排土場平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕形態(tài)演變與產(chǎn)沙特征

白 蕓24，康宏亮，王文龍26，速 歡，李建明248，馬春艷

排土場平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕形態(tài)演變與產(chǎn)沙特征

白 蕓1,2,3,4，康宏亮5，王文龍1,2,6※，速 歡7，李建明1,2,4,8，馬春艷3

（1. 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室，榆林 719000；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 長安大學(xué)土地工程學(xué)院，西安 710054；6. 西北農(nóng)林科技大學(xué)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；7. 南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210000；8. 長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

排土場是露天采礦區(qū)主要泥沙來源的人造地貌之一，控制排土場土壤侵蝕對礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。該研究采用野外放水沖刷試驗，研究排土場平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕演變及產(chǎn)沙特征。結(jié)果表明：1）溝蝕演變中的主導(dǎo)侵蝕方式存在階段性轉(zhuǎn)變，侵蝕溝形態(tài)發(fā)育特征也呈階段性差異，平臺侵蝕溝分為溝頭形成階段，溯源-拓寬階段和穩(wěn)定階段3個發(fā)育演變階段；邊坡侵蝕溝依次經(jīng)歷覆土層下切階段，覆土層拓寬階段，紅土層下切階段和侵蝕減緩階段。2）邊坡是平臺-邊坡系統(tǒng)主要沙源，其累積產(chǎn)沙量占平臺-邊坡系統(tǒng)的88.15%～90.16%；覆土層下切階段和紅土層下切階段是邊坡的主要產(chǎn)沙階段，其累積產(chǎn)沙量分別占邊坡的29.72%～53.36%和19.06%～48.88%。3）平臺和邊坡侵蝕速率均與徑流功率的響應(yīng)關(guān)系較優(yōu)，在平臺溝蝕的溯源-拓寬階段和穩(wěn)定階段為線性響應(yīng)；在邊坡溝蝕的覆土層下切階段和紅土層下切階段為指數(shù)響應(yīng)，拓寬階段和侵蝕減緩階段為線性響應(yīng)。模型建立中需進(jìn)一步考慮此種響應(yīng)規(guī)律隨溝蝕發(fā)育演變產(chǎn)生的變化，研究結(jié)果可為排土場水土保持措施布設(shè)和科學(xué)認(rèn)識溝蝕過程與特征提供參考。

土壤；沖刷試驗；溝蝕；徑流功率；侵蝕演變；排土場

0 引 言

露天開采是晉陜蒙能源基地一種重要的煤炭開采形式，形成了一種大型人工重塑地貌——排土場，其以“平臺-邊坡”為基本地貌單元，單座排土場呈一級至多級地貌單元疊置的形態(tài)。排土場平臺是平臺-邊坡系統(tǒng)主要的匯水區(qū)域[1]，在平臺匯水作用下，平臺-邊坡系統(tǒng)往往遭受強(qiáng)烈的溝蝕[2-3]，使得排土場成為露天礦區(qū)主要的泥沙策源地。有研究顯示排土場平臺-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕是水力和重力共同作用的結(jié)果[4]，在暴雨條件下直接威脅邊坡穩(wěn)定和安全[5]，嚴(yán)重影響礦區(qū)生態(tài)安全和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的綠色發(fā)展。

侵蝕溝是在集中股流侵蝕形成的線狀延伸凹地，其發(fā)生發(fā)展具有明顯的階段性特征。朱顯謨[6]根據(jù)溝蝕的發(fā)展階段、演變時期和侵蝕強(qiáng)度將其分為細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕和切溝侵蝕，其中淺溝的發(fā)育經(jīng)歷不連續(xù)溝頭形成、不連續(xù)跌坑形成、連續(xù)跌坑、溝道連通等發(fā)育階段[7]；淺溝發(fā)育的不同階段產(chǎn)沙特征也不相同，郭軍權(quán)等[8]的研究結(jié)果表明淺溝系統(tǒng)產(chǎn)沙率、含沙量和總產(chǎn)沙量隨時間均出現(xiàn)先增大—波動減小—穩(wěn)定趨勢。坡面在經(jīng)歷片蝕向細(xì)溝演變階段、細(xì)溝發(fā)育階段、細(xì)溝向切溝演變階段和切溝發(fā)育階段后，發(fā)育形成切溝；坡度的增加和上方含沙水流的匯入增加侵蝕溝內(nèi)徑流剪切力、水流功率、單位水流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芰?，加快坡面侵蝕方式演變的速度與進(jìn)程[9]；溝頭形成、溝頭溯源、溝底下切和溝岸擴(kuò)張各個子過程相繼發(fā)生[10]，坡面侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度變化的實質(zhì)是侵蝕方式的演變。溝蝕的發(fā)育演化過程和特征研究已獲得堅實的基礎(chǔ)，為進(jìn)一步認(rèn)識溝蝕機(jī)制與布設(shè)溝蝕防治戰(zhàn)略提供強(qiáng)有力的理論支撐。排土場平臺的巨大匯水進(jìn)入邊坡后[11]，勢必加快邊坡侵蝕溝的發(fā)育演變。速歡等[12]認(rèn)為排土場平臺-邊坡系統(tǒng)經(jīng)歷片蝕、細(xì)溝侵蝕和切溝侵蝕3個侵蝕階段；Bai等[13]按照侵蝕溝形態(tài)特征和主導(dǎo)侵蝕方式進(jìn)一步將平臺和邊坡溝蝕階段進(jìn)行劃分，并建立了不同侵蝕階段溝深和溝寬與水動力學(xué)參數(shù)間關(guān)系。但排土場平臺-邊坡系統(tǒng)侵蝕演變的不同階段內(nèi)侵蝕產(chǎn)沙過程及特征的變化尚不清晰，仍需進(jìn)一步深入探索。

