北方風沙區礫石對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響

康宏亮，王文龍,2※，薛智德，郭明明，李建明，白　蕓，鄧利強，李艷富，李垚林（.西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 200；　2.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 200；　.西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 200；　.長江科學院水土保持研究所，武漢 000；.榆林學院生命科學學院，榆林 9000；　.山東省水利科學研究院水土保持與生態研究所，濟南 200；　.南京水利水電科學院，南京 20029；　.黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，慶陽 000）

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北方風沙區礫石對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響

康宏亮1，王文龍1,2※，薛智德3，郭明明1，李建明4，白蕓5，鄧利強6，李艷富7，李垚林8
（1.西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3.西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100；4.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010；5.榆林學院生命科學學院，榆林 719000；6.山東省水利科學研究院水土保持與生態研究所，濟南 250013；7.南京水利水電科學院，南京 210029；8.黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，慶陽 745000）

摘要：為了研究礫石對工程堆積體降雨侵蝕規律的影響，采用室內人工模擬試驗，以土質堆積體（礫石質量分數為0）為對照，研究了10%、20%和30%礫石質量分數堆積體邊坡在模擬降雨條件下的徑流水力特征、產沙過程及侵蝕動力機制。結果表明：1）產流0～6 min，礫石促進堆積體坡面細溝間徑流流動；產流12～30 min后，礫石阻礙堆積體坡面細溝徑流流動；2）含礫石堆積體坡面粗糙度增大，水流流態變緩，水流速度降低，且均以層流為主。較土質堆積體而言，30%礫石質量分數堆積體坡面阻力系數增大88.8%～288.4%，弗汝德數降低28.9%～41.8%，水流速度降低0～45.8%；3）徑流含沙量隨產流歷時經歷快速降低-平穩過渡-波動上升3個階段，土質及10%礫石質量分數堆積體高含沙水流現象頻發，且隨雨強增大，重力坍塌次數增加，重力侵蝕程度增強。20%、30%礫石質量分數堆積體發生高含沙水流的幾率約為0。相對土壤流失比與礫石質量分數呈極顯著負指數函數關系；4）土壤剝蝕率與各侵蝕動力參數均可用簡單線性函數關系描述，單位徑流功率是描述風沙區土質和10%礫石質量分數工程堆積體侵蝕產沙的最優因子，徑流功率是刻畫20%、30%礫石質量分數工程堆積體土壤侵蝕參數更為合理的因子。結果可為全國范圍工程堆積體土壤侵蝕模型的建立提供科學依據。

關鍵詞：水動力學；徑流；侵蝕；工程堆積體；風沙區；礫石質量分數；徑流含沙量；土壤剝蝕率

康宏亮，王文龍，薛智德，郭明明，李建明，白蕓，鄧利強，李艷富，李垚林. 北方風沙區礫石對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響[J]. 農業工程學報，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

工程堆積體邊坡坡度大，疏松多孔，物質組成復雜，粒徑變化幅度大，常混合有一定含量的礫石。早在1990 s，王治國等[1]采用“巖土侵蝕”一詞定義了排土場水土流失特征，反映出含礫石堆積體侵蝕規律的特殊性。近2 a，對含礫石工程堆積體的研究主要集中在物理力學性質[2]、產流產沙特征及侵蝕預測模型建立等方面。

礫石對不同土壤類型堆積體產流產沙特征的影響存在差異。史東梅等[3]研究發現，偏土質（土石比8:2）黃沙壤堆積體邊坡產流量、產沙量均高于土石質（土石比6:4）、偏土質紫色土堆積體產流量隨土石比變化不明顯，產沙量較土石質明顯增加；王雪松等[4]研究紅壤錐狀工程堆積體表明，礫石促進邊坡侵蝕導致產沙量增大；李建明等[5]研究了塿土堆積體認為礫石存在可延緩坡面徑流形成時間且有效減少土壤侵蝕；丁亞東等[6]研究黃綿土散亂錐狀堆積體發現產流量與石礫含量相關關系不顯著，純土堆積體產沙量卻明顯高于其他土石比堆置體。近幾年，陜北風沙區煤礦、天然氣等資源開采產生了大量工程堆積體，在該區土體本身易于侵蝕的基礎上，又造成了嚴重的人為擾動，一但遭遇暴雨等極端降雨天氣，將產生極為嚴重的水土流失。因此，對風沙區含礫石工程堆積體產流產沙特征的研究顯得尤為必要。

