科学知识水平,而这些知识还没有完全成熟。对侵蚀物理学的理解无疑仍然是一个广泛开放的问题,也是一个备受关注的研究领域。

环境百科全书-土壤侵蚀-逆向侵蚀
图9.激流中物质通过逆向侵蚀作用的再活化(伊泽尔省,马尼瓦尔)
[图片来源: F. Fontaine,国家法国国家农业、食品与环境研究所(INRAE)]。

  本文讨论的不同侵蚀机制虽然与堤坝的行为有关,但它们也适用于一些包括自然物质(即未经人工改造的)的其它情况,例如石油开采时,沙子可以通过潜蚀或逆向侵蚀(图9)和石油同时被抽出(称为“产沙”),或者是通过河道的山体滑坡造成的天然大坝被侵蚀破坏。

  至于引言中提及的地貌侵蚀,这是更广泛一系列现象的结果,具有长期可见的后果。文中提及的侵蚀机制显然也参与了这些自然景观的塑造,但我们还可以加上滑坡,各种化学变化,冻融循环,沉积物运移,冰川移动,风力传输,植被影响等因素。

6.要记住的信息

  • 在流体(水或空气)的作用下,土壤(天然的或人造的)既可以在与流体接触的界面上发生侵蚀,也可以经过水渗透作用在内部发生侵蚀。
  • 所有的土质结构都是可渗透且容易受到侵蚀。良好的设计和措施可以使这种现象得以控制,并能够在出现问题的时候及时采取措施。
  • 无论是从了解不同侵蚀机制的物理学角度,还是从表征土壤抗蚀特性和不同侵蚀机制的发展速度角度,甚至是从原位侵蚀调查、测量和监测的技术角度而言,土壤侵蚀仍然是一个备受关注的研究方向
  • 本研究是基于实验室水平(材料尺度)、现场实验(现场工作规模)和数字模拟(数字实验)开展的。

 


 

参考资料和说明

封面照片(布莱克曼大坝,塔斯马尼亚,2005。照片来源:水星新闻图片社,金·艾泽勒(Kim Eiszele))

[1] Van Oost, K. et al. 2007. The impact of agricultural soil erosion on the global carbon cycle. Science, 318, (5850), 626-629.

[2]  有时也被称为hydraulic fox。

[3] Foster, M. et al. 2000. The statistics of embankment dam failures and accidents. Canadian Geotechnical Journal, 37, 1000-1024.

[4] Bonelli, S. (2012). Erosion of geomaterials. Hoboken: John Wiley & Sons

[5] 这种类型的侵蚀只出现在粘性材料中,因为这种材料允许通道的存在而不会塌陷。

[6] Hanson, G. et al. 2010. Internal erosion and impact of erosion resistance. Collaborative management of integrated watersheds. Proc. of 30th annual USSD conference, 773-784.

[7] Beguin, R. (2011). Multi-scale study of contact erosion in earthen hydraulic structures. PhD thesis. University of Grenoble.

[8] Benahmed, N. and Bonelli, S. (2012). Investigating concentrated leak erosion behaviour of cohesive soils by performing hole erosion tests. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 16(1), 43-58.

[9] Hanson G. J. and Cook K. R. (2004). Apparatus, Test Procedures and Analytical Methods to Measure Soil

Erodibility In Situ. Engineering in Agriculture, ASAE, 20(4), 455-462.

[10] Briaud, J. L. et al. (2001). Erosion function apparatus for scour rate predictions. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 127(2), 105-113.

[11] Knapen, A. et al. 2007. Resistance of soils to concentrated flow erosion: A review. Earth-Science Reviews, 80(1-2), 75-109.

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Discrete_element_method

[13] Wautier, A. (2018). Micro-inertial analysis of mechanical instabilities in granular media, application to internal erosion. PhD thesis. Aix-Marseille University.

[14] Benseghier, Z. (2019). Numerical study of the erosion of a cohesive granular material by fluid flow. PhD thesis. Aix-Marseille University.

[15] https://www.barrages-cfbr.eu/

[16] https://www.icold-cigb.org/

[17] https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_Teton

[18] Size of the area over which a flow passes from zero velocity to its maximum velocity as shown in Figure 2.


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: WAUTIER Antoine (2024年3月4日), 土壤侵蚀:流体和颗粒物的故事, 环境百科全书,咨询于 2024年6月24日 [在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/soil-erosion-story-fluid-grains/.

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