礫石覆蓋條件下高寒區細溝侵蝕特征研究

丁宇浩　黃莎琳　王君惠　鄧翔尹　萬丹

摘 要：為了探究礫石覆蓋條件下高寒土坡面細溝侵蝕特征，通過室內水槽模擬沖刷試驗，研究不同坡度和流速條件下細溝侵蝕的特征。采用長為8 m的土槽，在4個流量和6個礫石覆蓋度條件下進行沖刷試驗研究，結果表明：礫石覆蓋下細溝侵蝕的輸沙率與礫石覆蓋度呈先增后減的拋物線趨勢;產流時間隨著坡度的增加而減少;在相同流速與礫石覆蓋度條件下，坡度越大，產流時間和產沙率越大，相應的產流量和產沙量也越大。

關鍵詞：礫石覆蓋;產流;產沙率

中圖分類號：S157 文獻標識碼：A 文章編號：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

礫石是基巖風化作用的產物，是土壤中粒徑大于2 mm的礦物顆粒，在土壤中分布廣泛[1]。我國北方土石山區褐土和西南地區紫色土中都有大量礫石存在[2-3]。青藏高原由于地質年輕化，結構破碎，基巖風化時間短，土層較薄，地表和土壤中存在大量大小不一的礫石。細溝侵蝕是土壤侵蝕中一種重要的形式，對坡面侵蝕產沙有重要作用。土壤中礫石的存在影響土壤侵蝕過程，因此認識礫石覆蓋作用下的細溝侵蝕過程對西藏高寒區含礫石土壤細溝侵蝕的控制具有重要意義。JOMAA等[4]的研究表明，嵌入礫石可在一定程度上保護上壤方面免受雨滴擊打，阻礙坡面徑流的形成，降低坡面產沙能力。JOMAA等[5]的研究表明，礫石覆蓋能有效降低高強度降雨對土壤的濺蝕。符素華等[6]的研究表明，土壤侵蝕量隨礫石覆蓋度增加呈負指數遞減。

含礫石土壤大多分布在土壤侵蝕嚴重的地區，認識和研究含礫石土壤侵蝕過程，尤其是礫石覆蓋條件下，細溝侵蝕對這類地區水土保持技術的發展具有重要意義。本文主要研究不同徑流量、坡度條件下礫石覆蓋對西藏高寒地區細溝侵蝕過程的作用，探究各因子之間的關系，以期為西藏高寒地區水土保持技術的發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土壤材料

試驗土壤是2019年9月采自西藏自治區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激光粒度分布儀對試驗土壤的機械組成進行檢測，按照美國制劃分標準，試驗土壤屬于粉壤土，供試土壤機械組成見表1。

1.2 試驗設計

根據已研究細溝侵蝕發生的臨界坡度和野外實地調查[7-8]，本試驗設計5°、10°、15°和20°這4個坡度。依據位于色季拉山上的西藏高山生態系統定位站多年觀測統計數據和已有研究[9-10]的降雨量，本試驗設計3個單寬流量，分別為1 L/min、2 L/min和4 L/min。根據前期試驗小組野外實地調查，本試驗設置為0、50%、60%、70%、80%和90%這6個礫石覆蓋度。

試驗土樣經自然風干后過10 mm篩，除去草根與大塊礫石。參考前人[11]對野外自然條件下色季拉山土壤物理性質的研究和實測結果，本試驗的土槽填土容重控制在0.75～0.85 g/cm。裝土時采用分層填裝法，填土厚度為10 cm。裝填完成后，在土壤表面嵌入礫石，嵌入深度為2 cm。為了模擬野外的真實情況，本試驗在水溫為0 ℃狀態下進行，坡面產流后在出水口收集泥沙和徑流樣品，含沙量采用烘干法確定。

2 結果與分析

2.1 礫石覆蓋下的細溝侵蝕產流過程

表2是不同礫石覆蓋情況下坡面細溝侵蝕的幾個關鍵時刻。由表2可知，高寒土在3個流速、4個坡度以及6種礫石覆蓋度下均發生了細溝侵蝕。試驗條件下，坡度對坡面產流具有一定的影響。產流時間大致隨著坡度的增加而縮短，原因是在坡長相同的情況下，由于坡度增加，水流受到的重力作用增大，因此可在較短的時間流出。當流速為1 L/min時，產流所需時間明顯大于流速為2 L/min和4 L/min的產流時間;當流速為2 L/min時，產流所需時間最大差值為75 s;當流速為4 L/min時，產流所需時間最大差值為20 s。分析原因：當流速為1 L/min時，流速小于土壤入滲速度;當土壤水分達到飽和含水量時，產生徑流;當降雨強度為2 L/min和4 L/min時，流速大于土壤的入滲強度，產生徑流，使得小流速強度時徑流產生的時間較長。由表2可知，相同坡度和流速條件下，礫石覆蓋度為0時產流時間和細溝出現時間最短。隨著礫石覆蓋度的增加，產流時間和細溝出現時間整體上呈先增加后逐漸穩定的趨勢。主要是礫石覆蓋可增加土壤粗糙程度，減少土壤表層結皮，使得水分可以繼續下滲，進而延遲地表填洼時間。此外，礫石覆蓋增加了土壤的孔隙度，導致土壤入滲率加快。上述兩個原因都導致了坡面產流時間的延遲。當礫石覆蓋度增加到一定程度時，礫石對土壤附加的作用力達到最大，產流時間和細溝出現時間便達到相對穩定的狀態。

