人工降雨條件下云南紅土坡面土壤侵蝕特性

洪 斌， 張祖蓮， 黃 英， 梁諫杰， 邱觀貴

(昆明理工大學 電力工程學院， 云南 昆明650500)

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人工降雨條件下云南紅土坡面土壤侵蝕特性

洪 斌， 張祖蓮， 黃 英， 梁諫杰， 邱觀貴

(昆明理工大學 電力工程學院， 云南 昆明650500)

[目的] 揭示降雨強度、坡度和坡長與云南紅土坡面土壤侵蝕之間的關系，為云南紅土地區土壤侵蝕的防治提供依據。[方法] 采用室內人工模擬降雨試驗及理論分析相結合的方法。[結果] (1) 紅土坡面侵蝕模數與降雨強度、坡度和坡長的相關關系顯著(R2>0.95)。 (2) 在相同坡度、坡長條件下，紅土坡面侵蝕模數與降雨強度呈冪函數關系； (3) 在相同降雨強度、坡長條件下，紅土坡面侵蝕模數與坡度呈二次多項式關系； (4) 在相同降雨強度、坡度條件下，紅土坡面侵蝕模數與坡長呈二次多項式關系。 [結論] 云南紅土坡面侵蝕模數隨降雨強度的增大而增大；當坡度小于臨界坡度21.4°時，坡面侵蝕模數隨坡度的增大而增大，當坡度大于臨界坡度21.4°時，坡面侵蝕模數隨坡度的增大而減小；坡面侵蝕模數隨坡長的增大而增大。

云南紅土； 土壤侵蝕模數； 降雨強度； 坡長； 坡度

文獻參數： 洪斌， 張祖蓮， 黃英， 等.人工降雨條件下云南紅土坡面土壤侵蝕特性[J].水土保持通報，2016,36(4)：118-123.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.021

云南省地處紅土高原，90%以上屬紅土地區。分布于地表淺部的紅土土質疏松，穩定性較差，易散落或被水侵蝕。作為一種區域性特殊土，紅土特殊的工程地質性質對土壤的侵蝕特性有著顯著影響。云南地區屬于低緯高原，橫斷山脈深度切割，海拔高差懸殊，地形地貌復雜，干濕季節分明，降雨的時空分布極不均勻，而近幾年的連續干旱使得旱季降雨更是稀缺，雨季暴雨強度更大，導致紅土地區土壤侵蝕日益加劇，極大地破壞了區域生態系統，成為云南紅土地區嚴重的環境問題之一。關于土壤侵蝕特性，國內外針對不同性質的土壤，結合影響土壤侵蝕的降雨特性和地形特征，已開展了較多的研究。在降雨強度方面，不少學者對降雨強度與入滲產流規律進行研究[1-2]，在穩滲率變化規律上有所分歧；對降雨強度變化與侵蝕模數的定量關系研究上，主要集中在降雨侵蝕力因子的研究[3-5]，缺乏降雨強度作為單一變量與侵蝕模數的影響關系研究。在坡度、坡長方面，不少學者對該問題進行理論分析和試驗研究[6-12]，由于研究的角度、試驗土料和試驗手段不同，得到的結果相差很大，其差異可歸納為二點：一是侵蝕模數隨坡度、坡長增加的變化規律不同；二是建立的土壤侵蝕模數與坡度、坡長的關系式也存在差異。鑒于土壤侵蝕問題的復雜性和多樣性，各家提出的觀點都有自己的適用范圍。就土壤性質而言，以往研究土壤以黃土居多，已取得了不少成果，而關于云南紅土侵蝕特性的研究成果卻鮮有報道。為此，本研究選用云南紅土作為邊坡模型材料，在室內人工模擬降雨條件下，開展了云南紅土坡面侵蝕特性研究，一是為了揭示降雨強度、坡度和坡長對云南紅土坡面侵蝕特性的影響，二是得出侵蝕模數與降雨強度、坡度和坡長的量化關系，其研究成果可為云南紅土區的水土流失預測和防治提供參考。

