沙層厚度和粒徑組成對覆沙黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響*

謝林妤白玉潔張風寶，2?楊明義，2李占斌，2，3

（1 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西安理工大學水利水電學院，西安 710048）

沙層厚度和粒徑組成對覆沙黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響*

謝林妤1白玉潔1張風寶1，2?楊明義1，2李占斌1，2，3

（1 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西安理工大學水利水電學院，西安 710048）

片沙覆蓋黃土區(qū)是水蝕風蝕交錯帶內(nèi)土壤侵蝕最為強烈的區(qū)域，研究該區(qū)內(nèi)土壤侵蝕特征可對水蝕風蝕交錯帶水土流失的預報及防治提供理論依據(jù)。采用室內(nèi)模擬降雨，研究黃土坡面不同覆沙厚度（2 cm、5 cm和10 cm）和沙層粒徑組成（100%＜0.25 mm、75%＜0.25 mm +25%＞0.25 mm、50%＜0.25 mm +50%＞0.25 mm、未處理原沙和100%＞0.25 mm）對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。結(jié)果表明，覆沙黃土坡面較黃土坡面的初始產(chǎn)流時間明顯延長，產(chǎn)流速率和產(chǎn)流量減小，產(chǎn)沙速率和產(chǎn)沙量增大，降雨過程中產(chǎn)流產(chǎn)沙波動性增大，且這些變化隨覆沙厚度增加而明顯加強；沙層粒徑組成在不同覆沙厚度下對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響不同，2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期隨粒徑變粗產(chǎn)流產(chǎn)沙呈增大趨勢，降雨后期無明顯變化；5 cm覆沙厚度坡面隨沙層粒徑變粗產(chǎn)流速率呈增加趨勢，降雨前期上覆粗粒徑沙層坡面的侵蝕速率高于細粒徑沙層坡面，降雨后期恰好相反；10 cm覆沙厚度的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙隨沙層粒徑組成變化不明顯。典型覆沙黃土坡面的產(chǎn)流過程為雨水垂直入滲―沙土界面潛流―沙層邊緣滲流―地表徑流，產(chǎn)沙過程為沙層邊緣滲流侵蝕―沙層坍塌重力侵蝕―地表徑流輸移，明顯不同于無覆沙黃土坡面的超滲產(chǎn)流方式及濺蝕―片蝕―細溝侵蝕的侵蝕發(fā)展過程。

覆沙黃土坡面；覆沙厚度；粒徑組成；產(chǎn)流產(chǎn)沙

水蝕風蝕交錯帶是黃土高原土壤侵蝕最為強烈的區(qū)域［1-3］，也是黃河下游河床粗泥沙的主要源區(qū)［4-5］。該區(qū)域冬春季以風蝕為主，夏秋季以水蝕為主［6-7］，土壤侵蝕在時間上交錯，空間上重疊。獨特的多動力綜合侵蝕條件和侵蝕特征形成了特殊的地貌類型，其中以片沙覆蓋黃土丘陵地貌最為特殊，侵蝕產(chǎn)沙也最為強烈［8］。片沙覆蓋黃土丘陵地貌因沙層和下伏黃土在入滲、容重、結(jié)構(gòu)、孔隙度、機械組成、導水率和持水性等方面的差異，沙層與黃土層之間存在明顯的沙土界面，呈典型的沙土二元結(jié)構(gòu)，目前這一特殊地貌類型土壤侵蝕過程及機理在坡面尺度上的研究相對薄弱。張麗萍等［9-10］最早關注覆沙黃土坡面土壤侵蝕問題，通過野外模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)覆沙黃土坡面產(chǎn)生的徑流量小，若雨強小，則無徑流產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生徑流，則含沙量很大，產(chǎn)流產(chǎn)沙過程是垂直滲流―坡面潛流―崩塌，明顯不同于單一黃土坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程?；菡窠?1］在野外考察中發(fā)現(xiàn)覆沙黃土坡面存在沙土界面流，并對其進行了定性描述。湯珊珊等［12-13］和Xu等［14］通過室內(nèi)模擬降雨試驗初步探討了覆沙坡面的侵蝕―搬運過程、徑流―產(chǎn)沙關系以及侵蝕泥沙顆粒分布情況，但該試驗覆沙厚度較?。ㄐ∮?.5 cm），且未涉及覆沙層顆粒組成對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響。總之，片沙覆蓋黃土丘陵區(qū)沙土二元結(jié)構(gòu)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究主要集中在定性的理論描述層面，定量化試驗研究還很少，其坡面侵蝕形成的特征、過程及機理的研究有待進一步加強。

片沙覆蓋黃土區(qū)分布范圍廣，因侵蝕動力條件、地貌條件及地表組成物質(zhì)的差異，覆沙層厚度和沙層顆粒組成存在差異，由此導致坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征不同。本文擬采用室內(nèi)模擬降雨的方法，研究不同覆沙厚度和沙層粒徑組成對覆沙黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，揭示覆沙黃土坡面的侵蝕特征，為該區(qū)域水土流失的治理和預防提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

