坡度對(duì)紫紅色砒砂巖擊濺侵蝕的影響

郭雒敏，李曉麗，王 文，張 贏，常 平

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，010018，呼和浩特)

砒砂巖是一種松散巖層，集中分布于黃土高原北部晉陜蒙接壤地區(qū)的鄂爾多斯高原。按照砒砂巖表層的覆土程度可分為3大型區(qū)：裸露砒砂巖區(qū)、蓋土砒砂巖區(qū)和蓋沙砒砂巖區(qū)。裸露砒砂巖區(qū)的面積占砒砂巖區(qū)總面積的27.2%。該區(qū)域的砒砂巖直接見于地表，上層無黃土、風(fēng)沙覆蓋，且植被稀少，在自然因素和外力的作用下，裸露區(qū)砒砂巖表層存在大量分散的砒砂巖顆粒，顆粒之間膠結(jié)力差，更易在風(fēng)力、降雨的作用下發(fā)生遷移，從而加劇水土流失。水蝕是砒砂巖的主要侵蝕方式，在降雨條件下，水流對(duì)地表做功，造成表土結(jié)構(gòu)破壞以及土粒遷移。目前砒砂巖區(qū)水力侵蝕的研究，多集中在降雨徑流侵蝕方面[1-3]，而在地表產(chǎn)生徑流之前，侵蝕方式以雨滴擊濺侵蝕為主。濺蝕是雨滴跌落產(chǎn)生的動(dòng)能對(duì)地表做功實(shí)現(xiàn)侵蝕的物理過程。Su Huafu等[4]研究坡度對(duì)土壤濺蝕的影響，并對(duì)短時(shí)間內(nèi)造成土壤侵蝕的決定性因素進(jìn)行研究；T. Saedia等[5]使用旋轉(zhuǎn)的濺蝕裝置，研究影響土壤濺蝕的直接和間接因素；蔡強(qiáng)國(guó)等[6]則研究土壤濺蝕的多元正交模型；秦越等[7]從單個(gè)雨滴出發(fā)，研究雨滴的擊濺作用對(duì)不同方位濺蝕量的影響。另外，降雨條件、土壤類型、地形地貌等都對(duì)雨滴濺蝕過程有很大影響；M. Majid 等[8]研究不同坡度和降雨條件下，土壤濺蝕量和沖刷侵蝕量的變化；M.B. Khalili 等[9]研究土地的利用方式不同及地貌的差異造成的濺蝕差異；Liu Dongdong等[10]則研究不同方位濺蝕量的變化速率與坡度、降雨條件的關(guān)系。濺蝕可以破壞地表土壤結(jié)構(gòu)，使表土離散或直接造成顆粒的移動(dòng)，雨滴的擊濺作用還會(huì)增加表面徑流的紊流強(qiáng)度，從而增強(qiáng)徑流的輸沙能力；同時(shí)雨滴的擊濺作用，還會(huì)造成地表板結(jié)，減小降雨水流的入滲，直接影響土壤的水力侵蝕。水力侵蝕作為砒砂巖最主要的侵蝕形式[11]，而雨滴的擊濺作用如何影響砒砂巖水蝕，以及坡度變化對(duì)砒砂巖擊濺侵蝕產(chǎn)生影響的原理，有待深入分析。

筆者采用人工降雨進(jìn)行砒砂巖擊濺侵蝕試驗(yàn)，探究降雨初期砒砂巖侵蝕特征，結(jié)合幾何及力學(xué)模型分析坡度變化對(duì)砒砂巖擊濺侵蝕過程的影響，為砒砂巖水力侵蝕深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)土樣取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗砒砂巖分布區(qū)，位于E 111°12′00″～111°14′40″，N 40°18′40″～40°23′00″。該區(qū)域?qū)儆诙鯛柖嗨骨鹆隃羡謪^(qū)，砒砂巖表層覆土為松散的黃土或風(fēng)積沙，覆土厚度比較薄，約為10～20 cm，且壓力小、顆粒間膠結(jié)力差，在自然降雨、風(fēng)力侵蝕作用下極易造成覆蓋層水土流失，從而形成典型的裸露砒砂巖地貌。同時(shí)，由于土地的不合理開發(fā)與利用，使得當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境遭到一定程度的破壞，進(jìn)一步加劇了水土流失。

