降雨過(guò)程中黃土坡面微地形因子與侵蝕關(guān)系研究

摘要：

以斷續(xù)降雨過(guò)程中不同階段的黃土坡面柵格單元地形信息為研究對(duì)象，通過(guò)12段30 min、 60 mm/h雨強(qiáng)的降雨進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)微坡度、微坡向與黃土坡面侵蝕過(guò)程、細(xì)溝形態(tài)演變的相互影響進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：坡面微坡度與微坡向的變化主要集中在降雨初始階段（0～30 min），后續(xù)階段（30～360 min）變化幅度較小，微坡度和微坡向變化與坡面時(shí)段侵蝕量顯著正相關(guān)。細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)形成后，微坡度lt;15°區(qū)間和45°以上區(qū)間柵格占比緩慢上升，且主要產(chǎn)生于細(xì)溝內(nèi)部，細(xì)溝內(nèi)部在發(fā)育過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生泥沙堆積的平臺(tái)和坡度較大的陡坎。細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程是細(xì)溝內(nèi)徑流的剝蝕和邊壁不穩(wěn)定土體的坍塌共同作用的非均勻發(fā)育過(guò)程，徑流的剝蝕和土體的坍塌互相促進(jìn)，加速了細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程，從而造成了侵蝕量的波動(dòng)。細(xì)溝侵蝕過(guò)程中坡面微坡向以坡面坡向?yàn)橹鲗?dǎo)，坡面坡向柵格占比在30 min后保持不變，而細(xì)溝總表面積逐漸增加，說(shuō)明微坡向與坡面同向的細(xì)溝柵格數(shù)增加。細(xì)溝會(huì)產(chǎn)生有一定寬度的溝底，溝道的橫截面由 “V”形向“U”形過(guò)渡。除北向外，其余微坡向柵格數(shù)變化與細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝復(fù)雜度、細(xì)溝累計(jì)長(zhǎng)度和細(xì)溝平均寬度顯著相關(guān)，微坡向柵格數(shù)能夠較好地反映坡面細(xì)溝形態(tài)變化。

關(guān) 鍵 詞：

坡面侵蝕； 微地形因子； 斷續(xù)降雨； 細(xì)溝形態(tài)

中圖法分類號(hào)： S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.033

0 引 言

微地形是地貌表面極小地形起伏單元，如凹陷、凸起和侵蝕細(xì)溝等，是外力作用下的微小地貌形態(tài)的體現(xiàn)［1］。坡面侵蝕過(guò)程是雨滴和坡面徑流對(duì)地表做功的過(guò)程［2］，在侵蝕過(guò)程中，伴隨著地表土壤的分散、遷移，地表微地形總是處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中［3］，雨滴擊濺和徑流剪切引起的土壤分離、泥沙輸運(yùn)、地表凹陷處蓄水等均會(huì)導(dǎo)致地表微地形的變化，而地表微地形的變化也會(huì)影響水蝕過(guò)程［4］。微地形條件是影響坡面侵蝕的重要因素之一［5］，也是反映地表局部變化與侵蝕程度的指標(biāo)［6］。微地形會(huì)伴隨著侵蝕過(guò)程的發(fā)生與演變，通過(guò)自身的位置變化與消長(zhǎng)影響徑流產(chǎn)生、徑流流向、匯流和徑流量［7］，進(jìn)而影響侵蝕類型的演變及侵蝕產(chǎn)沙量的大?。?］。

微地形因子是定量表達(dá)地貌形態(tài)特征且有一定意義的數(shù)學(xué)參數(shù)或指標(biāo)［9］，所描述的是一個(gè)微分點(diǎn)單元的信息，其量值的大小一般受它所在點(diǎn)的點(diǎn)位高程以及微小領(lǐng)域范圍內(nèi)高程信息的影響［10］。坡面微地形因子反映了該地貌微觀地表單元的形態(tài)、起伏或扭曲特征，常用的坡面微地形因子主要有坡度、坡向、地面曲率、地表粗糙度、地表起伏度等［11］。在諸多的微地形因子中，高程、坡度、坡向是最根本的地形因子，其他因子能夠通過(guò)微坡度、微坡向和高程變化進(jìn)行表達(dá)，或者包含相關(guān)信息。

