王秋霞丁樹文，2?鄧羽松劉丹露徐加盼朱慧鑫劉昌鑫

（1 華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070）

（2 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

花崗巖崩崗區(qū)不同土層的侵蝕水動力學特征*

王秋霞1丁樹文1，2?鄧羽松1劉丹露1徐加盼1朱慧鑫1劉昌鑫1

（1 華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070）

（2 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

土壤剝蝕率是單位時間單位面積水流剝蝕土壤的質(zhì)量，定量研究崩崗不同土層土壤剝蝕率對預測土壤剝蝕過程及建立崩崗侵蝕物理模型具有重要的理論和實踐意義。針對湖北通城花崗巖崩崗區(qū)發(fā)育的表土層、紅土層、砂土層、碎屑層，采用不同坡度（8.8%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%）和不同流量（0.2 L s-1、0.4 L s-1、0.6 L s-1、0.8 L s-1、1.0 L s-1）相結合的室內(nèi)放水沖刷試驗，分析表土層、紅土層、砂土層、碎屑層土體土壤剝蝕率與水動力學參數(shù)之間的關系，初步探討花崗巖崩崗侵蝕的水動力學機制。結果表明：在一定坡度條件下，土壤剝蝕率隨徑流流量的增大而增大，且各土層土壤剝蝕率存在很大差異，碎屑層土壤剝蝕率最大，砂土層次之，表土層最?。辉谙嗤髁織l件下，各土層土壤剝蝕率均隨沖刷時間的延長逐漸降低并趨于穩(wěn)定；徑流剪切力、水流功率對崩崗各土層土壤剝蝕率的影響均可采用線性方程很好地描述（R2＞0.926），相比用單位水流功率擬合的多項式方程的相關性（R2＜0.830）要高，徑流剪切力和水流功率均可作為描述崩崗各土層土壤侵蝕的水動力學參數(shù)。表土層、紅土層、砂土層、碎屑層的臨界徑流剪切力依次減小，分別為0.28Pa、0.13Pa、0.10Pa、0.07Pa，各土層土壤細溝可蝕性參數(shù)差異明顯，碎屑層的最大，砂土層次之，表土層最小。因此，在崩崗垂直結構上，隨著土層深度的增加，土體抵抗徑流剝蝕的能力逐漸減弱。

崩崗；土壤剝蝕率；放水沖刷試驗；水動力學參數(shù)

土壤剝蝕是土壤分離、搬運、沉積過程中的重要環(huán)節(jié)。目前，眾多學者在WEEP水蝕預報模型、EUROSEM模型、LISEM模型和GUEST模型的基礎上研究建立了不同實驗條件下土壤剝蝕率與水流剪切力、單位水流功率、水流功率等水力學參數(shù)間的關系。1965年，Lyle和Smerdon［1］首次采用水槽試驗闡述了土壤剝蝕率與徑流剪切力之間的關系；Elliot和Laflen［2］、McIsaac等［3］認為水流功率能夠準確地預測土壤剝離能力；隨后，Govers［4］通過室內(nèi)模擬沖刷試驗研究發(fā)現(xiàn)水流剝蝕過程與單位水流功率的關系最緊密；Nearing等［5］、張光輝等［6-7］、蔡強國等［8］、張樂濤等［9］通過變坡水槽實驗研究發(fā)現(xiàn)水流功率是描述坡面水流土壤剝蝕能力最好的水動力學參數(shù)，是坡面侵蝕的動力根源［5-9］；張科利和唐克麗［10］根據(jù)變坡水槽試驗，建立了基于水流剪切力的徑流剝蝕能力公式；黃炎和等［11］對崩崗崩積體進行室內(nèi)放水沖刷試驗表明單位水流功率可作為沖刷侵蝕的水動力學參數(shù)；蔣芳市等［12］對崩崗崩積體進行分離試驗研究發(fā)現(xiàn)水流功率和水流剪切力可以很好地描述崩積體土壤剝蝕速率；柳玉梅等［13］詳細研究了水深、平均流速、雷諾數(shù)、佛汝德數(shù)和阻力系數(shù)對土壤剝離能力的定量影響，得出平均流速是預測土壤剝蝕能力的最佳參數(shù)；王軍光等［14］、王瑄等［15］分別對第四紀黏土發(fā)育紅壤及陜西楊凌當?shù)貕v土利用沖刷試驗研究發(fā)現(xiàn)土壤剝蝕率與流量、坡度呈冪函數(shù)關系，利用流量和坡度的冪函數(shù)可以準確地預測土壤剝蝕率［14-15］。以上分析表明，由于試驗對象和研究手段的不同，坡面侵蝕的水動力學特征有很大差異。

