降雨和徑流條件下紅壤坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程

郝好鑫，郭忠錄，王先舟，占海歌，馬仁明，李朝霞，蔣 娟

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降雨和徑流條件下紅壤坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程

郝好鑫1，郭忠錄1※，王先舟1，占海歌1，馬仁明2，李朝霞1，蔣 娟3

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，武漢 430070；2. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3. 江西省水土保持科學(xué)研究院，南昌 330029）

為明確第四紀(jì)黏土發(fā)育紅壤坡面侵蝕過(guò)程特征，采用人工模擬降雨和徑流沖刷相結(jié)合試驗(yàn)，研究坡度、流量和降雨因素對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程影響。結(jié)果表明：1）坡面侵蝕過(guò)程呈現(xiàn)明顯階段性，試驗(yàn)條件下侵蝕前3 min為層狀面蝕為主的初始階段，細(xì)溝出現(xiàn)后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)溝侵蝕為主的細(xì)溝發(fā)育階段。降雨以及增加坡度和流量能加快細(xì)溝發(fā)育速度和侵蝕速率；2）各侵蝕階段平均侵蝕速率關(guān)系為初始階段>細(xì)溝發(fā)育階段>細(xì)溝穩(wěn)定階段。初始階段侵蝕速率對(duì)各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)響應(yīng)關(guān)系為水流功率>坡度>水流剪切力>單位水流功率=流速>流量。細(xì)溝發(fā)育階段平均侵蝕速率與水流功率、水流剪切力和坡度關(guān)系密切，而細(xì)溝穩(wěn)定階段侵蝕速率只與坡度和流量相關(guān)；3）水流功率是與初始階段和細(xì)溝發(fā)育階段關(guān)系最密切的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，侵蝕初始階段的層狀面蝕、單獨(dú)徑流沖刷和降雨-徑流作用下細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界水流功率分別為0.091、0.121、-1.691 N/(m·s)。試驗(yàn)在小尺度條件下初步揭示了紅壤坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程特征，為南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型和侵蝕防治提供理論參考。

水動(dòng)力學(xué)；侵蝕；流量；降雨；沖刷徑流；紅壤；細(xì)溝

0 引 言

南方紅壤區(qū)是中國(guó)僅次于黃土高原的嚴(yán)重水土流失區(qū)。由于紅壤區(qū)雨量豐富且集中，加之地貌以山地丘陵為主，坡面水力侵蝕已成為區(qū)域內(nèi)土壤退化的主要原因之一[1]；紅壤區(qū)河流湖泊密布，長(zhǎng)期的嚴(yán)重水土流失是威脅區(qū)域內(nèi)大小河流流域安全的重大隱患[2]，因此關(guān)注紅壤侵蝕的規(guī)律對(duì)區(qū)域生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

