北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响

康宏亮，王文龙,2※，薛智德，郭明明，李建明，白　芸，邓利强，李艳富，李垚林（.西北农林科技大学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，杨凌 200；　2.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 200；　.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 200；　.长江科学院水土保持研究所，武汉 000；.榆林学院生命科学学院，榆林 9000；　.山东省水利科学研究院水土保持与生态研究所，济南 200；　.南京水利水电科学院，南京 20029；　.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，庆阳 000）



北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响

康宏亮1，王文龙1,2※，薛智德3，郭明明1，李建明4，白芸5，邓利强6，李艳富7，李垚林8
（1.西北农林科技大学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，杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100；4.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；5.榆林学院生命科学学院，榆林 719000；6.山东省水利科学研究院水土保持与生态研究所，济南 250013；7.南京水利水电科学院，南京 210029；8.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，庆阳 745000）

摘要：为了研究砾石对工程堆积体降雨侵蚀规律的影响，采用室内人工模拟试验，以土质堆积体（砾石质量分数为0）为对照，研究了10%、20%和30%砾石质量分数堆积体边坡在模拟降雨条件下的径流水力特征、产沙过程及侵蚀动力机制。结果表明：1）产流0～6 min，砾石促进堆积体坡面细沟间径流流动；产流12～30 min后，砾石阻碍堆积体坡面细沟径流流动；2）含砾石堆积体坡面粗糙度增大，水流流态变缓，水流速度降低，且均以层流为主。较土质堆积体而言，30%砾石质量分数堆积体坡面阻力系数增大88.8%～288.4%，弗汝德数降低28.9%～41.8%，水流速度降低0～45.8%；3）径流含沙量随产流历时经历快速降低-平稳过渡-波动上升3个阶段，土质及10%砾石质量分数堆积体高含沙水流现象频发，且随雨强增大，重力坍塌次数增加，重力侵蚀程度增强。20%、30%砾石质量分数堆积体发生高含沙水流的几率约为0。相对土壤流失比与砾石质量分数呈极显著负指数函数关系；4）土壤剥蚀率与各侵蚀动力参数均可用简单线性函数关系描述，单位径流功率是描述风沙区土质和10%砾石质量分数工程堆积体侵蚀产沙的最优因子，径流功率是刻画20%、30%砾石质量分数工程堆积体土壤侵蚀参数更为合理的因子。结果可为全国范围工程堆积体土壤侵蚀模型的建立提供科学依据。

关键词：水动力学；径流；侵蚀；工程堆积体；风沙区；砾石质量分数；径流含沙量；土壤剥蚀率

康宏亮，王文龙，薛智德，郭明明，李建明，白芸，邓利强，李艳富，李垚林. 北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响[J]. 农业工程学报，2016，32（3）：125－134.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.018 http://www.tcsae.org

Kang Hongliang, Wang Wenlong, Xue Zhide, Guo Mingming, Li Jianming, Bai Yun, Deng Liqiang, Li Yanfu, Li Yaolin. Effect of gravel on runoff and erosion characteristics on engineering accumulation slope in windy and sandy area, northern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 125－134. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.018http://www.tcsae.org

0　引　言

工程堆积体边坡坡度大，疏松多孔，物质组成复杂，粒径变化幅度大，常混合有一定含量的砾石。早在1990 s，王治国等[1]采用“岩土侵蚀”一词定义了排土场水土流失特征，反映出含砾石堆积体侵蚀规律的特殊性。近2 a，对含砾石工程堆积体的研究主要集中在物理力学性质[2]、产流产沙特征及侵蚀预测模型建立等方面。

砾石对不同土壤类型堆积体产流产沙特征的影响存在差异。史东梅等[3]研究发现，偏土质（土石比8:2）黄沙壤堆积体边坡产流量、产沙量均高于土石质（土石比6:4）、偏土质紫色土堆积体产流量随土石比变化不明显，产沙量较土石质明显增加；王雪松等[4]研究红壤锥状工程堆积体表明，砾石促进边坡侵蚀导致产沙量增大；李建明等[5]研究了塿土堆积体认为砾石存在可延缓坡面径流形成时间且有效减少土壤侵蚀；丁亚东等[6]研究黄绵土散乱锥状堆积体发现产流量与石砾含量相关关系不显著，纯土堆积体产沙量却明显高于其他土石比堆置体。近几年，陕北风沙区煤矿、天然气等资源开采产生了大量工程堆积体，在该区土体本身易于侵蚀的基础上，又造成了严重的人为扰动，一但遭遇暴雨等极端降雨天气，将产生极为严重的水土流失。因此，对风沙区含砾石工程堆积体产流产沙特征的研究显得尤为必要。

在含砾石工程堆积体水土流失预测模型的建立上，部分学者以通用土壤流失方程（universal soil loss equation）为模板，在建立经验模型方面取得一定进展[7-8]，也有学者建立了堆积体土壤剥蚀率与水力学参数的关系式，并提出了具有一定物理意义的临界水力学参数预测模型[9-11]。黄鹏飞等[7]建立了黄土区工程堆积体地形坡度因子的幂函数和三角函数关系式，并表明坡度因子与砾石质量分数呈线性负相关关系。李宏伟等[8]测算出不同砾石质量分数下黄土质塿土堆积体的可蚀性K值，并得出，随着砾石质量分数增加，土石混合土质可蚀性K值呈线性减小。张乐涛等[9]、王雪松等[10]分别研究了高速公路沿线弃土体边坡（土石比＞9:1）、含砾石锥状工程堆积体水动力学参数特征及动力侵蚀机制，均认为水流功率是描述堆积体侵蚀动力过程最好的水力学参数。李永红等[11]研究砂壤质堆积体（土石比＞9:1）发现，采用径流功率刻画工程堆积体土壤侵蚀参数较径流剪切力更合理。以往研究很少反映出砾石质量分数对工程堆积体水动力特征的作用，砾石质量分数对工程堆积体侵蚀动力机制的影响也不明确，且缺乏具体的数据支撑。不同砾石质量分数对工程堆积体坡面径流水力学参数影响的研究还需进一步加深。