坡面侵蝕產(chǎn)沙與水力條件關(guān)系緊密。已有研究表明，輸沙速率與徑流率、雷諾數(shù)、弗汝德數(shù)、單位徑流功率、過水?dāng)嗝鎲挝荒芰康葏?shù)均存在顯著相關(guān)關(guān)系[14-17]，其中針對基于WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型的徑流剪切力和基于GUEST（Griffith University Erosion System Template）模型的徑流功率在侵蝕產(chǎn)沙預(yù)測的研究較為深入。徑流剪切力可以較好地預(yù)測不同尺度侵蝕溝的泥沙輸移特征，在小區(qū)或坡面的細(xì)溝尺度上，輸沙速率與徑流剪切力間關(guān)系多為線性關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系，在不同研究區(qū)域間均取得較為一致的研究結(jié)果[17-19]。部分學(xué)者針對淺溝侵蝕的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，徑流剪切力與淺溝系統(tǒng)的輸沙量間存在最佳的相關(guān)性[20-21]。Istanbulluoglu等[22]利用基于徑流剪切力的模型，驗證了模型在切溝尺度上輸沙率的空間變化，結(jié)果表明模型可以反映83%的輸沙率空間變異性；Vanwalleghem等[23]建立了侵蝕產(chǎn)沙與徑流剪切力間關(guān)系，野外觀測數(shù)據(jù)的驗證結(jié)果顯示關(guān)系式在從細(xì)溝到切溝尺度的線性侵蝕面上均有較好的預(yù)測結(jié)果。徑流功率在細(xì)溝和淺溝侵蝕的侵蝕輸沙量預(yù)測方面也得到廣泛應(yīng)用[24-25]。不同尺度上針對徑流剪切力和徑流功率的研究結(jié)果對深度認(rèn)識土壤侵蝕的水動力機(jī)制和實踐侵蝕產(chǎn)沙預(yù)測具有重要意義。排土場平臺-邊坡系統(tǒng)作為露天礦開采中的主要泥沙來源地，其侵蝕水動力學(xué)機(jī)制尚不清晰，侵蝕產(chǎn)沙對水動力學(xué)參數(shù)變化的響應(yīng)在溝蝕演變過程中的轉(zhuǎn)變特征仍需進(jìn)一步深入研究。

綜上，排土場平臺-邊坡系統(tǒng)的徑流條件和產(chǎn)沙特征對溝蝕演變存在怎樣的響應(yīng)，產(chǎn)沙水動力過程是否對侵蝕溝發(fā)育演變存在某種響應(yīng)特征是關(guān)鍵科學(xué)問題。為此，本文以排土場平臺-邊坡系統(tǒng)為研究對象，基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建排土場平臺-邊坡系統(tǒng)徑流小區(qū)，采用人工放水沖刷試驗，研究平臺匯水條件下平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕的發(fā)生發(fā)展過程，厘清平臺-邊坡系統(tǒng)侵蝕溝發(fā)育演變的過程性特征，分析侵蝕溝發(fā)育演變過程中的徑流特征和產(chǎn)沙響應(yīng)，探索侵蝕溝發(fā)育演變過程中的產(chǎn)沙水動力學(xué)規(guī)律，以期為能源區(qū)排土場土壤侵蝕防治提供研究支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在陜西省榆林市花園溝水土流失監(jiān)測站進(jìn)行，該試驗站位于中國陜西省榆林市。野外放水沖刷試驗前，共調(diào)查神府-東勝煤田范圍內(nèi)27個露天煤礦的80座排土場，調(diào)查區(qū)位于晉陜蒙三省交界區(qū)，地處毛烏素沙地與黃土高原過渡帶，為干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量約為348～400 mm，主要發(fā)生在7－9月，多為短歷時高強(qiáng)度暴雨。排土場由“平臺+邊坡”地形單元組成，經(jīng)調(diào)查邊坡坡度23.5°～45.0°（平均35°），邊坡坡長10.0～40.0 m（平均22.5 m），大面積平臺匯水傾瀉進(jìn)入邊坡后，平臺與邊坡轉(zhuǎn)折處向下3～8 m的邊坡段溝蝕最為嚴(yán)重，因此將此坡段作為邊坡段研究對象。排土場土層分為表層覆土層和下伏土層，覆土層厚20～30 cm，下伏土層主要為第三紀(jì)紅土（又名三趾馬紅土或保德紅土），該下伏土層類型占被調(diào)查排土場的62.5%，其主要礦物為石英和粘土礦物，伴有少量長石、方解石和重礦物，主要植被有藜（L.）和紫花苜蓿（L.）。

1.2 試驗設(shè)計與裝置

試驗流量設(shè)計依據(jù)張漢雄等[26]對1 710個典型強(qiáng)降水事件的統(tǒng)計分析，得到黃土高原平均降雨強(qiáng)度與降雨持續(xù)時間的方程為依據(jù)，以5年一遇暴雨在120、145、170 m2平臺匯水面積上匯集的徑流量，徑流系數(shù)取0.7，經(jīng)計算后數(shù)值取整，對應(yīng)的放水流量分別為60、72和84 L/min。依據(jù)前期調(diào)查中排土場“平臺+邊坡”的地形和侵蝕特征，平臺-邊坡系統(tǒng)徑流小區(qū)由平臺和邊坡兩部分組成，邊坡坡度和坡長為35°和6 m，平臺坡度和坡長為2°和2 m，寬1.5 m（圖1）。

圖1 徑流小區(qū)及試驗設(shè)備示意圖

徑流小區(qū)用高60 cm和厚2 mm的鋼板插入地下50 cm作為邊界，以防止水分的側(cè)向交換。試驗中所用覆土層和第三紀(jì)紅土層土樣均采自西灣露天礦排土場（38°37′N，109°57′E），使用Mastersizer 3000 激光粒度分析儀（Malvern, UK, ±1%）測定的覆土層土樣的砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為67.81%、17.55%和14.64%，根據(jù)國際土壤分類屬于砂壤土，第三紀(jì)紅土土樣的砂粒、粉粒和黏粒含量分別為42.72%、33.09%和24.19%，為黏壤土。共分8層裝填試驗用土，每層10 cm，底部6層裝填黏壤土，上部2層裝填砂壤土。覆土層和紅土層的平臺容重控制在1.40～1.45和1.50～1.60 g/cm3，邊坡容重控制在1.25～1.35和1.40～1.50 g/cm3，填土?xí)r覆土層和紅土層的土壤含水量分別控制在11.00%～14.00%和16.00%～19.00%；裝填過程中用工具扒松兩層土間接觸面以保證土層間土壤顆粒的自然接觸，裝填完成后自然沉降2周。試驗前將表層土修整為微內(nèi)凹，以保證侵蝕溝從小區(qū)中間開始發(fā)育。