土壤侵蝕過(guò)程中地表微地形通過(guò)高程位置的變化影響坡面水流流向和水力特性，且微地形變化具有高動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，導(dǎo)致了微地形對(duì)土壤侵蝕過(guò)程既有促進(jìn)作用也有阻礙作用［12］。微地形在不同的水蝕階段有不同特征：在濺蝕階段，微地形的多樣性和土壤粗糙度較低；在細(xì)溝侵蝕階段，微地形的多樣性和坡面粗糙度較高［13］。隨著侵蝕過(guò)程的持續(xù)發(fā)展，微坡度、地形起伏度、洼地蓄積量、地表粗糙度、坡面高程變異系數(shù)［14］等地形因子數(shù)值均逐步增大［15］。微地形因子對(duì)坡面匯流的影響和坡面土壤的空間異質(zhì)性導(dǎo)致了細(xì)溝侵蝕的復(fù)雜性和非線性發(fā)展［16］。

目前微地形因子與坡面侵蝕的相關(guān)研究大多使用微地形指標(biāo)表征細(xì)溝侵蝕的發(fā)育程度和坡面侵蝕的整體情況，在細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中微地形因子對(duì)溝道形態(tài)變化的影響方面則研究較少。為此，本文通過(guò)開(kāi)展斷續(xù)降雨試驗(yàn)，提取不同降雨歷時(shí)條件下的坡面微地形信息，獲取細(xì)溝形態(tài)變化的連續(xù)過(guò)程，分析不同侵蝕階段微地形因子與坡面侵蝕發(fā)育之間的關(guān)系，探索降雨侵蝕過(guò)程中微地形因子的變化對(duì)細(xì)溝形態(tài)的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)材料

根據(jù)張科利等［17］對(duì)黃土坡面淺溝侵蝕發(fā)生坡度頻率的研究，深度大于20 cm的淺溝在大于18°的坡面上更容易產(chǎn)生，為保證坡面溝道深度能夠持續(xù)發(fā)育，選取20°坡面進(jìn)行試驗(yàn)。由于黃土地區(qū)降雨以短時(shí)強(qiáng)降雨為主，強(qiáng)降雨的降水量占總降水量的75%以上［18］，坡面水土流失主要是由大雨或暴雨引起［19］，因此根據(jù)降水量等級(jí)劃分，設(shè)置每段降雨為30 min、降雨強(qiáng)度為60 mm/h進(jìn)行試驗(yàn)，降雨等級(jí)為大雨到暴雨。為模擬細(xì)溝發(fā)育的連續(xù)過(guò)程，體現(xiàn)微地形因子在不同侵蝕階段與坡面侵蝕的關(guān)系，試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行12段降雨，試驗(yàn)總降雨歷時(shí)為6 h。

試驗(yàn)用土為陜西省榆林市岔巴溝0～70 cm土壤，成土母質(zhì)是黃土，主要顆粒組成為粉粒，透水能力較差，土體垂直節(jié)理發(fā)育。土壤顆粒機(jī)械組成為：小于2 μm部分占比2.80%，2～50 μm部分占比71.79%，大于50 μm部分占比25.41%。采用人工模擬降雨器和坡度可調(diào)的土槽開(kāi)展試驗(yàn)，土槽尺寸為4.0 m×1.2 m×0.8 m（長(zhǎng)×寬×深）。人工模擬降雨器為頂噴式，降雨范圍能夠完全覆蓋土槽，配有不同尺寸旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭共32個(gè)，噴頭高度為8 m，使得雨滴落在坡面時(shí)的中值粒徑和降雨動(dòng)能與自然降雨條件較為接近，試驗(yàn)過(guò)程中降雨均勻度均大于85%。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

裝填土壤時(shí)，為保證土槽底部的透水性，先在土槽底部填埋10 cm細(xì)沙，然后在細(xì)沙上鋪一層紗布再采用分層裝填法，將供試土壤按原有深度位置進(jìn)行裝填。每層填土10 cm，土壤深度共70 cm，每層裝填完之后人為壓實(shí)使試驗(yàn)坡面與自然坡面接近。試驗(yàn)開(kāi)始前，為保證初始土壤含水率大體一致，先在無(wú)坡度條件下進(jìn)行雨強(qiáng)為30 mm/h的預(yù)降雨，預(yù)降雨至坡面出現(xiàn)積水后停止，并用塑料布覆蓋靜置24 h。

