黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗研究

土壤與環(huán)境 2002, 11(4): 356359 Soil and Environmental Sciences E-mail: 基金項目： 中國科 學院知識創(chuàng)新重大項目 （ KZCX1-10-04） 作者簡介： 鄭良勇 （ 1977），男，碩士， 從事坡面侵蝕水動力學等方面的研究 。 E-mail: 收稿日期： 2002-04-10 黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗研究 鄭良勇，李占斌，李 鵬 中國科學院、教育部、西北農林科技大學水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100 摘要： 通過室內放水沖刷試驗，結果表明，陡坡單寬徑流能耗與單寬徑流產沙率之間存在以下線性關系： Dr=18.672（ E - 0.751），說明土壤的可蝕性參數為 18.672 g/J，發(fā)生坡面細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，臨界坡度出現在 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。坡面各段面侵蝕產沙也有類似特征。此研究對于深入了解黃土高原陡坡土壤侵蝕過程和機理具有重要意義。 關鍵詞： 徑流能耗；陡坡；產沙率 中圖分類號： S157 文獻標識碼： A 文章編號： 1008-181X（ 2002） 04-0356-04黃土高原坡陡溝深，水土流失嚴重，尤其近年來陡坡開荒嚴重，更加劇了坡耕地侵蝕。細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。因此研究陡坡細溝侵蝕對于防治坡耕地 水土流失具有重要意義。細溝是在坡面徑流差異性侵蝕條件下，在坡面上產生的一種小溝槽地形，其縱剖面與所在斜坡面一致，并能為當年犁耕所平復 2。細溝侵蝕是降雨形成的坡面漫流在順坡向下流動的過程中逐漸匯集成坡面股流并對坡面進行下切侵蝕，溯源侵蝕和側蝕的過程。只有當坡面徑流達到一定的水力臨界后才可能發(fā)生細溝侵蝕，水力臨界主要用徑流量，佛汝德數，徑流水流功率，徑流剪切力等來描述。 Rauws 和 Govers 研究發(fā)現，細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系表示，且試驗結果表明，35 cm/s 的切 應流速是細溝發(fā)生的水力學臨界 3。張科利則用佛汝德數 Fr 1 作為細溝發(fā)生的水動力臨界。細溝水流對土壤的沖刷作用是幾種作用的綜合。 Elliot and Laflen 把細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 等認為細溝侵蝕是在水流的切應力大于土壤臨界切應力且輸沙能力大雨實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 為與土壤性能有關的土壤可蝕性參數； 為徑流切應力； c 為臨界切應力 5。 盡管目前對坡面細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行，難以直接適用于我國坡陡溝深的黃土高原，另一方面細溝發(fā)育是一個動態(tài)變化過程，細溝水流的水深、流速、切應力等水力要素時空變化很大，以往研究多用整個坡面的平均值來計算，這將不能確切反映細溝發(fā)育的實際過程，因此本文通過室內放水沖刷模擬試驗利用徑流能耗理論對坡面細溝侵蝕過程作 一新的探討。 1 材料與方法 試驗在中科院水土保持研究所降雨大廳利用可調坡度鋼制土槽進行，土槽長 5 m、寬 0.33 m、深 0.5 m。試驗流量按黃土高原暴雨發(fā)生頻率在野外標準徑流小區(qū)上產生的單寬流量換算到試驗土槽上的流量得到，分別為 2.5 L/min、 3.5 L/min、 4.5 L/min、 5.5 L/min、 6.5 L/min 五個流量，坡度采用15、 18、 21、 24、 27、 30六級變化。試驗土壤體積質量控制在 1.25 g/cm3 左右，試驗前土槽灑水使土壤表層達到飽和。每次實驗用顏料示蹤法分四個段面每分鐘測量一次流速，沿土槽縱向依次確定12 個點，每分鐘在這些固定點位置用直尺測量水寬，水深由流量、流速和水寬計算獲得。每次實驗前后用溫度計在穩(wěn)流槽中測水溫。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算侵蝕量。試驗進行兩個重復。試鄭良勇等：黃土區(qū)陡坡侵蝕過程試驗研究 357 驗填土為楊凌當地婁土，其粒徑組成如表 1 所示。 2 結果與討論 2.1 陡坡細溝發(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的過程中需要克服坡面摩擦力、水流內摩擦力作功，水流剪切分離土壤和攜帶輸移土粒的過程實質上就是一個作功消耗能量的過程，對于一定的土壤來說，消耗相同的能量就會剝離相同的土粒。因此，我們可以通過分析坡面徑流的能量變化運用徑流能耗理論來研究坡面土壤侵蝕過程。 設單寬徑流在坡面頂端所具有的勢能為 E 勢 = qgLsin ，動能為 E 動 =(1/2) qV12，其總能量為： E=E 勢 +E 動 = qgLsin +(1/2) qV12 (3) 如果在理想狀態(tài)下，徑流到達坡面任何部位其總能量應該不變。但由于水流沿程要克服水土界面摩擦力和水流內摩擦力作功，一部分能量轉化為熱能散發(fā)掉，因此在坡面某一段面處徑流實際的總能量與理想狀態(tài)下有很大差異。設在坡面任一段面 x處的動能為 Ex 動 ，勢能為 Ex 勢 ，總能量為 Ex，則 Ex=Ex 動 +Ex 勢 = qxgLxsin +(1/2) qxVx2 (4) 其中： q 為單寬流量（ m2/s）； 為坡度（ ）；L 為坡長（ 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（ 9.8 m/s2）。如設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。因此坡面侵蝕產沙率與坡面徑流能耗之間必然存在一定關系。如果我們假設單寬徑流 在單位長度坡面上的產沙率為Drg/(ms)，單寬徑流在坡面上流過單位長度距離消耗的能量為 EJ/(ms)，點繪試驗中 Dr 與 E 的關系得到圖 1。從圖 1 中可以看出，不同坡度下單寬徑流在單位長度坡面上的產沙率與單寬徑流在坡面上流過單位長度距離消耗的能量之間存在很好的線性關系。