郭慧莉 孫立全 吳淑芳? 李宜坪 張永東

（1 西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（2 重慶市萬盛經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)水務(wù)局，重慶萬盛 400800）

黃土高原地區(qū)魚鱗坑坡面侵蝕演化過程及水力學特征*

郭慧莉1孫立全1吳淑芳1?李宜坪1張永東2

（1 西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（2 重慶市萬盛經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)水務(wù)局，重慶萬盛 400800）

為明確魚鱗坑坡面抗侵蝕演化過程及其水流水力學特性，采用間歇性人工模擬降雨實驗，對魚鱗坑坡面水流水力學特性以及阻力規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：（1）魚鱗坑坡面侵蝕演化過程表現(xiàn)為：雨滴濺蝕—片蝕—股流沖刷—跌坑—細溝侵蝕—下切侵蝕—溯源侵蝕—崩塌。（2）隨著降雨歷時的增加，由于魚鱗坑的層層攔截與蓄滿，其下方的坡面徑流流速、水深均呈波動式增長趨勢，坑內(nèi)出現(xiàn)旋渦，坡面徑流呈現(xiàn)斷續(xù)股流。降雨累積歷時為58 min左右，總降雨量達到87 mm時，魚鱗坑侵蝕量急劇增加，攔蓄徑流作用失效。（3）五場降雨過程中，上坡和中坡水流流態(tài)為層流，下坡由于魚鱗坑蓄滿后徑流出現(xiàn)波動，水流流態(tài)由層流變?yōu)槲闪髑視r而為緩流時而為急流。（4）魚鱗坑坡面水流阻力來源于降雨阻力、顆粒阻力、形態(tài)阻力疊加，在整個降雨過程中阻力總和呈下降趨勢；其中，受地形高低起伏、地表糙度的影響，形態(tài)阻力一直居于主導地位。

魚鱗坑坡面；間歇性降雨；侵蝕演化過程；水力學特性

在黃土高原干旱半干旱地區(qū)，降水是維持植物生長的唯一水分來源，土壤水分不足已成為林木正常生長發(fā)育及水土保持效益發(fā)揮的主要限制因子［1］。如何有效地保護和利用水土資源，提高水分利用效率，因地制宜地采用合適的造林整地措施，并做到生態(tài)環(huán)境改善，對于黃土高原來說是一個重要且急需解決的問題。

魚鱗坑措施是通過改變微地形縮短徑流線，加強降水的就地攔蓄和入滲來使土壤含水量顯著提高［2］。坡面上采取魚鱗坑措施，可以有效地攔截地表徑流，減少坡面水土流失，同時也起到改善坡面上壤水分的作用，從而為植被生長創(chuàng)造良好的水分條件［3］。因此，眾多學者對半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)不同立地類型不同規(guī)格的魚鱗坑的集水效果以及魚鱗坑的土壤含水量、侵蝕量等進行了大量研究［4-5］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大魚鱗坑整地的林地土壤含水量較高，土壤侵蝕量較少，適宜在黃土溝壑區(qū)的造林過程中應(yīng)用和推廣，在布設(shè)魚鱗坑時，要根據(jù)不同立地類型配置不同規(guī)格標準的魚鱗坑，在實現(xiàn)植被恢復的同時，生態(tài)環(huán)境也得以有效改善。孫軍［6］對黃土高原延河流域不同水土保持措施及土壤水文生態(tài)效應(yīng)進行了研究，得出魚鱗坑措施在中小降雨量時，蓄水保水效應(yīng)較佳，是較適合于黃土高原的土地利用方式；但在次降雨量較大時，魚鱗坑措施的減流效果不穩(wěn)定，變化在5.56%～33.90%之間。王青寧等［7］研究了黃土坡面植被重建魚鱗坑整地的土壤水分特征，結(jié)果表明：魚鱗坑的雨季蓄水過程明顯，春季陽坡魚鱗坑較原狀荒坡的含水量增幅均值可達18.18%，其改善土壤水分狀況的程度高于陰坡（增幅均值為9.93%）；李虹辰［8］研究了黃土丘陵區(qū)旱作棗園魚鱗坑與覆蓋措施土壤水分動態(tài)效應(yīng)，研究得出生長季內(nèi)魚鱗坑+樹枝覆蓋、魚鱗坑+秸稈覆蓋、魚鱗坑無覆蓋處理0～180 cm土層平均土壤含水量較對照均有提高，其中以魚鱗坑+樹枝覆蓋效果最好，平均含水量較對照提高14.2%。不同魚鱗坑和覆蓋組合措施，次降雨量對土壤水分的影響主要集中在100 cm以內(nèi)，對深層土壤水分影響不顯著。吳淑芳等［9］對魚鱗坑坡面薄層水流剝離土壤顆粒的水動力學過程進行了研究，結(jié)果表明：隨放水流量增加，坡面流速迅速增大，導致水流切應(yīng)力、單位水流功率、徑流動能增大，進而水流對土壤顆粒的剝離能力增強，最終土壤侵蝕加劇。