每段試驗(yàn)時(shí)，在坡面產(chǎn)生徑流后用量筒每3 min采集1個(gè)徑流樣本，記錄采樣時(shí)間和接樣時(shí)長(zhǎng)，測(cè)量樣本體積和含沙量。每段降雨結(jié)束后，通過(guò)土槽周圍的6個(gè)雨量桶計(jì)算試驗(yàn)雨強(qiáng)和降雨均勻度，使用Artec公司生產(chǎn)的手持式Artec Eva三維掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維模型構(gòu)建，之后在坡面上繼續(xù)進(jìn)行下一段降雨試驗(yàn)。Artec Eva三維掃描儀可多角度反復(fù)對(duì)坡面微地形進(jìn)行掃描，所構(gòu)建模型具有高分辨率（單點(diǎn)精度±0.1 mm、最小采樣間隔0.5 mm）。因此該掃描儀在坡面地形模型構(gòu)建時(shí)能精細(xì)描述微地形形態(tài)［20］。以降雨前坡面掃描數(shù)據(jù)為參照，分析降雨后坡面侵蝕發(fā)育變化情況，將三維數(shù)據(jù)計(jì)算得到的侵蝕量與試驗(yàn)過(guò)程中的泥沙接樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者差距較小，驗(yàn)證了三維掃描數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)過(guò)程侵蝕量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)束后，使用相同的土壤和降雨條件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比每段降雨的累計(jì)產(chǎn)沙量確定試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。兩次試驗(yàn)累計(jì)產(chǎn)沙量的平均誤差為3.7%，且誤差隨降雨歷時(shí)的增加而逐漸減?。ㄒ?jiàn)表2）。為探究試驗(yàn)組和重復(fù)試驗(yàn)組在侵蝕過(guò)程中微地形特征變化的差異性，對(duì)試驗(yàn)組和重復(fù)試驗(yàn)組的柵格微坡度和微坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行萊文方差等同性檢驗(yàn)和均值等同性t檢驗(yàn)，結(jié)果表明柵格微坡度和微坡向數(shù)據(jù)的方差和均值均無(wú)顯著性差異（柵格空間分辨率10 mm×10 mm）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 微坡度分級(jí)提取

地面微坡度是過(guò)該點(diǎn)的切平面與水平面的夾角，實(shí)質(zhì)是地表曲面函數(shù)z=f（x，y）在不同方向上高程變化率的函數(shù)，采用擬合曲面法提取地面坡度，生成微坡度柵格數(shù)據(jù)。本文將掃描所得數(shù)據(jù)以點(diǎn)云數(shù)據(jù)形式輸出并導(dǎo)入ArcGIS，分別提取出12段降雨的微坡度值。根據(jù)朱梅等［21］提出的以土壤侵蝕為臨界指標(biāo)的坡面坡度分級(jí)方法，將0～45°進(jìn)行如下分級(jí)：0～＜3°、3°～＜8°、8°～＜15°、15°～＜25°、25°～＜35°、35°～45°。45°以上坡面錯(cuò)落、崩塌、瀉溜等侵蝕方式的作用增大［22］，為研究細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中溝壁和細(xì)溝內(nèi)部跌坎的變化情況，將微坡度45°～90°分為45°～＜60°、60°～＜75°、75°～90°三個(gè)區(qū)間進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)各場(chǎng)次降雨后微坡度分級(jí)中所包含的柵格數(shù)量占比，結(jié)果如表3所列。

1.3.2 微坡向分類提取

坡向指地表面上一點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過(guò)該點(diǎn)的正北方向的夾角。對(duì)于坡面任何一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，坡向表征了該點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向，按順時(shí)針排列，取值范圍0～360°［23］。不同坡向?qū)ζ旅鎻搅髁飨虍a(chǎn)生影響，使得侵蝕過(guò)程有明顯的差異。為直觀表達(dá)柵格坡向隨侵蝕過(guò)程的變化，本文將柵格坡向范圍8等分：337.5°～＜22.5°、22.5°～＜67.5°、67.5°～＜112.5°、112.5°～＜157.5°、157.5°～＜202.5°、202.5°～＜247.5°、247.5°～＜292.5°、292.5°～＜337.5°，分別代表北、東北、東、東南、南、西南、西、西北等方向（順坡方向?yàn)槟舷颍＝y(tǒng)計(jì)各階段降雨后坡向分級(jí)中所包含的柵格占比，結(jié)果如表4所列。

