詹 松，王文龍，黃鵬飛，李宏偉，李建明，王 貞，羅 婷

（1.西北農(nóng)林科技大學 資源與環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點試驗室，陜西 楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4.江西省水土保持科學研究院 土壤侵蝕與防治重點試驗室，江西 南昌330029；5.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州；6.中國水電顧問集團 華東勘測設計研究院，浙江 杭州310014；7.杭州大地科技有限公司，浙江 杭州310000）

道路是土地利用方式之一，道路的形成實際是對原始地貌環(huán)境進行改造的過程。道路使原地面地形地貌、地表植被等發(fā)生改變，相關物理性質也發(fā)生較大變化，自然降雨作用下，其土壤侵蝕過程和方式與農(nóng)耕地有所不同［1］。國外學者［2］較早已開始了道路侵蝕研究，認為道路侵蝕是河流泥沙來源之一。道路形成后，經(jīng)過不斷碾壓，入滲率降低，徑流系數(shù)增大，排水系統(tǒng)密度往往較其它下墊面大，道路因易于匯水而常常在其周圍沖刷成溝頭，據(jù)調查，高達58%公路通常直接或間接與河流相接，而公路周圍形成的溝道是主要連接方式之一［3］。隨著道路侵蝕研究的不斷深入，針對不同的公路、鐵路、林區(qū)和礦區(qū)等非硬化和硬化道路，學者們［4］從不同類型道路侵蝕過程、防護措施、防護效益展開了一系列研究，普遍認為道路侵蝕可以使流域產(chǎn)沙量增加，而采取適當?shù)姆雷o措施可以有效減少道路產(chǎn)生的泥沙量。

由于道路類型復雜多樣，因而道路侵蝕預測研究一直以來進展緩慢，還無法對道路侵蝕進行有效地估算，其原因主要是對相關機理的認識還不夠深入，國內研究主要對產(chǎn)流產(chǎn)沙和防護措施效益進行相關的探討。王貞［5］采用野外放水沖刷試驗分析了非硬化路面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。崔歡虎［6］探討了不同下墊面產(chǎn)流特征，認為道路徑流損失可達80%以上。田鳳霞、劉剛、鄭世清等［7－9］分別通過室內人工降雨或放水沖刷試驗探討了不同雨強，不同坡度和不同植被覆蓋度下植物路產(chǎn)流產(chǎn)沙過程和水動力學特征，認為水力學特征受植物路蓋度影響較大。曹世雄等［10］通過在農(nóng)田田間路面多年種植牧草并進行定點監(jiān)測后認為其侵蝕量可減少54%～78%，并有助于當?shù)鼐坝^生態(tài)的恢復。

綜上所述，有關道路的研究主要集中在探討路面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，而對水力學特征及其相關響應關系研究較少，特別是在開發(fā)建設項目中，煤礦區(qū)非硬化路面的研究顯得更為薄弱。為加強礦區(qū)非硬化路面機理的深入探討，通過野外人工模擬降雨試驗對比分析非硬化路面與原生地面的產(chǎn)流產(chǎn)沙、水動力參數(shù)變化特征及其響應關系，為礦區(qū)非硬化道路水土流失的預測與治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究地點為神府東勝礦區(qū)。該區(qū)位于陜西府谷縣西部、神木縣北部和內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯（伊克昭盟）的南部，內有烏蘭木倫河和窟野河流經(jīng)（108°36′—110°45′E，37°20′—39°30′N），屬于水蝕風蝕交錯區(qū)。該區(qū)屬于干旱、半干旱大陸季風氣候區(qū)，年降雨量約在194.7～530.5mm，年際變化較大，且年內分布不均，多暴雨，多集中在夏、秋季，蒸發(fā)量約為降雨量的5倍。土壤以黃土和風沙土為主，結構松散，抗蝕性差，植被覆蓋率低。受大風和暴雨影響，水土流失嚴重，年平均侵蝕模數(shù)達1.5×104t／（km2·a），易發(fā)生滑坡、崩塌等自然災害。

