海涂鹽堿地工程邊坡土壤抗沖刷性能試驗(yàn)研究

陳倩，佘冬立，1b*，章二子，許文濤

（1. 河海大學(xué)，a. 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 210098；2. 江蘇省江寧區(qū)水利局，江蘇 南京 210098）

海涂鹽堿地工程邊坡土壤抗沖刷性能試驗(yàn)研究

陳倩1a，佘冬立1a，1b*，章二子2，許文濤1a

（1. 河海大學(xué)，a. 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 210098；2. 江蘇省江寧區(qū)水利局，江蘇 南京 210098）

本文對(duì)6個(gè)不同坡度和6個(gè)不同流量條件下的海涂鹽堿土坡面進(jìn)行上方來水徑流沖刷試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中得到的鹽土坡面沖刷侵蝕產(chǎn)沙率和幾個(gè)典型的徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與坡度、流量的相關(guān)關(guān)系以及產(chǎn)沙率與各參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，研究其抗沖刷性能。結(jié)果表明，產(chǎn)沙率Rs分別與坡度呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系，與流量呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系。雷諾數(shù)Re與流量呈線性正相關(guān)而與坡度無顯著相關(guān)關(guān)系。坡面水流剪切力τ和水流功率ω與流量和坡度均呈線性正相關(guān)關(guān)系。剪切力τ、水流功率ω與產(chǎn)沙率對(duì)數(shù)相關(guān)，都可以很好的預(yù)測(cè)不同坡度和流量條件下的產(chǎn)沙率。對(duì)比相關(guān)系數(shù)，水流功率ω能更精確預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率Rs。該研究結(jié)果可為海涂圍墾區(qū)鹽堿土地工程邊坡的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立研究提供科學(xué)依據(jù)。

坡度；流量；沖刷試驗(yàn)；土壤抗沖性；產(chǎn)沙率；水動(dòng)力學(xué)參數(shù)；鹽堿地

陳倩， 佘冬立， 章二子， 許文濤. 海涂鹽堿地工程邊坡土壤抗沖刷性能試驗(yàn)研究［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2016， 37（5）: 964-971. Chen Q， She D L， Zhang E Z， Xu W T. Experimental study on soil anti-scourability of the engineering slope of tidal marsh salinealkali land［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 964-971.