2 材料與方法

2.1 試樣選取

裸露砒砂巖區(qū)地表層是由于風(fēng)化、降雨、風(fēng)蝕等作用沉積的松散砒砂巖顆粒。為保證試驗(yàn)所需土樣中不含有其他土體與雜質(zhì)，試驗(yàn)土樣取自距離地表30～50 cm處，將取回的土樣過2 mm篩，自然風(fēng)干以備試驗(yàn)使用。試驗(yàn)測(cè)得自然風(fēng)干土樣含水比例為2.2%～3.13%，干密度為1.83 g/cm3。使用德國(guó)SYMPATEC干法測(cè)量激光粒度儀HELOS/RODOS對(duì)試驗(yàn)土樣的粒徑組成進(jìn)行分析，見表1。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

試驗(yàn)在水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所水土保持研究室的人工模擬降雨大廳進(jìn)行。人工降雨裝置為錦州利誠(chéng)自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JLC-RY1人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨噴頭使用美國(guó)SPAYING SYS-TEMS公司生產(chǎn)的FULLJET旋轉(zhuǎn)下噴式噴嘴，不銹鋼材質(zhì)，可以有效保證降雨的均勻度及雨滴粒徑范圍。該降雨器配合幾十種不同規(guī)格的垂直全噴式雨滴模擬專用噴頭，每2個(gè)噴頭疊加成一個(gè)雨滴噴射組，可以實(shí)現(xiàn)雨強(qiáng)從小到大連續(xù)可調(diào)，雨滴形態(tài)、降雨均勻度與自然降雨相似。該降雨模擬系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度為7 mm/h，有效降雨高度為4 m，降雨空間均勻度大于80%，符合人工降雨模擬要求。

表1 試驗(yàn)用松散砒砂巖土樣的粒徑組成

注：d為顆粒直徑。Notes:dis the diameter of particles.

擊濺土樣的收集采用自制濺蝕試驗(yàn)裝置(圖1)，該裝置利用摩根濺蝕盤的試驗(yàn)原理，通過對(duì)比目前大多數(shù)土壤濺蝕研究[7,10,13]發(fā)現(xiàn)，濺蝕研究存在以下特點(diǎn)：一方面，濺蝕產(chǎn)生的土粒質(zhì)量比較小，收集過程中很小的質(zhì)量誤差都可能影響試驗(yàn)結(jié)果；另一方面，現(xiàn)有的濺蝕裝置均通過調(diào)整試驗(yàn)土槽的整體朝向來實(shí)現(xiàn)坡度變化，但調(diào)整土槽的整體朝向，會(huì)導(dǎo)致承雨面積即試驗(yàn)土槽的水平投影面積發(fā)生變化，影響濺蝕結(jié)果。

圖1 濺蝕試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device for splash erosion

自制的濺蝕試驗(yàn)裝置如圖1所示，整體采用透明有機(jī)玻璃制成。首先在避免二次濺蝕方面進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2(a)所示在濺蝕盤的正上方設(shè)計(jì)了擋板，擋板能有效地遮擋住濺蝕盤及承雨水槽的漏水口，很大程度上避免從濺蝕槽中濺出的土顆粒發(fā)生二次濺蝕。此外，為保證承雨面積不隨著坡度的改變而改變，直接把試驗(yàn)土槽上表面切割成試驗(yàn)所需要的角度，如圖2(b)所示。

本裝置還將濺蝕收集盤分為上坡方位收集區(qū)及下坡方位收集區(qū)2個(gè)部分，如圖2(b)所示。土槽部分亦采用透明有機(jī)材料制作，可以清楚地觀測(cè)降雨過程中砒砂巖土壤的入滲。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

將試驗(yàn)土樣裝入濺蝕槽中，試驗(yàn)降雨時(shí)間設(shè)為1 h。選擇5種降雨動(dòng)能(7.15、9.14、10.21、14.24和16.22 J/(m2·mm))、6個(gè)坡度(5°、10°、15°、20°、25°和30°)，分別測(cè)定不同坡度、不同降雨動(dòng)能下上、下坡方位濺蝕量。