由表2可得出：當礫石覆蓋度為70%時，產流時間最長，且隨著礫石覆蓋度的增加坡面產流時間也隨之增加，但增加的趨勢不明顯。一方面，礫石覆蓋可增加土壤粗糙程度，減少土壤表層結皮，水分可以繼續下滲，進而延遲地表填洼時間;另一方面，礫石覆蓋增加了土壤的孔隙度，土壤入滲率加快。這兩個方面導致了坡面產流時間的延遲。

2.2 礫石覆蓋下對細溝侵蝕產沙率的影響

礫石覆蓋對西藏高寒區土壤坡面細溝侵蝕過程的作用受流速大小和坡度影響。圖1、圖2、圖3、圖4分別為坡度為5°、10°、15°、20°條件下產沙率變化情況。由圖1、圖2、圖3、圖4可知，產沙率隨礫石覆蓋度增大呈先增后降的拋物線趨勢。

由圖1可知：當坡度為5°、流速為4 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為14.5 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為6.3 kg/（m·h）的區域;當流速為2 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為80%，流速為9.72 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為4.23 kg/（m·h）的區域;當流速為1 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為5.12 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為90%，流速為3.23 kg/（m·h）的區域。

由圖2可知：當坡度為10°、流速為4 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為15.1 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為8.23 kg/（m·h）的區域;當坡度為10°、流速為2 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為70%，流速為8.56 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為4.96 kg/（m·h）的區域;當坡度為10°、流速為1 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為70%，流速為6.32 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為90%，流速為3.83 kg/（m·h）的區域。

由圖3可知：在坡度為15°的條件下，產沙率隨礫石覆蓋度增大呈先增后降的拋物線趨勢;坡度為15°、流速為4 L/min時，最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為16.8 kg/（m·h）的區域，最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為9.53 kg/（m·h）的區域;當流速為2 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為70%，流速為9.66 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為5.16 kg/（m·h）的區域;當流速為1 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為7.32 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為90%，流速為4.83 kg/（m·h）的區域。

由圖4可知：當坡度為20°、流速為4 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為17.86 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為11.33 kg/（m·h）的區域;當坡度為20°、流速為2 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為70%，流速為12.66 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為0，流速為6.26 kg/（m·h）的區域;當坡度為20°、流速為1 L/min時，平均最大產沙率出現在礫石覆蓋度為60%，流速為7.32 kg/（m·h）的區域，平均最小產沙率出現在礫石覆蓋度為90%，流速為5.73 kg/（m·h）的區域。

綜合分析可知，當坡度為5°、流速為4 L/min和1 L/min，坡度為10°、流速為4 L/min，坡度為15°、流速為4 L/min和1 L/min，坡度為20°、流速為4 L/min和1 L/min時，在礫石覆蓋度為60%時平均輸沙量達到最大值。在4個坡度條件下，流速為2 L/min時，只有當坡度為5°條件下平均最大輸沙量在礫石覆蓋度為80%，其余3個坡度最大輸沙率均在70%礫石覆蓋度。坡度為10°、流速1 L/min條件下，最大輸沙率也在70%礫石覆蓋度，而其他條件下的平均最小輸沙率均出現在礫石覆蓋度為0和礫石覆蓋度為90%的區域。

分析原因可知：坡度較小時，坡面承受沖刷量較大，礫石覆蓋護坡保土效應削弱，產沙率隨礫石覆蓋增大變化不顯著;坡度較大情況下，隨礫石覆蓋度增大，水流趨于平緩，且礫石之間的間隙可截流沖刷濺起泥沙顆粒，減少徑流攜帶泥沙來源，故產沙率會減小，輸沙率會隨礫石覆蓋度增大而先增后減。

3 結論

通過室內水槽模擬沖刷試驗，研究不同坡度和流速條件下細溝侵蝕的特征，得出以下結論。

①西藏高寒土細溝侵蝕的輸沙率隨礫石覆蓋度的增加呈先增后減的拋物線趨勢，變化趨勢受流速和坡度的影響。在陡坡和高流速條件下，礫石覆蓋下細溝侵蝕平均輸沙率受礫石覆蓋影響更顯著。

②試驗條件下，當流速和礫石覆蓋度一定時，產流時間隨著坡度的增加而減少，即產流時間與坡度呈線性負相關。

③在相同流速與礫石覆蓋度條件下，坡度越大，產流時間越短、產沙率越大，相應的產流量和產沙量也越大，其產流量與產沙量隨時間的變化表現為先增大而后穩定的特征。

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