不同雨強及坡度下坡面流的水動力特性

梁志權，卓慕寧，郭太龍，謝真越，廖義善，張思毅，李定強

1. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州510640；2. 廣東省生態環境與土壤研究所//廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 中國科學院廣州分院//廣東省科學院，廣東 廣州 510650

不同雨強及坡度下坡面流的水動力特性

梁志權1,2,3，卓慕寧2，郭太龍2，謝真越2，廖義善2，張思毅2，李定強4*

1. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州510640；2. 廣東省生態環境與土壤研究所//廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 中國科學院廣州分院//廣東省科學院，廣東 廣州 510650

土壤侵蝕是中國南方多雨區面臨的一個重大環境問題，研究不同降雨條件下紅壤坡面的水動力特性，對于認識紅壤侵蝕過程具有重要的意義。采用室內人工模擬降雨試驗，研究了不同雨強（60、90、120、180、270 mm·h-1）和不同坡度（5°、10°、15°、20°、25°）條件下紅壤坡面的侵蝕特征，分析測定了侵蝕過程中的流速、水深及單寬流量，探討它們隨雨強及坡度的變化規律。結果表明，相同雨強下沿程流速隨著坡度增大而呈增大的趨勢，坡度為20°的流速大于另外3種坡度（10°、15°和25°）的流速；隨著雨強的增加，坡面流平均水深不斷增大。不同雨強條件下，坡度為10°的坡面徑流平均水深相對較大，而在中大雨強下，當坡度為20°和25°時平均水深均處于較低水平；在同一坡度下，坡面單寬流量隨著雨強增大而增大，兩者呈現較好的線性關系，決定系數均大于0.91；隨著坡度的增加，單寬流量在10°和20°附近分別出現先增加后減少的變化趨勢，坡度對單寬流量影響存在臨界坡度，其變化值在10°附近。試驗結果揭示了試驗槽內紅壤坡面侵蝕過程中雨強、坡度與水動力特性的關系。

模擬降雨；紅壤；坡面侵蝕；水動力學特性

華南紅壤區占中國土地總面積的22%，這一地區熱量豐富，生產力較高。但是，華南地區降雨量大，長期的土地開發利用導致養分淋溶與水土流失嚴重。如何防控土壤侵蝕以維持土地生產力一直是華南地區一個重大的環境問題。影響水土流失的因素很多，包括降雨特征、下墊面條件、土壤水分物理特性等。強降雨條件下的坡面水流是華南地區土壤侵蝕的主要動力，引起土壤顆粒分散、剝離、泥沙輸移和沉積。坡面流是降水扣除地面截留、填洼與下滲等損失后，在坡面上形成的一種淺層明流，其水動力學特性對于坡面侵蝕預報模型的構建具有重要的理論意義。國內外許多學者對坡面流做了很多工作（Foster等，1984；Abrahams等，1996）。江忠善和宋文經（1988）討論了坡面流速的影響因素；姚文藝（1993）根據試驗資料建立了不同流態坡面流速計算式；也有些學者（Shen，1973；姚文藝，1996）從阻力規律特性對坡面流展開研究，主要依據Darcy-weisbach阻力參數和曼寧系數反映坡面流阻力特性。前人建立起的多種不同侵蝕模型，對認識坡面侵蝕過程提供了重要手段，但每一種坡面流模型均有其自身局限性，其中的關鍵因素是華南地區獨特的氣候和紅壤自身的特性。

首先，華南紅壤區土壤具有獨特性，長期高溫高雨量下的風化使華南紅壤侵蝕潛力大，目前對暴雨驅動下的紅壤坡面侵蝕機制方面的研究較為缺乏；其次，華南地貌多為山地丘陵，地形坡度大；再次，雨熱不同季，干濕交替明顯造成坡耕地嚴重的水土流失（朱麗琴和王莉，2012）。因此，針對華南地區強度大、歷時長、大暴雨事件頻發的降雨特點和紅壤區坡耕地地形特點，研究不同雨強及坡度下華南紅壤坡面侵蝕過程，可以為本地區水土流失的防控提供重要的科學依據。本文在前人研究的基礎上，開展室內人工模擬降雨試驗，研究不同雨強及坡度條件下紅壤坡面流的水動力特性，分析紅壤水土流失過程中的流速、水深及單寬流量變化特征，對于認識紅壤侵蝕過程與尋找科學對策具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 降雨及坡面土槽系統