综上，在室内模拟降雨条件下，研究了风沙区含砾石工程堆积体边坡径流产沙过程，观测和分析不同降雨强度下不同砾石质量分数堆积体边坡径流水力参数特征、侵蚀产沙特征及侵蚀动力机制，以期为建立全国范围工程堆积体土壤侵蚀估算模型提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

北方风沙区位于107°18′～111°08′E、37°22′～39°27′N，属于毛乌素沙漠南缘部分，东濒黄河，西连宁夏，北邻内蒙古，南接黄土高原，包括榆阳、神木、府谷、定边、靖边、横山6个县（区），东西长420 km，南北宽12～120 km，总面积为2.44万km2。土壤以风沙土为主，植被稀疏。年降水量350～500 mm，60%以上集中在7－9月，且多暴雨，是中国乃至世界沙漠暴雨中心。该区具有丰富的能源（天然气、石油）矿藏（煤矿）资源，是神府-东胜煤田的主要分布区，因此成为中国最重要能源基地之一。矿产资源的开采，使得该区产生了大量弃土弃渣体，水土流失极为严重，往往造成该区局部地区河流泥沙含量突增，高含沙水流现象普遍存在。

1.2试验设计

试验土样取自陕西靖边乔沟湾乡（108°54′53″E，37°26′08″N），属壤质砂土，粒径分布在＜0.002、0.002～0.02、0.02～0.05、0.05～0.1、0.1～2.0 mm的土壤颗粒质量分数分别为5.895%、10.196%、26.266%、35.800%、21.844%。试验碎石选自陕西山阳县高速公路附近山体自然滑坡体，通过机械碎石分选获取，野外调查发现，坡面碎石粒径分布主要集中在2～50 mm之间，且粒径2～14 mm的小砾石约占总样本数的31%，粒径14～25 mm中等砾石约占48%，粒径＞25 mm的大砾石约占21%，故将砾石过2、14、25 mm筛，将小、中、大砾石按质量比3:5:2进行均匀混合，作为试验用砾石材料。实地采取堆积体坡面上、中、下3个坡位的表层物质，分析不同坡位的砾石质量分数发现，各坡位砾石质量含量差异不显著（P＞0.05），且堆积体坡面平均砾石质量分数低于40%的样本占样本总数的90%以上，故将砾石质量分数（W）设计为0、10%、20%、30%。每次试验前，按不同砾石质量分数，将试验用砾石材料与试验土样均匀混合，作为室内模拟不同砾石质量分数工程堆积体的边坡材料。

试验采用移动式可调坡钢制土槽，尺寸为5 m×1 m×0.6 m（长×宽×高），根据工程堆积体土壤侵蚀标准试验小区建设要求[7-8]选择坡度为25°。小区布设见图1。为模拟天然降雨入渗过程，底层装入10 cm厚天然砂并铺设纱布。用传送带向土槽内运装均匀混合后的土石体。控制供试土壤质量含水量在10%左右，设计装填厚度45 cm，下层20 cm、中层15 cm、上层10 cm，下层、中层均夯实，容重控制在1.30～1.57 g/cm3之间，并对土层表面打磨处理，以防止土体坍塌和滑塌。上层10 cm不压实，表面刮平，容重控制在1.00～1.26 g/cm3之间。每场试验均需重新装填土石体，装填工艺不变。根据土石体容重计算每次填装用土量及用石量。土石体容重采用Mehuys等[12]提出的公式计算：

式中ρT为含砾石土体容重，g/cm3；W为砾石质量含量，g/g；ρb为细土容重（粒径＜2 mm），中、下层均为1.30 g/cm3，上层为1.00 g/cm3；ρs为砾石密度，2.65 g/cm³。

图1　模拟降雨试验布设简图Fig.1　Layout of simulated rainfall experiment

降雨强度根据研究区多年自然降雨频率气象资料，选择暴雨事件中常见的最大30 min降雨强度，进一步取整，最终设计为1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min。试验根据研究区暴雨历时短的特点设计总产流时间为45 min。试验整体设计见表1，试验场次共计16场。

表1　试验设计Table 1　Experiment design

1.3试验过程与指标测定

试验在中科院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行，采用下喷式降雨系统，降雨高度18 m，均匀度80%以上。试验前，用遮雨布遮住试验土槽并进行雨强率定，在试验槽四周各放置雨量筒1个，测定单位时间、单位面积降雨量，控制4个雨量筒所测雨强标准误差不大于10%，率定结果与设计雨强误差不超过5%，以保证降雨的均匀性与准确性。雨强率定完毕，揭开遮雨布，当坡面产生的径流到达集流槽时，产流开始，并从0开始计时。

在坡面开始产流后，用1 000 mL量筒在集流槽出口处收集径流泥沙样，前3 min内每1 min取1次样，3 min后每隔3 min取1次样。接样后读取接样时间和接样体积，并用电子称测取径流泥沙样质量。将所接径流泥沙样在105℃烘箱内进行烘干并用精度为0.01 g电子称称取泥沙质量。

在试验土槽上分别距离坡顶0.25～2.25、2.75～4.75 m处设置2个坡段。坡面开始产流后，选择坡面明显股流，运用染色剂（KMnO4）法，手持精度为0.01 s的电子秒表记录被染色水流流过各观测坡段所用的时间。同时，用精度为1 mm的钢尺测量各坡段过水断面宽度。测量过程为前3 min内每1 min测量1次，3 min后每隔3 min测量1次。

1.4数据处理

1）径流深（h）：测量时段内整个坡面的平均径流水深，计算式为

式中h为径流深，m；q为测量时段t（s）内径流量，m3；V为坡面水流流速，为观测时段内2个坡段所测流速的平均值并乘以流速修正系数k所得的值（层流，k=0.67；过渡流，k=0.70；紊流，k=0.80[13]），m/s；b为过水断面宽度，为测量时段内的2个坡段的平均过水断面宽度，m。

