覆沙坡面水動力學(xué)參數(shù)與徑流產(chǎn)沙的關(guān)系

湯珊珊，李占斌,2，魯克新，劉 瑩，蘇遠逸，馬勇勇

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覆沙坡面水動力學(xué)參數(shù)與徑流產(chǎn)沙的關(guān)系

湯珊珊1，李占斌1,2※，魯克新1，劉 瑩1，蘇遠逸1，馬勇勇1

（1. 西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，西安 710048；2. 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)國家重點實驗室，楊凌 712100）

坡面流水動學(xué)特征對闡明土壤侵蝕和坡面產(chǎn)沙機理均有重要意義，通過模擬降雨試驗，定量研究了1.5 mm/min雨強下，不同覆沙厚度（0.5、1.0、1.5 cm）下坡面水動力學(xué)參數(shù)的時空分布特征及其與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，以期揭示坡面水動力學(xué)參數(shù)的內(nèi)在規(guī)律性。結(jié)果表明，坡面流的水動力學(xué)參數(shù)的時空分布呈波動趨勢，與黃土坡面相比，雷諾數(shù)增加了0.39～1.03倍，佛羅德數(shù)增加了0.05～0.29倍，阻力系數(shù)增加了0.05～1.55倍；覆沙坡面在整個降雨過程中主要以層流—急流為主，細溝形成主要發(fā)生在產(chǎn)流后第10 min后，主要集中在1～10斷面處（從坡底依次向上每1 m劃分為一個斷面）；坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙速率與各水動力學(xué)參數(shù)均可用=+來描述，雷諾數(shù)和相對水深曼寧糙率/可以較好地表征覆沙坡面侵蝕產(chǎn)沙過程。此研究可為坡面侵蝕預(yù)報模型的構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

侵蝕；徑流；產(chǎn)沙；覆沙坡面；覆沙厚度；水動力學(xué)參數(shù)

0 引 言

坡面水動力學(xué)參數(shù)對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性有決定作用，深入理解坡面水動力學(xué)參數(shù)及其變化規(guī)律是認識坡面土壤侵蝕過程和動力學(xué)機制的基礎(chǔ)，有助于坡面土壤侵蝕預(yù)報模型的構(gòu)建[1-4]。

風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)不僅是黃河下游河床粗泥沙的主要物質(zhì)來源區(qū)[5-6]，同時也是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[7-9]。該區(qū)域的風(fēng)蝕多發(fā)生在冬春季節(jié)，水蝕多發(fā)生在夏秋季節(jié)[10-11]，且該區(qū)域的土壤侵蝕在時間上交叉，空間上層疊形成了特殊的地貌類型，而片沙覆蓋黃土丘陵地貌便是最為典型的一種特殊地貌，侵蝕發(fā)生的程度也最為強烈[12]。片沙覆蓋黃土丘陵地貌由于表層覆沙層和下伏黃土層在土壤物理特性、土壤入滲、導(dǎo)水率和持水性等方面存在差異，導(dǎo)致在覆沙層與下伏黃土層之間形成明顯的沙-土界面，進而形成典型的沙-土二元結(jié)構(gòu)。然而針對這一特殊地貌在坡面上的侵蝕過程及機理的研究相對較少。張麗萍等[13-14]通過野外降雨試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)覆沙黃土坡面產(chǎn)生的徑流量小，雨強偏小時則無徑流產(chǎn)生，徑流一旦產(chǎn)生，含沙量便會很大，產(chǎn)流產(chǎn)沙表現(xiàn)為垂直下滲—坡面潛流—坍塌的特征，這與無覆沙坡面（純黃土坡面）的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征明顯不同?；菡窠璠15]對覆沙黃土坡面存在的沙土界面流的現(xiàn)象進行了定性研究。雖然湯珊珊等[16-18]、Xu等[19]、謝林妤等[20]和Zhang等[21]在室內(nèi)降雨條件下研究了覆沙坡面的徑流產(chǎn)沙關(guān)系、侵蝕搬運過程、侵蝕泥沙顆粒分布情況以及不同沙物質(zhì)顆粒級配對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，但主要集中在覆沙黃土坡面侵蝕產(chǎn)沙機制方面，而在覆沙黃土坡面流的水動力特性研究方面還未有涉及。因此，本研究以覆沙坡面為對象，研究了人工模擬降雨下的坡面流水力學(xué)特性，揭示了坡面水動力學(xué)參數(shù)的時空變化規(guī)律及其與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系，以期為開展風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)的土壤侵蝕工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗在西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室內(nèi)進行，試驗采用側(cè)噴式降雨器，有效降雨高度為4 m。試驗土槽尺寸為13×1×0.6 m3的可移動式鋼制土槽（圖1）。降雨坡度為12°。降雨之前事先要對降雨強度進行率定，要求降雨均勻系數(shù)達到85%以上，并配備穩(wěn)壓器，保證降雨過程中雨強的穩(wěn)定性。將試驗黃土過10 mm篩備用，表層覆蓋不同厚度的沙物質(zhì)，其土壤顆粒組成如表1所示[17]。