試驗設在廣東省生態環境與土壤研究所人工模擬降雨大廳內進行。裝配國際先進的下噴式模擬降雨器，有效降雨高度13.4 m，可以使所有的雨滴達到終點速度。降雨均勻度與自然降雨相似，可進行 15～400 mm·h-1的各種雨強模擬降雨，均勻度>85%。可滿足紅壤區不同侵蝕模擬的要求。

試驗土槽為可移動式變坡鋼槽，規格為 2 m×0.5 m×0.5 m，根據紅壤區坡耕地形特點（王學強等，2007；張會茹等，2009），共設計5種坡度（5°、10°、15°、20°、25°）；根據華南地區常見的雨強范圍和南方短歷時暴雨計算方法（劉麗詩，2007），設計5種雨強（60、90、120、180、270 mm·h-1），每個處理設1次重復，共計降雨場次25次。試驗用土采自廣州郊區的棄耕地，土壤初始容積含水量為w=8%，用于試驗的土壤前期經風干后水分含量約為 w=5.2%，土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的質量分數分別為1.89、0.079、0.249、24.6 g·kg-1。試驗前過2 mm的孔篩，粒徑可劃分為：< 0.002 mm，0.002～0.05 mm，> 0.05 mm。各級粒徑質量分數分別為8.9%、35.4%、55.7%。

1.2 試驗設計

試驗前1天向填裝土壤噴撒一定量的蒸溜水在土壤表面（水量根據控制的含水量w=8%和現場實測含水量的差值進行計算），在土壤表面覆蓋薄膜以防止水分蒸發；裝土前需要均勻攪拌土壤。試驗土槽采用分層裝土，首先在槽底部鋪設一層 5 cm厚的細砂，其上以10 cm為間隔，共裝填50 cm的供試土壤。槽壁上以10 cm為間隔劃出刻度線，再根據每層土槽的體積和所需裝土容重計算出每層土壤質量，通過稱量將每層土壤容重控制在 1.25 g·cm-3。填土時采用邊填充邊壓實的方法，每層裝好后用鋼毛刷將表面刮平打毛（最上面的一層則不打毛），以使相鄰2層土壤之間不產生分層效應。由于模擬的坡面無植被覆蓋，故無需考慮植被情況。裝土容重與原狀土相同，因此松緊度近似，能夠保證不同雨強、坡度實驗的坡面土壤結構、土層結構一致。試驗結束后清理槽內所有土壤，按相同的土壤容重、含水量填裝未經試驗的土壤，盡可能縮小每場試驗的土槽間的差異。

本試驗研究不同雨強、坡度對華南紅壤坡面流水力學特性——流速、平均水深和單寬流量的定量影響。從開始降雨記時，對產流時間進行記錄。產流后開始采集徑流段的徑流量、泥沙量，在最初的20 min內，每隔5 min采集1次，隨后的40 min里，則以10 min為間隔，共計歷時1 h。同時，沿坡長水流方向，在槽邊上以20 cm為間隔，把坡長劃分為10個坡段，采用染色劑法（KMnO4溶液）測量染色劑通過各坡段所需的時間，每隔 10 min對各坡段進行測定，將6次的測量值平均后，再換算出不同坡段的平均流速，分別乘以不同的修正系數0.67、0.70、0.80得到該斷面層流、過渡流和紊流的平均流速（Abrahams等，1986；潘成忠和上官周平，2007）。由于染色劑法在測量坡度較小且坡長小于 1.5 m時會出現較大的誤差（羅榕婷，2010），故結果分析中沒有對坡度為5°條件下的沿程流速進行討論。降雨實驗結束后，測量所有徑流樣的體積，并用烘干稱質量法測定徑流含沙量，所有樣品重復數為1次。采用水動力特性參數并基于明渠水力學理論（吳持恭，1998）進行計算。統計所有坡段的流速；所得平均值乘以修正系數得到全坡長平均流速。平均水深用式（1）進行計算。單寬流量采用容積法，用式（2）計算。試驗數據采用Excel和SPSS17.0進行統計分析，顯著性水平為0.01。