試驗裝置由供水設(shè)備、溢流槽、集流槽、攝像系統(tǒng)等組成（圖1）。蓄水池（長×寬×高為3 m×3 m×1 m）和潛水泵位于小區(qū)上方的平臺，通過水閥和電磁流量計調(diào)節(jié)流量。溢流槽（長×寬×高為1.5 m×0.5 m×0.3 m）安裝在小區(qū)平臺段頂部，通過一塊與小區(qū)同寬，長15 cm的防水布與小區(qū)連接。小區(qū)邊坡段出口處安裝集流槽，采集徑流和泥沙樣品。在垂直于徑流小區(qū)平臺和邊坡正上方安裝兩個攝像機(jī)，記錄平臺和邊坡侵蝕溝的實時形態(tài)變化，平臺處架設(shè)榮耀V20，視頻錄制像素為4 K（3 840× 2 160像素，30幀/s），邊坡處架設(shè)羅技C920 PRO攝像頭，視頻錄制像素為720 P（1 280×720像素，30幀/s）。

試驗前，校準(zhǔn)電磁流量計，調(diào)節(jié)水閥將流量調(diào)節(jié)至設(shè)計流量，試驗流量與設(shè)計流量的相對誤差低于5%。試驗開始后，采用自制接樣裝置在平臺和邊坡轉(zhuǎn)折處接取平臺段徑流泥沙樣，用于測定平臺徑流含沙量，同時在集流槽出口接取徑流泥沙樣，前5 min每1 min接一次樣品，5 min后每2 min接一次。接取徑流泥沙樣的同時測定徑流寬和徑流流速，邊坡上每隔2 m設(shè)置一個觀測斷面，共3個斷面，平臺上在距離溢流口1～2 m處設(shè)置一個觀測斷面，流速采用顏色蹤法（KMnO4）測定，重復(fù)2次；流寬在各個觀測斷面的三等分點上定點觀測，重復(fù)2次。3 min后每2 min測量一次侵蝕溝深度，平臺每間隔0.25 m設(shè)置一個溝深觀測斷面，邊坡每隔0.5m設(shè)置一個，共計19個斷面，試驗時長45 min。試驗結(jié)束后，截取錄制視頻中溝深測量時刻的圖片，將截圖導(dǎo)入Digimizer 2.0，利用放置在小區(qū)內(nèi)邊界的彩色軟尺確定1.0 m標(biāo)尺，量取各溝深觀測斷面上對應(yīng)的溝寬，將連通溝道中部的平滑曲線長度作為溝長。

1.3 數(shù)據(jù)計算與處理

平臺剝蝕速率為平臺段單位時間單位面積徑流剝蝕土壤的質(zhì)量，計算式為

式中M為平臺侵蝕速率，g/(m2·s)；S為平臺產(chǎn)沙率，g/s，如式（2）；D為平臺溝長，m；W為平臺侵蝕溝平均寬度，m。

式中為試驗中實際平均流量（每5～10 min記錄一次），L/min；m為平臺和邊坡轉(zhuǎn)折處徑流泥沙樣的泥沙量，g；V為平臺和邊坡轉(zhuǎn)折處徑流泥沙樣的渾水體積，mL。

邊坡侵蝕速率為邊坡段單位時間單位面積徑流剝蝕土壤的質(zhì)量，計算式為

式中M為邊坡侵蝕速率，g/(m2·s)；為集流槽出口處接樣時間內(nèi)的泥沙量，為徑流泥沙量烘干后稱量數(shù)值，g；為接樣時間，s；D為邊坡各斷面的侵蝕溝長度，m；W為邊坡各斷面侵蝕溝平均寬度，m。

徑流剪切力，用于表征水流作用于土壤顆粒的剪切應(yīng)力，計算式為式（4）～（7）[27]：

其中

式中為徑流剪切力，N/m2；γ為渾水密度，kg/m3；為水力半徑，m；為水力坡度，約為坡度的正弦值；為徑流含沙量，kg/m3；為清水密度，kg/m3；γ為泥沙顆粒密度，kg/m3；為水流寬度，m；為水流深度，m；為接樣時間內(nèi)的徑流體積，m3；為徑流流速，m/s。

徑流功率是單位面積水體勢能隨時間的變化率，用于表征作用于單位面積的水流所消耗的功率，N/(m·s)，計算式為[28]

