降雨條件下晉西黃綿土坡面室內外徑流侵蝕試驗差異分析

付興濤，王奇花，王錦志

降雨條件下晉西黃綿土坡面室內外徑流侵蝕試驗差異分析

付興濤1，王奇花1，王錦志2

（1. 太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2. 山西省水土保持科學研究所，太原 310045）

目前多利用室內模型試驗所得土壤侵蝕模數乘以面積預測野外實地水土流失，為了探討晉西黃綿土坡面室內外徑流侵蝕差異，該研究采用室內模型模擬與野外原位模擬試驗方法，分析了不同降雨與坡面面積條件下，室內與野外坡面徑流模數、侵蝕模數、單寬輸沙率及細溝發育差異性，結果顯示：室內模型試驗結果均大于野外原位模擬試驗，當野外坡面面積為室內的4倍時，徑流量與侵蝕產沙量不呈4倍關系，且面積越大野外與室內侵蝕量比值越小，說明簡單地用室內試驗結果乘以面積預測野外實地水土流失是不合理的，且雨強對徑流侵蝕的影響較面積大；相同降雨條件下室內坡面較野外坡面更易產生細溝，且發育程度大，更傾向于溝底下切，增強了室內坡面徑流侵蝕力；一定雨強、坡長條件下，野外單寬輸沙率在10～14 min首次出現峰值，之后趨于穩定，而室內多在4 min即出現峰值，且峰值為野外的1.58～10.40倍，說明室內模型試驗單寬輸沙率及其波動性大于野外，且響應時間更短。

降雨；徑流；侵蝕；晉西；黃綿土；室內外；差異分析

0 引 言

天然降雨下野外徑流小區觀測是土壤流失資料獲取的主要途徑，但由于天然降雨的有限性與偶發性，以及受人力、物力、財力等限制，導致野外觀測難度較大。因此，將野外土壤侵蝕現象按一定比尺關系對應于室內徑流槽模型模擬試驗是當前土壤侵蝕機理研究中普遍采用的一種快捷且易操作的科學方法[1-5]。雷阿林等[6]基于物理學方法推導出一個土壤侵蝕試驗中的降雨相似性法則，并指出土壤不宜做縮小比尺的模擬，模型土壤應保持與天然土壤最接近的容重、質地、結構等。事實上，室內模型試驗用土很難做到與野外原狀土完全一致，因此，即使在相似的降雨條件下，室內與野外侵蝕產沙試驗結果仍不可避免地存在差異。高建恩等[7-8]在前人研究基礎上，基于相似論的原理對黃土高原小流域水力侵蝕調控實體模擬試驗的相似條件進行研究，并在據此所建造的康家屹嶗小流域模型進行驗證，指出幾何比尺為100時，降雨、匯流、產沙及輸沙均與實際基本相符；隨后，李書欽等[9]在比尺為2.5時的試驗結果顯示，徑流流態、阻力系數和床面變形也是基本相似的，但其原型與模型采用的是室內大型和小型土槽；而更多學者關注土壤侵蝕的空間尺度效應問題[10]，如坡面尺度、流域尺度的土壤侵蝕問題。諸多研究均為模型向原型定量轉換這個難點問題的解決奠定了一定的基礎，但總體上依然未能很好解決模型相似準則問題[11]，且研究結果具有一定的研究區局限性。

在目前水力侵蝕模型模擬與原型相似準則尚無實質性突破的情況下，鑒于侵蝕機理的復雜性，對于室內模型模擬與野外原狀土試驗的研究多基于幾何相似，通過探討徑流與輸沙的差異性，進而為室內模型模擬結論向原型的定量轉換尋求突破點。由于模擬降雨試驗會弱化降雨因子對土壤侵蝕的影響[12]，且室內模型試驗土壤條件很難與野外完全保持一致，使得室內模型與野外原狀土模擬降雨試驗結果存在明顯差異。管新建等[13]利用模糊貼近度計算方法對邙山黃土的室內外侵蝕產沙過程進行分析研究，結果表明一定雨強下容重較大的土樣與原狀土貼近度更高。紅壤坡面的試驗結果表明，室內與野外侵蝕模數并不按面積比例呈倍數關系，室內模型試驗結果反而遠大于野外實地試驗結果[14]，這與Mamisao等[15]的研究結論相似，Schiettecatte等[16]在黃土坡耕地的試驗結果也顯示在模擬降雨條件下室內產沙量要高于野外。

