雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕的輸沙機(jī)理

鄭騰輝，邢媛媛，何凱旋，滕　飛，李光錄,

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a水土保持研究所,b資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

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雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕的輸沙機(jī)理

鄭騰輝1a，邢媛媛1b,2，何凱旋1b，滕飛1b，李光錄1a,1b

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a水土保持研究所,b資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

[摘要]【目的】 針對(duì)雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕過程輸沙機(jī)理研究中存在的問題,研究雨滴擊濺對(duì)坡面徑流輸沙的影響?！痉椒ā?采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn),以土婁土、黃綿土和黑壚土為供試土壤，在不同雨滴直徑(直徑2.22，2.68和3.04 mm)、不同坡度(0°，2°和4°)和薄層水流厚度(0，2，4和6 mm)條件下，分析單雨滴擊濺時(shí)，泥沙濺蝕量與水層厚度的關(guān)系；多雨滴擊濺時(shí)，泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的關(guān)系，分別對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行擬合；同時(shí)，對(duì)于多雨滴擊濺時(shí)，不同薄層水流厚度下黃綿土泥沙濺蝕量和雨滴動(dòng)能的關(guān)系進(jìn)行了分析?！窘Y(jié)果】 單雨滴擊濺時(shí)，泥沙濺蝕量隨水層厚度的增加而減少，且雨滴直徑越大其擾動(dòng)水層厚度越大，當(dāng)雨滴直徑由2.22 mm增加到3.04 mm時(shí)，平均擾動(dòng)水層厚度由10 mm增加到14.67 mm。多雨滴擊濺時(shí)，在相同的坡度(0°～4°)，不同土壤和雨滴直徑下，隨薄層水流厚度的增加，泥沙濺蝕量呈先升后降趨勢(shì)；當(dāng)薄層水流厚度相同時(shí)，隨雨滴直徑的增加，泥沙濺蝕量呈增大趨勢(shì)。當(dāng)雨滴動(dòng)能不變時(shí)，泥沙濺蝕量隨著薄層水流厚度的增加而增大；當(dāng)薄層水流厚度一定時(shí)，泥沙濺蝕量隨雨滴動(dòng)能的增加而增大?！窘Y(jié)論】 建立了單雨滴擊濺和多雨滴擊濺條件下擾動(dòng)水層厚度關(guān)與泥沙濺蝕量的關(guān)系式。

[關(guān)鍵詞]模擬降雨；薄層水流；混合侵蝕；雨滴動(dòng)能；雨滴擊濺；輸沙機(jī)理

雨滴濺蝕是以雨滴打擊為主要?jiǎng)恿?，打擊地表引起土壤分散、躍移的一種侵蝕方式[1]。薄層徑流則是通過對(duì)土壤分散、懸浮和搬運(yùn)而形成侵蝕[2]。雨滴擊濺與薄層徑流混合作用于某一坡面時(shí),其侵蝕過程更為復(fù)雜,且侵蝕強(qiáng)度明顯增加。雨滴侵蝕量一般占總侵蝕量的70%以上，薄層水流侵蝕所產(chǎn)生的泥沙絕大部分是由雨滴擊濺所致[3]。雨滴從空中垂直下落，對(duì)坡面上的泥沙產(chǎn)生2種作用，一種在垂直坡面方向，雨滴對(duì)泥沙顆粒產(chǎn)生向下的打擊作用，使坡面泥沙更加密實(shí)，更難于起動(dòng);另一種沿坡面水流方向，雨滴對(duì)坡面泥沙顆粒產(chǎn)生分散作用，使坡面泥沙松動(dòng)，易于起動(dòng)[4]。黃土坡面土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展過程包括細(xì)溝間侵蝕過程、細(xì)溝侵蝕過程和淺溝侵蝕過程,三者的發(fā)生發(fā)展及其在坡面侵蝕產(chǎn)沙中的作用是目前坡面侵蝕機(jī)制研究的核心內(nèi)容,也是坡面侵蝕預(yù)報(bào)模型所考慮的關(guān)鍵所在[5]。野外和室內(nèi)試驗(yàn)也證實(shí),雨滴擊濺對(duì)侵蝕和泥沙輸移具有重要的影響[6-11]。坡面薄層水流并不是簡(jiǎn)單的遵循雷諾規(guī)律，它應(yīng)該既不是層流，也不是充分紊流，而是一種介于它們之間的特殊流動(dòng)[12]。雨滴打擊能夠使坡面薄層水流由層流變?yōu)槲闪骰驍_動(dòng)層流,從而增加其侵蝕能力[6-8]。 Kinnel[13-17]對(duì)非黏性沙土的雨滴擊濺試驗(yàn)結(jié)果顯示, 隨薄層水流深度的增加, 泥沙剝蝕量減??；Gabet等[18]研究認(rèn)為,坡面薄層水流與濺蝕關(guān)系明顯,對(duì)侵蝕產(chǎn)沙有較大制約作用。坡面是構(gòu)成山地丘陵和破碎高原的重要景觀單元,而坡面薄層水流產(chǎn)生的拖拽力和雨滴擊濺力是導(dǎo)致坡面土樣侵蝕的主要營(yíng)力,雨滴擊濺擾動(dòng)作用下坡面薄層水流的泥沙輸移機(jī)理十分復(fù)雜,一直是人們研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[19-20]。為此，本研究采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，選用3種不同類型的土壤，測(cè)定了單雨滴擊濺時(shí)不同雨滴直徑與水層厚度條件下不同土壤類型的泥沙濺蝕量，以及多雨滴擊濺時(shí)不同雨滴直徑與薄層水流厚度條件下不同土壤類型的泥沙濺蝕量和不同雨滴動(dòng)能與薄層水流厚度下黃綿土的泥沙濺蝕量，以期為揭示不同條件下雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕的過程及其機(jī)理提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