土壤抗沖性是指土壤抵抗外營(yíng)力機(jī)械破壞作用的能力，是工程邊坡重要的土力學(xué)參數(shù)之一。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)土壤抗沖性開展了大量研究。李強(qiáng)等［1］以黃土丘陵區(qū)自然撂荒地為研究對(duì)象，應(yīng)用時(shí)空互代法，通過原狀土沖刷試驗(yàn)對(duì)不同撂荒階段的坡地土壤抗沖性進(jìn)行了研究，從土壤抗侵蝕性的角度為退耕還林工程的生態(tài)功能評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)；楊文元等［2］以年徑流小區(qū)觀察資料為依據(jù)，分析了不同生態(tài)利用條件下，徑流諸因素與相對(duì)應(yīng)的泥沙沖刷量的關(guān)系；王丹丹等［3］采用野外實(shí)地放水沖刷法，對(duì)不同林齡油松林地的土壤抗沖性進(jìn)行研究，分析坡度、林齡、枯落物、生物多樣性指數(shù)對(duì)土壤抗沖性的影響，為黃土高原土壤侵蝕模型的建立提供科學(xué)依據(jù)；楊玉梅等［4］采用原狀土沖刷槽法，研究了不同土地利用方式下土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素，進(jìn)一步完善了我國(guó)土壤抗沖性宏觀分布狀況的基礎(chǔ)資料。這些研究表明，影響土壤抗沖性的因素很多，且其中一些因素之間又彼此相關(guān)，因此，土壤抗沖性受不同因素影響是個(gè)復(fù)雜的問題，仍需進(jìn)一步研究。另外，前人對(duì)坡面土壤抗沖性的研究多集中在西北黃土、紫色丘陵區(qū)土和西南黃壤，對(duì)于沿海灘涂墾區(qū)，土壤砂性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性差，鹽分高，有機(jī)質(zhì)含量少，植被難以生長(zhǎng)，土壤侵蝕問題十分突出［5］，特別是水利工程建設(shè)過程中形成的裸露土邊坡受降雨和徑流影響，沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)致工程使用壽命降低［6］。有研究發(fā)現(xiàn)，新墾區(qū)灌排工程邊坡沖刷侵蝕導(dǎo)致土質(zhì)溝渠每年淤積厚度高達(dá)0.8 m以上［6］。根據(jù)圍墾區(qū)鹽土工程邊坡土壤抗沖性，提出適宜的改土固坡防護(hù)措施，是灘涂圍墾開發(fā)利用必須要解決的重要問題。然而針對(duì)沿海圍墾區(qū)高鈉鹽粉砂土工程邊坡抗沖性能的研究資料較少，特別是土壤抗沖刷的水流動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚不明確。因此，本文主要研究上方來水沖刷下海涂鹽堿地工程邊坡土壤的產(chǎn)沙率變化，探究產(chǎn)沙率與坡度和流量的關(guān)系，探索采用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)直接表征產(chǎn)沙率的經(jīng)驗(yàn)公式，以期為高鈉鹽粉砂土抗沖性能研究和侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)土壤采自江蘇省如東縣東凌農(nóng)場(chǎng)（32°12′-32°36′N，120°42′-121°22′E），瀕臨黃海，海拔高度3.5-4.5 m。東凌農(nóng)場(chǎng)于2007年圍墾，圍墾區(qū)未種植作物，大部分地表裸露。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量1 026 mm，降雨主要集中在5-9月（約占全年降雨量的68%）；日平均氣溫14.8 ℃，年蒸發(fā)量為1 343.5 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤為粉砂土，土壤黏粒（〈0.002 mm）、粉砂粒（0.002-0.05 mm）、砂粒（0.05-0.25 mm）含量依次為8.5%、52.9%、38.6%；有機(jī)質(zhì)含量為3.26 g/kg；土壤交換性Na+含量為1.60 g/kg；ESP為68.9；1∶5土水混合液電導(dǎo)率為5.98 ms/cm。試驗(yàn)前供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干，去除雜草、石塊等雜質(zhì)后過2 mm篩備用。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年12月-2014年5月在河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由水槽、土槽、上方來水系統(tǒng)三部分組成（圖1）。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)300 cm、寬30 cm，可在0°-45°范圍調(diào)節(jié)坡度，水槽長(zhǎng)度可使水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)土槽長(zhǎng)30 cm、寬20 cm、深10 cm，底部鉆孔以保證試驗(yàn)坡面自由排水。上方來水系統(tǒng)采用水泵抽水、閥門調(diào)節(jié)控制流量。試驗(yàn)采用上方來水沖刷法進(jìn)行，試驗(yàn)流量選取160 L/h、200 L/h、300 L/h、400 L/h、600 L/h、800 L/h六個(gè)流量，坡度采用5°、10°、15°、20°、30°、40°六個(gè)坡度，試驗(yàn)重復(fù)3次。

試驗(yàn)過程中，先將過篩后的土樣分2層裝入試驗(yàn)土槽，邊填邊壓實(shí)，注意2層之間結(jié)合良好避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象；填土完成后使試驗(yàn)土槽內(nèi)土壤密度控制在1.40-1.45 g/cm3。裝填完成后，用平尺將土刮平。為保證每次試驗(yàn)初始條件基本一致，試驗(yàn)開始前用噴壺在土樣表面均勻?yàn)⑺靠刂圃谑雇寥辣砻娼咏柡偷葱纬蓮搅?。試?yàn)開始后，記錄水溫，待坡面水流平穩(wěn)后，開始測(cè)量土槽坡面徑流流速和水深。流速采用染色示蹤法測(cè)定，其方法是利用攝像機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)過程，利用KMPlayer和Image-Pro Plus軟件處理分析圖像，得到染色水流通過固定坡面的路程和時(shí)間，計(jì)算徑流流速。同時(shí)，每20 s在水槽出口接取一個(gè)泥沙水樣，稱量、搖勻、取樣、烘干測(cè)定泥沙含量，計(jì)算產(chǎn)沙率Rs。各坡面沖刷過程歷時(shí)6 min。