圖1 模擬降雨試驗裝置

表1 模擬降雨試驗用土的顆粒特征

在填裝試驗用土之前，先鋪設(shè)5 cm厚的細沙在土槽底部，同時沙層上面覆蓋一層紗布，以此確保試驗土層的透水狀況接近試驗土壤，同時，在沙層上按5 cm一層分層填裝25 cm厚的試驗用土，每一次填裝過程中都要對表土進行打毛處理，以此消除每個土壤層之間的垂直層理，然后在土層上分別覆蓋0.5、1.0、1.5 cm的沙。土壤平均容重控制在1.3 g/cm3左右，前期含水率約為20%。填土結(jié)束后對土壤表面進行均勻灑水，并用遮雨布將整個坡面覆蓋，防止水分蒸發(fā)，使其充分入滲，24 h后進行降雨作業(yè)。坡面產(chǎn)流后開始計時，記錄時間間隔為1 min，產(chǎn)流時長30 min。同時記錄下開始降雨時間、坡面開始產(chǎn)流時間、細溝出現(xiàn)時間，每種工況下的試驗重復(fù)3次即重新裝土進行降雨試驗，用無覆沙坡面（黃土坡面）進行對照試驗[17]。

通過內(nèi)蒙古達拉特旗境內(nèi)的東柳溝流域不同時期風(fēng)蝕沉積的沙層厚度和坡度進行野外調(diào)查后，考慮1.5 mm/min雨強下、覆沙厚度（0.5、1.0、1.5 cm）方面進行設(shè)計（表2）。

表2 降雨試驗設(shè)計方案

1.2 測量指標(biāo)

每1場試驗在坡面開始產(chǎn)流后，每1 min用固定體積的錐形瓶和20 L的塑料桶分別收集1次含泥沙水樣和徑流泥沙樣。每場試驗結(jié)束后，用直尺測量渾水樣品的含沙水深，并利用體積-水深關(guān)系式來計算徑流量；將錐形瓶中的泥沙樣沉淀2 h后倒去上清液，并將錐形瓶中的泥沙樣轉(zhuǎn)移至已事先稱質(zhì)量過的容器中，放置于105 ℃的烘箱中烘干12 h，將烘干后的泥沙稱質(zhì)量，并用置換法計算含沙量和產(chǎn)沙量。用染色劑示蹤法（KMnO4）來測定坡面水流流速，測定流速時間與采集徑流泥沙樣的時間基本保持同步；從坡底（斷面出口）依次向上劃分為13個斷面，每個斷面的距離是1 m，流速測定的時間間隔為5 min[17]。