在進(jìn)行降雨試驗(yàn)之前，使用濾紙色斑法測(cè)量雨滴直徑，測(cè)試采用直徑為150 mm的中速定性濾紙。為使濾紙上收集到的色斑能夠反映該降雨條件下雨滴的疏密程度，將每次收集色斑的時(shí)間控制在1 s，收集濾紙色斑的位置固定在濺蝕裝置入水口處。每種降雨條件下進(jìn)行3組重復(fù)，通過分析變異系數(shù)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度[14]。

2.4 數(shù)據(jù)處理及參數(shù)計(jì)算

降雨參數(shù)測(cè)量。由于雨滴降落高度對(duì)色斑的直徑有一定影響[15]，所以將測(cè)量高度控制在4 m，選用6種不同規(guī)格(5#、6#、8#、9#和12#)的針頭進(jìn)行雨滴色斑的測(cè)量。使用稱量法[15]測(cè)量液滴直徑，每種針頭測(cè)試15個(gè)色斑，將所有色斑使用CorelDRAW軟件進(jìn)行色斑直徑測(cè)量，取均值后記為該型號(hào)針頭的色斑直徑，如表2所示。

圖2 濺蝕裝置細(xì)節(jié)Fig.2 Design details of splash erosion test device

表2 雨滴直徑與色斑直徑對(duì)比

將5種型號(hào)針頭測(cè)試的最終結(jié)果進(jìn)行回歸，得到雨滴直徑與色斑直徑的回歸關(guān)系為

d=0.414D0.647 6。

(1)

式中：d為雨滴直徑，mm；D為色斑直徑，mm。

2)降雨動(dòng)能的計(jì)算。雨滴在降落過程中受到重力和空氣阻力，當(dāng)2力處于平衡時(shí)雨滴勻速降落，此時(shí)雨滴下降的速度為雨滴終速。雨滴降落終速與雨滴形狀及降雨高度有關(guān)。雨滴終速越大，其對(duì)地表土壤的沖擊力越大，對(duì)土壤的濺蝕能力越強(qiáng)。對(duì)雨滴直徑d<1.9 mm，用修正的沙玉清公式[17]進(jìn)行計(jì)算。

vi=0.496×10x。

(2)

式中x=[28.32+6.524lg(0.1d)-(lg 0.1d)2]0.5-3.665，其中d為雨滴直徑，mm。

當(dāng)d≥1.9 mm時(shí)，采用修正的牛頓公式[17]：

vi=(17.2-0.844d)×(0.1d)0.5。

(3)

式中vi為天然降雨雨滴降落速度，m/s。

雨滴終速計(jì)算公式采用吳光燕等[18]的公式：

(4)

式中：vd為人工降雨雨滴降落終速，m/s；H為降雨高度，m；g為重力加速度，m/s2。

在得到單個(gè)雨滴的終速后，假設(shè)雨滴為球形，計(jì)算單個(gè)雨滴的降雨動(dòng)能

(5)

式中：ei為任意第i個(gè)雨滴的降雨動(dòng)能，J；ρ為雨滴密度，g/cm3。

總動(dòng)能Et為測(cè)試濾紙上所有雨滴動(dòng)能的累加，即

(6)

單位面積降雨動(dòng)能[19-20]的計(jì)算為

(7)

3)濺蝕量的計(jì)算?？倿R蝕質(zhì)量為整個(gè)濺蝕面濺蝕量之和，即

St=Su+Sd。

(8)

式中：St為總濺蝕量，g；Su為上坡方位收集區(qū)域的濺蝕量，g；Sd為下坡方位收集區(qū)域的濺蝕量，g。

Sn=Sd-Su。

(9)

式中：Sn為顆粒向下坡遷移的凈遷移量，等于上、下坡方位濺蝕量之差，g；為敘述方便簡(jiǎn)稱為凈濺蝕量。

4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差控制。對(duì)3組重復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行精度分析，變異系數(shù)Cv<0.1，采用加減法(以相對(duì)誤差最大的數(shù)為準(zhǔn))對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效數(shù)字位數(shù)設(shè)置[21]。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡度對(duì)不同方位濺蝕量的影響