圖1　土壤抗沖試驗(yàn)裝置圖Fig. 1　Schematic diagram of soil anti-scouribility experimental set-up

1.3數(shù)據(jù)處理方法

染色示蹤法測(cè)定的流速為坡面優(yōu)勢(shì)流流速（Vm），實(shí)測(cè)流速乘以修正系數(shù)α作為徑流流速（V）［6］。層流α取為0.67，過渡流為0.7，紊流為0.8［6］。即：

在測(cè)量流速的同時(shí)用鋼尺測(cè)量水深。但由于坡面水流很薄且坡面水深沿坡面方向動(dòng)態(tài)變化，很難用鋼尺測(cè)定準(zhǔn)確。假定坡面水流沿坡面均勻分布，徑流平均水深可由下式計(jì)算［6］：

式中：h為坡面徑流平均水深（m）；q為斷面平均單寬流量（m2/s）；V為斷面平均流速（m/s）。

雷諾數(shù)Re是判別水流流態(tài)的重要參數(shù)。雷諾數(shù)Re的物理意義可理解為慣性力和黏滯力之比，當(dāng)雷諾數(shù)大于2 300，呈紊流狀態(tài)；反之，呈層流狀態(tài)［7］。Re的計(jì)算公式為［8］：

式中：R為水力半徑（m），取R=h；v為運(yùn)動(dòng)黏度（10-6m2/s）；g為重力加速度。

水流剪切力τ（g/（cm·s2）是徑流沖刷的動(dòng)力，其計(jì)算公式為［9］：

式中：γ為水流容重（N/m3）；J為水流能坡，采用坡面比降近似代替，即J=tanθ，θ為水槽坡度（°）；ρ為水的密度（g/m3）。

國(guó)際上，對(duì)于幾種主流的土壤侵蝕過程模型，在模擬徑流沖刷引起的土壤分離過程時(shí)使用了不同的水動(dòng)力學(xué)變量（水流剪切力τ、單位水流功率P、水流功率ω等）［10］。水流剪切力用于美國(guó)的WEEP模型，而水流功率 則用于澳大利亞的GUEST模型。水流功率定義為單位面積水體的水流功率，計(jì)算公式為［9］：

式中：ω為水流功率（g/s3）。

2　結(jié)果與分析

2.1產(chǎn)沙率與坡度、流量相關(guān)性分析

產(chǎn)沙率（Rs）可直觀地表征邊坡抗沖刷性能［11］。圖2表明，產(chǎn)沙率與坡度呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.99），與流量呈顯著對(duì)數(shù)關(guān)系（R2=0.99）。產(chǎn)沙率隨坡度和流量增大而增大，這一結(jié)果很好的反映了較大坡度和較大流量條件下鹽土坡面更容易被侵蝕的實(shí)際問題。

圖2　土槽坡面產(chǎn)沙率變化Fig. 2　Changes of the unit sediment load in soil flume

為了能綜合考慮坡度和流量變化對(duì)產(chǎn)沙率的影響，在圖3a中將不同流量下的產(chǎn)沙率和坡度的關(guān)系同時(shí)繪出，在圖3b中，將不同坡度下的產(chǎn)沙率和流量關(guān)系也同時(shí)繪出。從圖3a可以看出，流量在160-400 L/h范圍內(nèi)產(chǎn)沙率（Rs）與坡度呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系，但流量大于400 L/h時(shí)，產(chǎn)沙率隨坡度增加而增大的速率逐漸減小，與坡度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。同樣，由圖3b可以看出，在5°-20°的較小坡度范圍內(nèi)，產(chǎn)沙率與流量呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系，在坡度大于20°后，產(chǎn)沙率與流量呈對(duì)數(shù)關(guān)系，其值隨流量增大逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。可以解釋為在較小坡度條件下，水流沖刷的動(dòng)能較小，產(chǎn)沙率大小主要受徑流流量大小控制。坡度增大以后，水流沖刷的動(dòng)能增大，徑流侵蝕能力增強(qiáng)，即使在徑流量較小時(shí)也能侵蝕搬運(yùn)較多的土壤，此時(shí)產(chǎn)沙率隨徑流流量的增加變化不大，這與張科利和張竹梅［12］的研究結(jié)論相符。

