黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程试验研究

李浩宏，王占礼，申 楠，陆绍娟，高素娟

(1. 西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 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；3.中国科学院/水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；4.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程试验研究

李浩宏1,2，王占礼2,3，申 楠1,2，陆绍娟1,2，高素娟4

(1. 西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 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；3.中国科学院/水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；4.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

黄土坡面；片蚀；水流含沙量；雨强；坡度

采用人工模拟降雨试验方法对黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程进行研究，结果表明：不同雨强和坡度条件下，片蚀水流含沙量变化过程均表现为先增大后减小，最终趋于相对稳定的趋势；片蚀水流平均含沙量随雨强和坡度的增大而增大，分别可用幂函数方程和对数方程描述；雨强和坡度对片蚀水流含沙量的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述，其中坡度对坡面片蚀水流含沙量的影响大于雨强；单位水流功率是与片蚀水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数，是坡面片蚀水流含沙量变化过程发生发展的动力根源。

黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的旱地农业区，严重的土壤侵蚀不仅使该区的生态环境不断恶化，而且给黄河下游地区的经济发展带来严重隐患。黄土高原地区的土壤侵蚀具有明显的垂直分带性，由黄土坡面分水岭向下依次出现片蚀带、细沟侵蚀带、浅沟侵蚀带等[1]。片蚀过程是坡面径流侵蚀过程的第一阶段，也是坡面径流侵蚀形态演变的初始形态。片蚀过程的坡面产流，即片蚀水流，是在重力作用下顺坡面流动的薄层水流，其在分水岭附近呈均匀覆盖的水层，简称片流[2]。片流是坡面片状侵蚀泥沙输移的载体，其含沙量的变化影响着侵蚀的分离、搬运、沉积三大过程。由于薄层水流分离和搬运坡面土壤颗粒，片流中的含沙量增加，用于搬运泥沙的径流动能减少，加之颗粒之间碰撞机会增大，容易形成推移质，降低了颗粒输移速度，使得浑水的流速与含沙量呈负相关[3]，从而导致坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大[4]、片状侵蚀率减小。在土壤侵蚀过程中水流含沙量不仅是产流、产沙和水沙消长与演变过程的重要指标，也是衡量水土流失严重性的重要参数之一。因此，研究片蚀水流含沙量的变化过程对深入认识片蚀过程的水沙关系变化和水土流失的治理具有重要意义。

目前，关于坡面水流含沙量的研究已取得了一些研究成果。赵艳茹等[5]的研究表明土壤剥蚀率与水流含沙量之间呈幂函数关系，两者相关性显著，可以用水流含沙量预测土壤剥蚀率。李君兰等[6]研究发现当超过一定坡长时，坡长增加不会使含沙量增加，在此坡段里径流对坡面存在着剥蚀和沉积过量泥沙的交替过程。尚佰晓等[7]则指出坡面各坡段土壤侵蚀率在次降雨和年降雨过程中随着含沙量的增加呈幂函数递增。王龙生等[8]研究结果显示坡面细沟水流含沙量与坡长之间相关性不显著，而在水力学参数中其与单位水流功率的相关性最为显著。赵春红等[9]基于系列室内水槽冲刷试验研究得出含沙量会影响坡面流水动力学参数。李光录等[10]认为在雨滴击溅作用下，薄层水流含沙量随水深的增加均呈线性递减的规律变化。上述研究成果多集中于坡面水流含沙量及其对水动力学参数的响应，而针对特定土壤侵蚀类型下水流含沙量的研究较少，对坡面片蚀水流含沙量变化过程的研究更是鲜有报道。本研究采用模拟降雨试验方法对黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程进行了试验研究，以期深入认识黄土坡面片蚀过程，为进一步揭示黄土坡面片蚀机理和建立黄土坡面片蚀模型奠定基础，并为黄土坡面水土流失治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与试验土壤

试验小区是可调坡度的升降钢槽，小区长1 m、宽0.5 m、深0.4 m。试验所用降雨设备为侧喷式人工降雨装置，降雨高度为 16 m，可使所有雨滴达到终点速度。试验土壤取自位于黄河多沙粗沙区的陕西省神木县，土壤类型为沙黄土，土壤机械组成为砂粒65.2%、粉粒27. 0%、黏粒5.8%，土壤中值粒径为0.095 mm。