盡管魚鱗坑工程措施在黃土高原地區(qū)有著顯著的蓄水攔沙功能，但當遇到強降雨時，它會產(chǎn)生破壞性的土壤侵蝕。吳淑芳［3］研究得出：當在15°左右的坡面上，上方匯水流量超過3.0 m3h-1，魚鱗坑內(nèi)水流形成漩渦，坑內(nèi)壁逐漸被徑流剝蝕、沖擊直至嚴重破壞，進而下方的魚鱗坑攔蓄徑流作用失效。唐小娟［10］對魚鱗坑的蓄水攔沙作用進行了研究，發(fā)現(xiàn)魚鱗坑在開始有一些攔蓄作用，但是一旦魚鱗坑蓄滿后被大雨沖垮，則失去蓄水攔沙的功能，反而對坡面有破壞作用。

綜上諸多學者對魚鱗坑的水土保持效應(yīng)進行了大量研究，在研究過程中仍存在以下幾個方面的問題。第一，以往大多研究集中于魚鱗坑的土壤水分狀況、不同規(guī)格魚鱗坑集水效果、魚鱗坑與覆蓋措施結(jié)合的土壤水分動態(tài)效應(yīng)以及魚鱗坑對植被生長影響研究，對同一地表采用間歇性降雨，觀測魚鱗坑坡面的圖形化的動態(tài)侵蝕演化過程、侵蝕發(fā)生的重點部位及侵蝕參數(shù)的時空動態(tài)變化過程還未見報道。近年來，越來越多的高新技術(shù)被應(yīng)用于侵蝕研究，例如計算機軟件［11］、高清晰攝像設(shè)備［12］和微地形掃描技術(shù)［13-14］等，這些技術(shù)的使用使得坡面侵蝕現(xiàn)象能夠被更加精確地監(jiān)測和更加全方位地揭示。第二，近年來，對于坡面流水力學特性的研究，眾多學者主要集中對整個坡面在平均狀態(tài)條件下進行研究，然而類似魚鱗坑這種復雜地形的坡面，其坡面流作為三維非恒定、非均勻沿程變量流，隨地形高低起伏變化，其流動形態(tài)千變?nèi)f化，均勻流理論很難揭示水力學特性在非均勻坡面上的變化情況，尤其是坡面流速的獲取、水深的計算，水流阻力的計算。

針對上述問題，本研究擬采用三維激光掃描儀，借助ArcGIS 軟件，對魚鱗坑典型坡面進行了五場降雨的侵蝕演化過程分析，試圖實現(xiàn)此過程的圖形化與數(shù)字化，并分析魚鱗坑坡面流的水力學特性以及其所受的阻力規(guī)律，以期對黃土高原魚鱗坑工程措施合理布設(shè)提供理論依據(jù)與決策支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗用土為黃綿土，用Mastersize2000激光粒度儀測定其機械組成，其中砂粒（2～0.02 mm），粉粒（0.02～0.002 mm），黏粒（＜0.002 mm）分別占35.25%、54.54%和10.21%，以上均為體積分數(shù)，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。土樣風干后過10 mm篩，并將其填裝于長5 m、寬1 m、高0.5 m，坡度為15°的土槽中。裝土之前先在土槽底部鋪15 cm厚天然沙，細沙上鋪透水紗布，以保證試驗土的透水性接近于天然坡面，土壤容重控制在1.1～1.3 g cm-3。

