黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗(yàn)研究

土壤與環(huán)境 2002, 11(4): 356359 Soil and Environmental Sciences E-mail: 基金項(xiàng)目： 中國(guó)科 學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新重大項(xiàng)目 （ KZCX1-10-04） 作者簡(jiǎn)介： 鄭良勇 （ 1977），男，碩士， 從事坡面侵蝕水動(dòng)力學(xué)等方面的研究 。 E-mail: 收稿日期： 2002-04-10 黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗(yàn)研究 鄭良勇，李占斌，李 鵬 中國(guó)科學(xué)院、教育部、西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100 摘要： 通過室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)，結(jié)果表明，陡坡單寬徑流能耗與單寬徑流產(chǎn)沙率之間存在以下線性關(guān)系： Dr=18.672（ E - 0.751），說明土壤的可蝕性參數(shù)為 18.672 g/J，發(fā)生坡面細(xì)溝侵蝕的臨界徑流能耗為 0.751 J/(ms)。坡面單寬徑流能耗隨流量增大而增加，隨坡度變化呈拋物線趨勢(shì)，臨界坡度出現(xiàn)在 21和 24之間。坡面上各段面單寬徑流能耗均隨流量的 增大而增加，隨著坡度逐漸增加，坡面上部段面能耗漸增，中部段面漸減，下部較穩(wěn)定。坡面各段面侵蝕產(chǎn)沙也有類似特征。此研究對(duì)于深入了解黃土高原陡坡土壤侵蝕過程和機(jī)理具有重要意義。 關(guān)鍵詞： 徑流能耗；陡坡；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)： 1008-181X（ 2002） 04-0356-04黃土高原坡陡溝深，水土流失嚴(yán)重，尤其近年來陡坡開荒嚴(yán)重，更加劇了坡耕地侵蝕。細(xì)溝侵蝕是坡面侵蝕的主要形式，其侵蝕量約占坡面總侵蝕量的 70%1。因此研究陡坡細(xì)溝侵蝕對(duì)于防治坡耕地 水土流失具有重要意義。細(xì)溝是在坡面徑流差異性侵蝕條件下，在坡面上產(chǎn)生的一種小溝槽地形，其縱剖面與所在斜坡面一致，并能為當(dāng)年犁耕所平復(fù) 2。細(xì)溝侵蝕是降雨形成的坡面漫流在順坡向下流動(dòng)的過程中逐漸匯集成坡面股流并對(duì)坡面進(jìn)行下切侵蝕，溯源侵蝕和側(cè)蝕的過程。只有當(dāng)坡面徑流達(dá)到一定的水力臨界后才可能發(fā)生細(xì)溝侵蝕，水力臨界主要用徑流量，佛汝德數(shù)，徑流水流功率，徑流剪切力等來描述。 Rauws 和 Govers 研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝侵蝕的臨界條件可用有效剪切流速與土壤飽和粘滯力之間的線性關(guān)系表示，且試驗(yàn)結(jié)果表明，35 cm/s 的切 應(yīng)流速是細(xì)溝發(fā)生的水力學(xué)臨界 3。張科利則用佛汝德數(shù) Fr 1 作為細(xì)溝發(fā)生的水動(dòng)力臨界。細(xì)溝水流對(duì)土壤的沖刷作用是幾種作用的綜合。 Elliot and Laflen 把細(xì)溝水流的分散能力分為水流沖刷、溝頭沖刷、水流淘刷崩塌和溝壁脫落四部分 4。 