1.1.1雨滴發(fā)生裝置雨滴發(fā)生裝置如圖1-a所示，其整體為長(zhǎng)方形的槽形裝置，上部開口，長(zhǎng)70 cm，寬20 cm，高25 cm。其左邊是一個(gè)進(jìn)水裝置，試驗(yàn)時(shí)運(yùn)用虹吸原理向長(zhǎng)槽里注水，降雨時(shí)可通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管高度來控制水槽中的水頭高度；在長(zhǎng)槽底部按1 cm等間距設(shè)置直徑1 cm的圓孔，圓孔用橡膠塞封閉，每個(gè)橡膠塞可插一個(gè)針頭。通過不同針號(hào)以產(chǎn)生不同直徑的單雨滴和多雨滴。為防止在試驗(yàn)過程中，水中雜質(zhì)使針頭堵塞，故而選用純凈水。裝置設(shè)計(jì)完成后，通過測(cè)定降雨器各個(gè)部位的雨強(qiáng)來檢驗(yàn)雨滴發(fā)生裝置的穩(wěn)定性。

1.1.2單雨滴擊濺裝置單雨滴擊濺試驗(yàn)裝置如圖1-b所示，采用直徑為10 cm、高1.5 cm的蒸發(fā)皿。

1.1.3多雨滴徑流收集裝置多雨滴徑流收集裝置如圖1-c所示，該裝置是一個(gè)長(zhǎng)90 cm、寬15 cm、高15 cm、上開口的長(zhǎng)方體，水槽前方進(jìn)水口用量程較小的壓力表調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，以便控制水槽前段水箱中的水頭高度；緩流多孔板主要起到保持水流穩(wěn)定性的作用；在水槽前后兩處各裝1個(gè)探針, 用于測(cè)定薄層厚度；在土槽底部裝有直徑1 cm的土樣飽和供水管,以便使供試土樣能夠緩慢飽和。整個(gè)裝置采用單循環(huán)系統(tǒng), 由水泵、閥門、壓力表、進(jìn)水箱、探針和飽和管組成。

1.2土樣的采集及裝填

試驗(yàn)使用土壤為陜西楊凌的土婁土、延安的黃綿土和志丹縣的黑壚土，各土樣理化性狀見表1。供試土樣采集后進(jìn)行風(fēng)干，去除植物枯落物、根系，過篩。單雨滴試驗(yàn)裝填3 mm厚過篩(1 mm篩孔)后的土樣，向蒸發(fā)皿中緩慢加水待土樣飽和；多雨滴試驗(yàn)前先在試驗(yàn)槽底均勻鋪設(shè)5 cm厚的河沙(過5 mm篩孔), 再裝填厚度為5 cm、體積為4 500 cm3過篩(2.5 mm篩孔)后的土樣。裝填結(jié)束后, 用特制平尺將表面刮平,打開土樣飽和供水管，緩慢供水，使土樣飽和6 h,保證試驗(yàn)過程中無下滲水流出現(xiàn)。