2 結果與討論

2.1 不同雨強及坡度條件下沿程流速的變化

坡面水流速度是坡面徑流主要的水動力要素之一，其變化影響著坡面水蝕的顆粒剝離、泥沙輸移和沉積過程。經計算驗證，該坡面流的流態為層流，修正系數為0.67。統計得到沿程0.6、1.0、1.4、1.8 m處的流速，試驗結果如圖1所示。從圖1曲線可看出，相同雨強下薄層水流的沿程流速不斷增大，坡長對流速的影響顯著，而0.6和1.0 m處的水流速度的差異性很小，說明坡長對流速的影響隨沿程距離的增大而增強。趙小娥等（2009）認為50 mm·h-1下坡長對流速的影響很大。除了雨強為120 mm·h-1外，當坡度為20°時水流速度大于另外3種坡度（10°、15°和25°），表明流速的差異性是由降雨強度、坡度等因素共同決定的。當雨強分別為120、90和60 mm·h-1時，除坡度為20°之外，從3種不同坡度（10°、15°和 25°）所得的實驗結果來看，紅壤坡面侵蝕過程中，水流速度差異性很小，表明在中低雨強下，坡長大小對流速影響更為顯著；當雨強較大時（180和270 mm·h-1），同坡度下流速也較大，而且不同坡度下流速相差也較大，說明雨強較大時，雨強為主要影響因子，這與呂宗強等（2010）采用人工降雨模擬薄層水流的流速變化結論相似。根據層流的謝才公式和紊流的曼寧公式，流速總是隨著坡度的增大而增大的，而目前土壤侵蝕機理分析及模型構建、坡面流速計算大都采用上述2式，與本文結論有所不同。因此，很有必要對坡面流水力學特性與坡度的關系進行更進一步的深入研究。

圖1 不同雨強及坡度條件下沿程流速的變化Fig. 1 Flow velocity change with slope length under different simulated rainfalland slope gradient

圖2 不同雨強及坡度條件下平均水深的變化Fig. 2 Average flow depth change under different simulated rainfall and slope gradient

2.2 不同雨強及坡度條件下平均水深的變化

與坡面水流速度一樣，平均水深也是最基本的水動力學特性之一。但由于坡面水流水層較薄，同時受到下墊面條件、降雨強度等因素的影響，邊界擾動較強烈，水深復雜多變。平均水深與降雨強度、坡度的關系如圖2所示。從試驗結果來看，徑流平均水深隨雨強的增加而增大。坡度對平均水深的影響比較復雜，不同坡度下水深隨雨強的變化有較大的差異。不同雨強下，坡度為 10°時水深為(1.67±0.43) mm，比坡度為15°、20°、25°時要大，顯著性水平分別為 0.05、0.04、0.04。在中大雨強下（120、180和270 mm·h-1），坡度為20°和25°時水深偏小，分別為(1.30+0.24) mm和(1.28+0.39) mm。這可解釋為隨著坡度的增大，試驗土槽的受雨面積變小；根據式（1）可知徑流量越小，則平均水深越小。呂宗強等（2010）采用測壓管水位差的方法，測得坡度較大時水深較小。張光輝等（2001）通過變坡土槽試驗發現水深與流量和坡度間呈線性關系。目前對徑流水深的研究主要在室內條件下開展，以底部糙率相對穩定的實驗水槽進行試驗為主，大部分研究指出平均水深與流量和坡度間呈簡單的冪函數關系（于朋等，2009）。目前關于降雨條件下坡面流理論尚不完善，對侵蝕水流的水動力學機制探討是基于明渠水流理論假定，其水力要素之間的關系從形式上可借鑒明渠水流的公式近似求解。綜上所述，華南紅壤坡面徑流的平均水深受雨強及坡度雙因子影響；與流速類似，水深的差異性是由降雨強度、坡度等因素共同決定的；水深隨雨強的增加呈增大的趨勢，中大雨強下水深受坡度的影響更為顯著。