綜上所述，盡管學者們通過大量試驗分析了室內模型與野外原型相似比尺關系，揭示出室內模型試驗與野外實地水土流失確實存在差異，但由于研究條件與研究區域不同，研究結論難以推廣應用，尤其針對晉西典型的離石黃土母質上發育的黃綿土，缺乏室內外侵蝕產沙差異的系統研究。鑒于此，本研究采用人工模擬試驗方法，通過對比分析降雨條件下室內模型與野外實地土壤侵蝕結果，探索模擬降雨試驗后室內外坡面地貌形態差異性以及單寬輸沙率隨產流歷時的變化規律，試圖揭示導致室內外土壤侵蝕差異性的原因，以期為晉西室內模型試驗結果準確應用于野外實地水土流失預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于晉西呂梁市離石縣王家溝流域，該流域為三川河中游左岸一條支溝，屬黃土丘陵溝壑區第一副區，流域面積9.10 km2，地理坐標為東經111°11′，北緯37°31′。年平均氣溫8.90 ℃，多年平均降雨量490.30 mm，降雨多集中于7－9月，歷時短，強度大，極易造成嚴重水土流失并加速侵蝕，實測多年平均輸沙模數7 651 t/km2。研究區土壤母質為新生界第四系中更新統離石黃土或晚更新統馬蘭黃土與中更新統離石黃土的混合土，為典型的離石黃土母質上發育的黃綿土，顆粒細小，質地疏松，不具層理，具有直立性，并含有碳酸鈣，遇水容易溶解、崩塌，地面坡度較大且坡面植被稀疏。表層土壤容重1.37 g/cm3（野外）、1.35 g/cm3（室內），有機質含量13.42 g/kg，pH值8.15，根據國際制粒級劃分標準，土壤黏粒（<0.002 mm）、粉砂粒（0.002～<0.02 mm）、砂粒（0.02～<2 mm）質量分數分別為1.75%、14.20%和84.05%。研究區土壤、氣候在晉西黃土高原地區有較好的典型性和代表性。

1.2 試驗設計與泥沙分析

模擬降雨在太原理工大學實驗室內與王家溝流域野外坡面徑流小區分別進行，坡面土地利用方式為裸坡（圖1）。山西省水保所徑流測驗資料（1955－1981年）指出，當地農田主要分布在山坡上部坡度20°左右，其中16°～20°耕地面積占比最大（25.60%），因此，試驗設計坡度為20°。此外，山坡上果園種植行距一般為3和4 m[17]，檸條種植間距為4 m[18]，為了研究該坡長范圍內土壤侵蝕規律，設計試驗坡長為2、3、4、5 m，坡面寬度分別為0.50 m（室內）、2.00 m（野外），徑流槽內土壤深度為0.50 m（室內）。根據山西省水文局降雨徑流監測資料，該流域暴雨強度多集中于60～90 mm/h之間，汛期最大降雨強度達90.30 mm/h，因此，試驗設計雨強 50、60、70、80、90、100、110、120 mm/h。降雨監測系統選擇由中國科學院水利部水土保持研究所與西安清遠測控技術有限公司共同研發的便攜式全自動人工模擬降雨器。噴頭高度離地面10 m左右，根據付興濤[19]對降雨均勻性測定及雨強標定，得出本試驗所用人工模擬降雨器的降雨均勻系數在85%以上，雨滴分布及終速等指標均符合試驗要求，可以開展試驗。

