黃土坡面細(xì)溝流土壤侵蝕機(jī)理研究

馬小玲　張寬地,　董　旭　楊明義　楊　帆

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊陵 712100)

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黃土坡面細(xì)溝流土壤侵蝕機(jī)理研究

馬小玲1張寬地1,2董旭1楊明義2楊帆1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊陵 712100)

細(xì)溝侵蝕是黃土坡面最主要的侵蝕方式之一，土壤剝離過程是細(xì)溝侵蝕中的重要環(huán)節(jié)。采用6種坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°)、5種流量(8、16、24、32、40 L/min)組合沖刷試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了黃土坡面細(xì)溝流土壤剝蝕率與水動力學(xué)和床面形態(tài)的耦合關(guān)系。結(jié)果表明：土壤剝蝕率與流量、坡度均呈冪函數(shù)增加關(guān)系，且坡度對土壤剝蝕率的影響更大；不同類型土壤無量綱剝蝕率與無量綱流速之間存在分區(qū)現(xiàn)象，表明土壤侵蝕受到除泥沙粒徑外其他因素的影響；不同類型土壤無量綱剝蝕率與無量綱切應(yīng)力雙對數(shù)函數(shù)呈線性增加關(guān)系，且不存在分區(qū)；不同類型土壤無量綱剝蝕率與無量綱單位水流功率存在分區(qū)；土壤剝蝕率隨跌坑發(fā)育系數(shù)的增加呈冪函數(shù)增加趨勢，而土壤剝蝕率隨L/H增加呈冪函數(shù)減小趨勢，說明床面形態(tài)越加復(fù)雜、跌坑發(fā)育越加成熟，土壤侵蝕就越劇烈。研究結(jié)果對細(xì)溝水流侵蝕機(jī)理的探究具有一定的理論價(jià)值，對黃土坡面水土流失治理及生態(tài)修復(fù)均具有一定的指導(dǎo)意義。

黃土坡面; 細(xì)溝侵蝕; 細(xì)溝水動力學(xué); 土壤剝離率; 床面形態(tài)

引言

細(xì)溝侵蝕是指坡面上形成細(xì)小溝道的情況下，徑流對細(xì)溝溝壁、溝底、溝頭土壤的分散、沖刷和搬運(yùn)過程，侵蝕產(chǎn)沙包括土壤剝離、輸移和沉積3個(gè)過程[1-2]，其中土壤剝離是分析細(xì)溝土壤侵蝕的重要部分，徑流剝離土壤的能力與細(xì)溝水流的水動力學(xué)特性和坡面土壤情況密切相關(guān)[3]。因此，研究黃土坡面細(xì)溝流土壤剝離能力與各水動力學(xué)參數(shù)以及床面形態(tài)的關(guān)系，對認(rèn)識土壤侵蝕過程具有重要作用[4-8]。