3.1.1 不同方位濺蝕量隨坡度變化的規(guī)律 在不同坡度和不同降雨條件下，上、下半坡的濺蝕量如圖3(a)和(b)所示。從圖3(a)可以看出，上坡方位濺蝕量隨著坡度的增大而減少，當(dāng)降雨動(dòng)能為7.15～10.21 J/(m2·mm)時(shí)，上坡方位的濺蝕量隨坡度變化較平緩，當(dāng)降雨動(dòng)能為14.24～16.22 J/(m2·mm)時(shí)，濺蝕量隨著坡度變化的幅度增大。圖3(b)為下坡方位濺蝕量隨坡度變化的情況。下坡方位濺蝕量隨坡度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且濺蝕量均在25°時(shí)為最大值，表明下坡方位濺蝕量臨界坡度在25°附近。當(dāng)降雨動(dòng)能為7.15～10.21 J/(m2·mm)時(shí)，下坡方位濺蝕量隨坡度變化的幅度較小，當(dāng)降雨動(dòng)能為14.24 J/(m2·mm)和16.22 J/(m2·mm)時(shí)，濺蝕量隨坡度變化的幅度增大，這表明濺蝕量隨坡度變化的幅度受降雨動(dòng)能的影響明顯。從圖3(a)和3(b)可以看出，隨降雨動(dòng)能的增大，上、下坡方位濺蝕量均增大。

圖3 上、下半坡濺蝕量隨坡度變化Fig.3 Changes of splash erosion in the uphill and downhill with the slope

v：顆粒遷移初速度 Initial velocity of a particle migration. γ：初速度和垂直方向的夾角 The angle between the initial velocity and the vertical direction. O：顆粒原始位置 Initial position of a particle. O1、O2、O3、O4：顆粒遷移后的位置 Positions of a particle after migration. l：坡度為0°時(shí)的顆粒的遷移距離 Migration distance of a particle at a slope of 0°. lu：向上坡遷移顆粒的遷移距離 Migration distance of a particle moving uphill. ld：向下坡方向遷移顆粒的遷移距離 Migration distance of a particle moving downhill. β：坡度 Slope。圖4 坡度對(duì)顆粒遷移距離的影響示意圖Fig.4 Diagram of influence of slope on particle migration distance

3.1.2 從幾何方面分析坡度對(duì)不同方位濺蝕量的影響 坡度變化對(duì)上、下坡方位濺蝕量的影響不同。從幾何方面進(jìn)行分析，坡度的存在會(huì)影響向不同方位運(yùn)動(dòng)顆粒的行進(jìn)距離。以單個(gè)雨滴沖擊表土進(jìn)行分析，當(dāng)坡度為0°時(shí)，下落雨滴沖擊中心及附近位置的顆粒，在沖擊力的作用下向四周飛濺，各顆粒最終遷移距離只受到自身特點(diǎn)和初速度的影響，顆粒以初速度從原始位置啟動(dòng)，在空中做拋物線運(yùn)動(dòng)，最終遷移至新的位置，如圖4(a)所示，如果所取的2個(gè)顆粒質(zhì)量、形狀完全相同，則二者在運(yùn)動(dòng)過程中受力完全相等，遷移距離均為l。當(dāng)坡度β≠0°時(shí)，如圖4(b)所示，原本圖4(a)中向左運(yùn)動(dòng)的顆粒在坡度影響下，其最終遷移距離變?yōu)閘u，即向上坡方位遷移顆粒的遷移距離變?yōu)閘u，而原本圖4(b)中向右側(cè)方向遷移顆粒的遷移距離在坡度的影響下變?yōu)閘d，由勾股定理和幾何關(guān)系易知：lul，也就是說，坡度的存在使得向上坡方位運(yùn)動(dòng)的顆粒遷移距離受到限制，同時(shí)又使得向下坡遷移的顆粒行進(jìn)距離增大，且隨著坡度在一定范圍內(nèi)增大，向上坡遷移顆粒的遷移距離將越來越小，而向下坡遷移顆粒的遷移距離將越來越大。這可以很好解釋在一定坡度范圍內(nèi)，上、下坡方位濺蝕量隨著坡度呈現(xiàn)相反變化的原因。