徑流槽內土壤取自野外試驗小區附近坡面上。將土壤按原狀土順序分層（10 cm一層，共5層）裝袋并運回室內，風干后去除雜質備用。為盡量保證徑流槽底部土壤透氣透水性接近天然狀態，先均勻撒5 cm厚細沙并鋪上透水紗布，然后裝填45 cm厚供試土壤。裝土前采用烘干法測定土壤含水率，盡量保證土壤容重接近自然狀態。9 cm為一層，共分5層均勻地將土壤裝入徑流槽。每填完并壓實一層后用齒耙耙松土表，以保證上下2個土層接觸面均勻一致。將土壤全部裝入徑流槽后，用平尺刮平土表，壓實土壤與徑流槽接觸的邊壁，以減小邊壁邊際效應對徑流、產沙過程的影響。徑流槽裝填完畢后，至少靜置1個月并定期灑水，環刀法測定沉實后槽內土壤容重，直到其接近野外天然狀態時進行人工模擬降雨試驗。

為保證室內外各自降雨試驗土壤前期水分含量（絕對含水率）相對一致，每場降雨前在坡面不同部位取土樣進行測定（室內試驗均在13.99%左右，野外則在15%左右）。試驗過程中用秒表記錄產流開始時刻，之后每隔2 min用標有刻度的1 L塑料瓶采集一次徑流泥沙樣，同時量測水溫（用于查詢粘滯系數），產流開始后持續降雨30 min，場降雨共采集15組徑流泥沙樣。每場降雨試驗后，將所有徑流泥沙樣靜置24 h量測徑流體積，然后倒去上清液，將泥沙烘干稱質量（105 ℃的條件下烘12 h）得到每2 min流出小區出口的泥沙量。由于室內試驗4個坡長的徑流槽并排放置，所以每場模擬降雨4個坡長同時進行，每場降雨重復2次，共降雨16場。野外模擬試驗小區分布比較散，所以每個小區分別進行試驗，每場降雨重復2次，共降雨64場。

1.3 數據分析

將場降雨流出徑流小區的流量作為最終地表徑流量，徑流中所含泥沙作為最終土壤流失量，對室內與野外試驗土壤侵蝕模數、徑流模數進行描述性統計分析，并做侵蝕模數、徑流模數與面積、雨強的Pearson相關分析；繪制細溝形態特征指標柱狀圖及不同雨強下室內外坡面單寬輸沙率隨產流歷時變化曲線。

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕模數與徑流模數差異性分析

試驗盡量控制室內與野外模擬降雨試驗土壤、降雨特性、坡長、坡度最大程度保持相似，但室內與野外土壤侵蝕模數與徑流模數隨雨強的變化過程表明（圖2、圖3），室內模型試驗結果均大于野外原位模擬試驗結果。雨強由50 mm/h增大到120 mm/h時，室內土壤侵蝕模數與徑流模數分別在0.297×10-2～0.110 kg/(m2·min)、0.017×10-2～0.241×10-2m3/(m2·min)之間變化，野外變化范圍為0.260×10-3～0.039 kg/(m2·min)、0.100×10-3～0.116×10-2m3/(m2·min)，野外侵蝕模數與徑流模數最大、最小值分別僅為室內的8.70%～35.80%、48.10%～58.80%。當野外徑流小區面積為室內徑流槽面積的4倍時，其徑流量與侵蝕產沙量并非呈4倍關系（表1），相同雨強下，徑流小區面積越大，野外與室內侵蝕產沙量比值越小。