1.3 指標(biāo)計算及數(shù)據(jù)處理

1）流速：坡面水流流速采用染色示蹤法（KMnO4），測距為1 m。

=·v（1）

式中為水流平均流速，m/s；v為實測流速，m/s；為校正系數(shù)，其中，層流=0.67，過渡流=0.7，紊流=0.8[22]。

2）水深：由于整個降雨過程中坡面主要以面蝕和細溝侵蝕為主，斷面水深較淺，直接測量存在較大誤差，因此，由下式計算：

式中為水深，mm；為徑流量，m3/s；為水面寬度，m。本文中水深用平均水深來替代。

3）雷諾數(shù)R：用來判別水流是紊流還是層流，它是慣性力和黏滯力的比值，當(dāng)R<500時說明水流流態(tài)為層流，R>500時則為紊流，R在500時左右被認為是過渡流[23]，計算公式為

式中為雷諾數(shù)；為水力半徑，m；近似等于水深，m；為運動黏滯系數(shù)，m2/s。

運動黏滯系數(shù)：

式中為水流溫度，℃

4）阻力系數(shù)：用來表征坡面流流動時沿程所受阻力大小。公式為：

式中為阻力系數(shù)；g=9.8 m/s2；為水力能坡，=sin，為坡度。

5）佛羅德數(shù)F：用來判斷坡面水流是急流還是緩流的參數(shù)，它代表水流的重力和慣性力作用的關(guān)系，當(dāng)F為1時，說明慣性力和重力作用相等，水流為臨界流；當(dāng)F大于1時，說明重力小于慣性力作用，水流流型為急流；當(dāng)F小于1時，說明重力大于慣性力作用，水流為緩流[24]。公式為

式中F為佛羅德數(shù)。

6）曼寧糙率系數(shù)：用來描述水流運動邊界表面影響水流阻力的各種因素的一個綜合系數(shù)，影響它大小的因素主要有水流運動邊界的形態(tài)特征、土壤性質(zhì)以及表面覆蓋物的覆蓋程度等，公式為

7）變異系數(shù)CV：

CV=(SD/Mean)×100% （7）

式中SD為標(biāo)準(zhǔn)差；Mean為平均值。其中，CV≤10%是弱變異、10%

使用SPSS18.0和Excel對試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Origin9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面覆沙對坡面徑流流態(tài)的影響

2.1.1 雷諾數(shù)的時空變化

坡面在降雨過程中不斷發(fā)生面蝕和溝蝕，因此，在不同斷面和不同降雨時期坡面侵蝕形態(tài)各不相同，表明坡面徑流的水動力學(xué)特性具有一定的時空分布規(guī)律[26]。圖2描述的是1.5 mm/min雨強、不同覆沙厚度條件下，雷諾數(shù)的時空變化情況。

圖2 雷諾數(shù)Re的時空變化

由圖2中可以看出，坡面覆沙使雷諾數(shù)增加且變化劇烈（CV<100，由公式（7）計算得出），坡面覆沙后不同覆沙厚度下雷諾數(shù)在不同產(chǎn)流時段和斷面處坡面徑流的流態(tài)不一致，且雷諾數(shù)在10～420之間變化。與黃土坡面（BS2）相比，整個產(chǎn)流時間內(nèi)ST1、ST2、ST3坡面覆沙后雷諾數(shù)的平均值分別增加了1.03、0.93、0.39倍，雷諾數(shù)增加了39%～103%。不同覆沙厚度下雷諾數(shù)的變化較黃土坡面劇烈（CV值變化：ST3（96.8%）>ST1（90.5%）>ST2（85.6%）>BS2（47.9%））。在整個坡面上，不同斷面的雷諾數(shù)呈現(xiàn)出下降波動趨勢，從坡頂向下，雷諾數(shù)在減小。在整個降雨過程中，12和13斷面的雷諾數(shù)始終小于100（由公式1計算得出），且在產(chǎn)流后15 min內(nèi)，1～10斷面的雷諾數(shù)大于100，這很可能是由于在降雨過程中細溝的交替出現(xiàn)引起的，且在試驗過程中，細溝出現(xiàn)的位置主要集中在1～10斷面（在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)）。同時，從圖2中還可以看出，當(dāng)雨強一定時，雷諾數(shù)隨著覆沙厚度的增加變化規(guī)律比較復(fù)雜。隨著覆沙厚度的增加，雷諾數(shù)的值整體上在減小，說明坡面水流的流動狀態(tài)受坡面覆沙厚度增加的影響，覆沙層的存在削弱了水流的紊動程度，這是由于坡面覆沙后增大了坡面表層的粗糙度，進而坡面增大了坡面徑流的阻力，減小了坡面徑流的慣性力，使得此時坡面徑流的慣性力對流場的影響小于粘滯力，進而導(dǎo)致雷諾數(shù)較小，同時，隨著降雨的持續(xù)進行由于流速的變化使得粘滯力減小，所以徑流流體較為穩(wěn)定，覆沙坡面坡面徑流的流態(tài)表現(xiàn)為層流。