以上分析表明，在影響產(chǎn)沙率的各因素中，坡度和流量有正向耦合效應(yīng)。于是利用多元非線性回歸分析獲得產(chǎn)沙率與流量、坡度之間的關(guān)系：

式中：Rs為產(chǎn)沙率（g/（min·cm2）；Q為流量（L/h）；θ為坡度（°）。

將式（6）預(yù)測(cè)的不同坡度和不同流量下的產(chǎn)沙率與實(shí)測(cè)產(chǎn)沙率關(guān)系繪于圖4，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度在5°-10°時(shí)，預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率與實(shí)測(cè)產(chǎn)沙率比較接近，但坡度大于15°時(shí)，預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏小。當(dāng)流量為160 L/h、200 L/h時(shí)預(yù)測(cè)值接近實(shí)測(cè)值；而流量大于200 L/h時(shí)，預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏小?？梢?，在較小坡度和較小流量下本試驗(yàn)得到的預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率的公式更為可靠。因此，針對(duì)鹽土土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型的建立，用坡度和流量直接表示產(chǎn)沙率，還需進(jìn)行更深入的研究。

2.2水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與坡度、流量相關(guān)性分析

坡面特征和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)是影響徑流侵蝕過程最主要的兩個(gè)因素［6］。為深入探索不同坡度和流量下鹽土坡面侵蝕規(guī)律，對(duì)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與坡度和流量的相關(guān)性進(jìn)行分析，以期為侵蝕過程和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系提供依據(jù)。本文選取雷諾數(shù)Re、水流剪切力τ、水流功率ω三個(gè)典型的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究。

圖5分析了上方來水沖刷試驗(yàn)中雷諾數(shù)Re與坡度、流量的相關(guān)關(guān)系。各種流量水流沖刷條件下，隨坡度變化，坡面水流雷諾數(shù)Re均無明顯變化，維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定水平，表明雷諾數(shù)Re變化與坡度無顯著相關(guān)。而圖5b顯示，不同坡度條件下，徑流雷諾數(shù)Re隨水流流量增大而顯著增大，呈線性顯著相關(guān)（平均R2〉0.99）。

圖3　產(chǎn)沙率隨坡度、流量的變化關(guān)系Fig. 3　Relationships between the unit sediment load and slope gradient， runoff discharge

圖4　預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率與實(shí)測(cè)產(chǎn)沙率關(guān)系Fig. 4　Predicted soil detachment rate vs. measured detachment rate

圖5　雷諾數(shù)Re與坡度、流量相關(guān)關(guān)系Fig. 5　Correlations between Reynolds number and the slope gradient， runoff discharge

由水流剪切力τ、水流功率ω的水力學(xué)計(jì)算公式（4）、（5）可以發(fā)現(xiàn)，平均剪切力τ、水流功率ω都與J和h有關(guān)，而J=tanθ，h=q/v，故平均剪切力τ、水流功率ω都與流量和坡度有一定的相關(guān)關(guān)系。為驗(yàn)證水力學(xué)上存在的固有物理關(guān)系，在圖6中點(diǎn)繪了水流剪切力、水流功率與坡度、流量的變化關(guān)系。坡面水流剪切力τ的變化范圍在4.4-107.4 g/（cm·s2）之間，平均值為32.0 g/（cm·s2）。流量一定時(shí)，水流剪切力隨坡度增大呈線性增大關(guān)系（平均R2=0.96）；當(dāng)流量變大，水流剪切力隨坡度增大而增大的速率變大，在圖中表現(xiàn)為大流量下的趨勢(shì)線斜率更大（圖6a）。坡度一定時(shí)，水流剪切力隨流量增大線性增大（平均R2=0.97），且坡度的增大使線性增大的速率變大，表現(xiàn)為在高坡度條件下水流剪切力與流量的線性關(guān)系趨勢(shì)線斜率更大（圖6b）。由圖6c、6d可知，水流功率ω與坡度和流量的關(guān)系與水流剪切力τ與坡度和流量的關(guān)系類似。水流功率ω與坡度呈顯著正線性相關(guān)關(guān)系（平均R2=0.99），且流量越大時(shí)，ω與坡度的正相關(guān)趨勢(shì)線斜率越大；水流功率ω隨流量增大線性增大（平均R2=0.99），且坡度變大時(shí)，水流功率ω隨流量增大而增大的速率更大。