1　研究方法

1.1試驗用土

試驗選取云南昆明世博生態城無污染的典型紅土作為試驗土料，按照《土工試驗規程》[13]測得其機械組成為黏粒50.2%，粉粒42.0%，砂粒7.8%，土壤類型為紅黏土。

1.2試驗方案

試驗采用的人工模擬降雨試驗裝置主要由人工降雨系統、模型土槽、泥水收集系統3部分組成。人工降雨系統為雙噴頭下噴式降雨裝置，噴頭距離地面高度8.5 m，使大部分雨滴能夠達到雨滴終速，能較好的模擬天然降雨，且試驗區域的雨滴均勻度達到80%以上。模型土槽的尺寸為1.2 m×0.4 m×0.35 m(長×寬×高)，土槽底部有10×5個直徑5 mm的小孔，使得土壤的重力水能夠自然下滲。泥水收集系統主要由集流槽、徑流收集量筒組成。本試驗考慮了降雨強度、坡度和坡長這3個因素對云南紅土坡面侵蝕特性的影響。其中，降雨強度與坡面侵蝕特性研究采用大中型降雨強度，降雨強度范圍控制在0.8 ～2.0 mm/min，坡度、坡長與坡面侵蝕特性的研究均在相同降雨條件下進行，坡度控制在10°～30°，坡長采用5個不同坡長。具體試驗工況詳見表1。

表1　人工橫擬降雨試驗方案

1.3試驗過程

將野外取回的紅土進行風干，剔除樹根、草根、石塊等雜物，過10 mm篩，按照擬定的干密度、含水率制備好試驗土樣。填土前在模型土槽底部鋪一層紗布和2 cm厚細沙，這樣既能防止紅土從底部開孔處過多流失，又能保證模型邊坡的透水性。在模型槽壁上用記號筆按每5 cm為1層標出每層填筑厚度，共分成5層，計算出每層需攤鋪的紅土量，把試驗土樣倒入土槽，用墊板、木棰等擊實工具輕輕的擊打到填筑高度，層與層之間的接觸面用刮土刀進行刨毛處理，以便土層之間結合緊密。每次試驗前24 h都進行一次降雨強度為30 mm/h的預降雨，降雨到坡面產流就停止。預降雨使坡體含水在重力作用下進行重新分布，且使邊坡土體更接近土壤的自然含水分布。次日降雨試驗前進行降雨強度率定，當實際降雨強度達到預定降雨強度時，進行模擬降雨試驗。從產流開始計時，每3 min用量筒收集一次泥水樣，每次收集時間為1 min，同時記錄徑流量，待量筒內懸濁液澄清后，倒去上層清液，用烘干法把剩余泥水樣進行烘干，稱取侵蝕土的質量。

1.4數據分析

根據水量平衡原理，把坡面降雨量分成產流、入滲和蒸發3個過程，由于室內模擬降雨時間較短，忽略蒸發損失，則坡面平均產流率就是每分鐘收集的徑流量與坡面實際承雨面積之比，坡面平均入滲率利用公式(1)計算：

i=(Ptcosθ-10R/S)/t

(1)

式中：i——坡面平均入滲率(mm/min)；P——降雨強度(mm/min)；θ——坡度(°)；R——降雨時間t內產生的徑流量(ml)；S——坡面實際承雨面積(cm2)；t——降雨時間(min)。

坡面紅土顆粒流失量用侵蝕模數表示，把1 min收集的泥水樣的烘干土質量與坡面實際承雨面積之比當作坡面每分鐘產生的侵蝕模數，累計1 h內每1 min的侵蝕模數就得到每小時侵蝕模數。

