礫石覆蓋條件下高寒區(qū)細(xì)溝侵蝕特征研究

丁宇浩　黃莎琳　王君惠　鄧翔尹　萬丹

摘 要：為了探究礫石覆蓋條件下高寒土坡面細(xì)溝侵蝕特征，通過室內(nèi)水槽模擬沖刷試驗(yàn)，研究不同坡度和流速條件下細(xì)溝侵蝕的特征。采用長(zhǎng)為8 m的土槽，在4個(gè)流量和6個(gè)礫石覆蓋度條件下進(jìn)行沖刷試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：礫石覆蓋下細(xì)溝侵蝕的輸沙率與礫石覆蓋度呈先增后減的拋物線趨勢(shì);產(chǎn)流時(shí)間隨著坡度的增加而減少;在相同流速與礫石覆蓋度條件下，坡度越大，產(chǎn)流時(shí)間和產(chǎn)沙率越大，相應(yīng)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量也越大。

關(guān)鍵詞：礫石覆蓋;產(chǎn)流;產(chǎn)沙率

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0130-04

Study on Rill Erosion Characteristics in Alpine Region under Gravel Cover

DING Yuhao HUANG Shalin WANG Junhui DENG Xiangyin WAN Dan

（1.College of Resources and Environment， Tibet University of Agriculture and Animal Husbandry，Linzhi Tibet 860000;2.Tibet College of Agriculture and Animal Husbandry Research Center for Alpine Soil and Water Conservation，Linzhi Tibet 860000）

Abstract： In order to explore the rill erosion characteristics of gravel cover on alpine soil slopes， the characteristics of rill erosion under different slopes and velocities were studied through indoor flume simulation erosion tests. An 8 m long soil trough was used to carry out a scour test study under the conditions of 4 flows and 6 gravel coverage. The results showed that： the sand transport rate and gravel coverage of rill erosion under gravel coverage showed a parabolic trend of increasing first and then decreasing; the runoff time decreases as the slope increases; under the same flow velocity and gravel coverage conditions， the greater the slope， the greater the runoff time and sediment yield. The corresponding land flow and sediment yield are also greater.

Keywords： gravel cover;runoff;sand yield rate

礫石是基巖風(fēng)化作用的產(chǎn)物，是土壤中粒徑大于2 mm的礦物顆粒，在土壤中分布廣泛[1]。我國(guó)北方土石山區(qū)褐土和西南地區(qū)紫色土中都有大量礫石存在[2-3]。青藏高原由于地質(zhì)年輕化，結(jié)構(gòu)破碎，基巖風(fēng)化時(shí)間短，土層較薄，地表和土壤中存在大量大小不一的礫石。細(xì)溝侵蝕是土壤侵蝕中一種重要的形式，對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙有重要作用。土壤中礫石的存在影響土壤侵蝕過程，因此認(rèn)識(shí)礫石覆蓋作用下的細(xì)溝侵蝕過程對(duì)西藏高寒區(qū)含礫石土壤細(xì)溝侵蝕的控制具有重要意義。JOMAA等[4]的研究表明，嵌入礫石可在一定程度上保護(hù)上壤方面免受雨滴擊打，阻礙坡面徑流的形成，降低坡面產(chǎn)沙能力。JOMAA等[5]的研究表明，礫石覆蓋能有效降低高強(qiáng)度降雨對(duì)土壤的濺蝕。符素華等[6]的研究表明，土壤侵蝕量隨礫石覆蓋度增加呈負(fù)指數(shù)遞減。

含礫石土壤大多分布在土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，認(rèn)識(shí)和研究含礫石土壤侵蝕過程，尤其是礫石覆蓋條件下，細(xì)溝侵蝕對(duì)這類地區(qū)水土保持技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文主要研究不同徑流量、坡度條件下礫石覆蓋對(duì)西藏高寒地區(qū)細(xì)溝侵蝕過程的作用，探究各因子之間的關(guān)系，以期為西藏高寒地區(qū)水土保持技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤材料

