土壤侵蚀:流体和颗粒物的故事

  没有哪种材料能够坚硬到经受住时间的冲击而不被侵蚀。水和风耐心地雕琢着挡在它们面前无论是自然还是人为的所有障碍。由表层和深层水流引起的土壤侵蚀问题,能够利用河堤和大坝对水分渗透和表面水流的阻挡作用来解决。这篇文章,提出了不同的可能侵蚀机制类型。进而引出土壤抗蚀的特征以及一些控制侵蚀的设计原则。本文讨论的概念是通过在现实情况中观察到的侵蚀实例,以及通过实验室现场实验和数值模拟进行阐明的。

1.土壤,空气和水之间无尽的竞争

  水和风塑造了我们的地貌景观。大尺度上,水以降雨的形式落下,降雨的强度可以破坏土壤结构,并通过地表径流将其冲走。然后,水通过大量沉积物的运移,形成泥石流和河流,分割景观,形成山谷。沿着海岸线,随着暴风雨的到来,海浪的反复冲击可以改变海岸线。阵阵狂风能够移动沙丘,扬起尘埃,有时这些尘埃会在几千公里以外的地方重新沉积(例如,撒哈拉沙漠的沙子能够跨越大西洋)。

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,土壤可以被看作是由颗粒物组成的物质,这些物质之间存在着或多或少的相互作用(阅读:物质是如何形变的-流体和固体)。水流会对这些颗粒施加机械压力,当水流强度足够大时,能够破坏土壤,使土壤中的物质随水流流失。

  通过建造堤岸和水坝,人类能够越来越有效地控制水对环境的影响。虽然今天我们通常认为它们是混凝土结构,但现有的大多数堤坝都是由填充物,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,同时也能保证我们的水(饮用水或灌溉用水)和能源资源。像所有的人类建筑一样,它们不是不可摧的,同样也会受到侵蚀的影响。在这篇文章中,我们提出从堤坝侵蚀的特定角度来介绍土壤侵蚀的问题(图1)。在这个角度下,本文并不打算进行全面阐述,也没有解决如土地荒漠化或农业用地的侵蚀等许多问题[1]。不过文章提出的土壤侵蚀机制不仅只针对堤坝,同时也介绍了为研究它们并限制其影响而制定的策略。

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]

  在堤坝设施结构的尺度上,水流作用下的侵蚀主要分为两种类型。如果水侵蚀了设施的可见部分,称为外部侵蚀。反之,如果水侵蚀了设施的不可见部分或根基,则称为内部侵蚀[2]。我们下面会进一步谈到这一点,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。在材料的尺度上,根据不同情况,侵蚀会发生在材料的表面或直接发生在整体。

  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,发展的速度以及对设施结构脆弱性的影响所带来的后果仍然是有待解决问题,目前对这一问题正在进行许多研究。在目前知识水平下,即使经验表明,只要水流溢出的时间不会持续很久,大坝就能抵御,也不能证明通过计算堤坝在水库存在不可控溢流时的抗蚀能力是合理的。

  关于内部侵蚀,过去15年左右的时间内开展的研究工作将其为了四种机制,并且在科学界得到了广泛认可[4]。即区分为逆向侵蚀(regressive erosion),管涌侵蚀(conduit erosion),接触侵蚀(contact erosion)和潜蚀(suffusion)进行了。

  逆向侵蚀是指的是在内部流出口处,位于堤坝材料下游发生的夹带现象。它由垂直于土壤/水界面的地下内部水流触发,表现为“沙涌”的出现(图2)。如果水流太急,最接近地表的土壤颗粒就会被冲走。充满悬浮颗粒物的水从土壤中喷涌而出。随着流动速度减缓,这些颗粒物自行重新沉积,通常能观察到类似于微型火山的小土丘。如果这个过程长期持续下去,沉积的颗粒物将来自于越来越远的区域,随着时间的推移,最终会形成一个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(或集中渗漏侵蚀)是已经存在的侵蚀通道的扩张[5],侵蚀通道包括沿着管线的地洞,裂隙,未压实部分或植物根系分解后留下的通道。流经通道的水在其边缘产生剪应力,如果流量足够大,可以将物质从通道表面拉出。因此,通道的直径会逐渐增加,允许越来越大的水流通过,这个现象会一直持续到它遇到抗蚀性更强的物质或通道发生崩塌(图3)。