試驗數據采用Excel軟件進行分析、制圖處理。

2　試驗結果與分析

2.1降雨強度對紅土坡面侵蝕的影響

2.1.1降雨強度對紅土坡面入滲和產流的影響在5種降雨強度下開展紅土坡面侵蝕試驗，根據試驗數據點繪坡面平均入滲率與產流歷時的過程曲線以及坡面平均產流率與產流歷時的過程曲線(圖1)。從圖1中可以看出，在入滲初期，入滲率隨時間變化整體上呈減小的趨勢，降雨強度為2.0 mm/min時的入滲率下降幅度最大，在第9 min坡面已進入穩滲狀態，而降雨強度為0.8 mm/min的入滲率曲線變化趨勢較緩，達到穩滲狀態需要24 min以上，這說明降雨強度大小對坡面入滲率變化幅度和達到穩滲狀態的時間有很大影響。在穩滲時期，5種降雨強度在坡面表現出不同的穩滲率，測得產流第60 min時的坡面入滲率大小關系為：1.1 mm/min>1.4 mm/min>0.8 mm/min>1.7 mm/min>2.0 mm/min，其中降雨強度為1.1 mm/min、1.4 mm/min的入滲率比0.8 mm/min的入滲率大0.038和0.021 mm/min，說明在一定降雨強度范圍內雨滴對坡面雨水入滲具有促進作用，即坡面處于穩滲狀態時，入滲雨水主要受到重力、地表水壓力和雨滴沖擊力作用，雨滴沖擊地表加速雨水入滲，使部分靜止的毛管水也成為入滲水流。當降雨強度超出這個范圍，地表結皮增厚，土顆粒間大孔隙數目減少，降雨促進作用被削弱，入滲率隨降雨強度增大而減小。由圖1可知，紅土坡面的平均產流率隨產流歷時迅速增加并逐漸趨于穩定狀態，且降雨強度越大坡面平均產流率變化幅度越大，到達穩流時間就越短。在穩流時期，坡面穩定產流率隨著降雨強度的增大而增大，且產流率增加的幅度比較均勻，對比穩定入滲率，降雨強度從0.8 mm/min增加到2.0 mm/min時，穩定入滲率的變化量僅為0.09 mm/min，而穩定產流率的變化量達到1.19 mm/min，這主要原因是云南紅土的顆粒組成以粒徑小于0.005 mm的黏粒含量居多，土壤大孔隙容易被入滲雨水攜帶的黏粒堵塞，使土壤滲透性變差，表現為穩定入滲率較小。根據水量平衡原理，當降雨強度增大時，坡面穩定入滲率變化幅度不大，大部分降水量轉換成坡面徑流量，因此坡面穩定產流率大小主要是由降雨強度所決定的。

圖1　試驗坡面平均入滲率和平均產流率隨時間變化

2.1.2降雨強度對紅土坡面侵蝕模數的影響降雨強度是影響土壤侵蝕的主要外因之一。由坡面每分鐘產生的侵蝕模數隨時間變化的曲線(圖2)可以看出，在不同的降雨強度下，侵蝕模數隨降雨歷時變化的趨勢整體相同，呈先增大后減小，最后趨于穩定。在產流初期，隨著徑流量的增大，侵蝕模數急劇上升，且降雨強度越大，曲線上升趨勢越陡，這是因為產流初期雨滴擊濺坡面堆積了大量散顆粒，隨著徑流的逐漸增大，松散顆粒首先被帶離坡面，使侵蝕模數急劇上升，而降雨強度的大小既決定了雨滴打擊表土的破壞能力，同時也決定了坡面徑流量的大小，當降雨強度增大時，更多的松散顆粒被徑流帶走，使曲線上升趨勢更陡，因此這階段在雨滴濺蝕和徑流沖刷的聯合作用下，坡面表現為侵蝕模數的迅速增加。在產流穩定期，坡面的侵蝕模數逐漸減小，此時坡面的徑流量基本穩定，坡面經雨滴長時間打擊后形成結皮，結皮隨降雨時間的持續不斷增厚，使土壤抵抗侵蝕的能力有所增強，雨滴擊打坡面的濺蝕作用被削弱，減少了坡面松散顆粒的來源，另一方面，徑流穩定后對坡面的沖刷作用表現較為穩定，這也是降雨后期侵蝕模數趨向于穩定的原因。