在含礫石工程堆積體水土流失預測模型的建立上，部分學者以通用土壤流失方程（universal soil loss equation）為模板，在建立經驗模型方面取得一定進展[7-8]，也有學者建立了堆積體土壤剝蝕率與水力學參數的關系式，并提出了具有一定物理意義的臨界水力學參數預測模型[9-11]。黃鵬飛等[7]建立了黃土區工程堆積體地形坡度因子的冪函數和三角函數關系式，并表明坡度因子與礫石質量分數呈線性負相關關系。李宏偉等[8]測算出不同礫石質量分數下黃土質塿土堆積體的可蝕性K值，并得出，隨著礫石質量分數增加，土石混合土質可蝕性K值呈線性減小。張樂濤等[9]、王雪松等[10]分別研究了高速公路沿線棄土體邊坡（土石比＞9:1）、含礫石錐狀工程堆積體水動力學參數特征及動力侵蝕機制，均認為水流功率是描述堆積體侵蝕動力過程最好的水力學參數。李永紅等[11]研究砂壤質堆積體（土石比＞9:1）發現，采用徑流功率刻畫工程堆積體土壤侵蝕參數較徑流剪切力更合理。以往研究很少反映出礫石質量分數對工程堆積體水動力特征的作用，礫石質量分數對工程堆積體侵蝕動力機制的影響也不明確，且缺乏具體的數據支撐。不同礫石質量分數對工程堆積體坡面徑流水力學參數影響的研究還需進一步加深。

綜上，在室內模擬降雨條件下，研究了風沙區含礫石工程堆積體邊坡徑流產沙過程，觀測和分析不同降雨強度下不同礫石質量分數堆積體邊坡徑流水力參數特征、侵蝕產沙特征及侵蝕動力機制，以期為建立全國范圍工程堆積體土壤侵蝕估算模型提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

北方風沙區位于107°18′～111°08′E、37°22′～39°27′N，屬于毛烏素沙漠南緣部分，東瀕黃河，西連寧夏，北鄰內蒙古，南接黃土高原，包括榆陽、神木、府谷、定邊、靖邊、橫山6個縣（區），東西長420 km，南北寬12～120 km，總面積為2.44萬km2。土壤以風沙土為主，植被稀疏。年降水量350～500 mm，60%以上集中在7－9月，且多暴雨，是中國乃至世界沙漠暴雨中心。該區具有豐富的能源（天然氣、石油）礦藏（煤礦）資源，是神府-東勝煤田的主要分布區，因此成為中國最重要能源基地之一。礦產資源的開采，使得該區產生了大量棄土棄渣體，水土流失極為嚴重，往往造成該區局部地區河流泥沙含量突增，高含沙水流現象普遍存在。

1.2試驗設計

試驗土樣取自陜西靖邊喬溝灣鄉（108°54′53″E，37°26′08″N），屬壤質砂土，粒徑分布在＜0.002、0.002～0.02、0.02～0.05、0.05～0.1、0.1～2.0 mm的土壤顆粒質量分數分別為5.895%、10.196%、26.266%、35.800%、21.844%。試驗碎石選自陜西山陽縣高速公路附近山體自然滑坡體，通過機械碎石分選獲取，野外調查發現，坡面碎石粒徑分布主要集中在2～50 mm之間，且粒徑2～14 mm的小礫石約占總樣本數的31%，粒徑14～25 mm中等礫石約占48%，粒徑＞25 mm的大礫石約占21%，故將礫石過2、14、25 mm篩，將小、中、大礫石按質量比3:5:2進行均勻混合，作為試驗用礫石材料。實地采取堆積體坡面上、中、下3個坡位的表層物質，分析不同坡位的礫石質量分數發現，各坡位礫石質量含量差異不顯著（P＞0.05），且堆積體坡面平均礫石質量分數低于40%的樣本占樣本總數的90%以上，故將礫石質量分數（W）設計為0、10%、20%、30%。每次試驗前，按不同礫石質量分數，將試驗用礫石材料與試驗土樣均勻混合，作為室內模擬不同礫石質量分數工程堆積體的邊坡材料。

試驗采用移動式可調坡鋼制土槽，尺寸為5 m×1 m×0.6 m（長×寬×高），根據工程堆積體土壤侵蝕標準試驗小區建設要求[7-8]選擇坡度為25°。小區布設見圖1。為模擬天然降雨入滲過程，底層裝入10 cm厚天然砂并鋪設紗布。用傳送帶向土槽內運裝均勻混合后的土石體。控制供試土壤質量含水量在10%左右，設計裝填厚度45 cm，下層20 cm、中層15 cm、上層10 cm，下層、中層均夯實，容重控制在1.30～1.57 g/cm3之間，并對土層表面打磨處理，以防止土體坍塌和滑塌。上層10 cm不壓實，表面刮平，容重控制在1.00～1.26 g/cm3之間。每場試驗均需重新裝填土石體，裝填工藝不變。根據土石體容重計算每次填裝用土量及用石量。土石體容重采用Mehuys等[12]提出的公式計算：