2.1.2 佛羅德數(shù)的時空變化

圖3描述的是1.5 mm/min雨強、不同覆沙厚度條件下，佛羅德數(shù)在坡面不同時段和不同位置的變化情況。由圖3可以看出，坡面覆沙增大了佛羅德數(shù)且變化更劇烈（CV<100，由公式（7）計算得出），佛羅德數(shù)的變化與雷諾數(shù)的變化基本一致?？傮w來看，在產(chǎn)流后15 min內(nèi)，>1，表明坡面徑流均表現(xiàn)為急流。與黃土坡面相比，坡面覆沙后整個降雨歷時內(nèi)佛羅德數(shù)的平均值分別增加了0.05（ST1）、0.29（ST2）、0.15(ST3)倍，佛羅德數(shù)增加了5%～29%。在坡面產(chǎn)流剛開始的時候，坡面相對較為平整，較大，但隨著降雨的持續(xù)進行，在產(chǎn)流第5min左右，坡面中下部開始有跌坎和細溝出現(xiàn)（在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)），使得逐漸變小；而同一時刻不同位置的沿坡底向上（從第1斷面到第13斷面）整體呈波動性下降趨勢，這主要是因為在第1～10斷面，坡面細溝已經(jīng)發(fā)育成形，徑流沿細溝流動（在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)），徑流流速增大；在第11～13斷面，細溝和跌坎均沒有發(fā)育，此處的徑流被平攤，主要以面蝕為主，所以在11～13斷面出現(xiàn)的最小值。覆沙坡面佛羅德數(shù)的時空變化規(guī)律為坡面第1～10斷面，產(chǎn)流后0～25 min之間，覆沙坡面主要以急流為主。

圖3 佛羅德數(shù)Fr的時空變化

2.2 坡面水動力學(xué)參數(shù)的時空變化

2.2.1 阻力系數(shù)的時空變化

圖4描述的是1.5 mm/min雨強、不同覆沙厚度條件下，阻力系數(shù)的時空變化情況。從圖4可以看出，坡面覆沙使得阻力系數(shù)增大且變化明顯（CV<100，由公式7計算得出）；阻力系數(shù)的空間變化表現(xiàn)為，在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，在12和13斷面之間沒有細溝出現(xiàn)，坡面形態(tài)基本沒有發(fā)生變化，即坡面粗糙度基本不變，該斷面處只有坡面上土壤顆粒間的阻力對徑流進行攔蓄。與黃土坡面相比，坡面覆沙后整個產(chǎn)流歷時內(nèi)ST1、ST2和ST3阻力系數(shù)的平均值分別增加了0.81、0.05、1.55倍。在產(chǎn)流第5 min以后，坡面在第1～10斷面開始出現(xiàn)跌坎（在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)），坡面形態(tài)阻力增大，致使該位置處的增大。在產(chǎn)流第10 min以后，第1～10斷面的細溝開始連通（在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)），隨著降雨的持續(xù)進行，不同覆沙厚度下坡面的阻力系數(shù)逐漸增大，并向坡面上部延伸。綜上所述，覆沙坡面的阻力系數(shù)在坡面第1～10斷面和產(chǎn)流后第10～30 min之間呈現(xiàn)出增大趨勢，阻力系數(shù)增加了5%～155%。