表1 野外與室內產沙量比和徑流量比

導致室內與野外試驗結果差異性的原因，可能主要在于土壤特性、入滲和風的影響。首先，次降雨過程中土壤侵蝕的發生是降雨與表層土壤之間的相互響應[20]，降雨侵蝕力與土壤可蝕性相互依存，降雨侵蝕力的大小取決于降雨特性[21]，如雨強、雨滴直徑等，而土壤可蝕性則主要取決于土壤理化特性，如土壤顆粒組成、水穩性團粒結構、滲透性、有機質含量等，在降雨特性相似的情況下可蝕性低的土壤易遭侵蝕[22]。試驗采用可控雨強的人工模擬降雨裝置，所以室內與野外模擬降雨強度、雨量基本保持一致，但由于室內模型試驗槽為人工裝填，盡管按照野外原狀土層次分層裝填并層層壓實，但與質地堅硬、具有較多結皮的野外原位自然坡面相比，室內模型坡面表層土壤疏松顆粒較多，易被雨滴濺蝕及徑流攜帶[23]，其可蝕性是野外原狀土的4倍左右[24]，試驗測得野外原狀土表層土壤容重為1.37 g/cm3，室內模型試驗為1.35 g/cm3，略有偏差。其次，模型試驗與原位模擬試驗邊界的差異。導致室內外模擬試驗的降雨入滲有區別，相比至少垂直深50 cm邊界限制的室內土槽，野外原位土壤可沿著垂向及側向滲透，其滲透量較室內大。最后，野外試驗雖然盡量選擇在早上5:00－9:00風比較小時進行，但試驗過程中觀察到仍然會受到風的間斷性影響，陳洪松等[25]在野外模擬試驗中也指出這一點。結果顯示，室內外不同面積徑流小區土壤侵蝕模數隨雨強的增大均呈顯著增大趨勢（圖2、圖3），相比野外原位模擬試驗相對緩慢的變化趨勢，室內模型試驗增幅更加顯著，如雨強由50 mm/h增大到120 mm/h時，室內2.5 m2面積土壤侵蝕模數增幅為0.107 kg/(m2·min)，野外10 m2面積增幅為0.039 kg/(m2·min)，即野外徑流小區侵蝕模數增幅僅為前者的37.00%。然而，侵蝕模數隨面積的增大室內與野外均呈現波動變化趨勢，徑流模數表現出與侵蝕模數相似的變化過程，野外徑流模數隨面積、雨強的增大波動性更大。方差分析顯示，雨強對土壤侵蝕模數有顯著影響，室內外模擬試驗統計量對應的值為0.000，均遠小于0.05，而面積對土壤侵蝕模數影響并不顯著。進一步相關分析表明（表2），侵蝕模數、徑流模數在室內與野外模擬試驗條件下與雨強在0.01水平上均呈極顯著正相關，相關系數不小于0.838，而與面積的相關性較小。侵蝕模數與徑流模數在0.01水平上呈極顯著正相關，室內模型試驗相關性較野外大，其相關系數分別為0.947、0.715，說明相比侵蝕面積，降雨與徑流仍然是導致土壤流失的主要因素。然而，當雨強較小時，由于雨滴直徑較小，在間斷性風的影響下發生水平移動[26]，甚至被吹到徑流小區邊界外面，使得降落到小區內的雨量減少，一方面影響徑流量，另一方面影響降雨侵蝕力，從而導致野外試驗結果小于室內。因此，本試驗初步得出不能簡單地用室內模型模擬試驗結果與面積相乘預測野外實地土壤侵蝕量。

表2 侵蝕模數、徑流模數與面積、雨強的相關性分析

注：**<0.01,*<0.05（32個實測值）.

Note:**<0.01,*<0.05 (32 measured values).

2.2 地貌形態差異分析

細溝是在坡面徑流差異性侵蝕（由于地面凹凸不平而產生的對徑流的分配作用和地表土壤抗侵蝕力的空間差異，使徑流在坡面上呈現不均勻分布）條件下，坡面上產生的一種小溝槽地形。土壤抗侵蝕力和降雨徑流侵蝕力是影響細溝侵蝕的最直接因素，當降雨徑流侵蝕力大于土壤抗侵蝕力時細溝形成并得以發展，坡面產流產沙過程也隨之發生改變[27]。早在1984年，Foster等[28]根據田間實際形成的細溝，在室內制作細溝形態相同的模型（0.91 m×4.27 m），研究細溝流速與溝岸擴張溝道下切的影響。鄭粉莉等[29]也依據野外調查，在5.0 m×1.5 m的徑流小區進行試驗，表明土壤、地形以及土地管理措施等都會影響細溝侵蝕量，且這些影響基本與野外調查結果相符。本研究對室內模型與野外原狀坡面降雨試驗后細溝形態特征對比發現，相同降雨條件下室內坡面較野外坡面更容易產生細溝（圖4）。以90 mm/h降雨為例，試驗過程中對坡面地貌形態觀察發現，室內外坡面下部隨降雨的進行均有不同程度的細溝出現，野外相較室內坡面細溝不太發育，故未對細溝的形態特征（長、寬、深等）進行測量，管新建等[24]在野外25°陡坡進行的雨強為0.51～2.32 mm/min，歷時30 min的人工模擬降雨試驗也得出這一結論。而室內試驗在坡長為3 m降雨強度小于90 mm/h時，沒有明顯細溝出現，可能由于坡長較短導致坡面匯水面積小，坡面即使出現跌坎尚未貫通形成細溝[30]。然而，當雨強達到90 mm/h時，4和5 m長度坡面上細溝明顯發育，且鄰近的細溝合并，細溝平均長度分別達到120、169 cm，平均寬度3、4 cm，平均深度1.5、4 cm。5 m坡長在90 mm/h降雨條件下，測得最長的一條細溝甚至長240.8 cm。