式中ρT為含礫石土體容重，g/cm3；W為礫石質量含量，g/g；ρb為細土容重（粒徑＜2 mm），中、下層均為1.30 g/cm3，上層為1.00 g/cm3；ρs為礫石密度，2.65 g/cm3。

圖1　模擬降雨試驗布設簡圖Fig.1　Layout of simulated rainfall experiment

降雨強度根據研究區多年自然降雨頻率氣象資料，選擇暴雨事件中常見的最大30 min降雨強度，進一步取整，最終設計為1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min。試驗根據研究區暴雨歷時短的特點設計總產流時間為45 min。試驗整體設計見表1，試驗場次共計16場。

表1　試驗設計Table 1　Experiment design

1.3試驗過程與指標測定

試驗在中科院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行，采用下噴式降雨系統，降雨高度18 m，均勻度80%以上。試驗前，用遮雨布遮住試驗土槽并進行雨強率定，在試驗槽四周各放置雨量筒1個，測定單位時間、單位面積降雨量，控制4個雨量筒所測雨強標準誤差不大于10%，率定結果與設計雨強誤差不超過5%，以保證降雨的均勻性與準確性。雨強率定完畢，揭開遮雨布，當坡面產生的徑流到達集流槽時，產流開始，并從0開始計時。

在坡面開始產流后，用1 000 mL量筒在集流槽出口處收集徑流泥沙樣，前3 min內每1 min取1次樣，3 min后每隔3 min取1次樣。接樣后讀取接樣時間和接樣體積，并用電子稱測取徑流泥沙樣質量。將所接徑流泥沙樣在105℃烘箱內進行烘干并用精度為0.01 g電子稱稱取泥沙質量。

在試驗土槽上分別距離坡頂0.25～2.25、2.75～4.75 m處設置2個坡段。坡面開始產流后，選擇坡面明顯股流，運用染色劑（KMnO4）法，手持精度為0.01 s的電子秒表記錄被染色水流流過各觀測坡段所用的時間。同時，用精度為1 mm的鋼尺測量各坡段過水斷面寬度。測量過程為前3 min內每1 min測量1次，3 min后每隔3 min測量1次。

1.4數據處理

1）徑流深（h）：測量時段內整個坡面的平均徑流水深，計算式為

式中h為徑流深，m；q為測量時段t（s）內徑流量，m3；V為坡面水流流速，為觀測時段內2個坡段所測流速的平均值并乘以流速修正系數k所得的值（層流，k=0.67；過渡流，k=0.70；紊流，k=0.80[13]），m/s；b為過水斷面寬度，為測量時段內的2個坡段的平均過水斷面寬度，m。