崩崗是指在水力和重力綜合作用下山坡土體受破壞而崩塌和沖刷的侵蝕現(xiàn)象，屬于復合侵蝕類型［16-17］。崩壁是崩崗系統(tǒng)中最活躍的部位，崩壁侵蝕直接影響崩崗的嚴重程度以及侵蝕面積的擴大［18-20］。其主要形成原因是崩崗各土層土壤極其顯著的可蝕性差異［21-22］。崩壁各層土壤理化性質(zhì)的垂直分異特征可能對土壤剝蝕過程產(chǎn)生影響，但并不清楚其影響過程，需要進一步研究。目前，國內(nèi)關于黃土高原坡面土壤剝蝕試驗的研究較多，而關于南方花崗巖崩崗區(qū)各土層土壤侵蝕水動力參數(shù)指標的選定及侵蝕動力機制尚不明確，研究采取何種形式的水動力學參數(shù)作為判別崩崗各土層土體侵蝕過程具有重要的實際意義。因此，本項研究利用變坡水槽試驗，分析崩崗各土層土體土壤剝蝕率與流量、坡度的關系，建立各土層土壤剝蝕率與各水力學參數(shù)之間的函數(shù)方程，闡明崩崗侵蝕的水動力學機理。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省東南部咸寧市通城縣，地跨113°36′～114°4′E，29°2′～29°24′N。屬于北亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，全縣平均氣溫為16.7℃，日最高氣溫為39.7℃，最低氣溫為-15.2℃，年平均降雨量1 550 mm。土壤類型為紅壤。覆蓋植被類型為常綠闊葉與落葉闊葉混交林為主?？h域內(nèi)崩崗發(fā)育較明顯，總數(shù)量達1 120處，占湖北省崩崗總數(shù)的47%，是崩崗集中分布的典型區(qū)域。

根據(jù)崩崗土壤剖面的發(fā)生層次，采取湖北通城花崗巖崩崗區(qū)發(fā)育典型的表土層、紅土層、砂土層、碎屑層土樣，對各土層土壤性質(zhì)進行分析（表1）。

1.2 實驗設計

試驗采用移動式可調(diào)坡鋼制沖刷水槽，尺寸為3.8 m×0.2 m×0.2 m（長×寬×高），水槽頂端設有規(guī)格大小為0.4 m×0.2 m×0.4 m穩(wěn)水箱用于調(diào)節(jié)流入水槽的水流穩(wěn)定、均勻，水槽下端距出口20 cm處有一土樣室，規(guī)格為：內(nèi)徑14 cm，深10 cm。試驗對象為崩崗各土層原狀土，設置流量為0.2 L s-1、0.4 L s-1、0.6 L s-1、0.8 L s-1和1.0 L s-1，坡度為8.8%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%，共100個處理，每個處理重復2次。共進行有效試驗200場次。

表1 試驗土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the experimental soil

用直徑14 cm、高10 cm、厚度3 mm的鋼制環(huán)刀采集花崗巖崩崗區(qū)不同土層的原狀土。將采集的環(huán)刀土樣放入容器內(nèi)飽和（逐漸向容器內(nèi)加水，水面低于土樣表面0.5 cm，放置12 h）；實驗前將水流流量和坡度調(diào)至設計流量和坡度，并多次人工率定水流流量，以保證流量的準確性。試驗沖刷前將供試環(huán)刀土樣放入水槽下端的土樣室內(nèi)，盡量使土樣表面與水槽底部保持相同高度。采用高錳酸鉀染色法測定水流流速。試驗沖刷時間根據(jù)流量大小和土壤質(zhì)地確定。即每10 s用大塑料桶接泥沙樣，間隔20 s后再接泥沙樣，30 s為一個周期，當沖刷土樣深度達到2 cm或沖刷過程中土壤結構嚴重破壞時，結束試驗，記錄沖刷時間，沉積泥沙樣在105 ℃下烘干稱重。