圖4 阻力系數(shù)f的時空變化

2.2.2 曼寧糙率的時空變化

圖5描述的是1.5 mm/min雨強、不同覆沙厚度條件下，曼寧系數(shù)在坡面不同時段和不同位置的變化情況。由圖5可知，坡面覆沙后使得曼寧糙率變大且變化較黃土坡面明顯（CV<100，由公式7計算得出）。與黃土坡面相比，坡面覆沙后曼寧糙率分別增加了0.44（ST1）、0.42（ST2）、0.35(ST3)倍。坡頂位置（12和13斷面）由于沒有細溝形成，所以不同覆沙厚度下的不同時間下該位置處的曼寧系數(shù)維持在一個較低水平（0.1附近），而對于1～10斷面，由于細溝的形成，曼寧系數(shù)的波動劇烈，這是由于在整個降雨過程中，細溝交替出現(xiàn)并最后貫通造成的（在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)）；在產(chǎn)流第5 min后，曼寧系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。綜上所述，覆沙坡面的曼寧糙率在第1～10斷面、產(chǎn)流后5～30 min之間減小。

圖5 曼寧糙率n的時空變化

2.3 坡面侵蝕水動力特征參數(shù)量化

2.3.1 徑流與水動力參數(shù)的關(guān)系

坡面侵蝕水動力學(xué)特性的實質(zhì)是徑流的變化情況，而侵蝕現(xiàn)象發(fā)生的動力和載體也是徑流，坡面流的水動力學(xué)參數(shù)的變化可用來揭示坡面徑流的一些變化規(guī)律，且坡面徑流與坡面侵蝕水動力學(xué)參數(shù)之間存在密切關(guān)系。表3給出了覆沙坡面在不同覆沙厚度下坡面徑流速率與水動力特征參數(shù)雷諾數(shù)、佛羅德數(shù)、達西～韋斯巴赫阻力系數(shù)、相對水深曼寧糙率/以及雷諾數(shù)與佛羅德數(shù)的幾何平方根(22)1/2之間的變化關(guān)系。從表3可以看出，覆沙坡面的、以及/能夠較好地反映產(chǎn)流率的變化，而其他的侵蝕水動力學(xué)參數(shù)雖然與坡面產(chǎn)流率之間存在一定關(guān)系，但是沒有明顯的規(guī)律。除了和與(22)1/2外，其他參數(shù)和坡面徑流速率的2達到0.50以上，說明坡面水動力學(xué)參數(shù)與坡面徑流速率存在一定的相關(guān)性，其中，與坡面徑流率的相關(guān)性較高的是佛羅德數(shù)，2決定系數(shù)在0.60以上，說明覆沙坡面水流流態(tài)對覆沙坡面的產(chǎn)流影響較大，水流運動程度越強烈，坡面徑流率越大。

2.3.2 產(chǎn)沙與水動力參數(shù)的關(guān)系

侵蝕泥沙是坡面降雨侵蝕的重點研究內(nèi)容，徑流是泥沙顆粒運動的載體和驅(qū)動力，進而泥沙顆粒運動會受到徑流的水動力作用的影響，使得泥沙運動過程與侵蝕水動力學(xué)參數(shù)之間存在密切關(guān)系。表4給出了不同覆沙厚度下坡面侵蝕產(chǎn)沙量與水動力學(xué)參數(shù)之間的變化關(guān)系。由表4可知，/對覆沙坡面侵蝕產(chǎn)沙率的變化有較好地表達，其2達到0.50以上，而、、以及(22)1/2雖然與產(chǎn)沙率之間存在一定關(guān)系，但是變化不顯著。這一結(jié)果說明，/能夠較好地反映不同覆沙厚度下的坡面產(chǎn)沙率。