圖2　侵蝕模數隨時間變化的過程

圖3為在20°坡條件下1小時侵蝕模數隨降雨強度變化的關系圖。從圖4可以看出，隨著降雨強度的增加，坡面侵蝕模數也隨著增加，這是因為降雨強度越大，雨滴濺蝕和徑流沖刷作用越強。將20°坡的1 h侵蝕模數與平均降雨強度進行擬合。

圖3　試驗坡面侵蝕模數與降雨強度的關系

(2)

式中：M——土壤侵蝕模數〔g/(m2·h)〕；P——平均降雨強度(mm/min)。

從擬合結果來看，紅土坡面侵蝕模數與平均降雨強度具有很好的冪函數關系。Wischmeier[14-15]通過對降雨特性與土壤侵蝕量的回歸分析，提出用一次降雨的總動能(E)與該次降雨的最大30 min雨強I30的乘積作為降雨侵蝕力的定量指標R，R指標能夠很好地反映降雨特性對侵蝕模數的影響，被各國廣泛采用；周佩華、尚佰曉等[16-17]對降雨特性研究得出降雨動能與平均降雨強度具有冪函數關系。由此可見，降雨侵蝕力可用平均降雨強度的冪函數表示，從而土壤侵蝕模數與平均降雨強度也存在冪函數關系，試驗結果也證實了這一點。

2.2坡度對紅土坡面侵蝕模數的影響

坡度是重要的地形特征參數之一，坡度的陡緩反映了重力作用增加或減少的趨勢。在降雨強度為1.4 mm/min的條件下，開展5種坡度的侵蝕模型試驗，點繪每次測得的試驗數據，如圖4所示。從圖4可以看出，不同坡度的坡面侵蝕模數隨時間變化的曲線形狀基本相同，都是在產流初期坡面侵蝕模數急劇上升，到徑流穩定后侵蝕模數逐漸減少，然后慢慢趨向于穩定。不同的是20°和25°的坡面侵蝕模數曲線變化幅度最大，達到侵蝕模數峰值的時間也較短，說明隨著坡度的改變，坡面的徑流量大小、徑流速度和徑流動能等徑流特性產生了顯著變化，使坡面土顆粒的流失量變化幅度加大。在固定坡長下，就坡度增加而言，徑流位置勢能轉換成徑流動能后，徑流流速沿程不斷增加，使雨滴在坡面滯留時間縮短，大部分雨滴還未入滲就迅速匯入徑流，表現為入滲率減小，徑流量略有增加，且坡面松散顆粒隨坡度增加后穩定性變差，更容易被徑流剝離和輸送。而在10°和15°坡度時，降雨作用使坡面產生徑流的時間通常較晚，20 min后才出現最大侵蝕模數，說明徑流能量較小，土顆粒的輸移能力不足，雖然理論上10°和15°承雨面積比20°坡面承雨面積大0.045和0.026倍，具有更大的徑流量，但剝離、輸移土顆粒的徑流總動能是由徑流量和徑流流速共同決定的，20°坡位置勢能的增加產生更大的徑流動能，導致坡面土壤產生更大的侵蝕模數。從30°坡的侵蝕模數曲線來看，從侵蝕發生到出現最大侵蝕模數時間比較短，說明坡面濺蝕產生的松散顆粒極不穩定，在較高的坡面流速下非常容易被沖刷，提前出現了峰值現象。相比較20°和25°坡，30°坡的侵蝕模數反而下降，其主要原因是30°坡的承雨面積有了顯著的減小，擊打坡面的降雨總動能減小，相對應由濺蝕分散的土顆粒就減少。

圖4　試驗坡面侵蝕模數隨時間變化的過程

圖5為在降雨強度為1.4 mm/min的條件下，1 h內的侵蝕模數與坡度變化的關系曲線。從圖5可以看出，侵蝕模數隨坡度在10°～20°范圍內呈遞增趨勢，坡度從25°～30°又呈減小趨勢，坡度為20°和25°的侵蝕模數大小非常接近。在試驗的坡度范圍內侵蝕模數與坡度可以很好地擬合為二次多項式。

