北江红壤河岸坡面侵蚀水动力特征

吴长松，赵清贺，刘璞，张祎帆，卞子亓，徐珊珊

(黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室，河南大学环境与规划学院，475004，河南开封)

北江红壤河岸坡面侵蚀水动力特征

吴长松，赵清贺†，刘璞，张祎帆，卞子亓，徐珊珊

(黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室，河南大学环境与规划学院，475004，河南开封)

受自然和人为干扰的交互影响，北江河岸带水土保持功能退化严重。本研究基于野外原位模拟径流冲刷试验，分析不同坡度(7°、9°、11°和15°)和放水强度(15、12和9 L/min)条件下红壤河岸坡面侵蚀水动力学参数变化特征及其与侵蚀产沙的关系。结果表明：1)平均流速随放水量增加而增加，在相同放水量下与坡度呈极显著线性正相关关系(P<0.01)；雷诺数随着放水时间增加总体上呈增大趋势，但增幅较小，坡度对雷诺数的影响较复杂，无明显规律；弗劳德数随放水历时增加呈先减小后趋于稳定，各处理的平均弗劳德数均>1，说明坡面流均处于急流状态，且与坡度呈线性极显著正相关关系(P<0.01)；阻力系数随着放水时间增加总体呈增大趋势，且随坡度增加呈先增大后减小的趋势，说明阻力系数与坡度可能存在非线性关系。2)径流系数随放水历时增加呈先增大后趋于平稳趋势，相同放水量下随坡度增大而增大，同时坡度之间存在显著的幂函数关系(P<0.05)；侵蚀产沙量随着放水历时的增加呈先减小后稳定的趋势，且随坡度的增大而增大，二者之间存在显著的线性关系(P<0.05)。3)侵蚀产沙量随水流剪切力和水流功率的增大而增大，且与二者之间均存在线性显著正相关关系(P<0.01)。鉴于河岸带作为阻滞坡地泥沙进入河流的最后一道屏障，本研究的结果可为红壤河岸带坡面水土保持提供科学依据。

红壤； 河岸坡面； 坡度； 放水冲刷； 水动力特征

作为维持河流生态系统健康、连接陆地生态系统和水生生态系统的重要生态交错带[1-2]，河岸带既可以通过过滤河流悬浮沉积物与水体污染物从而减少地表物质的河道内传输，又可以滞留高地沉积物与农业面源污染物、为生物提供多样的栖息地、增强坡岸稳定性和调节高地至低地的坡面径流等，对流域生态系统服务的形成过程与维持具有重要作用[3-5]；然而，河岸带是开放型系统，极易受人为活动的干扰，随流域人为活动加剧，河岸带多种生态功能受到不同程度的威胁，尤其是水土保持功能，受河道形态(平面与地形)、岸滩结构(基质类型与植被)、河流水动力特征(局部河流水动力与泥沙)和人为干扰(农业种植、放牧、淘沙、水利水电开发等)的交互影响[3-5]，退化严重。因此，对河岸带坡面侵蚀过程开展研究十分必要。

有关坡面侵蚀研究，前人从侵蚀过程的发生、演变及动力学角度开展了诸多探讨，其中，对坡面侵蚀动力机制的探讨[6-7]是近年来研究热点，但结论不一。例如：流速作为表征坡面流水动力学特性的重要参数，受地形坡度、径流量及边界条件等多种因素的控制，但精确的流速值的获取方法却众说纷纭；坡面流流态方面，有研究指出坡面流是一种由层流和紊流相互混合、共同存在的水流，亦有研究表明坡面流流态复杂，既有层流特性，又与紊流相似；除此之外，阻力、能量以及剪切应力方面，不同研究所得结论同样存在不一致的论调[7-8]。由此推断，在更为复杂的河岸原生坡面，坡面流水动力特征将更复杂。针对土壤剥蚀率与坡面流水动力特征关系的研究，已有不少探讨。张乐涛等[9]发现水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数，是坡面侵蚀的动力根源；杨春霞等[10]表明土壤剥蚀率与各径流剪切力单因子呈幂函数或指数函数相关，随径流剪切力的增加呈增加趋势。鉴于坡面流的复杂性，关于坡面侵蚀的动力学机制研究尚不完善，有待进一步探讨。