2）径流强度（Ir）：单位时间单位面积表土上的水流流深，计算式为

式中Ir为径流强度，mm/min；Q为径流率，m³/min；A为土表面积，m2。

3）雷诺数（Re）：判别层流紊流的定量标准，表征水流惯性力与黏滞力比值的无量纲参数，计算式为

式中R为水力半径，m；υ为水流黏滞性系数，m2/s，是水流温度的函数。

4）弗汝德数（Fr）：判别缓流急流的定量标准，表征水流惯性力与重力的比值，计算式为

式中g为重力加速度，9.8 m/s2。

5）Darcy-Weisbach阻力系数（f）：径流沿坡面向下运动过程中收到的来自水土界面的阻滞水流运动的力的总称。计算式为

式中J为水力能坡，用坡度的正弦值近似代替。

6）径流剪切力（τ）：径流剪切力是反映径流在流动时对坡面土壤剥蚀力大小的参数。

式中τ为径流剪切力，Pa或（N/m2）；γm为浑水密度，kg/m3，考虑了含沙量的影响。

7）水流功率（ω）：径流功率表征作用于单位面积的水流所消耗的功率，反映剥蚀一定量土壤所需功率，计算式为

式中ω为水流功率，J/(m2·s)。

8）单位水流功率（U）：作用于泥沙床面的单位重量水体所消耗的功率，计算式为

式中U为单位水流功率，m/s。

9）过水断面单位能（E）：以过水断面最低点做基准面的单位水重的动能与势能之和，计算式为

式中E为过水断面单位能，m；a为校正系数，取为1[9-10]。

10）土壤剥蚀率（Dr）：坡面径流在单位时间单位面积上所输移出的泥沙质量，计算式为

式中Dr为土壤剥蚀率，g/（m²·s）；M为测量时段t（s）内的产沙量，g；L为坡长，L=5 m。

使用SPSS18.0对试验数据统计分析，用 Origin8.5进行图表制作。

2　结果与分析

2.1含砾石堆积体坡面径流水动力特征

2.1.1流速随产流历时变化过程

不同处理坡面流速随产流历时变化过程如图2所示。雨强为1.0 mm/min时，各砾石质量分数下流速与产流时间均呈极显著幂函数关系（R2=0.902～0.956，P＜0.01）。1.5～2.5 mm/min雨强时，土质堆积体坡面流速先快速增大，后波动增加，流速变化范围在0.057～0.393 m/s之间，变异系数0.339～0.389；含砾石堆积体坡面流速整体上在产流0～6 min内快速增大，之后或缓慢增加或保持稳定或逐渐下降，坡面流速变化范围0.065～0.197 m/s，变异系数0.044～0.240。土石质堆积体坡面流速变化范围及变异系数较土质堆积体均明显降低。

由图可知，不同产流时段内土质堆积体与含砾石堆积体坡面流速的大小关系存在明显差异，产流0～6 min，细沟发育初期，坡面水流以细沟间径流为主，含砾石堆积体坡面流流速较土质堆积体大，30%砾石质量分数堆积体坡面流速较土质堆积体增幅最高可达52.8%；各雨强条件下坡面分别在产流30、27、24、12 min后，细沟发育程度较大，坡面水流以细沟流为主，纯土堆积体坡面流速较含砾石堆积体明显增大，较30%砾石质量分数堆积体增幅最高可达408.5%。这说明在产流过程中，随着土壤侵蚀的发生，砾石对坡面流速的作用机制发生显著变化。

图2　不同雨强条件下各砾石质量分数堆积体坡面径流流速的变化Fig.2　Variation of runoff velocity with duration of runoff for deposition with different gravel content under different rainfall intensities

2.1.2次降雨径流水力特征

不同处理次降雨径流水力参数见表2。径流水力参数与雨强、砾石质量分数及其交互项相关分析结果见表3。

表2　含砾石堆积体坡面流水力学参数特征Table 2　Hydraulics parameter characteristics on slope of deposition with gravel

表3　径流水力参数与雨强、砾石质量分数及其交互项相关性分析结果Table 3　Correlation analyses between hydraulics parameters and rainfall intensities and gravel contents and their interaction

1）从量上来看，径流深和径流强度变化范围分别在0.40～2.59 mm、0.256～1.693 mm/min之间。二者均随砾石质量分数增大先减小后增大，其中，各雨强下径流强度从小到大排列所对应的砾石质量分数依次为10%、0、20%、30%，说明砾石质量分数对径流强度的影响存在一个阈值。径流深在1.0～2.0 mm/min雨强下从小到大所对应的砾石质量分数为10%、0、20%、30%，而在2.5 mm/min雨强下，由小到大所对应的砾石质量分数为10%、20%、30%、0，这是因为径流深不仅受坡面入渗能力的影响，还与径流流宽有关。相关性分析（表3）表明雨强对流深、径流强度的作用强于砾石质量分数的影响。

2）就流速而言，各雨强条件下，含砾石堆积体边坡流速较土质堆积体降低0～50.7%，其中，30%砾石质量分数堆积体坡面流速较土质堆积体增大了0～45.8%。这是因为坡面阻力系数随砾石质量分数增大而增大的缘故（表2），30%砾石质量分数堆积体坡面阻力系数较土质堆积体增大了88.8%～288.4%。1.0～2.0 mm/min雨强下随砾石质量分数的增加，坡面流速先减小后增加，且10%砾石质量分数堆积体坡面流速最小，这说明坡面流速大小与流深、径流强度密切相关。2.5 mm/min雨强时，流速随砾石质量分数的增大而减小，这说明该雨强条件下，20%、30%砾石质量分数堆积体坡面径流强度增大并未导致流速增加，这是因为此时砾石增加坡面阻力系数降低流速作用占主导。相关性分析结果（表3）表明坡面流速与降雨强度及雨强和土体含量交互项极显著相关，与砾石质量分数相关性不显著，说明雨强对流速的作用强于砾石质量分数的影响。

