譚貞學，王占禮，王莎，劉俊娥

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.欽州市水保監(jiān)測分站，535000，廣西欽州;3.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌;4.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，712100，陜西楊凌)

黃土坡面細溝侵蝕過程

譚貞學1，2，王占禮1，3?，王莎3，4，劉俊娥3，4

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.欽州市水保監(jiān)測分站，535000，廣西欽州;3.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌;4.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，712100，陜西楊凌)

采用具有定流量放水組合小區(qū)模擬降雨試驗方法，對黃土坡面細溝侵蝕過程進行模擬試驗。結果表明:不同坡度和不同降雨強度下，細溝侵蝕率都呈現(xiàn)隨徑流變化過程的遞增而增大的趨勢，并且冪函數(shù)方程可以較好地模擬出其變化過程，同時在徑流變化過程中，不同坡度下細溝侵蝕率隨徑流過程變化的遞增速率總體上大于不同降雨強度下的遞增速率;細溝侵蝕模數(shù)隨坡度及降雨強度的增大皆增大，可分別用對數(shù)方程及指數(shù)方程很好地描述，坡度及降雨強度對細溝侵蝕模數(shù)的綜合作用可用二元冪函數(shù)方程很好地描述;試驗條件下，水流切應力是細溝侵蝕過程發(fā)生發(fā)展的動力根源。

細溝侵蝕;侵蝕過程;組合小區(qū);切應力;黃土坡面

土壤侵蝕是全球性的嚴重環(huán)境問題。大量研究［1－2］表明，坡面侵蝕量的大小取決于坡面是否有溝蝕發(fā)生。細溝作為溝蝕的初始侵蝕形態(tài)，一旦產(chǎn)生，坡面水流的侵蝕力和搬運力均會遠大于雨滴和片狀水流所具有的侵蝕力和搬運力［3］，土壤侵蝕量就會大幅度增加，細溝侵蝕量對坡面侵蝕量的貢獻能夠超過70%［4－5］。長久以來關于細溝侵蝕的研究一直是坡面侵蝕研究的重要內(nèi)容。我國黃土地區(qū)坡面地形破碎、土質(zhì)松、暴雨多，具備細溝侵蝕發(fā)生發(fā)展的有利條件，與國外主要是緩坡地的細溝侵蝕相比，黃土區(qū)細溝侵蝕程度更為嚴重。陜西子洲徑流試驗站1963—1967年對坡長60 m、坡度22°小區(qū)的觀測結果表明，每年有45% ～60%的產(chǎn)流暴雨產(chǎn)生細溝，細溝侵蝕量占總侵蝕量的68% ～91%［6］?？梢姡殰锨治g是我國黃土地區(qū)坡面極其重要的侵蝕過程。闡明黃土地區(qū)坡面細溝侵蝕過程，可為區(qū)域坡面侵蝕過程模型研究奠定重要基礎，為黃土區(qū)坡面水土流失治理及生態(tài)建設提供重要科學依據(jù)。

國內(nèi)外諸多學者對細溝侵蝕進行了大量的研究。張科利等［7］對黃土坡面細溝的水動力學特征及發(fā)生機制進行了試驗研究;雷阿林等［8］對細溝侵蝕發(fā)生的臨界動力條件進行了研究;G.R.Foster等［9］通過不同條件下的實驗研究和理論分析，探討了細溝的流速及分布、水力半徑及阻力系數(shù)的表達式;李君蘭等［10］研究了降雨強度、坡度和坡長對細溝侵蝕的交互效應;蔡強國等［11］分析了10種不同土壤在細溝侵蝕過程中的侵蝕產(chǎn)沙量;V.O.Polyakov等［12］利用壤土研究在凈分離和凈沉積狀況下的細溝侵蝕的水流輸沙能力;夏衛(wèi)生等［13］通過測定細溝侵蝕中泥沙含量及黏粒含量來分析土壤肥力的變化規(guī)律;鄭粉莉［14］對黃土坡耕地細溝侵蝕的發(fā)生、發(fā)展和防治途徑做了探討。

