兩種工程堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)與產(chǎn)沙關(guān)系對比研究*

張 恒，高照良，?，牛耀彬，李永紅，，趙 晶 ，陳 卓，蘇 媛

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3. 生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012）

生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中開挖和堆墊形成了大量下墊面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗蝕性差[1]的工程堆積體，其主要由平臺和坡面構(gòu)成[2]，降雨過程中除雨滴濺蝕及降雨匯流對坡面產(chǎn)生侵蝕外，平臺對徑流的匯集作用，極易在堆積體坡面形成大量形狀不一的細(xì)溝[3]，為進(jìn)一步的水土流失提供通道，引發(fā)侵蝕強(qiáng)烈的溝蝕[4]。溝蝕主要受徑流的水動(dòng)力學(xué)特性和土壤質(zhì)地的影響，其侵蝕產(chǎn)沙特征又主要取決于水流的水動(dòng)力學(xué)特性[5]，且細(xì)溝形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙、水動(dòng)力學(xué)特性間相互影響[6]。一方面，徑流沖刷不斷塑造細(xì)溝形態(tài)，另一方面，細(xì)溝的形成使得徑流不斷匯集進(jìn)一步提高了徑流的挾沙能力，進(jìn)而又促進(jìn)細(xì)溝的發(fā)育[7]，三者之間作用機(jī)理復(fù)雜，因而近年來，探究細(xì)溝形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙、水動(dòng)力學(xué)特性間的關(guān)系已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[8-10]。此外，土壤是影響坡面溝蝕的主要內(nèi)因[11]，其類型不同，抗沖抗蝕性不同，關(guān)于不同土壤類型細(xì)溝形態(tài)發(fā)育與侵蝕產(chǎn)沙的研究很多，主要聚焦于三個(gè)方面：（1）分析細(xì)溝的測量指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)[12-15]；（2）探究坡面溝蝕過程中水沙的發(fā)育狀況[16-17]；（3）研究某一特定土壤的細(xì)溝形態(tài)演變與侵蝕產(chǎn)沙之間的關(guān)系[18-21]綜上，前人在細(xì)溝侵蝕領(lǐng)域的研究中已經(jīng)取得了豐碩成果，但細(xì)溝侵蝕機(jī)理復(fù)雜且研究大多集中在對坡面細(xì)溝最終形態(tài)的分析上，較少研究細(xì)溝形態(tài)的動(dòng)態(tài)演變過程以及形態(tài)參數(shù)與坡面侵蝕產(chǎn)沙間的內(nèi)在聯(lián)系，并且試驗(yàn)材料大多單一，往往僅針對某一種土壤進(jìn)行分析，缺乏橫向?qū)Ρ萚7]，對不同土壤類型在坡面細(xì)溝侵蝕的影響上分析不足，限制了研究結(jié)果的適用性。

鑒于此，本文采用野外放水沖刷試驗(yàn)的方法，以紅土和塿土堆置形成的工程堆積體為研究目標(biāo)，對比分析兩種土壤類型的工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕過程，探究兩者在坡面細(xì)溝形態(tài)演變規(guī)律的異同點(diǎn)，揭示水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)、細(xì)溝形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙間的聯(lián)系與差異，以期為不同土壤類型的工程堆積體的水土流失治理提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

供試紅土取自南方紅壤區(qū)的江西省新建縣，常態(tài)地貌類型以沖積平原、濱湖為主，地勢西部高，東北低，平均海拔50 m，西為西山山脈，東南北三面環(huán)水，西南丘陵、平原相間，東北為濱湖平原圩區(qū)，土壤以紅壤土為主。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、氣候溫和、日照充足、雨量充沛，年均降水量1 518 mm，年均蒸發(fā)量1 268 mm，年均氣溫17.5 ℃，主要植被類型有油桐、蔓荊等。

供試塿土取自陜西楊凌，地處關(guān)中平原腹地，位于鄂爾多斯地臺南端的渭河地塹，屬渭河谷地新生代斷陷沉降帶，區(qū)內(nèi)地勢南低北高，海拔介于435～563 m，境內(nèi)塬、坡、灘地交錯(cuò)，土壤肥沃，適宜多種農(nóng)作物生長，地帶性土壤為塿土。該區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)，年均降水量610 mm，年均蒸發(fā)量1 505 mm，年均氣溫12.9 ℃，主要植被類型為杜仲、元寶楓等。