3）对流态来说，试验条件下，土质堆积体坡面雷诺数变化范围36.6～657.1，其中，土质堆积体在2.5 mm/min雨强下坡面水流以紊流为主，含砾石堆积体坡面雷诺数变化范围38.3～293.6，径流均以层流为主。弗汝德数随降雨强度的增大而增大，随砾石质量分数的增大显著减小，其中，30%砾石质量分数堆积体坡面径流弗汝德数较土质堆积体降低28.9%～41.8%。土质堆积体和10%砾石质量分数堆积体坡面流弗汝德数变化范围为1.06～1.41，以急流为主，而20%、30%砾石质量分数堆积体坡面弗汝德数变化范围0.72～1.18，以缓流为主。相关性分析（表3）表明，雨强对雷诺数的影响较砾石质量分数对其的影响更大，而砾石质量分数对弗汝德数的影响较雨强而言更显著，后者说明，试验条件下，砾石质量分数是决定坡面水流急缓的主要因素。

2.2含砾石堆积体坡面侵蚀产沙特征

2.2.1径流含沙量随产流时间变化过程

不同处理径流含沙量随产流历时变化过程如图3所示。图中虚线代表400 g/L径流含沙量线，作为高含沙水流判定线[14]，将含沙量高于判定线时的水流称为高含沙水流。

图3　不同雨强条件下各砾石质量分数堆积体坡面径流含沙量随产流历时的变化Fig.3　Variation of sediment concentration with duration of runoff for deposition with different gravel content under different rainfall intensities

就含沙量大小而言，由图可知，土质堆积体在1.5、2.0和2.5 mm/min雨强下在产流21～27 min后坡面流均为高含沙水流；10%砾石质量分数堆积体在2.0、2.5 mm/min雨强下在产流21～24 min后也出现高含沙水流现象，并持续这一现象至坡面产流结束；20%、30%砾石质量分数堆积体在各雨强下出现高含沙水流现象的几率几乎为0。可见，0、10%砾石质量分数堆积体是高含沙水流现象的易发区，尤其是在较大雨强时，高含沙水流出现的几率更高。而砾石质量分数较高时，可以有效抑制降雨导致的工程堆积体高含沙水流的产生。另外，2.0、2.5 mm/min雨强下，部分处理在产流起始时刻也存在高含沙水流现象，这主要是堆积体坡面松散物质含量高，而径流率较小的缘故。产流初期和产流过程中高含沙水流现象充分体现了堆积体坡面发生降雨剧烈侵蚀的水土流失特征。

从含沙量的变化过程上来说，整体而言，径流含沙量先后经历了快速减小，平稳过渡与波动上升3个阶段。1.0 mm/min雨强时，土质堆积体坡面侵蚀过程中由于发生土壤结皮作用，侵蚀形态以面蚀为主，径流含沙量变化过程明显区别于其他试验处理；含砾石堆积体在产流18 min后，含沙量开始缓慢增大，且均高于土质堆积体，并在产流36 min之后出现1次波动，最大波动幅度为109.22 g/L。1.5 mm/min雨强时，土质堆积体在产流15 min后开始波动增加，波动次数4次，最大波动幅度为173.75 g/L；含砾石堆积体含沙量在产流6 min后远低于土质堆积体，在产流30 min后，10%砾石质量分数堆积体含沙量曲线波动2次，20%、30%时波动次数各1次，含砾石堆积体含沙量曲线发生波动的最大幅度为162.05 g/L。2.0、2.5 mm/min雨强下，土质和10%砾石质量分数堆积体在产流9 min后均开始波动增加，波动次数3～4次，最大波动幅度分别为422.63和279.65、589.20 和517.51 g/L；20%、30%砾石质量分数堆积体含沙量缓慢增加，产流9 min后同一时刻，其含沙量明显低于土质和10%砾石质量分数堆积体，且波动性明显减弱，波动次数1～3次，最大波幅243.7 g/L。波动次数可以反映出重力侵蚀发生的频率，波动幅度反映出重力侵蚀发生的程度。可见，砾石质量分数越低，雨强越大，重力侵蚀发生频率越高，程度越大。

径流含沙量的变化与侵蚀过程中细沟的发育密切相关，含沙量曲线的波动特征与重力坍塌作用联系紧密。不同砾石质量分数堆积体在不同雨强条件下细沟发育及重力侵蚀现象差异显著。1）低砾石质量分数（0、10%）下，1.0、1.5 mm/min雨强时，坡面细沟侵蚀发生，细沟条数最终可达4～7条，沟型以短（＜50 cm）、窄（＜5 cm）、浅（＜3 cm）为主，尽管土质堆积体坡面发生重力侵蚀次数较多，但是因为细沟较浅，重力侵蚀发生程度较小，因此含沙量波幅较小；而10%砾石质量分数堆积体细沟较土质堆积体更浅，重力侵蚀发生几率降低。2.0～ 2.5 mm/min雨强时，坡面细沟条数2～4条，细沟以长（＞50 cm），宽（＞5 cm），深（＞3 cm）为主，沟壁及沟头部位重力坍塌现象明显，从而导致含沙量的持续大幅波动增长，并出现高含沙水流现象。2）高砾石质量分数（20%、30%）下，砾石覆盖作用抑制细沟下切，沟型以宽而浅为主，对于这种细沟，重力侵蚀发生几率明显降低，径流含沙量缓慢增大，波动性减弱。

