不同雨強和坡度條件海涂鹽土邊坡侵蝕細溝發(fā)育過程

鄭加興佘冬立徐翠蘭劉冬冬沈 暉

（1.河海大學南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；2.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098；3.江蘇省土地開發(fā)整理中心，江蘇南京 210017）

不同雨強和坡度條件海涂鹽土邊坡侵蝕細溝發(fā)育過程

鄭加興1，佘冬立1，2，徐翠蘭3，劉冬冬1，沈 暉1

（1.河海大學南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；2.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098；3.江蘇省土地開發(fā)整理中心，江蘇南京 210017）

采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗，在不同坡度（11.3°、21.8°、35.0°）和降雨強度（85 mm／h、110mm／h、125mm／h）條件下，模擬海涂鹽土邊坡細溝發(fā)育過程。坡面侵蝕細溝發(fā)育動態(tài)采用數(shù)碼攝像進行監(jiān)測，通過Image?Pro Plus（IPP）6圖像分析軟件對圖像和數(shù)據(jù)進行整理。結(jié)果表明：（a）不同坡度和降雨強度條件下，徑流產(chǎn)生后，很快在坡面形成細溝且細溝溝網(wǎng)密度變化較快；細溝數(shù)量、細溝深度、細溝平均寬度和細溝密度均隨降雨時間延長而增大。（b）緩坡度條件下，土壤跌坑發(fā)育慢，細溝侵蝕率低；隨著坡度增大，坡面跌坑形成后水流聚集迅速，水流侵蝕沖刷力強，細溝發(fā)育快。（c）細溝發(fā)育越深，坡面細溝數(shù)量也越多；坡面侵蝕率與細溝平均深度及水流雷諾數(shù)分別在p＜0.05和p＜0.01水平上呈顯著的正線性相關(guān)關(guān)系。

海涂鹽土邊坡；邊坡坡度；降雨強度；細溝侵蝕；相關(guān)性分析

我國是世界土壤侵蝕最嚴重的國家之一，其土壤侵蝕范圍遍及全國各地，威脅社會和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［1?2］。細溝侵蝕為土壤侵蝕的重要類型之一，是細溝溝岸和溝底土壤被細溝中的股流所分散、剝離和輸移的過程。侵蝕細溝的產(chǎn)生將加劇坡面侵蝕程度，細溝侵蝕量占坡面總侵蝕量的絕大部分［3?4］。細溝侵蝕發(fā)育過程及侵蝕產(chǎn)沙特征的研究對水土保持規(guī)劃、土壤侵蝕模型模擬等方面具有重要意義。

細溝侵蝕的發(fā)生取決于坡面水流水力學特性和坡面下墊面條件，包括降雨徑流條件、土壤性質(zhì)、地形因素、坡度、降雨雨強等。鄭粉莉等［5?7］、李君蘭等［8］研究了土壤侵蝕過程中包括細溝侵蝕在內(nèi)的不同侵蝕方式發(fā)生的臨界判定式，所構(gòu)建的侵蝕形態(tài)演變過程動態(tài)監(jiān)測方法與模擬模型填補了該領(lǐng)域研究空白，并為流域侵蝕防治和預(yù)報模型建立提供了重要的科學依據(jù)。Gomez等［9］研究了土壤表面粗糙度對細溝發(fā)育過程的影響。作為降雨、徑流水動力作用界面，土壤是決定侵蝕過程最重要的內(nèi)在因素。不同類型的土壤，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與土壤抵抗降雨濺蝕能力、降雨入滲以及土壤結(jié)皮形成、徑流的沖刷和泥沙的顆粒特性等侵蝕特性方面都存在著很大的差異，因此雨滴擊濺?徑流沖刷下坡面侵蝕細溝的發(fā)育過程及其水力學機理也有所差異。目前我國在這方面的研究主要集中于西北黃土、東北黑土、南方紅壤等，對于灘涂鹽堿地粉砂土的研究資料較少，極大限制了對該類型土壤細溝侵蝕過程的研究［10］。筆者在模擬降雨試驗的基礎(chǔ)上，分析海涂圍墾區(qū)鹽堿土在坡度和降雨雨強雙因素條件下細溝的發(fā)育過程，以期為防治該區(qū)域水利工程邊坡侵蝕提供科學支持。