實驗所得數(shù)據(jù)通過SPSS18.0進行統(tǒng)計分析，使用Origin8.0進行圖表制作。

1.3 數(shù)據(jù)分析

（1）土壤剝蝕率（Dr）基于全部塑料桶內(nèi)的泥沙樣計算而得，計算公式如下：

式中，Dr為土壤剝蝕率（kg m-2s-1）；WW為實驗前土壤的干土重（kg）；Wd為試驗后土壤的干土重（kg）；A為土壤樣本表面積（m2）。

（2）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的參數(shù)。

式中，τ為徑流剪切力，Pa或N m-2；γm為渾水密度，kg m-3，考慮了含沙量的影響；g為重力加速度，9.8 m s-2；R為水力半徑，m，用水深代替；J為水力能坡，用坡度的正弦值近似代替。

（3）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。

式中，ω為水流功率，N m-1s-1；V為坡面平均水流流速，為觀測時段內(nèi)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，0.70；紊流，k=0.80），m s-1。

（4）單位水流功率（P）：作用于泥沙床面的單位重量水體所消耗的功率。

式中，P為單位水流功率，m s-1。

2 結果與討論

2.1 土壤剝蝕率隨沖刷時間的變化規(guī)律

土壤剝蝕是土壤侵蝕發(fā)生的初始階段，是指徑流剝蝕地表土粒脫離原土體的過程。分析5個流量、5個坡度條件下各土層土體的沖刷數(shù)據(jù)表明：各土層土壤剝蝕率均隨坡度和流量的增大而增大，在不同流量、不同坡度下，剝蝕率均隨沖刷時間的延長而減小。以坡度17.6%為例，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了崩崗各土層土壤在不同流量條件下剝蝕率隨時間的變化過程（圖1）。從圖中可以得出：同一坡度下，徑流沖刷流量越大，土壤剝蝕率越大，大流量（0.8 L s-1、1.0 L s-1）條件下的土壤剝蝕率顯著高于小流量（0.2 L s-1、0.4 L s-1）下的土壤剝蝕率；各土層土壤剝蝕率存在很大差異，碎屑層土壤剝蝕率最大，砂土層次之，表土層最小；各土層土壤剝蝕率均隨沖刷時間的延長逐漸降低并趨于穩(wěn)定，其中表土層剝蝕率大致在30 s時達到穩(wěn)定，紅土層和砂土層均在50 s時達到穩(wěn)定，碎屑層稍有波動。這可能由于碎屑層發(fā)育程度較低，0.2～2 mm顆粒組成較多，土壤容重較小，有機質(zhì)含量低，土體穩(wěn)定性較弱，水流較易攜帶表面土壤脫離土體本身，被剝蝕的土壤砂粒含量較多，這些砂粒被剝蝕搬運的同時帶動周邊砂粒脫離土體表面，隨著水流流量和坡度的增大，被剝蝕的土壤急劇增多；表土層中＜0.02 mm的細顆粒組成較多，土壤容重小，土壤有機質(zhì)含量高且結合緊密，粘聚力較大，水流不易攜帶0.2～2 mm粒徑的土壤脫離表面土壤；紅土層顆粒組成主要為粉粒，水流攜帶＜0.02 mm的土壤粒徑脫離表面土壤的能力相對較小。因此，各土層土壤基本性質(zhì)對土壤剝蝕率的影響比較明顯。有機質(zhì)含量高，細顆粒含量高的土壤剝蝕率較低。各土層土壤剝蝕率在整個沖刷過程中均出現(xiàn)多次交叉，這可能由于在沖刷過程中隨著流量的增大，土壤剝蝕率增加，水流動能增大，隨著沖刷時間的延長，各土層土壤被水流侵蝕下切的深度增加至能被剝蝕的土壤越來越少，且水流所受周圍的摩擦阻力不穩(wěn)定，水流動能消耗不均一。該研究結果與張光輝［23］關于普通褐土土壤剝蝕率隨著沖刷時間變化關系的研究結果略有不同，張光輝的相關研究成果中剝蝕率隨沖刷時間呈良好的冪函數(shù)形式下降，且建立了最佳沖刷時間與坡度、流量的冪函數(shù)關系。

2.2 流量和坡度對土壤剝蝕率的影響

圖1 坡度17.6%時各土層土體不同流量條件下剝蝕率變化曲線Fig. 1 Variation of soil detachment rate with flow rate on slopes 17.6% in degree relative to soil layers