圖5　試驗坡面侵蝕模數隨坡度變化的關系

M=-0.393S2+16.84S-53.64R2=0.991

(3)

式中：M——土壤侵蝕模數〔g/(m2·h)〕；S——坡度(°)。

把將公式(3)進行求導，得到極值21.4°，即紅土坡面侵蝕的臨界坡度為21.4°。該試驗結果與諸多學者提出的臨界坡度略有差異，曹文洪、劉青泉、李全勝等[6-8]通過理論計算得出臨界坡度范圍基本在40°～50°之間，但理論計算的公式往往忽略雨滴作用力項，得出的結果是以坡面徑流沖刷作用為主導的臨界坡度值，顯然理論計算的結果偏大；張會茹、張怡、王占禮等[9-11]通過試驗測得臨界坡度值基本在20°～30°之間，產生差異的主要原因是研究角度的不同和土壤性質的不同。因此，每個臨界坡度的提出都有其適用范圍，適用范圍應該明確處于濺蝕、面蝕和溝蝕等哪個侵蝕階段和適用于黃土、紅壤和紫土等哪種土壤。結合試驗結果分析，本試驗處于面蝕階段，由此可知，降雨作用下云南紅土發生坡面侵蝕的臨界坡度值在21.4°左右。

2.3坡長對紅土坡面侵蝕模數的影響

坡長是地形特征的另一重要參數，坡長的長短與坡面入滲、產流特性密切相關。試驗在20°坡和1.4 mm/min降雨強度下進行，把試驗所測的數據點繪成降雨過程中侵蝕模數隨時間變化的曲線(圖6)。從圖6可以看出，在產流初期，隨著坡長的增加，坡長為1.0 m的坡面侵蝕模數隨產流歷時增長較快，而坡長為0.2 m的坡面侵蝕模數隨產流歷時增長相對慢些，其主要原因在于：隨著坡長增加，一方面，由徑流位能引起的徑流流速的增加，使坡面徑流具有更強的剝離、輸移土顆粒的能力；另一方面，坡面徑流流速增加就會減少坡面沿程的下滲量，從而使產流量增加，可以攜帶更多的顆粒。在徑流穩定期，1.0 m坡長的侵蝕過程中出現了峰值侵蝕模數3.6 g/(m2·min)，而0.2 m坡長的峰值侵蝕模數只有1.2 g/(m2·min)，說明了坡長對坡面侵蝕模數具有非常大的影響，這主要還是體現在徑流量、徑流流速、徑流動能、徑流水深等徑流特性的變化對坡面侵蝕模數的影響上，坡長越長對徑流特性的影響越大，雨滴在坡面匯聚成徑流后，徑流沿程動能隨坡長增加不斷增大，且徑流在途中再次受降雨雨滴的紊動作用，促使徑流對坡面的沖刷和攜沙能力進一步加強。

圖6　試驗坡面侵蝕模數隨時間變化的過程

在20°坡和1.4 mm/min降雨強度下，1 h侵蝕模數與坡長的關系如圖7所示。圖7表明，在一定的坡長范圍內，隨著坡長的增加，侵蝕模數呈上升趨勢，用二次多項式能很好地擬合侵蝕模數和坡長的關系，R2值達到0.9以上。

圖7　試驗坡面侵蝕模數與坡長的關系

M=93.15λ2-39.99λ+72.79(R2=0.999)

(4)

式中：M——侵蝕模數〔g/(m2·h)〕；λ——坡長(m)。

比較以往的研究成果，劉和平[18]通過室內人工降雨試驗、Lal[19]通過徑流小區天然降雨資料分析都證明了坡面侵蝕模數與坡長存在二次多項式的關系，本研究在降雨試驗條件下亦得出相似結論，只是式中的系數因試驗降雨強度、坡長和土壤性質等條件的不同有所不同。