圖 1　雨滴發(fā)生器試驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)

土類Soil母質(zhì)Matter有機(jī)質(zhì)/(g·kg-1)Organiccarbon全氮/(g·kg-1)Totalnitrogen全磷/(g·kg-1)Totalphosphorus顆粒組成/%Particlecomposing<2μm≥2～<10μm≥10～<50μm≥50～<100μm≥100μm黃綿土Huangmiansoil黃土Loess27.01±13.891.14±0.61.21±0.665.949.124.712.28.1土婁土Lousoil黃土Loess14.61.040.623.128.751.17.99.2黑壚土Heilusoil沙黃土SandyLoess7.5±2.50.065±0.0350.16±0.0111.150.721.310.46.5

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1單雨滴擊濺試驗(yàn)單雨滴擊濺試驗(yàn)時(shí)，需將圖1-a裝置放置一定高度h(h可根據(jù)實(shí)際降雨時(shí)雨滴終點(diǎn)速度算出)，不同的針頭號(hào)根據(jù)試驗(yàn)需要安插好，左邊進(jìn)水管高度根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)。因?yàn)槭菃斡甑卧囼?yàn)所以只插入1個(gè)針頭。

針頭雨滴直徑采用單雨滴法測(cè)定，因?yàn)橐坏斡甑螐母咛幝湎聵O易受到風(fēng)力的影響，因此要盡量減少風(fēng)對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)時(shí)用PVC管是為了使風(fēng)力對(duì)雨滴的影響降到最低。取試驗(yàn)針頭，將雨滴通過豎直的PVC管從6.8 m的高處降落，使雨滴盡量滴在蒸發(fā)皿的圓心處，記錄滴數(shù)后,測(cè)算單個(gè)雨滴質(zhì)量,根據(jù)水溫查出相應(yīng)水的密度,計(jì)算單個(gè)雨滴體積, 根據(jù)球體體積,計(jì)算單個(gè)雨滴直徑。每個(gè)針頭試驗(yàn)設(shè)3個(gè)不同水頭高度，每一高度重復(fù)測(cè)定5次，結(jié)果取平均值，分別用5、6、7、9、12、16號(hào)針頭重復(fù)試驗(yàn)，共測(cè)90組數(shù)據(jù)，選出雨滴直徑相差基本為0.4 mm的5#、7#、9#針頭數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

將飽和后土樣保持一定厚度的水層，根據(jù)選定的針頭進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)水層厚度分別為3，5，7，10 cm。然后換針頭換土樣重復(fù)上述試驗(yàn)，測(cè)定泥沙濺蝕量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)共108組。

1.3.2多雨滴試驗(yàn)多雨滴人工降雨的降雨強(qiáng)度采用直接法測(cè)定。對(duì)每一針號(hào)在水槽底部插264個(gè)針頭,連續(xù)降雨10 min,測(cè)定降水體積,根據(jù)降雨面積和降雨時(shí)間計(jì)算降雨強(qiáng)度。每一針號(hào)重復(fù)測(cè)定5次，取平均值即為該針號(hào)降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)共15組，最終選取0.057，0.228，0.724 mm/min雨強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)。

雨滴下降過程中在豎直方向受重力和空氣阻力的作用，水平方向受到氣流的作用。為此,通過雨滴降落高度的反復(fù)試驗(yàn),并根據(jù)沙玉清修正的牛頓終點(diǎn)速度公式[21]，當(dāng)雨滴直徑d>1.9 mm時(shí)，其終點(diǎn)速度為：

(1)

式中：v為終點(diǎn)速度，m/s；d為雨滴直徑，mm。

根據(jù)李光錄[19]降雨能計(jì)算公式，單位面積產(chǎn)生的雨滴動(dòng)能為：

(2)