所有试验土样在装槽前经自然风干并过5 mm筛，除去杂草和石块。试验小区装土前，底部先铺设厚10 cm 的天然细沙以模拟天然坡面的透水状况。填土厚度为20 cm，容重控制为1.5 g/cm3。通过测定过筛风干土壤含水量，按设计容重计算与称重装土，土样按5 cm厚度分层填装，装填完成后用环刀法测定装土容重，以保证装填土样达到试验要求。为了降低土壤装填的变异性，每场试验前均进行30 mm/h的预降雨，持续时间以产流刚出现时即停止为标准，预降雨和正式试验间隔12 h。

1.2 试验设计与观测

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人工模拟降雨大厅进行。试验设计雨强分别为1.00、1.33、1.67、2.00、2.33 mm/min；坡度分别为9°、12°、15°、18°、21°，采用雨强和坡度完全组合试验，设计重复试验一次，共50场次。试验时，在小区的径流出口每分钟接前 30 s的径流泥沙样。用高锰酸钾染色剂示踪法测定坡面流速，用温度计测量浑水温度。至坡面开始出现细沟即停止降雨，本试验历时11～17 min。降雨结束后，用量筒精确量取浑水样体积，然后澄清、撇掉清水，烘干称重后计算出片蚀水流含沙量。

2 结果与分析

2.1 片蚀水流含沙量随降雨历时的变化

2.1.1 不同雨强条件下片蚀水流含沙量随时间的变化

将坡度15°时不同雨强条件下片蚀水流含沙量随时间变化的试验观测数据绘制成图1。由图1可以看出，在同一坡度、不同雨强条件下，片蚀水流含沙量随时间的变化总体表现为先增加后减少随后趋于稳定的趋势，其中3个较小雨强(1.00、1.33、1.67 mm/min)下，产流后5 min内片蚀水流含沙量随时间快速增加并达到峰值，随后出现减少趋势并最终趋于稳定；两个较大雨强(2.00、2.33 mm/min)下，含沙量增加历时短且幅度小，片蚀水流含沙量峰值出现时间比3个较小雨强的早，在2～3 min时出现一个高峰，6 min后片蚀水流含沙量的变化相对稳定。整体而言，3个小雨强下的片蚀水流含沙量的递增速率和递减速率较两个大雨强的要大。此外，总体来说，1.67 mm/min雨强下的片蚀水流含沙量相对于其他雨强下的含沙量要大得多，且含沙量的变化波动较明显，说明在片蚀过程中可能存在使坡面水流含沙量到达峰值的临界雨强，这还有待于进一步试验研究。

在土壤侵蚀过程中，含沙量变化是产流产沙和水沙关系消长与演变的重要指标。本试验中各雨强条件下片蚀水流含沙量随时间的变化特征表明，在含沙量快速增加阶段，水沙变化特征表现为径流相对于输沙越来越少；随后含沙量减少，水沙变化特征表现为径流相对于输沙越来越多；最后含沙量随时间变化趋于相对稳定，水沙变化特征表现为径流与输沙的变化过程相对一致，即径流相对于输沙不增不减，输沙相对于径流亦然。

2.1.2 不同坡度条件下片蚀水流含沙量随时间的变化

将雨强为1.67 mm/min时不同坡度条件下片蚀水流含沙量随时间变化的试验观测数据绘制成图2。由图2可以看出，相同雨强不同坡度条件下的片蚀水流含沙量随降雨历时的变化趋势与相同坡度不同雨强条件下的含沙量变化趋势相似，都是整体表现为先增加后减小随后趋于相对稳定的趋势。其中，在3个小坡度(9°、 12°、15°)条件下，产流5 min内片蚀水流含沙量缓慢递增并达到峰值，随后含沙量减小并最终趋于相对稳定；而2个大坡度(18°、21°)条件下，开始产流的4 min内片蚀水流含沙量过程波动明显，总体表现为增加趋势，之后含沙量减少并基本趋于稳定。整体而言，两个较大坡度下的片蚀水流含沙量的递增速率和递减速率均比3个小坡度下的要大。试验结果也显示坡度越大，片蚀水流含沙量也越大。