1 試驗材料與方法

1.1 土壤材料

試驗土樣取自江蘇省南通市如東縣東陵墾區(qū)（121°22′E，32°36′N）。土壤砂粒（粒徑0.25～0.05 mm）、粉粒（粒徑0.05～0.002mm）、和黏粒（粒徑小于0.002mm）的質(zhì)量分數(shù)分別為38.6%、52.9%和8.5%，有機質(zhì)質(zhì)量比為3.26g／kg，鈉離子質(zhì)量比為1.6g／kg，交換性鈉的質(zhì)量分數(shù)為68.9%，1∶5土樣和水經(jīng)過振蕩、離心后的電導(dǎo)率為5.98mS／cm。試驗土樣經(jīng)自然風干后過4mm篩，充分混合均勻。

1.2 試驗設(shè)計

模擬降雨試驗采用組合側(cè)噴式單噴頭降雨器［11］，降雨噴頭組成包括噴頭體、碎流擋板和出流孔板部件。降雨器支架高度為4m，雨滴上噴高度為0.5m，雨滴到達水平地面的高度為4.5 m，雨滴降落速度可達到自然雨滴速度的95%以上，降雨均勻度為87%。降雨區(qū)采用2個噴頭互噴式，相隔距離5 m，形成疊加降雨區(qū)。每個噴頭裝置連接1根帶有控制閥門的供水管，供水采用中型泵取水（揚程45m，流量6m3／s）。通過調(diào)節(jié)壓力，可獲得不同的降雨強度（本試驗降雨強度分別為85 mm／h、110 mm／h、125 mm／h）。每次試驗降雨持續(xù)時間為72min。試驗用土槽采用Meyer［12］類似的設(shè)計。土槽長50cm、寬30 cm、高15cm。土槽底部鋪設(shè)直徑2～10 mm的石子，厚度約為4.5 cm，裝土前再鋪1層紗布，保持平整，裝填土壤密度控制在1.3 g／cm3左右。土槽坡度設(shè)置為11.3°、21.8°、35.0°共3個梯度。每個處理進行2次重復(fù)。

坡面侵蝕過程中細溝發(fā)育動態(tài)采用數(shù)碼攝像記錄方式進行監(jiān)測，通過Image?Pro Plus（IPP）6圖像分析軟件對圖像和數(shù)據(jù)進行整理以得出細溝發(fā)育的動態(tài)變化過程。本文主要選取各場降雨試驗下坡面產(chǎn)生徑流后3min、6min和9min細溝發(fā)育過程進行繪圖對比研究。同時，坡面開始產(chǎn)生徑流后每隔2 min取徑流、泥沙樣，觀察徑流、侵蝕動態(tài)變化。采用高錳酸鉀染色劑法結(jié)合數(shù)碼攝像機錄像與IPP圖像處理分析方法，每隔2min分別測定細溝數(shù)量和細溝間的水流速度。試驗過程中降雨水溫18～22℃。根據(jù)實測降雨強度資料與徑流資料，計算坡面水流動力學參數(shù)［13］，包括水流雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr和曼寧糙率系數(shù)n。試驗數(shù)據(jù)采用Excell和Spss12.0進行分析處理。

2 結(jié)果分析

2.1 降雨強度對坡面細溝發(fā)育過程的影響

降雨強度對坡面細溝的形成和發(fā)育有著重要影響［14］。圖1呈現(xiàn)了坡度為35.0°情況下，降雨強度分別為85mm／h、110mm／h、125mm／h時各次降雨下鹽土坡面細溝形態(tài)發(fā)育過程。海涂圍墾區(qū)鹽土粉砂性強，降雨過程中坡面開始產(chǎn)流，細溝即開始發(fā)育，隨著產(chǎn)流時間的推進，坡面土壤細溝數(shù)量增加，細溝寬度和深度不斷增大，之后趨于穩(wěn)定。對各次降雨試驗下坡面侵蝕細溝數(shù)、寬度和深度發(fā)育的統(tǒng)計結(jié)果見表1。不同降雨強度下，海涂鹽土坡面細溝的發(fā)育主要體現(xiàn)在細溝數(shù)量和深度的發(fā)育。各徑流小區(qū)坡面經(jīng)濺蝕、表土入滲飽和等過程后，從坡面中下部開始產(chǎn)生徑流。在降雨水流的淘蝕作用下，坡面中下部逐漸出現(xiàn)跌坑。跌坑處由于積水形成一股水流，增加了水流的侵蝕力，同時土壤表面形態(tài)的變化遭到破環(huán)，使土壤抗侵蝕能力下降，直至徑流在該處突然下泄，跌坑不斷向坡面上部發(fā)展，坡面侵蝕細溝形成。隨著降雨過程的進行，水流對細溝的溝底切割加深，侵蝕量增大。