上述文獻的作者主要是對細溝產(chǎn)生機制與影響因素及相關的侵蝕作用等方面進行了研究，尤其主要采用的在平整坡面小區(qū)上讓細溝自由產(chǎn)生、演化的降雨試驗及限定性細溝上的放水試驗2種觀測方法，都未能有效地實現(xiàn)對細溝侵蝕過程的觀測與研究。筆者自行設計具有細溝和細溝間的組合觀測系統(tǒng)，采用具有定流量人工放水的組合小區(qū)模擬降雨試驗方法對細溝侵蝕過程進行科學觀測，研究黃土坡面細溝侵蝕過程，揭示細溝侵蝕發(fā)生發(fā)展過程的動力學機制，以促進對細溝侵蝕過程的深入認識，為發(fā)展細溝侵蝕過程模型奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與供試土壤

試驗裝置為自行設計加工的移動式變坡度鋼制系列組合小區(qū)(圖1)，共由3個小區(qū)組成，各個小區(qū)長80 cm，寬50 cm，深35 cm，3個小區(qū)分別編號為1、2、3號。其中:1號小區(qū)用于觀測坡面細溝溝頭以上的侵蝕產(chǎn)沙與產(chǎn)流(取得細溝小區(qū)頂部匯入沙與匯入流)，置于組合小區(qū)的最上部，裝土厚度30 cm，裝土后表面平整;2號小區(qū)用于觀測坡面全部的細溝與細溝間侵蝕產(chǎn)沙與產(chǎn)流，緊接1號小區(qū)設置，裝土最厚處30 cm，位于小區(qū)左右兩側，由兩側向中間均勻傾斜10°，中間留出10 cm寬度焊接單底鋼槽(細溝小區(qū))，鋼槽上緣與其兩側裝土最薄處等高，鋼槽中裝土厚度25 cm;3號小區(qū)用于觀測坡面細溝兩側的細溝間侵蝕產(chǎn)沙與產(chǎn)流(取得細溝小區(qū)兩側細溝間匯入沙與匯入流)，置于組合小區(qū)的旁邊，除鋼槽(細溝小區(qū))中不裝土外，其余設置與2號小區(qū)相同。1號小區(qū)下端與2號小區(qū)上端之間由與細溝等寬的封閉導流槽連接。試驗土壤取自位于黃土高原腹地的陜西省安塞縣，土壤類型為黃綿土，土壤機械組成見表1。每次試驗都重新填土，各項試驗的前期土壤含水量均為14%，土壤密度為1.2 g/cm3。

圖1 試驗裝置示意圖Fig．1 Experiment equipment

表1 試驗土壤機械組成Tab．1 Mechanical composition of experimental soil

1.2 試驗設計與觀測計算

試驗在中國科學研究院水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行，采用具有定流量人工放水的組合小區(qū)模擬降雨試驗方法完成。各場試驗都在降雨產(chǎn)流開始時，在1號小區(qū)上端同時開始進行0.12 m3/h的定流量放水，其作用相當于增加小區(qū)的坡長，使各場降雨試驗的產(chǎn)流匯流流量統(tǒng)一提高同一等級(相當于注入穩(wěn)定基流)，而降雨產(chǎn)流匯流與定量放水疊加形成的流量，其變化規(guī)律依然隨降雨強度及坡度的改變而變化。試驗坡度分別為 9°、12°、15°、18°、21°，降雨強度分別為 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min。進行同坡度(15°)不同降雨強度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min)及同降雨強度(2.0 mm/min)不同坡度(9°、12°、15°、18°、21°)的組合試驗，不同坡度與降雨強度組合的試驗9場，所有試驗均重復進行1次，總共試驗場次為18次，分析時取2次試驗數(shù)據(jù)的平均值。各場試驗的降雨歷時均為18.25 min。開始產(chǎn)流后的0.25 min前不進行觀測，以消除小區(qū)裝土時表面留下的松土等對含沙量的影響，開始產(chǎn)流后的0.25 min進行第1次觀測，以后每隔3 min觀測1次，直到降雨停止。各坡度降雨強度組合下不同徑流時刻細溝小區(qū)中的細溝水流流速用高錳酸鉀染色法測量。試驗時同步觀測1、2、3號小區(qū)出口輸出的徑流及泥沙，即同一時刻在3個小區(qū)出口分別進行取樣觀測。各小區(qū)出口的水沙觀測方法為通過與流速觀測同步的計時計容取渾水樣進行，并通過測定含沙量及泥沙密度，計算出分析研究需要的不同細溝侵蝕特征、細溝徑流及其水動力學特征。其中，細溝侵蝕量由2號小區(qū)出口觀測的泥沙量減去1號小區(qū)出口觀測的泥沙量和3號小區(qū)出口觀測的泥沙量而取得。

