雨強(qiáng)和坡度對(duì)紅壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕動(dòng)力過(guò)程影響

田 培, 仇浩然, 馮 宇, 吳浩研, 伍鐵牛, 劉目興

(1.地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079; 2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079)

根據(jù)最近一次(2013年)全國(guó)水利普查公報(bào)數(shù)據(jù)，湖北省現(xiàn)有水土流失面積3.55萬(wàn)km2，約占全省國(guó)土面積的19.8%，是全國(guó)水土流失嚴(yán)重的省份之一[1]。水土流失導(dǎo)致湖北省耕地面積不斷減少，耕地破碎化嚴(yán)重，影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。降雨強(qiáng)度和坡度是影響坡耕地土壤侵蝕的兩個(gè)重要因素，故研究不同雨強(qiáng)和坡度條件下湖北省紅壤坡面侵蝕過(guò)程，可為其水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者[3-6]通過(guò)不同坡度和雨強(qiáng)組合下的人工模擬降雨試驗(yàn)，來(lái)研究坡面侵蝕過(guò)程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。坡面徑流流速會(huì)隨雨強(qiáng)和坡度的改變而變化，進(jìn)而影響徑流攜沙能力[7-9]。除流速之外，雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、達(dá)西—韋斯巴赫阻力系數(shù)、曼寧粗糙系數(shù)、剪切力、水流功率、單位水流功率等水動(dòng)力學(xué)特征也可以模擬坡面侵蝕過(guò)程[10-12]。土壤類(lèi)型是影響坡面侵蝕過(guò)程的重要因素，目前相關(guān)研究主要集中于西北黃土區(qū)、東北黑土區(qū)及南方紅壤區(qū)[13-14]。洪斌等[15]對(duì)云南紅壤坡面土壤侵蝕研究結(jié)果表明，坡面侵蝕模數(shù)與雨強(qiáng)、坡度和坡長(zhǎng)的相關(guān)關(guān)系顯著。常松濤等[16]對(duì)福建花崗巖紅壤坡面的研究表明，雨強(qiáng)與產(chǎn)流時(shí)間、徑流率、侵蝕率呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系。徐銘澤等[17]通過(guò)研究江西不同母質(zhì)紅壤的侵蝕狀況，發(fā)現(xiàn)在相同試驗(yàn)條件下產(chǎn)流速率：花崗巖紅壤>紅砂巖紅壤>第四紀(jì)紅壤，且不同母質(zhì)紅壤的侵蝕程度不同。胡堯等[18]對(duì)四川地區(qū)紅壤坡面的研究結(jié)果表明，相同坡度下，徑流強(qiáng)度隨雨強(qiáng)的增加而增大，平均入滲率隨雨強(qiáng)的增加先增大后減小。王蕙等[19]針對(duì)浙江地區(qū)的紅壤坡面開(kāi)展了模擬試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該地區(qū)紅壤坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度、次降雨產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)和坡度增加而增大。

綜上所述，南方紅壤區(qū)分布廣泛，對(duì)于云南、福建、江西、四川、浙江等地的紅壤侵蝕特征，已有諸多成果；但不同區(qū)域紅壤的成土條件具有明顯差異，其侵蝕特征亦不完全相同。例如，云南地區(qū)紅壤因紅土化作用程度較低，顆粒組成中的黏粒占比相對(duì)較小(約47%)，土壤孔隙也較大較多，且土壤發(fā)育于地勢(shì)較高的云貴高原，含水量相對(duì)較低[20]。福建東南部的地帶性土壤為第四紀(jì)赤紅壤，其礦物的富鋁化程度較深，物質(zhì)的淋溶作用較強(qiáng)，粒度組成以粉砂為主(65%～70%)[21]。湖北省紅壤主要分布于鄂東南海撥800 m以下低山、丘陵或垅崗，鄂西南(包括武漢)海撥500 m以下丘陵、丘陵臺(tái)地或盆地，但相關(guān)研究主要集中在鄂東南紅壤區(qū)[22]。湖北省武漢市蔡甸區(qū)位于江漢平原周邊的淺丘區(qū)，本研究以當(dāng)?shù)貜V泛分布的石英砂巖棕紅壤為研究對(duì)象，通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，探究不同雨強(qiáng)和坡度條件下，降雨產(chǎn)流和侵蝕產(chǎn)沙隨時(shí)間變化特征，坡面流速的時(shí)空變化特征以及坡面侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，以期深入揭示該區(qū)域紅壤坡面侵蝕機(jī)理，并為該區(qū)域土壤侵蝕防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院野外專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)基地—湖北省武漢市蔡甸區(qū)西湖流域水土保持科技示范園(30°32′22″N，113°57′52″E)內(nèi)進(jìn)行。示范園位于江漢平原周邊的淺丘區(qū)，土壤以棕紅壤為主，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同期，降水充沛，多年平均氣溫15～17℃，多年平均降水量1 269 mm且主要集中在5—10月[23]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