以上結(jié)果很好的驗(yàn)證了在鹽土坡面上方來水徑流沖刷試驗(yàn)中坡度和流量都是影響水流剪切力τ、水流功率ω的重要因素，且具有正向耦合效應(yīng)，與它們固有的物理關(guān)系契合。

2.3產(chǎn)沙率Rs與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析

以上研究表明，產(chǎn)沙率、水流剪切力，水流功率均與坡度和流量具有顯著相關(guān)性。于是猜想產(chǎn)沙率Rs與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間也有一定的相關(guān)性。為驗(yàn)證猜想，圖7點(diǎn)繪了產(chǎn)沙率Rs與水流剪切力τ及水流功率ω之間的相關(guān)關(guān)系，以期找到用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)表征產(chǎn)沙率Rs的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，給預(yù)測(cè)鹽土坡面侵蝕狀況提供水動(dòng)力學(xué)依據(jù)。從圖中可知，產(chǎn)沙率與水流剪切力、水流功率都呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系，所以水流剪切力τ（R2=0.82）、水流功率ω（R2=0.86）均可很好地預(yù)測(cè)不同坡度和流量條件下產(chǎn)沙率Rs的相應(yīng)數(shù)值［13］。對(duì)比相關(guān)系數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)水流功率ω的可靠性更高，這個(gè)結(jié)論與Guo等［8］的研究結(jié)論相符。水流功率理論最初更多應(yīng)用于明渠水流，后經(jīng)Moor和Burch［14］的實(shí)驗(yàn)研究證明，可以直接用來描述坡面侵蝕過程，眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果也對(duì)此理論［15-17］的應(yīng)用提供了依據(jù)。因此，對(duì)于研究區(qū)高鈉鹽粉砂土，水流功率ω可以很好的表征土壤侵蝕狀況，得到的經(jīng)驗(yàn)公式為Rs=0.59ln（ω）-3.15，R2=0.86。然而在沿海鹽堿土邊坡沖刷試驗(yàn)中，二者表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)數(shù)關(guān)系，與Guo等［8］和管新建等［18］的試驗(yàn)得出的產(chǎn)沙率與水流功率呈線性正相關(guān)關(guān)系有出入，但大體變化趨勢(shì)相同，差異原因可能在于沿海鹽堿土理化性質(zhì)的特殊性。

3　結(jié)論

1）平均產(chǎn)沙率Rs分別與坡度呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.99），與流量呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系（R2=0.99）。坡度和流量對(duì)產(chǎn)沙率Rs有正向耦合效應(yīng)，得出產(chǎn)沙率與坡度和流量的回歸方程：

2）雷諾數(shù)Re與流量呈線性正相關(guān)而與坡度無顯著相關(guān)；坡面水流剪切力τ和水流功率ω與流量和坡度均呈線性正相關(guān)關(guān)系。

3）水流功率ω（R2=0.86）可以很好的預(yù)測(cè)研究區(qū)高鈉鹽粉砂土坡面在上方來水沖刷條件下的產(chǎn)沙率Rs，得到經(jīng)驗(yàn)公式Rs= 0.59ln（ω） - 3.15，R2= 0.86。

4　討論

圖6　水流剪切力、水流功率與坡度、流量相關(guān)關(guān)系Fig. 6　Correlations between flow hydraulic shear stress/ stream power and the slope gradient， runoff discharge