2）徑流強度（Ir）：單位時間單位面積表土上的水流流深，計算式為

式中Ir為徑流強度，mm/min；Q為徑流率，m3/min；A為土表面積，m2。

3）雷諾數（Re）：判別層流紊流的定量標準，表征水流慣性力與黏滯力比值的無量綱參數，計算式為

式中R為水力半徑，m；υ為水流黏滯性系數，m2/s，是水流溫度的函數。

4）弗汝德數（Fr）：判別緩流急流的定量標準，表征水流慣性力與重力的比值，計算式為

式中g為重力加速度，9.8 m/s2。

5）Darcy-Weisbach阻力系數（f）：徑流沿坡面向下運動過程中收到的來自水土界面的阻滯水流運動的力的總稱。計算式為

式中J為水力能坡，用坡度的正弦值近似代替。

6）徑流剪切力（τ）：徑流剪切力是反映徑流在流動時對坡面土壤剝蝕力大小的參數。

式中τ為徑流剪切力，Pa或（N/m2）；γm為渾水密度，kg/m3，考慮了含沙量的影響。

7）水流功率（ω）：徑流功率表征作用于單位面積的水流所消耗的功率，反映剝蝕一定量土壤所需功率，計算式為

式中ω為水流功率，J/(m2·s)。

8）單位水流功率（U）：作用于泥沙床面的單位重量水體所消耗的功率，計算式為

式中U為單位水流功率，m/s。

9）過水斷面單位能（E）：以過水斷面最低點做基準面的單位水重的動能與勢能之和，計算式為

式中E為過水斷面單位能，m；a為校正系數，取為1[9-10]。

10）土壤剝蝕率（Dr）：坡面徑流在單位時間單位面積上所輸移出的泥沙質量，計算式為

式中Dr為土壤剝蝕率，g/（m2·s）；M為測量時段t（s）內的產沙量，g；L為坡長，L=5 m。

使用SPSS18.0對試驗數據統計分析，用 Origin8.5進行圖表制作。

2　結果與分析

2.1含礫石堆積體坡面徑流水動力特征

2.1.1流速隨產流歷時變化過程

不同處理坡面流速隨產流歷時變化過程如圖2所示。雨強為1.0 mm/min時，各礫石質量分數下流速與產流時間均呈極顯著冪函數關系（R2=0.902～0.956，P＜0.01）。1.5～2.5 mm/min雨強時，土質堆積體坡面流速先快速增大，后波動增加，流速變化范圍在0.057～0.393 m/s之間，變異系數0.339～0.389；含礫石堆積體坡面流速整體上在產流0～6 min內快速增大，之后或緩慢增加或保持穩定或逐漸下降，坡面流速變化范圍0.065～0.197 m/s，變異系數0.044～0.240。土石質堆積體坡面流速變化范圍及變異系數較土質堆積體均明顯降低。

由圖可知，不同產流時段內土質堆積體與含礫石堆積體坡面流速的大小關系存在明顯差異，產流0～6 min，細溝發育初期，坡面水流以細溝間徑流為主，含礫石堆積體坡面流流速較土質堆積體大，30%礫石質量分數堆積體坡面流速較土質堆積體增幅最高可達52.8%；各雨強條件下坡面分別在產流30、27、24、12 min后，細溝發育程度較大，坡面水流以細溝流為主，純土堆積體坡面流速較含礫石堆積體明顯增大，較30%礫石質量分數堆積體增幅最高可達408.5%。這說明在產流過程中，隨著土壤侵蝕的發生，礫石對坡面流速的作用機制發生顯著變化。

圖2　不同雨強條件下各礫石質量分數堆積體坡面徑流流速的變化Fig.2　Variation of runoff velocity with duration of runoff for deposition with different gravel content under different rainfall intensities

2.1.2次降雨徑流水力特征

不同處理次降雨徑流水力參數見表2。徑流水力參數與雨強、礫石質量分數及其交互項相關分析結果見表3。

表2　含礫石堆積體坡面流水力學參數特征Table 2　Hydraulics parameter characteristics on slope of deposition with gravel

表3　徑流水力參數與雨強、礫石質量分數及其交互項相關性分析結果Table 3　Correlation analyses between hydraulics parameters and rainfall intensities and gravel contents and their interaction

1）從量上來看，徑流深和徑流強度變化范圍分別在0.40～2.59 mm、0.256～1.693 mm/min之間。二者均隨礫石質量分數增大先減小后增大，其中，各雨強下徑流強度從小到大排列所對應的礫石質量分數依次為10%、0、20%、30%，說明礫石質量分數對徑流強度的影響存在一個閾值。徑流深在1.0～2.0 mm/min雨強下從小到大所對應的礫石質量分數為10%、0、20%、30%，而在2.5 mm/min雨強下，由小到大所對應的礫石質量分數為10%、20%、30%、0，這是因為徑流深不僅受坡面入滲能力的影響，還與徑流流寬有關。相關性分析（表3）表明雨強對流深、徑流強度的作用強于礫石質量分數的影響。

2）就流速而言，各雨強條件下，含礫石堆積體邊坡流速較土質堆積體降低0～50.7%，其中，30%礫石質量分數堆積體坡面流速較土質堆積體增大了0～45.8%。這是因為坡面阻力系數隨礫石質量分數增大而增大的緣故（表2），30%礫石質量分數堆積體坡面阻力系數較土質堆積體增大了88.8%～288.4%。1.0～2.0 mm/min雨強下隨礫石質量分數的增加，坡面流速先減小后增加，且10%礫石質量分數堆積體坡面流速最小，這說明坡面流速大小與流深、徑流強度密切相關。2.5 mm/min雨強時，流速隨礫石質量分數的增大而減小，這說明該雨強條件下，20%、30%礫石質量分數堆積體坡面徑流強度增大并未導致流速增加，這是因為此時礫石增加坡面阻力系數降低流速作用占主導。相關性分析結果（表3）表明坡面流速與降雨強度及雨強和土體含量交互項極顯著相關，與礫石質量分數相關性不顯著，說明雨強對流速的作用強于礫石質量分數的影響。