本試驗于2015年6―9月在中國科學院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行。試驗采用側(cè)噴式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨器高度為16 m，可保證所有雨滴在降落時達到終點速度，降雨均勻度＞80%［15］?；谖湫銟s等［16］研究結(jié)果，試驗模擬陜西省神木縣六道溝流域（110°21′E～110°23′E，38°46′N～38°51′N）最為典型的上層為沙、下伏為老黃土（離石黃土）的沙土二元結(jié)構(gòu)，試驗用的老黃土和沙均取自神木六道溝流域，黃土粉粒和黏粒含量高，沙的砂粒含量高（表1）。黃土剔除根系雜物后過5 mm篩，沙剔除根系等雜物后，過篩分為＜0.25 mm和＞0.25 mm兩類，并按不同質(zhì)量含量百分比進行混合，即a（100%＜0.25 mm）、b（75%＜0.25 mm +25% ＞0.25 mm）、c（50%＜0.25 mm +50%＞0.25 mm）、d（未處理原沙）和e（100%＞0.25 mm）5個粒徑組成。

試驗土槽用長寬深為1.1 m×0.8 m×0.4 m的可移動式變坡鋼制土槽，底部10 cm×10 cm的間距打孔，孔徑為2 mm，以保證良好的滲透。土槽中間用隔板分開，形成兩個寬為0.4 m的小土槽，布設平行試驗。試驗雨強為90 mm h-1，坡度為15°。裝土前，土槽底部鋪紗布，紗布上鋪設10 cm的河道砂，保證良好的透水性，河道砂上再鋪紗布，紗布上鋪20 cm的黃土層，黃土層的含水率控制在10%左右（結(jié)合黃土高原神木試驗站野外監(jiān)測和室內(nèi)前期準備結(jié)果而定），容重控制在1.40 g cm-3左右，接近野外自然狀況，為精確控制容重，黃土按5 cm 厚度分層裝土。土槽四周盡量壓實以防止邊壁效應的發(fā)生。在黃土坡面上覆干沙層，干沙自然倒在黃土層上并抹平，為防止沙層滑塌，沙層最末端人為形成約30°的斜坡。沙層砂粒組成為5組，各組沙的粒徑組成粗砂（2～0.25 mm）、細砂（0.25～0.05 mm）、粉粒（0.05～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）的比例分別為a （0、80.52%、15.36%和4.12%）、b（25.00%、60.40%、11.52%和3.08%）、c（50.00%、40.26%、7.68%和2.06%）、d（75.71%、19.56%、3.73%和1.00%）和e（100%、0、0和0），每個粒徑組成下有3個覆沙厚度（2 cm、5 cm 和10 cm），做一組無覆沙黃土坡面試驗，共計16場試驗。試驗開始前進行雨強率定，先用遮雨布蓋住土槽，在土槽四周均勻布設4個雨量筒，接3 min降雨量，率定雨強。雨強達到要求后，快速揭開覆蓋土槽的遮雨布并用秒表記時。降雨過程中記錄初始產(chǎn)流時間，產(chǎn)流后每3 min在徑流出口接全樣。降雨結(jié)束后稱全樣質(zhì)量，放置24 h澄清，用虹吸法排除清水，然后稱泥沙及剩余水的質(zhì)量，再將泥沙攪拌均勻并取少量代表樣稱重烘干，測定其含水量，以推算降雨過程的徑流量和產(chǎn)沙量。

表1 取樣點黃土與沙的主要物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of the soil and original sand at the sampling sites

兩個平行試驗取平均值，利用Origin 8.0 軟件作圖，利用SPSS 19.0 軟件進行單變量方差分析（ANOVA）。

2 結(jié) 果

2.1 不同沙層厚度和粒徑組成下的初始產(chǎn)流時間

不同覆沙厚度黃土坡面較無覆沙黃土坡面初始產(chǎn)流時間均明顯延后，2 cm、5 cm和10 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間分別較無覆沙黃土坡面的初始產(chǎn)流時間延長了6～10倍、12～20倍和16～26倍（圖1）。初始產(chǎn)流時間隨覆沙厚度的增加呈延長趨勢，2 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間小于5 cm和10 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間。覆沙粒徑較細的a、b和c處理，5 cm和10 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間相差不大，且為2 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間2倍以上。覆沙粒徑較粗的d和e處理，5 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間約為2 cm覆沙厚度的2倍，10 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間約為5 cm覆沙厚度的2倍。不同覆沙厚度下初始產(chǎn)流時間對沙層粒徑組成變化的響應不同，2 cm和5 cm覆沙厚度隨覆沙粒徑的變粗初始產(chǎn)流時間整體均呈縮短趨勢，10 cm覆沙厚度隨覆沙粒徑變粗初始產(chǎn)流時間反而延長（c除外）。方差分析結(jié)果顯示，厚度、粒徑及厚度與粒徑的交互作用對初始產(chǎn)流時間均有顯著影響（p＜0.05）。厚度、粒徑、厚度與粒徑的交互作用及其他不可控因子對初始產(chǎn)流時間變化的貢獻分別為68.03%、3.85%、15.77%和12.35%（表2），覆沙厚度控制初始產(chǎn)流時間，粒徑組成對初始產(chǎn)流時間的影響較小。