坡面土壤侵蝕是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，研究其侵蝕過(guò)程發(fā)育能深化對(duì)土壤侵蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且能為侵蝕預(yù)報(bào)模型提供重要理論基礎(chǔ)[3]。坡面水蝕過(guò)程中，雨滴濺蝕是侵蝕的初始過(guò)程。當(dāng)坡面產(chǎn)流之后，首先出現(xiàn)順坡面流動(dòng)的淺層片流或漫流，這時(shí)徑流比較分散，動(dòng)能也很小，只能將溶解的物質(zhì)和表層土粒等帶走，形成薄層水流侵蝕為主的層狀面蝕。由于地表微地形起伏造成薄層水流的差異性侵蝕，坡面徑流得以進(jìn)一步匯集為一股股細(xì)狀水流。細(xì)狀水流作用下坡面開(kāi)始形成跌水，這也標(biāo)志著細(xì)溝侵蝕的開(kāi)始[4-8]?；谏鲜鲞^(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明細(xì)溝侵蝕中存在臨界流量、臨界流速、臨界剪切力和臨界地形因子等[9]。Shen等[10]模擬了小于20°的黃土坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程，結(jié)果表明坡面跌水和細(xì)溝的發(fā)育速度及侵蝕速率均隨坡度和雨強(qiáng)增加而增大。鄭良勇等[11]利用稀土元素示蹤法同樣對(duì)黃土坡面的研究認(rèn)為，面蝕-細(xì)溝發(fā)育-細(xì)溝穩(wěn)定是坡面次降雨條件下的侵蝕過(guò)程，面蝕量占侵蝕總量30%左右，細(xì)溝侵蝕量占70%左右，Kimaro等[12]則基于野外研究得出細(xì)溝侵蝕貢獻(xiàn)率平均為58%。目前，關(guān)于坡面細(xì)溝侵蝕和動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究較為廣泛，但對(duì)于其侵蝕過(guò)程研究仍相對(duì)薄弱，尤其是發(fā)育過(guò)程中內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究還有待進(jìn)一步深入。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)研究多集中在典型水動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及由此為基礎(chǔ)建立的物理模型上，例如WEEP采用了水流剪切力，EUROSEM和LISEM采用了單位水流功率，GUEST采用了水流功率描述侵蝕過(guò)程。Nearing等[13]野外試驗(yàn)結(jié)果表明水流功率可以準(zhǔn)確模擬土壤分離過(guò)程；王瑄等[14]認(rèn)為坡度和水流功率是影響土壤剝蝕率的主要因素，并建立了基于兩者的土壤剝蝕率二元線性回歸模型（2=0.98）；Sajjadi等[15]研究則顯示侵蝕泥沙量與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)密切程度為流速>水流功率>水流剪切力>單位水流功率>徑流水深。由此可見(jiàn)究竟哪一種參數(shù)更適合描述坡面侵蝕過(guò)程尚無(wú)定論。Wirtz等[16]認(rèn)為缺少對(duì)土壤性質(zhì)和細(xì)溝侵蝕過(guò)程的考慮是造成上述變化主要原因。此外，目前坡面土壤侵蝕和相關(guān)水動(dòng)力學(xué)研究多集中在黃土高原和東北黑土區(qū)，南方紅壤區(qū)相關(guān)研究還相對(duì)比較薄弱?；诖?，試驗(yàn)采用室內(nèi)人工模擬降雨和徑流沖刷結(jié)合的試驗(yàn)[17]對(duì)紅壤坡面侵蝕水動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行模擬，研究紅壤坡面細(xì)溝侵蝕的過(guò)程特征及各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)在細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中與侵蝕速率的響應(yīng)，以期為預(yù)防和治理紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人工降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由3部分組成：1）試驗(yàn)土槽（圖1所示），主體是長(zhǎng)3 m、寬0.5 m、高0.4 m的2個(gè)平行土槽，土槽前設(shè)有由2塊不銹鋼板分成的三級(jí)消能穩(wěn)流槽。整個(gè)土槽由厚度0.8 cm鋼板制成，坡度在0°～30°內(nèi)靈活可調(diào)；2）人工模擬降雨器（西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)QYJY-501），采用垂直旋轉(zhuǎn)下噴式自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng)，降雨器高10 m，雨滴達(dá)到的終點(diǎn)速度滿足天然降雨特性，降雨均勻度大于80%[18]；3）供水裝置，主要由蓄水池、水泵、閥門(mén)和水管組成，泵水流量可以通過(guò)閥門(mén)控制。

