放水沖刷條件下紫色土細溝侵蝕特征

王愛娟，符素華，馮克義，朱小立

（1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100055，北京；2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京；3.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，100048，北京）

放水沖刷條件下紫色土細溝侵蝕特征

王愛娟1，符素華2，馮克義3，朱小立2

（1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100055，北京；2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京；3.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，100048，北京）

細溝侵蝕對于坡面侵蝕量的貢獻很大。以長江中上游典型侵蝕性土壤紫色土為研究對象，采用變坡限定性細溝徑流土槽放水沖刷試驗，研究不同流量、坡度和坡長情況下，紫色土細溝侵蝕特征。結(jié)果表明：相同坡度和流量情況下，清水流速大于渾水流速，坡度和流量影響流速的變化；不同流量情況下，5°坡面流速隨坡長增大變化幅度很小，基本穩(wěn)定。15°和23°坡面流速呈現(xiàn)隨坡長增加而減小的趨勢，并趨于穩(wěn)定。在給定的坡度和流量條件下，產(chǎn)沙量隨著坡長的增加而增加，但增加的幅度越來越小，且趨近一個穩(wěn)定值。5°坡面含沙量穩(wěn)定所需的坡長在5、15和25 L/min情況下，分別為7、5和5m。15°和23°坡面在5和15 L/min情況下，含沙量穩(wěn)定所需的坡長分別為7和6m，25 L/min情況下坡長到試驗坡長10m時，含沙量還沒穩(wěn)定，含沙量與坡長成對數(shù)函數(shù)關(guān)系。其研究結(jié)果為紫色土坡面侵蝕物理模型的建立提供參數(shù)支持。

紫色土；細溝；含沙量；流速；坡度

坡面作為泥沙的主要策源地，侵蝕形態(tài)主要包括細溝侵蝕和細溝間侵蝕［1］。細溝侵蝕是坡面侵蝕的重要組成部分，其發(fā)生主要受坡面徑流的水力特征、坡度、坡長等坡面特征和土壤性質(zhì)影響?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，對于水力特征的研究主要集中于徑流量、流速、水流剪切力、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)等指標［2-5］，土壤性質(zhì)主要包括土壤有機質(zhì)、團聚體質(zhì)量分數(shù)、土壤密度、機械組成、抗剪強度和細溝土壤可蝕性等指標開展［6-7］。流速的測定對于研究土壤侵蝕能力和挾沙力非常重要。當斷面面積一定時，流量增加，流速必然增大，但對于相同流量情況下，坡度的增大對于流速的影響，目前仍有爭議。G.R.Foster［8］和A.D.Abrahams等［9］研究指出，在坡面上，流速隨坡度增加而增加，但是增加的幅度受坡面狀況影響而不一樣。G.Rauws［10］研究得出，在粗糙的表面上，流速隨坡度增加而增加，但流速增加的幅度較光滑表面的流速增加的幅度小。相同流量條件下，坡度越大，流速也有微小增加趨勢。而也有研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕細溝內(nèi)的水流速度不隨坡度的增大而增大，主要是因為水流速度在順坡而下時，挾帶泥沙和抵抗坡面摩擦阻力等并不隨坡度的增大而增大，研究認為細溝內(nèi)流速與流量相關(guān)，但是坡度對坡面徑流平均流速的影響并不顯著［7］。張科利［11］和丁文峰等［12］的研究結(jié)果表明，徑流流速隨徑流侵蝕時間的延長和細溝發(fā)展過程的演變發(fā)生變化。G.Govers［13］研究認為，坡度大時侵蝕增加，土壤表面糙度相應(yīng)增加，流速并不隨坡度增加而增大?？梢?，坡面地表徑流流速與坡面坡度間的定量關(guān)系目前仍無定論，是需要進一步研究的科學(xué)問題。細溝徑流含沙量不僅受水力特征影響，同時也受坡面特征和土壤特征影響。雷廷武等［14］采用黃綿土研究指出，侵蝕產(chǎn)沙達到飽和所需要的坡長隨著坡度的增加明顯變短，不同坡度的坡面產(chǎn)沙量隨著坡長增大而增加，坡長達到一定值時，含沙量趨于穩(wěn)定。孔亞平等［15］和張晴雯等［16］采用室內(nèi)模擬降雨試驗的方法，研究黃土坡面的侵蝕產(chǎn)沙在不同坡長和雨強情況下的特征，結(jié)果表明，產(chǎn)沙量隨坡長的增加而增加，陡坡條件下，徑流含沙量在坡長6m時達到最大。由于細溝的發(fā)生發(fā)展有很大的隨機性，細溝的寬度和深度隨雨強及坡長的變化沒有明顯的規(guī)律性，本次研究采用限定性細溝的方法，研究紫色土細溝侵蝕特征，主要包括不同坡度、流量情況下，紫色土細溝流速和含沙量的變化情況，旨在為長江上游坡面侵蝕治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