圖1 不同覆沙厚度和粒徑組成的初始產(chǎn)流時間Fig. 1 Initial runoff time as affected by thickness and particle size of sand cover on slope

表2 基于方差分析的各因子對覆沙坡面初始產(chǎn)流時間、60 min 累積產(chǎn)流量和侵蝕量影響的顯著性及貢獻率Table 2 ANOVA of significance and contribution rate of various factors affecting initial runoff time，60 min runoff volume and sediment yield on loess slopes covered with aeolian sand

2.2 不同沙層厚度和粒徑組成下的產(chǎn)流過程

次降雨過程中，各覆沙厚度和粒徑組成下產(chǎn)流速率隨降雨歷時明顯呈現(xiàn)兩個階段（圖2），第一階段產(chǎn)流均呈迅速增大趨勢，第二階段呈穩(wěn)定或波動產(chǎn)流。其中無覆沙黃土坡面的產(chǎn)流速率整體大于覆沙黃土坡面，無覆沙黃土坡面達到穩(wěn)定產(chǎn)流的時間較覆沙坡面短，覆沙黃土坡面產(chǎn)流在第二階段的波動性大于無覆沙黃土坡面。各粒徑組成下的產(chǎn)流速率盡管存在波動交織，但在沙層粒徑組成較細的a、b和c，2 cm覆沙厚度坡面的產(chǎn)流速率基本上大于5 cm和10 cm覆沙厚度的產(chǎn)流速率，5 cm覆沙厚度坡面的產(chǎn)流速率小于10 cm覆沙厚度的。覆沙粒徑組成為d和e條件下，5 cm覆沙厚度坡面的產(chǎn)流速率和2 cm覆沙厚度的產(chǎn)流速率相接近，大于10 cm覆沙厚度的產(chǎn)流速率，且均有明顯波動。5 cm厚度的覆沙粒徑e出現(xiàn)產(chǎn)流速率大于無覆沙黃土坡面產(chǎn)流速率的情況，5 cm和10 cm覆沙厚度坡面在降雨過程中產(chǎn)流速率的波動性大于2 cm覆沙坡面。

圖2 相同粒徑組成不同覆沙厚度下的產(chǎn)流速率Fig. 2 Runoff yield rate on loess slopes the same in sand particle size composition，but different in thickness of sand cover

隨覆沙粒徑變粗，2 cm和5 cm覆沙厚度下產(chǎn)流速率增大階段的持續(xù)時間有縮短趨勢，粗粒徑坡面的產(chǎn)流速率能快速達到準穩(wěn)定階段（圖3）。整個降雨過程中，2 cm和10 cm覆沙厚度下不同粒徑組成坡面產(chǎn)流速率的差異小于5 cm覆沙厚度坡面。2 cm覆沙厚度坡面在產(chǎn)流增加階段不同粒徑組成坡面的產(chǎn)流速率相差較大，粗粒徑覆沙（d和e）的產(chǎn)流速率明顯大于細粒徑覆沙（a和b）的產(chǎn)流速率，而在產(chǎn)流達到準穩(wěn)定階段后，不同粒徑組成坡面的產(chǎn)流速率呈交織波動，差異變小。5 cm覆沙厚度坡面在整個降雨過程中，粗、細粒徑覆沙坡面產(chǎn)流速率差異較大，粗粒徑（d和e）的產(chǎn)流速率明顯大于細粒徑（a和b）的產(chǎn)流速率。10 cm覆沙厚度的坡面，在不同覆沙粒徑條件下，產(chǎn)流速率在產(chǎn)流增加階段的差異小于產(chǎn)流準穩(wěn)定階段，在準穩(wěn)定階段，覆沙粒徑不同的坡面產(chǎn)流速率交織分布，且波動較大，整個降雨過程隨粒徑變化產(chǎn)流速率并無明顯規(guī)律。

圖3 相同覆沙厚度不同粒徑組成下的產(chǎn)流速率Fig. 3 Runoff yield rate on loess slopes the same in thickness of sand cover，but different in sand particle size composition

降雨60 min累積產(chǎn)流量進行的方差分析顯示，厚度、粒徑及厚度與粒徑的交互作用對降雨60 min累積產(chǎn)流量均有顯著影響（p＜0.05）。各因子對其變化的貢獻率為厚度＞粒徑＞不可控因子＞厚度與粒徑的交互作用，分別為48.94%、24.27%、13.86%和13.12%（表2）。

