黃土坡面片蝕水流含沙量變化過程試驗研究

李浩宏，王占禮，申 楠，陸紹娟，高素娟

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

黃土坡面片蝕水流含沙量變化過程試驗研究

李浩宏1,2，王占禮2,3，申 楠1,2，陸紹娟1,2，高素娟4

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

黃土坡面；片蝕；水流含沙量；雨強；坡度

采用人工模擬降雨試驗方法對黃土坡面片蝕水流含沙量變化過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明：不同雨強和坡度條件下，片蝕水流含沙量變化過程均表現(xiàn)為先增大后減小，最終趨于相對穩(wěn)定的趨勢；片蝕水流平均含沙量隨雨強和坡度的增大而增大，分別可用冪函數(shù)方程和對數(shù)方程描述；雨強和坡度對片蝕水流含沙量的綜合作用可用二元冪函數(shù)方程很好地描述，其中坡度對坡面片蝕水流含沙量的影響大于雨強；單位水流功率是與片蝕水流含沙量變化過程關(guān)系最密切的水動力學(xué)參數(shù)，是坡面片蝕水流含沙量變化過程發(fā)生發(fā)展的動力根源。

黃土高原是我國土壤侵蝕最為嚴(yán)重的旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅使該區(qū)的生態(tài)環(huán)境不斷惡化，而且給黃河下游地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展帶來嚴(yán)重隱患。黃土高原地區(qū)的土壤侵蝕具有明顯的垂直分帶性，由黃土坡面分水嶺向下依次出現(xiàn)片蝕帶、細(xì)溝侵蝕帶、淺溝侵蝕帶等[1]。片蝕過程是坡面徑流侵蝕過程的第一階段，也是坡面徑流侵蝕形態(tài)演變的初始形態(tài)。片蝕過程的坡面產(chǎn)流，即片蝕水流，是在重力作用下順坡面流動的薄層水流，其在分水嶺附近呈均勻覆蓋的水層，簡稱片流[2]。片流是坡面片狀侵蝕泥沙輸移的載體，其含沙量的變化影響著侵蝕的分離、搬運、沉積三大過程。由于薄層水流分離和搬運坡面土壤顆粒，片流中的含沙量增加，用于搬運泥沙的徑流動能減少，加之顆粒之間碰撞機會增大，容易形成推移質(zhì)，降低了顆粒輸移速度，使得渾水的流速與含沙量呈負(fù)相關(guān)[3]，從而導(dǎo)致坡面泥沙沉積量隨含沙量的增加而增大[4]、片狀侵蝕率減小。在土壤侵蝕過程中水流含沙量不僅是產(chǎn)流、產(chǎn)沙和水沙消長與演變過程的重要指標(biāo)，也是衡量水土流失嚴(yán)重性的重要參數(shù)之一。因此，研究片蝕水流含沙量的變化過程對深入認(rèn)識片蝕過程的水沙關(guān)系變化和水土流失的治理具有重要意義。

目前，關(guān)于坡面水流含沙量的研究已取得了一些研究成果。趙艷茹等[5]的研究表明土壤剝蝕率與水流含沙量之間呈冪函數(shù)關(guān)系，兩者相關(guān)性顯著，可以用水流含沙量預(yù)測土壤剝蝕率。李君蘭等[6]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)超過一定坡長時，坡長增加不會使含沙量增加，在此坡段里徑流對坡面存在著剝蝕和沉積過量泥沙的交替過程。尚佰曉等[7]則指出坡面各坡段土壤侵蝕率在次降雨和年降雨過程中隨著含沙量的增加呈冪函數(shù)遞增。王龍生等[8]研究結(jié)果顯示坡面細(xì)溝水流含沙量與坡長之間相關(guān)性不顯著，而在水力學(xué)參數(shù)中其與單位水流功率的相關(guān)性最為顯著。趙春紅等[9]基于系列室內(nèi)水槽沖刷試驗研究得出含沙量會影響坡面流水動力學(xué)參數(shù)。李光錄等[10]認(rèn)為在雨滴擊濺作用下，薄層水流含沙量隨水深的增加均呈線性遞減的規(guī)律變化。上述研究成果多集中于坡面水流含沙量及其對水動力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)，而針對特定土壤侵蝕類型下水流含沙量的研究較少，對坡面片蝕水流含沙量變化過程的研究更是鮮有報道。本研究采用模擬降雨試驗方法對黃土坡面片蝕水流含沙量變化過程進(jìn)行了試驗研究，以期深入認(rèn)識黃土坡面片蝕過程，為進(jìn)一步揭示黃土坡面片蝕機理和建立黃土坡面片蝕模型奠定基礎(chǔ)，并為黃土坡面水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與試驗土壤