圖1 試驗(yàn)土槽示意圖

供試土樣采自湖北省咸寧市賀勝橋鎮(zhèn)，為第四紀(jì)黏土發(fā)育紅壤，采樣點(diǎn)2005年之前為旱地，此后被承包開(kāi)發(fā)為林地（杉樹(shù)）。試驗(yàn)前將土樣風(fēng)干過(guò)2 mm篩子，剔除植物根系等雜物后備用。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù) 13.90 g/kg、pH值5.47；土壤砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12.12%、44.40%、43.48%，按美國(guó)制粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬粉黏土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)土槽底部鋪設(shè)20 cm厚細(xì)沙，沙層上鋪設(shè)透水粗棉紗布，其上再分層填裝15 cm土樣，并控制容重 1.35 g/cm3。每次試驗(yàn)前先將土壤表面緩慢浸水，用MP-406土壤水分測(cè)定儀（南京中天精密儀器生產(chǎn)，精度±2%）測(cè)得表層含水率下降至30%時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)放水流量（5、7.5 L/min）和3個(gè)坡度（5°、8°、12°），在90 mm/h雨強(qiáng)和單獨(dú)沖刷條件下進(jìn)行完全組合模擬試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)平行。試驗(yàn)前先率定試驗(yàn)流量和雨強(qiáng)，為減少穩(wěn)流槽與土壤坡面結(jié)合處邊緣作用的影響，在坡面上端覆蓋20 cm長(zhǎng)平整紗布。試驗(yàn)開(kāi)始后，土槽下端出口處產(chǎn)流時(shí)開(kāi)始接樣，0～6 min內(nèi)1 min接1次徑流泥沙樣，6～30 min每3 min接1次，30～50 min每5 min接1次，接樣同時(shí)在坡面上中下3個(gè)位置量測(cè)徑流水寬和流速。每次接樣先用500 mL塑料瓶接滿，烘干法測(cè)定泥沙質(zhì)量，再用塑料桶繼續(xù)接樣，測(cè)定產(chǎn)流體積，2個(gè)過(guò)程共20 s，用置換法求得各時(shí)間段泥沙總質(zhì)量。坡面流速采用高錳酸鉀示蹤法測(cè)表面徑流流速[14]。試驗(yàn)中每個(gè)時(shí)間段均對(duì)坡面拍照記錄，用以觀察坡面水流和細(xì)溝變化。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

土壤侵蝕速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積坡面產(chǎn)沙質(zhì)量。

=/(·)（1）

式中為土壤侵蝕速率，g/(m2·s)；為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)產(chǎn)沙質(zhì)量，g；為侵蝕區(qū)面積，m2；為觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，s。

流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間產(chǎn)流體積，包括降雨在坡面上產(chǎn)生的流量。

=V/（2）

式中為流量，L/s；V為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生水流體積，L。

單位水流功率：?jiǎn)挝凰鞴β蕿樽饔糜谀嗌炒裁娴膯挝毁|(zhì)量水體所消耗的功率。

P=V×（3）

式中P為單位水流功率，m/s；為某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的水流平均速度，m/s；為水力坡度，無(wú)量綱，可用坡度的正弦值近似代替[19]。

水流剪切力：水流剪切力是沿著坡面梯度方向運(yùn)動(dòng)的水流在其運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生的一個(gè)作用力，即徑流沖刷動(dòng)力。

τ=γ×g××（4）

式中為水流剪切力，Pa；γ為水流容重，kg/m3；為重力加速度，9.8 m/s2；為水力半徑，R=A/P（為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2，P濕周，m），m。根據(jù)坡面產(chǎn)溝形態(tài)分析，過(guò)水?dāng)嗝娼茷榫匦翁幚?。矩形長(zhǎng)取徑流水寬，m；水深(·)[17,19]，為水深，m。

水流功率：表示單位面積水體水流功率[14]。

·（5）

式中為水流功率，N/(m×s)。

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件，方差分析采用最小顯著差法（LSD）進(jìn)行多重比較，相關(guān)性分析采用Pearson雙尾檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同試驗(yàn)組合對(duì)侵蝕速率變化的影響

各試驗(yàn)組合下侵蝕速率隨時(shí)間變化過(guò)程如圖2所示?？梢钥闯?，50 min內(nèi)5°坡度各試驗(yàn)組合侵蝕速率均隨徑流歷時(shí)表現(xiàn)為先陡增后緩降最后穩(wěn)定的過(guò)程；8°坡度各試驗(yàn)組合（除90 mm/h雨強(qiáng)和7.5 L/min 放水流量組合外）侵蝕速率也隨徑流歷時(shí)表現(xiàn)為先增加后降低最后穩(wěn)定的過(guò)程；而12°坡度各試驗(yàn)組合中僅有單獨(dú)放水（流量5 L/min）試驗(yàn)侵蝕速率隨徑流歷時(shí)表現(xiàn)為先增加后降低最后穩(wěn)定的過(guò)程，其余均表現(xiàn)為陡降然后再趨于穩(wěn)定的過(guò)程。對(duì)比有無(wú)降雨各試驗(yàn)組合，發(fā)現(xiàn)降雨條件下各試驗(yàn)組合侵蝕速率隨徑流歷時(shí)下降的速度均小于單獨(dú)徑流沖刷的。

