趙 滿 王文龍，，3? 郭明明 康宏亮 白 蕓 楊 波 王文鑫陳卓鑫

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）（2 榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西榆林 719000）（3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近年來陜北風(fēng)沙區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目（煤炭、石油、天然氣開采、公路建設(shè)等）規(guī)模日益擴(kuò)大，大面積地表開挖—轉(zhuǎn)移—堆置形成的大量工程堆積體已對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。由于管理措施較為粗放，加之氣候、地形等因素的影響，堆積體坡面水土流失異常嚴(yán)重，并引起了廣泛關(guān)注［1-2］。

生產(chǎn)建設(shè)活動形成的工程堆積體具有物質(zhì)組成復(fù)雜、固結(jié)性差、坡度陡等特點(diǎn)［3］，研究表明堆積體坡面物質(zhì)可蝕性為擾動前的10倍～100倍［4］，在暴雨條件下坡面侵蝕形式多樣［5］、侵蝕模數(shù)巨大［6］，屬于典型的人為加速侵蝕［7］。此外，生產(chǎn)建設(shè)活動中對地表和地下巖土層的擾動，導(dǎo)致堆積體土壤中常有大量礫石（粒徑≥2mm）存在［8］；礫石可改變土壤結(jié)構(gòu)和物理特性［9］，并通過其自身特性以及在土壤中的排列分布、含量等對堆積體坡面徑流特性和侵蝕特征產(chǎn)生重要影響［10-12］；礫石對土壤侵蝕的影響在一些著名的土壤侵蝕模型如EUROSEM［13］、LISEM［14］、RUSLE［15］中均有體現(xiàn)，國內(nèi)外諸多學(xué)者也對此進(jìn)行了大量相關(guān)研究：Poesen等［16］認(rèn)為礫石可促進(jìn)土壤侵蝕，而Rieke-Zapp等［17］發(fā)現(xiàn)礫石（礫石含量5%、10%、20%、40%）可有效減少坡面侵蝕；王雪松等［18］對紅壤堆積體研究發(fā)現(xiàn)，礫石（礫石含量10%、20%、30%）可以促進(jìn)坡面侵蝕，而在相同礫石含量條件下，李建明等［19］卻發(fā)現(xiàn)礫石對塿土堆積體坡面侵蝕有抑制作用；室內(nèi)模擬降雨（礫石含量10%、20%、30%）［20］和野外原位小區(qū)放水試驗(yàn)（礫石含量25%、40%）［21］均表明，礫石對紫色土堆積體坡面侵蝕具有抑制作用。綜上，礫石對堆積體坡面侵蝕產(chǎn)沙因其質(zhì)量含量和土壤類型的不同而存在較大差異性，但目前針對含礫石堆積體的研究多集中在黃土區(qū)［22］、紅壤區(qū)［23］和紫色土區(qū)［24］，風(fēng)沙土作為一種在陜北地區(qū)分布廣泛的土壤類型，其土壤黏粒含量少，團(tuán)聚體含量低，結(jié)構(gòu)性差，相同降雨條件下較其他類型土壤的侵蝕過程更加劇烈復(fù)雜［25］，在生產(chǎn)建設(shè)過程中，風(fēng)沙土堆積體坡面在摻雜不同質(zhì)量含量的礫石后其坡面徑流特性和侵蝕產(chǎn)沙過程尚需進(jìn)一步明確。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省靖邊縣，地處毛烏素沙地南緣，跨長城南北，居陜、甘、寧、蒙四省交界地帶（3 6°5 8′～3 8°0 3′N、108°17′～109°20′E），東西寬91.3 km，南北長116.2 km，總面積1.06萬km2；煤炭、石油、天然氣儲量豐富，是我國“西氣東輸”工程的重要樞紐，也是我國主要能源基地；該區(qū)位于我國黃土高原北部風(fēng)蝕水蝕交錯帶，屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫10°C，年平均降雨量為443.5 mm，且多以暴雨形式出現(xiàn)在夏秋兩季。區(qū)內(nèi)土壤類型主要為風(fēng)沙土，以灌木為主的植被覆蓋率為37.34%，部分地區(qū)近年來由于煤礦開采和道路建設(shè)等大量人為擾動，導(dǎo)致植被蓋度急劇下降，生態(tài)環(huán)境脆弱，同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失。

1.2 供試材料

試驗(yàn)所用土壤取自陜西省靖邊縣，類型屬于砂壤土。過6 mm篩去除雜物后測量其含水量，通過人工灑水或者陰涼處風(fēng)干的方法，保證裝填時(shí)其含水量在10%左右，土壤顆粒粒徑和有機(jī)質(zhì)含量如表1所示。試驗(yàn)所需礫石取自陜西省山陽縣高速公路附近山體自然滑坡體，經(jīng)機(jī)械粉碎、分選獲取，并以野外侵蝕產(chǎn)沙過程中礫石能夠被搬運(yùn)的粒徑范圍為依據(jù)，確定試驗(yàn)礫石粒徑為2～50 mm。試驗(yàn)前對研究區(qū)內(nèi)70多處生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目堆積體進(jìn)行實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，粒徑2 mm≤D＜14 mm、14 mm≤D＜25 mm、25 mm≤D的礫石分別占到樣本數(shù)的31%、48%、21%，故將粉碎后礫石過14 mm、25 mm、50 mm篩，將其分為2～14 mm、14～25 mm、25～50 mm三個(gè)等級，并按照質(zhì)量比3∶5∶2進(jìn)行混合，作為試驗(yàn)用礫石；礫石質(zhì)量含量低于40%的堆積體坡面占到調(diào)查總數(shù)的90%以上，所以將礫石按照質(zhì)量含量10%、20%、30%分別與土壤均勻混合后裝填，并設(shè)置0作為對照。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與指標(biāo)測定

試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所人工降雨大廳進(jìn)行。通過收集研究區(qū)多年降雨氣象資料，統(tǒng)計(jì)夏、秋時(shí)節(jié)發(fā)生暴雨時(shí)頻率較高的30 min雨強(qiáng)作為本次試驗(yàn)雨強(qiáng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，最終將雨強(qiáng)設(shè)計(jì)為1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min-1，降雨場次為16場。試驗(yàn)所用徑流小區(qū)為降雨大廳內(nèi)液壓式可升降變坡鋼槽，規(guī)格為5 m×1 m×0.5 m，底部設(shè)有滲水孔，據(jù)工程堆積體坡面土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)建設(shè)要求，將小區(qū)坡度定為25°［26］（圖1）。槽底均勻鋪上一層5 cm厚細(xì)沙，并在細(xì)沙層表面墊上紗布，以滿足野外降雨條件下入滲過程。為便于控制土體容重，設(shè)計(jì)進(jìn)行土體分層裝填：土層總厚度為45 cm，分為下、中、上三層，厚度依次為20 cm、15 cm、10 cm；下層、中層均夯實(shí)，表面進(jìn)行打磨處理，使土層之間更易結(jié)合，根據(jù)野外調(diào)查資料，容重控制在1.30 g·cm-3；上層土體不夯實(shí)，但土層表面要整平，容重控制在1.10 g·cm-3。根據(jù)Mehuys等［27］提出的土石體容重公式來計(jì)算每次裝填土石量。

表1 土壤顆粒機(jī)械組成及有機(jī)碳含量Table 1 Soil particle size composition and organic carbon contents for tested soil

式中，ρT為土石體容重，g·cm-3；ρb為風(fēng)沙土容重，試驗(yàn)中下、中、上層依次為1.30、1.30、1.10 g·cm-3；ρs為礫石密度，2.65 g·cm-3；W為礫石質(zhì)量含量，%。每次試驗(yàn)結(jié)束后用相同方法進(jìn)行裝填。

圖1 模擬降雨試驗(yàn)布設(shè)簡圖Fig.1 Layout of the simulated rainfall experiment

試驗(yàn)在模擬降雨系統(tǒng)中的下噴區(qū)進(jìn)行，該區(qū)降雨噴頭高度為18 m（圖1），可滿足自然降雨條件下雨滴降落的終點(diǎn)速度，各次試驗(yàn)的降雨均勻度均高于80%。正式試驗(yàn)前率定雨強(qiáng)：首先用雨布將小區(qū)遮蓋，在降雨場地四角各放置一個(gè)雨量筒，測定單位時(shí)間、單位面積降雨量，保證4個(gè)雨量筒所測得雨強(qiáng)與設(shè)計(jì)雨強(qiáng)相對誤差不高于5%；雨強(qiáng)率定完畢后，揭開小區(qū)上方的雨布，待坡面開始產(chǎn)流后，記錄初始產(chǎn)流時(shí)間；用量筒在集流槽口處收集泥沙樣品，同時(shí)用秒表記錄接樣時(shí)間，用精度為0.01g的電子秤稱量所接泥沙樣品質(zhì)量，樣品在烘箱中烘干后再稱量泥沙干重。試驗(yàn)小區(qū)從坡頂開始每隔1 m用線繩劃分出一個(gè)斷面，坡面開始產(chǎn)流后用高錳酸鉀染色法來測量斷面處流速，用秒表記錄時(shí)間，用鋼尺來測量坡面徑流寬度。