由各土層土體在5個流量（0.2 L s-1、0.4 L s-1、0.6 L s-1、0.8 L s-1、1.0 L s-1）和5個坡度（8.8%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%）條件下的沖刷數(shù)據(jù)可知：隨著坡度和流量的增加，各土層土壤剝蝕率的增大逐漸加快，這可能由于在水流沿水槽坡面向下流動過程中，水流的重力勢能和動能被水槽底部及側壁的摩擦力做功所損耗。在小坡度范圍內(nèi)水流的總能量較小，用于克服摩擦力做功后所剩余的總能量更小，即水流剝蝕土壤的能力減弱，土壤剝蝕率隨坡度增大而增加的速率較緩，在大坡度范圍內(nèi)，水流動能增大，更多的勢能轉(zhuǎn)化為動能，總能量急劇增加，用來克服摩擦力做功后所剩余的總能量依然很大，即土壤剝蝕率隨坡度增大而增加的速率較快。同理，小流量時土壤剝蝕率隨水流流量的增加而增加的速率較緩，大流量時，土壤剝蝕率隨流量的增加而增加的速率較快。因此，有必要進一步定量分析流量和坡度對崩崗各土層土壤剝蝕率的影響，對崩崗各土層土壤剝蝕率隨坡度和流量變化的試驗數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計分析，得出不同坡度及流量下各土層土體剝蝕率因子模型（表2）。

由表2可以看出崩崗各土層土壤剝蝕率可用二元冪函數(shù)方程很好地擬合（R2＞0.878）。所得各土層因子模型能夠很好地描述流量、坡度兩個因子對土壤剝蝕率的影響；通過相關分析對各土層方程進行顯著性檢驗表明：坡度與流量兩個因子與各土層土壤剝蝕率呈極顯著相關關系（p＜0.01）。因此，土壤剝蝕率因子模型可以用來計算水流對崩崗各土層土體剝蝕分離的能力。該因子模型與Zhang等［7］和申楠［24］提出的水流剝蝕能力因子模型一致。

表2 各土層土壤剝蝕率因子模型Table 2 Factor model for soil detachment rate relative to soil layer

2.3 土壤剝蝕率與各水力學參數(shù)之間的關系

目前關于代表坡面水流能量的水動力學參數(shù)較多，有單一的水動力因子（流速、流量、水深、加速度等），也有綜合幾個水動力因子的復合參數(shù)形式（雷若數(shù)、弗羅德數(shù)、水流剪切力、水流功率等）。其中，剪切力和功率是影響泥沙輸移的最主要水流強度指標［25］，因此，本試驗主要研究分析的水動力學參數(shù)為：徑流剪切力、水流功率和單位水流功率。

坡面水流的侵蝕能力與水流的剪切應力之間有著密切關系，坡面水流的剪切力反映的是坡面運動的水流對土水界面上土壤顆粒的分散、剪切作用，它是徑流剝蝕土壤的主要動力［26］。徑流恰好克服土粒間作用力時的剪切力稱之為臨界剪切力，超過臨界剪切力的那一部分剪切力才真正地對剝離土壤起作用，徑流的剝蝕能力應該是大于臨界剪切力部分的水流切應力，稱之為有效剪切力［5，27］。可用下式表示：

式中，Dr為土壤剝蝕率，kg m-2s-1；Kr為細溝可蝕性參數(shù)，s m-1，與土壤性質(zhì)有關；τr為臨界水流剪切力，Pa。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制了不同坡度條件下崩崗各土層土體的徑流剪切力與土壤剝蝕率之間的關系，如圖2所示。

對各土層土壤剝蝕率與徑流剪切力進行回歸分析，如表3：

圖2 各土層土壤剝蝕率與坡面徑流剪切力的關系Fig. 2 Relationship between runoff shear stress and soil detachment rate relative to soil layers

表3 各土層土壤剝蝕率與臨界徑流剪切力之間的回歸方程Table 3 Regression equations for soil detachment rate and shear stress of different soil layers

圖3 各土層土壤剝蝕率與坡面水流功率的關系Fig. 3 Relationship between stream power and soil detachment rate relative to soil layers

表4 各土層土壤剝蝕率與水流功率之間的回歸方程Table 4 Regression equations for soil detachment rate and stream power relative to soil layers