2 結(jié)果與分析

2.1 平臺-邊坡侵蝕溝發(fā)育演變過程

圖2為平臺和邊坡侵蝕溝發(fā)育演變的形態(tài)變化過程。0～2 min平臺-邊坡系統(tǒng)的侵蝕經(jīng)歷短暫的層狀面蝕-不連續(xù)跌坎-連續(xù)跌坎的發(fā)育過程，在3 min時形成較為清晰的溝沿形態(tài)，滿足通過垂直于小區(qū)上方的攝像資料進(jìn)行后期溝寬和溝長參數(shù)的提取條件，因此侵蝕溝形態(tài)變化的過程分析從3 min開始。60、72、84 L/min流量下的3～45 min平臺溝長為0.13～3.30、0.15～3.18和0.12～3.26 m，隨試驗歷時呈現(xiàn)緩慢增大、快速增大和趨于穩(wěn)定的變化過程；平臺溝寬為0.11～0.26、0.13～0.25和0.15～0.32 m，隨試驗歷時均呈現(xiàn)波動增大、快速增大和趨于穩(wěn)定的變化；平臺溝深為0.13～0.20、0.07～0.20和0.16～0.20 m，隨試驗歷時在3～5 min內(nèi)迅速增大到0.2 m，之后保持穩(wěn)定。根據(jù)平臺侵蝕溝在長、寬、深變化過程，將平臺侵蝕劃分為3個階段：第一階段（3～5 min）溝深和溝寬迅速增大，溝長緩慢增大，此階段內(nèi)平臺末端（平臺和邊坡轉(zhuǎn)折處）上層砂壤質(zhì)覆土層被不斷下切，形成溝頭，溝頭跌水高度與覆土層厚度相同，稱為溝頭形成階段（圖3a）；第二階段在溝頭形成后，平臺溝長經(jīng)歷2～4 min的緩慢增長后進(jìn)入快速增長時段，溝寬呈波動增大趨勢，該階段內(nèi)溝長和溝寬增量占總增長值的91.84%～95.92%和68.31%～83.21%，侵蝕溝同時向長和向?qū)挵l(fā)展，溝深不再變化，稱為溯源-拓寬階段；第三階段溝長、溝寬和溝深均不在發(fā)生變化，侵蝕溝溝頭到達(dá)平臺頂端與溢流槽相接處，平臺侵蝕溝形態(tài)發(fā)育趨于穩(wěn)定，稱為穩(wěn)定階段。放水流量對平臺侵蝕溝的發(fā)育演變影響較小，不同流量下各個發(fā)育階段的持續(xù)時長無顯著性差異。

注：平臺系列中P1、P2、P3分別代表溝頭形成階段、溯源-拓寬階段和穩(wěn)定階段；邊坡系列圖中S1、S2、S3、S4分別代表覆土層下切階段、覆土層拓寬階段、紅土層下切階段和侵蝕減緩階段，下同。

圖3 排土場平臺和邊坡侵蝕溝發(fā)育階段圖

60、72、84 L/min流量下3～45 min的邊坡溝寬為0.09～0.25、0.10～0.31和0.09～0.27 m，隨試驗歷時均呈現(xiàn)快速增大、階梯式增大和趨于穩(wěn)定的變化；3～45 min的邊坡溝深為0.09～0.37、0.11～0.39和0.15～0.44 m，隨試驗歷時呈快速增大、緩慢增大、二次快速增大、趨于穩(wěn)定的趨勢（圖2）。在試驗歷時內(nèi)，邊坡溝寬和溝深的發(fā)展不同步，侵蝕溝演變的主導(dǎo)發(fā)展方向呈階段性變化：不同流量下第一階段的溝深為0.20～0.23 m，溝寬為0.14～0.15 m，侵蝕溝寬深比小于1，侵蝕溝以向深發(fā)展為主要特點，且主要發(fā)生在上層砂壤質(zhì)覆土，稱為覆土層下切階段（圖3b）；第二階段侵蝕溝深度為0.22～0.25 m，溝寬為0.20～0.22 m，與覆土層下切階段相比溝深增大9.00%～24.47%，溝寬增大38.47%～46.90%，侵蝕溝以向?qū)挵l(fā)展為主，且溝壁拓寬主要發(fā)生在覆土層，稱為覆土層拓寬階段；第三階段溝深再次快速增大，溝寬呈小幅階梯式增大并趨于穩(wěn)定，較覆土層拓寬階段的溝深增大47.05%～75.10%，溝寬增大10.51%～40.26%，侵蝕溝以向深發(fā)展為主，且主要發(fā)生在第三紀(jì)紅土層，稱為紅土層下切階段；第四階段溝深和溝寬均緩慢增大，較紅土層下切階段溝深和溝寬分別增大2.75%～12.42%和2.60%～9.13%，溝蝕速度減緩，稱為侵蝕減緩階段。侵蝕溝演變速率受流量影響較大，隨流量增大，侵蝕階段的轉(zhuǎn)變時間提前（圖2），侵蝕溝在更短的時間內(nèi)發(fā)育形成較大的溝深和溝寬。

2.2 平臺-邊坡侵蝕產(chǎn)沙的階段性特征

圖4為平臺和邊坡侵蝕速率隨試驗歷時的變化過程。

圖4 不同流量下平臺和邊坡侵蝕速率隨試驗歷時的變化

在平臺侵蝕溝3個不同發(fā)育階段，各試驗流量的平臺侵蝕速率分別呈穩(wěn)定、上升和下降的變化過程，各個發(fā)育階段內(nèi)的變異系數(shù)分別為0.07～0.12、0.17～0.51和0.29～0.48，階段平均侵蝕速率隨侵蝕溝發(fā)育演化先增大后減?。ū?）。3個階段的累積產(chǎn)沙貢獻(xiàn)比為6.95%～8.21%、39.98%～74.38%和18.67%～52.15%。溯源-拓寬階段是主要的侵蝕產(chǎn)沙階段，侵蝕速率和累計產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)比均最大，分別為104.14～175.69 g/(m2·s)和39.98%～74.38%。

在邊坡4個侵蝕溝發(fā)育演變階段，邊坡侵蝕速率分別呈現(xiàn)急劇上升后出現(xiàn)拐點、急劇下降、波動持平、基本持平的變化特征（圖4）。不同流量下，階段平均侵蝕速率隨侵蝕溝發(fā)育演化存在下降趨勢（表1），以第一階段為基準(zhǔn)，后3個發(fā)育階段的平均侵蝕速率分別減小42.25%～68.32%、39.98%～74.61%和79.91%～83.46%。4個發(fā)育階段的累積產(chǎn)沙量逐漸減小，累積產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)比分別為29.72%～53.36%、11.41%～21.60%、19.06%～48.88%和2.64%～20.04%（表1），覆土層下切階段和紅土層下切階段是邊坡主要的產(chǎn)沙階段。邊坡侵蝕速率分別是平臺的0.21～67.20倍，試驗結(jié)束時邊坡累積產(chǎn)沙量占平臺-邊坡系統(tǒng)的88.15%～90.16%，是平臺的7.44～9.16倍，單位坡長邊坡累積產(chǎn)沙量是平臺的2.48～3.05倍，邊坡是平臺-邊坡系統(tǒng)的主要產(chǎn)沙來源。