Nearing 等認(rèn)為細(xì)溝侵蝕是在水流的切應(yīng)力大于土壤臨界切應(yīng)力且輸沙能力大雨實(shí)際輸沙率的條件下發(fā)生的，并提出以下模型： Dr=Dc(1-Gs/Tc) (1) Dc=k( - c) (2) 其中， Dr 為徑流分離率； Dc 為徑流分離能力；Gs 為輸移率； Tc 為輸移能力； k 為與土壤性能有關(guān)的土壤可蝕性參數(shù)； 為徑流切應(yīng)力； c 為臨界切應(yīng)力 5。 盡管目前對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕的研究較多且取得豐碩成果，但上述研究一方面大多是在緩坡進(jìn)行，難以直接適用于我國(guó)坡陡溝深的黃土高原，另一方面細(xì)溝發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，細(xì)溝水流的水深、流速、切應(yīng)力等水力要素時(shí)空變化很大，以往研究多用整個(gè)坡面的平均值來計(jì)算，這將不能確切反映細(xì)溝發(fā)育的實(shí)際過程，因此本文通過室內(nèi)放水沖刷模擬試驗(yàn)利用徑流能耗理論對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕過程作 一新的探討。 1 材料與方法 試驗(yàn)在中科院水土保持研究所降雨大廳利用可調(diào)坡度鋼制土槽進(jìn)行，土槽長(zhǎng) 5 m、寬 0.33 m、深 0.5 m。試驗(yàn)流量按黃土高原暴雨發(fā)生頻率在野外標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)上產(chǎn)生的單寬流量換算到試驗(yàn)土槽上的流量得到，分別為 2.5 L/min、 3.5 L/min、 4.5 L/min、 5.5 L/min、 6.5 L/min 五個(gè)流量，坡度采用15、 18、 21、 24、 27、 30六級(jí)變化。試驗(yàn)土壤體積質(zhì)量控制在 1.25 g/cm3 左右，試驗(yàn)前土槽灑水使土壤表層達(dá)到飽和。每次實(shí)驗(yàn)用顏料示蹤法分四個(gè)段面每分鐘測(cè)量一次流速，沿土槽縱向依次確定12 個(gè)點(diǎn)，每分鐘在這些固定點(diǎn)位置用直尺測(cè)量水寬，水深由流量、流速和水寬計(jì)算獲得。每次實(shí)驗(yàn)前后用溫度計(jì)在穩(wěn)流槽中測(cè)水溫。在土槽出水口每隔一分鐘接取泥沙樣以烘干獲得含沙量，接取全部徑流泥沙樣以計(jì)算侵蝕量。試驗(yàn)進(jìn)行兩個(gè)重復(fù)。試鄭良勇等：黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗(yàn)研究 357 驗(yàn)填土為楊凌當(dāng)?shù)貖渫?，其粒徑組成如表 1 所示。 2 結(jié)果與討論 2.1 陡坡細(xì)溝發(fā)生的能量分析 土壤侵蝕是降雨及降雨匯集的坡面水流對(duì)土壤作功的過程，因此必然遵循能量守恒定律。坡面徑流在順坡向下流動(dòng)的過程中需要克服坡面摩擦力、水流內(nèi)摩擦力作功，水流剪切分離土壤和攜帶輸移土粒的過程實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)作功消耗能量的過程，對(duì)于一定的土壤來說，消耗相同的能量就會(huì)剝離相同的土粒。因此，我們可以通過分析坡面徑流的能量變化運(yùn)用徑流能耗理論來研究坡面土壤侵蝕過程。 設(shè)單寬徑流在坡面頂端所具有的勢(shì)能為 E 勢(shì) = qgLsin ，動(dòng)能為 E 動(dòng) =(1/2) qV12，其總能量為： E=E 勢(shì) +E 動(dòng) = qgLsin +(1/2) qV12 (3) 如果在理想狀態(tài)下，徑流到達(dá)坡面任何部位其總能量應(yīng)該不變。