2.3 不同雨強及坡度條件下單寬流量特征

坡面侵蝕過程中，土壤流失程度與坡面徑流等水文特征密切相關。其中，單寬流量作為比較重要的水動力特征，直觀地反映流速、平均水深對紅壤侵蝕過程的影響。圖3為不同雨強及坡度條件下單寬流量的變化。從圖3曲線可看出，在同一坡度下，單寬流量隨雨強的增大而增大。擬合函數關系式如表1所示，雨強對單寬流量的影響較為顯著，兩者呈現較好的線性關系，決定系數r2在0.91以上。這與部分學者的研究結論相似（趙小娥等，2009）。在同一雨強下，隨著坡度的增大，單寬流量2次呈現先增加后減少的變化趨勢，其變化在10°附近較為劇烈。首先，當坡度增大至10°時單寬流量達到峰值，比另外4種坡度要大，這表明在10°附近存在臨界坡度；隨后在 15°時大幅度下降，并在 20°時略有上升。這可以解釋為隨著坡度的繼續增大，平均水深減少而流速增大。在20°時流速增大的幅度比水深減少的幅度要大，而流量與流速、水深密切相關，故流量出現小范圍的增大。這進一步表明華南紅壤坡面侵蝕的過程是由降雨強度、坡度等其他因素共同決定的。單寬流量與累積入滲量密切相關（耿曉東等，2009），相同條件下入滲量越小，則單寬流量越大。坡面侵蝕過程存在一個臨界坡度，當坡度小于臨界值時，徑流量隨坡度的增大而增大，反之，當坡度大于臨界值時，徑流量隨著坡度的增大而減少。蔡強國和陳浩（1989）認為18°為一個臨界坡度，當坡度小于18°時，入滲量隨著坡度的增大而減小；當坡度大于18°時，坡度對入滲量影響不大。靳長興（1996）則認為15°是臨界坡度。另外，也有學者通過分析坡面流侵蝕機理和小區實測資料，得出臨界坡度與泥沙受力狀況有關的結論。但是，也有部分研究認為，坡度范圍為0°～25°時，單寬流量隨坡度的增大而減少，不存在臨界坡度。

圖3 不同雨強及坡度條件下單寬流量特征Fig. 3 Unit width discharge characteristics under different simulated rainfall and slope gradient

表1 單寬流量與雨強的擬合函數及相關性分析Table 1 Fitting function and correlation analysis between unit width discharge and rainfall intensity

試驗結果也顯示，在中小雨強條件下單寬流量的差異性較小，而在大雨強下差異性非常明顯，表明大雨強對產流影響較大。當雨強分別為120、90、60 mm·h-1時，從不同坡度所得的實驗結果來看，坡度對徑流的影響不顯著，表明在低雨強及中雨強下，單寬流量主要受雨強大小的影響，而受坡度的影響較小。此外，大雨強下坡度對單寬流量影響很大，尤其是坡度范圍為10°～20°。

3 結論

（1）相同雨強條件下，沿程水流速度不斷增大，坡長對流速的影響顯著；當坡度為20°時，水流速度大于另外3種坡度（10°、15°和25°）。總的來說，坡長對流速的影響隨著沿程距離的增大而增強。

（2）平均水深均隨雨強的增加而呈增大的趨勢。不同雨強條件下，坡度為10°時，坡面徑流平均水深相對較大；而中大雨強下 20°和 25°時平均水深均處于較低水平。

（3）在同一坡度下，單寬流量隨雨強的增大而增大，兩者呈現較好的線性關系，擬合函數的決定系數在 0.91以上，雨強對單寬流量的影響較為顯著。另外，隨著坡度的增大，單寬流量在10°和20°附近均出現先增加后減少的變化趨勢，坡面侵蝕過程存在臨界坡度，本研究的結果為10°附近。

研究結果進一步說明了試驗槽內紅壤坡面侵蝕過程中雨強、坡度與水動力特性的關系，但對降雨條件下的入滲量問題研究不夠全面，要得到一般性的研究結論，尚需開展一系列相關試驗研究。

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

ABRAHAMS A D, PARSONS A J, LUK S H. 1986. Resistance to overland-flow on desert hillslopes [J]. Journal of Hydrology, 88(3-4): 343-363.

FOSTER G R, HUGGINS L F, MEYER L D. 1984. A laboratory study of rill hydraulics Shear stress relationships [J]. Transaction of ASAE, 27(3): 790-796.

SHEN H W. 1973. Rainfall effect on sheet flow over smooth surface [J]. Transactions of ASAE, 99: 771-792.

蔡強國, 陳浩. 1989. 影響降雨擊濺侵蝕過程的多元回歸正交試驗研究[J]. 地理研究, 8(4): 28-35.

耿曉東, 鄭粉莉, 張會茹. 2009. 紅壤坡面降雨入滲及產流產沙特征試驗研究[J]. 水土保持學報, 23(4): 39-43.

江忠善, 宋文經. 1988. 坡面流速的試驗研究[J]. 中國科學院西北水土保持研究所集刊, (7): 46-52.

靳長興. 1996. 坡度在坡面侵蝕中的作用[J]. 地理研究, 15(3): 57-61.

劉麗詩. 2007. 沿海地區可能最大暴雨及短歷時暴雨計算方法的研究[D]. 南京: 河海大學: 71-72.

羅榕婷, 張光輝, 沈瑞昌, 等. 2010. 染色劑測量坡面流流速的最佳測流區長度研究[J]. 水文, 30(3): 5-9.