3　結 論

(1) 坡面入滲率隨著降雨強度的增加，總體呈減小趨勢，在一定降雨強度范圍內，坡面穩滲率有微小的變化；坡面產流率隨著降雨強度的增加而增加，因紅土入滲率對產流率的影響較小，降雨強度對產流率起了主導作用；坡面侵蝕模數隨降雨強度的增大而增大，坡面侵蝕模數與降雨強度呈冪函數增加。

(2) 不同坡度的坡面侵蝕模數隨降雨時間變化都表現為先增大后減小的趨勢；當坡度從10°增加到30°時，坡面侵蝕模數隨坡度增加呈先增加后減小的變化趨勢，在21.4°存在臨界坡度。

(3) 坡長對紅土坡面侵蝕模數的影響主要表現為坡長越長，坡面侵蝕模數就越大，且坡面侵蝕模數與坡長呈二次多項式關系。

(4) 試驗得到了坡面侵蝕模數與降雨強度具有冪函數關系，簡化了以往計算降雨動能、降雨侵蝕力來預測侵蝕模數；試驗得到了紅土坡面在面蝕階段的臨界坡度值，該值與前人研究的臨界坡度值有差異，但更適用于云南紅土邊坡；試驗得到了坡面侵蝕模數與坡長的關系，這與部分學者的結論相似，但試驗坡長條件受到模型尺寸的約束，因此該結論適用于短坡條件。

(5) 本試驗考慮了降雨強度、坡度和坡長作為單一變量來研究紅土坡面的侵蝕特性變化，并沒有模擬自然環境中降雨強度、坡度和坡長等因素隨機組合影響坡面侵蝕的情況，故尚需進一步開展不同降雨特性、地形因子相互組合的試驗研究。

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Erosion Characteristics of Yunnan Laterite Under Artificial Rainfall Conditions

HONG Bin， ZHANG Zulian， HUANG Ying， LIANG Jianjie， QIU Guangui

(FacultyofElectricPowerEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming，Yunnan650500,China)

[Objective] Revealing the slope erosion of Yunnan laterite as dependent variable caused by independent variables of rainfall intensity, slope gradient, slope length in order to provide bases for the prevention and control of soil erosion in Yunnan laterite area. [Methods] Artificial rainfall erosion was simulated indoor and analyzed theoretically. [Results] (1) The slope erosion of Yunnan laterite could be regressed significantly with rainfall intensity, slope gradient, slope length(R2>0.95). (2) Under certain slope gradient and length, the slope erosion modulus of laterite had power function relationship with rainfall intensity as independent variable. (3) Under certain rainfall intensity and slope length, the slope erosion modulus of laterite had a quadratic polynomial relationship with slope gradient. (4) Under certain rainfall intensity and slope gradient, the slope erosion modulus of laterite had a quadratic polynomial relationship with slope length. [Conclusion] The slope erosion modulus of Yunnan laterite increased with the increase of rainfall intensity. When the slope was less than the critical slope 21.4°, slope erosion modulus increased with the increase of slope. When the slope is greater than the critical slope 21.4°, slope erosion modulus decreased with the increase of slope. The slope erosion modulus increased with the increase of the slope length.

Yunnan laterite； erosion modulus； rainfall intensity； slope length； slope gradient

2015-10-20

2015-11-01

國家自然科學基金項目“云南紅土型水庫庫岸侵蝕失穩機理研究”(51269006)， “污染紅土宏微觀響應及污染物的遷移機制研究”(51168022)， “云南紅土型大壩的干濕循環效應研究”(51568031)

洪斌(1986—)，男(漢族)，浙江省紹興市人，碩士研究生，研究方向為土壤侵蝕和水土保持。E-mail：200602926@163.com。

張祖蓮(1964—)，女(漢族)，云南省昆明市人，副教授，主要從事巖土工程及水利水電工程方面的研究。E-mail：zhangzulian@2008.sina.com。

試驗研究

A

1000-288X(2016)04-0118-06

S157.1