張 攀，姚文藝，唐洪武，肖培青

0 引 言

細溝侵蝕是黃土高原坡耕地土壤侵蝕的主要方式之一[1-4]。在細溝侵蝕過程中，細溝形態(tài)影響和決定著坡面水流及泥沙的運移規(guī)律，是具有地貌意義的土壤侵蝕影響因素[5-6]，這一因素體現(xiàn)著坡面水蝕動力學(xué)各要素對比關(guān)系，是深入認識流域侵蝕產(chǎn)沙物理過程的關(guān)鍵科學(xué)問題[7-9]。因此，從坡面微地貌演變來分析坡面侵蝕動力過程，是當(dāng)前坡面侵蝕研究領(lǐng)域的熱點問題[10]。

細溝侵蝕有別于其他溝道侵蝕的一個顯著特點是，伴隨著侵蝕產(chǎn)沙過程，細溝的邊壁變化劇烈[11-12]，通過跟蹤模擬降雨條件下細溝演變的全過程，監(jiān)測坡面泥沙沖淤動態(tài)分布，細溝邊壁的劇烈變化可以歸納為溝頭前進、溝壁坍塌和溝床下切，這 3種侵蝕方式分別對應(yīng)溯源侵蝕、重力作用和水流剪切分散作用，溯源侵蝕改變了細溝長度，溝壁坍塌影響著細溝寬度，水流剪切分散則是溝床下切的主要動力[13]。這 3種侵蝕系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動作用的侵蝕機理各不相同，產(chǎn)沙特點與規(guī)律也有所不同，其中，水流剪切對土壤的分散作用主要受控于細溝流的水動力條件，而溯源侵蝕與溝壁坍塌則是水力與重力聯(lián)合作用的結(jié)果。雖然目前在細溝發(fā)育過程模擬[14-23]及細溝形態(tài)量化[24-28]等方面已經(jīng)取得了較為豐富的研究成果，但研究大多集中在對最終侵蝕形態(tài)的分析，而對動態(tài)發(fā)育過程中的細溝形態(tài)連續(xù)演變規(guī)律研究較少，且研究多關(guān)注于細溝網(wǎng)絡(luò)整體形態(tài)的復(fù)雜程度差異，而缺乏對其邊壁變化規(guī)律與侵蝕產(chǎn)沙過程的定量分析。

鑒于此，本文通過實體模擬試驗，跟蹤細溝演變的全過程，監(jiān)測坡面泥沙沖淤動態(tài)分布，定量分析溝頭溯源、溝壁坍塌、溝床下切變化量，研究細溝邊壁劇烈變化對坡面產(chǎn)沙過程及坡面侵蝕方式的影響，追溯侵蝕產(chǎn)沙來源，探討降雨驅(qū)動下溯源侵蝕、重力作用、水流剪切分散對細溝形態(tài)的塑造過程，闡明細溝侵蝕產(chǎn)沙內(nèi)部驅(qū)動機制及主要控制因子，為細溝侵蝕動態(tài)模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室降雨大廳內(nèi)進行。試驗裝置主要由人工模擬降雨系統(tǒng)和坡面實體模型2部分組成。

人工模擬降雨系統(tǒng)可以模擬 30～180 mm/h的降雨強度。降雨器噴頭距地面 22 m，可以使 95% 以上的雨滴終速達到天然降雨終速。坡面土壤侵蝕模擬實體模型采用規(guī)格為 5 m×1 m×0.6 m 的可調(diào)坡度土槽，可調(diào)坡度在 0～30°之間，可模擬從緩坡到陡坡等不同角度坡面，本次試驗?zāi)M將坡面設(shè)定為 20° 陡坡坡面，土槽底設(shè)有直徑為5 mm的透水孔，可使土壤水自由入滲。試驗用土取自位于黃土高原第Ⅲ副區(qū)的河南省鞏義市邙山表層黃土，取土位置為去除枯枝落葉層后坡面地表20cm以內(nèi)的黃土。土壤顆粒機械組成的測定在黃河水利科學(xué)研究院工程力學(xué)研究所的土壤物理試驗室內(nèi)進行操作，土壤粒徑組成見表1。

