湯珊珊，高海東，李占斌,2，任宗萍，張 輝，蘇遠逸，支再興

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坡面覆沙后侵蝕泥沙顆粒分選特性

湯珊珊1，高海東1，李占斌1,2※，任宗萍1，張 輝1，蘇遠逸1，支再興1

（1. 西安理工大學西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，西安 710048；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業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100）

侵蝕泥沙顆粒大小的分布在一定程度上影響著侵蝕泥沙的搬運和沉積，了解侵蝕泥沙的分選作用將有助于解釋泥沙的侵蝕和沉積過程。該文以覆沙坡面為研究對象，采用室內模擬降雨的方法，選取坡度12°、雨強1.5 mm/min的黃土坡面上分別覆蓋0.5、1.0、1.5 cm的沙層進行試驗。結果表明：坡面覆沙后，坡面粗顆粒物質大部分在產流開始0～10 min內便被沖刷帶走；侵蝕泥沙顆粒主要以粉粒為主；坡面覆沙后，在細溝間侵蝕階段，徑流優(yōu)先搬運大于0.054 mm的顆粒，在細溝侵蝕階段和細溝侵蝕及細溝間侵蝕的組合階段，徑流搬運的泥沙顆粒以小于0.054 mm的顆粒為主；同時，在產流前期（0～10 min）侵蝕泥沙顆粒主要以大于0.054 mm的顆粒為主；而在產流后期（10 min以后）侵蝕泥沙則主要以小于0.054 mm的顆粒為主。坡面覆沙后，黏粒以團聚體的形式存在，粉粒以單粒的形式存在，而沙粒以細顆粒聚集體的形式存在。該文為進一步研究泥沙沉積后風蝕對水蝕的影響提供數據支撐。

侵蝕；顆粒大??；降雨；覆沙坡面；顆粒分選

0 引 言

坡面侵蝕過程包括雨滴擊濺和徑流沖刷引起的土壤顆粒分離、泥沙輸移和沉積三大過程[1]。侵蝕泥沙顆粒的分布特征在一定程度上可以反映侵蝕過程中泥沙的積蝕性，這將有助于建立土壤侵蝕預報模型[2]。在侵蝕過程中，侵蝕泥沙可以作為養(yǎng)分和污染物的載體，不同粒徑的泥沙顆粒的養(yǎng)分分布是不統一的，顆粒越細則吸附的養(yǎng)分越多[3]。同時，沉積物分選和搬運機制是建立坡面面源污染模型的基礎[4]。

坡面徑流沖刷過程一般分為細溝侵蝕和細溝間侵蝕兩部分[5-6]。侵蝕沉積物主要由原始土壤顆粒（黏粒、粉粒和沙粒）的聚集體和團聚體組成的[7]?？偟脕碚f，細溝間侵蝕主要選擇搬運細顆粒，而細溝侵蝕在其徑流剪切力大于臨界剪切力之后基本不發(fā)生泥沙顆粒的搬運[8-11]。細溝間侵蝕選擇優(yōu)先搬運細顆粒主要是因為其選擇優(yōu)先沉積細顆?；蛘哒f其搬運粗顆粒的挾沙能力不足[12-13]。細溝間侵蝕搬運的沉積物比原狀土和細溝侵蝕搬運的顆粒都粗[14-15]。在整個降雨過程中，侵蝕泥沙顆粒的大小分布是不斷變化的[16]。以往的研究表明，侵蝕泥沙中黏粒和粉粒的富集和剛發(fā)生侵蝕時的原狀土相比較，隨著降雨時間的延長，侵蝕泥沙顆粒變粗，并趨于穩(wěn)定，且其顆粒組成和原狀土相似[17-18]。和Asadi等[3]發(fā)現不同粒徑大小的沉積物質量百分比呈雙峰分布，進而推斷出沉積物呈雙峰分布主要是由于沉積物的懸移、跳躍和滾動所需的搬運動能不同，且在不同粒級下分別占主導優(yōu)勢。侵蝕過程中的沉積物分選仍然有一些矛盾的和解釋不清楚的問題。沉積物大小分布由許多因素共同決定比如降雨特性、植被覆蓋、水流類型（薄層水流和細溝流），土壤屬性、坡度[19-21]。