試驗小區(qū)是可調(diào)坡度的升降鋼槽，小區(qū)長1 m、寬0.5 m、深0.4 m。試驗所用降雨設(shè)備為側(cè)噴式人工降雨裝置，降雨高度為 16 m，可使所有雨滴達(dá)到終點速度。試驗土壤取自位于黃河多沙粗沙區(qū)的陜西省神木縣，土壤類型為沙黃土，土壤機械組成為砂粒65.2%、粉粒27. 0%、黏粒5.8%，土壤中值粒徑為0.095 mm。

所有試驗土樣在裝槽前經(jīng)自然風(fēng)干并過5 mm篩，除去雜草和石塊。試驗小區(qū)裝土前，底部先鋪設(shè)厚10 cm 的天然細(xì)沙以模擬天然坡面的透水狀況。填土厚度為20 cm，容重控制為1.5 g/cm3。通過測定過篩風(fēng)干土壤含水量，按設(shè)計容重計算與稱重裝土，土樣按5 cm厚度分層填裝，裝填完成后用環(huán)刀法測定裝土容重，以保證裝填土樣達(dá)到試驗要求。為了降低土壤裝填的變異性，每場試驗前均進(jìn)行30 mm/h的預(yù)降雨，持續(xù)時間以產(chǎn)流剛出現(xiàn)時即停止為標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)降雨和正式試驗間隔12 h。

1.2 試驗設(shè)計與觀測

試驗在中國科學(xué)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)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗設(shè)計雨強分別為1.00、1.33、1.67、2.00、2.33 mm/min；坡度分別為9°、12°、15°、18°、21°，采用雨強和坡度完全組合試驗，設(shè)計重復(fù)試驗一次，共50場次。試驗時，在小區(qū)的徑流出口每分鐘接前 30 s的徑流泥沙樣。用高錳酸鉀染色劑示蹤法測定坡面流速，用溫度計測量渾水溫度。至坡面開始出現(xiàn)細(xì)溝即停止降雨，本試驗歷時11～17 min。降雨結(jié)束后，用量筒精確量取渾水樣體積，然后澄清、撇掉清水，烘干稱重后計算出片蝕水流含沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 片蝕水流含沙量隨降雨歷時的變化

2.1.1 不同雨強條件下片蝕水流含沙量隨時間的變化

將坡度15°時不同雨強條件下片蝕水流含沙量隨時間變化的試驗觀測數(shù)據(jù)繪制成圖1。由圖1可以看出，在同一坡度、不同雨強條件下，片蝕水流含沙量隨時間的變化總體表現(xiàn)為先增加后減少隨后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中3個較小雨強(1.00、1.33、1.67 mm/min)下，產(chǎn)流后5 min內(nèi)片蝕水流含沙量隨時間快速增加并達(dá)到峰值，隨后出現(xiàn)減少趨勢并最終趨于穩(wěn)定；兩個較大雨強(2.00、2.33 mm/min)下，含沙量增加歷時短且幅度小，片蝕水流含沙量峰值出現(xiàn)時間比3個較小雨強的早，在2～3 min時出現(xiàn)一個高峰，6 min后片蝕水流含沙量的變化相對穩(wěn)定。整體而言，3個小雨強下的片蝕水流含沙量的遞增速率和遞減速率較兩個大雨強的要大。此外，總體來說，1.67 mm/min雨強下的片蝕水流含沙量相對于其他雨強下的含沙量要大得多，且含沙量的變化波動較明顯，說明在片蝕過程中可能存在使坡面水流含沙量到達(dá)峰值的臨界雨強，這還有待于進(jìn)一步試驗研究。