圖2 不同坡度下侵蝕速率隨時(shí)間變化過(guò)程

不同坡度各試驗(yàn)組合平均侵蝕速率呈現(xiàn)為12°>8°>5°，對(duì)應(yīng)侵蝕速率最大值分別為70.11、37.04、13.74 g/(m2·s)。相同坡度下，7.5 L/min放水流量的各試驗(yàn)組合侵蝕速率總體大于5.0 L/min放水流量的，降雨-徑流耦合條件下各試驗(yàn)組合侵蝕速率總體上高于單獨(dú)徑流沖刷的，但這一差異均隨著侵蝕速率趨于穩(wěn)定而逐漸減小。因此，本試驗(yàn)條件下，降雨因素以及坡度和放水流量的增加是增強(qiáng)坡面土壤侵蝕速率的3個(gè)試驗(yàn)條件。上述結(jié)果與Shen 等[10]在小于20°的黃土坡面上研究結(jié)果一致。終上所述，本試驗(yàn)條件下坡度和放水流量的增加是加快侵蝕的2個(gè)因素，而降雨則能延緩侵蝕速率隨時(shí)間由高降低的過(guò)程。

2.2 不同試驗(yàn)組合侵蝕過(guò)程分析

坡面土壤侵蝕是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文根據(jù)坡面上層狀漫流是否演變?yōu)檫B續(xù)跌水的細(xì)狀水流及侵蝕速率穩(wěn)定情況，將侵蝕劃分為初始階段、細(xì)溝發(fā)育階段和細(xì)溝穩(wěn)定階段3個(gè)階段（如圖3所示）。試驗(yàn)開(kāi)始初期，由于坡面土壤極為平整，上方放水和降雨共同在坡面形成漫流，此時(shí)坡面徑流還比較寬廣和分散，能溶解土壤表面的物質(zhì)和將呈懸浮狀或凝聚狀的細(xì)微土粒帶走，該時(shí)期為以層狀面蝕為主的侵蝕初始階段[19-22]（圖3a）；隨著侵蝕進(jìn)一步發(fā)生，漫流在地表微地形等的細(xì)微差異下對(duì)坡面產(chǎn)生差異性侵蝕，而后迅速發(fā)展為流路明顯的細(xì)狀水流。此時(shí)，坡面上開(kāi)始觀察到有小跌水形成。坡面上跌水的形成是侵蝕方式變化的重要分界點(diǎn)，標(biāo)志著細(xì)溝侵蝕開(kāi)始形成[5-8]，該時(shí)期為細(xì)溝侵蝕為主的細(xì)溝發(fā)育階段（圖3b）；受試驗(yàn)條件和供試紅壤影響，所產(chǎn)生的細(xì)溝相對(duì)筆直，后期細(xì)溝水流對(duì)溝壁的掏蝕和崩塌作用較弱，隨著細(xì)溝形態(tài)趨于穩(wěn)定后侵蝕速率也逐漸趨于穩(wěn)定（圖2），但對(duì)于降雨條件下的各試驗(yàn)組合而言，泥沙仍不斷的在片蝕作用下由細(xì)溝間搬運(yùn)至細(xì)溝內(nèi)[11,20]，該時(shí)期為細(xì)溝穩(wěn)定階段（圖3c）。