1）論文在獲得產(chǎn)沙率與坡度/流量的回歸方程（Rs=0.001Q0.577θ1.002，R2=0.92）后發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性良好，且在較小坡度和較小流量條件下公式的可靠性更高，原因可能是因?yàn)榱髁亢推露葍蓚€(gè)因子對(duì)侵蝕產(chǎn)沙率的貢獻(xiàn)率存在對(duì)比消長(zhǎng)關(guān)系，流量和坡度都較小時(shí)，坡度對(duì)侵蝕過程起主導(dǎo)作用；當(dāng)流量較大或者達(dá)到臨界坡度以后，則流量對(duì)侵蝕過程起主導(dǎo)作用，而從回歸方程的形式上看與流量和坡度都較小時(shí)的情況更為吻合。這與耿曉東等［19］的研究結(jié)論一致。

圖7　產(chǎn)沙率Rs與剪切力τ、水流功率ω相關(guān)關(guān)系Fig. 7　Correlations between the flow hydraulic shear stress and stream power

2）用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)表征產(chǎn)沙率時(shí)，水流剪切力τ和水流功率ω較雷諾數(shù)Re更能綜合考慮坡度和流量的影響，具有更廣泛的水動(dòng)力學(xué)特性，在譚貞學(xué)等［20］的研究中也將水流功率ω作為描述產(chǎn)沙率的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的依據(jù)之一。

3）由所得的預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率的經(jīng)驗(yàn)公式Rs=0.59ln（ω）-3.15，R2=0.86，可得土壤侵蝕的臨界水流功率為ω=27.54 g/s3，當(dāng)水流功率大于土壤侵蝕的臨界水流功率后，侵蝕才開始發(fā)生，該結(jié)論可以為海涂鹽堿地工程邊坡侵蝕預(yù)報(bào)理論提供依據(jù)。然而水流功率理論在土壤抗沖性研究中的實(shí)踐應(yīng)用較少，對(duì)于不同土壤類型尚缺乏系統(tǒng)研究，其在土壤抗沖性研究中的實(shí)踐和應(yīng)用尚需進(jìn)一步的探究。

4）本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了海涂鹽堿地坡面土壤侵蝕過程，建立了試驗(yàn)條件下的坡面土壤侵蝕公式，豐富了海涂鹽堿地坡面土壤抗沖性的研究。但除了試驗(yàn)所考慮的坡度、流量、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)等影響因子外，坡面下墊面土壤的理化性質(zhì)、植被覆蓋類型及程度等也是影響坡面土壤抗沖性的重要因素，在接下來的研究中需進(jìn)行進(jìn)一步探索，完善預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率的公式使之具有更強(qiáng)的適用性，為海涂鹽堿地抗沖性的研究提供依據(jù)。

［1］ 李強(qiáng)， 劉國(guó)彬， 許明祥， 等. 黃土丘陵區(qū)撂荒地土壤抗沖性及相關(guān)理化性質(zhì)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2013， 29（10）: 153-159.

Li Q， Liu G B， Xu M X， et al. Soil anti-scouribility and its related physical properties on abandoned land in the Hilly Loess Plateau［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（10）: 153-159.

［2］ 楊文元， 張奇， 張建華， 等. 紫色丘陵區(qū)土壤抗沖性研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)， 1997， 3（2）: 22-28.

Yang W Y， Zhang Q， Zhang J H， et al. Study on soil antiscouribility in purple hilly area［J］. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation， 1997， 3（2）: 22-28.

［3］ 王丹丹， 張建軍， 茹豪， 等. 晉西黃土高原不同地類土壤抗沖性研究［J］. 水土保持學(xué)報(bào)， 2013， 27（3）: 28-32.

Wang D D， Zhang J J， Ru H， et al. Soil erosion resistance of different land uses in Loess Plateau of Western Shanxi Province［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2013， 27（3）: 28-32.

［4］ 楊玉梅， 鄭子成， 李廷軒. 不同土地利用方式下土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素［J］. 水土保持學(xué)報(bào)， 2010， 24（4）: 64-68.