1.2 供試材料

供試紅土屬于中國土壤分類系統(tǒng)高級分類表（1998）中的鐵鋁土綱，濕熱鐵鋁土亞綱中的紅壤土類，其采自江西省新建縣境內(nèi)“楓生高速”建設(shè)形成的工程堆積體（29°24′14″ N、116°25′21″ E），容重為1.29 g·cm-3，質(zhì)量含水率為210.3 g·kg-1。塿土屬于人為土綱，旱耕人為土亞綱中的土墊旱耕人為土類[22]，其取自“西寶高速”楊凌段修建過程中形成的工程堆積體（34°20′25″ N、108°07′21″ E），容重為1.25 g·cm-3，質(zhì)量含水率為212.5 g·kg-1。兩種試驗(yàn)用土均過10 mm 篩，去除大的礫石以及雜物回填于徑流小區(qū)供放水沖刷試驗(yàn)使用。其土壤顆粒機(jī)械組成見表1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測

試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所楊凌水土保持野外科學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)雨強(qiáng)的設(shè)計(jì)依據(jù)是基于對采樣地多年降雨氣象資料的調(diào)查，統(tǒng)計(jì)暴雨發(fā)生時(shí)出現(xiàn)頻率較高的30 min 雨強(qiáng)，取整后最終設(shè)計(jì)為1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min-1，放水流量依據(jù)暴雨產(chǎn)流在試驗(yàn)小區(qū)上產(chǎn)生的單寬流量得到，設(shè)定為4 個(gè)梯度放水流量（8、12、16、20 L·min-1），試驗(yàn)坡度基于現(xiàn)有對工程堆積體的研究成果及野外對工程堆積體的調(diào)查結(jié)果[23-24]，設(shè)定試驗(yàn)坡度為32°，本試驗(yàn)進(jìn)行一次重復(fù)，共16場，沖刷歷時(shí)45 min。

試驗(yàn)小區(qū)長8 m，寬1 m，四周采用鋁塑板控制邊界條件，小區(qū)內(nèi)覆土厚0.5 m，鋁塑板高出坡面0.1 m。為控制試驗(yàn)小區(qū)本底相近，試驗(yàn)前對8 個(gè)小區(qū)同時(shí)進(jìn)行覆土回填和坡面整理。為保證每個(gè)小區(qū)試驗(yàn)前土壤含水量基本一致，試驗(yàn)開始前24 h 在坡面均勻撒水使土壤飽和，并用塑料布覆蓋，試驗(yàn)前對放水流量進(jìn)行3 次率定，使得誤差不超過5%。在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，從上至下設(shè)置8 個(gè)間隔為1 m 的細(xì)溝觀測斷面，用以測定溝寬、溝深；然后從8 個(gè)斷面中選取斷面2、4、6（距坡頂2、4、6 m）設(shè)置為流速、流寬、水深測量斷面；在各觀測斷面0～20 cm深度處取土測得初始容重介于1.23～1.46 g·cm-3，均值為 1.33 g·cm-3，質(zhì)量含水率介于 184.5 ～227.3 g·kg-1，均值為208.2 g·kg-1。

試驗(yàn)采用恒壓桶供水確保溢流槽的穩(wěn)定出流，前3 min 內(nèi)每隔1 min 測量一次穩(wěn)定斷面流速、水深以及溝寬、溝深并接取泥樣1000 mL，此后每3 min測定一次，各試驗(yàn)參數(shù)的獲取主要來源于對各斷面處主溝的量測。坡面水流流速采用電解質(zhì)薄層水流測定儀（JZ-NB1710）結(jié)合示蹤法[25]進(jìn)行測量，兩種方法取平均值作為流速實(shí)測值，然后根據(jù)流態(tài)乘以相應(yīng)校正系數(shù)作為斷面平均流速[16]；水深測定采用重慶水文儀器制造廠生產(chǎn)的SX40-1 型水位測針；溝寬、溝深的獲取采用精度為1 mm 的鋼尺測量；試驗(yàn)前后溢流槽中水溫的均值作為試驗(yàn)水溫。試驗(yàn)放水沖刷裝置見圖l。

1.4 數(shù)據(jù)處理

（1）土壤剝蝕率Dr：坡面在水流沖刷下單位時(shí)間、單位面積上的產(chǎn)沙量[26]，公式為：

式中，Dr為土壤剝蝕率，kg·m-2·s-1；M為T時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)沙量，kg；b為過水?dāng)嗝鎸挾?，m；L為試驗(yàn)小區(qū)坡長，m。

