黄土坡面细沟侵蚀过程

谭贞学，王占礼，王莎，刘俊娥

(1.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，712100，陕西杨凌;2.钦州市水保监测分站，535000，广西钦州;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌;4.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

黄土坡面细沟侵蚀过程

谭贞学1，2，王占礼1，3†，王莎3，4，刘俊娥3，4

(1.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，712100，陕西杨凌;2.钦州市水保监测分站，535000，广西钦州;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌;4.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

采用具有定流量放水组合小区模拟降雨试验方法，对黄土坡面细沟侵蚀过程进行模拟试验。结果表明:不同坡度和不同降雨强度下，细沟侵蚀率都呈现随径流变化过程的递增而增大的趋势，并且幂函数方程可以较好地模拟出其变化过程，同时在径流变化过程中，不同坡度下细沟侵蚀率随径流过程变化的递增速率总体上大于不同降雨强度下的递增速率;细沟侵蚀模数随坡度及降雨强度的增大皆增大，可分别用对数方程及指数方程很好地描述，坡度及降雨强度对细沟侵蚀模数的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述;试验条件下，水流切应力是细沟侵蚀过程发生发展的动力根源。

细沟侵蚀;侵蚀过程;组合小区;切应力;黄土坡面

土壤侵蚀是全球性的严重环境问题。大量研究［1－2］表明，坡面侵蚀量的大小取决于坡面是否有沟蚀发生。细沟作为沟蚀的初始侵蚀形态，一旦产生，坡面水流的侵蚀力和搬运力均会远大于雨滴和片状水流所具有的侵蚀力和搬运力［3］，土壤侵蚀量就会大幅度增加，细沟侵蚀量对坡面侵蚀量的贡献能够超过70%［4－5］。长久以来关于细沟侵蚀的研究一直是坡面侵蚀研究的重要内容。我国黄土地区坡面地形破碎、土质松、暴雨多，具备细沟侵蚀发生发展的有利条件，与国外主要是缓坡地的细沟侵蚀相比，黄土区细沟侵蚀程度更为严重。陕西子洲径流试验站1963—1967年对坡长60 m、坡度22°小区的观测结果表明，每年有45% ～60%的产流暴雨产生细沟，细沟侵蚀量占总侵蚀量的68% ～91%［6］。可见，细沟侵蚀是我国黄土地区坡面极其重要的侵蚀过程。阐明黄土地区坡面细沟侵蚀过程，可为区域坡面侵蚀过程模型研究奠定重要基础，为黄土区坡面水土流失治理及生态建设提供重要科学依据。

国内外诸多学者对细沟侵蚀进行了大量的研究。张科利等［7］对黄土坡面细沟的水动力学特征及发生机制进行了试验研究;雷阿林等［8］对细沟侵蚀发生的临界动力条件进行了研究;G.R.Foster等［9］通过不同条件下的实验研究和理论分析，探讨了细沟的流速及分布、水力半径及阻力系数的表达式;李君兰等［10］研究了降雨强度、坡度和坡长对细沟侵蚀的交互效应;蔡强国等［11］分析了10种不同土壤在细沟侵蚀过程中的侵蚀产沙量;V.O.Polyakov等［12］利用壤土研究在净分离和净沉积状况下的细沟侵蚀的水流输沙能力;夏卫生等［13］通过测定细沟侵蚀中泥沙含量及黏粒含量来分析土壤肥力的变化规律;郑粉莉［14］对黄土坡耕地细沟侵蚀的发生、发展和防治途径做了探讨。

上述文献的作者主要是对细沟产生机制与影响因素及相关的侵蚀作用等方面进行了研究，尤其主要采用的在平整坡面小区上让细沟自由产生、演化的降雨试验及限定性细沟上的放水试验2种观测方法，都未能有效地实现对细沟侵蚀过程的观测与研究。笔者自行设计具有细沟和细沟间的组合观测系统，采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法对细沟侵蚀过程进行科学观测，研究黄土坡面细沟侵蚀过程，揭示细沟侵蚀发生发展过程的动力学机制，以促进对细沟侵蚀过程的深入认识，为发展细沟侵蚀过程模型奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置与供试土壤