  接触侵蚀是指当水流平行于细颗粒与粗颗粒土壤交界面或从细颗粒流向粗颗粒土壤时,发生在细颗粒与粗颗粒土壤之间界面上的侵蚀。当流量足够大时,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。如果土壤细颗粒层是水平排列的,接触侵蚀通常会导致土壤细颗粒的沉降(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(阅读:沙子:液体还是固体?),并非所有的颗粒都以相同的方式承受施加于土壤的机械应力。一小部分颗粒(大约20%)传递了大部分的机械应力。其他颗粒只受轻微应力,然后就很容易被内部水流冲走。如果粒度(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通,那么在这种内部流动的作用下,一部分土壤将会被侵蚀。土壤将会变得更加多孔,直到最终自行崩塌,或随着水流的加剧,促进其他侵蚀机制的形成。实际上这种机制很难被证实,因为在破裂前很难观察到潜蚀的痕迹,这些痕迹在破裂后也会完全消失。尽管如此,这一现象可以在实验室中得到证实。

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]

  尽管发生在土壤表面以下,内部侵蚀的机制已经得到了很好地证实。但外部侵蚀的情况并非如此,因为外部侵蚀的类型更加多样,并且所考虑的流体流动往往是湍急的。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)都可以作为例子来讨论(图5)。注意,本文中提及起的名称是个人说法,且将会根据后续的研究结果进行更新。

  • 溢流是指超过堤岸或大坝顶部水位的溢出水流。其结果是引起地面上的剧烈水流。然后水施加的剪应力可以将土壤颗粒冲起并携带一起移动。这无疑是与大坝或堤岸溃坝相关的最令人担忧和惊人的侵蚀机制。
  • 岸带侵蚀主要涉及受河流影响的河堤和更普遍的河岸。在这种情况下,水的流动与堤岸的轴线平行。即使局部区域流体/颗粒的相互作用类似于溢流(水在地表的流动),堤岸侵蚀中的剪应力也不是特别强烈。另一方面,它们随着时间的推移会变得更加稳定,并且可以对受其影响的大坝或堤岸产生损害。
  • 局部冲刷是指一股水流冲在地面上的作用,例如垂直设施上的溢流。这种类型的集中水流垂直地朝地表冲击,会在局部冲开地面。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维持这种侵蚀行为。
  • 浪蚀可以通过浪涌(surge)漫溢(overtopping)观测到。浪涌对应的是波浪突破障碍物的重复行为,就像在沙滩上一样。水坝或堤岸阻止了波浪在水体表面的传播,并使其中断。这种浪涌产生的能量有时会破坏材料的结构,使颗粒处于悬浮状态。漫溢是指当波浪大到足以到达障碍物的顶点时,波浪形成的水流在障碍物下游的流动。正是这种现象产生的水浪,在海边的风暴中既壮观又危险。当水落回地面时,它可能有足够的能量携带走一些物质。虽然漫溢中所涉及的能量比浪涌低,但因为它们发生在堤坝的下游一侧,受其影响的土壤往往没有得到很好的保护。

3.土壤可蚀性表征

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]

  土壤可蚀性是水流的强度相对于材料的机械阻力过高引起的。可蚀性包括两个方面的信息,一方面是指侵蚀的起始,另一方面是指侵蚀开始后的动力学

  当固液界面清晰,流体流动方向与界面平行时,在材料的尺度上可以称之为表面侵蚀。流体的强度则由其施加在这个界面上的剪应力来表征。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蚀性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性质在空间上的波动,另一方面由界面上流体应力的时空波动引起,而后者中的一部分由湍流造成。