紫色土是長江中上游地區(qū)的典型侵蝕性土壤，主要分布在四川盆地。四川盆地（E104°，N30°）是我國四大盆地之一，海拔300～700 m，四周被海拔1 000～4 000 m的山地環(huán)抱，盆地底部包含平原、嶺谷和丘陵地貌，屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年降水量達1 000～1 200mm。受氣候條件影響，該區(qū)域植被狀況良好，侵蝕多發(fā)生在坡耕地或生產(chǎn)建設(shè)項目等人為水土流失情況下。試驗土壤取自四川南充坡耕地紫色土。母巖為侏羅系遂寧組巖層，土壤黏粒、粉粒、砂粒的質(zhì)量分數(shù)分別為30.85％、22.82％和46.33％，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為4.17 g/kg。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)置

由于坡面細溝寬度隨侵蝕過程演變隨機性較大，而含沙量、水流剪切力等隨細溝寬度不斷變化，為克服細溝寬度變化的影響，人為設(shè)置細溝寬度。試驗土槽采用鋼板制成，長12m，寬30 cm，深50 cm，用隔板將土槽隔成3個10 cm寬的細溝。為避免隔板邊壁對侵蝕過程的影響，在隔板處填土略有凸起，并在隔板邊壁粘貼供試土壤，盡可能接近試驗土同樣的糙度。水槽放置在可控制坡度的支架上。供水設(shè)備采用定水頭裝置，用閥門控制流量，將水放入水頭恒定的水槽，通過水管均勻注水，水管出水口布設(shè)均勻小孔，并用紗布纏繞出水口，以保證水流均勻。

2.2 供試土壤與試驗方法

從田間取回的土壤風(fēng)干后，過5mm篩子備用。每次試驗都重新填土，填土厚度為30 cm，密度控制為1.3 g/cm3。裝好土后，試驗前保持土壤充分飽和，放置24 h。試驗時將土槽坡度調(diào)節(jié)至試驗坡度。試驗開始前，測定水溫，調(diào)節(jié)流量閥門至設(shè)計流量。試驗開始放水時計時，水槽出口有水流出時計時，接第1個土樣，并記錄采樣時間，連續(xù)接3個土樣后，停止放水，記錄水流結(jié)束時間。試驗過程中測定流速，試驗結(jié)束后，采用測針法和量測法，間隔20 cm，測定細溝的形態(tài)、拍攝照片，測定土樣的體積，用烘干法獲取徑流含沙量數(shù)據(jù)。

試驗開始前，在細溝表面先放上同樣寬度的粘有供試土壤的鐵皮，使其糙度與細溝表面糙度盡可能相近，放水測定清水流速。試驗過程中，采用高錳酸鉀染色劑示蹤法，測定渾水流速。2 m以上的坡長時，只測定距出口2m的流速；2m以下的坡長試驗時，測定實際坡長的渾水流速，考慮到染色劑法測得的是徑流表面流速，觀測的流速數(shù)據(jù)乘以0.7，作為整個斷面的徑流流速［16］。

根據(jù)四川南充氣象站1961—2000年的次降雨資料，分析得到不同重現(xiàn)期下雨量產(chǎn)生的單寬流量，結(jié)合已有的研究，試驗流量擬定為5、15和25 L/ min，試驗坡度根據(jù)坡耕地坡度特征，結(jié)合試驗條件擬定為5°、15°和23°，坡長設(shè)為0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9和10m等11個級別。每場試驗完成后，將土槽中剩余土壤挖出，重新填入篩好的土，控制容重和填土表面的平整度。所有試驗重復(fù)3次，共完成試驗297次。

3 結(jié)果分析

3.1 流速與坡度和流量的關(guān)系

不同坡度和流量條件下坡面流速見表1。10 m坡長的紫色土細溝內(nèi)，清水和渾水平均流速，是隨著流量的增加而增加，而清水流速的大小和增大的幅度都大于相應(yīng)坡度和流量的渾水流速；在相同坡度和流量情況下，清水流速大于渾水流速，說明產(chǎn)沙前，徑流不因剝蝕和攜帶泥沙而消耗動能；給定流量情況下，渾水流速隨坡度的增大呈現(xiàn)不同的規(guī)律，流量為5和15 L/min時，渾水流速不隨坡度的增大而增大；25 L/min時，15°和23°坡面渾水流速較5°坡面大。