湖北省內(nèi)山地丘陵分布廣泛，坡耕地面積較大。本試驗(yàn)根據(jù)坡耕地坡度特征，結(jié)合試驗(yàn)條件將坡度設(shè)置為5°，10°，15°；根據(jù)試驗(yàn)地區(qū)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)3個(gè)雨強(qiáng)(40，66，80 mm/h)，共計(jì)9種試驗(yàn)組合，每場(chǎng)試驗(yàn)重復(fù)2次。采集試驗(yàn)所需土樣，用環(huán)刀法測(cè)定土樣的含水量和容重。土壤試驗(yàn)前過(guò)2 mm的篩，均勻混合。填土前，將土槽調(diào)至水平，在土槽底部均勻裝填0.1 m厚的天然沙，并在沙子表面鋪上透水紗布，保證土壤能夠有良好的透水性。試驗(yàn)用土分層填入，每層填土5 cm，邊填充邊壓實(shí)并適當(dāng)灑水，累積填土厚度0.15 m。試驗(yàn)前并控制每場(chǎng)試驗(yàn)的初始條件一致，控制土壤容重及含水量和采樣時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)相近。每次降雨試驗(yàn)之前，靜置兩個(gè)小時(shí)，使得添加的水分充分下滲，使土壤內(nèi)部水分達(dá)到飽和。隨后在變坡土槽上遮蓋塑料布，打開(kāi)降雨器，使降雨系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，使用10個(gè)量筒進(jìn)行雨強(qiáng)率定，以輔助驗(yàn)證模擬降雨系統(tǒng)的雨強(qiáng)精度，確保雨強(qiáng)達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并保證降雨的均勻度。在達(dá)到試驗(yàn)條件后，掀開(kāi)塑料布，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)從槽子下端出口產(chǎn)流后開(kāi)始計(jì)時(shí)，連續(xù)降雨1 h。

1.3 試驗(yàn)材料

1.3.1 試驗(yàn)用土 本試驗(yàn)用土為取自湖北省武漢市蔡甸區(qū)水土保持科技園內(nèi)及周邊的棕紅壤坡耕地，取樣時(shí)間為2019年7月。土壤樣品采集自坡耕地表層0—20 cm的土壤，黏性較強(qiáng)，顆粒較細(xì)，淋溶強(qiáng)，天然容重約1.20 g/cm3，平均質(zhì)量含水率約6.0%。

1.3.2 試驗(yàn)裝置 模擬降雨試驗(yàn)所用的可調(diào)坡鋼槽長(zhǎng)2.5 m，寬0.5 m，高0.3 m。土槽底部均勻鉆孔，使水分可以自由下滲。土槽尾部設(shè)置“V”收集口，用于收集模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)生的徑流泥沙樣品。模擬降雨裝置為南林電子公司出產(chǎn)的NLJY-10型人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨器可根據(jù)控制室內(nèi)的開(kāi)關(guān)調(diào)控小雨(40 mm/h)、中雨(66 mm/h)和大雨(80 mm/h)，噴頭距地面垂直高度7.0 m，降雨覆蓋面積為10 m×10 m，降雨均勻度在85%以上，通過(guò)壓力泵和噴頭組合控制雨量和降雨時(shí)長(zhǎng)，能夠達(dá)到本試驗(yàn)所需要的要求。試驗(yàn)裝置如圖1所示，模擬降雨試驗(yàn)于2019年7—8月在示范園內(nèi)進(jìn)行。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.4 試驗(yàn)步驟