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。我们不仅能利用它描述一些外部侵蚀的机制,而且也可以描述管涌侵蚀(四种内部侵蚀的一种),管涌侵蚀从局部上可以看作是一种表面侵蚀(在通道的边缘),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,探明其它内部侵蚀的机制(逆向侵蚀,界面垂直流接触侵蚀和潜蚀)需要我们研究内部的水流状况,并且在考虑土壤颗粒平衡性的情况下进行详尽分析。

  目前有一些实验室的实验可以表征土壤的可蚀性,包括侵蚀现象的发生(从哪个流动强度开始)和动力学(土壤侵蚀的速度)。这些实验使用了适用于管涌侵蚀的孔蚀测试 [8](HET,hole erosion test)(图7),适用于外部侵蚀研究的射流侵蚀测试 [9](JET, jet erosion test)和侵蚀功能仪 [10](EFA, erosion function apparatus),或适用于内部潜蚀研究的潜蚀渗透仪(suffusion permeameter)。前三个方法的解释可以基于两个参数的表面侵蚀模型(存在其它模型[11])进行解释:侵蚀系数(表征侵蚀动力学)和临界流体应力(表征侵蚀的起始点)。但对潜蚀实验的解释仍然缺乏一个完善的理论框架,目前仅仅是一个以研究为目的的实验。

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,使得直接在微观尺度(土壤的颗粒尺度)上解决土壤侵蚀问题成为可能[图8]。在这种尺度下,我们讨论的不再是侵蚀,而是土壤颗粒的剥离运输沉积/堵塞。目前有大量的研究正在进行,这些研究致力于在整个结构规模上,将这种非常局部的视角与工程师的全局视角结合。这种小尺度下的研究成果有助于阐明大尺度上观测到的侵蚀规律。

4.一些抑制内部和外部侵蚀的成功实践

  对各种内部侵蚀机制的了解使我们可以通过制定策略来限制水对土壤的侵蚀行为。这需要制定一定数量的“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它。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,但在人们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大,我们可以采取一些专门的措施去限制施加在脆弱材料上的水力压力(阅读:土壤加固:已成为必不可少的技术)。以下是一些可以实施措施的例子(当然这个列表并非详尽):

  • 低渗透性的粘土材料的使用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(阅读:粘土:一种神奇的自然纳米材料)。
  • 不同材料相接触时的过滤尺度和每一种材料自身的过滤尺度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尺度,则可以使用地工织物,将其置于两层土壤之间。
  • 维持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应力(边界层厚度增加[17]),因此延迟了侵蚀的开始。植被的存在也减缓了大雨和水浪通过时的溅蚀效应对土壤所造成的破坏。
  • 乱石堤的放置对海浪来说就像一个外壳,在海浪到达细颗粒土壤之前乱石堤就使其能量消散了。
  • 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,在内部侵蚀(逆向侵蚀,管涌侵蚀,接触侵蚀和潜蚀)方面,存在着一种水流引起的土壤侵蚀的分类学。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作为首要基础来考虑。

  许多施工技术被使用,以尽可能地限制水对土壤的侵蚀作用。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仍然是一个广泛开放的问题,也是一个非常活跃的研究领域。

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(也就是不经人工改造的)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,这是更多现象的结果,在更长的时间里形成了可见的效果。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,风的搬运,植被影响等。

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的,且容易受到侵蚀。一个好的设计和后续行动使得控制这种现象成为可能,并使我们在注意到损坏之前就能开展及时的行动。
  • 土壤侵蚀仍然是一个非常活跃的研究方向,无论是从了解不同侵蚀机制的物理学角度,还是从表征土壤的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。
  • 研究是基于实验室实验(材料尺度)、现场实验(现场工作规模)和数字模拟(数字实验)来开展的。

 


 

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.


译者:张洋          编审:崔岩山            责任编辑:胡玉娇


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 (2022), 土壤侵蚀:流体和颗粒物的故事, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/soil-erosion-story-fluid-grains/.

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