由表3可知各土層土壤剝蝕率均隨徑流剪切力呈線性增長（R2＞0.951）。徑流剪切力越大，土壤剝蝕率越高，土壤侵蝕越嚴重，當有效剪切力相等時，碎屑層的土壤剝蝕率最大，砂土層次之，表土層的最小；表土層、紅土層、砂土層和碎屑層的臨界徑流剪切力差異明顯，碎屑層的臨界徑流剪切力最小，土壤較易被剝離分散；碎屑層的細溝可蝕性參數(shù)最大，為砂土層的30.80倍，紅土層的381.1倍，表土層的487.4倍，這可能由于碎屑層土壤抗侵蝕能力較弱，抗剪強度較弱，土體不穩(wěn)定，較易被剝離分散。由此可知，在崩崗形成過程中，崩壁垂直結構上隨著深度的增加，土壤的臨界水流剪切力逐漸減小，細溝可蝕性參數(shù)逐漸增加，抗侵蝕能力逐漸減弱，下層土體較易被剝離、分散、沉積，隨著侵蝕時間的延長，下層土體逐漸被掏空，上層土體在自身重力作用下發(fā)生垮塌，進一步促進了崩崗的發(fā)育。與耿曉東［28］在坡度8.8%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%，降雨量50～100 mm h-1條件下對黃土、紅壤及紫色土的研究結果比較，本實驗碎屑層水流剪切力相對應的細溝可蝕性參數(shù)較大，且各層土壤的臨界水流剪切力均小于黃土、紅壤及紫色土。本實驗得到的臨界水流剪切力在0.07～0.28 Pa之間，是張光輝等［29-30］相關研究成果的1/10，表明崩壁各層土壤較易發(fā)生侵蝕崩塌。

水流功率是徑流剪切力與流速的乘積，從能量學角度反映的是徑流分散、剪切土壤顆粒作用中的功率大小，表征水流損失能量而做功的速率，是影響侵蝕的重要水動力學參數(shù)［2］。崩崗各土層土壤剝蝕率與水流功率之間的關系如圖4所示。水流功率可用下式表示：

式中，Kd為細溝可蝕性參數(shù)，s2m-2，與土壤性質(zhì)有關；ωc為臨界水流功率，N m-1s-1。

對各土層土壤剝蝕率與水流功率進行回歸分析，如表4。

由表4可知，崩崗各土層土壤剝蝕率均隨水流功率呈線性增長（R2＞0.926）。水流功率越大，土壤剝蝕率越高，土壤流失越嚴重。在相等水流功率作用下，碎屑層的土壤剝蝕率最大，砂土層次之，表土層的最??；各土層中碎屑層的細溝可蝕性參數(shù)最大，為砂土層的30.55倍，紅土層的60.24倍，表土層的487.2倍。各土層土壤臨界水流功率均出現(xiàn)負值。這可能由于在整個試驗過程中，水力侵蝕不再是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的唯一原因，隨著坡度的變化重力侵蝕強度逐漸增加。

單位水流功率表征單位質(zhì)量水體勢能隨時間的變化率。說明單位質(zhì)量的水體輸移泥沙的功率與水體本身具有的功率直接相關。Moore等［31］通過試驗研究證明單位水流功率可以直接用于坡面侵蝕過程，但還缺乏臨界單位水流功率和適應土壤類型的研究。因此，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制了各土層土壤剝蝕率與單位水流功率之間的關系。如圖5所示。

對各土層土壤剝蝕率與單位水流功率（P）進行回歸分析，如表5。

由表5可知：各土層土壤剝蝕率均可擬合成多項式方程，且與王瑄等［15］的研究結果類似。但各土層的相關系數(shù)不高（R2＜0.830）。說明徑流沖刷條件下各土層土壤剝蝕率與單位水流功率關系不緊密。單位水流功率不能準確地描述崩崗各土層土壤剝蝕率。

3 結 論

本試驗研究中崩崗各土層土壤剝蝕率不是受某單一因子的影響，而是受流量和坡度的綜合作用，且各土層土壤剝蝕率均能用坡度和流量的二元冪函數(shù)很好地擬合。徑流剪切力、水流功率與各土層土壤剝蝕率之間均存在良好的線性關系，且相關性較高；各土層土壤均出現(xiàn)臨界徑流剪切力，隨著土層深度的增加，臨界徑流剪切力逐漸減小，抗侵蝕能力逐漸減弱，下層土體較易被水蝕。同時，水蝕過程促進龕的形成，隨著龕的不斷擴大，崩壁上層土體在重力作用下發(fā)生崩塌，加速溯源侵蝕進程，導致崩崗不斷擴大；同時，在不同坡度及流量條件下各土層土體臨界水流功率均為負值，這進一步說明了水力不是導致侵蝕發(fā)生的唯一原因，崩崗是水力和重力綜合作用的一種復合侵蝕類型。

圖4 各土層土壤剝蝕率與坡面單位水流功率的關系Fig. 4 Relationship between unit stream power and soil detachment rate relative to soil layers

表5 各土層土壤剝蝕率與單位水流功率之間的回歸方程Table 5 Regression equation for soil detachment rate and unit stream power relative to soil layers

［1］ Lyle W M，Smerdon E T. Relation of compaction and other soil properties to erosion resistance of soils. Transactions of the ASAE，1965，8（3）：419—422

［2］ Elliot W J，Laflen J M. A process-based rill erosion model. Transactions of the ASAE，1993，36（1）：65—72

［3］ McIsaac G F，Mitchell J K，Hummel J W，et al. An evaluation of unit stream power theory for estimating soil detachment and sediment discharge from tilled soils. Transactions of the ASAE，1992，35（2）：535—544

［4］ Govers G. Relationship between discharge velocity and flow area for rills eroding loose，non-layered materials. Earth Surface Processes and Landforms，1992，17 （5）：515—528

［5］ Nearing M A，Simanton J R，Norton L D，et al. Soil erosion by surface water flow on a stony，semiarid hillslope. Earth Surface Processes and Landforms，1999，24（8）：677—686

［6］ 張光輝，劉寶元，張科利. 坡面徑流分離土壤的水動力學試驗研究. 土壤學報，2002，39（6）：882—886

Zhang G H，Liu B Y，Zhang K L. Experimental simulation of hydraulic mechanism of soil detachment by surface runoff on slope land（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2002 39（6）：882—886

［7］ Zhang G H，Liu B Y，Nearing M A，et al. Soil detachment by shallow flow. Transactions of the ASAE，2002，45（2）：351—357

［8］ 蔡強國，陸兆熊，王貴平. 黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域侵蝕產(chǎn)沙過程模型. 地理學報，1996，51（2）：108—117

Cai Q G，Shiu-hung Luk，Wang G P. Process-based soil erosion and sediment yield model in a small basin in the hilly loess region（In Chinese）. Acta Geographica Sinica，1996，51（2）：108—117

［9］ 張樂濤，高照良，田紅衛(wèi). 工程堆積體陡坡坡面土壤侵蝕水動力學過程. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（24）：94—102

Zhang L T，Gao Z L，Tian H W. Hydrodynamic process of soil erosion in steep slope of engineering accumulation （In Chinese）. Transactions of the CSAE，2013，29 （24）：94—102

［10］ 張科利，唐克麗. 黃土坡面細溝侵蝕能力的水動力學試驗研究. 土壤學報，2000，37（1）：9—15 Zhang K L，Tang K L. A study on hydraulic characteristics of flow for prediction of rill detachment on capacity on loess slope（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2000，37（1）：9—15

［11］ 黃炎和，趙淦，蔣芳市，等. 崩崗崩積體陡坡侵蝕的水動力學特征. 森林與環(huán)境學報，2015，35（4）：304—309

Huang Y H，Zhao G，Jiang F S，et al. Hydrodynamic characteristics in steep colluvial deposits slope（In Chinese）. Journal of Forest and Environment，2015，35（4）：304—309

［12］ 蔣芳市，黃炎和，林金石，等. 坡面水流分離崩崗崩積體土壤的動力學特征. 水土保持學報，2013，27 （1）：86—89

Jiang F S，Huang Y H，Lin J S，et al. The dynamic characteristics of soil detachment of slumping deposit by surface runoff in Benggang（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2013，27（1）：86—89

［13］ 柳玉梅，張光輝，李麗娟，等. 坡面流水動力學參數(shù)對土壤分離能力的定量影響. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25 （6）：96—99

Liu Y M，Zhang G H，Li L J，et al. Quantitative effects of hydro-dynamic parameters on soil detachment capacity of overland flow（In Chinese）. Transactions of the CSAE，2009，25（6）：96—99

［14］ 王軍光，李朝霞，蔡崇法，等. 坡面流水力學參數(shù)對團聚體剝蝕程度的定量影響. 水科學進展，2012，23 （4）：502—508

Wang J G，Li Z X，Cai C F，et al. Quantitative effects of hydro-dynamic parameters on abrasion extent aggregates by overland flow（In Chinese）. Advances in Water Science，2012，23（4）：502—508

［15］ 王瑄，李占斌，尚佰曉，等. 坡面土壤剝蝕率與水蝕因子關系室內(nèi)模擬試驗. 農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24 （9）：22—26

Wang X，Li Z B，Shang B X，et al. Indoor simulation experiment of the relationship between soil detachment rate and water erosion factor（In Chinese）. Transactions of the CSAE，2008，24（9）：22—26