正式降雨開(kāi)始后，記錄每次試驗(yàn)的產(chǎn)流時(shí)間，觀(guān)察侵蝕過(guò)程，坡面產(chǎn)流后使用1 L的塑料量筒收集徑流泥沙樣品，每3 min采一次樣品，每場(chǎng)試驗(yàn)共計(jì)20個(gè)樣品。依據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的產(chǎn)流量變化不斷調(diào)整接樣時(shí)間，控制在10～20 s。土槽分為3個(gè)坡段：上坡段(0.125～0.875 m)、中坡段(0.875～1.625 m)、下坡段(1.625～2.375 m)，當(dāng)水流穩(wěn)定后，在上、中、下3個(gè)坡段采用染色劑示蹤法(KMnO4)測(cè)定坡面徑流流速。在水流經(jīng)過(guò)標(biāo)志簽時(shí)加入染色劑，利用秒表記錄染色劑到達(dá)下一個(gè)相鄰標(biāo)志簽的準(zhǔn)確時(shí)間，來(lái)模擬坡面產(chǎn)流時(shí)水流順坡流動(dòng)的水文過(guò)程，得到水流的平均表層流速。當(dāng)細(xì)溝產(chǎn)生時(shí)，分別測(cè)量細(xì)溝內(nèi)流速和細(xì)溝間流速。降雨試驗(yàn)結(jié)束后，稱(chēng)量容器內(nèi)的樣品質(zhì)量，將樣品靜置24 h使其充分澄清后，倒掉上清液，將容器里的泥沙全部轉(zhuǎn)入鋁盒內(nèi)，采取烘干法測(cè)定泥沙干重。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

坡面徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法[10]如下：

(1) 細(xì)溝間流速計(jì)算：以4個(gè)標(biāo)志簽劃分的3個(gè)坡段為固定距離(0.75 m)，記錄KMnO4溶液流過(guò)相鄰兩個(gè)標(biāo)志簽的時(shí)間，兩者的比值為細(xì)溝間的流速。

(1)

式中：Vi為當(dāng)次細(xì)溝間的徑流流速(m/s)；t為當(dāng)次KMnO4溶液流過(guò)相鄰兩個(gè)標(biāo)志簽的時(shí)間(s)。

(2) 細(xì)溝內(nèi)流速計(jì)算：以當(dāng)次測(cè)量的細(xì)溝長(zhǎng)度為距離，記錄溶液流過(guò)細(xì)溝的時(shí)間，兩者的比值為細(xì)溝間的流速。

(2)

式中：Vr為當(dāng)次細(xì)溝內(nèi)的徑流流速(m/s)；s為當(dāng)次細(xì)溝的長(zhǎng)度(m)；t′為當(dāng)次KMnO4溶液流過(guò)細(xì)溝的時(shí)間(s)。

(3) 產(chǎn)流率計(jì)算：根據(jù)接樣產(chǎn)流量和接樣時(shí)間比值計(jì)算得來(lái)。

(4) 產(chǎn)沙率計(jì)算

(3)

式中：M為產(chǎn)沙率(g/min)；M′為當(dāng)次的產(chǎn)沙量(g)；t為接樣時(shí)間(min)；相鄰兩次的產(chǎn)沙率取平均值，得到20個(gè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，聯(lián)系坡度和雨強(qiáng)對(duì)降雨產(chǎn)流率和侵蝕產(chǎn)沙率的關(guān)系，利用相關(guān)分析法，分析產(chǎn)流率和侵蝕產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化過(guò)程特征以及坡面徑流流速隨時(shí)間和空間變化的特征。

(5) 坡面平均徑流深計(jì)算：根據(jù)以下公式測(cè)得每場(chǎng)試驗(yàn)20個(gè)徑流深數(shù)據(jù)，取平均值作為該場(chǎng)次試驗(yàn)的平均徑流深。

(4)

式中：h為坡面徑流深(m)；Q為t時(shí)間內(nèi)的徑流量(m3)；t為徑流取樣歷時(shí)(min)；V為坡面流平均流速(m/min)；b為過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?m)。