圖3 紅壤細(xì)溝發(fā)育過(guò)程照片

表1是不同試驗(yàn)組合下各侵蝕階段平均侵蝕速率。對(duì)比可知，不同試驗(yàn)組合下以層狀面蝕為主的侵蝕初始階段均主要發(fā)生在0～3 min，坡度和徑流流量增大能使細(xì)溝產(chǎn)生和發(fā)育速度明顯加快，這與張新和等[21]在黃土坡面（坡度<25°）上的研究結(jié)論一致；但與李占斌等[22]在黃土陡坡上研究結(jié)果稍有差別，他們認(rèn)為層狀面蝕為主的侵蝕階段在0～2 min，本試驗(yàn)則主要為0～3 min。盡管時(shí)間差異較小，但在侵蝕發(fā)育極為迅速的徑流沖刷初期，其內(nèi)在過(guò)程可能存在一定差異。前者試驗(yàn)坡度（21°、24°、27°）和放水流量（6.5、8.5、10.5 L/min）均大于本試驗(yàn)組合，可能是其層狀面蝕-細(xì)溝侵蝕發(fā)育相對(duì)較快的主要原因。本試驗(yàn)中90 mm/h降雨同樣能加快侵蝕發(fā)育速度，供試紅壤良好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)則能一定程度增加坡面土壤抗蝕性[23-24]，即細(xì)溝侵蝕發(fā)育過(guò)程受坡度、流量、降雨和土壤性質(zhì)等多方面綜合影響。此外，各階段侵蝕速率大小為初始階段>細(xì)溝發(fā)育階段>細(xì)溝穩(wěn)定階段。初始階段最大平均速率為53.29 g/（m2·s），分別是該試驗(yàn)組合細(xì)溝發(fā)育階段平均速率和細(xì)溝穩(wěn)定階段平均速率的4.17倍（<0.05）和13.59倍（<0.05）；初始階段最小侵蝕速率為4.45 g/（m2·s），達(dá)該試驗(yàn)組合細(xì)溝發(fā)育階段平均速率的5.30倍（<0.05），這是由于侵蝕初始階段徑流沖刷面積大，且多為表面較易侵蝕的土壤。

2.3 不同侵蝕階段侵蝕產(chǎn)沙量分析

明確不同侵蝕階段土壤侵蝕產(chǎn)沙量對(duì)坡面侵蝕過(guò)程研究和侵蝕防治具有重要意義。從表1中分析可得，侵蝕總量隨坡度、放水流量的增大和存在降雨而增大，試驗(yàn)中最大侵蝕總量為33 941.07 g（坡度12°雨強(qiáng)90 mm/h和放水流量7.5 L/min試驗(yàn)組合），為最小侵蝕總量3 445.75 g（坡度5°和放水流量5 L/min試驗(yàn)組合）的9.85倍（<0.05）。侵蝕總量在5°坡度各試驗(yàn)組合間變幅較大，5°坡度最大侵蝕總量為27 503.30 g（坡度5°雨強(qiáng)90 mm/h和放水流量7.5 L/min的試驗(yàn)組合），達(dá)到最小侵蝕總量為3 445.75 g（坡度5°和放水流量5 L/min試驗(yàn)組合）的7.98倍（<0.05），隨著坡度增大侵蝕總量變幅逐漸減小，8°和12°各試驗(yàn)組合內(nèi)最大侵蝕總量分別為最小侵蝕總量的3.71倍（<0.05）和1.99倍（<0.05）；對(duì)比各侵蝕階段產(chǎn)沙量還發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝發(fā)育階段產(chǎn)沙量最大，其次是侵蝕初始階段，細(xì)溝穩(wěn)定后產(chǎn)沙量最小。12組不同試驗(yàn)組合內(nèi)，侵蝕初始階段產(chǎn)沙量占侵蝕總量的6.28%～34.84%（平均24.62%），細(xì)溝發(fā)育階段產(chǎn)沙量占侵蝕總量的38.43%～84.84%（平均66.00%），細(xì)溝穩(wěn)定后產(chǎn)沙量占侵蝕總量的12.28%～33.31%（平均10.40%）。因此，無(wú)論是侵蝕持續(xù)時(shí)間還是產(chǎn)沙量，細(xì)溝發(fā)育階段都是試驗(yàn)條件下紅壤坡面細(xì)溝侵蝕主要過(guò)程，該結(jié)果與鄭良勇等[11]利用稀土元素示蹤法在黃綿土上研究結(jié)果一致。

表1 不同試驗(yàn)組合下各侵蝕階段平均侵蝕速率及侵蝕總量

注：不同字母表示不同試驗(yàn)組合間同一侵蝕階段的平均侵蝕速率和侵蝕產(chǎn)沙量差異顯著，<0.05。

Note: Different letters indicate significant difference at<0.05 in mean erosion rate and sediment yield of the same erosion phase.

