黄土区浅沟侵蚀影响因素对其侵蚀速率影响的模拟试验研究

龚家国，庞金城，贾仰文，王文龙，周祖昊，彭 辉

（1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.陕西省渭河流域管理局，西安 710018；3.中国科学院水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100）

浅沟侵蚀在黄土高原丘陵沟壑区普遍存在，一般发生在距分水岭20～60m以下至切沟侵蚀带之间的坡面上，是细沟到切沟侵蚀的中间过渡侵蚀类型［1－4］，既是上游水沙输移的重要通道，又是主要的侵蚀产沙区，其分布面积可占到沟间地的70%左右，侵蚀量占坡面侵蚀量的35%～70%［5－7］。同时浅沟使坡地的侵蚀面积增大，浅沟集水区变大，坡面水流的汇流速度加快，使水流更易集中，从而使水流侵蚀动能剧增，是切沟侵蚀和沟头前进的动力源泉［6－8］。因此，黄土高原地形的破碎始于浅沟侵蚀，其对土地利用、土地生产力、生态环境等产生严重的不利影响。使地形不断演变为支离破碎的同时，土壤中的养分也在不断流失，土地也随即不断贫瘠化［9－11］。

浅沟是农耕坡地上永久性水力侵蚀形态，属于坡地水力面蚀和沟蚀之间的过渡类型。刘宝元［12］野外调查得出，浅沟顶端到分水岭的距离以及集流槽的间距与坡度呈线性相关；张科利等［9，13］通过野外调查对黄土高原丘陵区坡面浅沟的分布、临界坡长、上游汇水面积、分布密度等侵蚀发育特征进行了研究。得出浅沟断面形态变化的回归拟合方程，并从浅沟发育历史得出推算坡面浅沟年均侵蚀量的计算式。唐克丽等［14］以考察资料结合定位观测与模拟降雨试验，对黄土丘陵区退耕上限坡度进行了论证。武敏等［15］通过室内试验定量研究了不同含沙水流、不同降雨条件下坡面汇水汇沙对浅沟侵蚀过程的影响。龚家国等［16］通过野外放水冲刷试验对浅沟水流的流态及其水动力学特性进行了研究。

目前对浅沟侵蚀影响因素的研究主要集中在野外调查和定性研究方面，尚缺乏不同影响因素相互剥离条件下的定量研究。由于浅沟侵蚀的末端与沟沿线相交，野外实地观测试验不但困难而且危险（如图1）。本研究以黄土高原丘陵沟壑区的浅沟为主要研究对象，采用室内模拟降雨与放水冲刷实验相结合的研究方法，通过试验设计分离出不同侵蚀影响因素对浅沟侵蚀速率的影响，对深入认识浅沟发育影响因素，揭示黄土丘陵区坡面侵蚀规律，建立土壤侵蚀预报模型和确定坡沟治理方针具有重要的科学意义和应用价值。

图1 黄土高原丘陵沟壑区典型坡面侵蚀图

1 材料与试验设计

影响浅沟侵蚀的因素有许多，包括雨型、雨强、下垫面覆被状况、土壤类型、坡度、坡形、坡长及田间管理措施等。本研究用典型的黄土丘陵沟壑区——安塞黄绵土作为侵蚀对象，重点模拟研究雨强、坡度、坡长、汇水面积、耕作等浅沟侵蚀速率的影响。

土壤性质对浅沟的形成和发育具有重要影响。研究所用的土壤取自位于黄土高原丘陵沟壑区安塞县的黄绵土。土壤颗粒组成见表1。

表1 实验用土壤颗粒组成表

表2 浅沟侵蚀模拟实验参数表

具体实验时不考虑坡向和坡形的影响。在相同条件下，耕作处理（T）试验与非耕作处理（NT）试验交替进行，耕作模拟采用锄头（长约20cm）进行水平翻松。上游汇水面积形状假定为与浅沟等宽的长方形，其影响采用溢流箱放水进行模拟，放水流量按照沟间距与试验槽的比例进行缩放。坡长受实验装置限制为8m。具体实验设计参数见表2［8，13］。本实验中不考虑作物因素。

试验在中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的人工降雨大厅进行，该大厅有完备的模拟降雨设备。另一主要实验设备为液压式可变坡度实验土槽（如图2），尺寸为8m×2m×0.6m。具体实验时将土槽在长度方向上从中间隔开，即每个实验小区试验尺寸可分为两个8m×1m×0.6m的实验槽，以利于进行对照实验。

实验中分别在距顶端2m，4m和6m处设置观测断面，需要测量的数据有水温，浅沟水流的流速、流量、水深、水面宽、含沙量以及浅沟的沟深和沟宽。数据采集对应时刻分别为1，3，6，9，12，15，18，21，24，27，30min。其中水温的观测由煤油温度计直接在上游供水槽测量；流速用染料示踪法观测断面附近50 cm流程上的平均流速，因水流紊动强烈，染色剂与水流混合充分，因此直接采用观测值进行分析；流量采用体积法在试验槽下端出口测量；产沙量采用取样烘干法测量；水深、水面宽、沟宽及沟深用三向垂直支架测量，其中沟宽通过测量沟边距试验槽壁的距离计算其差值得到，沟深通过测量两侧沟沿及沟底距水准高程的距离，然后计算其差值求平均得到。实验以沟口开始出流时刻为产流零点，开始监测沟断面形态、水面形态以及流量、含沙量数据。

图2 主要实验设备及实验布设示意图

2 侵蚀速率与影响因素的关系

2.1 雨强对侵蚀速率的影响

在相同条件下，由于雨强的增大，相同时间内雨滴打击动能必然增大，坡地产流系数增大，上游汇水区来水以及沟间地的汇流增多，从而使得浅沟流量必然增大，导致侵蚀速率增大。然而由于坡度、汇水面积的不同以及耕作对下垫面性质的巨大改变等原因，也造成侵蚀速率随雨强的变化出现各种变异。