试验装置为自行设计加工的移动式变坡度钢制系列组合小区(图1)，共由3个小区组成，各个小区长80 cm，宽50 cm，深35 cm，3个小区分别编号为1、2、3号。其中:1号小区用于观测坡面细沟沟头以上的侵蚀产沙与产流(取得细沟小区顶部汇入沙与汇入流)，置于组合小区的最上部，装土厚度30 cm，装土后表面平整;2号小区用于观测坡面全部的细沟与细沟间侵蚀产沙与产流，紧接1号小区设置，装土最厚处30 cm，位于小区左右两侧，由两侧向中间均匀倾斜10°，中间留出10 cm宽度焊接单底钢槽(细沟小区)，钢槽上缘与其两侧装土最薄处等高，钢槽中装土厚度25 cm;3号小区用于观测坡面细沟两侧的细沟间侵蚀产沙与产流(取得细沟小区两侧细沟间汇入沙与汇入流)，置于组合小区的旁边，除钢槽(细沟小区)中不装土外，其余设置与2号小区相同。1号小区下端与2号小区上端之间由与细沟等宽的封闭导流槽连接。试验土壤取自位于黄土高原腹地的陕西省安塞县，土壤类型为黄绵土，土壤机械组成见表1。每次试验都重新填土，各项试验的前期土壤含水量均为14%，土壤密度为1.2 g/cm3。

图1 试验装置示意图Fig．1 Experiment equipment

表1 试验土壤机械组成Tab．1 Mechanical composition of experimental soil

1.2 试验设计与观测计算

试验在中国科学研究院水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行，采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法完成。各场试验都在降雨产流开始时，在1号小区上端同时开始进行0.12 m3/h的定流量放水，其作用相当于增加小区的坡长，使各场降雨试验的产流汇流流量统一提高同一等级(相当于注入稳定基流)，而降雨产流汇流与定量放水叠加形成的流量，其变化规律依然随降雨强度及坡度的改变而变化。试验坡度分别为 9°、12°、15°、18°、21°，降雨强度分别为 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min。进行同坡度(15°)不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min)及同降雨强度(2.0 mm/min)不同坡度(9°、12°、15°、18°、21°)的组合试验，不同坡度与降雨强度组合的试验9场，所有试验均重复进行1次，总共试验场次为18次，分析时取2次试验数据的平均值。各场试验的降雨历时均为18.25 min。开始产流后的0.25 min前不进行观测，以消除小区装土时表面留下的松土等对含沙量的影响，开始产流后的0.25 min进行第1次观测，以后每隔3 min观测1次，直到降雨停止。各坡度降雨强度组合下不同径流时刻细沟小区中的细沟水流流速用高锰酸钾染色法测量。试验时同步观测1、2、3号小区出口输出的径流及泥沙，即同一时刻在3个小区出口分别进行取样观测。各小区出口的水沙观测方法为通过与流速观测同步的计时计容取浑水样进行，并通过测定含沙量及泥沙密度，计算出分析研究需要的不同细沟侵蚀特征、细沟径流及其水动力学特征。其中，细沟侵蚀量由2号小区出口观测的泥沙量减去1号小区出口观测的泥沙量和3号小区出口观测的泥沙量而取得。

2 结果与分析

2.1 细沟侵蚀率随径流过程的变化

2.1.1 不同降雨强度下细沟侵蚀率随径流过程的变化 根据试验所得结果，点绘了不同降雨强度下坡面细沟侵蚀率随径流过程变化的折线图，如图2所示。可以看出，同一坡度不同降雨强度下，细沟侵蚀率随径流过程的变化表现为先上升后趋于相对稳定的态势，开始产流的9 min内以上升为主，9 min以后趋于相对稳定，其中，试验中的3个小降雨强度下更为稳定，而试验中的2个大降雨强度下缓慢上升。总体上降雨强度越大，相应细沟侵蚀率也越大。结果表明，不同降雨强度下，细沟侵蚀率随径流过程的变化皆可用幂函数方程较好地描述，描述方程及检验结果见表2。

图2 不同降雨强度下细沟侵蚀率随径流过程的变化Fig．2 Variation of rill erosion rate with runoff processes under different rainfall intensities

表2 不同降雨强度下细沟侵蚀率随径流过程变化的经验方程Tab．2 Statistical equations of rill erosion rate variation with runoff processes under different rainfall intensities

细沟径流在细沟侵蚀过程中起着最重要的作用，控制了细沟侵蚀过程的主体趋势。在组合小区试验条件下，径流过程开始初期，各小区土壤入渗率大，形成的细沟径流率小，细沟水流的侵蚀能力低，故细沟侵蚀率最小。随降雨过程的进行，各小区土壤入渗率逐步减小，形成的细沟径流率逐步增大，细沟水流侵蚀能力逐步增强，细沟侵蚀率相应逐步增大，表现为随径流过程推进呈上升趋势的变化。约在产流开始9 min以后，由于各小区坡面土壤趋于饱和，形成的细沟径流率逐步稳定，细沟径流侵蚀力也趋于稳定，所以，细沟侵蚀率转向变化平缓趋势，表现为随径流过程趋于相对稳定的态势。

2.1.2 不同坡度下细沟侵蚀率随径流过程的变化

图3 不同坡度下细沟侵蚀率随径流过程的变化Fig．3 Variation of rill erosion rate with runoff processes under different slope gradients