3）對流態來說，試驗條件下，土質堆積體坡面雷諾數變化范圍36.6～657.1，其中，土質堆積體在2.5 mm/min雨強下坡面水流以紊流為主，含礫石堆積體坡面雷諾數變化范圍38.3～293.6，徑流均以層流為主。弗汝德數隨降雨強度的增大而增大，隨礫石質量分數的增大顯著減小，其中，30%礫石質量分數堆積體坡面徑流弗汝德數較土質堆積體降低28.9%～41.8%。土質堆積體和10%礫石質量分數堆積體坡面流弗汝德數變化范圍為1.06～1.41，以急流為主，而20%、30%礫石質量分數堆積體坡面弗汝德數變化范圍0.72～1.18，以緩流為主。相關性分析（表3）表明，雨強對雷諾數的影響較礫石質量分數對其的影響更大，而礫石質量分數對弗汝德數的影響較雨強而言更顯著，后者說明，試驗條件下，礫石質量分數是決定坡面水流急緩的主要因素。

2.2含礫石堆積體坡面侵蝕產沙特征

2.2.1徑流含沙量隨產流時間變化過程

不同處理徑流含沙量隨產流歷時變化過程如圖3所示。圖中虛線代表400 g/L徑流含沙量線，作為高含沙水流判定線[14]，將含沙量高于判定線時的水流稱為高含沙水流。

圖3　不同雨強條件下各礫石質量分數堆積體坡面徑流含沙量隨產流歷時的變化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，由圖可知，土質堆積體在1.5、2.0和2.5 mm/min雨強下在產流21～27 min后坡面流均為高含沙水流；10%礫石質量分數堆積體在2.0、2.5 mm/min雨強下在產流21～24 min后也出現高含沙水流現象，并持續這一現象至坡面產流結束；20%、30%礫石質量分數堆積體在各雨強下出現高含沙水流現象的幾率幾乎為0?？梢姡?、10%礫石質量分數堆積體是高含沙水流現象的易發區，尤其是在較大雨強時，高含沙水流出現的幾率更高。而礫石質量分數較高時，可以有效抑制降雨導致的工程堆積體高含沙水流的產生。另外，2.0、2.5 mm/min雨強下，部分處理在產流起始時刻也存在高含沙水流現象，這主要是堆積體坡面松散物質含量高，而徑流率較小的緣故。產流初期和產流過程中高含沙水流現象充分體現了堆積體坡面發生降雨劇烈侵蝕的水土流失特征。

從含沙量的變化過程上來說，整體而言，徑流含沙量先后經歷了快速減小，平穩過渡與波動上升3個階段。1.0 mm/min雨強時，土質堆積體坡面侵蝕過程中由于發生土壤結皮作用，侵蝕形態以面蝕為主，徑流含沙量變化過程明顯區別于其他試驗處理；含礫石堆積體在產流18 min后，含沙量開始緩慢增大，且均高于土質堆積體，并在產流36 min之后出現1次波動，最大波動幅度為109.22 g/L。1.5 mm/min雨強時，土質堆積體在產流15 min后開始波動增加，波動次數4次，最大波動幅度為173.75 g/L；含礫石堆積體含沙量在產流6 min后遠低于土質堆積體，在產流30 min后，10%礫石質量分數堆積體含沙量曲線波動2次，20%、30%時波動次數各1次，含礫石堆積體含沙量曲線發生波動的最大幅度為162.05 g/L。2.0、2.5 mm/min雨強下，土質和10%礫石質量分數堆積體在產流9 min后均開始波動增加，波動次數3～4次，最大波動幅度分別為422.63和279.65、589.20 和517.51 g/L；20%、30%礫石質量分數堆積體含沙量緩慢增加，產流9 min后同一時刻，其含沙量明顯低于土質和10%礫石質量分數堆積體，且波動性明顯減弱，波動次數1～3次，最大波幅243.7 g/L。波動次數可以反映出重力侵蝕發生的頻率，波動幅度反映出重力侵蝕發生的程度?？梢?，礫石質量分數越低，雨強越大，重力侵蝕發生頻率越高，程度越大。

徑流含沙量的變化與侵蝕過程中細溝的發育密切相關，含沙量曲線的波動特征與重力坍塌作用聯系緊密。不同礫石質量分數堆積體在不同雨強條件下細溝發育及重力侵蝕現象差異顯著。1）低礫石質量分數（0、10%）下，1.0、1.5 mm/min雨強時，坡面細溝侵蝕發生，細溝條數最終可達4～7條，溝型以短（＜50 cm）、窄（＜5 cm）、淺（＜3 cm）為主，盡管土質堆積體坡面發生重力侵蝕次數較多，但是因為細溝較淺，重力侵蝕發生程度較小，因此含沙量波幅較??；而10%礫石質量分數堆積體細溝較土質堆積體更淺，重力侵蝕發生幾率降低。2.0～ 2.5 mm/min雨強時，坡面細溝條數2～4條，細溝以長（＞50 cm），寬（＞5 cm），深（＞3 cm）為主，溝壁及溝頭部位重力坍塌現象明顯，從而導致含沙量的持續大幅波動增長，并出現高含沙水流現象。2）高礫石質量分數（20%、30%）下，礫石覆蓋作用抑制細溝下切，溝型以寬而淺為主，對于這種細溝，重力侵蝕發生幾率明顯降低，徑流含沙量緩慢增大，波動性減弱。