試驗(yàn)土壤是2019年9月采自西藏自治區(qū)林芝市色季拉山海拔4 400 m的高寒土（94°37′33″E，29°38′1″N）。采用Bettersize 2000激光粒度分布儀對(duì)試驗(yàn)土壤的機(jī)械組成進(jìn)行檢測(cè)，按照美國(guó)制劃分標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)土壤屬于粉壤土，供試土壤機(jī)械組成見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)已研究細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界坡度和野外實(shí)地調(diào)查[7-8]，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5°、10°、15°和20°這4個(gè)坡度。依據(jù)位于色季拉山上的西藏高山生態(tài)系統(tǒng)定位站多年觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和已有研究[9-10]的降雨量，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)單寬流量，分別為1 L/min、2 L/min和4 L/min。根據(jù)前期試驗(yàn)小組野外實(shí)地調(diào)查，本試驗(yàn)設(shè)置為0、50%、60%、70%、80%和90%這6個(gè)礫石覆蓋度。

試驗(yàn)土樣經(jīng)自然風(fēng)干后過10 mm篩，除去草根與大塊礫石。參考前人[11]對(duì)野外自然條件下色季拉山土壤物理性質(zhì)的研究和實(shí)測(cè)結(jié)果，本試驗(yàn)的土槽填土容重控制在0.75～0.85 g/cm。裝土?xí)r采用分層填裝法，填土厚度為10 cm。裝填完成后，在土壤表面嵌入礫石，嵌入深度為2 cm。為了模擬野外的真實(shí)情況，本試驗(yàn)在水溫為0 ℃狀態(tài)下進(jìn)行，坡面產(chǎn)流后在出水口收集泥沙和徑流樣品，含沙量采用烘干法確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 礫石覆蓋下的細(xì)溝侵蝕產(chǎn)流過程

表2是不同礫石覆蓋情況下坡面細(xì)溝侵蝕的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。由表2可知，高寒土在3個(gè)流速、4個(gè)坡度以及6種礫石覆蓋度下均發(fā)生了細(xì)溝侵蝕。試驗(yàn)條件下，坡度對(duì)坡面產(chǎn)流具有一定的影響。產(chǎn)流時(shí)間大致隨著坡度的增加而縮短，原因是在坡長(zhǎng)相同的情況下，由于坡度增加，水流受到的重力作用增大，因此可在較短的時(shí)間流出。當(dāng)流速為1 L/min時(shí)，產(chǎn)流所需時(shí)間明顯大于流速為2 L/min和4 L/min的產(chǎn)流時(shí)間;當(dāng)流速為2 L/min時(shí)，產(chǎn)流所需時(shí)間最大差值為75 s;當(dāng)流速為4 L/min時(shí)，產(chǎn)流所需時(shí)間最大差值為20 s。分析原因：當(dāng)流速為1 L/min時(shí)，流速小于土壤入滲速度;當(dāng)土壤水分達(dá)到飽和含水量時(shí)，產(chǎn)生徑流;當(dāng)降雨強(qiáng)度為2 L/min和4 L/min時(shí)，流速大于土壤的入滲強(qiáng)度，產(chǎn)生徑流，使得小流速?gòu)?qiáng)度時(shí)徑流產(chǎn)生的時(shí)間較長(zhǎng)。由表2可知，相同坡度和流速條件下，礫石覆蓋度為0時(shí)產(chǎn)流時(shí)間和細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間最短。隨著礫石覆蓋度的增加，產(chǎn)流時(shí)間和細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間整體上呈先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。主要是礫石覆蓋可增加土壤粗糙程度，減少土壤表層結(jié)皮，使得水分可以繼續(xù)下滲，進(jìn)而延遲地表填洼時(shí)間。此外，礫石覆蓋增加了土壤的孔隙度，導(dǎo)致土壤入滲率加快。上述兩個(gè)原因都導(dǎo)致了坡面產(chǎn)流時(shí)間的延遲。當(dāng)?shù)[石覆蓋度增加到一定程度時(shí)，礫石對(duì)土壤附加的作用力達(dá)到最大，產(chǎn)流時(shí)間和細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間便達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

由表2可得出：當(dāng)?shù)[石覆蓋度為70%時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)，且隨著礫石覆蓋度的增加坡面產(chǎn)流時(shí)間也隨之增加，但增加的趨勢(shì)不明顯。一方面，礫石覆蓋可增加土壤粗糙程度，減少土壤表層結(jié)皮，水分可以繼續(xù)下滲，進(jìn)而延遲地表填洼時(shí)間;另一方面，礫石覆蓋增加了土壤的孔隙度，土壤入滲率加快。這兩個(gè)方面導(dǎo)致了坡面產(chǎn)流時(shí)間的延遲。