1.4 數(shù)據(jù)分析與繪圖

（1）徑流深h：測量時(shí)段內(nèi)坡面平均徑流水深，計(jì)算公式如下：式中，h為徑流深，m；q為t時(shí)間內(nèi)的徑流量，m3；t為徑流取樣時(shí)間，s；V為斷面處平均流速，m·s-1；b為過水?dāng)嗝鎸挾龋琺。

（2）徑流率Q：通過觀測時(shí)間段內(nèi)樣品重量減去烘干后泥沙重量獲得，計(jì)算公式為：式中，Q為徑流率，L·min-1；M2為渾水樣品重量，g；M1為烘干后泥沙重量，g；ρ為水密度，1.0 g·cm-3。

第三，高校要利用“互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)管”的方式來營造良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來拓展了大學(xué)生企業(yè)家精神教育的新內(nèi)容，形成了開放、互通、共享的教學(xué)模式，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了從大一統(tǒng)教學(xué)到個(gè)性化教學(xué)的轉(zhuǎn)變，大學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。但是龐大冗雜的信息、開放自由的環(huán)境也給正處于成長期的大學(xué)生提供了負(fù)面信息傳播和宣泄的場所，高校要實(shí)時(shí)對互聯(lián)網(wǎng)中良莠不齊的信息進(jìn)行篩選與甄別，及時(shí)關(guān)注學(xué)生的思想形態(tài)，營造風(fēng)清氣正、積極向上的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（3）雷諾數(shù)Re：判別水流是層流或紊流的定量標(biāo)準(zhǔn)，屬于無量綱參數(shù)，計(jì)算公式為：式中，R 為水力半徑，m；ν 為水流黏滯系數(shù)，m2·s-1，與溫度有關(guān)，通過試驗(yàn)時(shí)測得水溫計(jì)算。

（4）弗汝德數(shù)Fr：判別水流是急流或紊流的定量標(biāo)準(zhǔn)，屬于無量綱參數(shù)，計(jì)算公式為：式中，g為重力加速度，9.8 m·s-2。

（5）Darcy-Weisbach阻力系數(shù)f：徑流流動過程中受到來自于水土界面阻礙水流運(yùn)動力的總稱，計(jì)算公式為：式中，R為水力半徑，薄層水流可用徑流深h代替，m；J為水力能坡，J=sinθ，θ為坡度。

（6）侵蝕速率D：單位時(shí)間內(nèi)一定面積內(nèi)泥沙輸移質(zhì)量，計(jì)算公式為：式中，D為侵蝕速率，g·m-2·s-1；M為測量時(shí)間段內(nèi)泥沙干重，g；L為坡長，m。

采用SPSS 18.0、Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，采用Origin 8.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 不同礫石含量工程堆積體徑流特征

2.1.1 徑流率 由圖2可知，各礫石含量堆積體徑流率均隨雨強(qiáng)增大而增大。雨強(qiáng)為1.0、1.5 mm·min-1時(shí)，各礫石含量堆積體徑流率增長率分別為0.03～0.05 L·min-2、0.06～0.10 L·min-2，隨礫石含量增加徑流率增幅較小。2.0 和2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下，徑流率呈產(chǎn)流前期（0～9 min）迅速增加，中后期（9～42 min）波動增長趨勢：2.0和2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下，0～9 min內(nèi)土質(zhì)坡面徑流率增長率為0.15～0.26 L·min-2，10%、20%、30%礫石含量坡面為0.26～0.49 L·min-2，分別為同等雨強(qiáng)下土質(zhì)坡面的1.46倍～2.33倍；9～42 min內(nèi)，土質(zhì)坡面為0.13～0.24 L·min-2，含礫石坡面為0.03～0.15 L·min-2，分別為土質(zhì)坡面的0.23倍～0.92倍。

圖3為平均徑流率隨雨強(qiáng)和礫石含量變化關(guān)系。由圖3a可知，0、10%、20%和30%礫石含量坡面平均徑流率均隨雨強(qiáng)增大而增大，變化范圍分別為1.11～2.41 L·min-1、1.42～3.70 L·min-1、3.12～5.90 L·min-1、5.92～7.45 L·min-1，回歸分析表明，各礫石含量坡面平均徑流率與雨強(qiáng)均呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系（R2=0.942～0.983，P＜0.05），其中30%時(shí)二者關(guān)系最好（P＜0.01）。對產(chǎn)流過程（圖2）分析可知，1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下徑流率均隨礫石含量的增加呈先減后增趨勢，在1 0%礫石含量時(shí)最小，分別為1.1 2、1.42、5.92 L·min-1；相比土質(zhì)坡面，1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下10%礫石含量坡面平均徑流率減幅為5.03%～39.99%，20%、30%礫石含量坡面平均徑流率增幅分別為7.48%～74.56%、19.51%～84.31%。