表1 平臺和邊坡不同侵蝕溝發(fā)育階段平均侵蝕速率和累積產(chǎn)沙量

2.3 平臺-邊坡徑流的階段性特征

表2為不同侵蝕溝發(fā)育階段平臺徑流指標(biāo)值。分析中將前2 min的各徑流指標(biāo)的平均值作為初始值，以更清晰的說明侵蝕溝發(fā)育演化中徑流的階段性變化特征。平臺不同發(fā)育階段平均徑流流速隨侵蝕溝發(fā)育演化呈先減小后增大的變化過程，最小值較初始值減小?0.51%～21.12%，穩(wěn)定階段的平均流速較初始值增大?15.75%～58.31%。徑流剪切力和徑流功率隨侵蝕溝發(fā)育演化變逐漸增大，與初始值相比，3個發(fā)育階段的徑流剪切力分別增大0.11～0.31倍、1.10～1.94倍和1.86～3.21倍，徑流功率分別增大?0.04～0.14倍、1.15～3.25倍和1.47～6.15倍，表明在平臺溝蝕發(fā)育的后兩個階段，徑流對土壤顆粒的分離和搬運能力增加。平臺徑流一旦進(jìn)入邊坡，流速、徑流剪切力和水流功率均增大，不同流量下邊坡徑流剪切力較平臺分別增大7.11～96.93倍、7.55～120.86倍和12.21～83.03倍，邊坡水流功率較平臺增大14.69～116.70倍、7.59～239.59倍和21.30～130.91倍，徑流對土壤顆粒的剝離和輸移能力急劇增大。

表2 不同侵蝕溝發(fā)育階段平臺徑流指標(biāo)值

注：表中P0代表平臺徑流指標(biāo)的初始值。

Note: P0represents the initial values of runoff index on the platform.

表3為不同侵蝕溝發(fā)育階段邊坡徑流指標(biāo)值。不同流量下，階段平均邊坡徑流流速隨侵蝕溝發(fā)育演化呈下降趨勢，四個發(fā)育階段的流速分別較初始值減小7.92%～17.50%、26.66%～32.18%、31.03%～62.38%和43.68%～60.00%，四個階段的流速下降幅度占比分別為14.28%～31.58%、15.28%～42.11%、0～60.71%和0～29.17%。整體上，徑流剪切力隨侵蝕溝發(fā)育演化呈波動增大的變化，徑流功率呈先增大后減小的變化特點。在覆土層下切階段，徑流剪切力和徑流功率較初始值的增大顯著，不同流量下徑流剪切力分別較初始值增大4.57倍、1.05倍和1.54倍，徑流功率分別增大3.12倍、1.19倍和0.86倍，增大幅度隨流量增大而減??；覆土層下切階段之后，徑流剪切力呈波動式增大，穩(wěn)定階段的值較覆土層下切階段增大3.22%～38.38%。徑流功率則逐漸減小，穩(wěn)定階段的徑流功率較覆土層下切階段減小19.07%～48.84%；說明在溝蝕發(fā)育后期徑流分離土壤顆粒能力并無顯著減小，但單位面積徑流的能量消耗明顯減小。分析顯示不同階段間徑流剪切力和水流功率均值無顯著性差異。隨放水流量增加，徑流剪切力和徑流功率隨之增大（<0.05），徑流流速在前兩發(fā)育階段也隨之增大，但在后兩發(fā)育階段無增大趨勢。

表3 不同侵蝕溝發(fā)育階段邊坡徑流指標(biāo)值

注：表中S0代表邊坡徑流指標(biāo)的初始值。

Note: S0represents the initial values of runoff index on the steep slope.

2.4 平臺和邊坡侵蝕速率與水動力參數(shù)關(guān)系

圖5為平臺侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率的關(guān)系分析圖。平臺侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率在溯源-拓寬階段（P2）和穩(wěn)定階段（P3）存在顯著線性正相關(guān)（<0.01），而在溝頭形成階段相關(guān)性差。由回歸關(guān)系獲得的可蝕性參數(shù)在溯源-拓寬階段到穩(wěn)定階段呈增大趨勢。溯源拓寬階段和穩(wěn)定階段的臨界徑流剪切力為-1.43和1.31 N/m2，臨界徑流功率為-0.74和0.78 N/(m·s)。

圖5 平臺侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率關(guān)系

圖6為邊坡侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率的關(guān)系分析圖。覆土層下切階段（S1）和紅土層下切階段（S3）的侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率間指數(shù)關(guān)系顯著（<0.01），覆土層拓寬階段和侵蝕減緩階段的侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率存在顯著線性關(guān)系，且侵蝕速率與徑流功率間相關(guān)性優(yōu)于徑流剪切力。與覆土層下切階段相比，紅土層下切階段的指數(shù)函數(shù)前因子和指數(shù)前常數(shù)均減小，表明覆土層下切階段的侵蝕速率對徑流剪切力和徑流功率的響應(yīng)更敏感，單位徑流剪切力和徑流功率的變化導(dǎo)致更大幅度的侵蝕速率變化。與覆土層拓寬階段相比，侵蝕減緩階段的可蝕性參數(shù)減小，臨界徑流剪切力和臨界徑流功率增大，同樣表明覆土層拓寬階段的侵蝕速率對徑流剪切力和徑流功率的響應(yīng)更敏感。