2.2.2次降雨侵蚀产沙特征

不同处理次降雨产沙量、径流含沙量及剥蚀率见表4。

表4　不用处理次降雨产沙特征Table 4　Characteristics of sediment yield for different treatment

1）试验条件下，1.0 mm/min雨强、土质堆积体产沙量最小，侵蚀形态以面蚀为主，次降雨径流含沙量为50.08 g/L，剥蚀率0.17 g/(m2·s)；2.5 mm/min雨强、土质堆积体产沙量最大，径流含沙量为572.70 g/L，剥蚀率高达16.37 g/(m2·s)，分别是1.0 mm/min雨强下土质堆积体的11.27倍和96.29倍。以上比较充分表明了堆积体坡面未发生细沟侵蚀和细沟充分发育两种情况下侵蚀产沙的显著差异性。雨强较大时，往往使堆积体产生严重的水土流失，并导致局部地区河流泥沙含量剧增。2）不同雨强下，砾石对次降雨产沙的影响存在差异。1.0 mm/min雨强时，10%～30%砾石质量分数土体径流含沙量、剥蚀率较土质堆积体分别增大73.64%～190.56%、405.8%～788.3%；1.5 mm/min雨强时，含砾石土体径流含沙量、剥蚀率均较土质堆积体低，降幅分别为52.11%～61.63%、45.06%～63.86%。雨强为2.0、2.5 mm/min时，随砾石质量分数的增大，径流含沙量、剥蚀率持续降低，其中，30%砾石质量分数堆积体径流含沙量和剥蚀率较土质堆积体分别降低73.37%和67.98%、66.81%和68.23%。1.5～2.5 mm/min雨强下，较土质堆积体而言，剥蚀率降幅与含沙量降幅基本相当。3）坡面发生高含沙水流现象时（含沙量＞400 g/L时），对应的土壤剥蚀率变化范围为7.84～16.37 g/(m2·s)。相关性分析发现含沙量与剥蚀率之间呈极显著幂函数关系。

如不考虑雨强的影响，计算各砾石质量分数堆积体在不同降雨强度下的平均产沙量，其随砾石质量分数的变化过程如图4所示，随砾石质量分数增大，次降雨产沙量逐渐减小。回归分析发现产沙量和砾石质量分数之间呈极显著指数函数关系。为了便于与前人研究[15]作对比，用含砾石堆积体产沙量除以土质堆积体产沙量，计算各砾石质量分数条件下的相对土壤侵蚀比（Mr，土质堆积体Mr=1）。回归分析得到相对土壤侵蚀比与砾石质量分数关系为

相对土壤侵蚀比与砾石质量分数之间呈极显著负指数函数关系，且当砾石质量分数为0时，相对土壤侵蚀比为0.973，基本等于理论值1，表明式（12）满足上限要求。

图4　产沙量随砾石质量分数的变化Fig.4　Variation of sediment yield with gravel content

2.3含砾石堆积体坡面侵蚀动力机制

次降雨剥蚀率（Dr）与剪切力（τ）、径流功率（ω）、单位径流功率（U）、过水断面单位能（E）均极显著相关（P＜0.01），相关系数r大小表现为：rU(0.945)＞rω(0.887) ＞rE(0.861)＞rτ(0.717)。因此，单位径流功率U是描述风沙区含砾石工程堆积体侵蚀动力机制的最优因子，回归分析得到式（13）。风沙区堆积体剥蚀率可通过单位径流功率的简单线性函数表达，且发生细沟侵蚀的临界单位径流功率为3.54×10-2m/s，对应的土壤可蚀性参数为245.27 g/m³。

砾石的存在，一方面改变了坡面径流动力特征，另一方面改变了坡面侵蚀临界条件与可蚀性参数。点绘试验条件下土壤剥蚀率与各侵蚀动力参数的关系图，分析发现，就同一侵蚀动力参数值所对应的土壤剥蚀率而言，土质、10%砾石质量分数堆积体均明显高于20%、30%砾石质量分数堆积体，而土质和10%砾石质量分数堆积体差异不大，20%和30%砾石质量分数堆积体差异也不明显，因此分别绘制了土质和10%砾石质量分数堆积体、20%和30%砾石质量分数堆积体剥蚀率随侵蚀动力参数的变化曲线，如图5所示。由图5可以看出，砾石质量分数从10%增加到20%，剥蚀率与侵蚀动力参数线性关系中的斜率与截距发生了明显改变。由各线性关系式可知，0、10%砾石质量分数堆积体和20%、30%砾石质量分数堆积体发生细沟侵蚀的坡面临界剪切力分别为0.92和3.79 Pa，相应土壤可蚀性参数分别为1.31×10-3和8.2×10-4s/m；临界径流功率分别为5.8×10-3和0.26 N/(m·s)，对应的土壤可蚀性参数分别为7.66×10-3和4.81×10-3s2/m2；临界单位径流功率3.2×10-2和3.3×10-2m/s、对应的土壤可蚀性参数247.64和163.75 g/m3、临界过水断面单位能4.1×10-4和1.1×10-3m，对应的土壤可蚀性参数3518.39和2465.31 g/(m3·s)。20% 和30%砾石质量分数堆积体发生细沟侵蚀的各临界侵蚀水力参数分别较土质和10%砾石质量分数堆积体增大了3.1倍、43.83倍、0.03倍、1.68倍；各土壤可蚀性参数分别减小了37.40%、36.81%、33.87%、29.93%。可见，砾石质量分数为20%、30%时，坡面侵蚀动力机制虽然没有发生变化，但是侵蚀临界动力参数增大，土壤可蚀性参数降低，土体抵抗径流冲刷的能力增强。根据不同砾石质量分数下工程堆积体剥蚀率与各侵蚀动力参数关系式的相关系数大小可知，单位径流功率是刻画土质及10%砾石质量分数堆积体侵蚀产沙的最优因子，而径流功率是描述20%、30%砾石质量分数堆积体侵蚀产沙动力机制的最合理因子。

图5　土壤剥蚀率与侵蚀动力参数的关系Fig.5　Relationships of soil detachment rate with flow hydrodynamic parameters