為了進一步分析室內試驗坡面細溝發育形態，本研究探討了細溝割裂度（表征坡面破碎程度與細溝侵蝕強度）與細溝寬深比（表征細溝形狀變化）隨坡長、雨強的變化，結果顯示，細溝割裂度整體隨降雨強度和坡長的增大而增大，細溝寬深比則隨二者的增大而減小，沈海鷗等[31-32]在室內人工模擬降雨試驗中也得出相同的結論，說明降雨強度、坡長與細溝發育程度有著密切的關系，且溝底下切程度較溝岸擴展程度大。另外，在降雨強度、土壤前期含水率、土壤容重等相似的情況下，除野外試驗中風對降雨侵蝕力及徑流量的影響外，室內試驗擾動后土壤的水穩性團粒結構、滲透性等[33-36]與野外自然坡面土壤有較大差異，導致坡面細溝發育程度在室內外對比試驗中產生了較大差異。如目前常采用室內模擬降雨和放水沖刷試驗研究坡面細溝侵蝕的水動力學條件和特征[37-40]，但大多數模擬試驗中供試土壤是經過風干、過篩的，試驗坡面也都經平整處理，與自然條件下細溝侵蝕發生的地表條件相差甚遠，蔡強國[41]在對細溝發生臨界條件的研究中也指出室內與野外實際情況有一定差異。細溝形態的差異性導致室內試驗產流量與產沙量均較野外試驗大。

2.3 室內外坡面徑流輸沙率差異分析

降雨條件下坡面徑流侵蝕是一個復雜的過程，產沙量預報的困難在于對從侵蝕到沉積或產沙過程的整體了解。選取60、90、120 mm/h 3個典型雨強，對比分析不同降雨強度條件下，室內與野外坡面單寬輸沙率隨產流歷時變化過程（圖5）。結果顯示，野外與室內單寬輸沙率總體隨產流歷時先增大后趨于穩定并表現出“多峰多谷”這一相似的變化趨勢。但一定降雨強度和坡長條件下，室內模型單寬輸沙率及其波動性總是大于野外，且響應很快。同時，室內模擬試驗單寬輸沙率在產流4 min時已達到相應條件下峰值的52.50%以上（雨強為60 mm/h，坡長為5 m時除外），且多集中在80.00%附近。而野外試驗中其值在產流初期呈線性增長，至第10～14 min才首次出現峰值，且在首次達到峰值時，室內試驗值是野外的1.58～10.40倍。