2.3 不同沙層厚度和粒徑組成下的產(chǎn)沙過程

無覆沙黃土坡面土壤侵蝕速率明顯小于覆沙坡面侵蝕速率，隨覆沙厚度增加侵蝕速率呈增加趨勢，整體表現(xiàn)為2 cm＜5 cm＜10 cm（圖4）。坡面侵蝕速率在次降雨過程中呈先增大、到達峰值后又減小的變化模式。相對于2 cm覆沙厚度，5 cm和10 cm覆沙厚度的坡面侵蝕開始較晚，但其侵蝕速率在短時間內(nèi)迅速增加達到峰值，之后其侵蝕速率明顯高于2 cm覆沙厚度的。覆沙粒徑較細（a和b）時，2 cm覆沙厚度的侵蝕速率稍低于5 cm覆沙厚度的，但相差不大；10 cm覆沙厚度侵蝕速率在產(chǎn)流開始后很短時間內(nèi)迅速增大且明顯大于2 cm和5 cm覆沙厚度時侵蝕速率。覆沙粒徑變粗（c，d和e），2 cm覆沙厚度時的侵蝕速率明顯小于5 cm和10 cm覆沙厚度的，5 cm和10 cm覆沙厚度侵蝕速率的峰值基本接近，但達到峰值后，10 cm覆沙厚度侵蝕速率相對5 cm覆沙厚度減小較慢。各厚度和粒徑下的侵蝕速率最終均有與一元坡面侵蝕速率一致的趨勢，隨覆沙厚度增加，達到與一元坡面侵蝕速率一致所需時間明顯延長。

圖4 相同粒徑不同覆沙厚度下的侵蝕速率Fig. 4 Erosion rate on loess slopes the same in sand particle size composition，but different in thickness of sand cover

2 cm和5 cm覆沙厚度時，隨覆沙粒徑變粗，侵蝕開始時間和侵蝕速率達到峰值的時間均提前，10 cm覆沙厚度隨粒徑組成變化無明顯規(guī)律（圖5）。2 cm覆沙厚度侵蝕開始階段，細粒徑覆沙坡面侵蝕速率明顯小于粗粒徑覆沙坡面。隨著降雨的進行，細粒徑覆沙坡面侵蝕速率逐漸增大，且大于粗粒徑覆沙坡面侵蝕速率；各粒徑組成在降雨70 min后，侵蝕速率基本相同。5 cm覆沙厚度在降雨約60 min之前，粗粒徑覆沙坡面侵蝕速率大于細粒徑覆沙坡面侵蝕速率，各粒徑組成在降雨90 min后，侵蝕速率趨于穩(wěn)定，但較細覆沙坡面（a和b）的侵蝕速率稍高于其他粒徑組成。10 cm覆沙厚度坡面侵蝕速率隨粒徑變化無明顯規(guī)律，各粒徑組成在降雨120 min以后，侵蝕速率開始相近并趨于穩(wěn)定。覆沙厚度越大，降雨過程中的侵蝕速率波動越明顯。

降雨60 min累積侵蝕量的方差分析結(jié)果顯示，厚度、粒徑及厚度與粒徑的交互作用對降雨60 min累積侵蝕量的變化均有顯著影響（p＜0.05），厚度、粒徑、二者交互作用及不可控因子對60 min累積侵蝕量變化的貢獻率分別為13.53%、11.96%、42.45%和32.06%（表2）。

圖5 相同厚度不同粒徑組成下的侵蝕速率Fig. 5 Erosion rate on loess slopes the same in thickness of sand cover，but different in sand particle size composition

3 討 論

3.1 沙層厚度和粒徑組成對初始產(chǎn)流時間的影響

無覆沙黃土坡面黏粒含量高、容重大、導水率小，降雨時易形成結(jié)皮，屬超滲產(chǎn)流，初始產(chǎn)流時間很短［17-18］。覆沙坡面沙層入滲明顯大于黃土層，降雨過程中沙層入滲快，存儲雨水，延緩產(chǎn)流，導致產(chǎn)流時間延長。隨覆沙厚度增加，需濕潤沙層的水量和沙層蓄水總量均增加，降雨初期水分垂直到達黃土層時間延長，因此延長了產(chǎn)流時間。試驗結(jié)果與湯珊珊等［12］研究的結(jié)果一致。在2 cm和5 cm覆沙厚度條件下，隨覆沙粒徑變粗，大孔隙增加，水流通道易形成，沙層蓄水沿水流通道的優(yōu)先路徑流出，因此產(chǎn)流時間提前。10 cm覆沙厚度粒徑較細的a、b和c，產(chǎn)流時間與5 cm覆沙厚度相同粒徑組成的產(chǎn)流速率相差不大，可能是因為10 cm覆沙厚度較厚，a、b和c粒徑組成存在較多的細顆粒，垂直入滲過程中淋溶使細顆粒垂直遷移，導致沙層孔隙堵塞，雨水不能很快滲入到沙土界面，在沙土表層形成少量徑流。試驗過程中也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，表層徑流使初始產(chǎn)流時間相對提前，且與5 cm覆沙厚度的初始產(chǎn)流時間相差不大。覆沙粒徑較粗（d和e）時，初始產(chǎn)流時間為e＞d，且初始產(chǎn)流時間較5 cm覆沙厚度的明顯延長，可能是因為覆沙厚度對初始產(chǎn)流時間起了較明顯作用。沙層較厚且粒徑較粗時，降雨垂直入滲的淋溶作用不足以堵塞孔隙，垂直入滲的路徑長，濕潤消耗雨水多，不能形成地表徑流，而形成的是沙土界面流，屬于滲流范圍。滲流流速相對于地表徑流很慢，且需要達到一定的水力坡度后才能產(chǎn)流，因此初始產(chǎn)流時間明顯延長。此外，隨厚度增加，水分在沙層中的運移過程更為復雜，偶然性和隨機性增加，可能導致出現(xiàn)10 cm 覆沙厚度下c粒徑組成時初始產(chǎn)流時間明顯小于其他粒徑組成。