2.2.2次降雨侵蝕產沙特征

不同處理次降雨產沙量、徑流含沙量及剝蝕率見表4。

表4　不用處理次降雨產沙特征Table 4　Characteristics of sediment yield for different treatment

1）試驗條件下，1.0 mm/min雨強、土質堆積體產沙量最小，侵蝕形態以面蝕為主，次降雨徑流含沙量為50.08 g/L，剝蝕率0.17 g/(m2·s)；2.5 mm/min雨強、土質堆積體產沙量最大，徑流含沙量為572.70 g/L，剝蝕率高達16.37 g/(m2·s)，分別是1.0 mm/min雨強下土質堆積體的11.27倍和96.29倍。以上比較充分表明了堆積體坡面未發生細溝侵蝕和細溝充分發育兩種情況下侵蝕產沙的顯著差異性。雨強較大時，往往使堆積體產生嚴重的水土流失，并導致局部地區河流泥沙含量劇增。2）不同雨強下，礫石對次降雨產沙的影響存在差異。1.0 mm/min雨強時，10%～30%礫石質量分數土體徑流含沙量、剝蝕率較土質堆積體分別增大73.64%～190.56%、405.8%～788.3%；1.5 mm/min雨強時，含礫石土體徑流含沙量、剝蝕率均較土質堆積體低，降幅分別為52.11%～61.63%、45.06%～63.86%。雨強為2.0、2.5 mm/min時，隨礫石質量分數的增大，徑流含沙量、剝蝕率持續降低，其中，30%礫石質量分數堆積體徑流含沙量和剝蝕率較土質堆積體分別降低73.37%和67.98%、66.81%和68.23%。1.5～2.5 mm/min雨強下，較土質堆積體而言，剝蝕率降幅與含沙量降幅基本相當。3）坡面發生高含沙水流現象時（含沙量＞400 g/L時），對應的土壤剝蝕率變化范圍為7.84～16.37 g/(m2·s)。相關性分析發現含沙量與剝蝕率之間呈極顯著冪函數關系。

如不考慮雨強的影響，計算各礫石質量分數堆積體在不同降雨強度下的平均產沙量，其隨礫石質量分數的變化過程如圖4所示，隨礫石質量分數增大，次降雨產沙量逐漸減小?；貧w分析發現產沙量和礫石質量分數之間呈極顯著指數函數關系。為了便于與前人研究[15]作對比，用含礫石堆積體產沙量除以土質堆積體產沙量，計算各礫石質量分數條件下的相對土壤侵蝕比（Mr，土質堆積體Mr=1）。回歸分析得到相對土壤侵蝕比與礫石質量分數關系為

相對土壤侵蝕比與礫石質量分數之間呈極顯著負指數函數關系，且當礫石質量分數為0時，相對土壤侵蝕比為0.973，基本等于理論值1，表明式（12）滿足上限要求。

圖4　產沙量隨礫石質量分數的變化Fig.4　Variation of sediment yield with gravel content

2.3含礫石堆積體坡面侵蝕動力機制

次降雨剝蝕率（Dr）與剪切力（τ）、徑流功率（ω）、單位徑流功率（U）、過水斷面單位能（E）均極顯著相關（P＜0.01），相關系數r大小表現為：rU(0.945)＞rω(0.887) ＞rE(0.861)＞rτ(0.717)。因此，單位徑流功率U是描述風沙區含礫石工程堆積體侵蝕動力機制的最優因子，回歸分析得到式（13）。風沙區堆積體剝蝕率可通過單位徑流功率的簡單線性函數表達，且發生細溝侵蝕的臨界單位徑流功率為3.54×10-2m/s，對應的土壤可蝕性參數為245.27 g/m3。