試驗?zāi)M了黃土高原普遍采取的水土保持措施魚鱗坑。魚鱗坑是在填充好的土槽內(nèi)沿坡面方向挖半圓形坑，呈“品”字形排列，深度10 cm，半圓直徑30 cm（如圖1，圖2為5場降雨結(jié)束后的坡面形態(tài)）。土槽下端安裝集流裝置，用來收集徑流、采集泥沙樣。

試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室模擬降雨大廳進行，試驗采用降雨設(shè)備為下噴式自動模擬降雨系統(tǒng)，噴頭高度16 m，降雨強度設(shè)定為90 mm h-1左右，進行5場間歇性降雨，每場降雨間隔3～5 d，待表面無積水、較干燥時，進行下一場降雨。降雨歷時依據(jù)坡面出現(xiàn)明顯的微地形變化特征來確定。待坡面產(chǎn)流后每隔 2 min接取徑流泥沙樣，降雨結(jié)束后用量筒測量并計算獲取瞬時徑流量，用烘干法得到徑流含沙量。細溝內(nèi)流速用QYLS－303型坡面薄層水流流速測量儀進行測量，采用高錳酸鉀染色法測定距坡頂1 m、3 m、5 m的坡面水流流速，間隔4 min，測距1 m，同時用水位測針測量上、中、下坡面及細溝內(nèi)水深。

為驗證坡面薄層水流流速自動測量儀與高錳酸鉀染色法之間所測流速的差異性，試驗開始前，在裝好土的3 m土槽內(nèi)，地表面人工形成具有一定溝網(wǎng)形態(tài)的細溝，對細溝內(nèi)的流速分別采用這兩種方法進行測量，且兩種方法的誤差均在10%以內(nèi)，最大為9.7%，最小為0.5%，因此，本試驗利用這兩種方法的測定值確定了修正系數(shù)（0.96），盡量保證數(shù)據(jù)的一致性。

圖1 魚鱗坑初始地形Fig. 1 Initial form of fish-scale pits

1.2 細溝侵蝕參數(shù)計算

首先采用大型三維激光掃描儀獲取地表高程數(shù)據(jù)。具體測量前要對測量區(qū)域進行實地考察，按照小區(qū)坡面的實際情況設(shè)定激光掃描儀的安裝位置和靶點的架設(shè)位置。試驗中由于魚鱗坑坡面變化較大，同時侵蝕溝道發(fā)育深淺不一，而激光掃描儀的掃描角度又受到限制（上下270°、左右360°）。為此，本研究將測量區(qū)域劃分為4個站點進行測量，各個測量站點之間的數(shù)據(jù)靠標靶點進行拼接，然后開始體表的掃描。掃描時，除第一場降雨外，其后每場降雨初始地形均為前一場的終極地形，獲取精度為1 mm的DEM數(shù)據(jù)，第一場降雨前掃描地形DEM數(shù)據(jù)記作A0。降雨一定時間后地表形態(tài)發(fā)生微小變化時停止降雨，靜置至土槽表面水充分入滲，再次掃描地表所得DEM數(shù)據(jù)記作A1。待降雨后的土槽表面（A1）無積水時，且放置若干天（待室外天氣而定），在A1的基礎(chǔ)上可繼續(xù)進行第二次降雨，降雨后再次掃描地表所得DEM數(shù)據(jù)記作A2。依此類推，分別記作A3、A4、A5，直至最后一場降雨坡面有較大細溝出現(xiàn)，坡面大體形態(tài)沒有太大變化時，停止該處理的降雨試驗。采用ScanMaster軟件對三維激光掃描儀所得土槽地形高程DEM（A1、A2、A3、A4、A5）進行去噪、拼接等初始處理，從而得到去除無效點后同一坐標系下的完整坡面高程數(shù)據(jù)。

之后，將高程數(shù)據(jù)導入ArcGIS 軟件中，得到坡面細溝侵蝕動態(tài)演化過程圖，同時以溝深≥1cm侵蝕深度作為確定侵蝕溝的標準，對細溝溝網(wǎng)和細溝面積進行提取并量取細溝溝寬，在此基礎(chǔ)上計算細溝平面密度和平均深度［15］。

1.3 水力學參數(shù)計算

借鑒河流動力學原理和方法，用相應(yīng)經(jīng)驗公式對坡面流水力學參數(shù)進行計算，包括無量綱參數(shù)雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr。各水力學參數(shù)計算公式如下：