1.3.3 細(xì)溝提取

利用ArcGIS軟件提取坡面溝道時(shí)，需要設(shè)定合理的集水閾值［24］。楊華容等［25］研究認(rèn)為匯流累積量與河網(wǎng)密度、流域面積滿足二階導(dǎo)數(shù)關(guān)系，利用導(dǎo)數(shù)關(guān)系能夠有效確定河網(wǎng)提取閾值。本文針對(duì)侵蝕過(guò)程中12個(gè)階段的坡面DEM數(shù)據(jù)，利用 Python中scipy庫(kù)optimize.curve_fit模塊對(duì)閾值與侵蝕細(xì)溝密度進(jìn)行冪函數(shù)擬合，擬合函數(shù)的二階導(dǎo)函數(shù)在閾值為500～1 000之間出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線割線斜率法［26］切點(diǎn)為（0.087，3.376），即閾值為870，所提取的溝道與實(shí)際觀測(cè)到的溝道吻合。因此，本文取集水面積閾值為870，擬合結(jié)果見(jiàn)圖1。溝道提取完成后，對(duì)不同階段黃土坡面溝道網(wǎng)絡(luò)按照shreve分級(jí)法［27］進(jìn)行分級(jí)，并提取相關(guān)細(xì)溝形態(tài)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微坡度變化與坡面侵蝕關(guān)系

降雨開(kāi)始前的坡面微坡度集中于坡面坡度20°附近，微坡度分級(jí)比較單一。降雨30 min后，微坡度在15°～＜25°范圍內(nèi)的占比急劇減少，由初始占比81.17%迅速減少到27.97%；25°～＜35°、35°～＜45°和45°～＜60°區(qū)間的柵格占比急劇增加，分別由5.72%，2.46%和1.18%增加到22.87%，16.81%和17.15%。此階段坡面侵蝕作用劇烈、地形迅速破碎。30 min后的各階段坡面微坡度變化幅度明顯減小，15°～＜25°區(qū)間微坡度柵格占比緩慢下降，25°～＜45°區(qū)間內(nèi)柵格占比基本保持穩(wěn)定，0～＜15°和45°～90°區(qū)間內(nèi)微坡度柵格占比緩慢上升（見(jiàn)圖2）。結(jié)合對(duì)坡面侵蝕過(guò)程的觀察可知，第一段降雨過(guò)程中，坡面細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)處于發(fā)育階段，細(xì)溝的產(chǎn)生、消亡、合并、分叉現(xiàn)象大量出現(xiàn)，導(dǎo)致坡面微坡度接近坡面坡度20°的區(qū)間占比迅速下降。由于大量細(xì)溝的產(chǎn)生，微坡度大于20°的柵格占比迅速上升。

為探究侵蝕過(guò)程中坡面微坡度變化與侵蝕的關(guān)系，對(duì)坡面平均微坡度變幅與時(shí)段侵蝕模數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，得到坡面平均微坡度變幅與時(shí)段侵蝕模數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.96，P值小于0.01，坡面平均微坡度變幅與時(shí)段侵蝕模數(shù)有較好的線性關(guān)系（見(jiàn)圖3）。坡面平均微坡度變幅能夠較好地表征坡面侵蝕強(qiáng)度。

2.2 微坡向變化與坡面侵蝕關(guān)系

通過(guò)雷達(dá)圖（見(jiàn)圖4）描述不同坡向柵格占比的關(guān)系和變化趨勢(shì)，將圓等分代表不同微坡向，輻射半徑代表不同坡向分級(jí)柵格數(shù)占該階段DEM柵格總數(shù)的比值。初始時(shí)刻坡面微坡向主要集中在157.5°～＜202.5°范圍內(nèi)（南向），占比達(dá)到86.80%。降雨0～30 min階段，侵蝕作用劇烈，坡面地形迅速破碎，細(xì)溝大量產(chǎn)生，坡面微坡向67.5°～＜112.5°（東向）、112.5°～＜157.5°（東南）、202.5°～＜247.5°（西南）、247.5°～＜292.5°（西向）的柵格占比迅速增加至12.19%，21.83%，17.57%和12.09%；157.5°～＜202.5°（南向）柵格占比由86.60%迅速減少至32.01%。降雨歷時(shí)達(dá)到1.0 h后，細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)基本發(fā)育完成，坡面微坡向柵格占比趨于穩(wěn)定，微坡向占比依然以南向?yàn)橹鲗?dǎo)微坡向，且以南向?yàn)檩S線對(duì)稱的微坡向柵格占比相似，細(xì)溝兩側(cè)溝壁所占柵格的比例大致相同，細(xì)溝兩側(cè)溝壁的發(fā)育過(guò)程具有一定的相似性。