表1 不同流量和坡度情況下的坡面流速Tab.1 Flow velocity under different runoff and slope gradients

3.2 流速與坡長的關(guān)系

從圖1可知，不同流量情況下，5°坡面流速變化幅度很小，基本穩(wěn)定，15°和23°坡面流速呈現(xiàn)隨坡長增加而減小的趨勢，并趨于穩(wěn)定。5°坡面，坡度較緩，當流量較小時，因初始動能和重力的作用，水流順坡而下，紫色土黏性較大，侵蝕產(chǎn)沙量相對較小，整個坡面土壤糙率一致，流速變化的幅度不大。15°和23°坡面上，水流在順坡而下的過程中含沙量增加，隨著坡長增加，徑流輸送泥沙所需的能量增大，水流動能減小，流速隨坡長增加呈現(xiàn)下降趨勢。流速受徑流深、流量等影響，在給定出口流量的情況下，徑流受動能和重力作用順坡而下，坡頂入口處，徑流能量用于剝蝕土壤，造成坡面糙率增加，在水流過程中受到摩擦阻力以及挾帶泥沙消耗其能量，使得動能減小，流速下降。

3.3 含沙量與坡長的關(guān)系

圖2示出徑流含沙量隨坡長的變化趨勢。在不同坡度、不同流量情況下，侵蝕產(chǎn)沙量隨坡長的變化呈現(xiàn)相似的趨勢，即在給定的坡度和流量條件下，產(chǎn)沙量隨著坡長的增加而增加，但增加的幅度越來越小，且趨近一個穩(wěn)定值。5°坡面表現(xiàn)為隨著流量增大，含沙量穩(wěn)定需要的坡長變短，含沙量穩(wěn)定所需的坡長在5 L/min情況下為7m，0.9和15 L/min情況下為5m。15°和23°坡面在5和15 L/min情況下，含沙量穩(wěn)定的坡長分別為7和6 m；25 L/min情況下，坡長到試驗坡長10m時，含沙量還沒穩(wěn)定。

圖1 不同坡度情況下流速與坡長關(guān)系Fig.1 Relationship between flow velocity and slope length under different slope gradients

圖2 不同流量情況下含沙量隨坡長的變化Fig.2 Changes of sediment load according to slope length under different runoff discharges

由圖2還可以看出：在一定坡度和流量下，含沙量隨著坡長的變化趨勢表現(xiàn)為先是隨著坡長的增加而增加，但增加的速率越來越小，且趨近一個穩(wěn)定值。坡度和流量都會造成侵蝕產(chǎn)沙量的變化。在含沙量達到穩(wěn)定之前，同一坡度下，流量不同，含沙量也不同，含沙量隨流量的增加而增加，只是這種增加沒有隨坡度的變化那么明顯。即不同坡度條件下，均表現(xiàn)出隨著流量增大，含沙量增大的趨勢。5°情況下的含沙量較15°和23°小4～5倍，而15°和23°情況下，含沙量變化不大，坡度對于含沙量的變化影響較流量要大。此外，還可以看到：在5°情況下，含沙量達到飽和需要的坡長是隨著流量的增加有變短的趨勢；而陡坡情況下，含沙量達到飽和需要的坡長受流量的影響不大；極限坡長不隨流量的增加而變短?；貧w分析含沙量與坡長的關(guān)系，得到如下關(guān)系式：

回歸系數(shù)值見表2，相關(guān)系數(shù)R2均值為0.88?；貧w關(guān)系表明在恒定的坡度、流量情況下，水流含沙量在到達一定的坡長時，均不再增加，而是趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

在給定坡度條件下，紫色土細溝清水流速的大小和增大的幅度都大于相應(yīng)坡度和流量的渾水流速。相同坡度和流量情況下，清水流速大于渾水流速。坡度和流量越大，坡面流速越大，這與G.R.Foster［8］的研究結(jié)果一致，流速隨坡度增加而增加。不同流量情況下，5°坡面流速變化幅度很小，基本穩(wěn)定。本次研究還得出，15°和23°坡面的流速隨坡長增加而減小的趨勢。

表2 含沙量與坡長的回歸系數(shù)值Tab.2 Regression coefficients of sediment land and slope length