圖2 魚鱗坑的最終地形Fig. 2 Ultima form of fish-scale pits

式中，U為流速，m s-1；h為水深，m；ν為水運動黏性系數(shù)，取值為 7. 0 ×10-5m2s-1。

式中，g為重力加速度，m s-2。

1.4 阻力參數(shù)計算

利用Abrahams等［16］提出的坡面水流阻力分類方法，根據(jù)不同地表處理的阻力來源，坡面流阻力分為顆粒阻力fg、形態(tài)阻力ff、波阻力fw和降雨阻力fr，并且四種阻力可以疊加，疊加后的阻力為坡面流總阻力f。

由于本研究所有處理均未涉及地表覆蓋物、植被、礫石等粗糙源，所以波阻力為零，各地表的疊加阻力f=fg+ff+fr。

2 結(jié) 果

2.1 魚鱗坑坡面侵蝕發(fā)育演化過程研究

通過應(yīng)用 Scan Master 以及 ArcGIS 軟件對5 場間歇性降雨坡面侵蝕形態(tài)發(fā)育過程實現(xiàn)了圖像化和侵蝕參數(shù)的數(shù)字化提取，如圖5所示。從圖中可以看出，在前兩場降雨過程中，魚鱗坑坡面并無明顯變化，降雨初期，坡面土壤含水量比較低，降雨大多就地入滲，加之魚鱗坑橫向切斷徑流，層層攔截，使得徑流的產(chǎn)、匯流過程重新分布，并將一部分降雨蓄納在魚鱗坑內(nèi)；隨著降雨歷時的增加，土壤含水量增大，14.23 min后，部分魚鱗坑被填滿，整個過程中魚鱗坑坡面以雨滴濺蝕和片蝕為主，部分出現(xiàn)小股流及較小跌坎。最大跌坑長3.3 cm，寬2.7 cm，深1.4 cm。第3場降雨開始前，坡面表層土壤含水量已達20.23 %，在降雨0.87 min后坡面開始產(chǎn)流，且在降雨4.60 min后魚鱗坑被填滿，此時坡面股流增加，徑流沖刷作用加大，魚鱗坑初始形態(tài)開始被破壞，坡面開始出現(xiàn)細溝侵蝕，在坡面中部魚鱗坑內(nèi)產(chǎn)生一條長28 cm的小細溝。至第4場降雨，魚鱗坑形態(tài)進一步遭到破壞，且發(fā)生下切侵蝕，坡面上新形成兩條細溝流路，一條出現(xiàn)在魚鱗坑內(nèi)，一條在中下部坡面上。此時最長溝長達53 cm，溝寬11.8 cm，溝深5.5 cm。至第5場降雨，坡面中部細溝變化緩慢，而上部和下部兩條細溝繼續(xù)發(fā)育，出現(xiàn)溯源侵蝕現(xiàn)象，溝長分別較第4場降雨增加了28.6 cm和27 cm。此時最長溝長、溝寬、溝深較細溝出現(xiàn)初期增加至80 cm、22 cm和7.8 cm，如表2所示。

圖3 魚鱗坑坡面細溝形態(tài)發(fā)育過程Fig. 3 Rill morphological development process of fish scale pits

表1 魚鱗坑處理細溝侵蝕參數(shù)Table 1 Parameters of rill erosion of fish-scale pit

2.2 魚鱗坑坡面流流速

坡面徑流的流速直接關(guān)系到坡面水蝕的土壤分離、泥沙輸移和沉積過程，是計算其他水動力學參數(shù)的基礎(chǔ)。因此對坡面徑流流速及其分布的研究至關(guān)重要［17-18］。圖4是魚鱗坑處理坡面流速時空分布圖，由圖可以看出：坡面流速總體上隨降雨場次增加而增加，就單次降雨而言，由于魚鱗坑高低起伏特征，不同坡位的流速呈現(xiàn)波動趨勢且由于下坡匯流面積大，下坡流速明顯大于中坡和上坡流速。產(chǎn)流初期，隨著降雨歷時的增加，徑流量增加，流速增大，但是從20 min左右開始，下坡流速開始下降而至25 min左右又開始上升，這是由于坡面徑流在流動過程中會攜帶泥沙，當攜帶泥沙量較大時，來沙量超過徑流的輸移能力，流速減小，泥沙便會沉積，填平小坑洼地，坡面粗糙度降低，徑流含沙量減少，流速又開始上升。在第2場降雨過程中，由于第1場降雨作用，減小了坡面粗糙度，坡面流速呈現(xiàn)大幅增加的趨勢。由于從第3場降雨開始，坡面出現(xiàn)細溝侵蝕且魚鱗坑遭到破壞，地表起伏變化大，流速在后3場降雨過程中出現(xiàn)波動變化。第4場降雨末期，下坡流速增大至峰值后至第5場降雨又有所降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為在這期間，中下部魚鱗坑被填埋，地表粗糙度顯著降低，水流流速增加，之后，由于水流繞過魚鱗坑形成溝道，各溝道貫通后侵蝕加劇，徑流泥沙迅速增大，導致流速減小。