2 結果與分析

2.1 細溝侵蝕率隨徑流過程的變化

2.1.1 不同降雨強度下細溝侵蝕率隨徑流過程的變化 根據(jù)試驗所得結果，點繪了不同降雨強度下坡面細溝侵蝕率隨徑流過程變化的折線圖，如圖2所示?？梢钥闯觯黄露炔煌涤陱姸认?，細溝侵蝕率隨徑流過程的變化表現(xiàn)為先上升后趨于相對穩(wěn)定的態(tài)勢，開始產(chǎn)流的9 min內(nèi)以上升為主，9 min以后趨于相對穩(wěn)定，其中，試驗中的3個小降雨強度下更為穩(wěn)定，而試驗中的2個大降雨強度下緩慢上升?？傮w上降雨強度越大，相應細溝侵蝕率也越大。結果表明，不同降雨強度下，細溝侵蝕率隨徑流過程的變化皆可用冪函數(shù)方程較好地描述，描述方程及檢驗結果見表2。

圖2 不同降雨強度下細溝侵蝕率隨徑流過程的變化Fig．2 Variation of rill erosion rate with runoff processes under different rainfall intensities

表2 不同降雨強度下細溝侵蝕率隨徑流過程變化的經(jīng)驗方程Tab．2 Statistical equations of rill erosion rate variation with runoff processes under different rainfall intensities

細溝徑流在細溝侵蝕過程中起著最重要的作用，控制了細溝侵蝕過程的主體趨勢。在組合小區(qū)試驗條件下，徑流過程開始初期，各小區(qū)土壤入滲率大，形成的細溝徑流率小，細溝水流的侵蝕能力低，故細溝侵蝕率最小。隨降雨過程的進行，各小區(qū)土壤入滲率逐步減小，形成的細溝徑流率逐步增大，細溝水流侵蝕能力逐步增強，細溝侵蝕率相應逐步增大，表現(xiàn)為隨徑流過程推進呈上升趨勢的變化。約在產(chǎn)流開始9 min以后，由于各小區(qū)坡面土壤趨于飽和，形成的細溝徑流率逐步穩(wěn)定，細溝徑流侵蝕力也趨于穩(wěn)定，所以，細溝侵蝕率轉向變化平緩趨勢，表現(xiàn)為隨徑流過程趨于相對穩(wěn)定的態(tài)勢。

2.1.2 不同坡度下細溝侵蝕率隨徑流過程的變化

圖3 不同坡度下細溝侵蝕率隨徑流過程的變化Fig．3 Variation of rill erosion rate with runoff processes under different slope gradients

根據(jù)試驗結果繪制了不同坡度下坡面細溝侵蝕率隨徑流過程變化的折線圖，如圖3所示?？梢悦黠@地看出，不同坡度下坡面細溝侵蝕率隨徑流過程的變化也總體表現(xiàn)為隨徑流歷時的增長先遞增后趨于相對穩(wěn)定或遞增率減緩的態(tài)勢，其中3個小坡度條件下，開始產(chǎn)流的9 min以后細溝侵蝕率變化過程基本趨于穩(wěn)定不變，而2個大坡度條件下細溝侵蝕率基本一直保持遞增，只是遞增速率減低。降雨強度相同時，坡度越大，細溝侵蝕率越大。對不同坡度條件下細溝侵蝕率隨徑流過程的變化進行統(tǒng)計分析，分析與檢驗結果見表3?？梢钥闯?，不同坡度條件下坡面細溝侵蝕率隨徑流過程的變化可用冪函數(shù)方程很好地描述。