华南红壤区受降水丰富但时空分布不均匀、地形以山地丘陵为主、不合理的开发利用等影响，坡地水土流失现象较为严重，是我国发生潜在水土流失危害的重点区域之一[6-7,11]；因此，河岸带作为阻滞红壤坡地泥沙进入河流的最后一道屏障，意义重大，但相关研究较为匮乏，放水冲刷下的红壤坡面侵蚀水动力机制方面的研究更为匮乏。笔者通过在北江干流河岸带设置径流小区开展原位放水冲刷试验，尝试从水动力学角度揭示北江河岸坡面侵蚀机理，对探讨华南红壤区河岸坡面侵蚀过程、水动力特征、水土保持有着重要的现实意义。

1 研究区概况

本研究野外试验于2015年5—6月在广东省韶关市仁化县周田镇进行，试验小区地处北江上游，年平均降雨量为1 665 mm左右，年降雨时间为172 d，主要集中在雨季(4—9月)，占全年降水量的70%，旱季(10—3月)降雨较少[2,6]。其中，雨季分为2个汛期：第1个汛期，受锋面降雨影响，发生在4—6月，雨量、降雨强度和持续时间较长，往往造成洪涝灾害；第2个汛期，受热带气旋影响，发生在7—9月[2,7]。北江水资源十分丰富，是广东省重要的饮用水源，为满足流域工业、农业和市政用水以及水电开发和洪水控制需要，沿江建设有多个水利水电工程；但受河岸周边经济发展所带来的农业/农村区域和工业/城市区域的潜在污染源影响，北江沿岸水质恶化明显[2]。研究区河岸带植被主要是马尾松次生林、桉树林和稀树草坡以及农作物。地貌以山地和丘陵为主，岩石主要为花岗岩、石灰岩、紫色砂页岩等，土壤主要以地理发生分类的黄壤和红壤为主，夹杂水稻土、紫色土和石灰土等[7]，受复杂天气影响，上游泥石流、大暴雨等自然灾害发生频率较高，加之地形地势较陡和植被破坏的原因，使得北江区域水土流失比较严重[2,6,11]。

2 材料与方法

2.1 试验设计

笔者采用野外原位放水冲刷试验分析红壤河岸坡面侵蚀水动力学参数变化特征及其与侵蚀产沙的关系。首先，根据预设坡度，利用反三角函数法对试验下垫面进行坡度取量，共布设4个试验小区。每个试验小区长3 m，宽1 m，两侧用6块长1 m、高0.3 m、厚1 mm的钢板围合，地下和地上部分各为0.15 m。其次，紧靠小区顶端，为使放水经缓冲能徐徐地、均匀地、以薄层水流的形式流入小区，放置1个与小区等宽、紧贴地面、与两侧密封连接的稳流槽，通过水平仪确保稳流槽水平。然后，紧靠小区底端，放置与小区等宽、紧贴地面、与两侧密封连接的集流槽。最后，在集流槽下方，挖1个与小区等宽的圆形土坑，用以放置收集泥沙样品的集流桶。在小区1、2和3 m处设置观测断面，用于观测流速、流宽和流深。

试验中坡度选择为7°、9°、11°和15°共4个级别，试验流量按北江地区暴雨发生频率在野外标准径流小区上产生的单宽流设置为9、12和15 L/min共3个强度[7]，试验供水采用附近农田机井用水泵抽取的地下水。

2.2 试验过程

为了保证每次试验的初始条件基本一致，试验开始前先用撒水器在试验小区内均匀撒水，撒水量控制在土壤表面达到充分饱和又没有发生产流的程度。试验准备工作完成后，开启水泵电源开关，向试验水箱供水至满；然后打开水箱阀门率定放水量，通过微调阀门来调节放水量，至预设放水量，误差控制在≤2%，为降低水箱水压变化对放水量的影响，试验过程中始终保持水箱为满载状态；试验开始后，记录初始产流时间，观察产流的过程。当集流槽有明显的股流流出时，再用秒表记录产流时间；从产流开始计时，历时30 min，前5 min每隔1 min取径流泥沙样，后25 min每隔5 min取径流泥沙样，共收集10次样品，测定径流量与径流含沙量；并测量流速、流宽、流深；试验结束后用秒表记录退流时间。