3　讨　论

砾石对堆积体坡面径流水动力学参数的影响主要来源于以下3个方面：1）砾石改变了土体物理性质，使得土体入渗能力发生变化[16]，从而决定了坡面产流状况；2）砾石改变了坡面粗糙程度[17]；3）砾石影响着降雨对坡面地貌形态的重塑[18]。在坡面未产生细沟之前，覆盖或镶嵌于土体表面的小砾石（2～14 mm）具有光滑表面，可促进水流流动，而大砾石（14～50 mm）对坡面水流可起到合并-汇流的作用，因此，流速较土质坡面更大；而随侵蚀的发生，小砾石逐渐裸露，从光滑的水流面变成了阻碍水流流动的一个个小凸起，并且当坡面产生细沟后，砾石覆盖能分散径流动能并降低流速[17]，此时，含砾石堆积体坡面流速较纯土体明显降低。试验结果与王小燕等[19]的研究相似。径流强度主要取决于坡面入渗特征，试验条件下，径流强度由大到小所对应的砾石质量分数分别为30%、20%、0、10%，这与朱元骏等[20]的研究结果相似。径流深不仅受径流强度的影响，还受坡面地貌形态特征的影响。含砾石坡面受径流冲刷易形成宽而浅的细沟[18]，与土质坡面在大雨强条件下形成的细而深的侵蚀沟相比，尽管具有较大的径流强度，但由于侵蚀沟较宽，径流分散，所以径流深有所降低。试验条件下含砾石工程堆积体主要以层流为主，雷诺数主要集中在0～700，无论是在室内模拟降雨[21]还是放水（24°、40 L/min）条件[11]下，均得到相似结果。土质、10%砾石质量分数堆积体坡面主要以急流为主，但弗汝德数远小于李永红等[11]的研究成果，这与试验坡长密切相关，坡长越长，水流汇集程度越高，流动越急。而砾石质量分数20%～30%时，水流主要以缓流为主，这是因为砾石阻碍径流前进，使得水流流动变缓，这与李宏伟等[8]在相同坡度、坡长和降雨条件下得到的结果一致。

砾石质量分数对坡面侵蚀产沙量影响显著。首先，土壤表层砾石与降雨雨滴和坡面径流直接发生作用从而影响土壤侵蚀；其次，土表及土壤中砾石，会改变土壤本身的物理性质及性状，影响水文过程从而间接地作用于土壤侵蚀。相关研究表明，对于坡耕地或自然坡面而言，不同侵蚀形态下砾石对产沙的影响有所不同[22]。而在工程堆积体中，砾石的存在或增加坡面土壤侵蚀量[4]，或降低土壤侵蚀速率[5]，在不同降雨强度条件下砾石对土壤侵蚀量的影响也有所不同[23]。试验条件下，1.0 mm/min雨强时，砾石存在首先破坏了土表结构，降低土壤颗粒粘结程度，坡面结皮强度较土质堆积体大幅降低，大大增加了坡面侵蚀的可能性，从而导致产沙增多。当雨强≥1.5 mm/min时，坡面主要以细沟侵蚀为主，细沟内砾石周围土体被大量侵蚀，造成砾石大面积裸露。造成含砾石堆积体产沙减少的原因主要有以下2个方面，1）含砾石堆积体坡面，由于砾石在堆积体中占有一定的空间，导致侵蚀物质来源较土质堆积体减少。2）裸露的砾石在堆积体坡面可形成一层铠甲[15]，保护下层土体不被侵蚀。细沟侵蚀是自然界中最为常见的侵蚀形式，随着降雨侵蚀进行，细沟不断发育，含砾石堆积体坡面砾石覆盖度逐渐增大，砾石质量分数同砾石覆盖度对相对土壤侵蚀比的影响有着一定的相似性[15]。

试验条件下，土壤剥蚀率与径流剪切力、水流功率、单位水流功率和过水断面单位能均可用简单线性函数关系描述，这与相关研究[9-11]均相似，但是在描述含砾石工程堆积体侵蚀产沙动力机制最优水力因子选择方面存在一定差异。试验条件下，相对于土质、10%砾石质量分数堆积体而言，径流功率更适合于描述土石质堆积体侵蚀产沙过程。而单位径流功率才是描述土质、10%砾石质量分数堆积体侵蚀产沙的最合理因子。在下垫面坡度不变的前提下，单位径流功率仅是流速的函数，在砾石质量分数较低时，流速受砾石的影响减弱，流速越大，径流对坡面的冲刷作用也越强烈，导致产沙增大；而砾石质量分数较高时，砾石阻碍径流流动的作用增强，且即使流速增大，但由于砾石裸露保护下层土体，产沙量增大并不明显，因此用单位径流功率来描述20%、30%砾石质量分数堆积体侵蚀产沙过程存在一定的风险。需要说明的是，试验条件下坡面以细沟侵蚀为主，由于试验限制，并未考虑面蚀条件下的侵蚀动力过程，因此本文所得结果与相关研究中砾石导致红壤堆积体可蚀性参数及临界单位径流功率增大几十倍的结果[10]完全相反，这充分说明了砾石在堆积体坡面面蚀和沟蚀2种不同土壤侵蚀形态下，对坡面侵蚀临界条件及土壤可蚀性参数影响的显著差异性。

4　结　论

1）土质堆积体次降雨过程流速变化范围及变异系数较10%、20%和30%砾石质量分数堆积体均增大。不同产流时段砾石对流速的影响机制存在差异，产流0～6 min，砾石促进堆积体坡面细沟间径流流动；产流12～30 min后，砾石阻碍堆积体坡面细沟中径流流动。

2）次降雨平均水平下，含砾石堆积体坡面粗糙度增大，水流流态变缓，水流速度降低，且均以层流为主。较土质堆积体而言，30%砾石质量分数堆积体坡面阻力系数增大88.8%～288.4%，弗汝德数降低28.9%～41.8%，水流速度降低0～45.8%。

3）径流含沙量随产流历时经历快速降低-平稳过渡-波动上升3个阶段，土质及10%砾石质量分数堆积体高含沙水流现象频发，且随雨强增大，重力坍塌次数增加，重力侵蚀程度增强。20%、30%砾石质量分数堆积体发生高含沙水流的几率约为0。相对土壤流失比与砾石质量分数呈极显著负指数函数关系。

4）土壤剥蚀率与各侵蚀动力参数均可用简单线性函数关系描述，单位径流功率是描述风沙区土质和10%砾石质量分数工程堆积体侵蚀产沙的最优因子，径流功率是刻画20%、30%砾石质量分数工程堆积体土壤侵蚀参数更为合理的水动力因子。