分析產生上述結果的原因，首先是室內外土壤抗蝕性差異。產流初期雨滴動能直接作用于土表，土粒被分散、濺起，在坡面上被搬運、沉積甚至隨徑流流出出口斷面，在此過程中，野外坡面堅實的土層和土表較多的結皮會增強表土抗蝕性，而室內試驗由于是擾動土壤，表層疏松顆粒較多，因此，在產流初期室內單寬輸沙率較野外試驗大且在短時間內達到峰值；第二是降雨條件下室內外坡面細溝形成差異，坡面徑流深隨降雨的進行逐漸增大，雨滴對土表的濺蝕減小至可忽略，產流量和徑流挾沙能力也逐漸達到穩定，然而，細溝的形成使得坡面水流匯集于細溝內部，流速有較大增加，流速作為細溝流侵蝕力的重要指標，對坡面剝蝕幾率有很大影響[42]。坡面微地貌、降雨強度、土壤理化性質等都能影響細溝的演變和發展，致使坡面單寬輸沙率的變化過程存在較大的波動性，王志偉等[43]在沂蒙山區典型土壤坡面也得出這一結論。由2.2可知，室內模型試驗坡面細溝發育狀況較野外原位試驗存在較大差異，故一定雨強、坡長條件下室內單寬輸沙率及其波動性總是大于野外。而室內試驗單寬輸沙率在坡長大于2 m時明顯增大，其原因是在試驗條件下坡長大于2 m時發生了細溝侵蝕（圖4），進一步顯示出細溝侵蝕的重要作用。第三，室內試驗單寬輸沙率增大較野外試驗響應快，可能由于野外試驗受風的影響。試驗過程中觀察到，當降雨強度一定時，野外試驗由于受風的影響落到小區內的雨量減少，坡面產流量相應減少，產流時刻也相對室內滯后，而研究顯示坡面徑流單寬輸沙率隨著產流量的增加而增加[44]；另外，雨滴直徑隨雨強的增大而增大，因此，雨強越大雨滴受風的影響相對減小，降落到試驗小區的雨量更接近實際，但圖5顯示，室內外單寬輸沙率總體隨坡長的延長而增大。對于室內模擬試驗，60 mm/h雨強條件下坡長為5 m時單寬輸沙率整體間于3～4 m坡長之間，而野外原位模擬試驗，雨強60、90 mm/h條件下，5 m坡長單寬輸沙率較其他坡長小，除了因為室內外試驗環境不同外，可能還與徑流剝蝕和搬運土粒所需能量有關[45]。但隨著降雨強度的增大，雨滴對表土顆粒的濺蝕作用增大，為坡面侵蝕產沙提供了更多的物質來源，同時徑流量增大，徑流紊動性也得到加強[46]，侵蝕能力和挾沙能力相應增大，所以室內試驗當雨強大于60 mm/h、野外試驗雨強大于90 mm/h時，5 m坡長坡面單寬輸沙率大于4 m坡長。

3 結 論

在室內模型模擬與野外原位模擬試驗基礎上，本文對比了降雨條件下室內與野外坡面土壤侵蝕模數與徑流模數隨試驗坡面面積、雨強的變化，并通過坡面侵蝕細溝與單寬輸沙率進一步分析導致其差異性的原因，初步得出不能簡單地用室內試驗結果乘以面積預測野外實地水土流失量的結論，主要結論如下：

1）室內模型試驗土壤侵蝕模數與徑流模數均大于野外原位模擬試驗結果，當野外徑流小區面積為室內徑流槽面積的4倍時，徑流量與侵蝕產沙量不呈4倍關系，面積越大，野外與室內結果比值越小，因此，建議將室內試驗結果通過合理的轉換后預測野外實際水土流失將更加客觀。

2）雨強對室內外侵蝕模數、徑流模數有顯著影響，均呈極顯著正相關（相關系數不小于0.838），而與面積的相關性較??；侵蝕模數與徑流模數相關性達0.947（室內）、0.715（野外），說明相比侵蝕面積，降雨以及產生的徑流仍然是導致土壤侵蝕的主要因素。

3）相同降雨條件下室內坡面較野外坡面更容易產生細溝，雨強大于90 mm/h、坡長大于3 m時，室內外坡面下部均產生不同發育程度的細溝，但相較野外坡面，室內坡面細溝發育程度大，且更趨向于溝底下切，說明細溝發育與雨強、坡長有關，且溝底下切程度較溝岸擴展程度大，導致室內試驗徑流量與產沙量較野外試驗大。

4）一定雨強和坡長條件下，室內外單寬輸沙率均隨產流歷時先增大后趨于穩定，但室內模型試驗單寬輸沙率及其波動性大于野外，且響應時間更短，產流4 min時單寬輸沙率已達到相應條件下峰值的52.50%以上，而野外試驗至第10～14 min才首次出現峰值，且室內試驗峰值是野外的1.58～10.40倍；室內外單寬輸沙率總體隨坡長的延長而增大，但坡長為5 m時，室內雨強大于60 mm/h，野外雨強大于90 mm/h時坡面單寬輸沙率才大于4 m坡長。

