李　葉，吳玉柏，，俞雙恩，金　秋，黃明逸（.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京　0098；.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京　007）

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坡度對擾動黃棕壤土壤侵蝕的影響

李葉1，吳玉柏1，2，俞雙恩1，金秋2，黃明逸1
（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京210017）

摘要：通過人工模擬降雨試驗(yàn)，研究坡度對擾動黃棕壤的土壤侵蝕規(guī)律。結(jié)果表明：在坡度20°以內(nèi)，隨著坡度的增大，入滲量逐漸減少，徑流量逐漸增大；坡度在20°～26.5°范圍時，入滲量和徑流量趨于平穩(wěn)。土壤侵蝕量與徑流量基本同步，在一定坡度內(nèi)隨著坡度的增大，侵蝕量增大；當(dāng)降雨強(qiáng)度為40 mm/h和60 mm/h時，供試土壤侵蝕的臨界坡度在20°～26.5°之間；當(dāng)降雨強(qiáng)度增加至80mm/h時，臨界坡度大于26.5°。在試驗(yàn)坡度范圍內(nèi)，徑流量、侵蝕量與降雨量均存在顯著的線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：模擬降雨；擾動條件；黃棕壤；臨界坡度；土壤侵蝕

隨著我國城市化的發(fā)展，大量的建設(shè)項(xiàng)目在施工建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行過程中占壓、擾動和破壞了土地及植被，造成嚴(yán)重的土壤侵蝕，致使土壤侵蝕防治形勢日益嚴(yán)峻。通常來說，土壤侵蝕是社會經(jīng)濟(jì)因素和自然因素共同作用的結(jié)果。社會經(jīng)濟(jì)因素主要是人們?yōu)樽非罄娴淖畲蠡?，不合理地利用土地、破壞植被；而影響土壤侵蝕的自然因素有氣候、土壤、地形、地質(zhì)、植被等［1-2］。眾多因素中，坡度是對土壤侵蝕量影響最大的指標(biāo)［3］，國內(nèi)外對坡度與徑流和土壤侵蝕的關(guān)系進(jìn)行了大量研究［4-9］。然而，目前國內(nèi)針對建設(shè)項(xiàng)目擾動土侵蝕規(guī)律的研究不多。擾動土的堆積方式與自然坡面不同，可以人為調(diào)控，從而降低其侵蝕強(qiáng)度，達(dá)到有效減少土壤侵蝕的目的。因此，研究人工堆土的侵蝕規(guī)律，特別是坡度對降雨侵蝕的影響，對指導(dǎo)施工過程中堆土方式及進(jìn)行堆土防護(hù)具有重要意義。本文以江蘇省寧鎮(zhèn)丘陵山區(qū)黃棕壤為例，采用人工模擬降雨方法研究不同坡度下的擾動土侵蝕規(guī)律。

1　研究方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在江蘇省水利科學(xué)研究院人工模擬降雨大廳完成，降雨設(shè)備為降雨高度6 m、有效降雨面積30 m2的下噴式人工降雨器，降雨均勻度在85%以上。試驗(yàn)土槽為移動式變坡鋼槽，尺寸為2 m×3 m×0.3 m。鋼槽下部設(shè)有小孔，用來模擬水分下滲。坡度調(diào)節(jié)范圍為0～45°。根據(jù)施工工地堆土的堆放情況，設(shè)計5°、10°、15°、20°、26.5°（1∶2坡度）5個坡度。試驗(yàn)設(shè)計的降雨量為10 mm、20 mm、40 mm、60 mm，降雨強(qiáng)度分別為40mm/h、60mm/h、80mm/h，每個處理重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行計算和分析。

1.2試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)土壤為寧鎮(zhèn)丘陵山區(qū)黃棕壤，取自南京溧水，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%，土壤各粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)：大于0.05mm為36.32%，0.01～0.05 mm為18.66%，0.001～0.01 mm為32.13%，小于0.001 mm為12.89%。為最大限度地模擬工程堆土情況，把試驗(yàn)用的土壤在自然條件下風(fēng)干，去除其中的樹葉、石塊等雜質(zhì)。在鋼槽底部鋪3層細(xì)紗布，然后分層裝土，裝滿后將表面整理平整，每層厚5 cm，總厚度為20 cm，逐層壓實(shí)，尤其注意邊壁處，以減少邊壁效應(yīng)對試驗(yàn)的影響，土壤密度控制在1.35g/cm3。每次試驗(yàn)的前一天下午將鋼槽坡度調(diào)整為10°，提前進(jìn)行人工降雨，基本保證每次試驗(yàn)的下墊面條件一致，減少試驗(yàn)土槽的空間變異性，當(dāng)坡面剛好產(chǎn)流時即停止降雨。每次降雨前在鋼槽出口處放置水桶，以收集徑流產(chǎn)物。

1.3試驗(yàn)過程

降雨開始后，利用水桶采用體積法測定徑流量。從坡面開始產(chǎn)流時每隔2 min采集1次徑流泥沙樣，每次采樣體積為200mL。降雨結(jié)束后，測定總徑流量和每一個徑流泥沙樣的含沙量，然后將徑流產(chǎn)物充分?jǐn)噭?，迅速取? L徑流產(chǎn)物，用烘干法測量總的含沙量，根據(jù)總徑流量計算出總侵蝕量。文中徑流量均為地表徑流，入滲量為降雨量與徑流量之差。

圖1　坡度與入滲量的關(guān)系（降雨量60mm）Fig.1 Relationships between slope and infiltration volume with rainfall of 60mm

圖2　坡度與徑流量的關(guān)系（降雨量60mm）Fig.2 Relationships between slope and runoff with rainfall of 60mm

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1坡度對入滲量和徑流量的影響

為了直觀地表達(dá)坡度對入滲量的影響，并減少土壤外界因素對試驗(yàn)的影響，以60 mm降雨量為研究對象，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出坡度與入滲量之間的關(guān)系（圖1），用于分析坡度對入滲量的影響。從圖1可以看出：降雨量為60 mm時，40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h 這3種雨強(qiáng)條件下，坡度為5°時對應(yīng)的入滲量分別為19.86mm、16.04mm、12.59mm；坡度為10°時，對應(yīng)的入滲量分別為17.46mm、14.45mm、12.03mm；坡度為15°時，對應(yīng)的入滲量分別為9.65mm、7.24mm、4.79mm；坡度為20°時對應(yīng)的入滲量分別為7.18mm、5.54mm、3.96mm；坡度為26.5°時，對應(yīng)的入滲量分別為9.51 mm、8.20 mm、6.73mm。以上結(jié)果表明：在降雨量一定的情況下，當(dāng)坡度小于20°時，入滲量隨坡度的變化趨于一致，呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)坡度大于20°時，入滲量隨坡度變化略有上升，但變化不明顯。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：（a）當(dāng)坡度小于20°時，隨坡度的增加，坡面流速增加，徑流在坡面上的停留時間較短，入滲時間亦短，累計入滲量減少。（b）當(dāng)坡度大于20°時，徑流流速隨坡度增加而增加，但承雨面積隨之減小，二者相互抵消，導(dǎo)致入滲量隨坡度變化不明顯。同時，如圖2所示，當(dāng)坡度小于20°時，坡度增加則徑流量增大，坡度在20°～26.5°范圍時，隨著坡度增大，徑流量略有減少，但變化不明顯。

坡度影響降雨入滲量和地表滯水能力，進(jìn)而影響坡面的徑流量，地表徑流又是侵蝕的主要外營力之一［10-11］。有學(xué)者認(rèn)為坡度對土壤侵蝕的影響是通過影響土壤入滲而實(shí)現(xiàn)的。入滲量隨坡度的增大而減小，坡度越大，土壤入滲量越小，徑流量越大，因而土壤侵蝕量越大［12］。因此，隨著坡度的增大，徑流量增大，入滲量減少，而當(dāng)坡度大于臨界值，徑流量、入滲量變化不明顯，與以往研究結(jié)論一致。

圖3　坡度與土壤侵蝕量的關(guān)系（降雨強(qiáng)度40mm/h）Fig.3 Relationships between slope and soil erosion amount with rainfall intensity of 40mm/h

2.2坡度與土壤侵蝕量的關(guān)系

以降雨強(qiáng)度40mm/h為研究對象，分析坡度與土壤侵蝕量的關(guān)系。由圖3可以看出，在降雨強(qiáng)度為40mm/h時，不同降雨量產(chǎn)生的土壤侵蝕量隨坡度的變化趨勢基本一致，坡度小于20°時土壤侵蝕量均隨坡度的增加而增加；坡度大于20°以后，隨著坡度的增加，侵蝕量反而減小。進(jìn)一步分析，在40 mm/h雨強(qiáng)、40～60mm的較大降雨量下：當(dāng)坡度小于15°時侵蝕量隨坡度增加而緩慢增加；當(dāng)坡度由15°變?yōu)?0°時，侵蝕量會迅速增加。10～20 mm降雨量下，坡度在20°以內(nèi)時，侵蝕量隨坡度增加而緩慢增加。當(dāng)坡度由20°變化到26.5°時，在10～60mm降雨下，侵蝕量沒有增加，反而出現(xiàn)減小的趨勢，4個降雨量對應(yīng)的侵蝕量分別減小19.88g/m2、15.50g/m2、185.64g/m2、142.46g/m2。以上結(jié)果表明，擾動土在40mm/h降雨強(qiáng)度下的坡度界限在20°～26.5°之間。

對坡度和土壤侵蝕量的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果（表1）表明，降雨量為10mm和20mm時侵蝕量與坡度的相關(guān)性不顯著，降雨量為40mm時侵蝕量與坡度的相關(guān)性顯著，當(dāng)降雨量升至60 mm時侵蝕量與坡度的相關(guān)性極顯著。由此可見，隨著降雨量的增加，侵蝕量與坡度的相關(guān)性增大。降雨量較小時產(chǎn)生的徑流量較小，土壤侵蝕量亦較小，外部因素對土壤侵蝕產(chǎn)生較大的影響；當(dāng)降雨量較大時，外部因素對土壤侵蝕的影響則相對較小。

表1　土壤侵蝕量與坡度的回歸分析結(jié)果Table 1 Results of regression analysis for soil erosion amount and slope

圖4　不同降雨強(qiáng)度下坡度與土壤侵蝕量的關(guān)系（降雨量60mm）Fig.4 Relationships between slope and soil erosion amount under different conditions of rainfall intensity with rainfall of 60mm

2.3土壤侵蝕臨界坡度的研究

上述研究表明，擾動土在40 mm/h降雨強(qiáng)度下的臨界坡度在20°～26.5°之間。下面對40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h這3種降雨強(qiáng)度情況臨界坡度的問題進(jìn)行研究。由圖4可以看出，在40 mm/h、60 mm/h降雨強(qiáng)度下：當(dāng)坡度小于20°時，土壤侵蝕量均隨坡度的增加而增加；當(dāng)坡度大于20°時，隨著坡度增加，土壤侵蝕量出現(xiàn)減小趨勢。以上結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度為40 mm/h和60 mm/h時，供試土壤臨界坡度在20°～26.5°之間；當(dāng)降雨強(qiáng)度增加至80 mm/h時，坡度在26.5°以內(nèi)侵蝕量均隨坡度的增加而增加，說明80 mm/h降雨強(qiáng)度下的臨界坡度大于26.5°。

研究表明［13-15］，土壤侵蝕量在某一坡度范圍內(nèi)隨坡度的增加而增加，超過該坡度時侵蝕量反而會隨坡度的增加呈現(xiàn)減小趨勢，這個坡度被稱為臨界坡度。國內(nèi)外給出的坡度界限值波動較大，說明影響坡度與土壤侵蝕關(guān)系的因素十分復(fù)雜，對于不同的土壤質(zhì)地和降雨條件，可能結(jié)果不一。出現(xiàn)坡度增加到一定限度時土壤侵蝕量反而呈下降趨勢這一現(xiàn)象的原因很復(fù)雜，許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究［16-18］。一般而言，坡度越小則徑流在坡面上停滯的時間越長，其滲入土壤的機(jī)會也越多；反之，若坡度較大，徑流還來不及入滲即沿坡面流走，產(chǎn)流量就會很大，產(chǎn)沙量也較大，并且隨著坡度增大，雨滴的濺蝕作用逐漸明顯［16］，土壤顆粒容易向下滾動或移動，因此侵蝕量增加。但是，從承受雨滴擊打的角度分析，坡度越大其承雨面積越小，承接的雨量相應(yīng)減少，并且隨著坡度增大，徑流速度加快，徑流對土壤表面的摩擦作用減小，所造成的土壤流失量也減少［18］。以上因素綜合作用的結(jié)果，可能是導(dǎo)致上述規(guī)律的原因。

2.4不同坡度下降雨量與徑流量、土壤侵蝕量的關(guān)系

以40mm/h降雨強(qiáng)度為例，研究不同坡度下降雨量與徑流量、土壤侵蝕量的關(guān)系。圖5、圖6表明，不同坡度情況下徑流量和土壤侵蝕量皆隨著降雨量的增大而增加，該結(jié)果與以往研究結(jié)論相吻合［13］。

圖5　不同坡度下降雨量與徑流量的關(guān)系Fig.5 Relationships between rainfall and runoff under different conditions of slope

圖6　不同坡度下降雨量與土壤侵蝕量的關(guān)系Fig.6 Relationships between rainfall and soil erosion amount under different conditions of slope

將不同坡度下歷次觀測的土壤侵蝕量與同期降雨量進(jìn)行回歸分析，得到表2。由表2可以看出：坡度為15°時，土壤侵蝕量與降雨量相關(guān)性達(dá)到顯著水平，徑流量與降雨量達(dá)到極顯著相關(guān)水平；其他坡度下侵蝕量、徑流量與降雨量均達(dá)到極顯著相關(guān)水平。從圖6及表2的分析結(jié)果還可以看出，不同坡度產(chǎn)生土壤侵蝕時其降雨量的臨界值不同，即在該試驗(yàn)條件下各坡度的啟動雨強(qiáng)相異。

表2　不同坡度下徑流量、土壤侵蝕量與降雨量的回歸分析結(jié)果Table2 Results of regression analysis for runoff，soil erosion amount，and rainfall under different conditions of slope

3　結(jié)　　語

對于擾動條件下的丘陵山區(qū)黃棕壤，采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，研究不同坡度條件下降雨量與徑流量、土壤侵蝕量之間的關(guān)系，結(jié)果表明：（a）降雨量一定情況下，當(dāng)坡度小于20°時，入滲量隨坡度的增大而減小，徑流量隨著坡度的增大而增大；而坡度大于20°時，入滲量、徑流量趨于穩(wěn)定。（b）在坡度未達(dá)到臨界坡度時，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量增大；當(dāng)超過臨界坡度時，土壤侵蝕量反而呈現(xiàn)減小趨勢。在降雨量大于40mm、坡度小于15°時，土壤侵蝕量隨坡度增加而緩慢增加；坡度大于15°后土壤侵蝕量隨坡度增加而迅速增加，因此擾動土坡面控制在15°以內(nèi)對減少土壤侵蝕十分重要。（c）擾動土在40mm/h、60mm/h降雨強(qiáng)度下的臨界坡度在20°～26.5°之間，在80mm/h降雨強(qiáng)度下的臨界坡度大于26.5°。（d）不同坡度情況下，徑流量、土壤侵蝕量與降雨量均存在顯著的線性關(guān)系。

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Influence of slope on disturbed yellow-brown soil erosion

LI Ye1，WU Yubai1，2，YU Shuangen1，JIN Qiu2，Huang Mingyi1
（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Jiangsu Research Institute of Water Conservation，Nanjing 210017，China）

Abstract：In this study，the influence of the slope on disturbed yellow-brown soil erosion was investigated through a simulated rainfall experiment.The experimental results show that，when the slope is 20°or less，the infiltration volume decreases with the increase of the slope and the runoff increases with the increase of the slope.The infiltration volume and runoff level off when the slope is between 20°and 26.5°.The soil erosion amount is basically synchronous with the runoff and increases with the increase of the slope within a certain range of the slope.When the rainfall intensity is 40mm/h or 60mm/h，the threshold slope of the tested soil erosion is between 20°and 26.5°.The threshold slope is greater than 26.5°when the rainfall intensity increases to 80 mm/h.There are significant linear relationships between the runoff，erosion amount，and rainfall within the range of the test slope.

Key words：simulated rainfall；disturbed condition；yellow-brown soil；threshold slope；soil erosion

通信作者：俞雙恩，教授。seyu@hhu.edu.cn

作者簡介：李葉（1991—），男，江西新余人，碩士研究生，主要從事水土保持、水土資源規(guī)劃研究。E-mail：jxxyliye@163.com

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200801025）；江蘇省水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目（201402）

收稿日期：2015-10-15

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.004

中圖分類號：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-1980（2016）01-0020-05