[参考文献]

[1] 王治国，白中科. 黄土区大型露天矿排土场岩土侵蚀及其控制技术的研究[J]. 水土保持学报，1994，8(2)：10－17. Wang Zhiguo, Bai Zhongke. Rock and soil erosion and its control techniques in the dump of the large surface mine in loess area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1994, 8(2): 10－17. (in Chinese with English abstract)

[2] 王自高，胡瑞林，张瑞，等. 大型堆积体岩土力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(增刊2)：3836－3843. Wang Zigao, Hu Ruilin, Zhang Rui, et al. Study of geotechnical mechanical characteristics of a large soil-rock mixture in a hydropower project[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(Suppl 2): 3836－3843. (in Chinese with English abstract)

[3] 史东梅，蒋光毅，彭旭东，等. 不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程[J]. 农业工程学报，2015，31(17)：152－161. Shi Dongmei, Jiang Guangyi, Peng Xudong, et al. Runoff erosion process on slope of engineering accumulation with different soil-rock ratio[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(17): 152－161. (in Chinese with English abstract)

[4] 王雪松，谢永生，陈曦，等. 砾石对赣北红土工程锥状堆积体侵蚀规律的影响[J]. 泥沙研究，2015，2(1)：67－74. Wang Xuesong, Xie Yongsheng, Chen Xi, et al. Effects of rock fragment on soil erosion rule of engineering pyramidal accumulation in Northern Jiangxi[J]. Journal of Sediment Research, 2015, 2(1): 67－74. (in Chinese with English abstract)

[5] 李建明，王文龙，黄鹏飞，等. 黄土区生产建设工程堆积体石砾对侵蚀产沙的影响[J]. 泥沙研究，2014(4)：10－17. Li Jianming, Wang Wenlong, Huang Pengfei, et al. Impact on erosion and sediment yield by gravel in pile body of development construction in Loess area[J]. Journal of Sediment Research, 2014(4): 10－17. (in Chinese with English abstract)

[6] 丁亚东，谢永生，景民晓，等. 轻壤土散乱锥状堆置体侵蚀产沙规律研究[J]. 水土保持学报，2014，28(5)：31－36. Ding Yadong, Xie Yongsheng, Jing Minxiao, et al. Study on sediment erosion law of conical scattered spoilbank of light loam[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(5): 31－36. (in Chinese with English abstract)

[7] 黄鹏飞，王文龙，江忠善，等. 黄土区工程堆积体水蚀测算模型坡度因子研究[J]. 泥沙研究，2015(5)：47－62. Huang Pengfei, Wang Wenlong, Jiang Zhongshan, et al. Study on slope factor of water erosion model for engineering piles in the Loess Area[J]. Journal of Sediment Research, 2015(5): 47－62. (in Chinese with English abstract)

[8] 李宏伟，王文龙，黄鹏飞，等. 土石混合堆积体土质可蚀性K因子研究[J]. 泥沙研究，2014(2)：49－54. Li Hongwei, Wang Wenlong, Huang Pengfei, et al. Experimental study of soil erodibility factor of earth-rock engineering accumulation in loess areas[J]. Journal of Sediment Research, 2014(2): 49－54. (in Chinese with English abstract)

[9] 张乐涛，高照良，田红卫. 工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力学过程[J]. 农业工程学报，2013，29(24)：94－102. Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Tian Hongwei. Hydrodynamic process of soil erosion in steep slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 94－102. (in Chinese with English abstract)

[10] 王雪松，谢永生. 模拟降雨条件下锥状工程堆积体侵蚀水动力特征[J]. 农业工程学报，2015，31(1)：117－124. Wang Xuesong, Xie Yongsheng. Hydrodynamic characteristics of tapered spoilbank under simulated rainfall condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(1): 117－124. (in Chinese with English abstract)

[11] 李永红，牛耀彬，王正中，等. 工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系[J]. 农业工程学报，2015，31(22)：83－88. Li Yonghong, Niu Yaobin, Wang Zhengzhong, et al. Hydrodynamic parameters and their relationships of runoff over engineering accumulation slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 83－88. (in Chinese with English abstract)

[12] Mehuys G R, Stolzy L H, Letey J, et al. Effect of stones on the hydraulic conductivity of relatively dry desert soils[J]. Soil Science, 1975, 39(1): 37－41.

[13] Horton R E, Leach H R, Van V R. Laminar sheet flow[J]. Transactions of the America Geophysical Union, 1934, 15(2): 393－404.

[14] 许炯心. 黄土高原的高含沙水流侵蚀研究[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5(1)：28－35. Xu Jiongxin. Erosion and sediment yield of hyper-concentrated flows on loess plateau[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1999, 5(1): 28－35. (in Chinese with English abstract)

[15] Wang Xiaoyan, Li Zhaoxia, Cai Congfa, et al. Effects of rock fragment cover on hydrological response and soil loss from Regosols in a semi-humid environment in South-West China[J]. Geomorphology, 2012, 151/152: 234－242.

[16] Poesen J, Lavee H. Rock fragments in topsoils: Significance and processes[J]. Catena, 1994, 23: 1－28.

[17] Rieke-Zapp D, Poesen J, Nearing M A. Effects of rock fragments incorporated in the soil matrix on concentrated flow hydraulics and erosion[J]. Earth Surface Processes Landforms, 2007, 32(7): 1063－1076.

[18] Abrahams A D, Li G, Parsons A J. Rill hydraulics on a semiarid hillslope, southern Arizona[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 1996, 21(1): 35－47.