流速：采用高锰酸钾染色法进行测定，由于测得的仅是水流表层流速，所以将测得的水流表层流速乘以修正系数(层流、过渡流和紊流的流速修正系数一般为0.67、0.7和0.8[4]，本试验中坡面流多为层流和紊流2种流态，因此在流速计算中，层流取0.67，紊流取0.8)。雷诺数、弗劳德数、阻力系数、水流剪切力、水流功率的计算见参考文献[7,12-14]。

3 结果与分析

3.1 水动力学参数特征

3.1.1 流速特征 由图1可见，随坡度的增大，平均流速增大，二者呈现出显著的线性关系(P<0.05)。水流流速随坡面坡度的增加呈递增趋势，表明坡度增大导致水流的重力顺坡分力就越大，冲刷过程中消耗水流动能减小，最终导致随着坡度的增大平均流速就越大。

图1 坡度与平均流速的关系Fig.1 Relationship between slope and mean velocity

3.1.2 雷诺数特征 雷诺数Re是表征水流运动型态的参数，定义为径流惯性力与黏滞力的比值。当Re≤500时明渠水流的运动型态为层流，而当Re>500时为紊流[15]。雷诺数的变化规律如图2所示(由于本研究的4个坡面雷诺数变化规律基本一致，故仅选择15°坡面的雷诺数作为代表进行图示)，雷诺数随放水历时的增加总体呈增大趋势，但增幅较小。当坡度一定时，雷诺数随放水量的增大而增大，这与流量增加导致径流的侵蚀力增强、径流逐渐集中冲刷土壤有关。本研究坡面流雷诺数变化范围为108.74～886.38，涵盖坡面流的3种流态。当放水量为9 L/min时，4个坡面的Re均<500，说明放水量在9 L/min时4个坡面上的坡面流流态均为层流；当放水量为12 L/min时，只有7°坡的Re<500，9°、11°、15°的Re均>500以上，说明只有7°坡的坡面流流态是层流，其他3个坡度是紊流。当放水量为15 L/min的时候，4个坡面的Re均>500，坡面流流态均处于紊流状态。

图2 15°坡面的雷诺数随放水历时的变化过程Fig.2 Changes of Reynolds numbers (Re) with scouring time at slope 15°

图4 弗劳德数Fr随放水历时的变化过程Fig.4 Changes of Froude numbers (Fr) with scouring time

如图3所示，坡度与雷诺数之间的相关性不显著(P>0.05)，说明坡度的变化对雷诺数的影响无明显规律，其原因可能与雷诺数同时受流速和径流深的影响有关。本研究中，随坡度的增加水流流速增大，而径流深却呈减小趋势，说明在一定坡度范围内，原生坡面上雷诺数的变化规律较为复杂。

图3 坡度与雷诺数的关系Fig.3 Relationship between slope and Reynolds numbers (Re)

3.1.3 弗劳德数特征 弗劳德数Fr定义为水流惯性力与重力之比。根据弗劳德数大小可以判断水流的流态，当Fr<1时为缓流，Fr=1为临界流，而Fr>1时为急流[13]。如图4所示，弗劳德数基本上随着放水历时的增加呈先减小后趋于稳定趋势，在试验进行的前2 min，弗劳德数减小比较明显，在随后的时间内波动较小。本研究坡面流弗劳德数变化范围为0.9～1.86，总体来看本研究各处理的平均弗劳德数均>1，说明坡面流均处于急流状态。相同流量下，弗劳德数随着坡度的增大而增大；相同坡度下，5°坡面的弗劳德数表现为：12>9>15 L/min，其他3个坡面的弗劳德数均表现为：15>12>9 L/min。