圖1　試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1　Testing photos

國內(nèi)外已有的研究多用水流剪切力、單位水流功率、水流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芎牡人畡恿W(xué)參數(shù)來描述水流剝蝕土壤過程。1965年LYLE等[9]首次用水槽試驗(yàn)研究了土壤剝離速率與徑流剪切應(yīng)力間的關(guān)系。NEARING等[10]采用變坡水槽得到了水深、坡度與土壤剝蝕率間存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且土壤剝蝕率的相關(guān)程度為坡度大于水深。張光輝[11]采用不同坡度與流量組合試驗(yàn)得到土壤剝蝕率與坡度、流量、水深之間存在的函數(shù)關(guān)系，土壤剝蝕率隨流量、坡度的增加而增加，且流量對土壤剝蝕率的影響程度大于坡度。李占斌等[12]根據(jù)變坡土槽徑流沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤剝蝕率與坡面能量損耗存在函數(shù)關(guān)系。張科利等[13]根據(jù)水槽試驗(yàn)結(jié)果, 建立了基于水流剪切力的徑流剝蝕能力公式。王瑄等[14]通過徑流沖刷試驗(yàn)得出土壤剝蝕率與水流功率呈線性關(guān)系，且存在土壤剝蝕的臨界水流功率，只有水流功率達(dá)到土壤的臨界水流功率土壤才會發(fā)生侵蝕。究竟哪一個(gè)水動力學(xué)參數(shù)更能準(zhǔn)確地描述土壤分離過程，或各自的適用范圍如何，值得進(jìn)行進(jìn)一步研究?，F(xiàn)有階段研究主要集中在土壤剝蝕率與水動力學(xué)關(guān)系方面，對土壤剝蝕率與床面形態(tài)耦合關(guān)系研究很少，因此本文通過不同坡度的放水沖刷試驗(yàn)分析土壤剝蝕率與水動力學(xué)及床面形態(tài)之間的關(guān)系，以期為細(xì)溝侵蝕預(yù)報(bào)、水土流失防治措施的布置提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，天然降雨條件下，坡面細(xì)溝水流是非均勻非恒定漸變流，據(jù)熱力學(xué)中最小能耗原理，在橫向上，其流道左右擺動，床面形態(tài)復(fù)雜多變[15]?？v向上，出現(xiàn)跌坑與結(jié)皮相結(jié)合的床面形態(tài)，這些均增加了細(xì)溝流水力參數(shù)測定的難度[16]。鑒于此，試驗(yàn)前人為在坡面中部沿水流方向構(gòu)造細(xì)溝雛形，引導(dǎo)細(xì)溝構(gòu)造的發(fā)育，以此消除細(xì)溝流發(fā)育隨機(jī)性的影響(圖1)。

土壤質(zhì)地對細(xì)溝侵蝕影響較大，隨著土壤粘粒含量的增加，細(xì)溝侵蝕演化速度逐漸減緩，為測定溝床形態(tài)變化與水力特性的耦合關(guān)系，試驗(yàn)土壤采用楊凌當(dāng)?shù)貕v土，對試驗(yàn)土壤風(fēng)干測量其機(jī)械組成，結(jié)果見表1。

表1　試驗(yàn)土壤顆粒機(jī)械組成Tab.1　Particle size distribution of testing soil

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

裝土前在試驗(yàn)土槽底部裝填20 cm厚的細(xì)沙，細(xì)沙上層鋪設(shè)土工布2層，土槽底部采用梅花形布孔，模擬天然土壤透水狀況，填土采用分層裝填的方法，每層10 cm，共30 cm，根據(jù)實(shí)際野外土壤狀況，土壤平均干體積質(zhì)量控制在1.09 g/cm3。

試驗(yàn)采用流量和坡度組合沖刷試驗(yàn)。選取2°、4°、6°、8°、10°、12°共6個(gè)坡度進(jìn)行研究，主要是為緩坡耕地土壤流失治理提供依據(jù)；放水流量沖刷試驗(yàn)應(yīng)與野外實(shí)際相近似，由于室內(nèi)試驗(yàn)土槽尺寸的限制，因此需要考慮上方匯水因素。放水流量由雨強(qiáng)、上方匯流面積、徑流系數(shù)等確定。根據(jù)野外實(shí)際降雨情況及匯流面積、雨強(qiáng)特征，設(shè)計(jì)沖刷流量為8、16、24、32、40 L/min，共計(jì)30場沖刷試驗(yàn)。

試驗(yàn)小區(qū)采用可調(diào)坡度鋼槽，小區(qū)結(jié)構(gòu)尺度(長×寬×深)為6 m×0.4 m×0.6 m，試驗(yàn)段有效長度為5.8 m，沿試驗(yàn)小區(qū)土槽下部設(shè)置5個(gè)觀測斷面，距離槽頂分別為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m，測流長度為1.0 m。每個(gè)斷面處分別測量斷面表面優(yōu)勢流速(3次)、水深和水面寬度(1次)；試驗(yàn)總歷時(shí)100 min，試驗(yàn)過程中每間隔20 mm即停止放水，測得跌坑距坡頂?shù)木嚯x(鋪設(shè)于土槽邊沿精度為毫米的米尺)及跌坑深度(采用精度為毫米的測量排，測得跌坑最深處高度和上游結(jié)皮段高度，二者的高度差即為跌坑深度)。