（2）徑流剪切力τ：引起土壤顆粒分離并輸移泥沙的徑流沖刷力[27]，公式為：

式中，τ為徑流剪切力，Pa；ρ為渾水密度，kg·m-3；g為重力加速度，9.8 m·s-2；R為水力半徑，m，由于坡面水流為薄層徑流，可用平均水深代替；J為水力坡度，m·m-1，可用坡度的正弦值近似代替。

（3）水流功率ω：作用于單位面積的水流所消耗的功率[28]，公式為：

式中，ω為徑流功率，N·m-1·s-1；υ為坡面平均水流流速，m·s-1

數(shù)據(jù)處理及圖形繪制采用Excel2010、SPSS19.0、Origin2018。

2 結(jié) 果

2.1 細(xì)溝形態(tài)發(fā)育過程

2.1.1 溝寬的發(fā)育過程 不同流量條件下兩種堆積體坡面細(xì)溝溝寬隨沖刷歷時(shí)的變化過程見圖2，圖中兩種堆積體坡面細(xì)溝溝寬隨沖刷歷時(shí)總體上呈增大趨勢。不同流量條件下，塿土溝寬發(fā)育差異顯著，紅土不顯著，紅土和塿土坡面細(xì)溝溝寬最終穩(wěn)定值不同，依次為13.7～20.9 cm 和8.8～21.1 cm。紅土溝寬在前6 min 內(nèi)急劇上升，6～18 min 發(fā)育平穩(wěn)，18～24 min 又迅速發(fā)育，之后的21 min 呈增幅較緩的上升趨勢，溝寬發(fā)育主要集中在0～24 min，其發(fā)育寬度占總寬度的47.9%～65.7%；塿土溝寬0～24 min 發(fā)育迅速，發(fā)育寬度占總寬度的58.7%～91.9%。

紅土坡面細(xì)溝溝寬均值按放水流量遞增依次為11.4、11.5、13.6、14.5 cm，與8 L·min-1相比分別增加了0.8%、19.3%、27.2%；而塿土坡面細(xì)溝溝寬均值按放水流量遞增依次為8.5、8.8、13.8、17.7 cm，與8 L·min-1相比分別增加了3.7%、62.4%、108.2%，表明兩種堆積體坡面細(xì)溝溝寬隨流量增大呈顯著增大趨勢，流量增大對塿土溝寬發(fā)育的促進(jìn)作用大于紅土，當(dāng)流量增至16 L·min-1，其促進(jìn)溝寬發(fā)育的作用減弱。小流量條件下（8、12 L·min-1），紅土坡面細(xì)溝溝寬均值大于塿土，大流量時(shí)（16、20 L·min-1）相反，說明放水流量的增大使塿土坡面細(xì)溝更易橫向發(fā)展。

以沖刷歷時(shí)為自變量，溝寬為因變量，擬合二者間的函數(shù)關(guān)系（表2），表中紅土坡面細(xì)溝溝寬與沖刷歷時(shí)呈良好的線性函數(shù)關(guān)系，而塿土則呈現(xiàn)為良好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，表明紅土和塿土坡面細(xì)溝可以分別用溝寬與沖刷歷時(shí)的線性函數(shù)和對數(shù)函數(shù)關(guān)系來描述細(xì)溝溝寬的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程。表2 中兩種堆積體坡面細(xì)溝擬合方程系數(shù)均隨流量增大而增大，說明流量增大使得溝寬發(fā)育速率增大。

表2 工程堆積體坡面細(xì)溝溝寬與沖刷歷時(shí)擬合函數(shù)Table 2 Functions for fitting relationship of rill width with duration of scouring on slopes of engineering mounds

2.1.2 溝深的發(fā)育過程 不同流量條件下兩種堆積體坡面細(xì)溝溝深隨沖刷歷時(shí)變化的過程見圖3，圖中兩種堆積體坡面細(xì)溝溝深隨沖刷歷時(shí)總體上呈增大趨勢，兩種堆積體坡面細(xì)溝溝深最終穩(wěn)定值不同，紅土和塿土溝深最終穩(wěn)定值依次為9.33～18.8 cm 和10.1～18.8 cm，兩種堆積體坡面細(xì)溝溝深的發(fā)育在小流量（8、12 L·min-1）和大流量（16、20 L·min-1）條件下差別不顯著，但當(dāng)流量從小流量增至大流量時(shí)，溝深發(fā)育明顯，紅土溝深均值最大增幅為126.2%，塿土溝深均值最大增幅為87.9%。兩種堆積體坡面細(xì)溝溝深在0～24 min 內(nèi)發(fā)育迅速、增幅較大，紅土坡面細(xì)溝發(fā)育深度占總深度的46.0%～80.7%，塿土坡面細(xì)溝發(fā)育深度占總深度的55.9%～82.4%。