如图3，15°坡面上在未耕作处理时，侵蚀速率随着雨强的增大而增大，在汇水面积为500m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.48倍和2.27倍，汇水面积为800m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.67倍和2.11倍；在耕作处理时，由于渗透系数的增大，土壤侵蚀变异性增大以及土壤抗蚀性降低，随着雨强的增大，侵蚀速率随着雨强变化的规律与未耕作处理时出现很大的差别，在汇水面积为500m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.36倍和1.11倍，汇水面积为800m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60 mm／h的侵蚀速率分别增大0.89倍和1.05倍；同时对比发现耕作造成了侵蚀速率的变异性增大。

图3 不同坡度下侵蚀速率与雨强的关系

20°坡面上在未耕作处理时，侵蚀速率随着雨强的增大而增大，在汇水面积为500m2时，雨强为90 mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.63倍和1.55倍，汇水面积为800m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大0.91倍和1.23倍；在汇水面积为500m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.34倍和2.30倍，汇水面积为800m2时，90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.40倍和2.22倍。

25°坡面上在未耕作处理时，侵蚀速率随着雨强的增大而增大，在汇水面积为500m2时，雨强为90 mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.05倍和1.42倍，汇水面积为800m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.90倍和2.11倍；在耕作处理时，在汇水面积为500m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60 mm／h的侵蚀速率分别增大1.36倍和1.51倍，汇水面积为800m2时，雨强为90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蚀速率分别增大1.60倍和2.89倍。

2.2 坡度对侵蚀速率的影响

坡度是发生浅沟侵蚀的重要影响因素。相同条件下，随着坡度的增大，重力沿坡度方向的分量不断加大，从而使水流在相同坡长条件下获得的动能增大。然而侵蚀能力的增强必然加强了水流改变下垫面土壤的能力，从而改变了侵蚀发生过程中的能量分配规律，使得侵蚀产沙速率在不同坡面上出现不同程度的变异。如图4a所示，未耕作处理时，在60mm／h和90mm／h雨强条件下侵蚀速率在坡度增大的过程中表现出递增趋势，而在120mm／h条件下出现了侵蚀速率随坡度的增大先减小后增大的趋势。如图4b所示，耕作处理时，侵蚀速率随坡度的变化趋势则与未耕作处理时相反。

2.3 汇水面积对侵蚀速率的影响

如图5，侵蚀速率随汇水面积的增大而增大。在汇水面积从500m2增大到800m2时，未耕作处理条件下，侵蚀速率在15°、20°和25°坡面上分别增大1.17倍、1.48倍、1.52倍；而在耕作处理条件下，侵蚀速率在15°、20°和25°坡面上分别增大1.20倍、1.63倍、1.68倍。这说明在实验条件下侵蚀速率表现为从小坡度小汇水面积向大坡度大汇水面积加速增大的趋势。

图4 侵蚀产沙率与坡度的关系

图5 侵蚀速率与汇水面积的关系

2.4 农垦耕作对侵蚀速率的影响

农事耕作破坏了土壤表面结皮和耕层土壤内部结构，增大了土壤抗蚀性空间变异性，显著减小耕层土壤抗侵蚀能力的同时，增大了土壤的入渗能力和浅沟沟壁崩塌的可能性。如图6，未耕作和耕作两种处理条件下，在坡度为15°，20°，25°坡面上侵蚀速率随雨强的变化都存在明显的递增趋势，但耕作使得15°坡面上侵蚀速率受雨强变化的影响显著减小，但侵蚀速率仍然大于未耕作条件下的侵蚀速率，同时使得20°和25°坡面上在60mm／h和90mm／h时的侵蚀速率变化的速度显著小于90mm／h和120mm／h时的侵蚀速率变化。这说明小坡度坡面上，由于入渗速度的增大可以显著减少由于雨强引起的侵蚀变化，但在大坡度和大雨强条件下，耕作对雨强引起的侵蚀变化有加强作用。

图6 侵蚀速率与耕作的关系

3 结论

本文在对前人调查研究总结的基础上，通过模拟实验对黄土丘陵沟壑区浅沟侵蚀的主要影响因素进行了研究，研究表明浅沟侵蚀发生的速率与坡度、雨强和汇水面积均呈正相关关系，但耕作对这种趋势的影响最大，其次是降雨强度的影响。耕作通过改变土壤表层结构，改变了浅沟侵蚀随雨强、坡度和上游汇水面积与侵蚀速率的响应关系。

未耕作处理时，在60mm／h和90mm／h雨强条件下侵蚀速率在坡度增大的过程中表现出递增趋势，而在120mm／h条件下出现了侵蚀速率随坡度的增大先减小后增大的趋势。耕作处理时，侵蚀速率随坡度的变化趋势则与未耕作处理时相反。

未耕作处理条件下，侵蚀速率与坡度、雨强和汇水面积均呈正相关关系，即侵蚀速率随着坡度、雨强和汇水面积的增加而增大；而在耕作处理条件下，侵蚀速率与坡度、雨强及汇水面积的相关关系出现很大变异，特别是坡度为15°条件下的侵蚀速率随雨强的变化不明显，在20°和25°条件下随雨强的增大侵蚀速率呈加速增大的趋势。

从小坡度小汇水面积向大坡度大汇水面积变化时，侵蚀速率表现为加速增大的趋势。且小坡度坡面上，耕作显著减少了由于雨强引起的侵蚀变化，但在大坡度和大雨强条件下，耕作对雨强引起的侵蚀变化有加强作用。

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