礫石的存在，一方面改變了坡面徑流動力特征，另一方面改變了坡面侵蝕臨界條件與可蝕性參數。點繪試驗條件下土壤剝蝕率與各侵蝕動力參數的關系圖，分析發現，就同一侵蝕動力參數值所對應的土壤剝蝕率而言，土質、10%礫石質量分數堆積體均明顯高于20%、30%礫石質量分數堆積體，而土質和10%礫石質量分數堆積體差異不大，20%和30%礫石質量分數堆積體差異也不明顯，因此分別繪制了土質和10%礫石質量分數堆積體、20%和30%礫石質量分數堆積體剝蝕率隨侵蝕動力參數的變化曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，礫石質量分數從10%增加到20%，剝蝕率與侵蝕動力參數線性關系中的斜率與截距發生了明顯改變。由各線性關系式可知，0、10%礫石質量分數堆積體和20%、30%礫石質量分數堆積體發生細溝侵蝕的坡面臨界剪切力分別為0.92和3.79 Pa，相應土壤可蝕性參數分別為1.31×10-3和8.2×10-4s/m；臨界徑流功率分別為5.8×10-3和0.26 N/(m·s)，對應的土壤可蝕性參數分別為7.66×10-3和4.81×10-3s2/m2；臨界單位徑流功率3.2×10-2和3.3×10-2m/s、對應的土壤可蝕性參數247.64和163.75 g/m3、臨界過水斷面單位能4.1×10-4和1.1×10-3m，對應的土壤可蝕性參數3518.39和2465.31 g/(m3·s)。20% 和30%礫石質量分數堆積體發生細溝侵蝕的各臨界侵蝕水力參數分別較土質和10%礫石質量分數堆積體增大了3.1倍、43.83倍、0.03倍、1.68倍；各土壤可蝕性參數分別減小了37.40%、36.81%、33.87%、29.93%。可見，礫石質量分數為20%、30%時，坡面侵蝕動力機制雖然沒有發生變化，但是侵蝕臨界動力參數增大，土壤可蝕性參數降低，土體抵抗徑流沖刷的能力增強。根據不同礫石質量分數下工程堆積體剝蝕率與各侵蝕動力參數關系式的相關系數大小可知，單位徑流功率是刻畫土質及10%礫石質量分數堆積體侵蝕產沙的最優因子，而徑流功率是描述20%、30%礫石質量分數堆積體侵蝕產沙動力機制的最合理因子。

圖5　土壤剝蝕率與侵蝕動力參數的關系Fig.5　Relationships of soil detachment rate with flow hydrodynamic parameters

3　討　論

礫石對堆積體坡面徑流水動力學參數的影響主要來源于以下3個方面：1）礫石改變了土體物理性質，使得土體入滲能力發生變化[16]，從而決定了坡面產流狀況；2）礫石改變了坡面粗糙程度[17]；3）礫石影響著降雨對坡面地貌形態的重塑[18]。在坡面未產生細溝之前，覆蓋或鑲嵌于土體表面的小礫石（2～14 mm）具有光滑表面，可促進水流流動，而大礫石（14～50 mm）對坡面水流可起到合并-匯流的作用，因此，流速較土質坡面更大；而隨侵蝕的發生，小礫石逐漸裸露，從光滑的水流面變成了阻礙水流流動的一個個小凸起，并且當坡面產生細溝后，礫石覆蓋能分散徑流動能并降低流速[17]，此時，含礫石堆積體坡面流速較純土體明顯降低。試驗結果與王小燕等[19]的研究相似。徑流強度主要取決于坡面入滲特征，試驗條件下，徑流強度由大到小所對應的礫石質量分數分別為30%、20%、0、10%，這與朱元駿等[20]的研究結果相似。徑流深不僅受徑流強度的影響，還受坡面地貌形態特征的影響。含礫石坡面受徑流沖刷易形成寬而淺的細溝[18]，與土質坡面在大雨強條件下形成的細而深的侵蝕溝相比，盡管具有較大的徑流強度，但由于侵蝕溝較寬，徑流分散，所以徑流深有所降低。試驗條件下含礫石工程堆積體主要以層流為主，雷諾數主要集中在0～700，無論是在室內模擬降雨[21]還是放水（24°、40 L/min）條件[11]下，均得到相似結果。土質、10%礫石質量分數堆積體坡面主要以急流為主，但弗汝德數遠小于李永紅等[11]的研究成果，這與試驗坡長密切相關，坡長越長，水流匯集程度越高，流動越急。而礫石質量分數20%～30%時，水流主要以緩流為主，這是因為礫石阻礙徑流前進，使得水流流動變緩，這與李宏偉等[8]在相同坡度、坡長和降雨條件下得到的結果一致。