根据试验结果绘制了不同坡度下坡面细沟侵蚀率随径流过程变化的折线图，如图3所示。可以明显地看出，不同坡度下坡面细沟侵蚀率随径流过程的变化也总体表现为随径流历时的增长先递增后趋于相对稳定或递增率减缓的态势，其中3个小坡度条件下，开始产流的9 min以后细沟侵蚀率变化过程基本趋于稳定不变，而2个大坡度条件下细沟侵蚀率基本一直保持递增，只是递增速率减低。降雨强度相同时，坡度越大，细沟侵蚀率越大。对不同坡度条件下细沟侵蚀率随径流过程的变化进行统计分析，分析与检验结果见表3。可以看出，不同坡度条件下坡面细沟侵蚀率随径流过程的变化可用幂函数方程很好地描述。

表3 不同坡度条件下细沟侵蚀率随径流过程变化的经验方程Tab．3 Statistical equations of rill erosion rate variation with runoff processes under different slope gradients

不同坡度条件下细沟侵蚀率随径流过程的变化与不同降雨强度条件下细沟侵蚀率的变化过程类似，其中，除中坡度时降雨强度(15°、2.0 mm/min)为同一场试验外，2个小坡度条件下的变化过程与2个小降雨强度条件下的变化过程更为相似，2个大坡度条件下的变化过程与2个大降雨强度条件下的变化过程更为相似。主要区别在于不同坡度条件下，细沟侵蚀率随径流过程变化的递增速率总体上大于不同降雨强度条件下细沟侵蚀率随径流过程变化的递增速率，且随坡度增大，细沟侵蚀率增大速率更为明显。

2.2 降雨强度对细沟侵蚀的影响

将同坡度(15°)各次不同降雨强度条件下产生的细沟侵蚀模数试验数据点绘成图4。可知，细沟侵蚀模数随降雨强度的增大而增大。对降雨强度与细沟侵蚀模数之间的关系进行相关分析得出，细沟侵蚀模数随降雨强度增大的关系可用对数方程很好地描述。

式中:Ea为细沟侵蚀模数，kg/m2;I为降雨强度，mm/min。

图4 细沟侵蚀模数随降雨强度的变化Fig．4 Variation of rill erosion modulus with rainfall intensities

在试验条件下，降雨对细沟侵蚀强度的影响主要是通过降雨产生的径流及降雨雨滴对径流的打击扰动作用而影响细沟侵蚀大小的。随降雨强度的增大，单位时间内的降雨量增加，则由细沟小区顶部汇入流与两侧细沟间汇入流及细沟承雨经入渗后产生的净雨共同形成的细沟中的径流流量增大，侵蚀能力增强，加之降雨强度增大后雨滴动能增大，对细沟径流的打击扰动增强，所以，细沟侵蚀强度必然增大。

2.3 坡度对细沟侵蚀的影响

将同降雨强度(2.0 mm/min)不同坡度条件下的实验所得侵蚀模数数据点绘成图5。可以看出，降雨强度相同时，坡度对细沟侵蚀的影响也是表现为细沟侵蚀模数随坡度的增大而增大。通过对试验所得数据进行分析可知，坡度对细沟侵蚀强度的影响可通过指数方程进行很好的描述。

式中S为坡度，(°)。

图5 细沟侵蚀模数随坡度的变化Fig．5 Variation of rill erosion modulus with slope gradients

细沟侵蚀模数随坡度的变化主要是细沟径流及土体对坡度变化响应后共同的作用结果。随着坡度的增加，由细沟小区顶部汇入流与两侧细沟间汇入流及细沟承雨经入渗后产生的净雨共同形成的细沟径流流速加快，流量增大，径流的侵蚀能力增强，同时随坡度增大土体的稳定性下降，土壤抵抗侵蚀能力削弱，最终导致随坡度增大细沟侵蚀强度也相应增大。

2.4 降雨强度及坡度对细沟侵蚀的综合影响

所有土壤侵蚀皆由各种侵蚀影响因子的综合作用所造成，其中坡度及降雨强度起着极其重要的作用。通过对不同坡度及降雨强度条件下进行的细沟侵蚀试验所得的观测数据进行多元统计分析，取得降雨强度及坡度对黄土坡面细沟侵蚀影响的经验方程

分析式(3)可知，降雨强度及坡度对细沟侵蚀的综合影响可用二元幂函数方程很好地描述，二者对细沟侵蚀强度的影响表现为随降雨强度及坡度的增大呈增加的正相关关系。

2.5 黄土地区细沟侵蚀过程的动力学机制

通过分析水流功率、单位水流功率及其水流剪切力等径流动力学参数与细沟侵蚀之间的关系可揭示细沟侵蚀过程的动力学机制。

由于侵蚀是随径流过程的发展而发展的，所以将各径流动力学参数的瞬时值与相应的细沟侵蚀速率结合进行分析研究，得到以下公式:

