砾石覆盖条件下高寒区细沟侵蚀特征研究

丁宇浩　黄莎琳　王君惠　邓翔尹　万丹

摘 要：为了探究砾石覆盖条件下高寒土坡面细沟侵蚀特征，通过室内水槽模拟冲刷试验，研究不同坡度和流速条件下细沟侵蚀的特征。采用长为8 m的土槽，在4个流量和6个砾石覆盖度条件下进行冲刷试验研究，结果表明：砾石覆盖下细沟侵蚀的输沙率与砾石覆盖度呈先增后减的抛物线趋势;产流时间随着坡度的增加而减少;在相同流速与砾石覆盖度条件下，坡度越大，产流时间和产沙率越大，相应的产流量和产沙量也越大。

关键词：砾石覆盖;产流;产沙率

中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0130-04

Study on Rill Erosion Characteristics in Alpine Region under Gravel Cover

DING Yuhao HUANG Shalin WANG Junhui DENG Xiangyin WAN Dan

（1.College of Resources and Environment， Tibet University of Agriculture and Animal Husbandry，Linzhi Tibet 860000;2.Tibet College of Agriculture and Animal Husbandry Research Center for Alpine Soil and Water Conservation，Linzhi Tibet 860000）

Abstract： In order to explore the rill erosion characteristics of gravel cover on alpine soil slopes， the characteristics of rill erosion under different slopes and velocities were studied through indoor flume simulation erosion tests. An 8 m long soil trough was used to carry out a scour test study under the conditions of 4 flows and 6 gravel coverage. The results showed that： the sand transport rate and gravel coverage of rill erosion under gravel coverage showed a parabolic trend of increasing first and then decreasing; the runoff time decreases as the slope increases; under the same flow velocity and gravel coverage conditions， the greater the slope， the greater the runoff time and sediment yield. The corresponding land flow and sediment yield are also greater.

Keywords： gravel cover;runoff;sand yield rate

砾石是基岩风化作用的产物，是土壤中粒径大于2 mm的矿物颗粒，在土壤中分布广泛[1]。我国北方土石山区褐土和西南地区紫色土中都有大量砾石存在[2-3]。青藏高原由于地质年轻化，结构破碎，基岩风化时间短，土层较薄，地表和土壤中存在大量大小不一的砾石。细沟侵蚀是土壤侵蚀中一种重要的形式，对坡面侵蚀产沙有重要作用。土壤中砾石的存在影响土壤侵蚀过程，因此认识砾石覆盖作用下的细沟侵蚀过程对西藏高寒区含砾石土壤细沟侵蚀的控制具有重要意义。JOMAA等[4]的研究表明，嵌入砾石可在一定程度上保护上壤方面免受雨滴击打，阻碍坡面径流的形成，降低坡面产沙能力。JOMAA等[5]的研究表明，砾石覆盖能有效降低高强度降雨对土壤的溅蚀。符素华等[6]的研究表明，土壤侵蚀量随砾石覆盖度增加呈负指数递减。

含砾石土壤大多分布在土壤侵蚀严重的地区，认识和研究含砾石土壤侵蚀过程，尤其是砾石覆盖条件下，细沟侵蚀对这类地区水土保持技术的发展具有重要意义。本文主要研究不同径流量、坡度条件下砾石覆盖对西藏高寒地区细沟侵蚀过程的作用，探究各因子之间的关系，以期为西藏高寒地区水土保持技术的发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤材料

试验土壤是2019年9月采自西藏自治区林芝市色季拉山海拔4 400 m的高寒土（94°37′33″E，29°38′1″N）。采用Bettersize 2000激光粒度分布儀对试验土壤的机械组成进行检测，按照美国制划分标准，试验土壤属于粉壤土，供试土壤机械组成见表1。

1.2 试验设计

根据已研究细沟侵蚀发生的临界坡度和野外实地调查[7-8]，本试验设计5°、10°、15°和20°这4个坡度。依据位于色季拉山上的西藏高山生态系统定位站多年观测统计数据和已有研究[9-10]的降雨量，本试验设计3个单宽流量，分别为1 L/min、2 L/min和4 L/min。根据前期试验小组野外实地调查，本试验设置为0、50%、60%、70%、80%和90%这6个砾石覆盖度。

试验土样经自然风干后过10 mm筛，除去草根与大块砾石。参考前人[11]对野外自然条件下色季拉山土壤物理性质的研究和实测结果，本试验的土槽填土容重控制在0.75～0.85 g/cm。装土时采用分层填装法，填土厚度为10 cm。装填完成后，在土壤表面嵌入砾石，嵌入深度为2 cm。为了模拟野外的真实情况，本试验在水温为0 ℃状态下进行，坡面产流后在出水口收集泥沙和径流样品，含沙量采用烘干法确定。