呂宗強, 雷孝章, 張鵬飛. 2010. 人工降雨條件下坡面流試驗分析[J].水電能源科學, 28(5): 1-3.

潘成忠, 上官周平. 2007. 不同坡度草地含沙水流水力學特性及其攔沙機理[J]. 水科學進展, 18(4): 490-495.

王學強, 蔡強國, 和繼軍. 2007. 紅壤丘陵區水保措施在不同坡度坡耕地上優化配置的探討[J]. 資源科學, 29(6): 68-74.

吳持恭. 1998. 水力學[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社: 190-201.

姚文藝. 1993. 坡面流流速計算的研究[J]. 中國水土保持, (3): 25-29.

姚文藝. 1996. 坡面流阻力規律試驗研究[J]. 泥沙研究, (1): 74-82.

于朋, 雷孝章, 陳平安, 等. 2009. 坡面流水力學特性研究的進展[J]. 四川水利, (4): 40-44.

張光輝, 衛海燕, 劉寶元. 2001. 坡面流水動力學特性研究[J]. 水土保持學報, 15(1): 58-61.

張會茹, 鄭粉莉, 耿曉東. 2009. 地面坡度對紅壤坡面土壤侵蝕過程的影響研究[J]. 水土保持研究, 16(4): 52-54.

趙小娥, 魏琳, 曹叔尤, 等. 2009. 強降雨條件下坡面流的水動力學特性研究[J]. 水土保持學報, 23(6): 45-57.

朱麗琴, 王莉. 2012. 紅壤坡耕地水土流失綜合治理的實踐與經驗——以江西省南昌市進賢縣為例[J]. 亞熱帶水土保持, 24(4): 26-29.

Effects of Rainfall Intensity and Slope Gradient on Hydrodynamic Characterisics of Overland Flow

LIANG Zhiquan1,2,3, ZHUO Muning2, GUO Tailong2, XIE Zhenyue2, LIAO Yishan2, ZHANG Siyi2, LI Dingqiang4
1. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control//Guangdong Institute of Eco-Environmental and Soil Sciences, Guangzhou 510650, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Guangzhou Branch of Chinese Academy of Sciences//Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China

Soil erosion is a critical environmental problem in south China. To investigate and understand erosion flow hydraulics could help to understand the erosion processes in this region. An simulated rainfall experiment was conducted to quantify the effects of rainfall intensity (60, 90, 120, 180, and 270 mm·h-1) and slope gradients (5°, 10°, 15°, 20°, and 25°) on flow velocity, flow depth and unit width discharge on runoff and soil erosion processes on red earth hillslopes. The results showed that in fixed rainfall intensity, the flow velocity increased along the slope length. The flow velocity occurring on the 20° slope was always higher than that on the other slopes (15°, 20°, and 25°). The average flow depth increased with the increase in rainfall intensity, and higher flow depth occurred on 10°, while lower flow depth occurred on 20° and 25° under the moderate and large rainfall intensity. In the same slope gradient, the unit width discharge significantly and linearly increased with increasing rainfall intensity, with r2>0.91. In addition, the unit width discharge at first increased and then decreased near 10° and 20°, respectively. The critical slope degree on effects of slope gradient on the unit width discharge and the value was near 10o. Results from this study expanded the understanding of the relationship among slope gradient, rainfall intensity, and erosion processes characteristics.

simulated rainfall; red soil; hillslope erosion; hydrodynamic characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.014

S157

A

1674-5906（2015）04-0638-05

梁志權，卓慕寧，郭太龍，謝真越，廖義善，張思毅，李定強. 不同雨強及坡度下坡面流的水動力特性[J]. 生態環境學報, 2015, 24(4): 638-642.

LIANG Zhiquan, ZHUO Muning, GUO Tailong, XIE Zhenyue, LIAO Yishan, ZHANG Siyi, LI Dingqiang. Effects of Rainfall Intensity and Slope Gradient on Hydrodynamic Characterisics of Overland Flow [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 638-642.

國家自然科學基金項目（41171221）；廣東省自然科學基金項目（S2012030006144；S2011020005896）；廣東省水利廳委托項目（GPCGD112197FT141F1；GPCGD122197FD096F）

梁志權（1989年生），碩士研究生，主要從事方向為水土保持。E-mail：quan_228@126.com *通信作者。李定強（1963年生），研究員，博士生導師，主要研究方向為水土保持與非點源污染。E-mail：lidq@gzb.ac.cn

2015-04-02