［16］ 阮伏水. 福建省崩崗侵蝕與治理模式探討. 山地學報，2003，21（6）：675—680 Ruan F S. Study on slump gully erosion and its control in Fujian Province（In Chinese）. Journal of Mountain Science，2003，21（6）：675—680

［17］ 丁樹文，蔡崇法，張光遠. 鄂東南花崗地區(qū)重力侵蝕及崩崗形成規(guī)律的研究. 南昌工程學院學報，1995，S （1）：50—54

Ding S W，Cai C F，Zhang G Y. A study on gravitational crosion and the formation of collapse mound in the granite area of Southeast Hubei（In Chinese）. Journal of Nanchang Institute of Technology，1995，S （1）：50—54

［18］ 劉希林，張大林. 基于三維激光掃描的崩崗侵蝕的時空分析. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（4）：204—211

Liu X L，Zhang D L. Temporal-spatial analyses of collapsed gully erosion based on three-dimensional laser scanning（In Chinese）. Transactions of the CSAE，2015，31（4）：204—211

［19］ 牛德奎. 崩崗侵蝕調(diào)查方法的探討. 江西水利科技，1994，20（1）：42—47

Niu D K. Approach to the methods of surveying collapsing hill erosion（In Chinese）. Jiangxi Hydraulic Science & Technology，1994，20（1）：42—47

［20］ 林敬蘭，黃炎和，蔣芳市. 崩崗土體的滲透性能機理研究. 水土保持學報，2013，27（2）：53—56

Lin J L，Huang Y H，Jiang F S. Study on the mechanism of different soil layer’s permeability in Benggang（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2013，27（2）：53—56

［21］ 鄧羽松，丁樹文，劉辰明，等. 鄂東南花崗巖崩崗崩壁土壤水分特征研究. 水土保持學報，2015，29（4）：132—137

Deng Y S，Ding S W，Liu C M，et al. Soil moisture characteristics of collapsing gully in granite area of southeastern Hubei（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2015，29（4）：132—137

［22］ 張勇，丁樹文，萬紹文，等. 黃麻土工布對不同層次土體的水土保持效用分析. 水土保持學報，2014，28 （4）：23—28

Zhang Y，Ding S W，Wan S W，et al. Effect analysis of soil and water conservation of Jute Geotextile on the different layers of soil（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2014，28（4）：23—28

［23］ 張光輝. 沖刷時間對土壤分離速率定量影響的實驗模擬. 水土保持學報，2002，16（2）：1—4

Zhang G H. Experimental simulation on effects of scouring time on soil detachment rate（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2002，16 （2）：1—4

［24］ 申楠，王占禮，陳浩. 黃土坡面細溝水流分離能力. 山地學報，2015，33（2）：191—198

Shen N，Wang Z L，Chen H. Soil detachment capacity of rill flow on loess hillslope（In Chinese）. Journal of Mountain Science，2015，33（2）：191—198

［25］ 田凱，李小青，魯帆，等. 坡面流侵蝕水動力學特性研究綜述. 中國水土保持，2010（4）：44—47

Tian K，Li X Q，Lu F，et al. Summary of hydrodynamic characteristics of overland flow erosion（In Chinese）. Soil and Water Conservation in China，2010（4）：44—47

［26］ 雷廷武，張晴雯，趙軍. 陡坡細溝含沙水流剝蝕率的試驗研究及其計算方法. 農(nóng)業(yè)工程學報，2001，17 （3）：24—27

Lei Y W，Zhang Q W，Zhao J. Laboratory experiments and computational method of soils detachment rate of sediment loading flow in rills（In Chinese）. Transactions of the CSAE，2001，17（3）：24—27

［27］ 張科利，彭文英，楊紅麗. 中國土壤可蝕性值及其估算. 土壤學報，2007，44（1）：7—13

Zhang K L，Peng W Y，Yang H L. Soil erodibility and its estimation for agricultural soil in China（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2007，44（1）：7—13

［28］ 耿曉東. 主要水蝕區(qū)坡面土壤侵蝕過程與機理對比研究. 北京：中國科學院研究生院，2010

Geng X D. Comparative study on hill slope soil erosion processes and mechanisms in main water erosion regions of China（In Chinese）. Beijing：University of Chinese Academy of Sciences，2010

［29］ 張光輝，劉寶元，何小武. 黃土區(qū)原狀土壤分離過程的水動力學機理研究. 水土保持學報，2005，19（4）：48—52

Zhang G H，Liu B Y，He X W. Study on hydro-dynamic mechanism of natural soil detachment in loess region（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2005，19（4）：48—52