[19] 王小燕，王天巍，蔡崇法，等. 含碎石紫色土坡面降雨入渗和产流产沙过程[J]. 水科学进展，2014，25(2)：189－194. Wang Xiaoyan, Wang Tianwei, Cai Chongfa, et al. Processes of rainfall infiltration, runoff and sediment yield on purple soil slope containing rock fragments[J]. Advance in Water Science, 2014, 25(2): 189－194. (in Chinese with English abstract)

[20] 朱元骏，邵明安. 不同碎石含量的土壤降雨入渗和产沙过程初步研究[J]. 农业工程学报，2006，22(2)：64－67. Zhu Yuanjun, Shao Ming’an. Processes of rainfall infiltration and sediment yield in soils containing different rock fragment contents[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(2): 64－67. (in Chinese with English abstract)

[21] 李宏伟，牛俊文，宋立旺，等. 工程堆积体水动力学参数及其产沙效应[J]. 水土保持学报，2013，27(5)：63－67. Li Hongwei, Niu Junwen, Song Liwang, et al. Study on characteristic of hydrodynamic parameters and Its sediment yield for engineering accumulation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(5): 63－67. (in Chinese with English abstract)

[22] 王小燕，李朝霞，徐勤学，等. 砾石覆盖对土壤水蚀过程影响的研究进展[J]. 中国水土保持科学，2011，9(1)：115－120. Wang Xiaoyan, Li Zhaoxia, Xu Qinxue, et al. Review of effects of rock fragment cover on soilwater erosion processes[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2011, 9(1): 115－120. (in Chinese with English abstract)

[23] 史倩华，王文龙，郭明明，等. 模拟降雨条件下含砾石红壤工程堆积体产流产沙过程[J]. 应用生态学报，2015，26(9)：2673－2680. Shi Qianhua, Wang Wenlong, Guo Mingming, et al. Runoff and sediment yielding processes on red soil engineering accumulation containing gravels by a simulated rainfall experiment[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(9): 2673－2680. (in Chinese with English abstract)

Effect of gravel on runoff and erosion characteristics on engineering accumulation slope in windy and sandy area, northern China

Kang Hongliang1, Wang Wenlong1,2※, Xue Zhide3, Guo Mingming1, Li Jianming4, Bai Yun5, Deng Liqiang6, Li Yanfu7, Li Yaolin8
(1. State Key Laboratory of Erosion and Dryland Agriculture on the Loess Plateaus, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;3. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Chian;4. Department of Soil and Water Conservation, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;5. Life Science College, Yulin University, Yulin 719000, China;6. Institute of Soil and Water Conservation and Ecology, Water Resources Research Institute of Shandong Province, Ji’nan 250013, China; 7. Nanjing Institute of Water Resources and Hydropower Research, Nanjing 210029, China;8. Xifeng Experimental Station of Soil and Water Conservation, Yellow River Conservancy Commission, Xifeng 745000, China)

Abstract:Different from abandoned field and cropland and natural landscape, engineering accumulation is a special man-made geomorphic unit and has been found much more serious soil erosion. The anthropogenic accelerating erosion poses great threat to ecological environment of construction sites with surrounding regions and seriously hinders local economic growth and improvement of people’s living standard. Gravel is always an important composition of depositions and it causes particular erosion characteristics. An indoor artificially simulated rainfall experiment was carried out in the State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Agriculture on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, China to investigate runoff hydraulic character and sediment yield process and erosion dynamic mechanism on slope of engineering deposition with different content of gravel. Soil sample, collected from Jingbian, Shanxi (N37°26′08″, E108°54′53″), was evenly mixed with gravel to be used as the main test material. According to preliminary field investigations, the grain diameter≤50mm of gravel was chosen as the gravel for the test and divided into 3 classes with different ranges of diameter: 2-14 mm (small) and 14-25 mm (medium) and 25-50 mm (large). Gravel sample for each test was consisted of 30% small, 50% medium, 20% large gravel. Mass content of gravel designed varied from 0 to 30%. Mobile hydraulic steel tank with the size of 5m×1m×0.6m (length×width×height) was applied for holding test material. Test slope was adjusted to 25° according to construction requirement of standard experimental plot. The results showed that: 1) Flow velocity on soil-rock deposition slope was higher with a maximum amplification of 52.8% during 0-6 min due to the positive effect of gravel on confluence compared to the bare. Whereas it was lower with a maximum damping of 408.5% when rill erosion dominated on the slope because of inhabitation from gravel which was exposed in the rill; 2) In terms of average level in an event, surface roughness increased and runoff, acted as laminar flow, flowed more slowly with smaller velocity on the slope of deposition with gravel. For the accumulation with 30% gravel content, resistance coefficient increased by 88.8%-288.4% and Froude number and flow velocity decreased by 28.9%-41.8% and 0-45.8% respectively compared to the homogeneous; 3)Sediment yield process could fall into 3 stages: quick reduce - smooth transition - fluctuate increase, in the third period, hyper-concentrated flow was easily found on the slope of the bare and the deposition with 10% of gravel, and frequency and degree of gravitational collapse increased with rainfall intensity increasing. The chance of hyper-concentrated flow approximately equaled to 0 for deposition with 20% and 30% of gravel. Relative soil loss ratio decreased exponentially with increasing gravel content; 4) The relationship between soil detachment rate and hydrodynamic parameters could be described with linear function. Unit stream power was the best one of all the hydrodynamic parameters to describe the hydrodynamic process of soil erosion on accumulation with 0 and 10% of gravel contents, whereas stream power tended to be more scientific to study the erosion process on deposition with 20% and 30% gravel contents. The results provide valuble information for the establishment of empirical and process-based model of soil and water loss on engineering accumulation on a national scale.

Keywords:hydrodynamics; runoff; erosion; engineering deposition; windy and sandy area; gravel content; runoff sediment concentration; soil detachment rate

作者简介：康宏亮，男，甘肃天水人，主要从事土壤侵蚀研究。杨凌西北农林科技大学水土保持研究所，712100。Email：kang_abner@formail.com。※通信作者：王文龙，男，陕西大荔人，博士生导师，研究员，主要研究方向为土壤侵蚀与水土保持。杨凌中科院水利部水土保持研究所，712100。Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（40771127）；水利部公益性行业专项（201201048、201201047）

收稿日期：2015-09-22

修订日期：2015-12-10

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0125-10

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.018