在對泥沙顆粒分布的影響因素研究方面，眾多學者的關注點多在雨強、坡度、產沙強度、產流強度以及降雨量等[22-27]，并從不同角度探討了徑流泥沙顆粒與侵蝕的關系，但針對粗泥沙顆粒含量高的疏松土壤的顆粒分選特征的研究較少。因此本文以覆沙坡面為研究對象，模擬降雨條件下坡面覆沙對侵蝕泥沙分選特性的影響，以期為揭示侵蝕過程中各因素的性能和相互關系奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在西安理工大學雨洪侵蝕大廳進行，試驗采用側噴式降雨系統，有效降雨高度為4 m。試驗土槽為長13.2 m、寬1 m的可移動式鋼制土槽（圖1）。每場試驗以裸坡作為對照，降雨坡度為12°。每次降雨前進行雨強率定，降雨均勻度達到85%以上，并對整套降雨系統配以穩(wěn)壓器，以確保在整個降雨過程中雨強的穩(wěn)定性。以黃土作為供試土壤，并將其過10 mm篩后分層填入土槽中，表層覆蓋沙物質，其土壤顆粒組成如表1所示。

表1 模擬降雨試驗用土的顆粒組成

土槽填土之前先鋪設5 cm厚的細沙，在沙層上覆蓋一層紗布，確保試驗土層的透水狀況接近供試土壤，然后在沙層上填25 cm厚的試驗用土，然后在土層上分別覆蓋0.5、1.0、1.5 cm的沙。填土過程中為了保證試驗土層容重均勻，按5 cm分層填裝，每次在裝下一層土前將表土打毛，以消除2層土之間的垂直層理，平均容重約控制在1.3 g/cm3，土壤前期含水量約為20%。土槽裝填完成后在土壤表面均勻灑水，24 h后開始降雨。降雨產流后開始計時，記錄時間間隔為1 min，產流歷時30 min。每種處理重復3次即重新裝土進行降雨試驗，并以裸坡（黃土不覆沙坡面）作為對照。

通過對位于內蒙古達拉特旗境內的東柳溝流域不同時期風蝕沉積的沙層厚度以及侵蝕溝長度和坡度進行實地調查，本文從雨強（1.5 mm/min）和覆沙厚度（0.5、1.0、1.5 cm）2個方面進行設計（表2）。

表2 降雨試驗設計方案

注：BS2：裸坡，1.5 mm·min-1；ST1：覆沙厚度0.5 cm，1.5 mm·min-1；ST2：覆沙厚度1.0 cm，1.5 mm·min-1；ST3：覆沙厚度1.5 cm，1.5 mm·min-1。下同。

Note: BS2: Bare Slope, 1.5 mm·min-1; ST1: Depth of sand is 0.5 cm, 1.5 mm·min-1; ST2: Depth of sand is 1.0 cm, 1.5 mm·min-1; ST3: Depth of sand is 1.5 cm, 1.5 mm·min-1. The same below.

1.2 測量指標

每一場降雨均待坡面開始產流后，每1 min用事先率定過體積的錐形瓶和20 L的塑料桶分別收集1次含泥沙水樣和徑流泥沙樣。每一場降雨試驗結束后，測量樣品中的含泥沙水深，利用體積-水深關系式計算徑流量，并將錐形瓶中的泥沙樣沉淀并倒去上層清水，轉移至已事先稱重過的飯盒中，放置于105 ℃的烘箱中烘干，用烘干后的泥沙質量計算含沙量和產沙量，并將烘干后泥沙樣過2 mm篩備用，選用馬爾文2000激光粒度儀對其泥沙顆粒組成進行測定。采用染色劑示蹤法（K2MnO4）測定坡面水流流速，測定時間與采集徑流泥沙樣的時間同步，并結合三維激光掃描儀對降雨前后坡面形態(tài)進行掃描。