式中：A為降雨面積,m2；ρ為水的密度 ,1×103kg/m3；I為一場(chǎng)降雨的雨強(qiáng),m/s；t為降雨歷時(shí),s；θ為地表坡度, °。

人工降雨雨滴的主要參數(shù)如表2所示。

表 2　人工模擬降雨雨滴的主要參數(shù)

1.3.3薄層水流的模擬如圖1-c所示的多雨滴徑流收集裝置，在其進(jìn)水口上側(cè)放置1個(gè)壓力表，在壓力表2側(cè)各設(shè)置1個(gè)調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)進(jìn)水量大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)儲(chǔ)水量高度以控制薄層水流厚度。在試驗(yàn)前，利用水槽后部飽和管進(jìn)水口緩慢進(jìn)水，先浸透水槽內(nèi)沙土及試驗(yàn)土樣，讓坡面土樣入滲飽和，以便試驗(yàn)中薄層水流厚度均勻光滑。水槽通過下部支架調(diào)節(jié)到試驗(yàn)所需要的坡度(試驗(yàn)坡度分別為0°，2°，4°)。

1.4試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)在有雨滴和無雨滴打擊下連續(xù)進(jìn)行。首先調(diào)整水槽坡度,啟動(dòng)水泵,調(diào)節(jié)閥門,待水流穩(wěn)定后, 測(cè)定無雨滴打擊時(shí)前后測(cè)針(測(cè)針精度為0.02 mm)水流深度各3次, 取平均值即可得流量和坡度水深，然后每間隔1 min取該水流下泥沙，經(jīng)沉淀、分離、烘干并稱質(zhì)量，獲得水沙量，重復(fù)5次。 每個(gè)測(cè)次均需更換表層供試土樣，試驗(yàn)采用坡度分別為0°，2°和4°，雨強(qiáng)分別為0，0.055 7，0.228和0.724 mm/min, 水深為0，2，4，6 mm。一個(gè)土樣試驗(yàn)完成后換另一種土樣重復(fù)上述試驗(yàn)，3個(gè)土樣測(cè)完后再換另一號(hào)針頭重復(fù)試驗(yàn)。每組重復(fù)3次，共進(jìn)行144組試驗(yàn)。泥沙收集按《水土保持試驗(yàn)規(guī)范》[22]進(jìn)行，試驗(yàn)過程中均無細(xì)溝形成。

2結(jié)果與分析

雨滴擊濺坡面薄層水流,將靜止坡面土粒濺起進(jìn)入到水流中, 泥沙的輸移過程便從此開始。進(jìn)入水流的土樣顆粒上升到一定高度后, 便會(huì)下落到坡面, 在土粒上升和下落的交替過程中, 流動(dòng)水流對(duì)土樣顆粒進(jìn)行搬運(yùn)。一旦濺起土粒下落到下游坡面, 再一次的啟動(dòng)將決定于下一個(gè)雨滴的擊濺擾動(dòng)作用。

2.1單雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量與水層厚度的關(guān)系

圖2顯示了單雨滴擊濺時(shí)，黑壚土、黃綿土、土婁土在雨滴直徑分別為2.22，2.68，3.04 mm時(shí)，隨著水層厚度的增加泥沙濺蝕量的變化。由圖2-a可知，在雨滴直徑為2.22 mm時(shí)，隨水層厚度的增加，黑壚土泥沙濺蝕量由0.018 g/(cm2·min)減小為0 g/(cm2·min)，黃綿土由0.013 g/(cm2·min)減小為 0 g/(cm2·min)，土婁土由0.006 g/(cm2·min)減小為0 g/(cm2·min)；在水層厚度為7 mm時(shí)，黑壚土、黃綿土、土婁土泥沙濺蝕量分別為0.05，0.04和0.012 g/(cm2·min)，說明雨滴直徑為2.22 mm時(shí)擾動(dòng)最大水層厚度是介于7 和10 mm之間的。由圖2-b可知，在雨滴直徑為2.68 mm時(shí)，黑壚土泥沙濺蝕量由0.032 g/(cm2·min)減小為0.005 g/(cm2·min)，黃綿土由0.021 g/(cm2·min)減小為0.005 g/(cm2·min)，土婁土由0.009 g/(cm2·min)減小為0.002 g/(cm2·min)，說明擾動(dòng)最大水層厚度大于10 mm。由圖2-c可知，在雨滴直徑為3.04 mm時(shí)，黑壚土泥沙濺蝕量由0.032 g/(cm2·min)減小為0.006 g/(cm2·min)，黃綿土由0.040 g/(cm2·min)減小為0.016 g/(cm2·min)，土婁土由0.009 g/(cm2·min)減小為0.002 g/(cm2·min)，說明擾動(dòng)最大水層厚度大于10 mm。當(dāng)雨滴直徑由2.22 mm增加到3.04 mm時(shí)，平均擾動(dòng)水層厚度由10 mm增加到14.67 mm。從趨勢(shì)上可以看出，隨著水層厚度的增加，泥沙濺蝕量呈減少趨勢(shì)。運(yùn)用SPSS 21.0軟件對(duì)單雨滴泥沙濺蝕量和水層厚度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：