2.4 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)各侵蝕階段侵蝕速率影響

國(guó)內(nèi)外研究表明，坡面土壤侵蝕是水力學(xué)參數(shù)和土壤參數(shù)的函數(shù)，與坡度、流量、流速、水流剪切力、單位水流功率和水流功率等因子密切相關(guān)[9-10,25-28]。由表2可得，初始階段坡面土壤侵蝕速率與各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)均顯著（<0.05）或極顯著相關(guān)（<0.01），該階段侵蝕速率與各參數(shù)相關(guān)系數(shù)大小順序?yàn)樗鞴β?坡度>水流剪切力>單位水流功率=流速>流量。

表2 不同水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與各侵蝕階段侵蝕速率相關(guān)系數(shù)

注：** 表示在0.01水平（雙側(cè)）上極顯著相關(guān)，* 表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: ** means extremely significance at<0.01 level, * means significance at<0.05 level.

對(duì)細(xì)溝發(fā)育階段各試驗(yàn)組合內(nèi)瞬時(shí)侵蝕速率和瞬時(shí)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析[25]，結(jié)果顯示紅壤坡面瞬時(shí)侵蝕速率與放水流量、流速和單位水流功率極顯著相關(guān)（<0.01），但相關(guān)系數(shù)均不高，這可能是由于侵蝕后期當(dāng)細(xì)溝發(fā)育趨于穩(wěn)定后各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)基本維持不變，但由于小跌坎的擴(kuò)張、溝壁崩塌和降雨作用，侵蝕泥沙量并非基本維持不變，而存在一個(gè)逐漸減少的時(shí)間過(guò)程。單獨(dú)徑流沖刷條件下各試驗(yàn)組合細(xì)溝發(fā)育階段侵蝕速率與水流剪切力和水流功率分別呈顯著（<0.05）和極顯著（<0.01）相關(guān)。降雨-徑流條件下各試驗(yàn)組合細(xì)溝發(fā)育階段平均侵蝕速率與坡度、水流剪切力和水流功率均顯著（<0.05）相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大小順序?yàn)槠露?水流功率>水流剪切力。這與Sajjadi等[15,25-26]研究結(jié)果相似，均認(rèn)為上述參數(shù)能用來(lái)描述坡面土壤面蝕，但不同學(xué)者對(duì)各參數(shù)與侵蝕的相關(guān)程度存在分歧，而本文認(rèn)為水流功率是描述坡面土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程的最佳水動(dòng)力學(xué)參數(shù)；細(xì)溝穩(wěn)定后侵蝕速率分別與坡度和流量呈顯著（<0.05）和極顯著（<0.01）相關(guān)。Liu等[27]研究認(rèn)為，<15°的坡面土壤濺蝕率隨坡度增大而增大，本研究顯示降雨-徑流作用下的細(xì)溝發(fā)育階段和細(xì)溝穩(wěn)定階段侵蝕速率均受坡度影響，可能是因?yàn)榻涤曜饔孟虑治g泥沙量部分來(lái)源于細(xì)溝間坡面土壤的片蝕。

綜上，本試驗(yàn)條件下水流功率是描述紅壤坡面侵蝕的最佳水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)侵蝕速率，建立水流功率與侵蝕速率的回歸方程[28]：