3.1.3 從力學(xué)方面分析坡度對(duì)不同方位濺蝕量的影響 砒砂巖屬于散體顆粒，降雨對(duì)砒砂巖的擊濺侵蝕，可以視為眾多小液滴持續(xù)擊打顆粒表面而造成顆粒遷移的累加結(jié)果。

單個(gè)雨滴沖擊顆粒介質(zhì)的力學(xué)模型[22]如圖5所示。在坡面平面上建立圖5所示的坐標(biāo)系，其中x軸的正向指向下坡方向，y軸垂直于x軸，其正方向指向右側(cè)。雨滴沿豎直方向跌落至坡度為β的坡面上，此時(shí)跌落雨滴具有沿重力方向的沖擊動(dòng)能W，將該動(dòng)能分解為2個(gè)方向的動(dòng)能：坡面法相的動(dòng)能Wcosβ，沿坡面正下坡方向的動(dòng)能Wsinβ，分別分析2個(gè)動(dòng)能對(duì)顆粒遷移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。

W：?jiǎn)蝹€(gè)雨滴的跌落動(dòng)能 Kinetic energy of a single raindrop. Wcos β：雨滴跌落動(dòng)能沿坡面法向分量 Raindrop kinetic energy along the normal component of the slope. Wsin β：雨滴跌落動(dòng)能沿下坡方向分量 Raindrop kinetic energy along the downhill direction component. vn：由Wcos β提供的顆粒遷移初速度 Initial velocity of a particle migration provided by Wcos β. vs：由Wsinβ提供的顆粒遷移初速度 Initial velocity of a particle migration provided by Wsin β. v：顆粒遷移初速度 Initial migration velocity of a particle. θ0：vn與x軸方向的夾角 Angle between vn and the x-axis direction. θ：初速度v與x軸的夾角 Angle between the initial velocity v and the x-axis.圖5 單個(gè)雨滴沖擊顆粒介質(zhì)的力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of a single raindrop impacting particle medium

選擇任意顆粒研究，首先只考慮沿坡面法相的動(dòng)能分量對(duì)顆粒遷移運(yùn)動(dòng)的影響，此時(shí)顆粒在沖擊動(dòng)能Wcosβ的作用下，向新位置運(yùn)動(dòng)，沿坡面方向不存在外力，則該顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全由顆粒自身特點(diǎn)及垂直于土壤表面的雨滴沖擊動(dòng)能Wcosβ決定，可以假設(shè)在該動(dòng)能的作用下，小顆粒獲得了向新位置遷移的初速度vn，記vn與x軸正向的夾角為θ0。此時(shí)，速度vn的大小決定了顆粒的行進(jìn)位移。同時(shí)Wsinβ為顆粒提供了沿坡面向下坡遷移的動(dòng)能，使得顆粒具有沿坡面向下坡方向運(yùn)動(dòng)的速度，記vs，則顆粒的遷移速度應(yīng)該是vn與vs的矢量和，記為v，v與x軸正向的夾角變?yōu)棣取?/p>