1.3 指標計算

坡面徑流侵蝕一般劃分為細溝間侵蝕和細溝侵蝕。為了更好地理解這個過程，將徑流泥沙樣品劃分為10個粒級，每個粒級體積百分比均為10%，依據Asadi等[4]的定義則表示任何體積百分數大于10%的顆粒都會優(yōu)先被搬運。本文則根據試驗觀測數據及現象將產流后0～5 min定義為面蝕和細溝間侵蝕，6～10 min為細溝發(fā)育期，而11～30 min則為細溝侵蝕和細溝間侵蝕的組合。

侵蝕泥沙顆粒大小的分布用平均重量直徑（mean weighted diameter，MWD）表示，計算公式

Marínez-Mena等[27]提出相同粒徑下，泥沙有效顆粒（effective particles）含量和原始顆粒（ultimate particles）含量的比值（）能指示不同粒級泥沙顆粒在被徑流搬運時的狀態(tài)。當等于1時，說明泥沙以單粒的形式被搬運；當不等于1時，表示泥沙以團聚體的形式被搬運。

數據處理采用SPSS18.0進行ANOVA和相關分析，采用Origin8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同降雨時期泥沙顆粒分布規(guī)律

由圖2可知，以0.054 mm的土壤顆粒作為分界，在其前后粒級的顆粒含量出現較明顯的差異（<0.05）。降雨初期（0～5 min），不同覆沙厚度下的侵蝕泥沙中大于0.054 mm的顆粒體積分數侵蝕泥沙總量的47%～70%，而小于0.054 mm的土壤顆粒的體積分數小于53%（圖2a）；細溝發(fā)育期（6～11 min），不同覆沙厚度下的侵蝕泥沙中小于0.054 mm的顆粒體積分數占侵蝕泥沙總量的60%～90%，而大于0.054 mm的土壤顆粒的體積分數小于40%（圖2b）；降雨中后期（11～30 min），不同覆沙厚度下的侵蝕泥沙中小于0.054 mm的顆粒體積分數占侵蝕泥沙總量的85%～95%，而大于0.054 mm的土壤顆粒的體積分數小于15%（圖2c）；進一步分析產流開始0～10 min可以發(fā)現，不同覆沙厚度下的侵蝕泥沙中小于0.054 mm的顆粒體積分數占侵蝕泥沙總量的48%～71%，而大于0.054 mm的土壤顆粒的體積分數則在29%～52%（圖2d）。綜上所述，可以初步說明坡面粗顆粒物質大部分在產流開始0～10 min內便被沖刷帶走，這與作者本人通過分形維數和D50分析徑流泥沙中粗顆粒物質的時間來源基本保持一致[34]。同時從圖中可以看出，在產流后6～10、0～10 min，小于0.054 mm的泥沙顆粒含量均隨著覆沙厚度的增加而減小，而大于0.054 mm的泥沙顆粒含量則隨著覆沙厚度的增加而增大；然后在產流后0～5 min內并沒有表現出相似的規(guī)律，而是小于0.054 mm的泥沙顆粒含量表現為ST2

從不同時間的侵蝕泥沙的MWD（表2）可以看出，不同覆沙厚度下侵蝕泥沙的MWD顯著不同（<0.05）。0～5 min時段，不同覆沙厚度下侵蝕泥沙顆粒的MWD是裸坡的13.8（ST1）、21.22（ST2）、20.39（ST3）倍；6～10 min時段，不同覆沙厚度下侵蝕泥沙顆粒的MWD是裸坡的2.7（ST1）、5.6（ST2）、9.9（ST3）倍；11～30 min時段，不同覆沙厚度下侵蝕泥沙顆粒的MWD是裸坡的1.35（ST1）、3.30（ST2）、3.25（ST3）倍；而0～10 min時段，不同覆沙厚度和裸坡下侵蝕泥沙顆粒的MWD比值分別為7.95（ST1）、13.00（ST2）、14.89（ST3）。方差分析表明，不同采樣時間侵蝕泥沙的MWD差異顯著（<0.05），泥沙顆粒隨著細溝的發(fā)展逐漸變細，在細溝發(fā)育期（6～10 min）和細溝侵蝕與細溝間侵蝕交替期（11～30 min），MWD隨著覆沙厚度的增加而增大。

表2 不同覆沙厚度下侵蝕泥沙顆粒的平均重量直徑MWD

注：同列數據后標*表示差異顯著（<0.05）

Note: * means significant difference in same column (<0.05).