礫石質量分數對坡面侵蝕產沙量影響顯著。首先，土壤表層礫石與降雨雨滴和坡面徑流直接發生作用從而影響土壤侵蝕；其次，土表及土壤中礫石，會改變土壤本身的物理性質及性狀，影響水文過程從而間接地作用于土壤侵蝕。相關研究表明，對于坡耕地或自然坡面而言，不同侵蝕形態下礫石對產沙的影響有所不同[22]。而在工程堆積體中，礫石的存在或增加坡面土壤侵蝕量[4]，或降低土壤侵蝕速率[5]，在不同降雨強度條件下礫石對土壤侵蝕量的影響也有所不同[23]。試驗條件下，1.0 mm/min雨強時，礫石存在首先破壞了土表結構，降低土壤顆粒粘結程度，坡面結皮強度較土質堆積體大幅降低，大大增加了坡面侵蝕的可能性，從而導致產沙增多。當雨強≥1.5 mm/min時，坡面主要以細溝侵蝕為主，細溝內礫石周圍土體被大量侵蝕，造成礫石大面積裸露。造成含礫石堆積體產沙減少的原因主要有以下2個方面，1）含礫石堆積體坡面，由于礫石在堆積體中占有一定的空間，導致侵蝕物質來源較土質堆積體減少。2）裸露的礫石在堆積體坡面可形成一層鎧甲[15]，保護下層土體不被侵蝕。細溝侵蝕是自然界中最為常見的侵蝕形式，隨著降雨侵蝕進行，細溝不斷發育，含礫石堆積體坡面礫石覆蓋度逐漸增大，礫石質量分數同礫石覆蓋度對相對土壤侵蝕比的影響有著一定的相似性[15]。

試驗條件下，土壤剝蝕率與徑流剪切力、水流功率、單位水流功率和過水斷面單位能均可用簡單線性函數關系描述，這與相關研究[9-11]均相似，但是在描述含礫石工程堆積體侵蝕產沙動力機制最優水力因子選擇方面存在一定差異。試驗條件下，相對于土質、10%礫石質量分數堆積體而言，徑流功率更適合于描述土石質堆積體侵蝕產沙過程。而單位徑流功率才是描述土質、10%礫石質量分數堆積體侵蝕產沙的最合理因子。在下墊面坡度不變的前提下，單位徑流功率僅是流速的函數，在礫石質量分數較低時，流速受礫石的影響減弱，流速越大，徑流對坡面的沖刷作用也越強烈，導致產沙增大；而礫石質量分數較高時，礫石阻礙徑流流動的作用增強，且即使流速增大，但由于礫石裸露保護下層土體，產沙量增大并不明顯，因此用單位徑流功率來描述20%、30%礫石質量分數堆積體侵蝕產沙過程存在一定的風險。需要說明的是，試驗條件下坡面以細溝侵蝕為主，由于試驗限制，并未考慮面蝕條件下的侵蝕動力過程，因此本文所得結果與相關研究中礫石導致紅壤堆積體可蝕性參數及臨界單位徑流功率增大幾十倍的結果[10]完全相反，這充分說明了礫石在堆積體坡面面蝕和溝蝕2種不同土壤侵蝕形態下，對坡面侵蝕臨界條件及土壤可蝕性參數影響的顯著差異性。

4　結　論

1）土質堆積體次降雨過程流速變化范圍及變異系數較10%、20%和30%礫石質量分數堆積體均增大。不同產流時段礫石對流速的影響機制存在差異，產流0～6 min，礫石促進堆積體坡面細溝間徑流流動；產流12～30 min后，礫石阻礙堆積體坡面細溝中徑流流動。

2）次降雨平均水平下，含礫石堆積體坡面粗糙度增大，水流流態變緩，水流速度降低，且均以層流為主。較土質堆積體而言，30%礫石質量分數堆積體坡面阻力系數增大88.8%～288.4%，弗汝德數降低28.9%～41.8%，水流速度降低0～45.8%。

3）徑流含沙量隨產流歷時經歷快速降低-平穩過渡-波動上升3個階段，土質及10%礫石質量分數堆積體高含沙水流現象頻發，且隨雨強增大，重力坍塌次數增加，重力侵蝕程度增強。20%、30%礫石質量分數堆積體發生高含沙水流的幾率約為0。相對土壤流失比與礫石質量分數呈極顯著負指數函數關系。

4）土壤剝蝕率與各侵蝕動力參數均可用簡單線性函數關系描述，單位徑流功率是描述風沙區土質和10%礫石質量分數工程堆積體侵蝕產沙的最優因子，徑流功率是刻畫20%、30%礫石質量分數工程堆積體土壤侵蝕參數更為合理的水動力因子。

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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

作者簡介：康宏亮，男，甘肅天水人，主要從事土壤侵蝕研究。楊凌西北農林科技大學水土保持研究所，712100。Email：kang_abner@formail.com。※通信作者：王文龍，男，陜西大荔人，博士生導師，研究員，主要研究方向為土壤侵蝕與水土保持。楊凌中科院水利部水土保持研究所，712100。Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（40771127）；水利部公益性行業專項（201201048、201201047）

收稿日期：2015-09-22

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號：S157.1

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0125-10

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.018