q=alnh+b。

(3)

式中：q為單雨滴泥沙濺蝕量，g/(cm2·min)；h為水層厚度，mm；a，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

圖 2　單雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量與水層厚度的關(guān)系

單雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量與水層厚度的擬合關(guān)系系數(shù)見表3。

表 3　單雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量與水層厚度的擬合系數(shù)

由表3可知，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.899，所以相關(guān)性很高。運(yùn)用擬合公式，計(jì)算直徑2.68和 3.04 mm雨滴擊濺下，泥沙濺蝕量為0時(shí)的最大擾動(dòng)水層厚度，結(jié)果如表4所示。

表 4　單雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量為0時(shí)的水層厚度

由圖2可知，直徑2.22 mm的雨滴最大擾動(dòng)水層厚度為7～10 mm，當(dāng)雨滴直徑為2.68和3.04 mm時(shí)，其最大擾動(dòng)水層厚度均大于10 mm。根據(jù)擬合的單雨滴泥沙濺蝕量與水層厚度函數(shù)方程關(guān)系計(jì)算結(jié)果(表4)可知，雨滴直徑為2.68 mm時(shí)，黑壚土、黃綿土、土婁土的最大擾動(dòng)水層厚度分別為 12.749，13.053和14.343 mm；雨滴直徑為3.04 mm時(shí)，黑壚土、黃綿土、土婁土的最大擾動(dòng)水層厚度分別為14.585，14.647和15.094 mm。

2.2多雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的關(guān)系

圖3顯示，坡度為0°條件下,土婁土、黃綿土、黑壚土在雨滴直徑為2.22，2.68，3.04 mm時(shí)泥沙濺蝕量隨薄層水流厚度的增加而變化。土婁土在0°坡面上,當(dāng)雨滴直徑為3.04 mm，薄層水流厚度從0增加到6 mm，降雨侵蝕擾動(dòng)所產(chǎn)生的泥沙濺蝕量由0.29 g/(cm2·min)增加至21.65 g/(cm2·min)又減小至7.03 g/(cm2·min)；當(dāng)雨滴直徑為2.68 mm，薄層水流厚度從0增加到6 mm，泥沙濺蝕量由0.36 g/(cm2·min)增加至13.04 g/(cm2·min)又減小至 3.60 g/(cm2·min)；當(dāng)雨滴直徑為2.22 mm時(shí), 薄層水流厚度從0增加到6 mm，泥沙濺蝕量由0.37 g/(cm2·min)增加至7.36 g/(cm2·min)又減小至1.98 g/(cm2·min)。在不同雨滴直徑下，黃綿土、黑壚土的濺蝕量變化趨勢(shì)與土婁土相同。說明在無薄層水流時(shí)，泥沙主要由擊濺產(chǎn)生，且產(chǎn)生泥沙量較小，隨薄層水流厚度的增大，雨滴擊濺對(duì)土樣的侵蝕作用逐漸減小，泥沙主要由薄層水流的沖刷作用產(chǎn)生。

圖 3　0°坡面上不同雨滴直徑下泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的關(guān)系

根據(jù)上述分析，采用回歸模型對(duì)0°坡面上不同雨滴直徑下的泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到多元回歸方程為：

QS=ah′2+bh′+c。

(4)

式中：QS為多雨滴泥沙濺蝕量，g/(cm2·min)；h′為薄層水流厚度，mm；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