2 结果与分析

2.1 砾石覆盖下的细沟侵蚀产流过程

表2是不同砾石覆盖情况下坡面细沟侵蚀的几个关键时刻。由表2可知，高寒土在3个流速、4个坡度以及6种砾石覆盖度下均发生了细沟侵蚀。试验条件下，坡度对坡面产流具有一定的影响。产流时间大致随着坡度的增加而缩短，原因是在坡长相同的情况下，由于坡度增加，水流受到的重力作用增大，因此可在较短的时间流出。当流速为1 L/min时，产流所需时间明显大于流速为2 L/min和4 L/min的产流时间;当流速为2 L/min时，产流所需时间最大差值为75 s;当流速为4 L/min时，产流所需时间最大差值为20 s。分析原因：当流速为1 L/min时，流速小于土壤入渗速度;当土壤水分达到饱和含水量时，产生径流;当降雨强度为2 L/min和4 L/min时，流速大于土壤的入渗强度，产生径流，使得小流速强度时径流产生的时间较长。由表2可知，相同坡度和流速条件下，砾石覆盖度为0时产流时间和细沟出现时间最短。随着砾石覆盖度的增加，产流时间和细沟出现时间整体上呈先增加后逐渐稳定的趋势。主要是砾石覆盖可增加土壤粗糙程度，减少土壤表层结皮，使得水分可以继续下渗，进而延迟地表填洼时间。此外，砾石覆盖增加了土壤的孔隙度，导致土壤入渗率加快。上述两个原因都导致了坡面产流时间的延迟。当砾石覆盖度增加到一定程度时，砾石对土壤附加的作用力达到最大，产流时间和细沟出现时间便达到相对稳定的状态。

由表2可得出：当砾石覆盖度为70%时，产流时间最长，且随着砾石覆盖度的增加坡面产流时间也随之增加，但增加的趋势不明显。一方面，砾石覆盖可增加土壤粗糙程度，减少土壤表层结皮，水分可以继续下渗，进而延迟地表填洼时间;另一方面，砾石覆盖增加了土壤的孔隙度，土壤入渗率加快。这两个方面导致了坡面产流时间的延迟。

2.2 砾石覆盖下对细沟侵蚀产沙率的影响

砾石覆盖对西藏高寒区土壤坡面细沟侵蚀过程的作用受流速大小和坡度影响。图1、图2、图3、图4分别为坡度为5°、10°、15°、20°条件下产沙率变化情况。由图1、图2、图3、图4可知，产沙率随砾石覆盖度增大呈先增后降的抛物线趋势。

由图1可知：当坡度为5°、流速为4 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为14.5 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为6.3 kg/（m·h）的区域;当流速为2 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为80%，流速为9.72 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为4.23 kg/（m·h）的区域;当流速为1 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为5.12 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为90%，流速为3.23 kg/（m·h）的区域。

由图2可知：当坡度为10°、流速为4 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为15.1 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为8.23 kg/（m·h）的区域;当坡度为10°、流速为2 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为70%，流速为8.56 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为4.96 kg/（m·h）的区域;当坡度为10°、流速为1 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为70%，流速为6.32 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为90%，流速为3.83 kg/（m·h）的区域。

由图3可知：在坡度为15°的条件下，产沙率随砾石覆盖度增大呈先增后降的抛物线趋势;坡度为15°、流速为4 L/min时，最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为16.8 kg/（m·h）的区域，最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为9.53 kg/（m·h）的区域;当流速为2 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为70%，流速为9.66 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为5.16 kg/（m·h）的区域;当流速为1 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为7.32 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为90%，流速为4.83 kg/（m·h）的区域。

由图4可知：当坡度为20°、流速为4 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为17.86 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速為11.33 kg/（m·h）的区域;当坡度为20°、流速为2 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为70%，流速为12.66 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为0，流速为6.26 kg/（m·h）的区域;当坡度为20°、流速为1 L/min时，平均最大产沙率出现在砾石覆盖度为60%，流速为7.32 kg/（m·h）的区域，平均最小产沙率出现在砾石覆盖度为90%，流速为5.73 kg/（m·h）的区域。

综合分析可知，当坡度为5°、流速为4 L/min和1 L/min，坡度为10°、流速为4 L/min，坡度为15°、流速为4 L/min和1 L/min，坡度为20°、流速为4 L/min和1 L/min时，在砾石覆盖度为60%时平均输沙量达到最大值。在4个坡度条件下，流速为2 L/min时，只有当坡度为5°条件下平均最大输沙量在砾石覆盖度为80%，其余3个坡度最大输沙率均在70%砾石覆盖度。坡度为10°、流速1 L/min条件下，最大输沙率也在70%砾石覆盖度，而其他条件下的平均最小输沙率均出现在砾石覆盖度为0和砾石覆盖度为90%的区域。

分析原因可知：坡度较小时，坡面承受冲刷量较大，砾石覆盖护坡保土效应削弱，产沙率随砾石覆盖增大变化不显著;坡度较大情况下，随砾石覆盖度增大，水流趋于平缓，且砾石之间的间隙可截流冲刷溅起泥沙颗粒，减少径流携带泥沙来源，故产沙率会减小，输沙率会随砾石覆盖度增大而先增后减。

3 结论

通过室内水槽模拟冲刷试验，研究不同坡度和流速条件下细沟侵蚀的特征，得出以下结论。

①西藏高寒土细沟侵蚀的输沙率随砾石覆盖度的增加呈先增后减的抛物线趋势，变化趋势受流速和坡度的影响。在陡坡和高流速条件下，砾石覆盖下细沟侵蚀平均输沙率受砾石覆盖影响更显著。

②试验条件下，当流速和砾石覆盖度一定时，产流时间随着坡度的增加而减少，即产流时间与坡度呈线性负相关。

③在相同流速与砾石覆盖度条件下，坡度越大，产流时间越短、产沙率越大，相应的产流量和产沙量也越大，其产流量与产沙量随时间的变化表现为先增大而后稳定的特征。

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