D=K·(ω)（6）

式中為土壤侵蝕速率，kg/(m2·s)；K為土壤可蝕性參數(shù)，s2/m2，與土壤性質(zhì)有關(guān)；ω為臨界水流功率，N/(m·s)。

本試驗(yàn)建立初始階段和細(xì)溝發(fā)育階段坡面土壤侵蝕速率預(yù)報(bào)模型如下：

初始階段

=19.95×103(0.091) (2=0.83，<0.01) （7）

徑流條件下的細(xì)溝發(fā)育階段

=2.64×10–3(–0.121) (2=0.90，<0.01) （8）

降雨-徑流條件下的細(xì)溝發(fā)育階段

=3.59×10–3[–(–1.691)] (2=0.67，<0.05) （9）

由公式得侵蝕初始階段層狀面蝕、單獨(dú)沖刷試驗(yàn)細(xì)溝侵蝕和降雨-徑流作用細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界水流功率依次為0.091、0.121、–1.691 N/(m·s)，對(duì)應(yīng)土壤可蝕性參數(shù)依次為19.95×10–3，2.64×10–3，3.59×10–3s2/m2。結(jié)果顯示，坡面漫流引起的層狀面蝕發(fā)生的臨界水流功率小于細(xì)溝侵蝕，而其可蝕性參數(shù)則遠(yuǎn)大于細(xì)溝侵蝕，該結(jié)果與張樂(lè)濤等[19]研究結(jié)論一致，均說(shuō)明了坡面發(fā)生層狀面蝕的脆弱性和敏感性。降雨-徑流作用下細(xì)溝侵蝕臨界水流功率為負(fù)數(shù)，說(shuō)明無(wú)侵蝕水流在該試驗(yàn)組合下也產(chǎn)生了侵蝕量，這是因?yàn)橛甑螕魹R在未發(fā)生細(xì)溝時(shí)對(duì)坡面產(chǎn)沙發(fā)揮重要作用，一方面雨滴擊濺會(huì)增強(qiáng)水流紊動(dòng)作用和挾沙力，另一方面雨滴直接打擊坡面土壤產(chǎn)生的濺蝕對(duì)產(chǎn)沙也有一定貢獻(xiàn)[29-30]。

3 結(jié)論與建議

本文基于室內(nèi)模擬，采用降雨和徑流沖刷相結(jié)合試驗(yàn)，研究坡度、流量和降雨因素對(duì)紅壤坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程的影響，并闡明了侵蝕發(fā)育過(guò)程中土壤侵蝕速率與各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1）紅壤坡面侵蝕過(guò)程呈現(xiàn)明顯階段性，試驗(yàn)條件下可根據(jù)坡面層狀漫流是否演變?yōu)檫B續(xù)跌水的細(xì)狀水流和侵蝕速率的穩(wěn)定情況，將侵蝕劃分為初始階段、細(xì)溝發(fā)育階段和細(xì)溝穩(wěn)定階段3個(gè)階段。侵蝕0～3 min為層狀面蝕為主的初始階段，隨后為細(xì)溝侵蝕為主的細(xì)溝發(fā)育階段。降雨以及增加坡度和流量能加快細(xì)溝發(fā)育速度和侵蝕速率。

2）各侵蝕階段平均侵蝕速率由大到小為初始階段、細(xì)溝發(fā)育階段、細(xì)溝穩(wěn)定階段。以層狀面蝕為主的初始階段侵蝕速率與各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)相關(guān)性系數(shù)大小關(guān)系為水流功率>坡度>水流剪切力>單位水流功率=流速>流量；水流功率、水流剪切力和坡度與細(xì)溝發(fā)育階段平均侵蝕速率關(guān)系密切；細(xì)溝穩(wěn)定后侵蝕速率僅與坡度和流量分別呈顯著（<0.05）和極顯著（<0.01）相關(guān)。

3）水流功率是描述紅壤坡面侵蝕速率的最佳水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)條件下層狀面蝕、單獨(dú)徑流沖刷試驗(yàn)細(xì)溝侵蝕和降雨-徑流作用細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界水流功率依次為0.091、0.121、–1.691 N/(m·s)，對(duì)應(yīng)土壤可蝕性參數(shù)依次為19.95×10–3、2.64×10–3、3.59×10–3s2/m2。

本文基于室內(nèi)模擬降雨和徑流沖刷條件下得出的以上結(jié)論，鑒于南方紅壤區(qū)充沛的降雨量和良好的植被覆蓋，暴雨驅(qū)動(dòng)下的野外坡面土壤侵蝕過(guò)程和水動(dòng)力學(xué)特征需要進(jìn)一步研究。