在給定的坡度和流量條件下，含沙量隨著坡長的增加而增加，但增加的幅度越來越小，且趨近一個穩(wěn)定值。5°坡面表現(xiàn)為隨著流量增大，含沙量穩(wěn)定需要的坡長變短，在流量為5、15和25 L/min情況下含沙量穩(wěn)定所需的坡長，分別為7、5和5 m。15°和23°坡面、5和15 L/min情況下為7和6m；25 L/ min情況下，在試驗坡長達到10 m時，含沙量沒有達到穩(wěn)定，表明陡坡情況下，含沙量穩(wěn)定所需的坡長不隨流量的增加而變短。這與前人采用黃綿土研究得到坡度越大，含沙量趨于穩(wěn)定的速度越快，坡度相同流量不同情況下，流量越大，含沙量趨于穩(wěn)定的趨勢也越快，與含沙量達到飽和所需要的坡長，是隨著坡度的增加明顯變短的結(jié)果［14］有所不同，其研究獲得的極限坡長均大于紫色土情況下的坡長，這是由于土壤性質(zhì)的巨大差異造成的。含沙量與坡長呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。張晴雯等［16］以黃綿土為研究對象，獲得的研究結(jié)果顯示，隨著坡度和流量的增加，產(chǎn)沙量隨著坡長逐漸增加并趨于穩(wěn)定，與本研究的結(jié)果一致。在以往的研究中，發(fā)現(xiàn)紫色土坡面在剖面土壤達到飽和時會產(chǎn)生壤中流，當降雨強度或流量達到一定值時，小區(qū)土壤會發(fā)生整體滑塌，這與黃土細溝侵蝕研究的特征不一致［4，18- 19］，分析認為與紫色土黏性較大、土壤蓄水性強等特征不同，黃綿土因為土壤黏性較小，土層深厚，土壤蓄水能力和抗沖刷力較差，隨著徑流量增大，細溝下切侵蝕嚴重，但不會發(fā)生滑坡現(xiàn)象。研究結(jié)論將為紫色土侵蝕機理研究提供數(shù)據(jù)支持。

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Rill erosion characteristics of purple soil by flume flushing method

Wang Aijuan1，F(xiàn)u Suhua2，F(xiàn)eng Keyi3，Zhu Xiaoli2

（1.Center of Soil and Water Conservation Monitoring，Ministry of Water Resources，100055，Beijing，China；2.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing，China；3.Beijing Water Conservancy Academy of Planning and Design，100048，Beijing，China）

［Background］The rill erosion is the main source of the total erosion amount，and it is the greatest contribution to the slope erosion.Rill flow velocity changes with the slope gradient changing.The sediment load changes not only by the impact of soil properties but also by the hydraulic characteristics and slope characteristics.At present，soil erosion study for purple soil was relatively shortened and the data that could be used is very little.［Methods］A series of flume experiments of restrictive rills were conducted to understand erosion characteristics of rills under the condition of different slope gradients and slope lengths.Quantitative study of the rill erosion is the basis for best understanding the slope erosion mechanism.The soil used was purple soil，a clay soil.The test sediment was air dried and sieved through a 5mm sieve.Three slope gradients：5°，15°，and 23°，aswell as three flow discharges：5 L/ min，15 L/min，and 25 L/min were adopted in the experiments.Flow discharge was controlled by a series of valves installed on a flow diversion box and measured directly by a calibrated flow meter.The elevation of the upper flume end was adjusted by a stepping motor，allowing adjustment of the bed gradient up to 45％.The rills were 10 cm wide.Rill length was0.5m，1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，and 10m respectively.［Results］The velocity of clean water in rill was larger than that of muddy water under the same slope gradient and runoff.Both slope gradient and runoff dischargeimpacted the flow velocity.Under different runoff discharge，the flow velocity of slope 5°had little variation and was stable.The flow velocity of 15°and 23°decreased with the slope length increasing，and the situation tended towards stability.Under a given slope gradient and runoff discharge，the sediment load increased as the slope length increasing，but the rate of increasing was getting smaller and smaller till it approached a stable value.On the slope gradient of 5°，the slope length value while sediment load reached stable became shorter along with the increase of flow discharge，and the values were 7m，5m，and 5m respectively at the flow discharge of5 L/min，15 L/min，and 25 L/min.On the slope gradient of 15°and 23°，the slope length values while sediment load became stable were 7m and 6 m under the flow discharge of5 L/min and 15 L/min.The sediment load did not become stable when the slope length was 10m that was the largest length of the experimentunder the flow discharge of25 L/min. The yield of sediment and slope length presented a relationship of logarithmic function.［Conclusions］The results are conducive to the comprehensive understanding rill erosion of purple soil and provide basic data for physical erosion model's establishment.

purple soil；rill；sediment load；flow velocity；slope gradient

TV133；TV135.2

A

1672-3007（2016）05-0023-06

10.16843/j.sswc.2016.05.004

2016- 02- 18

2016- 03- 07

項目名稱：國家青年科學(xué)基金“紫色土細溝侵蝕研究”（41101260）

王愛娟（1981—），女，博士，高工。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail：wang-ai-juan@163.com