圖4 魚鱗坑處理流速時空分布圖Fig. 4 The temporal and spatial distribution of velocity of fish scale pits

2.3 魚鱗坑坡面流水深

由圖5可以看出，坡面水深與坡面流速有相同的變化趨勢，總體上是逐漸增長的。在第1場降雨過程中，由于水流下沖力，隨著流量的增加一部分水流來不及下滲，使得坡面徑流深隨時間累積歷時的增加而增大，此外，魚鱗坑對水流的層層攔蓄使得上坡和中坡水深大于下坡水深，且波動變化。在第2、3場降雨過程中，由于土壤含水量增大以及坡上方魚鱗坑逐漸被水流填滿，隨著降雨歷時和流量的增加，坡面徑流深也逐漸增加，并且坡度作用使得下坡水深最大。之后，由于細溝侵蝕和魚鱗坑破壞加劇，增加了坡面徑流的隨機性和不確定性，從而增加了坡面徑流深的波動變化和不確定性。在第4場降雨過程中，坡面水深的變化幅度明顯增大，這是因為隨著大多數(shù)魚鱗坑被沖垮，整個坡面地表形態(tài)遭到嚴重破壞，導致了坡面徑流深隨降雨歷時的增加而忽增忽減。由于，坡上方溝道流路加深加寬，大量水流由細溝流向下坡，使得在第5場降雨中，下坡水深明顯大于上坡和中坡水深。

2.4 魚鱗坑坡面層流與紊流

雷諾數(shù)是判別層流和紊流的定量準則，表征水流慣性力與黏性力比值的無量綱參數(shù)。由圖6可以看出，坡面雷諾數(shù)隨降雨歷時的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢，在整個降雨過程中，上坡和中坡雷諾數(shù)均小于500，水流流態(tài)為層流，下坡雷諾數(shù)在前4場降雨過程中小于500至第5場降雨時超過500，水流流態(tài)由層流變?yōu)槲闪鳌Ｉ掀吕字Z數(shù)變化范圍在23.87～241.2，中坡雷諾數(shù)變化范圍在28.64～289.4，下坡雷諾數(shù)變化范圍在32.98～613. 4，且變化幅度隨降雨歷時的增加而增大。結(jié)合試驗的觀測記錄分析可知，在徑流沖刷初期，跌坎細溝尚未出現(xiàn)，徑流在從坡上向坡下流動的過程中，流速逐漸增大，在慣性力和粘滯力的對比關(guān)系中，徑流慣性力占比越來越大，所以雷諾數(shù)逐漸增大，水流紊動性增加。隨著試驗的進行，坡面開始出現(xiàn)跌坎且魚鱗坑被破壞，水流含沙量增大，雷諾數(shù)減小，這與趙春紅［19］的研究結(jié)果一致。圖中還顯示出在第3、4場降雨過程中，雷諾數(shù)變化幅度明顯增強，這是由于從第3場降雨開始，發(fā)生細溝侵蝕且侵蝕進一步加劇，出現(xiàn)溯源侵蝕，魚鱗坑也進一步遭到破壞，使得雷諾數(shù)出現(xiàn)變化幅度更大的波動性增長。在整個降雨試驗過程中，下坡雷諾數(shù)最大，上坡和中坡的雷諾數(shù)較為接近，這是因為下坡匯流面積大，而匯流會增加水流紊動性［20］。

圖5 魚鱗坑處理水深時空分布圖Fig. 5 The temporal and spatial distribution of runoff depth of fish scale pits