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Rill erosion process on red soil slope under interaction of rainfall and scouring flow

Hao Haoxin1, Guo Zhonglu1※, Wang Xianzhou1, Zhan Haige1, Ma Renming2, Li Zhaoxia1, Jiang Juan3

(1.430070,; 2.110866,;3.330029,)

Soil erosion with surface runoff in red soil hilly in tropical and subtropical zones of central China cause severe soil quality degradation and environmental issues. It is driven by both rainfall and runoff flow that usually take place simultaneously during an erosion event. The objectives of this study were to determine the main process of rill erosion evolution and explore the main erosion parameters that affected the erosion rate during the process. In order to simulate the erosion process, an indoor experiment including the experimental combination of 3 slopes (5°, 8°, 12°), 2 discharges (5, 7.5 L/min) and 2 rainfall conditions (no rain and 90 mm/h rainfall intensity) was carried out on a red soil flume (3-m length and 0.5-m wide and 0.4-m height). The slit clay soil passing through a 2-cm sieve was used for the experiment. Before the experiment, the bulk density and moisture for the soil sample was controlled at 1.35 g/cm3and 30%, respectively. The staining method was utilized to measure the flow velocity; the runoff width could be measured through using a ruler at 3 positions; the sediment yield and flow rate were be deduced and calculated from the water bottle used for collecting the runoff samples at the bottom of the flume during a set time interval. A single trial persisted 50 min. The hydrodynamic parameters including shear stress, unit stream power and stream power were calculated. Results showed that: 1) The erosion of red soil slope had obvious periodic development. The initial phase of erosion processes was mainly based on the layer erosion before the first 3-min and then followed by rill erosion. Steep grade, high flow rate and rainfall condition could greatly accelerate the development of rill erosion process and largely increase the erosion rate. 2) The mean erosion rate of each erosion phase was followed by: initial phase> rill development phase> rill stabile phase. In general, the total sediment yield of each erosion phase was followed by: rill development phase> initial phase> rill stabile phase. The erosion in the rill development phase accounted for 38.43%-84.84% of the total sediment yield. The relationship between the hydraulic parameters and the erosion rate of initial phase was closer by stream power> slope> shear stress> unit stream power = flow velocity > flow rate. The mean erosion rate of rill development phase was extremely significant (<0.01) with stream power, and was significant (<0.05) with shear stress and slope, while the erosion rate of rill stable phase was just related to flow rate and slope. 3) Stream power was the optimal predictor to predict erosion rate for both layer erosion and rill erosion with a linear relationship. The critical stream power for the layer erosion, the rill erosion in the flow scouring test, and the rill erosion under the interaction of rainfall and scouring flow was 0.091, 0.121,-1.691 N/(m·s), and their corresponding erodibility was 19.95×10-3, 2.64×10-3, 3.59×10-3s2/m2, respectively. The results are valuable for agricultural water-soil engineering and controlling soil loss of red soil, and also play a significant role in improving soil erosion models.

hydrodynamics; erosion; flow rate; rainfall; scouring flow; red soil; rill

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.018

S157.1；S155.2+5

A

1002-6819(2017)-08-0134-07

2016-08-30

2017-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571266、41671273）

郝好鑫，男，河南新鄉(xiāng)人，主要從事土壤侵蝕機(jī)理方面研究。武漢 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，430070。 Email：haohaoxin1992@163.com

郭忠錄，男，山西定襄人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)方面研究。武漢 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，430070。Email：zlguohzau@163.com

郝好鑫，郭忠錄，王先舟，占海歌，馬仁明，李朝霞，蔣 娟. 降雨和徑流條件下紅壤坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：134－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.018 http://www.tcsae.org

Hao Haoxin, Guo Zhonglu, Wang Xianzhou, Zhan Haige, Ma Renming, Li Zhaoxia, Jiang Juan. Rill erosion process on red soil slope under interaction of rainfall and scouring flow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 134－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.018 http://www.tcsae.org