Yang Y M， Zheng Z C， Li T X. Soil anti-scourability dynamic variation characteristics and its influencing factors under different land use types［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2010，24 （4）: 64-68.

［5］ 胡茂友. 沿海灘涂墾區(qū)水土流失成因與防治途徑探討［J］. 江蘇水利， 2005（7）: 31-33.

Hu M Y. Investigation of the causes and prevention of soil erosion in coastal reclamation area［J］. Jiangsu Water Resources， 2005（7）: 31-33.

［6］ 佘冬立， 劉冬冬， 彭世彰， 等. 海涂圍墾區(qū)排灌工程邊坡土壤侵蝕過程的水動(dòng)力學(xué)特征［J］. 水土保持學(xué)報(bào)， 2014， 28（1）: 1-5.

She D L， Liu D D， Peng S Z， et al. Hydrodynamic characters of runoff in soil erosion processes on drainage-irrigation engineering slope of farmland in coastal region［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2014， 28（1）: 1-5.

［7］ 趙振興， 何建京. 水力學(xué)［M］. 北京: 清華大學(xué)出版社， 2010: 75-76.

Zhao Z X， He J J. Hydraulics［M］. Beijing: Tsinghua University Press， 2010: 75-76.

［8］ Guo T， Wang Q， Li D， et al. Flow hydraulic characteristic effect on sediment and solute transport on slope erosion［J］. Catena， 2013，107（8）: 145-153.

［9］ 管新建， 李占斌， 王民， 等. 坡面徑流水蝕動(dòng)力參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)及模糊貼近分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2007， 23（6）: 1-6.

Guan X J， Li Z B， Wang M， et al. Laboratory experiment and fuzzy nearness degree analysis of runoff hydrodynamic erosion factors on slope land surface［J］. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering， 2007， 23（6）: 1-6.

［10］ 張光輝. 坡面水蝕過程水動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展［J］. 水科學(xué)進(jìn)展，2001， 12（3）: 395-402.

Zhang G H. Advances in study of runoff detachment processes based on hydraulics［J］. Advances in Water Science， 2001， 12（3）: 395-402.

［11］ 劉國(guó)彬. 黃土高原土壤抗沖性研究及有關(guān)問題［J］. 水土保持研究， 1997， 4（5）: 91-101.

Liu G B. Soil anti-scourability research and its perspectives in Loess Plateau［J］. Research of Soil and Water Conservation， 1997，4（5）: 91-101.

［12］ 張科利， 張竹梅. 黃土陡坡細(xì)溝侵蝕及其產(chǎn)沙特征的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 自然科學(xué)進(jìn)展， 2000， 10（12）: 1136-1139.

Zhang K L， Zhang Z M. Study on the sediment yield characteristics of rill erosion in Loess steep slope［J］. Progress in Natural Science， 2000， 10（12）: 1136-1139.

［13］ 王瑄， 李占斌， 鄭良勇. 土壤剝蝕率與水流剪切力關(guān)系室內(nèi)模擬試驗(yàn)［J］. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 38（4）: 577-580.

Wang X， Li Z B， Zheng L Y. An indoor simulation experiment of the relationship between soil detachment rate and shear stress［J］. Journal of Shenyang Agricultural University， 2007， 38（4）: 577-580.

［14］ Moore I D， Burch G J. Sediment transport capacity of sheet and rill flow: Application of unit stream power theory［J］. Water Resources Research， 1986， 22（8）: 1350-1360.

［15］ 王瑄， 李占斌， 尚佰曉， 等. 坡面土壤剝蝕率與水蝕因子關(guān)系室內(nèi)模擬試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2008， 24（9）: 22-26.

Wang X， Li Z B， Shang B X， et al. Indoor simulation experiment of the relationship between soil detachment rate and water erosion factor［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2008， 24（9）: 22-26.

［16］ 肖培青， 姚文藝， 申震洲， 等. 植被影響下坡面侵蝕臨界水流能量試驗(yàn)研究［J］. 水科學(xué)進(jìn)展， 2011， 22（2）: 229-234.