0°坡面上泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的擬合關(guān)系系數(shù)見表5。

表 5　0°坡面上泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的擬合系數(shù)

圖4顯示，2°坡面上，土婁土、黃綿土、黑壚土在雨滴直徑分別為2.22，2.68，3.04 mm時(shí)泥沙濺蝕量隨薄層水流厚度的增加其變化趨勢(shì)與坡度為0°時(shí)相同，說明坡度因子對(duì)泥沙的產(chǎn)生有重要影響，其泥沙濺蝕量也可以用方程(2)表示。鑒于4°坡面上，土婁土、黃綿土、黑壚土在雨滴直徑分別為2.22，2.68，3.04 mm時(shí)泥沙濺蝕量隨薄層水流厚度的增加的變化趨勢(shì)與坡度為0°和2°時(shí)相同，故在此未列出試驗(yàn)結(jié)果。

2.3多雨滴擊濺時(shí)泥沙濺蝕量與雨滴動(dòng)能的關(guān)系

鑒于多雨滴擊濺時(shí)黃綿土、土婁土、黑壚土泥沙濺蝕量與雨滴動(dòng)能關(guān)系的變化一致，故本研究?jī)H對(duì)黃綿土在不同薄層水流厚度下泥沙濺蝕量與雨滴動(dòng)能關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。

圖 4　2°坡面上不同雨滴直徑下泥沙濺蝕量與薄層水流厚度的關(guān)系

圖 5不同薄層水流厚度下黃綿土

泥沙濺蝕量與雨滴動(dòng)能的關(guān)系

◆.無薄層水流；■.2 mm薄層水流；▲.4 mm薄層水流

Fig.5Relationship between sediment splash mass and

raindrop kinetic energy with different shallow flow

depths of Huangmian soil

◆.Shallow flow depth of 0 mm；■.Shallow flow

depth of 2 mm；▲.Shallow flow depth of 4 mm

圖5顯示，當(dāng)雨滴動(dòng)能由68.18×10-3J增加到94.97×10-3J時(shí)，0 mm薄層水流下泥沙濺蝕量由8.23 g/(cm2·min)增加到14.73 g/(cm2·min)，2 mm薄層水流下由27.72 g/(cm2·min)增加到42.35 g/(cm2·min),4 mm薄層水流下由84.07 g/(cm2·min)增加到104.68 g/(cm2·min)。運(yùn)用SPSS 21.0軟件對(duì)不同薄層水流條件下的泥沙濺蝕量與雨滴動(dòng)能的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者呈冪函數(shù)關(guān)系，可用以下方程表示：

Qs=aeEs×b。

(5)

式中：Qs為多雨滴泥沙濺蝕量，g/(cm2·min)；Es為雨滴動(dòng)能，×10-3J；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

黃綿土在不同薄層水流厚度下泥沙濺蝕量與雨滴動(dòng)能的擬合關(guān)系系數(shù)見表6。由圖5及表6可知，對(duì)黃綿土而言，當(dāng)薄層水流厚度一定時(shí)，泥沙濺蝕量隨雨滴動(dòng)能的增加而增大。雨滴動(dòng)能由68.16×10-3J增加到94.97×10-3J，在無薄層水流時(shí)泥沙濺蝕量由8.23 g/(cm2·min)增加到 17.42 g/(cm2·min)，且薄層水流厚度越高泥沙濺蝕量增加越多。這是由于薄層水流的沖刷是泥沙產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿Γ甑螕魹R擾動(dòng)薄層水流進(jìn)而增加泥沙沖刷能力，當(dāng)雨滴動(dòng)能增加時(shí)其擾動(dòng)能力越強(qiáng)，因此泥沙濺蝕量增加越多。

表 6　黃綿土在不同薄層水流厚度下泥沙

3結(jié)論

1)單雨滴擊濺時(shí)，泥沙濺蝕量(q)隨水層厚度(h)的增加而增大，雨滴直徑越大則擾動(dòng)水層厚度越大，其關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系式q=alnh+b表示，當(dāng)雨滴直徑為2.22 mm時(shí)擾動(dòng)最大水層厚度為7～10 mm；當(dāng)雨滴直徑為2.68和3.04 mm時(shí)，其擾動(dòng)最大水層厚度均大于10 mm。根據(jù)擬合函數(shù)計(jì)算可得，直徑2.68 mm雨滴擾動(dòng)的黑壚土、黃綿土、土婁土的最大水層厚度分別為12.749，13.053，14.343 mm；3.04 mm雨滴擾動(dòng)的黑壚土、黃綿土、土婁土的最大水層厚度分別為14.585，14.647，15.094 mm。