本研究雖然就晉西黃綿土坡面室內模型與野外原位條件下徑流侵蝕產沙進行了模擬，得出其差異性，并分析了導致差異性產生的原因，但相較于天然降雨，野外人工模擬降雨仍然不能完全反映天然降雨的全部性質，一方面在后續的研究中期望通過長序列天然降雨徑流水文監測數據的分析，進一步驗證野外試驗的可靠性。更重要的是期望開展模型向原型轉換方面的研究，切實解決基于室內試驗結果合理預測野外實地水土流失問題。

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Laboratory and field erosion differences under rainfall on Loessal slope in Western Shanxi, China

Fu Xingtao1, Wang Qihua1, Wang Jinzhi2

(1.,,030024,;2.,310045,)

Soil erosion modulus from laboratory modeling is often used to predict soil and water loss for a specific area in the field. Therefore, this study aims to investigate the erosion difference between laboratory and field simulation under various intensities of rainfall and areas on a loessal slope in western Shanxi, China. An emphasis was placed on the laboratory modeling and in-situ simulated rainfall events in the field. A systematic analysis was made on runoff modulus, erosion modulus, sediment discharge of unit width and rill development between laboratory and field. The intensities of simulated rainfall were set as 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 mm/h, combined with natural rainfall events in the study region. A coefficient of uniformity above 85% was, considered in the simulated rainfall, similar to the raindrop distribution and size in the natural rainfall. Calibration of rainfall intensities was conducted at the beginning of each experiment. In the field, the runoff/erosion catchment plots were established in the size of 2, 3, 4, 5 m (length) and 2 m (width) in Wangjiagou small watershed in western Shanxi, while in the laboratory, that in the size of 2, 3, 4, 5 m (length) and 0.5 m (width) in the Taiyuan University of Technology. The soil surface was bare, where the soil type was loessal, and the slope gradient was 20°. Initial water content of soil was determined all the same in simulated experiments. Each rainfall event was repeated two times. The period from the rainfall beginning to runoff occurrence was recorded as “runoff occurrence time” during each rainfall event, where the duration of each rainfall simulation was 30 min from the appearance of runoff. All samples of runoff and sediment were collected in the polyethylene bottles with the volume of 1 L at the bottom end of the plot at 2 min intervals, as the final runoff volume and sediment yield. The erosion modulus and runoff modulus were analyzed with the rainfall intensity and area, in the field and laboratory, indicating significant correlation between rainfall intensity (slope length) and sediment yield. Rill morphology and sediment discharge of unit width were further measured to explore difference between field and laboratory. The results showed that laboratory measurements were greater than those of field in-situ simulation. When the slope area of field was 4 times that of the laboratory, the runoff and sediment yield were not 4 times, where the larger the area was, the smaller the ratio of erosion was, indicating that the amount of soil erosion in the field cannot be predicted simply by the laboratory measurements. The rainfall intensity had also greater impact on the runoff erosion than the area. Under the same rainfall condition, the rill was more likely to occur on the laboratory slope surface, and more developed than on the field, which was more inclined to cut rill deep to enhance the runoff erosion force of laboratory slope. Under certain rainfall intensity and slope length conditions, the mass flux tended to be stable after the first peak at the 10-14 min in the field, while the peak appeared at 4 min in the laboratory, where the value was 1.58-10.40 times of that in the field.It showed that the sediment discharge of unit width and its fluctuation in laboratory were higher than that in the field, and the response time was shorter.

rainfall; runoff; erosion; western Shanxi; Loessal; laboratory and field; differences analysis

付興濤，王奇花，王錦志. 降雨條件下晉西黃綿土坡面室內外徑流侵蝕試驗差異分析[J]. 農業工程學報，2021，37(1)：116-124.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.015 http://www.tcsae.org

Fu Xingtao, Wang Qihua, Wang Jinzhi. Laboratory and field erosion differences under rainfall on Loessal slope in Western Shanxi, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 116-124. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.015 http://www.tcsae.org

2020-09-09

2020-11-21

國家自然科學基金（51309173）；山西省水利科學技術研究與推廣項目（201820）

付興濤，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與水土保持、河流生態水文研究。Email：fuxingtao@tyut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.015

S157.1

A

1002-6819(2021)-01-0116-09