結(jié)合坡面侵蝕細(xì)溝的發(fā)育情況來(lái)看，第一段降雨結(jié)束后坡面細(xì)溝已經(jīng)產(chǎn)生，且細(xì)溝的位置已經(jīng)基本固定，之后的侵蝕主要集中于已有細(xì)溝的加深和加寬，而坡向只在第一段降雨后出現(xiàn)較大變化，之后各坡向的占比趨于穩(wěn)定。說(shuō)明坡向的變化能夠反映坡面細(xì)溝的發(fā)育情況，坡向變化幅度較大時(shí)，坡面細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)處于發(fā)育階段，細(xì)溝的產(chǎn)生、合并和消亡頻繁發(fā)生；坡向趨于穩(wěn)定時(shí)，主要細(xì)溝的位置和數(shù)量不再劇烈變化，侵蝕主要集中于已有細(xì)溝內(nèi)部（見(jiàn)圖5）。

將微坡度柵格占比較大的幾個(gè)坡向的變化率與時(shí)段侵蝕量進(jìn)行相關(guān)性分析（見(jiàn)表5），結(jié)果表明南向柵格變化率與時(shí)段侵蝕量呈顯著負(fù)相關(guān)，東南、西南、東、西向柵格變化率與時(shí)段侵蝕量呈顯著正相關(guān)，微坡向變化幅度越大，時(shí)段侵蝕量越大，坡面侵蝕越劇烈，微坡向柵格變化能夠較好反映坡面侵蝕的變化情況。

2.3 微坡度與坡面細(xì)溝形態(tài)變化關(guān)系

使用ArcGIS軟件中的水文模塊對(duì)坡面侵蝕溝道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到坡面溝道的平均寬度和平均深度，通過(guò)侵蝕溝在不同降雨歷時(shí)條件下的形態(tài)變化，得到坡面溝道平均寬度和平均深度的變化過(guò)程（見(jiàn)圖6）。溝道加寬的主要形式是溝壁崩塌及細(xì)溝間的合并［28］，溝道寬度隨降雨歷時(shí)的增加而不斷增加，且增加的速度較慢。溝道加深的主要方式是徑流對(duì)溝底的下切侵蝕［29］，降雨前期溝道平均深度較小，隨降雨歷時(shí)增加，平均深度逐漸增大，且與平均寬度的差距逐漸減小。試驗(yàn)后期溝道平均深度的增速大于溝道平均寬度，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)平均深度已大于平均寬度，細(xì)溝逐漸向淺溝演變。

細(xì)溝總表面積是坡面被細(xì)溝破壞的總面積，通過(guò)不同降雨歷時(shí)條件下溝道寬度和溝道長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，獲取不同降雨歷時(shí)的細(xì)溝總表面積變化過(guò)程（見(jiàn)圖7）。在前兩段降雨過(guò)程中由于細(xì)溝寬度和細(xì)溝總長(zhǎng)迅速增加，細(xì)溝總表面積迅速增加；第二段降雨后，細(xì)溝寬度的增速趨于穩(wěn)定且細(xì)溝總長(zhǎng)緩慢下降，細(xì)溝總表面積在之后的降雨過(guò)程中緩慢增加。