Xiao P Q， Yao W Y， Shen Z Z， et al. Experimental study of critical flow energy for slope erosion under the influence of vegetation cover［J］. Advances in Water Science， 2011， 22（2）: 229-234.

［17］ Zhang G H， Liu Y M， Han Y F， et al. Sediment transport and soil detachment on steep slopes: I. transport capacity estimation［J］. Soil Science Society of America Journal， 2009， 73（4）: 1291-1297.

［18］ 管新建， 張文鴿， 李勉， 等. 模擬降雨侵蝕產(chǎn)沙量與其影響因子的灰關(guān)聯(lián)分析［J］. 水土保持通報(bào)， 2011， 31（2）: 168-171.

Guan X J， Zhang W G， Li M， et al. GCA between sediment yield and its impact factors under simulated rainfall conditions［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2011， 31（2）: 168-171.

［19］ 耿曉東， 鄭粉莉， 劉力. 降雨強(qiáng)度和坡度雙因子對(duì)紫色土坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響［J］. 泥沙研究， 2010（6）: 48-53.

Geng X D， Zheng F L， Liu L. Effect of rainfall intensity and slope gradient on soil erosion process on purple soil hill slopes［J］. Journal of Sediment Research， 2010（6）: 48-53.

［20］ 譚貞學(xué)， 王占禮， 劉俊娥，等. 黃土坡面細(xì)溝徑流輸沙對(duì)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)［J］. 中國(guó)水土保持科學(xué)， 2011， 9（5）: 1-6.

Tan Z X， Wang Z L， Liu J E， et al. Response of runoff-induced sediment discharge to hydrodynamic parameters of rill on loess hillslope［J］. Science of Soil and Water Conservation， 2011， 9（5）: 1-6.

（責(zé)任編輯：王育花）

Experimental study on soil anti-scourability of the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land

CHEN Qian1a， SHE Dong-li1a，1b， ZHANG Er-zi2， XU Wen-tao1a
（1. Hohai University， a. Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China， Ministry of Education， b. National Engineering Research Centre of Water Resource Efficient Utilization and Engineering Safety， Nanjing， Jiangsu 210098， China； 2. Jiangning Water Resources Bureau of Jiangsu Province，Nanjing， Jiangsu 210098， China）

The objective of this study was to identify the soil anti-scourability in the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land. For this purpose， the relationships between unit sediment load （Rs） of silt soil slopes， its hydraulic characteristics， slope gradient， and runoff discharges were analyzed through the runoff scouring experiments under six different slope gradients and six different runoff discharges. The results showed that the Rspresented a positive liner relationship with slope gradient and increased logarithmically with runoff discharges. Reynolds number （Re） had a positive liner relationship with the runoff discharge but did not have any obvious relationships with slope gradient. The stream average shear force （τ） and the stream power （ω） had positive liner relationships with the runoff discharge and slope gradient. The Rsincreased logarithmically with the stream average shear force （τ） and the stream power （ω）. The ω and τ were all good hydraulic indicators for the unit area sediment load under different slope gradients and runoff discharges. It was clearly indicated by the related coefficient that the stream power （ω） was the best for predicting Rsin runoff scouring experiments. The above results will provide scientific basis for the research progress in the model development of soil erosion in the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land.

slope gradient； runoff discharge； runoff scouring experiments； soil anti-scourability； unit sediment load；hydraulic characteristic； saline-alkali land

National Natural Science Foundation of China （51679062， 41471180）； Land and Resources Science and Technology Project of Jiangsu Province （KJXM2016003）.

SHE Dong-li， E-mail: shedongli@hhu.edu.cn.

21 March， 2016；Accepted 22 June， 2016

S157.1

A

1000-0275（2016）05-0964-08

10.13872/j.1000-0275.2016.0090

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51679062，41471180）；江蘇省國(guó)土資源科技項(xiàng)目（KJXM2016003）。

陳倩（1993-），女，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田水土過程與侵蝕控制研究，E-mail：1934214192@qq.com；通信作者：佘冬立（1980-），男，湖南望城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)田水土過程與侵蝕控制研究，E-mail：shedongli@hhu.edu.cn。

2016-03-21，接受日期：2016-06-22