2　土壤剝蝕率影響因素

土壤剝蝕率定義為單位時(shí)間、單位面積被剝蝕掉的土壤質(zhì)量，土壤剝蝕率越大，表明土壤被侵蝕的程度越劇烈。主要包括溯源侵蝕、下切侵蝕以及邊壁的側(cè)蝕沖刷[17]。為分析土壤剝蝕率與坡度和流量的關(guān)系，各組次試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2分析發(fā)現(xiàn)，土壤剝蝕率隨著流量和坡度的增加基本都呈增加的趨勢，在同一流量不同坡度下增加了7.60～18.81倍，而在同一坡度不同流量下增加了1.47～2.34倍。由此可見，坡度對土壤剝蝕率的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量。坡度是影響細(xì)溝侵蝕的重要因素，隨著坡度的增加，細(xì)溝侵蝕量和細(xì)溝平均深度均隨之增加[18]。但從表3方差分析可知坡度和流量與剝蝕率Sig.值均小于0.01，表示坡度、流量與土壤剝蝕率均極顯著相關(guān)，說明雖然流量

表2　各試驗(yàn)組次土壤剝蝕率DrTab.2　Different number condition of soil detachment rate　g/(m2·s)

對土壤剝蝕率的影響相對較小，但其對土壤剝蝕率仍有極顯著影響。由此通過SPSS軟件分析發(fā)現(xiàn)土壤剝蝕率與坡度、流量均呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

(1)

式中Dr——土壤剝蝕率，g/(m2·s)

Q——試驗(yàn)流量Jr——試驗(yàn)坡度

文獻(xiàn)[19]與式(1)坡度項(xiàng)指數(shù)相差很小，但流量指數(shù)比本文大4.43倍，說明其試驗(yàn)土壤更易受到流量的影響。這是由于其試驗(yàn)土壤主要為粉壤土，而本試驗(yàn)粘性土占比較大，土壤顆粒組成對土壤抗蝕性有重要影響，土壤顆粒越細(xì)，更容易形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)體，抗蝕能力較高。

表3　方差分析Tab.3　Variance analysis

注：SS代表方差，DF代表自由度，MS代表均方差。

3　土壤剝蝕率與水動力學(xué)關(guān)系

為方便今后土壤侵蝕的研究，將水流流速、水流切應(yīng)力、單位水流功率和水流剝蝕率進(jìn)行了無量綱化，關(guān)于水流動力學(xué)參數(shù)的無量綱化計(jì)算式分別為

(2)

θ=γhJ/[(γs-γ)d50]

(3)

(4)

水流無量綱剝蝕率為

(5)

式中u*——無量綱水流平均流速

θ——無量綱水流切應(yīng)力

p*——無量綱單位水流功率

Φ——無量綱剝蝕率

u——水流平均流速，m/s

γ——水的容重，g/cm3

J——能坡，radh——水深，m

γs——泥沙容重，g/cm3

g——重力加速度，取9.81 m/s2

3.1無量綱土壤剝蝕率與無量綱水流流速關(guān)系

流速是土壤侵蝕研究中的重要因子，是計(jì)算坡面匯流和沖刷的基礎(chǔ)，主要受地表特征、坡度和坡面水深(或坡面流量)3方面影響[20]，同時(shí)也是剝離土壤、輸移泥沙的關(guān)鍵因素，因而其在土壤分離過程模擬中占有重要地位。為解決實(shí)際問題，一般將細(xì)溝流視為一維恒定非均勻的沿程變量流[21]。為統(tǒng)一量綱，方便試驗(yàn)對比研究，分析無量綱水流流速與無量綱土壤剝蝕率之間關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同土壤類型下無量綱土壤剝蝕率與無量綱水流流速雙對數(shù)關(guān)系Fig.2　Double logarithmic diagram of non-dimensional soil detachment rate and non-dimensional flow velocity under different types of soil

由圖2可知，不同土壤類型下無量綱土壤剝蝕率與無量綱水流流速之間存在分區(qū)的現(xiàn)象，經(jīng)SPSS回歸分析得出無量綱剝蝕率與無量綱流速呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