為探究微坡度變化過(guò)程與細(xì)溝發(fā)育的關(guān)系，將微坡度區(qū)間分為lt;15°、15°～25°和gt;25° 3個(gè)區(qū)間分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖8）。15°～25°區(qū)間的柵格占比在第一段降雨后迅速下降，之后保持緩慢下降趨勢(shì)，說(shuō)明坡面在細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)發(fā)育基本成熟后，坡面破碎程度與細(xì)溝寬度逐漸增加，坡面被細(xì)溝破壞的面積隨坡面侵蝕過(guò)程逐漸增大。lt;15°區(qū)間的柵格占比在降雨過(guò)程中一直保持上升趨勢(shì)；gt;25°區(qū)間的柵格占比在第一段降雨后迅速上升，之后保持緩慢上升趨勢(shì)，且柵格占比的上升主要源于60°以上區(qū)間。結(jié)合坡面三維數(shù)據(jù)來(lái)看，坡面未出現(xiàn)細(xì)溝的部分，坡度變化較小，新出現(xiàn)的lt;15°區(qū)間和gt;60°區(qū)間柵格主要分布于細(xì)溝內(nèi)部，細(xì)溝內(nèi)部在發(fā)育過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生泥沙堆積的平臺(tái)和坡度較大的陡坎。坡面時(shí)段侵蝕量的波動(dòng)，也說(shuō)明細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程不是僅由徑流剝蝕作用形成，而是細(xì)溝內(nèi)徑流的剝蝕和邊壁不穩(wěn)定土體的坍塌共同作用的非均勻發(fā)育過(guò)程。徑流的剝蝕會(huì)加劇土體的不穩(wěn)定性，從而促進(jìn)土體的坍塌，而土體的坍塌又會(huì)為徑流的剝蝕提供大量松散的顆粒，徑流的剝蝕和土體的坍塌互相促進(jìn)，加速了細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程，從而造成了侵蝕量的波動(dòng)。

2.4 微坡向與坡面細(xì)溝形態(tài)變化關(guān)系

南向（順坡方向）的微坡向柵格占比在第一段降雨后由86.8%下降至32.0%，之后柵格占比緩慢下降，但南向的微坡向柵格占比一直大于其他微坡向柵格占比（見(jiàn)圖9），說(shuō)明在細(xì)溝侵蝕過(guò)程中坡面微坡度依然以坡面坡向?yàn)橹鲗?dǎo)坡向，細(xì)溝侵蝕不足以改變坡面的整體微坡向。北向的微坡向柵格占比一直保持在2%以下，這是由于坡面柵格的微坡向受坡面坡向的控制，北向柵格僅在少數(shù)小跌坑和部分細(xì)溝轉(zhuǎn)折的位置出現(xiàn)。東向和西向的微坡向柵格占比在第一段降雨后迅速上升至12%，之后保持穩(wěn)定，東、西向微坡向柵格主要出現(xiàn)在細(xì)溝邊壁，第一段降雨后坡面細(xì)溝的數(shù)量基本穩(wěn)定。東南和西南向微坡向柵格占比在第一段降雨后上升至20%左右，且變化幅度大于其他微坡向。東南和西南向微坡向柵格主要出現(xiàn)在正在擴(kuò)寬的溝壁和溝底形成的泥沙沉積平臺(tái)，這兩部分的穩(wěn)定性較差，所以東南和西南向變化幅度較大且會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)。東北向和西北向微坡向柵格數(shù)量一直保持緩慢上升，但柵格占比一直保持在3%以下，由于受到坡面坡向的控制，偏北向的柵格數(shù)量少，東北和西北向柵格主要出現(xiàn)在溝壁出現(xiàn)坍塌導(dǎo)致溝寬劇烈變化的位置。東北和西北向柵格占比上升，說(shuō)明隨著細(xì)溝的寬度和深度加大，溝壁坍塌的規(guī)模和頻率也會(huì)增大。坡面南向柵格和主要出現(xiàn)在細(xì)溝邊壁的東、西向柵格占比在第一段降雨后保持穩(wěn)定，而坡面被細(xì)溝破壞的面積逐漸增大，說(shuō)明隨著細(xì)溝寬度的增加，細(xì)溝內(nèi)南向柵格的數(shù)量也逐漸增多，溝道在發(fā)育過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有一定寬度的溝底，溝道的橫截面不是一直保持“V”形，而是會(huì)向“U”形過(guò)渡。

為定量表達(dá)坡面不同微坡向?qū)ζ旅婕?xì)溝形態(tài)變化的影響，對(duì)不同微坡向柵格數(shù)與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)（細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝復(fù)雜度）進(jìn)行了相關(guān)性分析（見(jiàn)表6）。結(jié)果表明，除北向外，其余微坡向柵格數(shù)變化與細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝復(fù)雜度、細(xì)溝累計(jì)長(zhǎng)度和細(xì)溝平均寬度顯著相關(guān)，細(xì)溝平均深度與微坡向柵格變化相關(guān)性較弱。