表3 產(chǎn)流率與坡面水動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

表4 產(chǎn)沙率與坡面水動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

總之，如果從產(chǎn)流量來說，水動力學(xué)參數(shù)中雷諾數(shù)、相對水深曼寧糙率、以及雷諾數(shù)與佛羅德數(shù)的幾何平方根(22)1/2可以用來對不同覆沙厚度下坡面侵蝕的水動力學(xué)特進行描述；從產(chǎn)沙的角度來看，只有相對水深曼寧糙率可被認為是表征不同覆沙厚度下坡面侵蝕的水動力學(xué)特性的特征參數(shù)。

3 討 論

坡面覆沙對坡面徑流水動力學(xué)特性主要有3個方面的影響，一是坡面覆沙改變了土體的入滲能力，進而改變坡面的產(chǎn)流情況；二是坡面覆沙使得坡面的粗糙程度有所增大；三是坡面覆沙改變了坡面的地貌形態(tài)[27-31]。在坡面未產(chǎn)生細溝之前，由于表層覆沙增大了坡面阻力，一定程度上阻礙了水流流動，因此，流速較黃土坡面偏小；而隨著侵蝕的發(fā)生，坡面表層覆蓋的沙物質(zhì)被徑流沖刷帶走，并且當(dāng)坡面細溝出現(xiàn)后，由于沙子本身的透水作用，在產(chǎn)流之前，土體內(nèi)已積蓄了一定水量，在沙-土交界面形成了沙-土界面流，隨著細溝的出現(xiàn)，沙層中存儲的沙-土界面流泄出，增大了徑流動能并增加了流速，此時，覆沙坡面的流速較黃土坡面明顯增大。徑流深同時受徑流強度和坡面地貌形態(tài)特征的影響。與黃土坡面形成的細而淺的侵蝕溝相比，覆沙坡面受徑流沖刷易形成寬而深的細溝，且徑流深有所增大。試驗條件下覆沙坡面主要以層流—急流為主，雷諾數(shù)主要集中在0～500之間，無論是降雨還是放水沖刷試驗均得到類似的結(jié)果[32-35]，坡面覆沙后坡面主要以急流為主，且佛羅德數(shù)>1，同時在降雨中后期和1～10斷面，佛羅德數(shù)Fr的值集中在2～3之間，說明細溝發(fā)育主要出現(xiàn)在降雨中后期及第1～10斷面，這與Savata[36]得出的當(dāng)坡面徑流的佛羅德數(shù)=2～3時，細溝發(fā)育的機率很大的結(jié)論基本一致。同時還發(fā)現(xiàn)，細溝發(fā)生和佛羅德數(shù)是相互影響的關(guān)系，而水流力作用于土壤在一定程度上會導(dǎo)致細溝形成，由于目前的研究中有關(guān)覆沙坡面條件下水動力學(xué)特征方面的內(nèi)容還基本處于空白，因此，有關(guān)這方面的問題將會在后續(xù)研究中深入展開。

雷諾數(shù)、佛羅德數(shù)、阻力系數(shù)在不同程度上可以用來對覆沙坡面的侵蝕動力過程進行描述，就擬合的R而言，坡面產(chǎn)流率：>>，坡面產(chǎn)沙率：>>（表3和表4）。因此，雷諾數(shù)對不同覆沙厚度下坡面侵蝕的水動力學(xué)特性能夠進行較好地描述。郭忠錄等[31]和Guo等[37]通過研究華南紅壤區(qū)和黃土高原黃土區(qū)的坡面侵蝕的水動力學(xué)機制發(fā)現(xiàn)，從侵蝕量來看，相對水深曼寧糙率/能夠較好地描述不同降雨及坡度條件下坡面侵蝕的水動力學(xué)特征。本文中，從擬合效果2來看，相對水深曼寧糙率/與坡面產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙速率均表現(xiàn)出較高的擬合結(jié)果2>0.50（表3和表4），明顯高于其他5個水動力學(xué)參數(shù)?？梢姡还苁菑漠a(chǎn)流率還是從產(chǎn)沙率分析，相對水深曼寧糙率是描述不同覆沙厚度下覆沙坡面土壤侵蝕的最佳水動力學(xué)參數(shù)。