Φ=0.011 7u*3.714 6(R2=0.560 9)

(6)

Φ=0.478 7u*1.451(R2=0.559 3)

(7)

式(6)為文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)數(shù)據(jù)，式(7)為本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)。且由式(6)、(7)分析知，文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)冪指數(shù)大于本試驗(yàn)冪指數(shù)，原因是其試驗(yàn)土壤中值粒徑為0.05 mm，而本試驗(yàn)土壤中值粒徑為0.015 mm，根據(jù)馬鞍形shieds曲線可知，當(dāng)泥沙中值粒徑為0.20 mm時(shí)，起動流速最小，在最低起動中值粒徑前粘結(jié)力起主要作用，因此中值粒徑較大的土壤顆粒更易被攜帶在水流中，由此造成了文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)數(shù)據(jù)無量綱流速冪指數(shù)大于本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2無量綱土壤剝蝕率與無量綱徑流切應(yīng)力關(guān)系

由水力學(xué)和流體力學(xué)理論可知，坡面徑流在流動過程中，沿坡面梯度方向產(chǎn)生一種作用力，即徑流切應(yīng)力，且徑流切應(yīng)力與坡面土壤侵蝕密切相關(guān)[21]。文獻(xiàn)[22]采用不同坡度的沖刷試驗(yàn)得到：土壤剝蝕率與徑流切應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系。本文分析了不同土壤類型下無量綱土壤剝蝕率與無量綱徑流切應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同土壤類型下無量綱土壤剝蝕率與無量綱徑流切應(yīng)力雙對數(shù)關(guān)系Fig.3　Double logarithmic diagram of non-dimensional soil detachment rate and non-dimensional shear stress under different types of soil

從圖3可知，不同類型土壤無量綱剝蝕率與無量綱徑流切應(yīng)力之間不存在分區(qū)現(xiàn)象，且通過分析，二者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為

Φ=0.149 3θ1.562 9(R2=0.759 1)

(8)

由此，可采用式(8)來近似預(yù)測不同類型土壤下的無量綱剝蝕率，這是由于在細(xì)溝流流路穩(wěn)定后，可以通過流量和徑流寬等換算得出徑流深，從而計(jì)算出徑流無量綱切應(yīng)力，從觀測角度可知無量綱切應(yīng)力較無量綱剝蝕率更易于獲得，所以，可選擇無量綱切應(yīng)力進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)測，但預(yù)測精度較低。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[21]研究結(jié)果相似，同為冪函數(shù)關(guān)系，且冪指數(shù)相差較小。

3.3無量綱土壤剝蝕率與無量綱單位水流功率關(guān)系

單位水流功率于1972年被YANG等[23]定義為：作用于泥沙床面的單位質(zhì)量水體勢能隨時(shí)間消耗減少的變化率，表示單位質(zhì)量水體勢能消耗的快慢。GOVERS等[24]認(rèn)為，單位水流功率相對水流切應(yīng)力容易確定，因此，推薦用單位水流功率進(jìn)行坡面流剝蝕能力的計(jì)算。本文無量綱剝蝕率與無量綱單位水流功率關(guān)系如圖4所示。

圖4　不同土壤類型下無量綱土壤剝蝕率與無量綱單位水流功率雙對數(shù)關(guān)系Fig.4　Double logarithmic diagram of non-dimensional soil detachment rate and non-dimensional unit stream power under different types of soil

從圖4可見，不同土壤類型下無量綱土壤剝蝕率與無量綱單位水流功率之間存在分區(qū)的現(xiàn)象，經(jīng)回歸分析得出無量綱剝蝕率與無量綱單位水流功率呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

Φ=3 863p*1.690 2(R2=0.840 9)

(9)

Φ=1 198p*1.502(R2=0.810 0)

(10)