表3 不同坡度條件下細溝侵蝕率隨徑流過程變化的經(jīng)驗方程Tab．3 Statistical equations of rill erosion rate variation with runoff processes under different slope gradients

不同坡度條件下細溝侵蝕率隨徑流過程的變化與不同降雨強度條件下細溝侵蝕率的變化過程類似，其中，除中坡度時降雨強度(15°、2.0 mm/min)為同一場試驗外，2個小坡度條件下的變化過程與2個小降雨強度條件下的變化過程更為相似，2個大坡度條件下的變化過程與2個大降雨強度條件下的變化過程更為相似。主要區(qū)別在于不同坡度條件下，細溝侵蝕率隨徑流過程變化的遞增速率總體上大于不同降雨強度條件下細溝侵蝕率隨徑流過程變化的遞增速率，且隨坡度增大，細溝侵蝕率增大速率更為明顯。

2.2 降雨強度對細溝侵蝕的影響

將同坡度(15°)各次不同降雨強度條件下產(chǎn)生的細溝侵蝕模數(shù)試驗數(shù)據(jù)點繪成圖4?？芍?，細溝侵蝕模數(shù)隨降雨強度的增大而增大。對降雨強度與細溝侵蝕模數(shù)之間的關系進行相關分析得出，細溝侵蝕模數(shù)隨降雨強度增大的關系可用對數(shù)方程很好地描述。

式中:Ea為細溝侵蝕模數(shù)，kg/m2;I為降雨強度，mm/min。

圖4 細溝侵蝕模數(shù)隨降雨強度的變化Fig．4 Variation of rill erosion modulus with rainfall intensities

在試驗條件下，降雨對細溝侵蝕強度的影響主要是通過降雨產(chǎn)生的徑流及降雨雨滴對徑流的打擊擾動作用而影響細溝侵蝕大小的。隨降雨強度的增大，單位時間內(nèi)的降雨量增加，則由細溝小區(qū)頂部匯入流與兩側細溝間匯入流及細溝承雨經(jīng)入滲后產(chǎn)生的凈雨共同形成的細溝中的徑流流量增大，侵蝕能力增強，加之降雨強度增大后雨滴動能增大，對細溝徑流的打擊擾動增強，所以，細溝侵蝕強度必然增大。

2.3 坡度對細溝侵蝕的影響

將同降雨強度(2.0 mm/min)不同坡度條件下的實驗所得侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)點繪成圖5?？梢钥闯觯涤陱姸认嗤瑫r，坡度對細溝侵蝕的影響也是表現(xiàn)為細溝侵蝕模數(shù)隨坡度的增大而增大。通過對試驗所得數(shù)據(jù)進行分析可知，坡度對細溝侵蝕強度的影響可通過指數(shù)方程進行很好的描述。

式中S為坡度，(°)。

圖5 細溝侵蝕模數(shù)隨坡度的變化Fig．5 Variation of rill erosion modulus with slope gradients

細溝侵蝕模數(shù)隨坡度的變化主要是細溝徑流及土體對坡度變化響應后共同的作用結果。隨著坡度的增加，由細溝小區(qū)頂部匯入流與兩側細溝間匯入流及細溝承雨經(jīng)入滲后產(chǎn)生的凈雨共同形成的細溝徑流流速加快，流量增大，徑流的侵蝕能力增強，同時隨坡度增大土體的穩(wěn)定性下降，土壤抵抗侵蝕能力削弱，最終導致隨坡度增大細溝侵蝕強度也相應增大。

2.4 降雨強度及坡度對細溝侵蝕的綜合影響

所有土壤侵蝕皆由各種侵蝕影響因子的綜合作用所造成，其中坡度及降雨強度起著極其重要的作用。通過對不同坡度及降雨強度條件下進行的細溝侵蝕試驗所得的觀測數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計分析，取得降雨強度及坡度對黃土坡面細溝侵蝕影響的經(jīng)驗方程