3.2 沙層厚度和粒徑組成對產(chǎn)流的影響

相對于黃土坡面，覆沙坡面沙層顆粒吸附及滲流流速緩慢延長了入滲黃土層的時間，減少了徑流量；覆沙坡面以產(chǎn)生沙土界面流為主，屬滲流，徑流從坡腳沙層坍塌處流出，部分存儲在沙層中，隨沙層溯源侵蝕而釋放，典型沙蓋黃土坡面產(chǎn)流過程為雨水垂直入滲―沙土界面潛流―沙層邊緣滲流―地表徑流，不同于黃土坡面的超滲產(chǎn)流，因此，覆沙黃土坡面較黃土坡面可明顯降低產(chǎn)流速率。覆沙厚度和沙層粒徑組成對坡面產(chǎn)流的影響存在交互作用，覆沙厚度較薄或較厚時，沙層粒徑變化對產(chǎn)流的影響不明顯。覆沙較薄坡面（如2 cm）產(chǎn)流初始階段，粗粒徑組成因孔隙大，垂直入滲很快到達沙土界面，易形成沙土界面流，水流易流出且產(chǎn)流速率大。相反，細粒徑組成坡面不易快速產(chǎn)流，且流速不大，部分雨水蓄積在沙層，但隨降雨的進行，薄覆沙坡面在沙層的蓄水達到飽和，開始全坡面產(chǎn)流，沙粒組成變化對產(chǎn)流速率已無明顯影響，不同粒徑組成坡面產(chǎn)流速率較為接近。覆沙較厚坡面（如10 cm），覆沙厚度對產(chǎn)流的影響掩蓋了粒徑組成變化對產(chǎn)流的影響，導致整個降雨過程中不同粒徑組成坡面產(chǎn)流速率相差不大，且無明顯規(guī)律性。粒徑組成變化對5 cm覆沙厚度坡面產(chǎn)流有明顯影響，降雨過程中粗粒徑坡面產(chǎn)流速率大于細粒徑組成坡面產(chǎn)流速率。說明沙層粒徑組成對不同厚度覆沙坡面產(chǎn)流的影響可能存在臨界下線和臨界上線，較臨界下線薄或者較臨界上線厚的覆沙坡面，粒徑組成變化對產(chǎn)流速率的影響均不能被完全體現(xiàn)出來。

不同覆沙厚度和粒徑組成下產(chǎn)流特征及方式的變化直接影響產(chǎn)流速率。對于薄覆沙坡面，產(chǎn)流早且沙層易飽和導致全坡面蓄滿產(chǎn)流，能維持較高的產(chǎn)流速率；對于厚覆沙坡面，雨水入滲，主要形成沙土界面流，產(chǎn)流較晚，產(chǎn)流開始是從坡腳沙土界面處滲出，部分雨水存儲在沙層，但隨著侵蝕的開始，沙層坍塌、溯源后退，出露的黃土坡面產(chǎn)流快且量大，加之沙層蓄水的釋放，也能夠維持較高的產(chǎn)流速率，這種情況可能弱化了覆沙厚度對產(chǎn)流速率的影響。對于粒徑組成的變化，粗粒徑覆沙坡面雨水容易下滲、出流，沙層的坍塌后退較快，能夠維持較高產(chǎn)流速率。細粒徑覆沙坡面盡管入滲慢，但能產(chǎn)生部分的地表徑流，與沙層滲流相結(jié)合，也能維持較高的產(chǎn)流速率，從而弱化了粒徑組成變化對于產(chǎn)流速率的影響。覆沙厚度和粒徑組成及二者交互作用決定沙層蓄水量、產(chǎn)流方式和產(chǎn)流時間，各因子對產(chǎn)流量的貢獻均較大且顯著（表2）。此外，覆沙黃土坡面不同于無覆沙黃土坡面，沙層無黏結(jié)性，且能存貯一定的雨水，在濕潤過程沙層基質(zhì)吸力變化不同于黏性土壤，在水力和本身重力作用下，坍塌或發(fā)生重力侵蝕具有偶然性或隨機性，阻止或匯集徑流，尤其覆沙較厚時更為明顯，這使得產(chǎn)流速率變化的波動性比較大，甚至出現(xiàn)一些接近或者大于黃土坡面的產(chǎn)流速率的值。