坡面覆沙對坡面侵蝕的影響顯著。首先，雨滴和坡面徑流直接作用于土壤表層的沙物質(zhì)，進而加劇土壤侵蝕的影響[38]，相關(guān)研究表明，坡面的侵蝕形態(tài)與土壤類型有很大關(guān)系[33-42]；其次，坡面覆沙改變坡面土壤本身的物理性質(zhì)及性狀，使其水文過程發(fā)生改變，進而間接地作用于土壤侵蝕。而在坡面覆沙條件下，坡面表層覆沙增加了坡面侵蝕量[16,19-21]，在不同覆沙厚度下，坡面覆沙對土壤侵蝕的影響各有不同[16,19-20]。試驗條件下，表層沙物質(zhì)的存在導(dǎo)致坡面的表土結(jié)構(gòu)被破壞，土壤顆粒的粘結(jié)程度大幅度降低，坡面形成結(jié)皮的能力較裸土大幅降低，坡面侵蝕發(fā)生的可能性大大增加，進而使得產(chǎn)沙增多。造成覆沙坡面產(chǎn)沙增加的原因主要是：在產(chǎn)流初期，覆沙坡面的沙層顆粒之間粘結(jié)力較差，顆粒間的大孔隙多，降雨在沙層入滲過程中形成沙土界面流，地表徑流未出現(xiàn)或少量出現(xiàn)，而到了產(chǎn)流中后期，坡面徑流便以股流的形式將坡面上得泥沙帶走，此時的流速和徑流深明顯增大。覆沙黃土坡面遵循先垂直入滲，接著潛流，然后滲流侵蝕，最后發(fā)生坍塌的侵蝕過程，這一結(jié)果與張麗萍等[13]在神木六道溝進行的室外降雨試驗得出的結(jié)果基本一致。隨著沙層厚度的增加，崩塌出現(xiàn)的次數(shù)增加，進而為徑流輸移提供了大量的物質(zhì)來源，雖然覆沙黃土坡面產(chǎn)流較晚，產(chǎn)流量較小，但其侵蝕量遠大于無覆沙（黃土）坡面，且覆沙厚度與侵蝕量成正比關(guān)系。

4 結(jié) 論

研究覆沙坡面水動力學(xué)侵蝕機理對闡述未來覆沙坡面侵蝕產(chǎn)沙機理和建立覆沙坡面侵蝕產(chǎn)沙模型等方面具有極其重要的指導(dǎo)意義。本文在模擬人工降雨條件下，研究覆沙坡面水動力學(xué)參數(shù)及其與產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系，研究結(jié)果表明：

1）坡面覆沙后坡面的流型流態(tài)主要以層流—急流為主。不同覆沙厚度下坡面粗糙度增大，水流流態(tài)變急，水流速度增加。較黃土坡面而言，雷諾數(shù)增加了39%～103%，佛羅德數(shù)增加了5%～29%，阻力系數(shù)增加了5%～155%。

2）坡面覆沙后，細溝發(fā)育主要發(fā)生在降雨中后期（產(chǎn)流后第10 min）以及第1～10斷面之間，這與黃土坡面有明顯區(qū)別，即黃土坡面下細溝形成主要發(fā)生在產(chǎn)流后第15 min、第1～8斷面。

3）坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙速率與各水動力學(xué)參數(shù)均可用簡單線性函數(shù)來描述，雷諾數(shù)和相對水深曼寧糙率可以被認為是水動力學(xué)參數(shù)中可以較好地描述覆沙坡面侵蝕產(chǎn)沙的因子。

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Relationship between hydrodynamic parameters and runoff and sediment yield on sand-covered slope in rainfall simulation study