2.2 礫石覆蓋下對(duì)細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙率的影響

礫石覆蓋對(duì)西藏高寒區(qū)土壤坡面細(xì)溝侵蝕過程的作用受流速大小和坡度影響。圖1、圖2、圖3、圖4分別為坡度為5°、10°、15°、20°條件下產(chǎn)沙率變化情況。由圖1、圖2、圖3、圖4可知，產(chǎn)沙率隨礫石覆蓋度增大呈先增后降的拋物線趨勢(shì)。

由圖1可知：當(dāng)坡度為5°、流速為4 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為14.5 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為6.3 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)流速為2 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為80%，流速為9.72 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為4.23 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)流速為1 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為5.12 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為90%，流速為3.23 kg/（m·h）的區(qū)域。

由圖2可知：當(dāng)坡度為10°、流速為4 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為15.1 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為8.23 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)坡度為10°、流速為2 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為70%，流速為8.56 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為4.96 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)坡度為10°、流速為1 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為70%，流速為6.32 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為90%，流速為3.83 kg/（m·h）的區(qū)域。

由圖3可知：在坡度為15°的條件下，產(chǎn)沙率隨礫石覆蓋度增大呈先增后降的拋物線趨勢(shì);坡度為15°、流速為4 L/min時(shí)，最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為16.8 kg/（m·h）的區(qū)域，最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為9.53 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)流速為2 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為70%，流速為9.66 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為5.16 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)流速為1 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為7.32 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為90%，流速為4.83 kg/（m·h）的區(qū)域。

由圖4可知：當(dāng)坡度為20°、流速為4 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為17.86 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為11.33 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)坡度為20°、流速為2 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為70%，流速為12.66 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0，流速為6.26 kg/（m·h）的區(qū)域;當(dāng)坡度為20°、流速為1 L/min時(shí)，平均最大產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為60%，流速為7.32 kg/（m·h）的區(qū)域，平均最小產(chǎn)沙率出現(xiàn)在礫石覆蓋度為90%，流速為5.73 kg/（m·h）的區(qū)域。

綜合分析可知，當(dāng)坡度為5°、流速為4 L/min和1 L/min，坡度為10°、流速為4 L/min，坡度為15°、流速為4 L/min和1 L/min，坡度為20°、流速為4 L/min和1 L/min時(shí)，在礫石覆蓋度為60%時(shí)平均輸沙量達(dá)到最大值。在4個(gè)坡度條件下，流速為2 L/min時(shí)，只有當(dāng)坡度為5°條件下平均最大輸沙量在礫石覆蓋度為80%，其余3個(gè)坡度最大輸沙率均在70%礫石覆蓋度。坡度為10°、流速1 L/min條件下，最大輸沙率也在70%礫石覆蓋度，而其他條件下的平均最小輸沙率均出現(xiàn)在礫石覆蓋度為0和礫石覆蓋度為90%的區(qū)域。

分析原因可知：坡度較小時(shí)，坡面承受沖刷量較大，礫石覆蓋護(hù)坡保土效應(yīng)削弱，產(chǎn)沙率隨礫石覆蓋增大變化不顯著;坡度較大情況下，隨礫石覆蓋度增大，水流趨于平緩，且礫石之間的間隙可截流沖刷濺起泥沙顆粒，減少?gòu)搅鲾y帶泥沙來源，故產(chǎn)沙率會(huì)減小，輸沙率會(huì)隨礫石覆蓋度增大而先增后減。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)水槽模擬沖刷試驗(yàn)，研究不同坡度和流速條件下細(xì)溝侵蝕的特征，得出以下結(jié)論。

①西藏高寒土細(xì)溝侵蝕的輸沙率隨礫石覆蓋度的增加呈先增后減的拋物線趨勢(shì)，變化趨勢(shì)受流速和坡度的影響。在陡坡和高流速條件下，礫石覆蓋下細(xì)溝侵蝕平均輸沙率受礫石覆蓋影響更顯著。

②試驗(yàn)條件下，當(dāng)流速和礫石覆蓋度一定時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間隨著坡度的增加而減少，即產(chǎn)流時(shí)間與坡度呈線性負(fù)相關(guān)。

③在相同流速與礫石覆蓋度條件下，坡度越大，產(chǎn)流時(shí)間越短、產(chǎn)沙率越大，相應(yīng)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量也越大，其產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為先增大而后穩(wěn)定的特征。

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