3.3 沙層厚度和粒徑組成對產(chǎn)沙的影響

黃土具有一定的結(jié)構(gòu)和黏性，降雨過程中黃土坡面受雨滴擊濺和徑流沖刷，遵循濺蝕―片蝕―細溝侵蝕的過程，降雨侵蝕力和徑流侵蝕力一方面要克服土壤之間的黏聚力，將土壤顆粒從土體中分離出來，另一方面要從坡面輸移出已分離的土壤顆粒［19-20］。覆沙黃土坡面的沙層顆粒之間基本無黏性，大孔隙多，降雨在沙層垂直入滲形成沙土界面流，基本不形成或形成少量地表徑流。在坡腳沙層和黃土層接觸邊緣，沙土界面流只要滿足沙粒啟動條件，就能發(fā)生侵蝕，徑流挾帶沙粒輸移出坡面。此外沙層自然休止角小，內(nèi)部無黏聚力，在沙土界面流的作用下易侵蝕。典型覆沙坡面遵循垂直入滲―潛流―滲流侵蝕―坍塌的侵蝕過程，這與張麗萍等［9］的野外試驗結(jié)果一致。沙層越厚越易發(fā)生坍塌，為徑流輸移提供了大量的沙源，盡管覆沙黃土坡面產(chǎn)流晚，產(chǎn)流量小，但其侵蝕量大于無覆沙黃土坡面，且隨覆沙厚度增加，侵蝕量明顯增大。方差分析顯示厚度與粒徑組成對60 min累積侵蝕量變化的貢獻率較低，而交互作用和誤差項的貢獻明顯較大（表2），首先是因為覆沙厚的坡面產(chǎn)流晚，侵蝕時間短，沙層溯源侵蝕量相對小，不同降雨歷時不同因子的貢獻可能存在差異；其次是泥沙的輸移受到徑流影響明顯，而在方差分析時未考慮徑流的作用，徑流貢獻被歸到了誤差項。此外，沙層無黏性，厚度與粒徑不同組合下的摩擦力、內(nèi)應力、顆粒成拱、滲流力及自身重力變化復雜，沙層侵蝕具有隨機性和不確定性。

覆沙厚度和粒徑組成變化導致坡面產(chǎn)流方式和侵蝕方式變化，直接影響侵蝕速率的變化。薄覆沙坡面是蓄滿產(chǎn)流，侵蝕動力以徑流為主，且易發(fā)生全坡面侵蝕。隨覆沙厚度增加，沙層本身重力對于沙層坍塌貢獻增大，產(chǎn)流以沙層前緣出滲和釋放坍塌體蓄存雨水為主，侵蝕以沙層坍塌后退溯源侵蝕為主。粗粒徑覆沙坡面，易形成沙土界面流，侵蝕以沙層坍塌后退溯源侵蝕為主，侵蝕速率增加較快。此外，粗覆沙坡面，雨水下滲的淋溶作用導致大量細顆粒在沙層中垂向遷移，易在沙土界面形成一個泥漿層，泥漿層極有利于泥沙的輸移。沙土界面形成泥漿層的現(xiàn)象在覆沙較厚或較薄的坡面表現(xiàn)均不明顯，沙層較薄，易于蓄滿而導致全坡面產(chǎn)流和侵蝕，而沙層過厚，垂直淋溶的細顆粒物質(zhì)不易到達沙土界面，都難以在沙土界面形成泥漿層，這可能是覆沙層粒徑組成變化對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響在5 cm覆沙厚度下比在2 cm和10 cm覆沙厚度下更為明顯的主要原因。對于細粒徑覆沙坡面，降雨后難以很快形成沙土界面流，而形成的表層徑流量少且較晚，使得坍塌后退的溯源侵蝕和表層徑流的侵蝕均不強烈，因此，侵蝕開始階段，細粒徑覆沙坡面的侵蝕速率小于粗粒徑覆沙坡面。隨著降雨的進行，粗粒徑覆沙坡面的沙層后退，泥沙輸移距離明顯加長，侵蝕速率開始降低；相反，細粒徑覆沙坡面的沙土界面流開始加強，沙面形成一些小的細溝，坡面徑流的匯集和沙層中水向細溝中釋放，導致侵蝕力加強，細顆粒又容易被攜帶，加之沙層蓄水增多，孔隙水壓增大，滲流侵蝕增大，沙層穩(wěn)定性減弱，因此侵蝕量開始增加，并高于粗粒徑覆沙坡面的侵蝕量。降雨后期，坡面覆沙被侵蝕，覆沙厚度和沙層粒徑組成對侵蝕速率的影響基本消失，坡面侵蝕逐漸趨于一致。次降雨過程中，10 cm覆沙厚度坡面侵蝕速率與產(chǎn)流速率相似，對沙粒粒徑組成變化的響應不明顯，這主要是因為10 cm覆沙厚度改變了產(chǎn)流方式和侵蝕方式，加之沙層厚度增加，重力作用明顯且具有偶然性和隨機性，沙層前緣隨機坍塌直接影響其沙源供應，導致侵蝕出現(xiàn)明顯的波動性和不確定性。這也說明不同覆沙厚度下沙層粒徑組成對于覆沙坡面侵蝕影響的不一致，二者存在明顯交互作用。覆沙太薄或太厚時，粒徑組成變化的作用體現(xiàn)不明顯。粒徑組成對于坡面侵蝕的影響存在一個合理的覆沙厚度范圍。