1.2 下墊面條件

試驗于2010年8—9月在神東煤田區(qū)神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝村一塊撂荒地進行，該地地表植被覆蓋度相近，原生地面小區(qū)保持同一坡度內地面平整并不做任何處理。非硬化路面是在原生地面上經(jīng)過不斷地碾壓而形成的，地表植被不復存在，地面硬度和強度都大于原生地面，采用控制土壤密度的方法人工構筑非硬化路面，先測算多條實際非硬化路面土壤密度范圍（1.60～1.70g／cm3），然后用鐵鍬翻動原生地面20cm深并除去植被，整平后灑水夯實，并分3次分別覆土3～5cm厚度，前兩次灑水夯實，最后一次夯實不灑水并用環(huán)刀法測土壤密度（控制在1.70g／cm3左右），TDR測土壤含水量，達到要求后即可準備試驗。通過過篩分析，試驗地土壤機械組成詳見表1［5］。

表1 試驗地土體物理特性

1.3 試驗小區(qū)布設

試驗小區(qū)長寬為3m×1m，四周用40cm寬、1mm厚的鋼板插入地下25cm，地表出露15cm，為防止邊際效應，小區(qū)周圍10cm內處理與小區(qū)內相同，小區(qū)下端設置集流槽。降雨設施采用12根6m，20根3m的6mm鋼管搭設3m高的降雨架，并用防風布包圍四周以防止風對降雨的影響。為保證降雨雨滴達到自然降雨終點速度，試驗采用有壓供水，即利用潛水泵供水從小區(qū)旁8m高處的蓄水箱內直接給降雨噴頭供水，通過壓力表和閥門控制降雨強度。由于試驗地形條件限制，原生地面選擇坡度為5°，10°和18°，非硬化路面坡度為3°，6°，9°和12°，初始降雨強度都設置為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0mm／min（數(shù)據(jù)處理時以實際量測為準）。

試驗開始前用塑料布蓋住試驗小區(qū)，用量筒呈梅花形測定1min內降雨量，即降雨強度，并采用克里斯琴森系數(shù)CU計算降雨均勻度。雨強達到要求后，揭開小區(qū)遮蓋的塑料布并開始記錄產(chǎn)流時間，開始產(chǎn)流時記下產(chǎn)流時間并接取徑流泥沙樣，測定水深、徑流寬和流速等數(shù)據(jù)。產(chǎn)流后前3min內每分鐘用取樣桶接取一次泥沙樣，高猛酸鉀示蹤法在同一斷面不同水流位置測定3次流速（觀測段為2m），測針法測同一斷面水深3次和尺子測徑流寬3次。產(chǎn)流3min后，每3min重復一次上述過程。單次降雨時間總計45min（產(chǎn)流時間除外），并采用比重瓶法獲取徑流含沙量。

1.4 數(shù)據(jù)計算

降雨形成的徑流是引起土壤侵蝕的主要動力，對徑流的相關水力參數(shù)進行計算有助于深入揭示非硬化路面產(chǎn)沙的本質。運用水力學相關理論和方法對徑流流速（V）、雷諾數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr）、曼寧系數(shù)（n）、Darcy—Weisbach阻力系數(shù)、水流剪切力（τ）、水流功率（ω）等水力指標進行了計算。

雷諾數(shù)（Re）是水流慣性力與黏粘滯力的比值，是判定水流流態(tài)的重要依據(jù)。Re＜500時，水流為層流；Re＞2 000時，流水為紊流，計算公式為：

式中：V——徑流流速（m／s）；R——水力半徑（m）；Vm——含沙水流運動黏滯性系數(shù)

式中：Sv——體積含沙量百分數(shù)；d50——懸沙（試驗上用）的中值粒徑（mm）；V0——運動黏滯系數(shù)（m2／s），其值根據(jù)所測水溫查水力學表得到。