表1 試驗土壤的顆粒機械組成Table 1 Particle size composition of experimental soil

1.2 試驗設(shè)計

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)黃土高原野外坡面空間特征，制作裸坡面模型。首先在土槽底部鋪一層厚約10 cm的粗沙，以保證土壤的透水性，試驗用土要先過直徑為10 mm的篩，以去除雜草和石塊，在進行土槽裝填時，采用分層填土、分層壓實、隨機測容重的方法進行，以控制下墊面的一致性，每層填土厚度約為10 cm，填土深度為60 cm，土壤容重控制在1.25 g/cm3左右。為控制土壤容重的均一性，每填完一層土，用環(huán)刀隨機取 5個不同部位樣本，同時，為消除土壤含水量的影響，填土過程中，用TDR時域反射儀隨機測定每一層不同部位土壤的含水量，并通過對干濕土比例的調(diào)整，使土壤水分含量控制在15%左右。

為保證每場試驗開始前的土壤前期含水量保持一致，在試驗前一天，用不會形成侵蝕的 30 mm/h雨強的小雨對試驗土槽進行預(yù)降雨，直至坡面開始產(chǎn)流為止，靜置 24h 以備試驗。試驗開始前再次進行土壤含水量測定，控制土壤水分含量在25%～30%。

為了更客觀地反映坡面侵蝕過程中細溝形態(tài)的變化，本實驗設(shè)計了一次侵蝕多次降雨方案，使細溝侵蝕過程既有獨立性又有繼承性。模擬試驗降雨特征參數(shù)設(shè)計主要包括雨強、歷時、降雨場次的選定。細溝侵蝕主要是由短歷時暴雨形成徑流沖刷產(chǎn)生的，參照黃土高原侵蝕性降雨及其暴雨頻率特征，試驗選定 3個雨強分別為 60、90、120 mm/h，分別對應(yīng)黃土高原地區(qū)侵蝕性降雨中的中雨、大雨和暴雨[29]，試驗雨強通過壓強與噴頭組合率定得到。根據(jù)細溝發(fā)育情況，每種雨強下進行 7場降雨，每場降雨歷時約為10 min。

為最大限度地消除暫停降雨對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，坡面地形測定采用由美國法如公司生產(chǎn)的 FARO Focus3D 三維激光掃描儀，其掃描速度快（976,000 bit/s）、精度高（50 m距離實測精度達 2.0 mm），掃描一個標(biāo)準坡面用時約1 min，可最大限度地保持坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的連續(xù)性。為了在保證精度的前提下最大限度地壓縮掃描時間，將三維激光掃描儀安裝于試驗土槽正上方的降雨系統(tǒng)壓力管道上，在每場降雨結(jié)束后立即進行地形掃描，掃描結(jié)束后立即開始下一場次降雨。試驗過程中，利用LPM激光雨滴譜儀量測降雨強度和獲取雨滴譜圖，進行降雨時程分析；用染色劑示蹤（KMnO4）和實時攝像技術(shù)相結(jié)合的方法測定坡面及細溝內(nèi)水流流速；用直尺量測坡面水寬和水深；當(dāng)坡面開始產(chǎn)流時，用徑流桶在集流槽處收集徑流泥沙樣，采樣間隔為1～2 min/次；用高清攝像機對坡面地形變化過程進行全程監(jiān)測，觀察并輔助人工記錄細溝產(chǎn)生—發(fā)展—穩(wěn)定全過程，坡面關(guān)鍵時間節(jié)點信息，如產(chǎn)流開始時間、跌坎出現(xiàn)時間、溝壁坍塌位置等，并每隔一定時間，從不同角度，用數(shù)碼相機拍攝細溝形態(tài)演變過程。每場降雨試驗結(jié)束后進行樣本數(shù)據(jù)測量，采用自制鐵皮量桶測量徑流體積，采用烘干法推求坡面產(chǎn)沙量及徑流含沙量，采集的徑流泥沙樣通過體積量測及烘干稱質(zhì)量，可計算得到含沙量，自制鐵皮量桶的測精確度約為0.5 L，稱質(zhì)量精度為0.01 g。經(jīng)測定，實際降雨強度分別為66、94、127 mm/h，雨強均勻性>90%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于受現(xiàn)場條件的干擾和掃描誤差的影響，利用三維激光地形掃描儀得到的 DEM 中往往含有許多離散點數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生噪點，因此，建模前首先要對數(shù)據(jù)進行診斷處理，即運用相應(yīng)算法對數(shù)據(jù)進行平滑、對齊、濾波等處理工作，為模型的構(gòu)建做好準備。接下來，根據(jù)定位小球的位置，完成點云數(shù)據(jù)的拼合、濾波、精簡、曲面生成等操作，形成完整的坡面DEM。細溝溝長、溝寬及溝深等數(shù)據(jù)通過ArcGIS 10的空間分析功能提取得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對細溝邊壁的塑造過程