(6) 地表徑流沿坡面梯度方向?qū)е缕旅媲治g的力稱(chēng)為徑流剪切力。徑流剪切力是造成徑流分離、土壤遷移搬運(yùn)的主要?jiǎng)恿?，為土壤侵蝕提供物質(zhì)來(lái)源，造成土壤流失。根據(jù)以下公式測(cè)得每場(chǎng)試驗(yàn)20個(gè)徑流剪切力數(shù)據(jù)，取平均值作為該場(chǎng)次試驗(yàn)的平均徑流剪切力。

τ=γRsinβ

(5)

式中：τ為坡面單位面積上徑流剪切力(N/m2)；γ為水體容重，一般取9.8×103N/m3；R為徑流的水力半徑，可用徑流深h近似代替(m)；β為坡度(°)。

(7) 雷諾數(shù)：用以判斷流態(tài)，層流、紊流或過(guò)渡流。

(6)

v=0.01775/(1+0.0337t+0.0000221t2)

這樣的過(guò)程知易行難，所幸無(wú)論是我們的手指，還是現(xiàn)代制琴工藝，都允許我們彈奏出美妙的“極弱音”，剩下的只是我們對(duì)于拓展美妙音色的意愿，因?yàn)樽鳛殇撉傺葑嗉?，我們能夠，也理?yīng)如此。

(7)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；R為徑流的水力半徑，可用徑流深h近似代替(m)；υ為水流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。

(8) 弗勞德數(shù)：用以判斷流型，急流還是緩流。

(8)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；h為徑流深(m)；g為重力加速度(m/s2)。

(9) 達(dá)西—韋斯巴赫阻力系數(shù)

(9)

式中：g為重力加速度(m/s2)；h為坡面徑流深(m)；J為水流能坡，一般取J=sinβ(β為坡面坡度);V為徑流平均流速(m/s)。

(10) 曼寧粗糙系數(shù)

(10)

(11) 水流功率

V=τV

(11)

式中：W為水流功率(J/s)；τ為坡面單位面積上徑流剪切力(N/m2)；V為徑流平均流速(m/s)。

(12) 單位水流功率

P=Vj

(12)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；j為能量梯度，一般取j=cotβ(β同上)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程

不同雨強(qiáng)和坡度條件下，試驗(yàn)過(guò)程中坡面產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)變化的過(guò)程如圖2所示?？傮w上看，坡面產(chǎn)流的時(shí)間變化趨勢(shì)在不同雨強(qiáng)和坡度條件下基本一致，平均產(chǎn)流率均隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)而緩慢增長(zhǎng)，在8～15 min的區(qū)間內(nèi)會(huì)有小范圍的波動(dòng)，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)直至降雨結(jié)束(圖2)。在坡度5°和雨強(qiáng)40 mm/h的條件下，產(chǎn)流率非常穩(wěn)定；在坡度15°雨強(qiáng)80 mm/h的條件下，產(chǎn)流率在試驗(yàn)后期依然有增大趨勢(shì)。對(duì)比可知，在坡度較緩、雨強(qiáng)較小的條件下，平均產(chǎn)流率相對(duì)穩(wěn)定；而在坡度較陡、雨強(qiáng)較大的條件下，平均產(chǎn)流率波動(dòng)較大，不易穩(wěn)定。

圖2 不同雨強(qiáng)和坡度下紅壤坡面平均產(chǎn)流率隨時(shí)間變化過(guò)程線(xiàn)

在相同雨強(qiáng)條件下，隨坡度增加，坡面入滲量減小致使更多降雨轉(zhuǎn)化為坡面徑流，同時(shí)坡度增加致使坡面水流速度加快，單位時(shí)間內(nèi)坡面徑流量越大。在相同雨強(qiáng)條件下，平均產(chǎn)流率會(huì)隨著坡度的增大而增大。隨著降雨時(shí)間的增加，在產(chǎn)流初期(0～15 min)徑流過(guò)程表現(xiàn)為波動(dòng)增加過(guò)程，特別是大雨強(qiáng)下波動(dòng)較為明顯，15 min以后徑流量的波動(dòng)趨于穩(wěn)定，伴有較小的波動(dòng)，一直持續(xù)到降雨結(jié)束；這與Donjadee等[24]認(rèn)為的不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間不同，大雨強(qiáng)下通常需要更多的時(shí)間才能達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的結(jié)論相一致。