圖6 邊坡侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率關(guān)系

3 討 論

3.1 排土場平臺-邊坡系統(tǒng)侵蝕溝發(fā)育的階段性差異

平臺侵蝕溝發(fā)育分為溝頭形成階段，溯源-拓寬階段和穩(wěn)定階段3個演變階段，邊坡溝蝕演變過程依次為覆土層下切階段，覆土層拓寬階段，紅土層下切階段和侵蝕減緩階段，由于平臺段和邊坡段地形、土壤抗蝕性等因素的差異，溝蝕發(fā)育演變特征不同步。與平臺相比，邊坡土壤抗蝕性較小，坡度較陡，徑流在緊臨地形轉(zhuǎn)折點的邊坡段迅速形成侵蝕凹地。一方面，侵蝕凹地向平臺段發(fā)展，下切形成溝頭，當(dāng)下切侵蝕至紅土層時土壤抗蝕性增大，限制溝頭繼續(xù)下切[29]，一旦形成溝頭，則在溝頭流的作用下溯源侵蝕[7]，并與側(cè)向侵蝕耦合[30]，侵蝕溝進(jìn)入溯源-拓寬階段，當(dāng)溝頭溯源至溢流槽與平臺段連接處時，侵蝕溝進(jìn)入穩(wěn)定階段（圖3a）。另一方面，侵蝕凹地加速了邊坡徑流的匯聚，加之邊坡徑流沿程加速，在覆土層上形成以下切侵蝕為主導(dǎo)的侵蝕階段，即覆土層下切階段；當(dāng)下切侵蝕至紅土層時，紅土層的抗蝕性較覆土層增大，侵蝕溝深度增長較慢，延長了徑流對覆土層底部的淘蝕時間，形成利于溝壁崩塌的臨空面進(jìn)而促進(jìn)溝壁的拓寬[31]，侵蝕溝呈現(xiàn)以側(cè)向侵蝕為主導(dǎo)侵蝕方式的發(fā)育演變特征（圖3b），即為覆土層拓寬階段；當(dāng)徑流完全集中于紅土層床面后，在次級溝頭的不斷溯源侵蝕和跌水沖淘作用下[32]，表現(xiàn)出溝深重新迅速增大，在紅土層形成以下切侵蝕為主導(dǎo)侵蝕方式的侵蝕階段，為紅土層下切階段；最后，侵蝕溝形態(tài)和徑流能量間通過互饋作用達(dá)到均衡，溝蝕發(fā)育速度減緩甚至達(dá)到穩(wěn)定階段。平臺-邊坡系統(tǒng)侵蝕溝是在溯源侵蝕、下切侵蝕和側(cè)向侵蝕的共同作用下完成的，但主導(dǎo)侵蝕方式的階段性轉(zhuǎn)變致使侵蝕溝發(fā)育演變呈現(xiàn)階段性差異，其中平臺和邊坡轉(zhuǎn)折處的地形條件、土壤條件顯著不同，轉(zhuǎn)折處侵蝕凹地成為平臺段和邊坡段溝蝕發(fā)育的分隔點，呂剛等[4]基于平臺與邊坡轉(zhuǎn)折處裂隙優(yōu)先流的研究也表明平臺-邊坡系統(tǒng)地形的特殊性。試驗開始階段在轉(zhuǎn)折處形成的侵蝕凹地逐漸發(fā)育形成跌水，跌水的沖淘和侵蝕是邊坡侵蝕溝發(fā)育演變的重要特征之一，在本試驗放水條件下促進(jìn)了邊坡溝底的下切侵蝕，最終形成坡面切溝[33]，與工程堆積體的細(xì)溝侵蝕[27,34]相比，造成的侵蝕強(qiáng)度更大。因此做好轉(zhuǎn)折處水土保持措施十分重要，在不均勻沉降和機(jī)械施工產(chǎn)生的地勢低凹處和具有多級平臺-邊坡地貌單元的排土場的道路連接處應(yīng)重點防護(hù)，通過配備合理的工程措施和林草措施，以減緩和防止排土場平臺-邊坡系統(tǒng)的侵蝕溝發(fā)育。

3.2 排土場平臺-邊坡系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙的階段性演變

在平臺和邊坡侵蝕溝發(fā)育演變的不同階段，侵蝕速率具有階段性變化特征，邊坡作為平臺-邊坡系統(tǒng)主要的泥沙來源，其侵蝕速率隨侵蝕溝發(fā)育演變呈減小趨勢，這與前人針對淺溝侵蝕產(chǎn)沙特征[8]和工程堆積體陡坡的侵蝕產(chǎn)沙特征的研究結(jié)果一致[34]。侵蝕速率隨溝蝕發(fā)育演變的階段性變化與土壤性質(zhì)、主導(dǎo)侵蝕方式轉(zhuǎn)變、徑流條件等因素密切相關(guān)[35]。在覆土層下切階段，侵蝕溝深度和寬度變化最為迅速，此階段主要發(fā)生在砂壤質(zhì)的表層覆土，土壤抗侵蝕能力差；同時，此階段內(nèi)徑流剪切力和水流功率較初始值迅速增大，徑流迅速集中成股流，對土壤顆粒的分離和輸移能力加劇，導(dǎo)致此階段內(nèi)邊坡侵蝕速率呈增大趨勢（圖4），該階段的侵蝕速率均值在4個發(fā)育階段中最大（表1）。在覆土層拓寬階段，隨著溝底床面的粗糙化，徑流流速較前一階段減小，但徑流剪切力和徑流功率較覆土層下切階段無顯著減?。ū?），徑流對土壤顆粒的分離和輸移能力無顯著減弱，侵蝕速率逐漸減小主要歸因于主導(dǎo)侵蝕方式的轉(zhuǎn)變和土壤抗蝕性的差異，此階段的主導(dǎo)侵蝕方式是側(cè)向侵蝕，伴有紅土層的下切侵蝕，溝底股流對溝壁的側(cè)向侵蝕作用隨著下切侵蝕中徑流的進(jìn)一步集中逐漸弱減，此外受黏壤質(zhì)紅土層較大的抗蝕性和容重的影響，土壤侵蝕速率逐漸減小。紅土層下切階段的泥沙主要來源于紅土層溝床的下切侵蝕，由于黏壤質(zhì)土層較強(qiáng)的抗侵蝕能力導(dǎo)致下切速率減緩，同時溝底二級溝頭的發(fā)育[36]，在溝底形成跌水-深潭結(jié)構(gòu)（圖3b），跌水坑能耗消耗增大，徑流流速和徑流功率大幅減?。ū?），土壤侵蝕速率持續(xù)減小。侵蝕減緩階段的侵蝕速率維持在較低水平，此時侵蝕溝發(fā)育十分緩慢，侵蝕溝形態(tài)無明顯變化，但床面形態(tài)更趨復(fù)雜，徑流能量持續(xù)消耗，此階段流速和徑流功率是試驗過程中的最低值，徑流剪切力并無顯著減小，與紅土層下切階段相比，徑流剝蝕能力無顯著下降，但徑流攜帶的泥沙顆粒在跌水潭中受射流沖淘和能量消散后，部分泥沙顆粒沉積在跌水潭，輸移的泥沙顆粒被沉積過程抵消后，剩余泥沙顆粒方可輸移出小區(qū)，因此泥沙輸移量急劇減小。從平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕發(fā)育演變的全過程來看，其發(fā)育演變速度極快，在初始階段即表現(xiàn)為高產(chǎn)沙、高徑流能量的特點，相較于邊坡，平臺在大流量條件下仍表現(xiàn)為低侵蝕速率，但平臺徑流一旦進(jìn)入邊坡，徑流剪切力和徑流功率均急劇增大，邊坡溝蝕的防控就較為困難，做好平臺徑流的分控是控制排土場平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕的重要方向。