紅土坡面細(xì)溝溝深均值按放水流量遞增依次為6.1、7.6、13.8、11.9 cm，與8 L·min-1相比分別增加了24.5%，126.2%，95.1%；而塿土坡面細(xì)溝溝深均值按放水流量遞增依次為6.6、7.8、12.4、12.9 cm，與8 L·min-1相比分別增加了18.2%、87.9%、95.5%，表明兩種堆積體坡面細(xì)溝溝深隨流量增大呈顯著增大趨勢，但當(dāng)流量增至16 L·min-1，其促進(jìn)溝深發(fā)育的作用減弱。整體來看，小流量條件下（8、12 L·min-1），紅土坡面細(xì)溝溝深小于塿土，而大流量時(shí)（16、20 L·min-1）則相反，說明放水流量的增大使得紅土坡面細(xì)溝更易縱向發(fā)展。

以沖刷歷時(shí)為自變量，溝深為因變量，擬合二者間的函數(shù)關(guān)系（表3），表中紅土坡面細(xì)溝溝深與沖刷歷時(shí)呈良好的線性函數(shù)關(guān)系，而塿土則呈現(xiàn)為良好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。表明紅土和塿土坡面細(xì)溝可分別用溝深與沖刷歷時(shí)的線性函數(shù)和對數(shù)函數(shù)關(guān)系來描述溝深的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程。表3 中兩種堆積體坡面細(xì)溝其擬合方程系數(shù)均隨著流量的增大而增大，說明流量的增大使溝深發(fā)育的速率變大。

2.1.3 寬深比的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程 細(xì)溝侵蝕過程中伴隨著下切侵蝕、溯源侵蝕、沿程侵蝕，使得細(xì)溝不斷變長、拓寬以及加深，寬深比能夠反映坡面徑流沖刷過程中細(xì)溝溝槽形狀的變化過程。不同流量條件下兩種堆積體坡面細(xì)溝寬深比隨沖刷歷時(shí)的變化過程見圖4，圖中兩種堆積體坡面細(xì)溝寬深比呈現(xiàn)前0～24 min 波動(dòng)變化，而后24～45 min 相對平穩(wěn)的變化趨勢。

表3 工程堆積體坡面細(xì)溝溝深與沖刷歷時(shí)擬合函數(shù)Table 3 Functions fitting relationship of rill depth and duration of scouring on slopes of engineering mounds

紅土坡面細(xì)溝寬深比變化呈現(xiàn)波動(dòng)減小至相對平穩(wěn)的趨勢，而塿土呈現(xiàn)為前期陡增陡降而后期逐漸減小至平穩(wěn)的趨勢。放水流量為 8、12、16、20 L·min-1時(shí)，紅土坡面細(xì)溝寬深比最終穩(wěn)定值依次為1.56、1.35、0.97、1.10，隨流量增大寬深比均值變化顯著，較8 L·min-1依次減少0.71、1.15、0.89；放水流量為8、12、16、20 L·min-1時(shí)，塿土坡面細(xì)溝寬深比最終穩(wěn)定值依次為1.24、0.84、1.07、1.28，隨流量增大寬深比均值變化顯著，較8 L·min-1依次減少0.06、0.20、-0.03。

對比兩種堆積體坡面細(xì)溝寬深比的最終穩(wěn)定值，發(fā)現(xiàn)小流量（8、12 L·min-1）條件下，紅土坡面細(xì)溝寬深比最終穩(wěn)定值大于塿土，而大流量條件下（16、20 L·min-1）則相反，說明隨放水流量增大，紅土更易向縱深發(fā)育，而塿土更易橫向發(fā)展。對于兩種堆積體而言，當(dāng)流量增至16 L·min-1時(shí)，寬深比均迅速減小，說明此刻細(xì)溝主要以下切侵蝕為主，但紅土堆積體坡面細(xì)溝減小速率較塿土堆積體更快，減小幅度近50%；當(dāng)流量增至20 L·min-1時(shí)，兩種堆積體坡面細(xì)溝寬深比減小幅度均變緩，甚至塿土坡面細(xì)溝出現(xiàn)減小幅度為負(fù)的情況，說明此刻塿土在徑流沖刷過程中溝壁失穩(wěn)坍塌嚴(yán)重，側(cè)向侵蝕劇烈，水流下切能力減弱，重力作用加劇。