不同雨強(qiáng)和坡度條件下，試驗(yàn)過(guò)程中坡面產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)變化的過(guò)程如圖3所示。由圖3可知，降雨初期，紅壤坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙率急劇上升，在到達(dá)最高點(diǎn)之后會(huì)稍有下降，隨后保持平穩(wěn)狀態(tài)直到試驗(yàn)結(jié)束。在降雨開(kāi)始時(shí)，由于下滲作用，徑流量小，所以攜沙能力也較小。隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，土壤含水量趨于飽和，徑流量逐漸增大，其攜沙能力也相應(yīng)變強(qiáng)，所以產(chǎn)沙量也會(huì)隨之增加。當(dāng)徑流量逐漸趨于平穩(wěn)時(shí)，坡面也產(chǎn)生了相對(duì)穩(wěn)定的細(xì)溝，坡面土壤侵蝕逐漸變?yōu)榧?xì)溝侵蝕，所以產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定。

對(duì)于不同條件下，產(chǎn)沙量變化的臨界坡度，梁志權(quán)等[25]所給出的結(jié)論是在雨強(qiáng)為50 mm/h時(shí)，在20°附近存在一個(gè)侵蝕產(chǎn)沙量的臨界坡度，并且以此論證了不同的雨強(qiáng)大小會(huì)影響侵蝕的臨界坡度值。王麗園等[26]認(rèn)為產(chǎn)沙結(jié)果的差異性變化主要由于坡度變化會(huì)影響到垂直坡面分力與滯雨量的不同，從而改變坡面的侵蝕方式，影響產(chǎn)沙過(guò)程變化，雨強(qiáng)也對(duì)產(chǎn)沙量有一定的影響，小坡度條件下，坡面穩(wěn)定性較好，坡度對(duì)產(chǎn)沙量的影響程度不如雨強(qiáng)，這也與前文所提到的試驗(yàn)結(jié)果相佐證。鐘壬琳等[27]的研究表明紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙總量有隨降雨強(qiáng)度和坡度增加而增大的趨勢(shì)，在降雨強(qiáng)度和坡度較小時(shí)，產(chǎn)沙量變化幅度較大，這與本試驗(yàn)的結(jié)果相吻合。

圖3 不同雨強(qiáng)和坡度下紅壤坡面平均產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化過(guò)程線(xiàn)

2.2 坡面流速時(shí)空分異特征

由表1可指知，坡度和雨強(qiáng)都會(huì)對(duì)坡面降雨產(chǎn)流后的平均流速產(chǎn)生影響，且流速與坡度和雨強(qiáng)均呈正相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)前期的降雨到達(dá)土壤表層后大多下滲，幾乎不形成地表徑流。隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)，降雨產(chǎn)生的坡面徑流不斷沖刷土壤表面，并不斷增加土壤的含水量，流速逐漸增大。因此在同一場(chǎng)試驗(yàn)中，細(xì)溝內(nèi)匯集高處水流，增加了坡面產(chǎn)流的動(dòng)能和勢(shì)能，此外經(jīng)過(guò)徑流的反復(fù)打磨，細(xì)溝內(nèi)壁比較光滑，減小了細(xì)溝內(nèi)壁對(duì)于坡面產(chǎn)流的摩擦力，因此細(xì)溝內(nèi)產(chǎn)流流速>細(xì)溝間的產(chǎn)流流速。

表1 不同試驗(yàn)條件下的坡面平均流速

坡面平均流速隨著坡度和雨強(qiáng)的增大呈增大趨勢(shì)(圖4)。隨著坡度的增大，流速的平均增長(zhǎng)率為0.4%～17%，雨強(qiáng)越大增長(zhǎng)趨勢(shì)越穩(wěn)定；而隨著雨強(qiáng)的增大，坡面流速的平均增長(zhǎng)率為20%～50%，且增長(zhǎng)幅度較大。因此，相對(duì)于坡度，雨強(qiáng)對(duì)坡面的流速影響更大，這與楊大明等[28]對(duì)坡面薄層水流流速的研究結(jié)論一致。