3.3 排土場平臺-邊坡系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙水動力學(xué)特征

在平臺和邊坡的不同侵蝕溝發(fā)育演變階段，侵蝕速率和徑流剪切力與徑流功率均存在顯著相關(guān)關(guān)系，其中徑流功率是預(yù)測各階段侵蝕速率的較優(yōu)參數(shù)，Kang等[7,20]針對淺溝的研究結(jié)果顯示最優(yōu)預(yù)測參數(shù)為徑流剪切力，且侵蝕速率與水動力學(xué)參數(shù)間呈線性正相關(guān)，這可能與文獻(xiàn)中采用單場次試驗的侵蝕速率與徑流指標(biāo)的平均值作為分析基礎(chǔ)有關(guān)[25]，也可能與試驗不同坡度有關(guān)[37]。試驗所得的邊坡覆土層拓寬階段的臨界徑流剪切力和臨界徑流功率與郭明明等[21]獲得的未耕作淺溝的臨界剪切力（17.58 N/m2）和臨界徑流功率（5.03 N/(m·s)）較為接近，但大于Xu等[20]在淺溝中的獲得的值，遠(yuǎn)大于細(xì)溝和層狀面蝕階段的臨界值，這可能是因為創(chuàng)建淺溝水流通道所需的徑流剪切力、徑流功率和能量比細(xì)溝或?qū)訝顝搅鞯母骩20]。

邊坡侵蝕速率對徑流剪切力和徑流功率的響應(yīng)隨侵蝕溝發(fā)育演變呈現(xiàn)階段性差異，覆土層下切階段和紅土層下切階段的邊坡侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率間呈指數(shù)正相關(guān)，覆土層拓寬階段和侵蝕減緩階段的邊坡侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率間呈線性正相關(guān)。侵蝕產(chǎn)沙對水動力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)差異在由層狀面蝕向細(xì)溝侵蝕和由細(xì)溝侵蝕向淺溝侵蝕轉(zhuǎn)變中也存在，有研究表明層狀面蝕階段侵蝕速率與徑流動能間呈線性相關(guān)，而在細(xì)溝侵蝕階段則存在對數(shù)相關(guān)[27]，不同侵蝕階段侵蝕速率與水動力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系一致但關(guān)鍵參數(shù)也存在不同，細(xì)溝侵蝕階段的臨界徑流剪切力和臨界徑流功率大于片蝕階段[38]，淺溝侵蝕的臨界徑流剪切力和臨界徑流功率高于層狀面蝕和細(xì)溝侵蝕[39]。這種響應(yīng)特征差異與不同主導(dǎo)侵蝕方式作用下的下墊面條件變化有關(guān)。在覆土層下切階段和紅土層下切階段，侵蝕泥沙主要來源于侵蝕溝向深發(fā)展，泥沙來源充足（邊坡的2個主要產(chǎn)沙階段），侵蝕速率隨徑流侵蝕動力增大呈指數(shù)函數(shù)增大，說明當(dāng)徑流剪切力和徑流功率超過某一閾值后，相較于線性相關(guān)，侵蝕產(chǎn)沙的增幅更急劇，側(cè)面反映出在以下切侵蝕為主導(dǎo)的侵蝕階段溝蝕發(fā)育更加劇烈；紅土層下切階段的侵蝕速率與徑流剪切力和徑流功率的相關(guān)性較覆土層下切階段減小，這與跌水-深潭結(jié)構(gòu)對剪切應(yīng)力的分配和徑流動能消耗有關(guān)，跌水-深潭結(jié)構(gòu)會使深潭顆粒粗化，粒徑較大不移動的顆粒承擔(dān)了總剪切應(yīng)力的很大一部分，并減少了可用于運輸較細(xì)顆粒的應(yīng)力[40]。在覆土層拓寬階段，溝壁崩塌較集中（圖3b），崩積體墜落對溝底含沙水流的擾動和擁堵會形成阻力，且徑流沖刷床面已抵達(dá)紅土層，土壤顆粒間黏結(jié)力大[41]，致使土壤可蝕性減小，坡面泥沙供應(yīng)量減?。欢谇治g減緩階段由于溝底跌水-深潭結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，有效剪切應(yīng)力減小，徑流流速和徑流動能減小，徑流的剝蝕和輸移能力減弱，同時侵蝕溝形態(tài)（溝長、寬和深）趨于穩(wěn)定，供沙能力進(jìn)一步減小，因此侵蝕速率對徑流剪切力和徑流功率呈較平緩的線性響應(yīng)，且侵蝕減緩階段線性擬合式的斜率遠(yuǎn)小于覆土層拓寬階段（圖6）。由此可見，溝蝕輸沙模型的建立需考慮侵蝕產(chǎn)沙與水動力學(xué)參數(shù)間響應(yīng)關(guān)系隨主導(dǎo)侵蝕方式和侵蝕演變階段的轉(zhuǎn)變，以進(jìn)一步提高模型的預(yù)測能力和適用性。