但由于水流沿程要克服水土界面摩擦力和水流內(nèi)摩擦力作功，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)掉，因此在坡面某一段面處徑流實(shí)際的總能量與理想狀態(tài)下有很大差異。設(shè)在坡面任一段面 x處的動(dòng)能為 Ex 動(dòng) ，勢(shì)能為 Ex 勢(shì) ，總能量為 Ex，則 Ex=Ex 動(dòng) +Ex 勢(shì) = qxgLxsin +(1/2) qxVx2 (4) 其中： q 為單寬流量（ m2/s）； 為坡度（ ）；L 為坡長(zhǎng)（ m）； Lx 為坡面任一段面 x 到坡腳的距離（ m）； V 為坡面頂端流速（ m/s）； Vx 為段面處流速（ m/s）； g 為重力加速度常數(shù)（ 9.8 m/s2）。如設(shè)徑流從坡面頂端到坡面上的任意段面 x 處消耗的能量為E 耗 ，則 E 耗 =E-Ex (5) 徑流所消耗的能量一部分用于剝蝕分離土壤，另一部分消耗于攜帶輸移土粒。因此坡面侵蝕產(chǎn)沙率與坡面徑流能耗之間必然存在一定關(guān)系。如果我們假設(shè)單寬徑流 在單位長(zhǎng)度坡面上的產(chǎn)沙率為Drg/(ms)，單寬徑流在坡面上流過單位長(zhǎng)度距離消耗的能量為 EJ/(ms)，點(diǎn)繪試驗(yàn)中 Dr 與 E 的關(guān)系得到圖 1。從圖 1 中可以看出，不同坡度下單寬徑流在單位長(zhǎng)度坡面上的產(chǎn)沙率與單寬徑流在坡面上流過單位長(zhǎng)度距離消耗的能量之間存在很好的線性關(guān)系。我們用下式表示這種關(guān)系： Dr=Kr( E-E0) (6) 其中： Kr 為與土壤性質(zhì)有關(guān)的可蝕性參數(shù)，不隨坡度和流量變化； E0 為發(fā)生細(xì)溝侵蝕的臨界徑流能耗；（ E-E0）代表有效徑流能耗， 即實(shí)際作用于剝離輸移土壤的能耗。該式表明只有當(dāng)徑流的能耗大于臨界徑流能耗時(shí)，坡面才會(huì)產(chǎn)沙，且產(chǎn)沙率與有效徑流能耗呈正比。 對(duì)上圖各點(diǎn)趨勢(shì)進(jìn)行擬合，可得以下關(guān)系式： Dr=18.672( E-0.751) R 2 =0.932 (7) 上式表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，所選用土壤的可蝕性參數(shù)為 18.672 g/J，即在試驗(yàn)條件下單寬徑流消耗 1 J 的能量在單位長(zhǎng)度坡面上產(chǎn)沙為 18.672 g。發(fā)生坡面細(xì)溝侵蝕的臨界徑流能耗為 0.751 J/(ms)。利用（ 7）式我們可以在已知坡面徑流能耗的情況下推算出坡面 的產(chǎn)沙率，這對(duì)我們了解細(xì)溝發(fā)生的時(shí)空變異特征具有重要意義。 從圖 2 中可以看出，在相同的坡度下，流量越大，徑流能耗越大，產(chǎn)沙率也愈大。這是由于在相同的坡度下，流量越大，徑流總能量越大，對(duì)坡面的侵蝕加劇，消耗的能量也越多。在相同的流量下，徑流能耗隨坡度呈先增后減的拋物線趨勢(shì)，其最大臨界值出現(xiàn)在 21和 24之間。當(dāng)流量相同時(shí)，坡度越陡，徑流總能量越大，對(duì)坡面的侵蝕越劇烈，消耗的能量應(yīng)該越多。但是另一方面，坡度越大，土壤沿坡面方向的重力分力越大，土粒穩(wěn)定性越差，消耗較少的能量就可以剝離起動(dòng)土粒，因此徑流能耗反而減 少。由圖中可知，當(dāng)坡度由 15增加到 21時(shí)，徑流能耗隨之增加；當(dāng)坡度大于 24時(shí)，徑流能耗則隨坡度呈遞減趨勢(shì)，即徑流能耗變化的臨界坡度在 21和 24之間。