图5表明坡面流弗劳德数与坡度具有极显著的正线性相关性(P=0.000)，这与坡度增大，径流深减小、径流沿坡面方向的重力分力增大、流速增大有关[16]。

图5 坡度与弗劳德数Fr的关系Fig.5 Relationship between slope and Froude numbers (Fr)

3.1.4 阻力系数特征 如图6所示，阻力系数随着放水历时增加总体呈增大趋势，总体变化范围为0.48～1.57。放水强度为9 L/min时阻力系数的增幅大于12和15 L/min的增幅，放水强度为12和15 L/min的变化趋势基本呈一条直线变化。

当坡度一定时，阻力系数随着放水量的增大而减小，即9>12>15 L/min。放水流量为9 L/min时，径流深大于12和15 L/min，径流深引起粗糙率减小的程度大于平均流速的增加引起含沙量及细沟形态变化的作用，所以导致阻力系数随着放水量的增大而减小。

3.2 侵蚀产沙量特征

如图7所示，侵蚀产沙量随着放水历时的增加呈先减小后稳定的趋势，即在放水初期，侵蚀量呈显著的递减趋势，随后趋于相对稳定。在试验前5 min内，在坡度一定、放水流量不同时，侵蚀产沙量随放水时间的持续而减小，且变化幅度相对较大，这是由于冲刷前期表层土壤疏松，含有较多的细颗粒，在径流作用下易被搬运。5 min后，侵蚀量趋于平稳，这与易被冲刷的部分表土被冲走、坡面径流趋于稳定、土壤抗蚀性能增加有关。同时，当坡度一定时，侵蚀产沙量随放水强度的增加而增加，即放水强度15>12>9 L/min。

图6 阻力系数随放水历时的变化过程Fig.6 Changes of friction coefficient (f) with scouring time

图7 侵蚀产沙量随放水历时的变化过程Fig.7 Changes of sediment yield with scouring time

回归分析表明(图8)，侵蚀产沙量与坡度之间存在显著的正线性相关(P<0.05)，说明随坡度增加，重力作用凸显，加之坡面侵蚀力与坡面径流量和坡面径流流速成正比而坡面流速又与坡面糙率成反比，造成坡度越大，坡面径流量增大，在抵消坡面糙率影响后，坡面径流流速仍呈明显增大之势。

3.3 水动力学参数与侵蚀产沙量的关系

如图9所示，随着水流剪切力的增大，侵蚀产沙量增大，二者之间存在极显著线性关系(R2=0.803，P=0.000)。水流功率与侵蚀产沙量也存在极显著线性关系(R2=0.816，P=0.000)。可见，侵蚀产沙量与水流剪切力、水流功率之间存在良好的线性关系，故采用水流剪切力和水流功率预测侵蚀产沙量是可行的。

图8 坡度与侵蚀产沙量的关系Fig.8 Relationship between slope and sediment yield

图9 水动力参数与侵蚀产沙量的关系Fig.9 Relationship between hydrodynamic parameters and sediment yields

4 结论

坡度与平均流速呈现出极显著的正相关性。雷诺数随着放水时间的进行总体呈增大趋势，当坡度一定时，雷诺数随着放水量的增大而增大，但坡度的变化对雷诺数的影响无明显的规律性。弗劳德数基本上随放水历时越长呈现先减小然后趋于稳定的趋势，且平均弗劳德数全部>1，说明坡面流均处于急流状态。弗劳德数与坡度具有极显著的线性关系。阻力系数随着放水时间的进行总体呈增大趋势，当坡度一定时，阻力系数随着放水量的增大而减小，随坡度的增大呈先增后减的趋势，两者之间没有显著的相关性。

侵蚀产沙量随着放水历时的持续，前5 min内呈减小趋势，之后趋于平稳。侵蚀产沙量随坡度的增大而增大，二者之间存在显著的线性关系。侵蚀产沙量与水流剪切力、水流功率之间存在显著的线性关系，可以采用水流剪切力和水流功率来预测侵蚀产沙量。

[1] JIANG Penghui, CHENG Liang, LI Manchun, et al. Impacts of LUCC on soil properties in the riparian zones of desert oasis with remote sensing data: a case study of the middle Heihe River basin, China [J]. Science of the Total Environment, 2015, 506/507: 259.