2.2 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的關(guān)系

水流剪切力、水流功率等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)被用來描述坡面徑流挾沙能力的大小，而坡面徑流挾沙力控制著坡面侵蝕，影響著坡面細(xì)溝的發(fā)育程度，同時(shí)細(xì)溝形態(tài)也改變著坡面流的水動(dòng)力學(xué)特性，它們之間相互影響，故分析坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)間的關(guān)系，對于正確認(rèn)識坡面細(xì)溝侵蝕有著重要作用。

對細(xì)溝形態(tài)參數(shù)和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行兩兩相關(guān)性分析，得到相關(guān)矩陣（表4），由表4 可知徑流剪切力（τ）、徑流功率（ω）與溝寬（w）、溝深（d）呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r>0.687，P<0.01），與寬深比（u）呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r>-0.338，P<0.01），紅土坡面細(xì)溝水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與溝寬、溝深、寬深比的相關(guān)系數(shù)絕對值大小依次為d>w>u，而塿土則呈現(xiàn)為w>d>u，說明紅土坡面細(xì)溝水動(dòng)力學(xué)參數(shù)和溝深的相關(guān)性強(qiáng)于與溝寬和寬深比的相關(guān)性，而在塿土坡面細(xì)溝水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與溝寬的相關(guān)性則更為緊密，上述結(jié)果表明，土壤類型不同，其水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)間關(guān)系密切的程度不一。

為了更好地描述兩種堆積體坡面細(xì)溝水動(dòng)力參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)間的關(guān)系，紅土選取與水流剪切力、徑流功率關(guān)系密切的溝深進(jìn)行回歸分析，而塿土則選取溝寬進(jìn)行回歸分析（表5），發(fā)現(xiàn)兩種堆積體坡面細(xì)溝水流剪切力、水流功率與溝寬、溝深均呈現(xiàn)極顯著冪函數(shù)關(guān)系，其中，徑流剪切力相比徑流功率更適合描述紅土堆積體坡面細(xì)溝溝深的發(fā)育狀況（R2>0.651，P<0.01），而徑流功率相比徑流剪切力更適合描述塿土堆積體坡面細(xì)溝溝寬的發(fā)育狀況（R2>0.732，P<0.01）。

2.3 細(xì)溝形態(tài)參數(shù)與侵蝕產(chǎn)沙間的關(guān)系

由表4 可知，紅土、塿土堆積體其土壤剝蝕率與溝寬、溝深呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r>0.552，P<0.01），而與寬深比呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r＞-0.179，P<0.01），紅土坡面細(xì)溝土壤剝蝕率與溝寬、溝深、寬深比的相關(guān)系數(shù)絕對值大小依次為d>w>u，而塿土則呈現(xiàn)為w>d>u，為進(jìn)一步揭示它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，對紅土、塿土堆積體分別選取與土壤剝蝕率關(guān)系密切的溝深、溝寬進(jìn)行點(diǎn)繪（圖5），由圖5 可知溝寬、溝深與土壤剝蝕率之間的關(guān)系均能用冪函數(shù)來表示（r>0.674，P<0.01），就發(fā)育速率而言，塿土坡面土壤剝蝕率隨溝寬的發(fā)育速率大于紅土坡面土壤剝蝕率隨溝深的發(fā)育速率。

表4 工程堆積體試驗(yàn)參數(shù)相關(guān)關(guān)系矩陣Table 4 Correlation matrix of the parameters involved in the experiment on the engineering mounds

表5 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)關(guān)系Table 5 Relationship between hydrodynamic parameters and rill morphology indexes