此臨界坡度隨著流量的變化略有差異，這種現(xiàn)象可能與坡度和流量對(duì)坡面徑流能量的影響以及土壤抗沖性的綜合作用有關(guān)。 表 1 試驗(yàn)土壤的粒徑組成 粒徑 /mm 1 0.25 0.25 0.05 0.01 0.005 0.05 0.01 0.005 0.001 0.001 百分比 /% 0.12 2.70 6.88 41.13 12.89 36.28 圖 1 單 寬 徑 流 產(chǎn) 沙 率 與 單 寬 徑 流 能 耗 關(guān) 系0204060801001200 1 2 3 4 5 6 7 E / ( J m-1s-1)Dr/(gm-1S-1)151821242730358 土壤與環(huán)境 第 11 卷第 4 期（ 2002 年 11 月） 2.2 坡面侵蝕分異布特征分析 徑流順著坡面向坡下方流動(dòng)的過程，對(duì)坡面土壤產(chǎn)生剪切分離作用，剝離輸移土壤并消耗能量。在坡面不同位置由于徑流對(duì)土壤的侵蝕作用各異，因此徑流能耗在坡面上不同段面具有空間分異特征。另一方面，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延續(xù)，在坡面 上形成不同的侵蝕階段，土壤侵蝕形態(tài)各異，消耗的能量也不同，所以坡面徑流能耗也具時(shí)間分異特征。 在試驗(yàn)中將整個(gè)坡面平均分為 4 個(gè)段面，每個(gè)段面每一分鐘分別量測(cè)其流速和水寬，由此我們可以分別計(jì)算各個(gè)段面的徑流能耗。圖 3 是不同坡度和流量條件下各段面徑流能耗的變化圖。 在圖中橫坐標(biāo)為流量和坡度的綜合指標(biāo)，即2.5/15 代表坡度為 15流量為 2.5 L/min，依次類推；段面 1 在坡面下部與出水口相連，向坡上方 依次為段面 2、段面 3，坡面最上部為段面 4。從圖中可以看出在相同的坡度下，隨著流量的增加，各段面徑流能耗也增大。這是因?yàn)殡S著流量的增加，在相同的坡度下徑流總能量也增大，對(duì)坡面的侵蝕力加劇，侵蝕量增大，消耗的能量越多。坡度為 15時(shí)，段面 3 的能耗最大，段面 1 段面 2 其次，面 4 能耗最小。隨著坡度的增加，段面 4 的能耗逐漸增大，段面的能耗 3 則逐漸減小。當(dāng)坡度增加到 21時(shí)，段面 1 段面 2 和段面 3 的能耗基本相同。坡度大于24時(shí)，段面 3 的能耗繼續(xù)降低。這說明坡度較小時(shí)，徑流在第四段面初始能量較小，須經(jīng)過一段距離加速到達(dá)段面 3 時(shí)，能量才達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)坡面的沖刷力最大，徑流能耗也最大。隨著坡度的增加，徑流能量在段面 4 便達(dá)到最大，對(duì)坡面上部土壤產(chǎn)生劇烈侵蝕，消耗大量能量，產(chǎn)生大量泥沙；因此當(dāng)徑流到達(dá)段面 3 時(shí)，主要以輸移泥沙為主，對(duì)坡面的剝蝕分離作用減弱，消耗的能量減少。坡度越陡，這種情況越明顯。在坡面下部的 1、 2 段面，徑流對(duì)土壤的分離輸移作用比較穩(wěn)定，隨坡度變化不大。 根據(jù)上面所述的理論，在已知各段面徑流能耗的情況下，可以根據(jù)擬合的公式來推算各段面產(chǎn)沙率，由此可以了解坡面產(chǎn)沙的時(shí)空分布特征、細(xì)溝的發(fā)生發(fā)育過程以及坡面剝 蝕、輸移和沉積的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。圖 4 是根據(jù)各段面能耗利用擬合公式求算的坡面各段面產(chǎn)沙隨坡度流量的變化圖。 由圖中可以看出，在不同坡度下，隨著流量的增大，各段面的產(chǎn)沙率均增大。這是因?yàn)槠露认嗤瑫r(shí)，流量越大，徑流總能量越多，對(duì)坡面的剪切分力作用越強(qiáng)，產(chǎn)沙率也越大。