2)坡度相同時(shí)，不同土壤(黃綿土、土婁土、黑壚土)及不同雨滴直徑(2.22，2.68，3.04 mm)條件下，當(dāng)薄層水流厚度(h′)從0增加到6 mm時(shí)，其與降雨擊濺混合侵蝕下泥沙濺蝕量(Qs)曲線總體呈先上升后下降的趨勢(shì)，其關(guān)系可用二次拋物線方程Qs=ah′2+bh′+c表示。

3)薄層水流厚度一定時(shí)，泥沙濺蝕量(Qs)隨雨滴動(dòng)能(Es)的增加而增大，Es由68.16×10-3J增加到94.97×10-3J時(shí)，無薄層水流的泥沙濺蝕量由8.23 g/(cm2·min)增加到17.42 g/(cm2·min)，且薄層水流厚度越高泥沙濺蝕量增加越多，其關(guān)系可用冪函數(shù)Qs=aeEs×b表示。這是由于薄層水流的沖刷是泥沙產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿?，雨滴擊濺擾動(dòng)薄層水流進(jìn)而增加泥沙沖刷能力，當(dāng)雨滴動(dòng)能增加時(shí)其擾動(dòng)能力越強(qiáng)，因此泥沙濺蝕量增加越多。

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Rain splash and sheet flow mixed sediment transport mechanism

ZHENG Teng-hui1a,XING Yuan-yuan1b,2,HE Kai-xuan1b,TENG Fei1b,LI Guang-lu1a,1b

(1 aInstituteofSoilandWaterConservation,bCollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；2XinjiangInstituteofEcologyandGeography，ChineseAcademyofSciences，Urumqi，Xinjiang830011,China)

Abstract:【Objective】 Effect of raindrop splash on slope runoff and sediment transport was studied in this paper.【Method】 In the indoor artificial rainfall simulation, different slopes (0°,2° and 4°),different sheep flow thicknesses (0,2,4 and 6 mm) and different raindrop diameters (2.22,2.68 and 3.04 mm) were tested.The relationships between sediment splash erosion amount and the deep layer of water for single raindrop splashing and between sediment splash erosion amount and sheet flow thickness for multiple raindrop splashing were analyzed and fitted.The relationship of sediment splash erosion amount of yellow soil and raindrop kinetic energy under different sheet flow thicknesses was also analyzed.【Result】 For single raindrop splashing,splash amount decreased with the increase of sheet flow thickness, raindrop diameter increased with the increased of disturbance layer thickness,and the average thickness of water resisting disturbance increased from 10 to 14.67 mm when raindrop diameter increased from 2.22 to 3.04 mm.For multiple raindrop splashing,sediment splash erosion amount augmented firstly then decreased as the increased of sheet flow thickness.With same thickness,sediment splash erosion amount increased with the increase of raindrop diameter.When raindrop kinetic energy remained same,sediment splash erosion amount reduced with the increase of shallow flow thickness.When thickness did not change,sediment splash erosion amount increased with the increase of raindrop kinetic energy.【Conclusion】 This study established the relationships between single raindrop splash amount and sediment layer thickness as well as between sediment splash erosion amount and multiple raindrops splash amount.

Key words:artificial precipitation;shallow flow;mixed erosion;rain kinetic energy;raindrop splash;sediment transport mechanism

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.029

[收稿日期]2014-07-08

[基金項(xiàng)目]國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(1210712061)

[作者簡(jiǎn)介]鄭騰輝(1990-)，男，河南商丘人，在讀碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail:1364162509@qq.com[通信作者]李光錄(1964-)，男，甘肅永靖人，副教授，博士，主要從事水土保持與土地利用研究。E-mail: guangluli@nwsuaf.edu.cn

[中圖分類號(hào)]S157.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)03-0211-08