坡度為35.0°、降雨強度分別為85 mm／h、110mm／h、125mm／h的坡面，開始產(chǎn)流的時間略有差異，分別為33min、29min和27 min。從各坡面產(chǎn)流后3 min細溝發(fā)育的圖像可以看出海涂_鹽土坡面降雨產(chǎn)流后不久就能形成細溝，此時細溝數(shù)量分別為121條、90條、63條，細溝平均寬度分別為0.31 cm、0.27 cm、0.34 cm。隨著降雨侵蝕的繼續(xù)進行，坡面細溝溝壁穩(wěn)定性降低，加上此時溝壁土層含水量不斷增大，土塊逐漸失去平衡，坍塌至溝底，導(dǎo)致細溝寬度相應(yīng)地增加。徑流產(chǎn)生9 min的時候，細溝網(wǎng)已經(jīng)發(fā)育完全，此時各降雨強度下坡面細溝數(shù)量分別為137條、125條、81條，細溝平均寬度分別為0.46 cm、0.34 cm、0.51 cm。在降雨強度為 85 mm／h、110mm／h、125mm／h的情況下，細溝侵蝕密度分別為19.15%、27.03%、27.01%，較細溝發(fā)育初期（產(chǎn)流后3min）分別增加了1.6倍、2.7倍、3.0倍，細溝密度隨時間的變化也不斷增加。

2.2 坡度對細溝動態(tài)發(fā)育過程的影響

如圖2所示，降雨強度為110 mm／h，坡度分別為11.3°、21.8°和35.0°時，細溝發(fā)育過程明顯。坡度為11.3°時，徑流產(chǎn)生初期，坡面濺蝕不明顯；跌坑產(chǎn)生后，水流需較長時間在跌坑內(nèi)聚集，水流侵蝕力弱，跌坑向上發(fā)育變慢，延緩了細溝的形成；隨著坡度增大，坡面跌坑形成后水流聚集迅速，水流侵蝕沖刷力增強，細溝發(fā)育加快。

表2是降雨強度為110mm／h，坡度分別為11.3°、21.8°和35.0°情況下，徑流產(chǎn)生后細溝發(fā)育參數(shù)。隨著降雨時間的持續(xù)，細溝數(shù)量不斷增加；坡度越大，細溝數(shù)量越多，在徑流開始3 min時，坡度為35.0°的細溝數(shù)量是坡度為21.8°和11.3°的1.43倍和3.75倍；坡面產(chǎn)流后9 min，坡度為35.0°的細溝數(shù)量是坡度為21.8°和11.3°的1.14倍和1.79倍；平均細溝深度和寬度隨著時間的持續(xù)而增大，坡度為21.8°時，細溝最大平均深度分別是坡度在11.3°和35°下最大平均深度的13.1倍和1.16倍。

2.3 侵蝕參數(shù)與水力學參數(shù)的相關(guān)性分析

坡面細溝的發(fā)育是坡面水流沖刷與土壤抗蝕作用的綜合結(jié)果［15］。表3給出了部分試驗參數(shù)。不同降雨強度和坡度條件下，徑流產(chǎn)生的時間并沒有顯著的規(guī)律性，這與土壤初始狀態(tài)有關(guān)。降雨強度相同，坡度變化的情況下，總產(chǎn)沙量隨時間變化明顯。在降雨強度為110 mm／h、坡度為35.0°時的總產(chǎn)沙量是坡度為21.8°和11.3°時總產(chǎn)沙量的2.31倍和9.97倍。坡度為11.3°和21.8°，降雨強度變化的情況下，總產(chǎn)沙量不斷增大。坡度為35.0°、降雨強度變化的情況下，總產(chǎn)沙量先增大、后減小。說明存在一個臨界坡度，在降雨強度變化的情況下總產(chǎn)沙量先增加到最大值，然后逐漸減小并達到穩(wěn)定。