式(9)為文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)數(shù)據(jù)，式(10)為本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由式(9)、(10)可以發(fā)現(xiàn)，兩式冪指數(shù)相差很小，且相關(guān)性較高。對比無量綱剝蝕率與無量綱流速、無量綱切應(yīng)力、無量綱單位水流功率關(guān)系，按照決定系數(shù)由大到小依次為：無量綱流速、無量綱切應(yīng)力、無量綱單位水流功率，因此采用單位水流功率來近似計(jì)算土壤剝蝕率最具有代表性。

4　土壤剝蝕率與床面形態(tài)關(guān)系

現(xiàn)有研究主要集中在土壤剝蝕率與水動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系上，但對于土壤剝蝕率與床面形態(tài)之間的關(guān)系研究甚少，本試驗(yàn)粘性土含量較高，在水流沖刷作用下易形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的土壤團(tuán)聚體，最終形成細(xì)溝底部結(jié)皮和跌坑相互交錯(cuò)的溝床結(jié)構(gòu)形態(tài)，其特征類似階梯-深潭結(jié)構(gòu)[25]。

為研究方便，定義細(xì)溝跌坑的幾何特征參數(shù)如圖5所示，跌坑間距為相鄰跌坑最深處之間沿坡度方向的距離，跌坑平均間距為各個(gè)跌坑間距的平均值，用L表示；跌坑深度為上游結(jié)皮段至跌坑底部的垂向距離，平均跌坑深度為各個(gè)跌坑深度的平均值，用H表示。床面形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　跌坑、結(jié)皮發(fā)育示意圖Fig.5　Drop pit and crust development schemes

為描述床面形態(tài)跌坑的發(fā)育程度，定義跌坑發(fā)育系數(shù)為細(xì)溝形態(tài)發(fā)育較為成熟時(shí)，其輪廓外沿的曲線長度與細(xì)溝床面底部首尾連線的直線長度的比值[26]，以圖5所示跌坑、結(jié)皮段為例，發(fā)育系數(shù)SP表達(dá)式為

(11)

式中l(wèi)AB表示點(diǎn)A、B間長度，其余類推。

由式(11)可見，溝床中跌坑未發(fā)育時(shí)，SP=1；本試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)各組次水槽細(xì)溝河床都發(fā)育有連續(xù)的跌坑、結(jié)皮段，且1.01

4.1土壤剝蝕率與跌坑發(fā)育系數(shù)SP關(guān)系

跌坑發(fā)育系數(shù)代表了床面形態(tài)的發(fā)育程度，其值越大，表明土壤被水流侵蝕的越劇烈，因此，土壤侵蝕程度與床面形態(tài)發(fā)育程度必然存在一定關(guān)系，兩者關(guān)系如圖6所示。

圖6　土壤剝蝕率與跌坑發(fā)育系數(shù)關(guān)系Fig.6　Relationship between soil erosion rate and down hole development coefficient figure

由圖6分析可知，土壤剝蝕率與跌坑發(fā)育系數(shù)SP雙對數(shù)函數(shù)曲線近似呈線性增加關(guān)系，即床面形態(tài)發(fā)育越成熟，土壤侵蝕越劇烈，且隨著坡度的增加，Dr、SP均增加。這是由于隨著坡度增加，徑流能量增加，徑流沖刷坡面土壤就越劇烈，由于受到徑流強(qiáng)度和床面形態(tài)相互制約的關(guān)系，床面由一種不成熟的形態(tài)逐步發(fā)育為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高、成熟度更好的構(gòu)造來抵抗能量的增加，由此得到了一種新的平衡態(tài)，而此時(shí)Dr、SP均增大。

4.2土壤剝蝕率與L/H關(guān)系

圖7　土壤剝蝕率與L/H之間的關(guān)系Fig.7　Relationship between soil erosion rate and L/H value

跌坑的發(fā)育還可以采用跌坑的平均間距L與跌坑的平均深度H的比值來描述。L越小、H越大，表明跌坑發(fā)育越加成熟。因此，L/H值越小，代表細(xì)溝床面形態(tài)越加復(fù)雜，消能效果越加顯著。圖7顯示了土壤剝蝕率與L/H之間關(guān)系。