2.1.3 不同雨强与不同坡度条件下片蚀水流含沙量对比分析

比较不同雨强与不同坡度条件下片蚀水流含沙量的变化过程发现：二者变化趋势具有相似性，都是产流后随着降雨历时表现出先增大后减小最后趋于相对稳定的趋势。但是，二者变化趋势存在一定差异，即产流前期，3个小坡度条件下的片蚀水流含沙量随时间的递增速率小于3个较小雨强条件下的递增速率，而两个较大坡度条件下的片蚀水流含沙量随时间的变化呈现上下波动变化，总体的递增速率比两个较大雨强条件下的递增速率要大；在产流后期，不同坡度条件下的片蚀水流含沙量随时间的变化过程比不同雨强条件下的更趋于稳定状态。

坡面片蚀水流含沙量随降雨过程发生这种先增大后减小最后趋于相对稳定变化的原因是：在降雨前期，坡面片流将雨滴打击分离的松散土粒带走，坡面含沙量急剧增加；随着降雨的继续，坡面径流水深增加，雨滴对表土的打击分散能力减弱，坡面没有足够的可被径流搬运的细颗粒，则坡面片蚀水流含沙量降低；当坡面入渗率趋于稳定时，坡面产流率也趋于稳定[11]，径流分离、搬运的泥沙量趋于稳定状态，则坡面片蚀水流含沙量也趋于相对稳定。由于在降雨过程中土壤表面形成的结皮一直处于不断被打破又形成的状态，坡面可被搬运的泥沙量波动变化，所以降雨后期坡面片蚀水流含沙量呈波动变化。在相同坡度不同雨强条件下，由于大雨强下的坡面产流率较小雨强下的要大[11]，之后坡面径流水深增加，雨滴对表土的打击分散能力及其对坡面薄层径流的扰动能力减弱，坡面径流携带的泥沙减少，因此大雨强下的坡面含沙量增幅较小雨强下的要小。在相同雨强不同坡度条件下，由于大坡度下降雨来不及下渗就产流，且雨滴对坡面的打击作用下降，坡面松散颗粒减少，坡面输沙减少，而后受径流的剥蚀作用，坡面输沙增加，因此坡面片蚀水流含沙量在开始产流的4 min内波动变化明显。

2.2 降雨强度对片蚀水流含沙量的影响

降雨强度是影响土壤侵蚀的重要因素，对坡面水流产沙有重要影响，其影响主要表现为降雨雨滴的打击作用和形成径流的侵蚀作用。对不同雨强条件下次降雨产沙的片蚀水流平均含沙量与降雨强度之间的关系进行统计分析表明，片蚀水流平均含沙量随降雨强度的变化可用幂函数较好地描述，相关方程为

(1)

式中：G为片蚀水流平均含沙量，kg/m3；I为降雨强度，mm/min。

式(1)表明，降雨强度越大，片蚀水流平均含沙量越大，二者相关关系显著。降雨强度对片蚀水流含沙量的影响主要表现为降雨雨滴打击分离土壤，使土表形成许多松散的土粒，为坡面水流搬运提供了更多沙源。并且在水流形成后，水流对土体的分离、搬运动力主要来源于雨滴的打击力和受其扰动的水流[11]，降雨强度越大则由于雨滴的打击扰动使坡面水流的紊动性越强，其侵蚀能力也越强，坡面片蚀水流含沙量越大。因此，不同雨强条件下次降雨产沙的片蚀水流平均含沙量随着降雨强度的增强而增大。

2.3 坡度对片蚀水流含沙量的影响

坡度是影响土壤侵蚀的地形因子。对不同坡度条件下次降雨产生的片蚀水流平均含沙量与坡度之间关系的试验数据进行统计分析，得出相关方程和检验结果为

G=133.47lnS-239.61

(2)

式中：S为坡度，(°)。

式(2)表明，片蚀水流平均含沙量与坡度的关系可用对数函数很好地描述，且二者极显著相关。试验条件下，随着坡度的增大，雨滴对水流的垂直打击力降低，沿坡面向下的分力加大，坡面水流流速、流量增大，水流的剥蚀能力增强，坡面含沙量随之增加。并且随着坡度的增大，土壤稳定性降低，土壤抗蚀性与抗冲性减弱，最终导致坡面片蚀作用增大，片蚀水流平均含沙量随坡度的增大而增大。