4 結(jié) 論

采用野外放水沖刷試驗，以排土場平臺-邊坡系統(tǒng)為研究對象，分析平臺匯流條件下系統(tǒng)的侵蝕溝發(fā)育演變過程及過程中徑流和產(chǎn)沙特征，揭示了侵蝕演變過程中侵蝕速率對水動力學(xué)參數(shù)間響應(yīng)規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕發(fā)育演變是在溯源侵蝕、下切侵蝕、側(cè)向侵蝕三種侵蝕方式共同作用下完成的，但主導(dǎo)侵蝕方式存在階段性轉(zhuǎn)變，侵蝕溝形態(tài)發(fā)育特征也呈階段性差異。平臺侵蝕溝發(fā)育分為溝頭形成階段，溯源-拓寬階段和穩(wěn)定階段等3個發(fā)育演變階段；邊坡侵蝕溝依次經(jīng)歷覆土層下切階段，覆土層拓寬階段，紅土層下切階段和侵蝕減緩階段。

2）平臺和邊坡的產(chǎn)沙特征在不同溝蝕發(fā)育演變階段呈現(xiàn)差異，溯源-拓寬階段是平臺主要的產(chǎn)沙階段，占總產(chǎn)沙量的39.98%～74.38%；覆土層下切階段和紅土層下切階段是邊坡主要產(chǎn)沙階段，其累積產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)比分別為29.72%～53.36%和19.06%～48.88%。邊坡是平臺-邊坡系統(tǒng)主要沙源，其累積產(chǎn)沙量占平臺-邊坡系統(tǒng)的88.15%～90.16%。

3）邊坡侵蝕速率對徑流剪切力和徑流功率的響應(yīng)在不同溝蝕演變階段間呈現(xiàn)差異，在覆土層下切階段和紅土層下切階段為指數(shù)響應(yīng)關(guān)系，在覆土層拓寬階段和侵蝕減緩階段為線性關(guān)系，模型建立中應(yīng)進(jìn)一步考慮此種響應(yīng)規(guī)律隨溝蝕發(fā)育演變產(chǎn)生的變化。

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Characteristics of gully topography and sediment on the platform-steep slope system of spoil dump

Bai Yun1,2,3,4, Kang Hongliang5, Wang Wenlong1,2,6※, Su Huan7, Li Jianming1,2,4,8, Ma Chunyan3

(1.712100,; 2.,,712100,; 3.,,719000,; 4.,100049,; 5.,,710054,; 6.,,712100,; 7.210000; 8.,,430010,)

The spoil dumps are the main sediment sources in the open-pit mining area. The erosion control is of great significance to the high-quality development of the energy zone. This article aims to analyze the gully development and sediment process of spoil dumps. The plot construction of platform-steep slope system and field scouring experiments were also carried out, where the flow rate was ranged from 60 to 84 L/min, and the duration was 45 mins each run. The results showed that: 1) The gully was developed by the combination of different erosion progresses, including the headcut migration, bed incision, and lateral erosion on the platform-steep slope system. Notably, there were the stage differences in the topographic characteristics of gully, due to the variation of dominant process. A three-stage development was experienced for the gully on the platform, including the headcut formation, migration-expansion, and stable stage. In the gully on the steep slope, four developmental processes were divided into the incision of sandy loam layer, expansion of sandy loam layer, incision of clay loam layer, and deceleration of erosion. No significant differences were found between the various flow rates of gully development speed on the platform. Whereas, the transformed time increased with the flow rate between adjacent gully development stages on the steep slope. 2) In terms of sediment process, the migration - expansion stage was the main erosion period on the platform. The incision of sandy and clay loam layer were the main erosion stages on the steep slope, particularly with the accumulated sediment yields accounting for 29.72%-53.36% and 19.06%-48.88%, respectively. Spatially, the runoff shear force and stream power increased by 7.11-120.86 times, and 7.59-239.59 times after the runoff flowed from the platform into the steep slope. Correspondingly, the steep slope was the main sediment source of the platform and steep slope system. The cumulative sediment yield was accounted for 88.15%-90.16% of the total amount of platform and steep slope system. Hence, the separation and control of runoff on the platform was a vital way to control the gully erosion in the platform-steep slope system of spoil dumps. 3) In terms of the flow hydraulics, the platform velocity decreased first and then increased with the gully development. Conversely, the slope velocity decreased gradually. Meanwhile, the runoff shear stress and the runoff stream power increased gradually with the gully development on the platform, but increased first, finally decreased on the steep slope. 4) Comparatively, the erosion rate presented a more sensitive response to the stream power than the runoff shear force, where the response regularity was different among the gully development stages. The erosion rate was linearly responded to the stream power in the migration-expansion stage and stable stage of platform. On the steep slope, the responses were still linear in the expansion of sandy loam layer and deceleration of erosion, but the exponential in the incision of sandy and clay loam layer. Therefore, it is necessary to consider the difference of responses in the various gully development stages, in order to improve the applicability of sediment transport model for the gully erosion. As such, the results revealed the staged development of gully and sediment process on the platform-steep slope system of spoil dumps. The finding can also offer the strong reference for the gully process, further to implement the soil and water conservation measures in the spoil dump.

soils; scouring test; gully erosion; stream power; erosion development; spoil dump

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.009

S157.1

A

1002-6819(2022)-23-0081-10

白蕓，康宏亮，王文龍，等. 排土場平臺-邊坡系統(tǒng)溝蝕形態(tài)演變與產(chǎn)沙特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(23)：81-90.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.009 http://www.tcsae.org

Bai Yun, Kang Hongliang, Wang Wenlong, et al. Characteristics of gully topography and sediment on the platform-steep slope system of spoil dump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 81-90. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.009 http://www.tcsae.org

2022-07-25

2022-11-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（41761062，41867015，41701316）

白蕓，博士生，講師，研究方向為礦區(qū)土壤侵蝕與水土保持。Email：baiyun21@mails.ucas.ac.cn

王文龍，博士，研究員，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn