康宏亮，王文龍,2※，薛智德，郭明明，李建明，白　蕓，鄧?yán)麖?qiáng)，李艷富，李垚林（.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 200；　2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 200；　.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 200；　.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 000；.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，榆林 9000；　.山東省水利科學(xué)研究院水土保持與生態(tài)研究所，濟(jì)南 200；　.南京水利水電科學(xué)院，南京 20029；　.黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站，慶陽 000）

?

北方風(fēng)沙區(qū)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?yán)麖?qiáng)6，李艷富7，李垚林8
（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；4.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；5.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，榆林 719000；6.山東省水利科學(xué)研究院水土保持與生態(tài)研究所，濟(jì)南 250013；7.南京水利水電科學(xué)院，南京 210029；8.黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)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(guī)律的影響，采用室內(nèi)人工模擬試驗，以土質(zhì)堆積體（礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0）為對照，研究了10%、20%和30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體邊坡在模擬降雨條件下的徑流水力特征、產(chǎn)沙過程及侵蝕動力機(jī)制。結(jié)果表明：1）產(chǎn)流0～6 min，礫石促進(jìn)堆積體坡面細(xì)溝間徑流流動；產(chǎn)流12～30 min后，礫石阻礙堆積體坡面細(xì)溝徑流流動；2）含礫石堆積體坡面粗糙度增大，水流流態(tài)變緩，水流速度降低，且均以層流為主。較土質(zhì)堆積體而言，30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面阻力系數(shù)增大88.8%～288.4%，弗汝德數(shù)降低28.9%～41.8%，水流速度降低0～45.8%；3）徑流含沙量隨產(chǎn)流歷時經(jīng)歷快速降低-平穩(wěn)過渡-波動上升3個階段，土質(zhì)及10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體高含沙水流現(xiàn)象頻發(fā)，且隨雨強(qiáng)增大，重力坍塌次數(shù)增加，重力侵蝕程度增強(qiáng)。20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體發(fā)生高含沙水流的幾率約為0。相對土壤流失比與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系；4）土壤剝蝕率與各侵蝕動力參數(shù)均可用簡單線性函數(shù)關(guān)系描述，單位徑流功率是描述風(fēng)沙區(qū)土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體侵蝕產(chǎn)沙的最優(yōu)因子，徑流功率是刻畫20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體土壤侵蝕參數(shù)更為合理的因子。結(jié)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(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水動力學(xué)；徑流；侵蝕；工程堆積體；風(fēng)沙區(qū)；礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)；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?yán)麖?qiáng)，李艷富，李垚林. 北方風(fēng)沙區(qū)礫石對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(zhì)組成復(fù)雜，粒徑變化幅度大，?；旌嫌幸欢ê康牡[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(guī)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(xué)性質(zhì)[2]、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及侵蝕預(yù)測模型建立等方面。

礫石對不同土壤類型堆積體產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響存在差異。史東梅等[3]研究發(fā)現(xiàn)，偏土質(zhì)（土石比8:2）黃沙壤堆積體邊坡產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均高于土石質(zhì)（土石比6:4）、偏土質(zhì)紫色土堆積體產(chǎn)流量隨土石比變化不明顯，產(chǎn)沙量較土石質(zhì)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(jìn)邊坡侵蝕導(dǎo)致產(chǎn)沙量增大；李建明等[5]研究了塿土堆積體認(rèn)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(fā)現(xiàn)產(chǎn)流量與石礫含量相關(guān)關(guān)系不顯著，純土堆積體產(chǎn)沙量卻明顯高于其他土石比堆置體。近幾年，陜北風(fēng)沙區(qū)煤礦、天然氣等資源開采產(chǎn)生了大量工程堆積體，在該區(qū)土體本身易于侵蝕的基礎(chǔ)上，又造成了嚴(yán)重的人為擾動，一但遭遇暴雨等極端降雨天氣，將產(chǎn)生極為嚴(yán)重的水土流失。因此，對風(fēng)沙區(qū)含礫石工程堆積體產(chǎn)流產(chǎn)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(yù)測模型的建立上，部分學(xué)者以通用土壤流失方程（universal soil loss equation）為模板，在建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ头矫嫒〉靡欢ㄟM(jìn)展[7-8]，也有學(xué)者建立了堆積體土壤剝蝕率與水力學(xué)參數(shù)的關(guān)系式，并提出了具有一定物理意義的臨界水力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型[9-11]。黃鵬飛等[7]建立了黃土區(qū)工程堆積體地形坡度因子的冪函數(shù)和三角函數(shù)關(guān)系式，并表明坡度因子與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。李宏偉等[8]測算出不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下黃土質(zhì)塿土堆積體的可蝕性K值，并得出，隨著礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，土石混合土質(zhì)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(xué)參數(shù)特征及動力侵蝕機(jī)制，均認(rèn)為水流功率是描述堆積體侵蝕動力過程最好的水力學(xué)參數(shù)。李永紅等[11]研究砂壤質(zhì)堆積體（土石比＞9:1）發(fā)現(xiàn)，采用徑流功率刻畫工程堆積體土壤侵蝕參數(shù)較徑流剪切力更合理。以往研究很少反映出礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對工程堆積體水動力特征的作用，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對工程堆積體侵蝕動力機(jī)制的影響也不明確，且缺乏具體的數(shù)據(jù)支撐。不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對工程堆積體坡面徑流水力學(xué)參數(shù)影響的研究還需進(jìn)一步加深。

綜上，在室內(nèi)模擬降雨條件下，研究了風(fēng)沙區(qū)含礫石工程堆積體邊坡徑流產(chǎn)沙過程，觀測和分析不同降雨強(qiáng)度下不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體邊坡徑流水力參數(shù)特征、侵蝕產(chǎn)沙特征及侵蝕動力機(jī)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(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

北方風(fēng)沙區(qū)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(nèi)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(qū)），東西長420 km，南北寬12～120 km，總面積為2.44萬km2。土壤以風(fēng)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(qū)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(qū)，因此成為中國最重要能源基地之一。礦產(chǎn)資源的開采，使得該區(qū)產(chǎn)生了大量棄土棄渣體，水土流失極為嚴(yán)重，往往造成該區(qū)局部地區(qū)河流泥沙含量突增，高含沙水流現(xiàn)象普遍存在。

1.2試驗設(shè)計

試驗土樣取自陜西靖邊喬溝灣鄉(xiāng)（108°54′53″E，37°26′08″N），屬壤質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)械碎石分選獲取，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(zhì)量比3:5:2進(jìn)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(zhì)，分析不同坡位的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)，各坡位礫石質(zhì)量含量差異不顯著（P＞0.05），且堆積體坡面平均礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%的樣本占樣本總數(shù)的90%以上，故將礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)（W）設(shè)計為0、10%、20%、30%。每次試驗前，按不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將試驗用礫石材料與試驗土樣均勻混合，作為室內(nèi)模擬不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體的邊坡材料。

試驗采用移動式可調(diào)坡鋼制土槽，尺寸為5 m×1 m×0.6 m（長×寬×高），根據(jù)工程堆積體土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗小區(qū)建設(shè)要求[7-8]選擇坡度為25°。小區(qū)布設(shè)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(shè)紗布。用傳送帶向土槽內(nèi)運裝均勻混合后的土石體?？刂乒┰囃寥蕾|(zhì)量含水量在10%左右，設(shè)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(jù)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(zhì)量含量，g/g；ρb為細(xì)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(shè)簡圖Fig.1　Layout of simulated rainfall experiment

降雨強(qiáng)度根據(jù)研究區(qū)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(qiáng)度，進(jìn)一步取整，最終設(shè)計為1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min。試驗根據(jù)研究區(qū)暴雨歷時短的特點設(shè)計總產(chǎn)流時間為45 min。試驗整體設(shè)計見表1，試驗場次共計16場。

表1　試驗設(shè)計Table 1　Experiment design

1.3試驗過程與指標(biāo)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(jìn)行，采用下噴式降雨系統(tǒng)，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(jìn)行雨強(qiáng)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(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)誤差不大于10%，率定結(jié)果與設(shè)計雨強(qiáng)誤差不超過5%，以保證降雨的均勻性與準(zhǔn)確性。雨強(qiáng)率定完畢，揭開遮雨布，當(dāng)坡面產(chǎn)生的徑流到達(dá)集流槽時，產(chǎn)流開始，并從0開始計時。

在坡面開始產(chǎn)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(nèi)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(zhì)量。將所接徑流泥沙樣在105℃烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干并用精度為0.01 g電子稱稱取泥沙質(zhì)量。

在試驗土槽上分別距離坡頂0.25～2.25、2.75～4.75 m處設(shè)置2個坡段。坡面開始產(chǎn)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?dāng)嗝鎸挾取y量過程為前3 min內(nèi)每1 min測量1次，3 min后每隔3 min測量1次。

1.4數(shù)據(jù)處理

1）徑流深（h）：測量時段內(nèi)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(nèi)徑流量，m3；V為坡面水流流速，為觀測時段內(nèi)2個坡段所測流速的平均值并乘以流速修正系數(shù)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?dāng)嗝鎸挾?，為測量時段內(nèi)的2個坡段的平均過水?dāng)嗝鎸挾?，m。

2）徑流強(qiáng)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(qiáng)度，mm/min；Q為徑流率，m3/min；A為土表面積，m2。

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

式中R為水力半徑，m；υ為水流黏滯性系數(shù)，m2/s，是水流溫度的函數(shù)。

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

式中g(shù)為重力加速度，9.8 m/s2。

5）Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（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(shù)。

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?dāng)嗝鎲挝荒埽‥）：以過水?dāng)嗝孀畹忘c做基準(zhǔn)面的單位水重的動能與勢能之和，計算式為

式中E為過水?dāng)嗝鎲挝荒?，m；a為校正系數(shù)，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(zhì)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(nèi)的產(chǎn)沙量，g；L為坡長，L=5 m。

使用SPSS18.0對試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用 Origin8.5進(jìn)行圖表制作。

2　結(jié)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(chǎn)流歷時變化過程

不同處理坡面流速隨產(chǎn)流歷時變化過程如圖2所示。雨強(qiáng)為1.0 mm/min時，各礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下流速與產(chǎn)流時間均呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（R2=0.902～0.956，P＜0.01）。1.5～2.5 mm/min雨強(qiáng)時，土質(zhì)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(shù)0.339～0.389；含礫石堆積體坡面流速整體上在產(chǎn)流0～6 min內(nèi)快速增大，之后或緩慢增加或保持穩(wěn)定或逐漸下降，坡面流速變化范圍0.065～0.197 m/s，變異系數(shù)0.044～0.240。土石質(zhì)堆積體坡面流速變化范圍及變異系數(shù)較土質(zhì)堆積體均明顯降低。

由圖可知，不同產(chǎn)流時段內(nèi)土質(zhì)堆積體與含礫石堆積體坡面流速的大小關(guān)系存在明顯差異，產(chǎn)流0～6 min，細(xì)溝發(fā)育初期，坡面水流以細(xì)溝間徑流為主，含礫石堆積體坡面流流速較土質(zhì)堆積體大，30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面流速較土質(zhì)堆積體增幅最高可達(dá)52.8%；各雨強(qiáng)條件下坡面分別在產(chǎn)流30、27、24、12 min后，細(xì)溝發(fā)育程度較大，坡面水流以細(xì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體增幅最高可達(dá)408.5%。這說明在產(chǎn)流過程中，隨著土壤侵蝕的發(fā)生，礫石對坡面流速的作用機(jī)制發(fā)生顯著變化。

圖2　不同雨強(qiáng)條件下各礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)見表2。徑流水力參數(shù)與雨強(qiáng)、礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其交互項相關(guān)分析結(jié)果見表3。