弗勞德數(shù)Fr是水流慣性力與重力的比值。如果Fr＜1，水流為緩流；Fr≥1為急流。計算公式為：

式中：g——重力加速度，取值9.8m／s2。

曼寧系數(shù)n和達西阻力系數(shù)f反映了下墊面對水流阻力作用，計算式為：

式中：J——水流能坡，近似為坡度正切值；h——水流深度（m）。

水流剪切力τ反映徑流對土壤的剝蝕能力，計算公式為：

式中：g——含沙水的密度（g／cm3）。

水流功率（ω）反映了一定高度的水體所具有的勢能，為單位面積水體勢能隨時間的變化率，計算公式為：

2 結果與分析

2.1 原生地面與非硬化路面水力參數(shù)比較

2.1.1 流速比較 坡面徑流流速是反映下墊面物理性質的重要水力參數(shù)，也是計算其它水力參數(shù)的基礎。在不同坡度、雨強和下墊面等組合處理中，以測得的流速作為各時段平均流速，并對相對穩(wěn)定后的流速取平均值作為全時段的平均流速，根據(jù)雨強、坡度繪制流速變化關系圖（圖1）。如圖1所示，非硬化路面在不同坡度不同流量下的流速均明顯大于原生地面流速，主要是原生地面有植被覆蓋，增大了地表阻力系數(shù)，徑流隨坡面流動過程中受植被阻擋，流速相對變緩，而非硬化路面缺乏植被阻礙，流速較大，流速范圍為0.13～0.25m／s，最大流速值較劉剛、田鳳霞等［7－8］裸露土質路面流速偏大，但都在同一個數(shù)量級，主要受土壤密度差異影響。兩下墊面相近坡度（3°與5°，5°與6°，10°與9°，12°與10°）進行流速比較發(fā)現(xiàn)，相同降雨強度下，非硬化路面流速是原生地面的2.2～4.2倍，且較穩(wěn)定，可認為相同條件下，兩者的流速比值為一常數(shù)，該值不隨坡度、雨強而發(fā)生較大變化，表明現(xiàn)有采用流量和坡度而不考慮下墊面影響推求流速的方法是可行的。非硬化路面和原生地面流速隨雨強增大而增大，但變化趨勢有所不同。原生地面變化平緩，可用二次函數(shù)進行模擬：

式中：V——流速；I——雨強；a，b，c——常數(shù)。

對2mm／min雨強、10°坡度條件下流速修正后模擬表明，各坡度下，決定系數(shù)達到0.91以上。非硬化路面流速隨雨強變化波動較大，隨坡度增大，波動幅度越大，主要是在坡面下部可見細溝、切溝等，由此產(chǎn)生跌水耗能而影響徑流流速。而坡度對流速的變化不顯著，這與Nearing［11］結論相似。

2.1.2 水力參數(shù)隨坡度、雨強變化特點對比 根據(jù)穩(wěn)定后平均流速、水深等相關參數(shù)和公式計算獲取水流剪切力（t）、功率（ω）、弗勞德數(shù)（Fr）、雷諾數(shù)（Re）等水力參數(shù)，結果如圖2所示。

水流剪切力和水流功率是反映徑流對土壤剝蝕能力的一組水力參數(shù)，由圖2可知，同一下墊面水流剪切力和水流功率隨坡度和雨強的增大而增大。在坡度較大時，非硬化路面水流剪切力隨雨強先增大后減小，但減小幅度較小，原因是在小雨強下，坡面流以薄層水流運動，隨著雨強的增大，水流形態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)滾波流［12］，水流水深不斷變化而不穩(wěn)定，而水面寬度則有所增加，但坡面流不同于明渠水流，水深和水寬數(shù)值都較小，在一定范圍內，水力半徑會有所減小，從而使剪切力偏小。在相近坡度下，非硬化路面水流剪切力和水流功率分別比原生地面增大了0.4～9倍，0.8～20倍，雨強越大，增大倍數(shù)越小。

圖1 流速隨坡度和雨強的變化

試驗中，F(xiàn)r均小于1，表明水流為緩流，F(xiàn)r越小，水流流動越緩慢。在同一雨強相近坡度試驗中，非硬化路面Fr均大于原生地面（包括18°坡面），平均增大了66%。非硬化路面Re均大于500，甚至大于2 000，即多數(shù)情況下流態(tài)屬于過渡流，少數(shù)為紊流，并隨雨強增大有增大趨勢。原生地面Re絕大部分情況下在34～400之間，小雨強時低于100，僅在大雨強大坡度時超過1 000，因此原生地面流態(tài)基本為緩流。