［30］ 何小武，張光輝，劉寶元. 坡面薄層水流的土壤分離試驗研究. 農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（6）：52—55

He X W，Zhang G H，Liu B Y. Soil detachment by shallow flow on slopes（In Chinese）. Transactions of the CSAE，2003，19（6）：52—55

［31］ Moore I D，Burch G J. Sediment transport capacity of sheet and rill flow：Application of unit stream power theory. Water Resources Research，1986，22（8）：1350—1360

Hydrodynamic Characteristics of Erosion in Different Soil Layers in Granite Collapse Region

WANG Qiuxia1DING Shuwen1，2?DENG Yusong1LIU Danlu1XU Jiapan1ZHU Huixin1LIU Changxin1
（1 College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）
（2 Key Labrortory of Arable Land Conservation for Middle and Lower Reaches of Yangtze River，Ministry of Agriculture，Wuhan 430070，China）

【Objective】Soil detachment rate refers to the quantity of soil detached by water flow in a unit of time and/or area. Quantitative analyses of the soil detachment processes in different soil layersin granite collapse regions is of great theoretical and practical significance to accurate prediction of soil detachment processes and construction of a physical model for erosion of collapsed hills.【Method】Collapsing hill erosion is a specific type of soil erosion in hilly granitic regions of tropical and subtropical South China，and may result in extremely rapid water and soil loss. Knowledge of how collapsing hill erosion affects the soil physical and chemical properties of different soil layers in the region is important to understanding the evolution of soil quality. In this study，an in-lab runoff scouring experiment was conducted on artificial slopes of top soil layer，red soil layer，sandy soil layer and detritus layer developed in the collapsed granite hills in Tongcheng，Hubei Province. The runoff scouring experiment had the slopes set at 8.8%，17.6%，26.8%，36.4% and 46.6% in gradient and scoured with flow varying in rate（0.2 L s-1，0.4 L s-1，0.6 L s-1，0.8 L s-1and 1.0 L s-1），separately for cross checking . The artificial slope was prepared on a steel trough 0.2 m high on both side，0.2 m wide and 3.8 m long and on the top of the trough was a water tank，0.2 m high，0.4 m wide and 0.2m long，filled with water to supply water flow steadily at a required rate. The experiment was to investigate relationships of soil detachment rate with various hydrodynamics parameters in four different soil layers and to explore hydrodynamic mechanisms of the erosion in collapsing granite hills.【Result】Results show that under the condition of a certain slope，soil detachment rate increased with increasing runoff flow rate，and varied sharply with soil layer；the highest detachment rate was found in the detritus layer，which was followed by sandy soil layer，red soil layer and top soil layer；under the same runoff flow rate，soil detachment rate decreased with the scouring going on and tended to level off，regardless of type of soil layers. Besides，the complex effect of slope degree and flow rate on detachment rates in all soil layers could be well fitted with the two-variable power function equation （R2＞0.878）. The effects of shear stress and stream power of the runoff on detachment rate on all soil layers could be well described with the linear equation（R2＞0.926），yielding a correlation coefficient much higher than that of the fitting of unit stream power with the polynomial equation（R2＜0.830）. Therefore，shear stress and stream power of the runoff can be used as hydrodynamic parameters to describe the soil erosion in different soil layers of collapsed hills. The threshold of runoff shear stress varied with soil layer in a decreasing order of top soil layer＞red soil layer＞sandy soil layer＞detritus layer or 0.28 Pa＞0.13 Pa＞0.10 Pa＞0.07 Pa.【Conclusion】The detritus layer is the highest in erodibility，followed by the sandy soil layer，red soil layer and top soil layer. Hence，the resistance of the soil layers against runoff erosion gradually decreases with soil depth as the soil layers exist vertically in the soil profile in the collapsing hill region.

Collapsed gully；Soil detachment rate；Runoff scouring experiments；Hydrodynamics parameters

S157.1

A

（責任編輯：檀滿枝）

* 國家自然科學基金項目（41571258）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.41571258）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：dingshuwen@mail.hzau.edu.cn

王秋霞（1991—），女，河南周口人，碩士研究生，主要從事花崗巖風化土可蝕性及崩崗穩(wěn)定性研究。

E-mail：qxwangchn@163.com

2016-07-14；

2016-09-28；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-01-09

10.11766/trxb201607140306