由三角函數(shù)關(guān)系可知，在雨滴降落終速不變的情況下，隨著坡度的增大，垂直于坡面方向的沖擊動(dòng)能Wcosβ不斷減小，而平行于坡面方向的動(dòng)能Wsinβ不斷增大，顆粒的遷移效果由2個(gè)方向動(dòng)能共同決定。從本試驗(yàn)過程考慮，上、下坡濺蝕量的多少取決于雨滴的擊打作用下，有多少顆?？梢詮臑R蝕槽遷移至收集盤上。在上坡方位，隨坡度的增大，雨滴提供的垂直于坡面方向的沖擊動(dòng)能減小，導(dǎo)致以坡面法向?yàn)橹行南蛩闹茱w濺的小顆粒遷移距離減?。坏请S著坡度增大，供顆粒向下坡方向遷移的動(dòng)能卻不斷增大，導(dǎo)致顆粒向下坡方向遷移的能力越來越強(qiáng)，所以隨坡度的增大，能遷移至上坡方位濺蝕收集盤上的顆粒在不斷減少。而在下坡方位，濺蝕量的變化同樣受這2個(gè)動(dòng)能共同影響，隨著坡度的增大，垂直于坡面方向沖擊動(dòng)能Wcosβ的不斷減小，同樣削弱了顆粒在沖擊作用下向新位置遷移的啟動(dòng)速度vn，從而造成遷移距離減小；但同時(shí)動(dòng)能Wsinβ隨坡度的增大不斷增大，這又促使向下坡方向運(yùn)動(dòng)的顆粒向更遠(yuǎn)的位置遷移。由此可見隨坡度的增大，以上2個(gè)動(dòng)能對(duì)向下運(yùn)動(dòng)顆粒的遷移位移產(chǎn)生相反的影響效果，這在一定程度上限制了顆粒遷移的最遠(yuǎn)距離，這也說明顆粒向下坡遷移的距離并不會(huì)一直隨著坡度的增大而增大，而是當(dāng)坡度增大到一定值時(shí)顆粒的遷移距離會(huì)減小。這最終導(dǎo)致了下坡方位濺蝕收集盤上的顆粒隨著坡度增大先增多而后減少，使得下坡方位濺蝕收集盤上的土樣質(zhì)量先增大后減小，這是下坡方位產(chǎn)生臨界坡度的重要原因之一。

3.1.4 結(jié)合幾何及力學(xué)理論的回歸分析 結(jié)合以上分析可以看出，坡度對(duì)濺蝕過程的影響包含2個(gè)方面因素，即幾何因素和力學(xué)因素。幾何因素對(duì)濺蝕顆粒的遷移距離產(chǎn)生影響，而力學(xué)因素對(duì)單個(gè)雨滴擊打作用下被濺起的顆粒數(shù)量和遷移距離都產(chǎn)生影響，而顆粒的遷移距離和遷移數(shù)量都將影響濺蝕盤上最終收集到的土樣質(zhì)量，以此可以推斷，不同方位濺蝕土樣的質(zhì)量與坡度關(guān)系密切。利用Matlab進(jìn)行回歸分析，得出降雨動(dòng)能與上、下坡方位濺蝕量均呈指數(shù)函數(shù)變化，具體的回歸結(jié)果見表3。

表3 降雨動(dòng)能與不同方位濺蝕量的回歸分析結(jié)果

注:a3、a4、b3和b4均為回歸系數(shù)。Notes：a3,a4,b3andb4are regression coefficients.

對(duì)回歸系數(shù)a3、a4、b3和b4進(jìn)一步分析可知，b3和b4的變化不大，基本集中在0.2至0.3之間，故考慮b3和b4與土壤自身特性有關(guān)。系數(shù)a3和a4隨著坡度變化較顯著，分別將a3和a4與坡度進(jìn)行回歸，回歸結(jié)果如式(10)和(11)：

a3=-0.248 8sinβ+0.182 7cosβ(R2=0.868 7)。

(10)

a4=1.773sinβ+0.106 3cosβ(R2=0.962 9)。

(11)

圖6 總濺蝕量、凈濺蝕量隨坡度變化Fig.6 Total splash erosion and net splash erosion changing with slope

由式(10)和(11)可見a3、a4與坡度關(guān)系密切，這也可以進(jìn)一步印證前面2個(gè)部分的分析。

除此之外，對(duì)于濺蝕臨界坡度的研究，有學(xué)者提出造成臨界坡度的原因與坡度改變導(dǎo)致的試驗(yàn)裝置承雨面積變化有關(guān)系。本研究在控制承雨面積不變的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：下坡方位臨界坡度依然存在，這說明臨界坡度的產(chǎn)生與承雨面積的變化之間關(guān)系不大。H. S. Seyed[13]等提出，坡度和降雨條件的變化將影響濺蝕物的粒徑分選，所以隨著坡度的增大，下坡方位濺蝕物的粒徑組成變化也影響著濺蝕量的大小，故臨界坡度的產(chǎn)生也與濺蝕過程中顆粒粒徑分選有關(guān)。