圖6 魚鱗坑處理雷諾數(shù)時空分布圖Fig. 6 The temporal and spatial distribution of Reynolds number of fish scale pits

2.5 魚鱗坑坡面急流與緩流

弗勞德數(shù) Fr是表征水流流態(tài)的無量綱水力參數(shù)之一，它是水流慣性力與重力的比值。由圖7可以看出，無論是上坡還是中坡與下坡，弗勞德數(shù)均呈現(xiàn)大幅度的波動式變化，沒有明顯的規(guī)律性。在整個試驗過程中，上坡弗勞德數(shù)的變化范圍在0.430～1.849，中坡弗勞德數(shù)的變化范圍在0.456～1.761，下坡弗勞德數(shù)的變化范圍在0.521～2.186。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，從第2場降雨開始，各坡位弗勞德數(shù)的變化頻率和變化幅度均明顯增大，結(jié)合試驗觀測記錄分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可知，從第2場降雨開始，魚鱗坑坡面的原始性狀開始遭到破壞，坡面上從出現(xiàn)小跌坑到細溝產(chǎn)生再到細溝侵蝕加劇出現(xiàn)溯源侵蝕，魚鱗坑從遭到輕微破壞到更大面積的嚴重破壞，這些現(xiàn)象共同導致了坡面弗勞德數(shù)的大幅波動式變化。

圖7 魚鱗坑處理弗勞德數(shù)時空分布圖Fig. 7 The temporal and spatial distribution of Froude number of fish scale pits

2.6 魚鱗坑水流阻力分布規(guī)律

圖8顯示的是魚鱗坑處理坡面水流阻力隨降雨累積時間的變化過程圖。由圖可以看出，顆粒阻力、降雨阻力有著相同的波動變化特征，總體上均呈波動式減小的趨勢。其中，坡下方顆粒阻力、降雨阻力和疊加阻力的波動幅度明顯大于坡上方。結(jié)合試驗觀測記錄進一步分析可知，隨著降雨的進行，坡面表層的松散土壤顆粒一方面會由于雨滴的擊濺作用變緊實，另一方面，雨滴會攜帶疏松土壤，對坡面土壤顆粒產(chǎn)生分散作用，松散的土壤顆粒逐漸被降雨帶走，此外，濺起的土壤顆粒會落在小洼地，減小坡面粗糙度，顆粒阻力隨之減小。同時，隨著降雨的進行，坡面土壤含水量逐漸增加，使得雨滴打擊造成水流延遲產(chǎn)生的相應(yīng)附加阻力減小。27 min后，顆粒阻力、降雨阻力和疊加阻力開始增大，對比此時雷諾數(shù)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)在顆粒阻力和降雨阻力增大的同時雷諾數(shù)減小，這可能是由于27 min后，隨著被水流填滿的魚鱗坑開裂和小跌坎的出現(xiàn)，坡面粗糙度增大，含沙量增大，雷諾數(shù)減小，阻力增大，這與張寬地等［21-22］在裸地和植被覆蓋度較小的情況下的研究結(jié)果一致。從第2場降雨至第4場降雨，各坡位阻力的大幅波動變化是由于從第2場降雨開始，坡面出現(xiàn)股流沖刷，產(chǎn)生跌坑和細溝，至第4場降雨開始魚鱗坑被進一步破壞，增加了阻力變化的波動性。之后，由于細溝的發(fā)育和魚鱗坑的破壞已經(jīng)基本穩(wěn)定，能被水流帶走的泥沙顆粒逐漸減少并趨于穩(wěn)定，所以阻力也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由于魚鱗坑坡面微地形的特殊性，整個降雨過程中形態(tài)阻力均占主導地位，并隨著魚鱗坑的逐漸破壞而呈減小趨勢。