2.1.1 溯源侵蝕與溝頭前進

溯源侵蝕是發(fā)生在細溝溝頭部位的侵蝕產(chǎn)沙過程，在溯源侵蝕作用下，溝頭前進和多條細溝的連通是坡面細溝長度增加的主要方式。通過對比降雨前后細溝累積長度之差，作為溝頭前進的變化量，對溯源侵蝕作用進行定量研究。根據(jù)圖1a的統(tǒng)計結(jié)果，66、94、127 mm/h三種雨強下，細溝累積長度分別介于0.5～5.3、1.3～9.7、1.2～9.0 m之間，隨降雨場次的增加，增加的幅度逐漸變小。同一降雨歷時下，細溝累積長度94 mm/h > 127 mm/h> 66 mm/h，說明在雨強適中的情況下溯源侵蝕最強烈，溝頭前進最活躍；當(dāng)降雨強度過大，細溝網(wǎng)發(fā)育達到穩(wěn)定的時間較短，導(dǎo)致細溝累積長度的增加幅度減??；當(dāng)降雨強度過小，細溝徑流能量較小，溯源侵蝕減弱。

圖1 細溝形態(tài)隨降雨的變化Fig.1 Changes of rill morphology with rainfall

2.1.2 重力侵蝕與溝壁坍塌

溝壁坍塌是發(fā)生在溝壁的侵蝕產(chǎn)沙過程，在重力侵蝕作用下，溝壁坍塌和相鄰細溝的合并是細溝加寬的主要方式。采用降雨前、后細溝平均寬度之差，作為溝壁坍塌的變化量，對重力侵蝕作用進行定量研究。根據(jù)圖1b的統(tǒng)計結(jié)果，66、94、127 mm/h三種雨強下，細溝平均寬度分別變化于4.7～8.7、3.3～10.5、3.4～12.6 cm，降雨強度對細溝寬度的影響不明顯，但在不同的降雨歷時下，細溝寬度變化表現(xiàn)出明顯的分異規(guī)律。分析其原因，重力作用受降雨強度的影響較小，而與降雨入滲、土體含水量關(guān)系密切，因此細溝溝壁崩塌現(xiàn)象在不同降雨強度下變化不明顯，而在不同的降雨歷時下表現(xiàn)出明顯的分異性。

2.1.3 徑流剪切分散與溝底下切

溝底下切是發(fā)生在溝床底部的侵蝕產(chǎn)沙過程，在徑流剪切分散作用下，溝底下切侵蝕和細溝內(nèi)再次出現(xiàn)的下切溝頭的進一步溯源侵蝕是細溝加深的主要方式。采用降雨前后細溝平均深度之差，作為溝底下切的變化量，對徑流的剪切分散作用進行定量研究。根據(jù)圖1c的統(tǒng)計結(jié)果，66、94、127 mm/h三種雨強下，細溝平均深度分別變化于 2.8～6.5、3.8～9.2、3.7～12.8 cm，且對降雨強度表現(xiàn)出較強的分異規(guī)律。同一降雨歷時下，細溝平均深度127 mm/h > 94 mm/h > 66 mm/h，且隨著降雨歷時的增加，呈波動增加趨勢。分析其原因，一方面隨著降雨強度的增加，細溝徑流剪切力增大，侵蝕作用增加；另一方面，細溝內(nèi)的水流為水沙二相流，侵蝕作用的增大使細溝內(nèi)水流含沙量增加，而含沙量的變化會影響坡面流水動力學(xué)參數(shù)，從而間接影響坡面徑流能量消耗。