坡面侵蝕產(chǎn)沙與細(xì)溝形態(tài)相互影響，其侵蝕過程伴隨溝寬拓展、溝深下切、溝長延伸，坡面侵蝕產(chǎn)沙過程復(fù)雜，為明確細(xì)溝形態(tài)對累計(jì)產(chǎn)沙量的影響，選取與累計(jì)產(chǎn)沙量關(guān)系最為密切的溝寬、溝深作為因變量進(jìn)行回歸分析（表6），由表可知兩種堆積體累計(jì)產(chǎn)沙量與二者均存在極顯著線性函數(shù)關(guān)系（r>0.952，P<0.01），方程中參數(shù)前的系數(shù)表征該參數(shù)對累計(jì)產(chǎn)沙量的影響大小，就紅土而言，溝寬、溝深對累計(jì)產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)依次為84.9%、15.1%，溝寬的影響大于溝深，對塿土而言，則依次為22.5%、77.5%，溝深的影響大于溝寬，說明土壤類型不同，溝寬、溝深的發(fā)育對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響不同。

3 討 論

工程堆積體作為生產(chǎn)建設(shè)區(qū)水土流失量的主要來源，對于項(xiàng)目建設(shè)區(qū)的水土資源和項(xiàng)目本身的安全意義重大。雖然紅土堆積體和塿土堆積體分屬不同地域，但無論是紅土區(qū)還是塿土區(qū)均屬于水蝕區(qū)，降雨和徑流是致使土壤發(fā)生侵蝕的主要外營力，土壤侵蝕強(qiáng)度和侵蝕量的大小直接受降雨強(qiáng)度及年內(nèi)分配程度影響[29]，因而，在降雨和徑流特點(diǎn)各異的這兩個(gè)區(qū)域其侵蝕特點(diǎn)具有顯著差異。紅土隸屬的南方紅壤區(qū)降雨年內(nèi)分布不均，且多為持續(xù)性暴雨[30]，暴雨形成的徑流量超過全年總徑流量的15%，引發(fā)的以面蝕為主[31]的土壤侵蝕量超過全年總侵蝕量的37%[32]。塿土所屬的黃土高原地區(qū)降雨年內(nèi)分布不均，且多為短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨，水土流失集中度高，以溝蝕為主[33]的多年侵蝕量往往決定于幾場降雨[34]。對于結(jié)構(gòu)疏松、植物根系缺失、堆置坡度大的工程堆積體而言，暴雨發(fā)生時(shí)，將在堆積體坡面形成強(qiáng)烈的細(xì)溝侵蝕，引發(fā)嚴(yán)重的水土流失，因此本文通過野外徑流沖刷試驗(yàn)，嘗試從描述細(xì)溝的基本形態(tài)參數(shù)著手，對比分析兩種土壤類型工程堆積體坡面細(xì)溝的侵蝕過程，以期為不同土壤類型工程堆積體坡面水土保持措施合理配置提供理論依據(jù)。

表6 累計(jì)產(chǎn)沙量與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系Table 6 Function relationship between cumulative sediment yield and rill morphology parameters