非硬化路面和原始路面達西阻力系數(shù)、曼寧系數(shù)均隨坡度增大而增大，但非硬化路面達西阻力系數(shù)變化幅度比原生地面小。非硬化路面達西阻力系數(shù)隨雨強變化不明顯，而原生地面隨著雨強的增大先增大后減小。非硬化路面曼寧系數(shù)是原生地面的10.9%～53.5%，雨強較小時，非硬化路面曼寧系數(shù)大于原生地面，隨著雨強的增大而發(fā)生波動，雨強較大時非硬化路面曼寧系數(shù)低于原生地面，即小雨強時與田鳳霞植物路曼寧系數(shù)比土質路大的結論有出入［7］，可能是小雨強時原生地面受植被影響徑流水深比非硬化路面小。

圖2 原生地面（5°，10°，18°）與非硬化路面（3°，6°，9°，12°）水力參數(shù)變化

2.2 非硬化路面產(chǎn)沙分析

2.2.1 產(chǎn)沙量和徑流量關系對比分析 非硬化路面屬于土質路面，是原生地面經(jīng)過人畜和車輛碾壓后形成的。其物理性質與原生地面有較大區(qū)別，路面的產(chǎn)沙量也隨著物理特性的改變而相應發(fā)生改變。產(chǎn)沙量與徑流量關系如圖3所示，非硬化路面產(chǎn)沙量隨徑流增大明顯，坡度和徑流量越大，產(chǎn)沙量也越大，產(chǎn)沙量上升趨勢明顯，產(chǎn)沙量和徑流量關系式為：

式中：M——產(chǎn)沙量；Q——徑流量；a，n——常數(shù)。

原生地面產(chǎn)沙量（M原生）明顯比非硬化路面產(chǎn)沙量M非硬少，最大值不超過5kg，相近坡度不同流量下僅為非硬化路面的0.8%～14%，產(chǎn)沙量隨徑流的變化關系同樣可用冪函數(shù)進行模擬，決定系數(shù)在0.94以上，但參數(shù)a比非硬化路面低3個數(shù)量級。

圖3 原生地面與非硬化路面產(chǎn)沙量與徑流量關系

2.2.2 侵蝕模數(shù)與平均剪切力關系對比分析 侵蝕模數(shù)是侵蝕過程單位面積上土壤流失量。分析可知，非硬化路面侵蝕模數(shù)與剪切力之間關系不明顯，各點離散度較大，坐標軸上呈“扇形”較均勻分布，而原生地面分布比較集中，呈“箭”形狀分布，多數(shù)點集中箭頭部分，即剪切力0～10N／m2，產(chǎn)沙量0～1.5kg范圍內，對兩下墊面分別用指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)進行擬合：

非硬化路面擬合式?jīng)Q定系數(shù)R2僅為0.362，而原生地面二次函數(shù)的決定系數(shù)達0.849。由公式（9）—（10）可知，兩者發(fā)生侵蝕的臨界剪切力不同，原生地面的臨界剪切力為1.1N／m2，而非硬化路面結果與實際不符，非硬化路面擬合公式不符合該地面特征。（1）在坡度較大時，非硬化路面水流隨雨強增大，水流以滾動方式流動，水流對地表作用力不均勻，地表易形成跌坑，跌坑形成后對地面的作用力不僅有切應力，還有跌水重力作用，增大了地表產(chǎn)沙量，從而導致擬合結果出現(xiàn)偏差；（2）剪切力采用的是平均剪切力，而非瞬時剪切力。因此原生地面侵蝕模數(shù)與剪切力關系密切，非硬化路面受其它因素影響關系較復雜。

2.2.3 侵蝕模數(shù)與平均水流功率關系對比分析 分析可知，非硬化路面和原生地面水流侵蝕模數(shù)隨水流功率增大而增大，非硬化路面可用二次函數(shù)描述，原生地面可用對數(shù)函數(shù)描述：

從公式（11）—（12）可知，非硬化路面發(fā)生侵蝕時不存在臨界功率，而原生地面臨界值為0.031N／（m·s），結果似乎與部分放水沖刷試驗結論相悖［13］，但從試驗過程分析，結論并不矛盾，在非硬化路面上，降雨與沖刷不同，在徑流形成之前就會對地表形成擊濺侵蝕，在徑流形成后，在剪切力未達到臨界剪切力之前徑流不會引起新的侵蝕，那么此時就只對擊濺侵蝕土壤進行搬運，就造成了未達到臨界侵蝕力就造成侵蝕的假象，而原生地面有植被保護，雨滴直接作用不大，主要以形成的徑流侵蝕為主。