3.2 坡度對(duì)總、凈濺蝕量的影響

總濺蝕量St和凈濺蝕量Sn隨著坡度變化如圖6(a)和(b)所示。從圖6(a)可以看出，在降雨動(dòng)能分別為7.15、9.14、10.21和14.24 J/(m2·mm)時(shí)，總濺蝕量隨坡度變化比較平緩，而當(dāng)降雨動(dòng)能為16.22 J/(m2·mm)時(shí)，隨坡度的增大，總濺蝕量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在坡度為25°時(shí)達(dá)到最大值，這與下坡方位濺蝕量的變化規(guī)律相似。圖6(b)為凈濺蝕遷移量隨坡度變化的折線圖，將該圖與圖3(b)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，凈濺蝕遷移量隨坡度的變化規(guī)律與下坡方位濺蝕量隨坡度變化的規(guī)律很相似，即隨著坡度的變化凈濺蝕遷移量的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，除了降雨動(dòng)能為16.22 J/(m2·mm)時(shí)外，在其余降雨條件下，凈濺蝕遷移量均在坡度為25°時(shí)出現(xiàn)了最大值，且降雨動(dòng)能為16.22 J/(m2·mm)時(shí)，在坡度為25°和30°時(shí)凈濺蝕量相差不大，結(jié)合其他降雨條件下的凈濺蝕遷移量隨坡度變化的規(guī)律，可以認(rèn)為此時(shí)在25°至30°之間仍然存在一個(gè)凈濺蝕量臨界坡度。

總濺蝕量為上、下坡方位的濺蝕量之和，坡度的變化未引起總濺蝕量產(chǎn)生規(guī)律性變化，劉和平等[23]研究的黃土總濺蝕量與坡度之間的關(guān)系也存在相同的結(jié)論，這說明坡度的變化對(duì)土壤總濺蝕量的影響不明顯。凈濺蝕量揭示了坡度造成的向上、下坡方向遷移顆粒在數(shù)量和距離上的不對(duì)稱性，導(dǎo)致這一不對(duì)稱現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是坡度改變了運(yùn)動(dòng)的顆粒沿坡面遷移的動(dòng)能。從圖6(b)可以看出，凈濺蝕遷移量也存在臨界坡度，這進(jìn)一步說明了臨界坡度的產(chǎn)生與顆粒沿坡面遷移的能量變化密切相關(guān)。

4 結(jié)論

擊濺侵蝕為土壤降雨侵蝕的初始階段，為后續(xù)徑流侵蝕提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。雨滴擊打作用造成的顆粒遷移導(dǎo)致土壤表層孔隙堵塞，影響了土壤的入滲，而土壤滲透性影響著坡面產(chǎn)生徑流的時(shí)間、速度、徑流系數(shù)等，擊濺起來的顆粒增加徑流侵蝕的土壤輸移量；因此研究不同方位濺蝕量隨坡度、降雨動(dòng)能的變化規(guī)律，有助于更好地研究降雨侵蝕全過程的土壤運(yùn)移，可為后續(xù)砒砂巖水力侵蝕的研究提供依據(jù)，也有助于建立砒砂巖區(qū)更為精確的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。在砒砂巖擊濺侵蝕的研究中得出以下結(jié)論：

1)上、下坡方位的濺蝕量隨坡度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。上坡方位濺蝕量隨坡度增加呈線性減??；下坡方位濺蝕量隨著坡度增大先增大后減小，并在25°附近出現(xiàn)下坡濺蝕量臨界坡度。

2)坡度是影響顆粒最大遷移距離的主要因素。

3)雨滴沖擊動(dòng)能沿坡面法相、水平方向的分量隨坡度的變化是導(dǎo)致下坡濺蝕量臨界坡度產(chǎn)生的主要原因。

4)上、下坡方位濺蝕量隨降雨動(dòng)能均呈指數(shù)函數(shù)變化，且該函數(shù)的系數(shù)項(xiàng)是關(guān)于坡度的三角函數(shù)。

5)總濺蝕量隨坡度變化未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，凈濺蝕量隨坡度的變化與下坡方位濺蝕量隨坡度的變化規(guī)律相似，在25°附近存在凈濺蝕遷移量臨界坡度。