我們用下式表示這種關系： Dr=Kr( E-E0) (6) 其中： Kr 為與土壤性質有關的可蝕性參數，不隨坡度和流量變化； E0 為發(fā)生細溝侵蝕的臨界徑流能耗；（ E-E0）代表有效徑流能耗， 即實際作用于剝離輸移土壤的能耗。該式表明只有當徑流的能耗大于臨界徑流能耗時，坡面才會產沙，且產沙率與有效徑流能耗呈正比。 對上圖各點趨勢進行擬合，可得以下關系式： Dr=18.672( E-0.751) R 2 =0.932 (7) 上式表明在試驗范圍內，所選用土壤的可蝕性參數為 18.672 g/J，即在試驗條件下單寬徑流消耗 1 J 的能量在單位長度坡面上產沙為 18.672 g。發(fā)生坡面細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 的產沙率，這對我們了解細溝發(fā)生的時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，其最大臨界值出現在 21和 24之間。當流量相同時，坡度越陡，徑流總能量越大，對坡面的侵蝕越劇烈，消耗的能量應該越多。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土粒，因此徑流能耗反而減 少。由圖中可知，當坡度由 15增加到 21時，徑流能耗隨之增加；當坡度大于 24時，徑流能耗則隨坡度呈遞減趨勢，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，這種現象可能與坡度和流量對坡面徑流能量的影響以及土壤抗沖性的綜合作用有關。 表 1 試驗土壤的粒徑組成 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 沙 率 與 單 寬 徑 流 能 耗 關 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的過程，對坡面土壤產生剪切分離作用，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，隨著試驗時間的延續(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間分異特征。 在試驗中將整個坡面平均分為 4 個段面，每個段面每一分鐘分別量測其流速和水寬，由此我們可以分別計算各個段面的徑流能耗。圖 3 是不同坡度和流量條件下各段面徑流能耗的變化圖。 在圖中橫坐標為流量和坡度的綜合指標，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。這是因為隨著流量的增加，在相同的坡度下徑流總能量也增大，對坡面的侵蝕力加劇，侵蝕量增大，消耗的能量越多。坡度為 15時，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。當坡度增加到 21時，段面 1 段面 2 和段面 3 的能耗基本相同。坡度大于24時，段面 3 的能耗繼續(xù)降低。這說明坡度較小時，徑流在第四段面初始能量較小，須經過一段距離加速到達段面 3 時，能量才達到最大值，此時對坡面的沖刷力最大，徑流能耗也最大。隨著坡度的增加，徑流能量在段面 4 便達到最大，對坡面上部土壤產生劇烈侵蝕，消耗大量能量，產生大量泥沙；因此當徑流到達段面 3 時，主要以輸移泥沙為主，對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，徑流對土壤的分離輸移作用比較穩(wěn)定，隨坡度變化不大。 根據上面所述的理論，在已知各段面徑流能耗的情況下，可以根據擬合的公式來推算各段面產沙率，由此可以了解坡面產沙的時空分布特征、細溝的發(fā)生發(fā)育過程以及坡面剝 蝕、輸移和沉積的相互轉化規(guī)律。圖 4 是根據各段面能耗利用擬合公式求算的坡面各段面產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，各段面的產沙率均增大。這是因為坡度相同時，流量越大，徑流總能量越多，對坡面的剪切分力作用越強，產沙率也越大。在坡度為 15時，段面 3 產沙率最大，隨著坡度的增加，段面 3 的產沙率逐漸降低，段面 4 的產沙率則漸增。另外，當坡度 15由增加到 18時，段面 1 和段面 2 的產沙率出現負值，說明此處泥沙沉積量大于剝蝕量，出現泥沙凈沉積。當坡度為 24流量為 2.5 L/min 時，段面3 也開始出現凈沉積。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，坡面下部凈沉積一般發(fā)生在每個坡度的較小流量時，并且坡度越大，發(fā)生凈沉積的坡面越多。究其原因是因為流量較小時，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)陡坡侵蝕過程試驗研究 359 上部剝蝕的土壤帶出出水口，因此在坡面下部出現凈沉積。隨著坡度的增加，一方面徑流在坡面上方具有的能量越多，對段面 4 的侵蝕越大，消耗的能量越多，產生的泥沙越多；另一 方面要把這些泥沙都帶走需要更多的能量，這是一個矛盾統一的過程。在坡面上部產生的泥沙越多，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，在下部段面出現泥沙凈沉積。當泥沙部分沉積后，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，段面產沙率便相應增大。因此在坡度為 27和 30時，段面 3 的產沙率小于段面 1 和段面 2。 3 結論 （ 1）試驗的研究結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系，表達式為 Dr=18.672（ E-0.751），所選用土壤的可蝕性參數為 18.672 g/J，發(fā)生坡面細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，臨界極值坡度出現在 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沙也有類似特征。 參考文獻： 1 朱顯謨 . 黃土高原水蝕的主要類型及其有關因素 J. 水土保持通報 , 1981(4): 13-18. 2 鄭粉莉 , 高學田 . 黃土坡面土壤侵蝕過程與模 擬 M. 陜西人民出版社 , 2000: 8-9. 3 RAUWS G, GOVERS G. 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