2.2 細溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系

為揭示細溝形態(tài)特征參數(shù)之間的關(guān)系，通過相關(guān)分析，判斷其內(nèi)在聯(lián)系。圖 2所示為點繪的細溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，其中細溝累積長度與平均密度之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R= 0.90；細溝累積長度與平均深度之間呈現(xiàn)較明顯的指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R= 0.88；細溝平均寬度與平均深度之間呈現(xiàn)明顯的指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R= 0.93?？梢?，細溝形態(tài)參數(shù)之間并不是相互獨立的，而是相互影響、相互聯(lián)系的，細溝形態(tài)的演變不是一個單向的發(fā)展過程，而是一個多維度變化過程。在坡面侵蝕系統(tǒng)內(nèi)部溯源侵蝕、重力侵蝕、徑流剪切并不是獨立發(fā)生的，而是一個相互耦合的協(xié)同作用系統(tǒng)，細溝形態(tài)的變化受控于各作用力間的對比關(guān)系，是坡面侵蝕系統(tǒng)能量的綜合反映。

圖2 細溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between rill morphology parameters

2.3 細溝形態(tài)與產(chǎn)沙過程之間的關(guān)系

為揭示細溝形態(tài)變化與坡面產(chǎn)沙過程的耦合關(guān)系，圖3、圖4點繪了細溝形態(tài)參數(shù)與含沙量、侵蝕率之間的關(guān)系。由圖可見，細溝累積長度、平均寬度、平均深度與徑流含沙量、徑流侵蝕速率間均存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)r> 0.70，呈較顯著相關(guān)，說明細溝的形成和發(fā)展與坡面水沙過程的關(guān)系密切，且溝頭前進、溝壁擴張、溝頭下切對坡面產(chǎn)沙過程的影響基本一致。一方面，細溝形成后，為徑流和侵蝕產(chǎn)物提供了輸送通道，坡面水流由面流轉(zhuǎn)變?yōu)闇蟽?nèi)集中股流，水流性質(zhì)的轉(zhuǎn)變引起侵蝕量的急劇增加，必將使坡面水沙關(guān)系發(fā)生變化；另一方面，細溝形態(tài)在演變過程中，通過分叉、分級、密度、頻度、數(shù)目以及長度等因素，影響著溝內(nèi)水流結(jié)構(gòu)，從而影響坡面侵蝕過程中的徑流、入滲、泥沙輸移和匯流等，尤其對于黏粒含量低的黃土，侵蝕過程中易發(fā)生細溝邊壁的劇烈變化，必將引起水沙過程發(fā)生顯著改變。

圖3 細溝形態(tài)與含沙量的關(guān)系Fig.3 Relationship between rill morphology and sediment concentration

圖4 細溝形態(tài)與侵蝕率的關(guān)系Fig.4 Relationship between rill morphology and erosion rate

3 結(jié) 論

本研究以坡面細溝形態(tài)為切入點，通過實體模擬試驗和三維激光地形掃描，跟蹤細溝網(wǎng)絡(luò)發(fā)展全過程，量化其發(fā)育演化規(guī)律，對坡面侵蝕過程中的溯源侵蝕、重力作用、徑流剪切作用進行了定量研究，揭示了細溝形態(tài)參數(shù)之間及與產(chǎn)沙過程之間的關(guān)系。結(jié)果表明：

1）降雨強度對細溝長度、深度的影響顯著，細溝寬度受降雨歷時的影響較大，不同雨強、歷時下細溝形態(tài)發(fā)育的分異規(guī)律顯著。

2）細溝形態(tài)參數(shù)之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系，其中細溝累積長度與平均寬度呈線性關(guān)系，累積長度、平均寬度與平均深度之間呈明顯的指數(shù)關(guān)系。細溝形態(tài)與含沙量、侵蝕速率之間存在著顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3）細溝形態(tài)參數(shù)與含沙量、侵蝕率之間均呈較顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，說明細溝的形成和發(fā)展與坡面水沙過程的關(guān)系密切，且溝頭前進、溝壁擴張、溝頭下切對坡面產(chǎn)沙過程的影響基本一致。

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