總之，片沙覆蓋黃土坡面是水蝕風蝕交錯帶存在的一種特殊的沙土二元結(jié)構(gòu)坡面，其產(chǎn)流產(chǎn)沙過程和機理與一元結(jié)構(gòu)坡面明顯不同。結(jié)合已有研究［9-14］和本次試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，片沙覆蓋黃土坡面產(chǎn)流方式多樣且隨厚度變化而變化，沙層蓄滿產(chǎn)流、沙土界面流（滲流）及沙層溯源侵蝕后出露黃土坡面上的地表徑流都可能單獨或同時發(fā)生，產(chǎn)流過程及徑流動力機制比較復雜，產(chǎn)流速率及產(chǎn)流量在不同條件下存在多變性；同樣片沙覆蓋坡面產(chǎn)沙機理尚不明確，降雨過程中，沙層的正壓力、摩擦力、有效應力、滲流力和孔隙水壓力等對沙層共同作用，滲流侵蝕、徑流侵蝕、重力坍塌、沙層溯源侵蝕相互交織發(fā)生，侵蝕動力系統(tǒng)復雜多樣，產(chǎn)沙速率的規(guī)律性較差，利用現(xiàn)有一元結(jié)構(gòu)坡面的侵蝕理論很難完全解釋。此外，覆沙層基本無黏性，相當于顆粒物質(zhì)體系，研究發(fā)現(xiàn)，盡管單個顆粒（沙粒）是以固體存在的，但顆粒物質(zhì)的集體行為表明，它具有獨特的運動規(guī)律，能形成顆粒流［21-23］，顆粒流不同于固體、液體和氣體，用經(jīng)典力學和流體力學很難解釋。顆粒體系中顆粒之間的摩擦力和成拱主導其運動性質(zhì)，而摩擦力和成拱具有很大的不確定性；顆粒體系中應力分布不均，存在力鏈，力鏈或拱上顆粒的一些局部微小變動都可能引起整個顆粒體系的崩塌［24］。針對片沙覆蓋黃土坡面侵蝕而言，干沙時沙粒之間無黏附力，存在摩擦力和顆粒拱，隨降雨進行沙粒之間能夠形成液橋黏附力，液橋黏附力隨飽和度的增加，先增大，后減小，飽和度大于100%時，顆粒間黏附力又消失［25］，同時摩擦力和顆粒拱也相應發(fā)生了變化，降雨濕潤過程沙層受力體系變化相當復雜；降雨導致產(chǎn)流后，發(fā)生侵蝕，產(chǎn)生固-液兩相流體，它涉及的問題要比單純的流體和顆粒流更為復雜，包含眾多相互作用的非線性系統(tǒng)，在降雨條件相同時，沙層前緣不同位置引發(fā)侵蝕的概率不一致，因此，片沙覆蓋黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程是復雜的非線性系統(tǒng)，具有很大的不確定性，機理比較復雜。本研究從現(xiàn)象上描述了覆沙厚度和沙層粒徑組成對于片沙覆蓋黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，對比了不同厚度和粒徑組成下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的差異，但因觀測手段限制，未涉及覆沙厚度和粒徑組成對沙層內(nèi)部摩擦力、有效內(nèi)應力、孔隙水壓力及滲流力等作用力的影響，導致無法系統(tǒng)揭示片沙覆蓋黃土坡面侵蝕過程的動力學機制。未來研究應利用先進觀測手段結(jié)合仿真模擬技術(shù)，從沙層內(nèi)部水分運動、沙層顆粒體系受力特征及徑流動力特征等方面入手，系統(tǒng)分析片沙覆蓋黃土坡面侵蝕過程的動力變化特征，揭示其動力學機制。

4 結(jié) 論

覆沙黃土坡面較無覆沙黃土坡面能明顯延長初始產(chǎn)流時間，減少產(chǎn)流量，增加侵蝕量。典型覆沙黃土坡面產(chǎn)流過程為雨水垂直入滲―沙土界面潛流―沙層邊緣滲流―地表徑流，產(chǎn)沙過程為沙層邊