Tang Shanshan1, Li Zhanbin1,2※, Lu Kexin1, Liu Ying1, Su Yuanyi1, Ma Yongyong1

(1.,,710048,; 2.,712100)

The change of runoff dynamics on the slope has a decisive effect on the erosion and sediment yield characteristics and erosion intensity.Runoff change is the essence of the hydrodynamic characteristics of soil erosion, runoff is the driving force and the carrier for erosion phenomenon, the change of the hydrodynamic parameters of slope surface flow can reveal some change law of slope runoff, and there is a close relationship between runoff and the hydrodynamic parameters. The deep understanding of the dynamic characteristics of the slope and its variation are the basis for understanding the soil erosion process and the dynamic mechanism of the slope, which is of great significance for the construction of the slope erosion prediction model. We conducted artificial simulated rainfall experiment in the State Key Laboratory of Eco-Hydraulic Engineering at Xi’an University of Technology in China from July to August 2013. We studied quantitatively the temporal and spatial distribution of hydrodynamic parameters on slope and its relationship with runoff and sediment yield under the same rainfall intensity (1.5 mm/min) and different sand-covered thickness (0.5, 1.0, 1.5 cm) in simulated rainfall in order to reveal the internal regularity of hydrodynamic parameters on slope. We also used potassium permanganate (KMnO4) to determinate the flow rate. Hydrodynamic parameters such as Reynolds number, Froude number, drag coefficient and Manning roughness were used to describe the hydrodynamic characteristics of sand-covered slope and its relationship with runoff and sediment yield. The results showed a fluctuating trend of temporal and spatial distribution of hydrodynamic parameters of the slope flow. As the surface roughness of the slope of the different layer of sand-covered thickness increased, the current flow state became fast and the flow rate increased. Compared with the bare slope, the Reynolds number increased by 39%-103% times, the number of Froude number increased by 5%-29% times, the drag coefficient increased by 5%-155% times. In the process of rainfall, the sand-covered slope was mainly composed of laminar flow and turbulence flow. The rill development mainly in middle and later periods of the rainfall (runoff after 10 min) as well as between 1-10 sections (From the bottom of the slope, each 1m is divided into one section) after sand-covered, it had the obvious difference with the loess slope surface, namely loess slope surface rill formed mainly in runoff after 15 min, 1-8 sections (From the bottom of the slope, each 1m is divided into one section). The slope velocity and runoff depth of sand-covered slope were significantly (<0.05) higher than the bare slope in the middle and later stages of runoff. The relationship between runoff and sediment yield on the slope and the hydrodynamic parameters could be described by simple linear regression. Reynolds number and relative depth Manning roughness can better describe the erosion process of sand-covered slope. The results provides data support for the analysis of the sediment yield mechanism and the sand-covered slope erosion production model and provides scientific basis for further researching the coupling mechanism of wind-water alternate erosions and environmental to erosion, and support to further study the effect of wind erosion of water erosion after sedimentation.

erosion; runoff; sediment; sand-covered slope; thickness of sand-covered; hydrodynamic parameters

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.017

S157.1

A

1002-6819(2017)-20-0136-08

2017-05-02

2017-09-05

國家重點研究與發(fā)展項目（2016YFC0402404）；國家自然科學(xué)基金青年項目(41401305，41601291)；國家自然科學(xué)基金重點項目（41330858）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目（2016JM4017）；西安理工大學(xué)博士創(chuàng)新基金（310-252071505，310-252071506）

湯珊珊，博士生，主要從事土壤侵蝕動力學(xué)等方面的研究。Email：military1205@163.com

※通信作者：李占斌，博士，研究員，博導(dǎo)，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。Email：zhanbinli@126.com

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Tang Shanshan, Li Zhanbin, Lu Kexin, Liu Ying, Su Yuanyi, Ma Yongyong. Relationship between hydrodynamic parameters and runoff and sediment yield on sand-covered slope in rainfall simulation study[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 136－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.017 http://www.tcsae.org