[2] 高传友, 赵清贺, 刘倩. 北江干流河岸带不同植被类型土壤粒径分形特征 [J]. 水土保持研究, 2016, 23(3): 37.

GAO Chuanyou, ZHAO Qinghe, LIU Qian. Soil particle-size fractal characteristic under different vegetation types in riparian zone of the main stream of Beijiang River [J]. Research of Soil & Water Conservation, 2016, 23(3): 37.

[3] TANG Qiang, BAO Yuhai, HE Xiubin, et al. Sedimentation and associated trace metal enrichment in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir, China [J]. Science of the Total Environment, 2014, 479/480(1): 258.

[4] 戴矜君, 程金花, 张洪江, 等. 野外放水条件下坡面流水动力学特征 [J]. 中国水土保持科学, 2016, 14(3):52.

DAI Jinjun, CHENG Jinhua, ZHANG Hongjiang, et al. Hydrodynamic characteristics of surface runoff on field scour [J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(3): 52.

[5] 赵清贺, 卢训令, 汤茜, 等. 黄河中下游河岸缓冲带土壤粒径分形特征 [J]. 中国水土保持科学, 2016, 14(5): 37.

ZHAO Qinghe, LU Xunling, TANG Qian, et al. Fractal dimension characteristic of soil particle size in the riparian buffer zone of the middle and lower reaches of the Yellow River [J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(5): 37.

[6] 郭太龙, 卓慕宁, 李定强, 等. 华南红壤坡面侵蚀水动力学机制试验研究 [J]. 生态环境学报, 2013, 22(9): 1556.

GUO Tailong, ZHUO Muning, LI Dingqiang, er al. Experimental study on soil erosion and flow hydraulics on red soil slope [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(9): 1556.

[7] ZHAO Qinghe, LI Dingqiang, ZHAO Muning, et al. Effects of rainfall intensity and slope gradient on erosion characteristics of the red soil slope [J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2015, 29(2): 609.

[8] 罗榕婷, 张光辉, 曹颖. 坡面含沙水流水动力学特性研究进展 [J]. 地理科学进展, 2009, 28(4): 567.

LUO Rongting, ZHANG Guanghui, CAO Ying. Progress in the research of hydrodynamic characteristics of sediment-laden overland flow [J]. Progress in Geography, 2009, 28(4): 567.

[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.

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.

[10] 杨春霞, 姚文艺, 肖培青, 等. 坡面径流剪切力分布及其与土壤剥蚀率关系的试验研究 [J]. 中国水土保持科学, 2010, 8(6): 53.

YANG Chunxia, YAO Wenyi, XIAO Peiqing, et al. Distribution of shear stress and the relationship between soil detachment rate and shear stress under experiments[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2010, 8(6): 53.

[11] 赵其国, 黄国勤, 马艳芹. 中国南方红壤生态系统面临的问题及对策 [J]. 生态学报, 2013, 33(24): 7615.

ZHAO Qiguo, HUANG Guoqin, MA Yanqin. The problems in red soil ecosystem in southern of China and its countermeasures [J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(24): 7615.

[12] 戴矜君, 程金花, 张洪江, 等. 野外放水条件下坡面流水动力学特征 [J]. 中国水土保持科学, 2016, 14(3): 52.

DAI Jinjun, CHENG Jinhua, ZHANG Hongjiang, et al. Hydrodynamic characteristics of surface runoff on field scour [J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(3): 52.

[13] 郭太龙, 王全九, 王力, 等. 黄土坡面水力学特征参数与土壤侵蚀量间关系研究 [J]. 中国水土保持科学, 2008, 6(4): 7.

GUO Tailong, WANG Quanjiu, WANG Li, et al. Relationship between hydraulic characteristics and soil erosion amount on loess slope [J]. Science of Soil and Water Conservation, 2008, 6(4): 7.

[14] 张志玲, 范昊明, 郭成久, 等. 模拟降雨条件下坡面水流流速与径流输出特征研究 [J]. 水土保持研究, 2008, 15(6): 32.