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

表3　徑流水力參數(shù)與雨強(qiáng)、礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其交互項相關(guān)性分析結(jié)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(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增大先減小后增大，其中，各雨強(qiáng)下徑流強(qiáng)度從小到大排列所對應(yīng)的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為10%、0、20%、30%，說明礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對徑流強(qiáng)度的影響存在一個閾值。徑流深在1.0～2.0 mm/min雨強(qiáng)下從小到大所對應(yīng)的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、0、20%、30%，而在2.5 mm/min雨強(qiáng)下，由小到大所對應(yīng)的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guān)。相關(guān)性分析（表3）表明雨強(qiáng)對流深、徑流強(qiáng)度的作用強(qiáng)于礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

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

3）對流態(tài)來說，試驗條件下，土質(zhì)堆積體坡面雷諾數(shù)變化范圍36.6～657.1，其中，土質(zhì)堆積體在2.5 mm/min雨強(qiáng)下坡面水流以紊流為主，含礫石堆積體坡面雷諾數(shù)變化范圍38.3～293.6，徑流均以層流為主。弗汝德數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大顯著減小，其中，30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面徑流弗汝德數(shù)較土質(zhì)堆積體降低28.9%～41.8%。土質(zhì)堆積體和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面流弗汝德數(shù)變化范圍為1.06～1.41，以急流為主，而20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面弗汝德數(shù)變化范圍0.72～1.18，以緩流為主。相關(guān)性分析（表3）表明，雨強(qiáng)對雷諾數(shù)的影響較礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其的影響更大，而礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對弗汝德數(shù)的影響較雨強(qiáng)而言更顯著，后者說明，試驗條件下，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)沙特征

2.2.1徑流含沙量隨產(chǎn)流時間變化過程

不同處理徑流含沙量隨產(chǎn)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(qiáng)條件下各礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面徑流含沙量隨產(chǎn)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(zhì)堆積體在1.5、2.0和2.5 mm/min雨強(qiáng)下在產(chǎn)流21～27 min后坡面流均為高含沙水流；10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體在2.0、2.5 mm/min雨強(qiáng)下在產(chǎn)流21～24 min后也出現(xiàn)高含沙水流現(xiàn)象，并持續(xù)這一現(xiàn)象至坡面產(chǎn)流結(jié)束；20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體在各雨強(qiáng)下出現(xiàn)高含沙水流現(xiàn)象的幾率幾乎為0?？梢?，0、10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體是高含沙水流現(xiàn)象的易發(fā)區(qū)，尤其是在較大雨強(qiáng)時，高含沙水流出現(xiàn)的幾率更高。而礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，可以有效抑制降雨導(dǎo)致的工程堆積體高含沙水流的產(chǎn)生。另外，2.0、2.5 mm/min雨強(qiáng)下，部分處理在產(chǎn)流起始時刻也存在高含沙水流現(xiàn)象，這主要是堆積體坡面松散物質(zhì)含量高，而徑流率較小的緣故。產(chǎn)流初期和產(chǎn)流過程中高含沙水流現(xiàn)象充分體現(xiàn)了堆積體坡面發(fā)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(jīng)歷了快速減小，平穩(wěn)過渡與波動上升3個階段。1.0 mm/min雨強(qiáng)時，土質(zhì)堆積體坡面侵蝕過程中由于發(fā)生土壤結(jié)皮作用，侵蝕形態(tài)以面蝕為主，徑流含沙量變化過程明顯區(qū)別于其他試驗處理；含礫石堆積體在產(chǎn)流18 min后，含沙量開始緩慢增大，且均高于土質(zhì)堆積體，并在產(chǎn)流36 min之后出現(xiàn)1次波動，最大波動幅度為109.22 g/L。1.5 mm/min雨強(qiáng)時，土質(zhì)堆積體在產(chǎn)流15 min后開始波動增加，波動次數(shù)4次，最大波動幅度為173.75 g/L；含礫石堆積體含沙量在產(chǎn)流6 min后遠(yuǎn)低于土質(zhì)堆積體，在產(chǎn)流30 min后，10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體含沙量曲線波動2次，20%、30%時波動次數(shù)各1次，含礫石堆積體含沙量曲線發(fā)生波動的最大幅度為162.05 g/L。2.0、2.5 mm/min雨強(qiáng)下，土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體在產(chǎn)流9 min后均開始波動增加，波動次數(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體含沙量緩慢增加，產(chǎn)流9 min后同一時刻，其含沙量明顯低于土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體，且波動性明顯減弱，波動次數(shù)1～3次，最大波幅243.7 g/L。波動次數(shù)可以反映出重力侵蝕發(fā)生的頻率，波動幅度反映出重力侵蝕發(fā)生的程度?？梢?，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，雨強(qiáng)越大，重力侵蝕發(fā)生頻率越高，程度越大。