2.4 黄土坡面片蚀水流含沙量变化经验方程

降雨强度和坡度是影响坡面片蚀产沙的降雨特征因子和地形因素。对不同降雨强度和坡度条件下片蚀水流平均含沙量变化的观测结果进行多元统计分析，得出黄土坡面片蚀水流平均含沙量变化的经验方程为

(3)

式(3)表明，黄土坡面片蚀水流平均含沙量随雨强和坡度的变化可用二元幂函数方程描述。检验结果表明，片蚀水流平均含沙量与雨强和坡度之间具有显著的相关性。随着雨强和坡度的增大，片蚀水流平均含沙量呈幂函数增加，且坡度对坡面片蚀水流含沙量的影响远大于雨强。

2.5 黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程动力学机理

坡面片蚀水流含沙量变化过程实际上是片蚀水流过程中侵蚀输沙的变化过程，它反映了坡面水流对土壤的分离和搬运的过程，该过程其实是水流动力对土壤的作用。片蚀水流的水动力学特征直接影响着含沙量的大小，需要将片蚀水流含沙量与水动力学参数的关系做进一步研究，找出与片蚀水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数，从而揭示片蚀水流含沙量变化的动力根源。目前国内外学者描述水流动力学特征多采用水流剪切力、水流功率和单位水流功率等水动力学参数[8, 12-15]。本试验对不同雨强和不同坡度条件下，次降雨过程中坡面片蚀水流含沙量与相应的片蚀瞬时水流剪切力、水流功率和单位水流功率之间的关系进行统计分析，取得的结果为

(4)

(5)

(6)

式中：G为片蚀水流含沙量，kg/m3；P为单位水流功率，m/s；W为水流功率，W/m2；τ为水流剪切力，Pa。

从式(4—6)可看出，试验条件下次降雨过程中单位水流功率与片蚀水流含沙量之间的相关性明显高于含沙量与水流功率、水流剪切力之间的相关性，说明本试验条件下坡面片蚀水流含沙量变化过程的发生、发展源于单位水流功率的动力作用。

3 结 语

采用人工模拟降雨试验方法，对不同降雨强度和不同坡度下的黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程进行了研究，得出如下结果：

(1)不同降雨强度下，片蚀水流含沙量随径流过程的变化表现为先增加后减少随后趋于相对稳定的态势，3个较小雨强下产流后5 min内的片蚀水流含沙量随径流过程快速增大，而两个较大雨强下含沙量增加历时短且幅度小。3个小雨强下片蚀水流含沙量峰值出现的时间较两个大雨强下的滞后。

(2)不同坡度条件下，片蚀水流含沙量变化过程依然表现为先增加后减少，在产流5 min后转为平缓变化的趋势。两个较大坡度下片蚀水流含沙量的递增速率、递减速率较3个较小坡度的要大。坡度越大，片蚀水流含沙量越大。

(3)不同雨强条件下，片蚀水流平均含沙量随雨强的变化可用幂函数方程较好地描述，并随雨强的增大而增大；不同坡度条件下，片蚀水流平均含沙量随着坡度的变化可用对数函数方程很好地描述，二者之间也呈正相关关系；不同雨强和坡度条件下的片蚀水流平均含沙量随雨强、坡度的变化可用二元幂函数方程表示，其中坡度对坡面片蚀水流含沙量的贡献远大于雨强。

(4)试验条件下与片蚀水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数是单位水流功率，片蚀水流含沙量变化过程的发生、发展源于单位水流功率的动力作用过程。

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(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金项目(41471230、41171227、40971172)；中国科学院重点项目 (KZZD-EW-04-03)资助项目

S157.1

A

1000-0941(2015)03-0046-04

李浩宏(1989—)，女，河北石家庄市人，硕士研究生，研究方向为土壤侵蚀；通信作者王占礼(1960—)，男，陕西榆林市人，研究员，博士，博士生导师，主要从事土壤侵蚀过程和预报模型研究。

2014-09-30