3 討 論

3.1 魚鱗坑保蓄水效用

針對黃土高原魚鱗坑措施攔蓄徑流減少土壤侵蝕的問題，魚鱗坑措施是通過對坡面徑流進行攔蓄和重新分配，增加坡面土壤水分入滲，在一定程度上促進林木生長發(fā)育。但是，在不同的坡度、降雨強度和流量條件下，魚鱗坑的保蓄水效果不同。唐小娟［10］研究表明，在10°坡面徑流小區(qū)上，當降雨總量為52.5 mm時，柿子樹+魚鱗坑措施蓄水效果明顯優(yōu)于無魚鱗坑措施的柿子樹，當降雨總量達到88.9 mm時，魚鱗坑被大雨沖垮，徑流調(diào)控作用失效。在20°坡面徑流小區(qū)上，當降雨總量達到104.4 mm時，魚鱗坑徑流系數(shù)和侵蝕量均高于對照，同樣，在強降雨下魚鱗坑被大雨所沖垮，無法起到保水蓄水的作用，且加劇了下方坡面的土壤侵蝕。本研究是在15°坡面上，雨強為1.50 mm min-1左右條件下，研究得出從第3場降雨開始，即降雨累積歷時為58 min，總降雨量達到87 mm時，坡上方的細溝逐漸發(fā)育，水流匯集流速加大，增大下方魚鱗坑內(nèi)水流的紊動性，出現(xiàn)魚鱗坑邊壁被掏蝕、下切、崩塌等一系列過程，侵蝕量顯著增加，無法起到蓄水作用。

由此可見，坡度、雨強和降雨量均對魚鱗坑的保水作用均有著重要的影響，在坡度不同的坡面上，強度與流量不同的降雨，對不同規(guī)格魚鱗坑的沖刷效果不同，故應(yīng)因地制宜，綜合考慮當?shù)氐匦?、降雨特性等多方面影響因素，合理?guī)劃布設(shè)魚鱗坑，也可以結(jié)合覆蓋及其他工程措施來增加魚鱗坑的保水蓄水效果，使魚鱗坑效益最大化。

圖8 魚鱗坑處理水流阻力時空分布圖Fig. 8 The temporal and spatial distribution with flow resistances of fish-scale pits

3.2 魚鱗坑水力學特性

針對復雜地表的水流動力學參數(shù)計算方面，以往在復雜地形包括魚鱗坑坡面，諸多學者均借鑒的是明渠均勻流理論，按照各水力參數(shù)沿程不變、流速為平均流速、水深多為流量與流速的函數(shù)計算，阻力系數(shù)也是借鑒明渠均勻流Darcy-Weisbach公式、Chezy公式和Manning公式等進行相應(yīng)計算與分析，計算值均是反映坡面平均狀況，與地形起伏無關(guān)。本研究則在前人基礎(chǔ)上，認真系統(tǒng)地分析了微地形的非均勻性和凹凸不平的魚鱗坑坡面，通過測定魚鱗坑內(nèi)、坡面細溝內(nèi)、細溝間以及不同坡位處的流速、水深，發(fā)現(xiàn)坡面水流各水力要素隨時空是不斷變化的，此過程中的水流屬于非均勻流，前人均勻流理論很難解釋其水力學特性變化特征。本研究按照魚鱗坑坡面阻力來源，將阻力細分為顆粒阻力、降雨阻力、波阻力和形態(tài)阻力，凝練了一套與前人不同的阻力參數(shù)計算方法。在整個降雨過程因魚鱗坑地形起伏引起的形態(tài)阻力始終占主導位置，揭示了魚鱗坑坡面起到攔截徑流蓄水保土的主要原因。魚鱗坑坡面的特殊地表形態(tài)對阻力來源、阻力變化以及流速、水深和水流流態(tài)的波動變化起決定性作用，由于坡面薄層水流極淺，水流極易受到降雨和地表形態(tài)的影響，因此更加突出了魚鱗坑微地形對水力學特性變化的顯著影響。本研究對魚鱗坑坡面水力學特性的研究，有助于從水動力學角度深入揭示坡面侵蝕演化過程的本質(zhì)。

總之，魚鱗坑坡面土壤侵蝕過程極其復雜，在降雨條件下測量難度較大，本文只是對其水力學特性進行了初步研究，對于揭示復雜非均勻坡面上水力學特性變化具有一定的實踐指導意義，今后還需在提高測量方法和測量技術(shù)的同時對魚鱗坑坡面水流各水力要素進行更精準全面的分析研究，此外魚鱗坑坡面的動態(tài)侵蝕演化過程也需要更多更深入的探究，以期為黃土高原魚鱗坑坡面的侵蝕研究提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