2.2 各級泥沙顆粒含量的變化規(guī)律

圖3表示不同覆沙厚度下侵蝕泥沙顆粒分布隨降雨時間的變化情況。將泥沙顆粒分為5個粒級：黏粒（<0.002 mm）、細粉粒（>0.002～0.02 mm）、粗粉粒（>0.02～0.05 mm）、細沙（>0.05～0.25 mm）、粗沙（>0.25 mm）。在整個降雨過程中，在0～10 min內不同覆沙厚度下的不同粒級泥沙顆粒的分布均發(fā)生了劇烈的變化（CV>100），這個變化趨勢隨著覆沙厚度的增加越來越明顯。

侵蝕泥沙顆粒主要由粉粒組成，大約占侵蝕泥沙總量的66%～88%。在整個降雨過程中，粉粒含量隨著時間的延長有所升高，在發(fā)生產流10 min之后基本達到穩(wěn)定，且隨著覆沙厚度的增加粉粒含量越低；不同覆沙厚度條件下，侵蝕泥沙中細沙的含量在一個很小的范圍內變化，一般在5%～18%；而粗沙含量隨著覆沙厚度的增加有小幅度的增加，增加了3%～8%，且在產流10 min之后便開始降低，其值基本維持在5%～15%之間，而在產流0～10 min內，粗沙的變化劇烈，覆沙厚度0.5、1.0、1.5 cm和1.5 mm/min雨強下，對應的變異系數分別為0.86%、0.76%、0.67%。

2.3 泥沙顆粒有效粒徑與原始粒徑的對比分析

從不同覆沙厚度下侵蝕泥沙中各粒級的/（表3）可以看出，不同覆沙厚度下各粒級/值顯著不同（<0.05）。對比裸坡發(fā)現，在0～5 min，覆沙厚度為0.5、1.0、1.5 cm時侵蝕泥沙顆粒中黏粒的值分別顯著下降了36%、64%、58%，粉粒則分別下降了48%、69%、63%；6～10 min，黏粒則在覆沙厚度為0.5 cm增加了7%，1.0、1.5 cm則分別下降了7%、21%，粉粒則分別下降了9%（ST1）、23%（ST2）、38%（ST3）；11～30 min，黏粒在覆沙厚度為0.5和1.5 cm分別增加了3%、5%，1.0 cm厚度下降低了9%，粉粒分別降低了9%（ST1）、23%（ST2）、38%（ST3）。綜上所述，覆沙厚度1.5 cm時的平均/值分別是裸坡的20.30（黏粒）、9.22（粉粒）、3.24（沙粒）倍。

表3 不同覆沙厚度下侵蝕泥沙中各粒級的Effective/Ultimate particles變化

圖4顯示了不同覆沙厚度下黏粒、粉粒、沙粒的有效粒徑含量與原始粒徑含量的比值/。從圖中可以看出，不同覆沙厚度下黏粒的/值在0～10 min表現出先減小后增大的趨勢，到10 min基本維持在0.4～0.8之間，始終小于1，且與覆沙厚度的關系不顯著，粉粒的/值在0～10 min表現出先減小后增大的趨勢，到10 min后基本維持在1.0附近，且與覆沙厚度表現出顯著負相關（<0.05）；沙粒的/值在0～10 min表現出先增大后減小的趨勢，到10 min后基本維持在1.0～4.0之間，且與覆沙厚度表現出顯著正相關（<0.05）；同時，進一步說明，黏粒在整個降雨過程中都以團聚體的形式存在，粉粒在0～10 min內以團聚體的形式存在，10 min后則主要以單粒的形式存在，而沙粒在整個過程中始終以細顆粒的聚集體的形式存在。侵蝕泥沙中黏粒的/值小于1是由于在泥沙沉積過程中，黏粒是以團聚體的形式存在于土體中，而團聚體是作為一個獨立個體與粉粒和沙粒組成“點棱接觸多孔結構”的土體，在坡面徑流較小的情況下，水流只能搬運粉粒和細沙粒，而不能搬運團聚體或粗沙粒。但是隨著細溝的出現，坡面的徑流輸沙能力增強，一些黏?；蛏沉１惚粡搅靼徇\到出水口，導致侵蝕泥沙中黏粒的富集[28-29]。同時，在產流初期（0～10 min），黏粒和粉粒的/值均表現出先減小后增大的趨勢，而沙粒則一直處在減小趨勢，導致這種現象的原因是在產流初期，由于坡面表層覆沙使得降雨徑流優(yōu)先搬運粗顆粒，隨著降雨的進行及坡面細溝的出現，坡面的細顆粒也開始被徑流沖刷帶走，且逐漸取代粗顆粒成為侵蝕泥沙中的主要被徑流帶走的物質。

3 討 論

侵蝕泥沙顆粒大小分布受以下因素影響：1）原狀土土壤顆粒大小的分布；2）侵蝕過程中團聚體的破碎情況；3）各粒級顆粒的沉降速度[29]。

土壤顆粒組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素。顆粒組成越細的土壤，黏結力越強，在一定程度上使土壤形成團狀結構體，其抗打擊的能力也越高[30-31]。濕土層的抗分散能力明顯隨黏粒含量的增大而加強。黏粒含量超過30%～50%的土壤，凝聚力較大，并形成穩(wěn)定的土壤團粒結構，這種團粒結構對雨滴打擊濺蝕的阻力較大[32]，不易被打散和搬運。當土壤中粉粒含量超過33%時，侵蝕泥沙顆粒中也以粉粒居多（粒徑大小在20～35m）；粒徑在20～200m的顆粒不管是單粒還是團聚體均容易受到侵蝕，粒徑大于200m的顆粒因受到自身重力的限制不易被搬運，而粒徑小于20m的顆粒由于顆粒間粘結力較大也難以被分離搬運[15]。由此可知，土壤質地是影響侵蝕顆粒大小分布的主要因素。降雨過程中，黏粒含量隨時間幾乎沒有變化，即細溝形成前后黏粒含量并未發(fā)生太大的改變。團聚體的破碎主要發(fā)生在細溝間，該部分徑流深較淺，雨滴可以穿透薄層水流將團聚體破壞，進而釋放黏粒，黏粒含量增加。

在水蝕過程中，團聚體的主要破碎機制是消散作用和機械破碎作用[17,33]。由于本試驗中，土壤在降雨之前進行水分飽和處理，因此消散作用可以忽略不計。因此，本試驗中團聚體的主要破碎機制是由雨滴打擊引起的機械破碎，這是影響侵蝕泥沙顆粒大小分布的主要因素。細溝間侵蝕易受雨滴擊濺作用，而由于坡面表層沙物質的存在，坡面粗糙度增大，坡面摩擦力增大，進而使得雨滴的擊濺作用被削弱，加之沙物質本身的粘結力比較小，團聚體含量相對較小[24]，并且坡面覆沙后使得坡面土壤的質地變粗，坡面的透水性增強，坡面的滲透能力增強，因此在產流之前坡面中存儲了大量的水分，使得徑流沖刷能力增強[23]，因而在侵蝕泥沙中大顆粒含量多（圖2a）；細溝侵蝕階段由于坡面表層的沙物質大部分被徑流沖刷帶走，且隨著降雨的進行，坡面逐漸達到穩(wěn)定入滲，大部分的降雨變成了徑流，坡面開始出現結皮，摩擦力減小，雨滴的擊濺作用增強，同時，細溝產生之后，細溝流的侵蝕動力更強[17]，挾沙能力增強，可挾帶更多的細顆粒，因而在降雨中后期侵蝕泥沙中細顆粒增多（圖2b、圖2c）。