分析式(3)可知，降雨強度及坡度對細溝侵蝕的綜合影響可用二元冪函數(shù)方程很好地描述，二者對細溝侵蝕強度的影響表現(xiàn)為隨降雨強度及坡度的增大呈增加的正相關關系。

2.5 黃土地區(qū)細溝侵蝕過程的動力學機制

通過分析水流功率、單位水流功率及其水流剪切力等徑流動力學參數(shù)與細溝侵蝕之間的關系可揭示細溝侵蝕過程的動力學機制。

由于侵蝕是隨徑流過程的發(fā)展而發(fā)展的，所以將各徑流動力學參數(shù)的瞬時值與相應的細溝侵蝕速率結合進行分析研究，得到以下公式:

式中:P為細溝水流功率，W/m2;ω為細溝單位水流功率，W/N;τ為細溝水流切應力，Pa;E為細溝侵蝕率，kg/(m2·min)。

由以上分析可知，水流切應力與細溝侵蝕率的相關性最強(R2=0.687 5)。此結果表明，在此實驗條件下，水流切應力能更好地描述細溝侵蝕的過程變化，細溝侵蝕發(fā)生發(fā)展的動力根源為水流剪切力。

3 結論

1)不同坡度和不同降雨強度條件下，細溝侵蝕率的變化總體都呈現(xiàn)出隨徑流過程的增加而平緩增大，都可以用冪函數(shù)很好地描述。主要區(qū)別在于坡度不同時細溝侵蝕率隨徑流過程變化的遞增速率總體上大于不同降雨強度條件下的遞增速率，且隨坡度增大，細溝侵蝕率增大速率更為明顯。

2)相同坡度或相同降雨強度條件下，細溝侵蝕模數(shù)與降雨強度或坡度成正相關，分別可用對數(shù)和指數(shù)方程描述;降雨強度和坡度對細溝侵蝕的綜合影響可用二元冪函數(shù)方程很好地描述。

3)試驗條件下，水流切應力與細溝侵蝕率的關系最密切，細溝侵蝕動力學過程的發(fā)生發(fā)展根源于細溝水流剪切力的動力作用。

4 參考文獻

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［14］鄭粉莉.坡耕地細溝侵蝕影響因素的研究［J］.土壤學報，1989，26(2):109－116

Rill erosion processes on loess hillslope

Tan Zhenxue1，2，Wang Zhanli1，3，Wang Sha3，4，Liu Jun＇e3，4

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Qinzhou Sub－station of Soil and Water Conservation Monitoring，535000，Qinzhou，Guangxi;3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;4.School of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi:China)

Based on multi－plot－based experiments of simulated rainfall with steady in－flow rate，the erosion processes of rill on loess hillslope were simulated.Results show that:Power functions could preferably describe the rise trend of rill erosion rate with increasing runoff under different slopes and rainfall intensities，especially under different slopes.Rill erosion modulus increases with increasing slope and rainfall intensities，which could be described by exponential equation for different slopes，logarithmic equation for different rainfall intensities，and dual power equation for different slopes and rainfall intensities at the same time.Flow shear stress is the dynamic source for the development of rill erosion processes.

rill erosion;erosion processes;multi－plot;shear stress;loess hillslope

2012－06－12

2012－09－07

國家自然科學基金“黃土坡面細溝侵蝕過程組合小區(qū)試驗研究”(40971172)，“黃土坡面細溝侵蝕關鍵參數(shù)及其耦合關系試驗研究”(41171227)

譚貞學(1983—)，女，碩士。主要研究方向:土壤侵蝕過程。E－mail:babycat999@126.com

?責任作者簡介:王占禮(1960—)，男，博士，研究員，博士生導師。主要研究方向:土壤侵蝕過程及預報模型。E－mail:zwang@nwsuaf.edu.cn

(責任編輯:宋如華)