3.1 細(xì)溝形態(tài)參數(shù)變化

本文中兩種堆積體坡面溝寬、溝深均隨沖刷歷時(shí)延長呈增大趨勢，與牛耀彬等[19]關(guān)于黑壚土的研究結(jié)果相似，同時(shí)本文指出小流量條件下（8、12L·min-1），紅土溝寬尺寸較塿土大，而溝深尺寸較塿土小，大流量條件下（16、20 L·min-1）則相反，說明紅土坡面更易侵蝕形成細(xì)溝，而塿土坡面一旦形成細(xì)溝，其侵蝕產(chǎn)沙及細(xì)溝尺寸將會(huì)急劇增大，造成差異的主要原因在于土壤本身性質(zhì)不同，紅土土壤顆粒較細(xì)遇水易黏結(jié)，易在坡面形成結(jié)皮，延緩了雨水入滲，促進(jìn)坡面徑流形成[35]，小流量條件下，紅土土體結(jié)皮下層土壤含水量低，土體中水的存在形式以結(jié)合水為主，有利于提高其顆粒間連結(jié)引力，使紅土坡面在小流量條件下更易形成寬淺的細(xì)溝，相反，塿土土壤質(zhì)地粗、孔隙大、透水通氣性能強(qiáng)于紅土[32]，在小流量條件下，試驗(yàn)初期入滲強(qiáng)烈，不易產(chǎn)生徑流沖刷形成細(xì)溝，而大流量條件下隨著水分入滲，土壤顆粒逐漸吸水飽和，使得土壤顆粒間接觸點(diǎn)變少，分子引力減弱，加之結(jié)合水膜的增厚，使得土壤顆粒間更易發(fā)生相對位移，摩擦力減弱[36]，塿土抗剪強(qiáng)度參數(shù)中的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率增大而顯著減小[37]，加之大流量條件下降雨強(qiáng)度大于入滲速率，產(chǎn)流迅速，隨著細(xì)溝逐漸形成，徑流剪切力隨之增大[3]，故而在大流量條件下，塿土的細(xì)溝尺寸遠(yuǎn)大于紅土。對塿土而言，溝寬、溝深與時(shí)間擬合關(guān)系均為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與齊星圓等[38]在變坡長條件下的研究結(jié)果一致，但對于紅土而言則為線性函數(shù)關(guān)系，表明塿土堆積體在經(jīng)歷一定時(shí)間沖刷后，其細(xì)溝發(fā)育速率將會(huì)減慢，而紅土坡面細(xì)溝隨時(shí)間發(fā)育平穩(wěn)，其主要原因在于塿土中決定土壤抗侵蝕性主導(dǎo)因子之一的粗粉粒（0.01～0.05 mm）和砂粒（>0.05 mm）含量較紅土高[39]，塿土坡面細(xì)顆粒經(jīng)沖刷流失后，殘余粗顆粒致使其內(nèi)部孔隙進(jìn)一步增大，進(jìn)而入滲能力增強(qiáng)，加上大的粗顆粒本身固有的較強(qiáng)抗蝕能力，致使塿土堆積體在沖刷后期細(xì)溝尺寸發(fā)育平緩。寬深比在兩種堆積體中均呈先減小后平穩(wěn)的變化趨勢，隨流量增大紅土寬深比減幅明顯，而塿土減幅不顯著甚至寬深比增大，表明紅土堆積體坡面更易向“窄深式”發(fā)展，而塿土則更趨向于“寬淺式”發(fā)育，主要原因是細(xì)溝斷面形態(tài)受土壤質(zhì)地影響顯著，而南方紅土與北方塿土在土壤結(jié)構(gòu)性上有較大的差異[31]，塿土中團(tuán)聚體較多容易分散，易發(fā)生侵蝕，而紅土黏粒和有機(jī)質(zhì)含量高，土壤膠結(jié)力強(qiáng)，團(tuán)聚體穩(wěn)定，水穩(wěn)性團(tuán)粒含量多，使得細(xì)溝溝壁較為穩(wěn)定[40]，而塿土土壤顆粒膠結(jié)力強(qiáng)、溝壁穩(wěn)定性差易失穩(wěn)坍塌，同時(shí)，溝壁的坍塌引發(fā)流速降低、流寬增大進(jìn)而使得徑流挾沙能力變?nèi)酰自诩?xì)溝下部發(fā)生沉積[41]，因而塿土細(xì)溝更易向“寬淺式”發(fā)展。

3.2 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)、細(xì)溝形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系

水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與細(xì)溝形態(tài)、細(xì)溝形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙間相互影響，三者之間關(guān)系復(fù)雜[6]。本研究表明徑流剪切力較徑流功率更適合描述紅土溝深的發(fā)育趨勢，而徑流功率較徑流剪切力更適合描述塿土溝寬的發(fā)育過程，與倪世民等[7]提出的單位水流功率相比水流功率適合描述不同含沙量條件下紅黏土細(xì)溝形態(tài)中的溝深與寬深比的發(fā)育不同，究其原因可能在于作為侵蝕對象的土壤類型不同。此外，本研究指出細(xì)溝形態(tài)參數(shù)溝寬、溝深和土壤剝蝕率之間存在冪函數(shù)關(guān)系，其中紅土堆積體土壤剝蝕率與溝深關(guān)系密切，塿土堆積體土壤剝蝕率則與溝寬關(guān)系密切，與張攀等[21]指出細(xì)溝形態(tài)參數(shù)溝寬、溝深與土壤剝蝕率間具有對數(shù)函數(shù)關(guān)系不同，其原因可能是紅土堆積體坡面細(xì)溝溝深的下切發(fā)育致使徑流進(jìn)一步匯集增大了徑流動(dòng)能，進(jìn)而顯著提升了土壤剝蝕率，而塿土堆積體坡面細(xì)溝溝壁的失穩(wěn)坍塌導(dǎo)致溝寬的快速發(fā)育是徑流剝蝕能力增大的主要原因。坡面泥沙的侵蝕與細(xì)溝形態(tài)發(fā)育具有密切關(guān)系，土壤類型深刻影響坡面侵蝕，本研究指出累計(jì)產(chǎn)沙量與溝寬、溝深之間均具有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，而與細(xì)溝寬深比則存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且溝寬、溝深對兩種堆積體累計(jì)產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率不同，對于紅土堆積體而言，溝寬的擴(kuò)大對其累計(jì)產(chǎn)沙量影響顯著，而溝深的下切發(fā)育對塿土累計(jì)產(chǎn)沙量的作用明顯，與盛賀偉等[42]對黑壚土的研究結(jié)果“累計(jì)產(chǎn)沙量與溝寬呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系”完全不同，進(jìn)一步印證了土壤類型深刻影響著坡面侵蝕過程。