4 結 論

通過人工模擬降雨試驗，研究1.5 mm/min下不同覆沙厚度下的坡面侵蝕過程中泥沙顆粒大小的分布特征及搬運特性。得出以下結論：

1）坡面發(fā)生侵蝕后，裸坡和覆沙坡面的徑流泥沙顆粒的大小分選特征均以0.054 mm為界按不同時期發(fā)生分選。

2）坡面覆沙后改變了侵蝕泥沙的分選特性：裸坡的徑流泥沙的分選始終以侵蝕細顆粒為主，而覆沙后徑流泥沙顆粒在降雨初期以粗顆粒為主，后又隨著降雨的進行細顆粒逐漸增多；坡面覆沙后，表層沙物質大部分在0～10 min內便被大量的侵蝕。

3）黃土坡面覆沙對侵蝕泥沙中黏粒含量沒有影響，僅對粉粒和砂粒的含量有影響，二者顆粒含量變化表現出“此消彼長”的趨勢。

4）坡面覆沙后，黏粒以團聚體的形式存在，粉粒以單粒的形式存在，而沙粒以細顆粒聚集體的形式存在，且坡面覆沙對黏粒和沙粒的存在形式沒有影響，僅對粉粒的存在形式有影響。

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第五個支出是社會保障支出，關于社會保障支出的主要有以下幾個問題：社會保障支出總量不足；社會保障支出增長緩慢；社會保障支出結構不合理、地區(qū)差異顯著；社會保障基金增值困難、安全隱患。這個具體的數據大概說一下：2010年的時候我們國家社會保障支出占GDP的2.28%。這個與同期國家比較，比如說以中等發(fā)達國家為例，中等發(fā)達國家社會保障支出比重是30%，我們是2.28%，社會保障構建上嚴重投入不足，今天我們所講的全民享有的、能夠覆蓋13億人口的社會保障體系尚未完全建立起來。

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Characteristics of particle separation of erosion sediment in slop surface covered with sand

Tang Shanshan1, Gao Haidong1, Li Zhanbin1,2※, Ren Zongping1, Zhang Hui1, Su Yuanyi1, Zhi Zaixing1

(1.,,710048,; 2.,,,712100,)

Sediment size distribution greatly affects sediment transport and deposition. A better understanding of sediment sorting will improve the understanding of erosion and sedimentation processes, which in turn will improve erosion modeling. In this paper, using artificially simulated rainfall experiment, the sieved sand slope erosion and sediment grain size distribution and the change process were analyzed under the condition of 1.5 mm/min rainfall intensity, and the sieved sand slope erosion and sediment particle characteristics were explored, which aimed to further clarify the sieved sand slope erosion and sediment yield process. This paper studied the characteristics of sediment particles under different sand thickness, and there were 3 treatments, i.e. ST1 (sand thickness of 0.5 cm), ST2 (sand thickness of 1.0 cm), and ST3 (sand thickness of 1.5 cm). Malvern 2 000 laser particle size analyzer was used to measure the sediment particle composition, which was expressed by the mean weighted diameter (MWD). The results showed that most of coarse particulate matter was washed away within 0-10 min after the runoff production began; the sediment particle content of less than 0.054 mm was ST2

erosion; particle size; rain; sand-covered slope; sediment sorting

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.017

S157.1

A

1002-6819(2017)-02-0125-06

2016-05-05

2016-11-18

國家自然科學基金青年項目(41401305); 國家自然科學基金重點項目（41330858）;西安理工大學博士創(chuàng)新基金（310-252071505）

湯珊珊，博士生，主要從事土壤侵蝕動力學等方面的研究。西安 西安理工大學西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，710048。 Email：military1205@163.com

李占斌，博士，研究員，博導，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。楊凌 中國科學院水利部水土保持研究所，712100。 Email：zhanbinli@126.com

湯珊珊，高海東，李占斌，任宗萍，張 輝，蘇遠逸，支再興. 坡面覆沙后侵蝕泥沙顆粒分選特性 [J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(2)：125－130. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.017 http://www.tcsae.org

Tang Shanshan, Gao Haidong, Li Zhanbin, Ren Zongping, Zhang Hui, Su Yuanyi, Zhi Zaixing. Characteristics of particle separation of erosion sediment in slop surface covered with sand[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 125－130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.017 http://www.tcsae.org