魚鱗坑坡面侵蝕演化發(fā)育過程表現(xiàn)為：雨滴濺蝕—片蝕—股流沖刷—跌坑—細溝侵蝕——下切侵蝕—溯源侵蝕—崩塌。隨著降雨歷時的增加，坡面流速、水深和雷諾數(shù)均呈增長趨勢并伴有一定的波動性。坡下方流速、水深和雷諾數(shù)的大小和波動范圍均大于坡面中上方。隨著降雨歷時的增加，坡面和細溝內(nèi)的顆粒阻力、降雨阻力和疊加阻力均呈波動式減小的趨勢，坡上方阻力大于坡下方阻力。魚鱗坑雖然有一定的蓄水作用，但是會受到較多因素的影響，尚需進行更加深入的研究，旨在為黃土高原的水土保持工作提供科學依據(jù)。

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Erosion Evolution Processes and Hydraulic Characteristics Analysis of Fishscale Pit Slop on Loess Plateau Region

GUO Huili1SUN Liquan1WU Shufang1?LI Yiping1ZHANG Yongdong2
（1Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas，Ministry of Education，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi712100，China；）
（2Bureau of Water Resources，Economic & Technological Development Zones，Wansheng，Chongqing400800，China）

【Objective】Fish-scale pits measure is a widespread and typical soil and water conservation engineering measure in Loess Plateau that can be used to impound runoff and reduce the soil erosion mass and create a good water condition for vegetation growth. In order to clarify erosion evolution processes and flow hydraulic characteristics of fish-scale pies measure under the condition of continuous rainfall. 【Method】In this paper，we analysed the erosion evolution with 3D laser scanner and realized graphical and digital process of erosion evolution on fish-scale pies slope by laboratory five rainfalls simulation. 【Result】The results showed that：（1）Dynamic process of fish-scale pits erosion could be presented as splash erosion-sheet erosion-drop pit-rill erosion-longitudinal erosion-headward erosion-collapse. By the end of the 5th rainfall，the largest rill length、width and depth respectively increased to 80 cm、22 cm and 7.8 cm. During the first two rainfalls，fish-scale pits played a significant role in water storage and silt detention，sheet erosion and rill erosion occurred at some parts of slope；Later，due to excessive water of pits and high moisture content of side slope，leading to collapse phenomenon in pits and longitudinal erosion，rill headward erosion at down-slope，also increased erosion.（2）As the rainfall duration increases，the down-slope velocity and runoff depth were increased with fluctuation because the rainfall could be hold up in pits. What’s more，vortex accurred in pits and streams scour accurred in slope surface.The order of the average flow velocity and the average water depth is：the up-slope＞mid-slope＞down-slope. The velocity and depth in rill were significantly larger the slope. The Reynolds number of up-slope and mid-slope was less than 500，and for down-slope，it was over 500 at the end of 5th rainfall. When rainfall accumulated duration reached 58 min and rainfall increased to 87 mm，erosion increased dramatically. Fish-scale pits unable to played a positive effect.（3）During five rainfalls，the upslope and mid-slope flow regime was laminar flow. With the down-slope pits being filled，slope runoff fluctuated greatly，down-slope flow became turbulent flow from laminar flow and changed between subcritical flow and supercritical flow.（4）Resistance mainly comes from rain，grain and form resistance，and form resistance that orginated from the rugged slope was the dominant resistance. Due to the callapse、scour and fluctuant change of terrain，resistance decreased with rainfall accumulation duration accompanied by minor fluctuations. The order of resistance was form resistance＞ grain resistance＞ rain resistance.【Conclusion】The study was of momentous significance to clarify the fish-scale pit slope erosion and its mechanism，also provides theory basis and decision support for loess plateau area to layout fish-scale pits reasonably. Only if we layout fish-scale pits reasonably in Loess Plateau area can we improve and keep soil moisture greatly.

Fish-scale pits slope；Laboratory continuous rainfall simulation；Dynamic evolution processes；Hydraulic characteristics

S157.1

A

10.11766/trxb201702210617

* 國家自然科學基金項目（41671276）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（ No. 41671276）

? 通訊作者 Corresponding author， E-mail：wsfjs@163.com

郭慧莉（1993—），女，陜西延安人，碩士研究生，主要從事坡面土壤侵蝕過程研究。E-mail：15191851961@163.com

2017-02-21；

2017-04-11；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-05-25

（責任編輯：檀滿枝）