ZHANG Zhiling, FAN Haoming, GUO Chengjiu, et al. Study on the relationship between flow velocity of sloping face and runoff characteristic under the simulated rainfall[J]. Research of Soil & Water Conservation, 2008, 15(6): 32.

[15] 吕威, 武新英, 李法虎. 径流量和坡度对复合坡薄层径流水力学特性的影响 [J]. 水土保持学报, 2016, 30(5): 11.

LÜ Wei, WU Xinying, LI Fahu. Shallow runoff hydraulic characteristics affected by runoff rate and slope gradient of composite slope [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016,30(5): 11.

[16] 任熠, 王先拓, 王玉宽, 等. 紫色土坡面细沟流的水动力学特征试验研究 [J]. 水土保持学报, 2007, 21(6): 39.

REN Yi, WANG Xiantuo, WANG Yukuan, et al. Study on hydrodynamic characters of rill flow on purple soil slope [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(6): 39.

HydrodynamiccharacteristicsofsurfacerunoffonredsoilslopeintheriparianzoneoftheBeijiangRiver

WU Changsong, ZHAO Qinghe, LIU Pu, ZHANG Yifan, BIAN Ziqi, XU Shanshan

(Key Laboratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions, Ministry of Education；College of Environment and Planning of Henan University, 475004, Kaifeng, Henan, China)

BackgroundInfluenced by interaction effects of human activities and natural factors, soil and water conservation function of the riparian zone in Beijiang River is facing serious degradation.MethodsBased on the field runoff scouring experiment on the red soil slope in the riparian zone of the Beijiang River, this study analyzed the changes in hydrodynamic parameters and their relationship with erosion and sediment yields under different slope gradients (7°, 9°, 11°, and 15°) and runoff inflow rates (15 L/min, 12 L/min, and 9 L/min).Results1) The average flow velocity increased with runoff inflow rates and presented significantly positive linear correlation with slope gradient (P<0.01) under the same runoff inflow condition. Reynolds number increased slightly with the increase of runoff inflow time, while it was irregular and complex with increasing slope gradients. The Froude number decreased firstly and then tended to be stable with the increase of the runoff inflow time, and the average Froude number was greater than 1 in all treatments, demonstrating that overland flow was in a state of torrent and presented significantly positive linear correlation with slope gradient (P<0.01). The resistance coefficient increased with runoff inflow time, and increased initially and then decreased with increasing slope gradients, inferring nonlinear relationship existed between resistance coefficient and slope gradient. 2) Runoff coefficient increased first and then maintained stable with the increasing runoff inflow time, and showed significant power function relation with slope gradient (P<0.05). The relationship between sediment yield and discharge duration presented the same variation tendency as Reynolds number, while there was a significant linear relationship between sediment yield and slope (P<0.05). 3) The sediment yield had significantly positive linear correlation with the flow shear stress and stream power (P<0.01).ConclusionsAs the last barrier, the riparian zone is of great significance for retarding surface runoff and trapping sediment from upland into river, thus above results can provide scientific evidence for water and soil conservation of riparian slope in red soil area.

red soil; riparian slope; slope gradient; runoff scouring; hydrodynamic characteristics

S157

A

2096-2673(2017)05-0001-07

10.16843/j.sswc.2017.05.001

2016-11-27

2017-07-23

项目名称： 国家自然科学基金“华南红壤区河岸植被缓冲带景观格局对土壤侵蚀过程的调控机理研究”(41301197)；河南省高等学校重点科研项目“耦合植被格局与泥沙传输过程的河岸缓冲带水土保持功能调控技术”(18A170004)；河南省高校科技创新团队支持计划“农业资源开发与可持续利用”(16IRTSTHN012)

吴长松(1991—)，男，硕士研究生。主要研究方向：流域景观格局与生态过程。E-mail：512049609@qq.com

†

赵清贺(1982—)，男，博士，讲师。主要研究方向：流域景观格局与生态过程。E-mail：zhaoqinghe@henu.edu.cn