在坡度為 15時(shí)，段面 3 產(chǎn)沙率最大，隨著坡度的增加，段面 3 的產(chǎn)沙率逐漸降低，段面 4 的產(chǎn)沙率則漸增。另外，當(dāng)坡度 15由增加到 18時(shí)，段面 1 和段面 2 的產(chǎn)沙率出現(xiàn)負(fù)值，說明此處泥沙沉積量大于剝蝕量，出現(xiàn)泥沙凈沉積。當(dāng)坡度為 24流量為 2.5 L/min 時(shí)，段面3 也開始出現(xiàn)凈沉積。隨著坡度的繼續(xù)增大，段面3 的凈沉積逐漸增多。由圖中可知，坡面下部?jī)舫练e一般發(fā)生在每個(gè)坡度的較小流量時(shí)，并且坡度越大，發(fā)生凈沉積的坡面越多。究其原因是因?yàn)榱髁枯^小時(shí)，徑流能量較小，沒有足夠的能量將在坡面 圖 3 各段面徑流能耗隨坡度流量變化圖 圖 2 單寬徑流能耗隨坡度變化 圖 4 各段面侵蝕產(chǎn)沙變化圖 051015202530352 . 5 / 1 5 5 . 5 / 1 5 3 . 5 / 1 8 6 . 5 / 1 8 4 . 5 / 2 1 2 . 5 / 2 4 5 . 5 / 2 4 3 . 5 / 2 7 6 . 5 / 2 7 4 . 5 / 3 0流 量 / 坡 度能耗E/(Jm-1s-1)段面 4段面 3段面 2段面 1-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 2.5/15 6.5/15 5.5/18 4.5/21 3.5/24 2.5/27 6.5/27 5.5/30 流量 /坡度 產(chǎn)沙率/（gm-1 s-1) 斷面 4 斷面 3 斷面 2 斷面 1 0123456715 18 21 24 27 30坡度 / oE/(Jm-1s-1)2 . 5 L / m i n3 . 5 L / m i n4 . 5 L / m i n5 . 5 L / m i n6 . 5 L / m i n鄭良勇等：黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗(yàn)研究 359 上部剝蝕的土壤帶出出水口，因此在坡面下部出現(xiàn)凈沉積。隨著坡度的增加，一方面徑流在坡面上方具有的能量越多，對(duì)段面 4 的侵蝕越大，消耗的能量越多，產(chǎn)生的泥沙越多；另一 方面要把這些泥沙都帶走需要更多的能量，這是一個(gè)矛盾統(tǒng)一的過程。在坡面上部產(chǎn)生的泥沙越多，消耗的能量就越多，因此徑流用于輸移泥沙和在下部段面剝蝕土壤的能量就越少，在下部段面出現(xiàn)泥沙凈沉積。當(dāng)泥沙部分沉積后，徑流用于輸移泥沙消耗的能量減少，從而有更多的能量用于剝離土粒，段面產(chǎn)沙率便相應(yīng)增大。因此在坡度為 27和 30時(shí)，段面 3 的產(chǎn)沙率小于段面 1 和段面 2。 3 結(jié)論 （ 1）試驗(yàn)的研究結(jié)果表明坡面單寬徑流能耗與單寬徑流輸沙率之間存在良好的線性關(guān)系，表達(dá)式為 Dr=18.672（ E-0.751），所選用土壤的可蝕性參數(shù)為 18.672 g/J，發(fā)生坡面細(xì)溝侵蝕的臨界徑流能耗為 0.751 J/(ms)。 （ 2）面單寬徑流能耗隨流量增大而增加，隨坡度的變化拋物線趨勢(shì)，臨界極值坡度出現(xiàn)在 21和 24之間。 （ 3）坡面上各段面單寬徑流能耗均隨流量的增大而增加，隨著坡度逐漸增加，坡面上部段面能耗漸增，中部段面漸減，下部較穩(wěn)定。由此反映坡面各段面侵蝕產(chǎn)沙也有類似特征。 參考文獻(xiàn)： 1 朱顯謨 . 黃土高原水蝕的主要類型及其有關(guān)因素 J. 水土保持通報(bào) 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