2.2.4 侵蝕模數(shù)與動能關系對比分析 坡面侵蝕量大小還與能量有關，坡面侵蝕的過程其實是能量變化過程，而含沙水流的動能大小直接反映水流對侵蝕面的剝蝕能力大小。通過將侵蝕模數(shù)與坡面過程總動能建立關系，有助于對侵蝕量進行模擬和預測。動能采用動能定理公式獲取，即：

式中：Q——坡面全過程徑流總量（m3）；V——平均流速（m／s）；E——總動能（J）。

分析可知，非硬化路面和原生地面侵蝕模數(shù)隨動能增大而增大，非硬化路面侵蝕總動能明顯大于原生地面，而兩者降雨總動能相同，造成該結果主要原因有：（1）入滲因素。非硬化路面經(jīng)過碾壓，土壤密度大于原生地面，土壤孔隙度低于原生地面，不易形成壤中通路，雨滴降落到地面后不易入滲，主要以坡面徑流形式存在；（2）植被因素。原生地面有植被存在，雨滴在與地面接觸之前首先接觸植被，植被莖葉對雨滴進行攔截，降低了雨滴動能，使最終降落到地面的雨滴能量低于試驗設計總動能。通過二次函數(shù)和線性擬合，非硬化路面和原始路面侵蝕模數(shù)與動能關系分別為表達式（14）—（15）。

通過表達式（14）—（15）分析可知，非硬化路面和原生地面都不存在臨界動能，令E＝0，發(fā)現(xiàn)M原生＝0.272，M非硬＝6.188，即在徑流有初始動能之前就發(fā)生了侵蝕，可以推測是有雨滴直接作用于地面而引起侵蝕，即雨滴擊濺侵蝕，此過程雨滴在降落到地面時具有一定的速度沖量，在與地表作用的瞬間使受打擊的土壤發(fā)生位移。從大小看，M非硬＞M原生，說明雨滴對非硬化地面作用遠大于原生地面，結合上述總動能影響因素推斷，結果符合降雨侵蝕實際過程，雨滴對非硬化路面侵蝕作用約是原生地面的30倍。

有關坡面侵蝕量定量描述方面，多數(shù)學者主要從力和功能兩個方向對徑流剪切力、功率和動能進行了探討，具體哪種方式對坡面侵蝕描述結論不一，本研究探討了侵蝕模數(shù)對徑流平均水流剪切力、平均水流功率和總動能響應關系，認為徑流從能量角度描述坡面侵蝕較好，即動能可以較好描述侵蝕模數(shù)與水動力參數(shù)的關系（徑流動能＞平均水流功率＞平均水流剪切力），結果與劉俊娥［14］坡面片流降雨試驗相似。

3 結論

（1）通過降雨試驗比較了非硬化路面和原生地面的水動力參數(shù)變化，結果表明非硬化路面與原生地面差異較大。由雷諾數(shù)判斷，在試驗條件下，非硬化路面流態(tài)主要為過渡流，而原生地面主要為層流，但都表現(xiàn)為緩流。非硬化路面水流流速、剪切力、佛汝德數(shù)、雷諾數(shù)和功率均大于原生地面，曼寧系數(shù)、達西阻力系數(shù)小于原生地面。

（2）非硬化路面產(chǎn)沙量隨徑流量增大，而原生地面受地面植被對降雨的影響，產(chǎn)沙量隨徑流量變化緩慢，產(chǎn)沙量僅為非硬化路面的0.8%～14%，因此，減少對原生地面的干擾可以減少水土流失。

（3）非硬化路面侵蝕模數(shù)與水動力參數(shù)響應關系與原生地面不一致。非硬化路面坡面侵蝕模數(shù)與平均剪切力、平均水流功率相關性不大，而原生地面與平均剪切力相關性明顯，與平均水流功率不明顯。但總體而言，非硬化路面侵蝕模數(shù)隨動能響應明顯，決定系數(shù)較剪切力和水流功率高，能很好地描述降雨侵蝕過程，即非硬化路面侵蝕模數(shù)對水動力參數(shù)響應的強弱關系為：徑流動能＞平均水流功率＞平均水流剪切力。

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