3 結(jié) 論

本文以斷續(xù)降雨過(guò)程中不同階段的黃土坡面柵格單元地形信息變化為研究對(duì)象，對(duì)微坡度、微坡向與黃土坡面侵蝕過(guò)程、細(xì)溝形態(tài)演變的相互影響進(jìn)行研究，結(jié)果如下：

（1） 坡面平均微坡度和微坡向的變化幅度能夠較好地表征坡面侵蝕強(qiáng)度，微坡度和微坡向變化幅度越大，時(shí)段侵蝕量越大，坡面侵蝕越劇烈。

（2） 細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)形成后細(xì)溝內(nèi)部lt;15°區(qū)間和gt;60°區(qū)間柵格增多，細(xì)溝內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生泥沙堆積的平臺(tái)和坡度較大的跌坎，說(shuō)明細(xì)溝的發(fā)育是細(xì)溝內(nèi)徑流剝蝕和不穩(wěn)定土體坍塌共同作用的非均勻發(fā)育過(guò)程，徑流的剝蝕和土體的坍塌互相促進(jìn)，加速了細(xì)溝的發(fā)育，從而造成了產(chǎn)沙量的波動(dòng)。

（3） 坡面南向柵格和主要出現(xiàn)在細(xì)溝邊壁的東、西向柵格占比在第一段降雨后保持穩(wěn)定，而坡面被細(xì)溝破壞的面積逐漸增大，說(shuō)明隨著細(xì)溝寬度的增加，細(xì)溝內(nèi)南向柵格的數(shù)量也逐漸增多，溝道在發(fā)育過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有一定寬度的溝底，溝道的橫截面不是一直保持“V”形，而是會(huì)向“U”形過(guò)渡。除北向外，微坡向柵格數(shù)變化與細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝復(fù)雜度、細(xì)溝累計(jì)長(zhǎng)度和細(xì)溝平均寬度顯著相關(guān)，微坡向柵格數(shù)的變化能夠較好地反映坡面細(xì)溝形態(tài)變化。

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（編輯：黃文晉）

Relationship between micro-topography factors of loess slope and erosion under intermittent rainfall

JIN Xin1，2，LIU Haonan1，2，ZHOU Chengfeng1，2，SONG Ying1，ZHAI Ting1，2，ZHAO Zhenxin1，2

（1.Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China； 2.Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

Abstract：

In this paper，aiming at topographic information of grid units on loess slope at different stages of intermittent rainfall，an artificial simulated rainfall test is carried out with 12 segments of 30 min and intensity of 60 mm/h，and the interaction between micro slope，micro slope direction，erosion process of loess slope and rill shape evolution is studied.The results show that the changes of micro slope gradient and micro slope direction are mainly concentrated in the initial stage of precipitation（0～30 min），while the changes in subsequent stages（30～360 min） are small.The changes of micro slope gradient and micro slope direction are significantly positively correlated with the erosion amount during periods.After the formation of rill network，the proportion of grids in the areas with slope less than 15° and above 45° increases slowly，which mainly occurs in the interior of the rill.The platform of sediment accumulation and steep slope will generate during the development of the rill interior.The development process of rills is a non-uniform development process in which the erosion by runoff in rills and collapse of unstable soil mass at the side walls work together.The erosion of runoff and collapse of soil mass promote each other and accelerate the development process of rills，thus causing fluctuations of erosion amount.During the course of rill erosion，the micro direction of rill is dominated by the gradient direction of slope，and the proportion of gradient grid remains unchanged after 30 min，while the total surface area of rills gradually increases，which indicates that the number of rill grids having the same direction with the slope increased.A bottom of certain width will generate in the rill，and rill section is transformed from V to U shape.Except for the north outward direction，the changes of grid number of rill directions are significantly related to the density of rills，the cleavage degree，the complexity of rills，the accumulated length of rills and the average width of rills.The number of grid of rill direction can better reflect the changes of the form of rills on the slope surface.

Key words：

slope erosion；micro terrain factor；intermittent rainfall；rill morphology