在土壤侵蝕過程中，含沙量變化是產(chǎn)流產(chǎn)沙和水沙關(guān)系消長與演變的重要指標(biāo)。本試驗中各雨強條件下片蝕水流含沙量隨時間的變化特征表明，在含沙量快速增加階段，水沙變化特征表現(xiàn)為徑流相對于輸沙越來越少；隨后含沙量減少，水沙變化特征表現(xiàn)為徑流相對于輸沙越來越多；最后含沙量隨時間變化趨于相對穩(wěn)定，水沙變化特征表現(xiàn)為徑流與輸沙的變化過程相對一致，即徑流相對于輸沙不增不減，輸沙相對于徑流亦然。

2.1.2 不同坡度條件下片蝕水流含沙量隨時間的變化

將雨強為1.67 mm/min時不同坡度條件下片蝕水流含沙量隨時間變化的試驗觀測數(shù)據(jù)繪制成圖2。由圖2可以看出，相同雨強不同坡度條件下的片蝕水流含沙量隨降雨歷時的變化趨勢與相同坡度不同雨強條件下的含沙量變化趨勢相似，都是整體表現(xiàn)為先增加后減小隨后趨于相對穩(wěn)定的趨勢。其中，在3個小坡度(9°、 12°、15°)條件下，產(chǎn)流5 min內(nèi)片蝕水流含沙量緩慢遞增并達(dá)到峰值，隨后含沙量減小并最終趨于相對穩(wěn)定；而2個大坡度(18°、21°)條件下，開始產(chǎn)流的4 min內(nèi)片蝕水流含沙量過程波動明顯，總體表現(xiàn)為增加趨勢，之后含沙量減少并基本趨于穩(wěn)定。整體而言，兩個較大坡度下的片蝕水流含沙量的遞增速率和遞減速率均比3個小坡度下的要大。試驗結(jié)果也顯示坡度越大，片蝕水流含沙量也越大。

2.1.3 不同雨強與不同坡度條件下片蝕水流含沙量對比分析

比較不同雨強與不同坡度條件下片蝕水流含沙量的變化過程發(fā)現(xiàn)：二者變化趨勢具有相似性，都是產(chǎn)流后隨著降雨歷時表現(xiàn)出先增大后減小最后趨于相對穩(wěn)定的趨勢。但是，二者變化趨勢存在一定差異，即產(chǎn)流前期，3個小坡度條件下的片蝕水流含沙量隨時間的遞增速率小于3個較小雨強條件下的遞增速率，而兩個較大坡度條件下的片蝕水流含沙量隨時間的變化呈現(xiàn)上下波動變化，總體的遞增速率比兩個較大雨強條件下的遞增速率要大；在產(chǎn)流后期，不同坡度條件下的片蝕水流含沙量隨時間的變化過程比不同雨強條件下的更趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

坡面片蝕水流含沙量隨降雨過程發(fā)生這種先增大后減小最后趨于相對穩(wěn)定變化的原因是：在降雨前期，坡面片流將雨滴打擊分離的松散土粒帶走，坡面含沙量急劇增加；隨著降雨的繼續(xù)，坡面徑流水深增加，雨滴對表土的打擊分散能力減弱，坡面沒有足夠的可被徑流搬運的細(xì)顆粒，則坡面片蝕水流含沙量降低；當(dāng)坡面入滲率趨于穩(wěn)定時，坡面產(chǎn)流率也趨于穩(wěn)定[11]，徑流分離、搬運的泥沙量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，則坡面片蝕水流含沙量也趨于相對穩(wěn)定。由于在降雨過程中土壤表面形成的結(jié)皮一直處于不斷被打破又形成的狀態(tài)，坡面可被搬運的泥沙量波動變化，所以降雨后期坡面片蝕水流含沙量呈波動變化。在相同坡度不同雨強條件下，由于大雨強下的坡面產(chǎn)流率較小雨強下的要大[11]，之后坡面徑流水深增加，雨滴對表土的打擊分散能力及其對坡面薄層徑流的擾動能力減弱，坡面徑流攜帶的泥沙減少，因此大雨強下的坡面含沙量增幅較小雨強下的要小。在相同雨強不同坡度條件下，由于大坡度下降雨來不及下滲就產(chǎn)流，且雨滴對坡面的打擊作用下降，坡面松散顆粒減少，坡面輸沙減少，而后受徑流的剝蝕作用，坡面輸沙增加，因此坡面片蝕水流含沙量在開始產(chǎn)流的4 min內(nèi)波動變化明顯。

2.2 降雨強度對片蝕水流含沙量的影響

降雨強度是影響土壤侵蝕的重要因素，對坡面水流產(chǎn)沙有重要影響，其影響主要表現(xiàn)為降雨雨滴的打擊作用和形成徑流的侵蝕作用。對不同雨強條件下次降雨產(chǎn)沙的片蝕水流平均含沙量與降雨強度之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析表明，片蝕水流平均含沙量隨降雨強度的變化可用冪函數(shù)較好地描述，相關(guān)方程為

(1)

式中：G為片蝕水流平均含沙量，kg/m3；I為降雨強度，mm/min。

式(1)表明，降雨強度越大，片蝕水流平均含沙量越大，二者相關(guān)關(guān)系顯著。降雨強度對片蝕水流含沙量的影響主要表現(xiàn)為降雨雨滴打擊分離土壤，使土表形成許多松散的土粒，為坡面水流搬運提供了更多沙源。并且在水流形成后，水流對土體的分離、搬運動力主要來源于雨滴的打擊力和受其擾動的水流[11]，降雨強度越大則由于雨滴的打擊擾動使坡面水流的紊動性越強，其侵蝕能力也越強，坡面片蝕水流含沙量越大。因此，不同雨強條件下次降雨產(chǎn)沙的片蝕水流平均含沙量隨著降雨強度的增強而增大。

2.3 坡度對片蝕水流含沙量的影響

坡度是影響土壤侵蝕的地形因子。對不同坡度條件下次降雨產(chǎn)生的片蝕水流平均含沙量與坡度之間關(guān)系的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出相關(guān)方程和檢驗結(jié)果為

G=133.47lnS-239.61

(2)

式中：S為坡度，(°)。

式(2)表明，片蝕水流平均含沙量與坡度的關(guān)系可用對數(shù)函數(shù)很好地描述，且二者極顯著相關(guān)。試驗條件下，隨著坡度的增大，雨滴對水流的垂直打擊力降低，沿坡面向下的分力加大，坡面水流流速、流量增大，水流的剝蝕能力增強，坡面含沙量隨之增加。并且隨著坡度的增大，土壤穩(wěn)定性降低，土壤抗蝕性與抗沖性減弱，最終導(dǎo)致坡面片蝕作用增大，片蝕水流平均含沙量隨坡度的增大而增大。

2.4 黃土坡面片蝕水流含沙量變化經(jīng)驗方程

降雨強度和坡度是影響坡面片蝕產(chǎn)沙的降雨特征因子和地形因素。對不同降雨強度和坡度條件下片蝕水流平均含沙量變化的觀測結(jié)果進(jìn)行多元統(tǒng)計分析，得出黃土坡面片蝕水流平均含沙量變化的經(jīng)驗方程為

(3)

式(3)表明，黃土坡面片蝕水流平均含沙量隨雨強和坡度的變化可用二元冪函數(shù)方程描述。檢驗結(jié)果表明，片蝕水流平均含沙量與雨強和坡度之間具有顯著的相關(guān)性。隨著雨強和坡度的增大，片蝕水流平均含沙量呈冪函數(shù)增加，且坡度對坡面片蝕水流含沙量的影響遠(yuǎn)大于雨強。

2.5 黃土坡面片蝕水流含沙量變化過程動力學(xué)機理

坡面片蝕水流含沙量變化過程實際上是片蝕水流過程中侵蝕輸沙的變化過程，它反映了坡面水流對土壤的分離和搬運的過程，該過程其實是水流動力對土壤的作用。片蝕水流的水動力學(xué)特征直接影響著含沙量的大小，需要將片蝕水流含沙量與水動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系做進(jìn)一步研究，找出與片蝕水流含沙量變化過程關(guān)系最密切的水動力學(xué)參數(shù)，從而揭示片蝕水流含沙量變化的動力根源。目前國內(nèi)外學(xué)者描述水流動力學(xué)特征多采用水流剪切力、水流功率和單位水流功率等水動力學(xué)參數(shù)[8, 12-15]。本試驗對不同雨強和不同坡度條件下，次降雨過程中坡面片蝕水流含沙量與相應(yīng)的片蝕瞬時水流剪切力、水流功率和單位水流功率之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析，取得的結(jié)果為

(4)

(5)

(6)

式中：G為片蝕水流含沙量，kg/m3；P為單位水流功率，m/s；W為水流功率，W/m2；τ為水流剪切力，Pa。

從式(4—6)可看出，試驗條件下次降雨過程中單位水流功率與片蝕水流含沙量之間的相關(guān)性明顯高于含沙量與水流功率、水流剪切力之間的相關(guān)性，說明本試驗條件下坡面片蝕水流含沙量變化過程的發(fā)生、發(fā)展源于單位水流功率的動力作用。

3 結(jié) 語

采用人工模擬降雨試驗方法，對不同降雨強度和不同坡度下的黃土坡面片蝕水流含沙量變化過程進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)果：

(1)不同降雨強度下，片蝕水流含沙量隨徑流過程的變化表現(xiàn)為先增加后減少隨后趨于相對穩(wěn)定的態(tài)勢，3個較小雨強下產(chǎn)流后5 min內(nèi)的片蝕水流含沙量隨徑流過程快速增大，而兩個較大雨強下含沙量增加歷時短且幅度小。3個小雨強下片蝕水流含沙量峰值出現(xiàn)的時間較兩個大雨強下的滯后。

(2)不同坡度條件下，片蝕水流含沙量變化過程依然表現(xiàn)為先增加后減少，在產(chǎn)流5 min后轉(zhuǎn)為平緩變化的趨勢。兩個較大坡度下片蝕水流含沙量的遞增速率、遞減速率較3個較小坡度的要大。坡度越大，片蝕水流含沙量越大。

(3)不同雨強條件下，片蝕水流平均含沙量隨雨強的變化可用冪函數(shù)方程較好地描述，并隨雨強的增大而增大；不同坡度條件下，片蝕水流平均含沙量隨著坡度的變化可用對數(shù)函數(shù)方程很好地描述，二者之間也呈正相關(guān)關(guān)系；不同雨強和坡度條件下的片蝕水流平均含沙量隨雨強、坡度的變化可用二元冪函數(shù)方程表示，其中坡度對坡面片蝕水流含沙量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于雨強。

(4)試驗條件下與片蝕水流含沙量變化過程關(guān)系最密切的水動力學(xué)參數(shù)是單位水流功率，片蝕水流含沙量變化過程的發(fā)生、發(fā)展源于單位水流功率的動力作用過程。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金項目(41471230、41171227、40971172)；中國科學(xué)院重點項目 (KZZD-EW-04-03)資助項目

S157.1

A

1000-0941(2015)03-0046-04

李浩宏(1989—)，女，河北石家莊市人，碩士研究生，研究方向為土壤侵蝕；通信作者王占禮(1960—)，男，陜西榆林市人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕過程和預(yù)報模型研究。

2014-09-30