為了研究水力參數(shù)與細溝發(fā)育過程的關(guān)系，試驗取用坡面產(chǎn)生徑流后0～9 min相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，利用Spss軟件進行了Pearson相關(guān)性檢驗（雙側(cè)檢驗），結(jié)果如表4所示。研究結(jié)果表明，細溝平均深度與細溝數(shù)量在0.01水平下兩兩顯著相關(guān)，說明細溝平均深度越深，坡面形成的細溝數(shù)量也就越多；細溝平均深度與坡面溝網(wǎng)密度、坡面侵蝕率在0.05水平下兩兩顯著相關(guān)；坡面侵蝕率與雷諾數(shù)在0.01水平下顯著相關(guān)且隨著坡面侵蝕率與水流雷諾數(shù)成線性相關(guān)（Rs＝1.9576Re-4.6432；R2＝0.71），這樣的結(jié)果可能緣于雷諾數(shù)的增加，水流沖刷形成的慣性力作用增強，產(chǎn)流量增大，產(chǎn)流挾帶的泥沙量增加，坡面侵蝕率也隨之增加；流速與弗勞德數(shù)在0.01水平下顯著相關(guān)。然而坡面侵蝕率與流速、弗勞德數(shù)、曼寧糙率系數(shù)等水力學參數(shù)關(guān)系不明顯，需要進一步研究。

3 結(jié) 語

細態(tài)發(fā)育過程的研究對土壤侵蝕過程演變研究具有重要意義。細溝發(fā)育受土壤質(zhì)地、坡度、降雨強度等因素的影響。筆者采用人工模擬降雨，在不同坡度和降雨強度條件下對細溝發(fā)育過程和水力參數(shù)進行分析，主要結(jié)論如下：

a.降雨強度對海涂鹽土坡面細溝動態(tài)發(fā)育過程的影響明顯；不同降雨強度下，海涂鹽土坡面細溝的發(fā)育主要體現(xiàn)在細溝數(shù)量和深度的發(fā)育。

b.在不同坡度和降雨強度條件下，海涂鹽土坡面細溝數(shù)量、細溝深度、細溝平均寬度和細溝密度隨著降雨歷時的持續(xù)而不斷增加。

c.緩坡條件下，海涂鹽土土壤跌坑發(fā)育慢，細溝侵蝕率低；隨著坡度增大，坡面跌坑形成后水流聚集迅速，水流侵蝕沖刷力強，細溝發(fā)育快。

d.細溝發(fā)育越深，坡面細溝數(shù)量也越多；海涂鹽土坡面侵蝕率與細溝平均深度及水流雷諾數(shù)分別在p＜0.05和p＜0.01水平上呈顯著的正線性相關(guān)關(guān)系。

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Evolution process of erosion rill on saline soil slope in coastal reclamation with different rainfall intensities and slope gradients

ZHENG Jiaxing1，SHE Dongli1，2，XU Cuilan3，LIU Dongdong1，SHEN Hui1
（1.Key Laboratory of Efficient Irrigation?Drainage and Agricultural Soil?Water Environment in Southern China，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Jiangsu Land Consolidation and Rehabilitation Center，Nanjing 210017，China）

Simulated rainfall experiments were conducted with three slope gradients（11.3°，21.8°，and 35.0°）and three rainfall intensities（85 mm／h，110 mm／h，and 125 mm／h）to investigate the rill evolution process on saline soil slopes in coastal reclamation.The evolution process of rill erosion was recorded with a digital camera，and then the image data were analyzed with Image?Pro Plus（IPP）6 software.The results are as follows：（a）Rills formed soon after the runoff occurred and the rill density changed rapidly with different slope gradients and rainfall intensities.The rill number，rill depth，average rill width，and rill density increased with the rainfall duration.（b）At low slope gradients the drop pits developed slowly，and the rill erosion rate was low.With the increase of the slope gradient，water concentrated in the drop pits rapidly，and the erosion rate increased，leading to rapid evolution of rills.（c）The number of rills increased with the rill depth.There were significant linear positive correlations of the slope erosion rate with the average depth of rills andReatp＜0.05 andp＜0.01，respectively.

saline soil slope in coastal reclamation；slope gradient；rainfall intensity；rill erosion；correlation analysis

S157

A

1000-1980（2015）04-0313-06

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.006

2014-0930

國家自然科學基金（51109063，41471180）

鄭加興（1989—），男，安徽池州人，碩士研究生，主要從事水資源規(guī)劃研究。E?mail：846766720＠qq.com

佘冬立，教授。E?mail：shedongli＠hhu.edu.cn