綜上，針對紅土和塿土堆積體細(xì)溝侵蝕過程的差異，在防控工程堆積體坡面水土流失和合理配置治理措施方面，不僅要考慮土壤本身質(zhì)地的因素，也要考慮當(dāng)?shù)亟涤陱搅鲗η治g的影響，綜合考慮采取不同的防控措施。南方紅壤區(qū)土壤黏粉粒含量高，加之當(dāng)?shù)囟喑掷m(xù)性暴雨，紅土易發(fā)生蓄滿產(chǎn)流，但紅土土壤顆粒遇水易黏結(jié)，易在坡面形成結(jié)皮，延緩了雨水入滲，促進(jìn)坡面徑流形成，因此，在治理與防護(hù)時(shí)應(yīng)在坡面上方合理布設(shè)截排水措施，適當(dāng)?shù)牟荚O(shè)植物籬也可以有效削弱徑流侵蝕動(dòng)力[43]，針對這種持續(xù)性暴雨，還應(yīng)在坡面底部布設(shè)擋土墻設(shè)置反濾層，加大坡體內(nèi)部排水，防治壤中流、管涌等現(xiàn)象的發(fā)生影響坡體穩(wěn)定；塿土所屬的北方黃土高原區(qū)，其土壤粉砂粒含量高、孔隙大，加之短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨的影響，工程堆積體堆置時(shí)應(yīng)加大密實(shí)度，提高土壤容重，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)坡面排水，布設(shè)如魚鱗坑和水平階之類的徑流消能設(shè)施[44]。堆置時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南髌路旨壙娠@著提高坡面土壤的抗蝕能力[45]，同時(shí)也要重視植物措施的布設(shè)，促進(jìn)堆積體自然生態(tài)能力的恢復(fù)。

4 結(jié) 論

本文通過對紅土和塿土工程堆積體進(jìn)行野外放水沖刷試驗(yàn)，對比研究了兩種土壤類型的工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕過程，結(jié)果表明：兩種堆積體坡面細(xì)溝溝寬和溝深均隨沖刷歷時(shí)延長，呈增大趨勢，且放水流量增大與8 L·min-1相比紅土溝寬均值分別增加0.8%、19.3%、27.2%，溝深均值分別增加24.5%，126.2%，95.1%，而塿土則為3.7%、62.4%、108.2%和18.2%、87.9%、95.5%。放水流量增至16 L·min-1時(shí)，其促進(jìn)溝寬、溝深發(fā)育的作用逐漸減弱。兩種工程堆積體坡面溝寬、溝深與沖刷歷時(shí)擬合函數(shù)關(guān)系各異，紅土堆積體可用線性函數(shù)表示，而塿土堆積體可用對數(shù)函數(shù)描述。兩種堆積體坡面細(xì)溝寬深比變化呈現(xiàn)先波動(dòng)后平穩(wěn)趨勢，隨放水流量增大，紅土堆積體寬深比減幅明顯，最大減幅出現(xiàn)在16 L·min-1，紅土最高減少了1.15，塿土最高減少了0.20。徑流剪切力相比徑流功率更適合描述紅土堆積體溝深發(fā)育狀況，而徑流功率較徑流剪切力更能體現(xiàn)塿土堆積體溝寬發(fā)育過程；溝寬、溝深對坡面累計(jì)產(chǎn)沙影響各異，紅土中溝寬、溝深對累計(jì)產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)依次為84.9%、15.1%，在塿土中則為22.5%、77.5%。該研究可深入了解兩種質(zhì)地工程堆積體細(xì)溝侵蝕過程，為不同土壤類型的工程堆積體邊坡細(xì)溝防護(hù)與治理提供參考，同時(shí)，今后研究應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化測量方法，納入更多變量（如礫石含量），分析間歇性降雨或放水沖刷試驗(yàn)中細(xì)溝侵蝕過程，以提高研究的全面性和精準(zhǔn)性。