徑流含沙量的變化與侵蝕過程中細(xì)溝的發(fā)育密切相關(guān)，含沙量曲線的波動特征與重力坍塌作用聯(lián)系緊密。不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體在不同雨強(qiáng)條件下細(xì)溝發(fā)育及重力侵蝕現(xiàn)象差異顯著。1）低礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0、10%）下，1.0、1.5 mm/min雨強(qiáng)時，坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生，細(xì)溝條數(shù)最終可達(dá)4～7條，溝型以短（＜50 cm）、窄（＜5 cm）、淺（＜3 cm）為主，盡管土質(zhì)堆積體坡面發(fā)生重力侵蝕次數(shù)較多，但是因為細(xì)溝較淺，重力侵蝕發(fā)生程度較小，因此含沙量波幅較??；而10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體細(xì)溝較土質(zhì)堆積體更淺，重力侵蝕發(fā)生幾率降低。2.0～ 2.5 mm/min雨強(qiáng)時，坡面細(xì)溝條數(shù)2～4條，細(xì)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(xiàn)象明顯，從而導(dǎo)致含沙量的持續(xù)大幅波動增長，并出現(xiàn)高含沙水流現(xiàn)象。2）高礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)（20%、30%）下，礫石覆蓋作用抑制細(xì)溝下切，溝型以寬而淺為主，對于這種細(xì)溝，重力侵蝕發(fā)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(chǎn)沙特征

不同處理次降雨產(chǎn)沙量、徑流含沙量及剝蝕率見表4。

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

1）試驗條件下，1.0 mm/min雨強(qiáng)、土質(zhì)堆積體產(chǎn)沙量最小，侵蝕形態(tài)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(qiáng)、土質(zhì)堆積體產(chǎn)沙量最大，徑流含沙量為572.70 g/L，剝蝕率高達(dá)16.37 g/(m2·s)，分別是1.0 mm/min雨強(qiáng)下土質(zhì)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(fā)生細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝充分發(fā)育兩種情況下侵蝕產(chǎn)沙的顯著差異性。雨強(qiáng)較大時，往往使堆積體產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，并導(dǎo)致局部地區(qū)河流泥沙含量劇增。2）不同雨強(qiáng)下，礫石對次降雨產(chǎn)沙的影響存在差異。1.0 mm/min雨強(qiáng)時，10%～30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)土體徑流含沙量、剝蝕率較土質(zhì)堆積體分別增大73.64%～190.56%、405.8%～788.3%；1.5 mm/min雨強(qiáng)時，含礫石土體徑流含沙量、剝蝕率均較土質(zhì)堆積體低，降幅分別為52.11%～61.63%、45.06%～63.86%。雨強(qiáng)為2.0、2.5 mm/min時，隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，徑流含沙量、剝蝕率持續(xù)降低，其中，30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體徑流含沙量和剝蝕率較土質(zhì)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(qiáng)下，較土質(zhì)堆積體而言，剝蝕率降幅與含沙量降幅基本相當(dāng)。3）坡面發(fā)生高含沙水流現(xiàn)象時（含沙量＞400 g/L時），對應(yīng)的土壤剝蝕率變化范圍為7.84～16.37 g/(m2·s)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)含沙量與剝蝕率之間呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系。

如不考慮雨強(qiáng)的影響，計算各礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體在不同降雨強(qiáng)度下的平均產(chǎn)沙量，其隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化過程如圖4所示，隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，次降雨產(chǎn)沙量逐漸減小?；貧w分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)沙量和礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈極顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系。為了便于與前人研究[15]作對比，用含礫石堆積體產(chǎn)沙量除以土質(zhì)堆積體產(chǎn)沙量，計算各礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的相對土壤侵蝕比（Mr，土質(zhì)堆積體Mr=1）。回歸分析得到相對土壤侵蝕比與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系為