圖4 坡面平均流速隨坡度和流量的變化過(guò)程

不同坡段平均流速呈現(xiàn)上坡段<中坡段<下坡段的特征。試驗(yàn)前期，降雨增大了土壤的含水量，薄層水流沿坡面向下匯集，水流受到的重力沿坡面向下方向的分力對(duì)匯流的運(yùn)動(dòng)起到了加速作用，使得流速沿坡面向下呈增加趨勢(shì)，故下坡段流速最大。上坡段由于降雨下滲較多，且?guī)缀鯖](méi)有形成細(xì)溝，因此流速相對(duì)較慢；中坡段隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng)逐漸產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕，其流速也伴隨著細(xì)溝的產(chǎn)生逐漸增快。

由圖5可知，上坡段的坡面流速相比于中坡段、下坡段的坡面流速比較穩(wěn)定，起伏相對(duì)較少，相鄰兩個(gè)流速相差不超過(guò)0.025 m/s。中坡段和下坡段土壤的侵蝕更為嚴(yán)重，除了雨強(qiáng)和坡度的影響外，細(xì)溝的發(fā)育也影響著坡面水流流速，細(xì)溝的產(chǎn)生短時(shí)間內(nèi)增加了該坡段平均流速。隨著細(xì)溝發(fā)育，坡面細(xì)溝內(nèi)和坡面表面的粗糙程度不斷變化，徑流的阻力不斷增大，導(dǎo)致部分能量被消耗，流速在部分時(shí)間段突然減小。隨著坡面發(fā)生溯源侵蝕，細(xì)溝內(nèi)部不斷下切，流速進(jìn)而增加。坡面平均流速的變化隨著細(xì)溝形態(tài)的變化而變化，因此中坡段和下坡段的流速隨時(shí)間波動(dòng)較大。隨著降雨時(shí)間的增加，細(xì)溝首先在下坡段開(kāi)始出現(xiàn)，徑流雨水不斷地向細(xì)溝匯集，細(xì)溝開(kāi)始發(fā)生下切侵蝕和溯源侵蝕，向中坡段以及上坡段發(fā)展。本試驗(yàn)所觀(guān)測(cè)到的試驗(yàn)現(xiàn)象與吳桐嘉等[29]的試驗(yàn)結(jié)果相符。徑流的匯入使得細(xì)溝內(nèi)流速明顯增快，細(xì)溝下切造成深度不斷增加，寬度不斷變大，坡面侵蝕不斷加劇。

隨后細(xì)溝的發(fā)育形態(tài)有3種情況：第一，細(xì)溝內(nèi)徑流不斷打磨細(xì)溝內(nèi)壁，流速在摩擦力減小的情況下持續(xù)增大；第二，細(xì)溝僅僅向橫斷面的下部發(fā)育，在細(xì)溝出口處產(chǎn)生斷崖式高差，這樣由于受到細(xì)溝出口的坡面阻力，細(xì)溝內(nèi)流速不增反降；第三，細(xì)溝僅僅向下坡段水平擴(kuò)展，下切侵蝕不明顯，沿坡面向下，細(xì)溝逐漸消失，細(xì)溝內(nèi)流速轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)溝間流速，流速降低。

圖5 坡面不同坡段流速隨時(shí)間變化過(guò)程線(xiàn)

2.3 坡面徑流水力學(xué)特性

試驗(yàn)條件下的坡面徑流水力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。結(jié)果表明，Re在不同坡度條件下差異明顯。相同雨強(qiáng)條件下，Re隨坡度的增加而增大。相同坡度條件下，Re又隨著雨強(qiáng)的增加而增大。試驗(yàn)條件下的Re均小于500，參考明渠水流劃分標(biāo)準(zhǔn)可認(rèn)為降雨所產(chǎn)生的徑流都屬于層流。Fr均大于1，說(shuō)明試驗(yàn)條件下的坡面徑流屬于急流狀態(tài)。相同雨強(qiáng)條件下，F(xiàn)r隨坡度的增加而增大。這是因?yàn)槠露鹊脑龃?，?dǎo)致坡面徑流流速增加，同時(shí)徑流深減小，F(xiàn)r增大。相同坡度條件下，F(xiàn)r隨雨強(qiáng)的增加而增大。f和n是可以用來(lái)反映試驗(yàn)過(guò)程中坡面徑流阻力特征的水力參數(shù)。相同雨強(qiáng)條件下，f隨坡度的增大而減小。坡度增大，徑流的動(dòng)能增加，徑流流速加快，因此可以論證f減小的原因。n可以反映土壤表面形態(tài)，在相同坡度條件下，隨雨強(qiáng)的增大n也隨之增大。雨強(qiáng)增加，徑流量增大，雨滴濺蝕愈發(fā)嚴(yán)重，坡面形成的細(xì)溝發(fā)生溯源侵蝕和下切侵蝕明顯，導(dǎo)致坡面土壤表面形態(tài)更加復(fù)雜，因此n增大。