式中:P为细沟水流功率，W/m2;ω为细沟单位水流功率，W/N;τ为细沟水流切应力，Pa;E为细沟侵蚀率，kg/(m2·min)。

由以上分析可知，水流切应力与细沟侵蚀率的相关性最强(R2=0.687 5)。此结果表明，在此实验条件下，水流切应力能更好地描述细沟侵蚀的过程变化，细沟侵蚀发生发展的动力根源为水流剪切力。

3 结论

1)不同坡度和不同降雨强度条件下，细沟侵蚀率的变化总体都呈现出随径流过程的增加而平缓增大，都可以用幂函数很好地描述。主要区别在于坡度不同时细沟侵蚀率随径流过程变化的递增速率总体上大于不同降雨强度条件下的递增速率，且随坡度增大，细沟侵蚀率增大速率更为明显。

2)相同坡度或相同降雨强度条件下，细沟侵蚀模数与降雨强度或坡度成正相关，分别可用对数和指数方程描述;降雨强度和坡度对细沟侵蚀的综合影响可用二元幂函数方程很好地描述。

3)试验条件下，水流切应力与细沟侵蚀率的关系最密切，细沟侵蚀动力学过程的发生发展根源于细沟水流剪切力的动力作用。

4 参考文献

［1］李鹏，李占斌，郑良勇.黄土陡坡径流侵蚀产沙特性室内试验研究［J］.农业工程学报，2005，21(7):42－45

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［3］黄秉维.谈黄河中游土壤保持问题［J］.中国水土保持，1983(1):8－13

［4］朱显谟.黄土高原流水侵蚀的主要类型及有关因素［J］.水土保持通报，1982，1(1):1－9

［5］郑粉莉，唐克丽，周佩华.坡耕地细沟侵蚀影响因素研究［J］.土壤学报，1989，26(2):109－116

［6］蔡强国，吴淑安，陈浩，等.坡耕地表土结皮对降雨径流和侵蚀产沙过程的影响［C］∥山西省水土保持科学研究所.晋西黄土高原土壤侵蚀规律实验研究文集.北京:水利电力出版社，1990:48－57

［7］张科利，钟德饪.黄土坡面沟蚀发生机理的水动力学试验研究［J］.泥沙研究，1998(3):74－83

［8］雷阿林，唐克丽.细沟侵蚀发生的临界动力条件［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4(3):39－43

［9］Foster G R，Huggins L F，Meyer L D.A laboratory study of rill hydraulics:1.Velocity relationships［J］.Trans of ASAE，1984，27:790－796

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［11］蔡强国，朱远达，王石英.几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素［J］.水科学进展，2004，15(1):12－18

［12］Polyakov V O，Nearing M A.Sediment transport in rill flow under deposition and detachment conditions［J］.Catena，2003，51(1):33－43

［13］夏卫生，雷廷武，张晴雯，等.细沟侵蚀中泥沙含量及其粘粒流失量的试验［J］.山地学报，2003，21(5):605－609

［14］郑粉莉.坡耕地细沟侵蚀影响因素的研究［J］.土壤学报，1989，26(2):109－116

Rill erosion processes on loess hillslope

Tan Zhenxue1，2，Wang Zhanli1，3，Wang Sha3，4，Liu Jun＇e3，4

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Qinzhou Sub－station of Soil and Water Conservation Monitoring，535000，Qinzhou，Guangxi;3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;4.School of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi:China)

Based on multi－plot－based experiments of simulated rainfall with steady in－flow rate，the erosion processes of rill on loess hillslope were simulated.Results show that:Power functions could preferably describe the rise trend of rill erosion rate with increasing runoff under different slopes and rainfall intensities，especially under different slopes.Rill erosion modulus increases with increasing slope and rainfall intensities，which could be described by exponential equation for different slopes，logarithmic equation for different rainfall intensities，and dual power equation for different slopes and rainfall intensities at the same time.Flow shear stress is the dynamic source for the development of rill erosion processes.

rill erosion;erosion processes;multi－plot;shear stress;loess hillslope

2012－06－12

2012－09－07

国家自然科学基金“黄土坡面细沟侵蚀过程组合小区试验研究”(40971172)，“黄土坡面细沟侵蚀关键参数及其耦合关系试验研究”(41171227)

谭贞学(1983—)，女，硕士。主要研究方向:土壤侵蚀过程。E－mail:babycat999@126.com

†责任作者简介:王占礼(1960—)，男，博士，研究员，博士生导师。主要研究方向:土壤侵蚀过程及预报模型。E－mail:zwang@nwsuaf.edu.cn

(责任编辑:宋如华)