由圖7分析可知，隨著L/H逐漸增加，土壤剝蝕率出現(xiàn)冪函數(shù)減小的趨勢，表示跌坑數(shù)量和跌坑深度宏觀上都表現(xiàn)出增加趨勢時(shí)，土壤剝蝕率也增加，可見細(xì)溝底部發(fā)育形態(tài)的復(fù)雜度與土壤侵蝕的劇烈程度相輔相成。且對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)L/H小于20時(shí)，土壤剝蝕率增加了6.32倍，L/H大于20時(shí)，土壤剝蝕率僅增加了1.35倍。且L/H越小，曲線切線斜率越大，即跌坑發(fā)育越成熟，土壤被剝離的程度越劇烈。造成此現(xiàn)象的原因可能是由于L/H越小，表明坡度越大，此時(shí)坡度增加，造成土壤顆粒的穩(wěn)定性降低，在水流沖刷且試驗(yàn)坡度達(dá)到一定程度后會出現(xiàn)細(xì)溝側(cè)壁土壤的崩塌現(xiàn)象，從而造成在大坡度下土壤剝蝕急劇增加的現(xiàn)象。

5　結(jié)論

(1)土壤剝蝕率隨坡度、流量的增加而增加，且與二者呈冪函數(shù)關(guān)系，坡度對其影響更為顯著一些。土壤類型不同，坡度和流量的影響作用也有差異，粘性含量越高的土壤，抗蝕能力更好。

(2)分析了無量綱土壤剝蝕率與無量綱流速、無量綱切應(yīng)力和無量綱單位水流功率的關(guān)系，得出無量綱剝蝕率與三者均表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)程度由小到大依次為：無量綱流速、無量綱切應(yīng)力、無量綱單位水流功率。

(3)土壤剝蝕率與跌坑發(fā)育系數(shù)及L/H均表現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，表明跌坑發(fā)育越成熟、床面形態(tài)越復(fù)雜，相應(yīng)的土壤剝蝕率越大。

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Study of Rill Flow Soil Erosion Mechanism on Loess Slope Surface

Ma Xiaoling1Zhang Kuandi1,2Dong Xu1Yang Mingyi2Yang Fan1

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Rill erosion is one of the most important slope erosion in loess area, and soil detachment process is an important link of rill erosion. However, the existing studies only are based on a single soil conditions, while the simple relationship between soil detachment rate and water dynamics cannot fully reflect the coupling mechanism of the soil detachment rate under different types of soil. More importantly, the existing research involves little on the relationship between the detachment rate and bed surface morphology. The article adopted the combination of six kinds of slope gradients (2°, 4°, 6°, 8°, 10° and 12°) and five discharges (8 L/min, 16 L/min, 24 L/min, 32 L/min, 40 L/min) to do scouring experiment. The results showed that: soil detachment rate had power function relationship with discharge and slope, and slope had a greater influence than discharge; Different types of non-dimensional soil detachment rate and non-dimensional unit stream power had zoned phenomenon with non-dimensional flow velocity which showed that soil detachment had other influence factors except diameter of particles; Non-dimensional soil detachment rate and non-dimensional shear stress double-log function had a linear increase relationship, and there was no partition; Soil detachment rate had a trend of increase power function with the increase of down hole development coefficient, and the soil detachment rate had a power function decreasing trend with theL/Hincreases. This results show that the more complex bed surface morphology increased, the more mature down hole developed increasingly and the more intense soil detachment is. The results of the study have some theoretical value to the mechanism of sediment transport on rill flow erosion, moreover it has a certain guiding significance on loess slope surface soil detachment control and ecological restoration.

loess hillslope; rill erosion; rill water dynamics; soil detachment rate; bed form

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.020

2016-07-11

2016-08-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579214)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(Z109021564)、黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金項(xiàng)目(A314021402-1619)和流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(IWHR-SKL-2014)

馬小玲(1993—)，女，博士生，主要從事水土保持及土壤侵蝕研究，E-mail： 15002981284@163.com

張寬地(1978—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水工水力學(xué)及坡面水流研究，E-mail： zhangkuandi428@126.com

S279.2

A

1000-1298(2016)09-0134-07