緣滲流侵蝕―沙層坍塌重力侵蝕―地表徑流輸移，明顯不同于無覆沙黃土坡面的超滲產(chǎn)流方式及濺蝕―片蝕―細溝侵蝕的侵蝕發(fā)展過程。覆沙厚度影響覆沙坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙方式，隨厚度增加產(chǎn)流量減少，侵蝕量增大。在不同覆沙厚度下，覆沙粒徑組成對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響存在差異。覆沙厚度、粒徑組成及厚度與粒徑交互作用對初始產(chǎn)流時間、60 min累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量均具有顯著影響。初始產(chǎn)流時間和60 min累積產(chǎn)流量的變化主要受覆沙厚度變化的控制，而對60 min累積產(chǎn)沙量變化貢獻較大的為覆沙厚度與粒徑交互作用和不可控因素，這也充分說明覆沙黃土坡面產(chǎn)沙影響因子的復雜性和不確定性。

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Effects of Thickness and Particle Size Composition of Overlying Sand Layer on Runoff and Sediment Yield on Sand-covered Loess Slopes

XIE Linyu1BAI Yujie1ZHANG Fengbao1，2?YANG Mingyi1，2LI Zhanbin1，2，3
（1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（2 Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（3 Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China）

【Objective】The region of loess slopes covered with sporadic aeolian sand is the most serious erosion-stricken area in the aeolian-water erosion interlaced zone of the Loess Plateau. This project is oriented to study characteristics of the soil erosion in this region in an attempt to provide some principal theory for prediction and control of soil erosion in the aeolian-water erosion interlaced zone. Observations in this special region found that aeolian sand-covered loess slopes were different in runoff production pattern and erosion process from ordinary loess slopes. So far，a little has been reported about studies on soil erosion on this special type of slopes. 【Method】An indoor experiment with simulated rainfalls on soil erosion on sand-covered loess slopes was carried out. The experiment was designed to have only one rainfall intensity （90 mm h-1），one slope gradient（15°），three levels of thickness for overlying aeolian sand（2 cm，5 cm and 10 cm）and five patterns of particle size composition（100%＜0.25 mm，75%＜0.25 mm + 25% ＞0.25 mm，50%＜0.25 mm + 50%＞0.25 mm，original aeolian sand and 100%＞0.25 mm）. 【Result】Results show that overlying aeolian sand layers delayed the initiation of runoff and reduced the generation rate and volume of runoff，but increased the yielding rate and volume of sediment on loess slopes. The initiation of runoff on slopes covered with 2 cm，5 cm and 10 cm thick of aeolian sand was 6～10 times，12～20 times and 16～26 times later than that on the ordinary loess slope，respectively. Thickness of the aeolian sand layer is the main factor affecting delayed runoff and sediment yield. The thicker the overlying sand layer，the later the initiation of runoff，the lower the runoff rate and runoff volume and the higher the yielding rate and volume of sediment yield. During the rainfall process，runoff and sediment fluctuated sharply in rate and volume and the fluctuation intensified with the aeolian sand layer increasing in thickness. The effect of particle size composition of the sand layer on runoff and sediment yield varied with thickness of the sand layer. On slopes covered with a sand layer 2 cm in thickness，runoff and sediment yield tended to increase with the sand layer increasing in particle size during the initial period of rainfall，but no such a tendency was observedduring the late period of rainfall. On slopes covered with a sand layer 5 cm in thickness，runoff increased in rate with the sand layer increasing particle size. The slopes covered with coarse sand was higher in erosion rate than the slopes covered with find sand during the initial period of rainfall，and it went reversely in the late period of rainfall. On slopes covered with a sand layer 10 cm in thickness，runoff and sediment yield did not vary much with particle size composition of the sand layer. There might be a reasonable range of aeolian sand thickness in which the influence of particle size composition of the sand layer on runoff and sediment yield existed. In short，thickness，particle size composition and their interaction significantly（p＜0.05）influence the initiation of runoff，60 min runoff volume and 60-min sediment yield. 【Conclusion】 The runoff production process on aeolian sand-covered loess slopes goes as vertical infiltration of rainwater-flow at the interface between sand layer and loess layer-seepage at the toe of the sand layer-overland runoff，while the erosion process goes as seepage erosion at the toe of the sand layer-retrogressive collapse caused by gravity and flow-surface runoff transport，which are completely different from the pattern of runoff yield under excessive infiltration and the erosion development process of splash erosion-sheet erosion-rill erosion on bare loess slopes.

Aeolian sand-covered loess slope；Aeolian sand thickness；Particle size composition；Runoff and sediment

S157.1

A

10.11766/trxb201604190106

（責任編輯：陳榮府）

* 國家自然科學基金項目（41371283，41571130082，41330858）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41371283，41571130082 and 41330858）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：fbzhang@nwsuaf.edu.cn

謝林妤（1992—），女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向為坡面土壤侵蝕。E-mail：xly1660014798@163.com

2016-04-19；

2016-06-23；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-07-14