相對土壤侵蝕比與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈極顯著負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且當(dāng)?shù)[石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)沙量隨礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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?dāng)嗝鎲挝荒埽‥）均極顯著相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)r大小表現(xiàn)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(fēng)沙區(qū)含礫石工程堆積體侵蝕動力機(jī)制的最優(yōu)因子，回歸分析得到式（13）。風(fēng)沙區(qū)堆積體剝蝕率可通過單位徑流功率的簡單線性函數(shù)表達(dá)，且發(fā)生細(xì)溝侵蝕的臨界單位徑流功率為3.54×10-2m/s，對應(yīng)的土壤可蝕性參數(shù)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(shù)。點繪試驗條件下土壤剝蝕率與各侵蝕動力參數(shù)的關(guān)系圖，分析發(fā)現(xiàn)，就同一侵蝕動力參數(shù)值所對應(yīng)的土壤剝蝕率而言，土質(zhì)、10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體均明顯高于20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體，而土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體差異不大，20%和30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體差異也不明顯，因此分別繪制了土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體、20%和30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體剝蝕率隨侵蝕動力參數(shù)的變化曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到20%，剝蝕率與侵蝕動力參數(shù)線性關(guān)系中的斜率與截距發(fā)生了明顯改變。由各線性關(guān)系式可知，0、10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體和20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體發(fā)生細(xì)溝侵蝕的坡面臨界剪切力分別為0.92和3.79 Pa，相應(yīng)土壤可蝕性參數(shù)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(yīng)的土壤可蝕性參數(shù)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(yīng)的土壤可蝕性參數(shù)247.64和163.75 g/m3、臨界過水?dāng)嗝鎲挝荒?.1×10-4和1.1×10-3m，對應(yīng)的土壤可蝕性參數(shù)3518.39和2465.31 g/(m3·s)。20% 和30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體發(fā)生細(xì)溝侵蝕的各臨界侵蝕水力參數(shù)分別較土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)分別減小了37.40%、36.81%、33.87%、29.93%?？梢姡[石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、30%時，坡面侵蝕動力機(jī)制雖然沒有發(fā)生變化，但是侵蝕臨界動力參數(shù)增大，土壤可蝕性參數(shù)降低，土體抵抗徑流沖刷的能力增強(qiáng)。根據(jù)不同礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)下工程堆積體剝蝕率與各侵蝕動力參數(shù)關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)大小可知，單位徑流功率是刻畫土質(zhì)及10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體侵蝕產(chǎn)沙的最優(yōu)因子，而徑流功率是描述20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體侵蝕產(chǎn)沙動力機(jī)制的最合理因子。

圖5　土壤剝蝕率與侵蝕動力參數(shù)的關(guān)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(xué)參數(shù)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(zhì)，使得土體入滲能力發(fā)生變化[16]，從而決定了坡面產(chǎn)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(tài)的重塑[18]。在坡面未產(chǎn)生細(xì)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(jìn)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(zhì)坡面更大；而隨侵蝕的發(fā)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(dāng)坡面產(chǎn)生細(xì)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(jié)果與王小燕等[19]的研究相似。徑流強(qiáng)度主要取決于坡面入滲特征，試驗條件下，徑流強(qiáng)度由大到小所對應(yīng)的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、20%、0、10%，這與朱元駿等[20]的研究結(jié)果相似。徑流深不僅受徑流強(qiáng)度的影響，還受坡面地貌形態(tài)特征的影響。含礫石坡面受徑流沖刷易形成寬而淺的細(xì)溝[18]，與土質(zhì)坡面在大雨強(qiáng)條件下形成的細(xì)而深的侵蝕溝相比，盡管具有較大的徑流強(qiáng)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(shù)主要集中在0～700，無論是在室內(nèi)模擬降雨[21]還是放水（24°、40 L/min）條件[11]下，均得到相似結(jié)果。土質(zhì)、10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面主要以急流為主，但弗汝德數(shù)遠(yuǎn)小于李永紅等[11]的研究成果，這與試驗坡長密切相關(guān)，坡長越長，水流匯集程度越高，流動越急。而礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～30%時，水流主要以緩流為主，這是因為礫石阻礙徑流前進(jìn)，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(jié)果一致。

礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對坡面侵蝕產(chǎn)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(fā)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(zhì)及性狀，影響水文過程從而間接地作用于土壤侵蝕。相關(guān)研究表明，對于坡耕地或自然坡面而言，不同侵蝕形態(tài)下礫石對產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)時，礫石存在首先破壞了土表結(jié)構(gòu)，降低土壤顆粒粘結(jié)程度，坡面結(jié)皮強(qiáng)度較土質(zhì)堆積體大幅降低，大大增加了坡面侵蝕的可能性，從而導(dǎo)致產(chǎn)沙增多。當(dāng)雨強(qiáng)≥1.5 mm/min時，坡面主要以細(xì)溝侵蝕為主，細(xì)溝內(nèi)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(chǎn)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(dǎo)致侵蝕物質(zhì)來源較土質(zhì)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(hù)下層土體不被侵蝕。細(xì)溝侵蝕是自然界中最為常見的侵蝕形式，隨著降雨侵蝕進(jìn)行，細(xì)溝不斷發(fā)育，含礫石堆積體坡面礫石覆蓋度逐漸增大，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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?dāng)嗝鎲挝荒芫捎煤唵尉€性函數(shù)關(guān)系描述，這與相關(guān)研究[9-11]均相似，但是在描述含礫石工程堆積體侵蝕產(chǎn)沙動力機(jī)制最優(yōu)水力因子選擇方面存在一定差異。試驗條件下，相對于土質(zhì)、10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體而言，徑流功率更適合于描述土石質(zhì)堆積體侵蝕產(chǎn)沙過程。而單位徑流功率才是描述土質(zhì)、10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體侵蝕產(chǎn)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(shù)，在礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)烈，導(dǎo)致產(chǎn)沙增大；而礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，礫石阻礙徑流流動的作用增強(qiáng)，且即使流速增大，但由于礫石裸露保護(hù)下層土體，產(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體侵蝕產(chǎn)沙過程存在一定的風(fēng)險。需要說明的是，試驗條件下坡面以細(xì)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(jié)果與相關(guān)研究中礫石導(dǎo)致紅壤堆積體可蝕性參數(shù)及臨界單位徑流功率增大幾十倍的結(jié)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(tài)下，對坡面侵蝕臨界條件及土壤可蝕性參數(shù)影響的顯著差異性。

4　結(jié)　論

1）土質(zhì)堆積體次降雨過程流速變化范圍及變異系數(shù)較10%、20%和30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體均增大。不同產(chǎn)流時段礫石對流速的影響機(jī)制存在差異，產(chǎn)流0～6 min，礫石促進(jìn)堆積體坡面細(xì)溝間徑流流動；產(chǎn)流12～30 min后，礫石阻礙堆積體坡面細(xì)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(tài)變緩，水流速度降低，且均以層流為主。較土質(zhì)堆積體而言，30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體坡面阻力系數(shù)增大88.8%～288.4%，弗汝德數(shù)降低28.9%～41.8%，水流速度降低0～45.8%。

3）徑流含沙量隨產(chǎn)流歷時經(jīng)歷快速降低-平穩(wěn)過渡-波動上升3個階段，土質(zhì)及10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體高含沙水流現(xiàn)象頻發(fā)，且隨雨強(qiáng)增大，重力坍塌次數(shù)增加，重力侵蝕程度增強(qiáng)。20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體發(fā)生高含沙水流的幾率約為0。相對土壤流失比與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4）土壤剝蝕率與各侵蝕動力參數(shù)均可用簡單線性函數(shù)關(guān)系描述，單位徑流功率是描述風(fēng)沙區(qū)土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體侵蝕產(chǎn)沙的最優(yōu)因子，徑流功率是刻畫20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體土壤侵蝕參數(shù)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(nóng)林科技大學(xué)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(dǎo)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(xué)基金項目（40771127）；水利部公益性行業(yè)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(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0125-10

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.018