2.4 坡面侵蝕的水動(dòng)力機(jī)制

將每場(chǎng)降雨試驗(yàn)得到的20個(gè)侵蝕產(chǎn)沙率和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別取平均值，得到該場(chǎng)試驗(yàn)的平均侵蝕產(chǎn)沙率和平均水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，把所有場(chǎng)次試驗(yàn)的平均侵蝕產(chǎn)沙率和平均水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖6。

圖6 侵蝕產(chǎn)沙率與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合關(guān)系

相同雨強(qiáng)條件下，τ隨坡度的增加而增大，且τ和侵蝕產(chǎn)沙率之間呈顯著線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系(圖6)。坡度的增加使得坡面徑流流速不斷增大，徑流量也隨著雨強(qiáng)的增加而增大，進(jìn)而導(dǎo)致τ的增大。τ增大，使得導(dǎo)致土壤顆粒分散的有效τ增大，剝離的土壤越多，造成的侵蝕就越嚴(yán)重，這與白永會(huì)等[30]的結(jié)果相一致。整體而言，侵蝕產(chǎn)沙率和V，τ，W，P，Re，F(xiàn)r均呈正相關(guān)關(guān)系，侵蝕產(chǎn)沙率隨流速的增大而增大，V增大的同時(shí)，τ隨之增大，侵蝕現(xiàn)象也會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。侵蝕產(chǎn)沙率和f，n呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。侵蝕產(chǎn)沙率的增加需要克服土壤抗侵蝕能力帶來(lái)的阻力，f越大，證明坡面徑流所消耗的能量就越大，所造成的泥沙搬運(yùn)量就越少。根據(jù)擬合效果R2來(lái)看：Fr>V>f>Re>W>τ>p>n，可以認(rèn)為，本試驗(yàn)條件下Fr可以更好地預(yù)測(cè)侵蝕產(chǎn)沙率的大小。

表2 不同雨強(qiáng)和坡度條件下的坡面徑流水力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 坡度較緩，雨量較小的條件下，產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)相對(duì)穩(wěn)定；而在坡度較陡，雨量較大的條件下，產(chǎn)流率波動(dòng)相對(duì)較大。在相同雨強(qiáng)條件下，坡面的產(chǎn)流率會(huì)隨著坡度的增大而增大。坡度、雨強(qiáng)和產(chǎn)沙率之間均呈正相關(guān)關(guān)系。

(2) 相比于坡度來(lái)說(shuō)，雨強(qiáng)對(duì)坡面平均流速影響更大。相同雨強(qiáng)下，坡度從5°增大到15°，流速的平均增加率是74%；相同坡度下，雨強(qiáng)從40 mm/h增大到80 mm/h，流速的平均增長(zhǎng)率是61%。坡面平均流速的空間特征表現(xiàn)為：上坡段<中坡段<下坡段。同一坡段內(nèi)，細(xì)溝流速大于細(xì)溝間流速，試驗(yàn)條件下細(xì)溝流速是細(xì)溝間流速的1.33～2.10倍。

(3) 試驗(yàn)條件下的坡面徑流都屬于層流，且為急流。相同雨強(qiáng)下，徑流剪切力隨坡度的增加而增大，達(dá)西—韋斯巴赫阻力系數(shù)隨坡度增加不斷減小。相同坡度下，雨強(qiáng)增加，徑流量增大，導(dǎo)致坡面侵蝕嚴(yán)重且土壤表面形態(tài)更加復(fù)雜，曼寧粗糙系數(shù)不斷增大。徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)和產(chǎn)沙率擬合方程表明，弗勞德數(shù)、流速可以較好地預(yù)測(cè)坡面產(chǎn)沙率。