為明確雨強(qiáng)和礫石含量對徑流率的影響，逐步回歸分析徑流率與雨強(qiáng)和礫石含量的關(guān)系，結(jié)果表明徑流率與二者呈極顯著線性關(guān)系（式（8））。式中，Q 為徑流率，L·m i n-1；I 為雨強(qiáng)，mm·min-1；G為礫石質(zhì)量含量，%。

圖2 不同礫石含量和雨強(qiáng)條件下徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化Fig. 2 Variation of runoff rate with time on slopes of the stacks relative to gravel concentration and rainfall intensity

圖3 平均徑流率隨雨強(qiáng)和礫石含量的變化Fig. 3 Variation of mean runoff rate with rainfall intensity and gravel concentration

2.1.2 徑流流態(tài)、流型和阻力系數(shù) 圖4為各雨強(qiáng)下Re、Fr、f隨礫石含量的變化。由圖4a可知，各礫石含量坡面Re均隨雨強(qiáng)增大而增大，土質(zhì)坡面Re與雨強(qiáng)呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.05）；試驗(yàn)Re分布范圍為36.64～705.8，除2.5 mm·min-1雨強(qiáng)條件下土質(zhì)坡面徑流流型為紊流外，其余雨強(qiáng)和礫石含量條件下坡面徑流流型均為層流。試驗(yàn)Fr分布范圍為0.72～1.62，土質(zhì)坡面Fr分布范圍為1.28～1.62，坡面徑流流態(tài)為急流；含礫石坡面Fr分布范圍為0.72～1.18，坡面徑流流態(tài)主要為緩流；相較土質(zhì)坡面，四種雨強(qiáng)下10%、20%、30%礫石含量坡面Fr減幅分別為6.06%～27.50%、16.09%～37.82%、28.63%～44.36%。由圖4c可知，各雨強(qiáng)下坡面徑流阻力系數(shù) f 隨礫石含量增加總體呈增長趨勢；土質(zhì)坡面 f 范圍為1.80～3.05，含礫石坡面 f 范圍為2.73～6.97；相較土質(zhì)坡面，各雨強(qiáng)下10%、20%、30%礫石含量坡面 f 增幅分別為24.07%～114.1%、51.84%～141.6%、89.04%～288.2%。

圖4 不同雨強(qiáng)條件下Re、Fr、f 隨礫石含量的變化Fig. 4 Variations of Re, Fr, f with gravel concentration and rainfall intensity

2.2 不同礫石含量工程堆積體產(chǎn)沙特征

2.2.1 侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)變化 圖5為堆積體坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化。除1.0 mm·min-1雨強(qiáng)下土質(zhì)坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)增加而逐漸減小外，整體上，土質(zhì)和10%礫石含量坡面侵蝕速率呈現(xiàn)減小—穩(wěn)定—波動增長的過程；其中土質(zhì)坡面在1.5、2.0、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下侵蝕速率發(fā)生突增的時(shí)間分別為39 min、30 min、21 min，侵蝕速率發(fā)生突增的時(shí)間隨雨強(qiáng)增大而逐漸提前；10%礫石含量坡面在1.0、1.5 mm·min-1雨強(qiáng)下分別在產(chǎn)流33、36 min侵蝕速率出現(xiàn)突增，2.0、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下侵蝕速率在0～6 min內(nèi)下降，隨后呈波動增長。在各雨強(qiáng)下，土質(zhì)坡面侵蝕速率變化范圍為0.15～50.78 g·m-2·s-1，變異系數(shù)CV變化范圍為16%～114%；而20%、30%礫石含量坡面侵蝕速率波動范圍分別為0.24～11.38 g·m-2·s-1、0.13～13.58 g·m-2·s-1，CV變化范圍分別為57%～77%、35%～72%；可以看出，相比于土質(zhì)坡面，20%、30%礫石含量坡面侵蝕速率變化范圍和波動性均較小。

2.2.2 礫石含量對次降雨侵蝕量影響 由圖6可知，各礫石含量堆積體次降雨侵蝕量均隨雨強(qiáng)增大而增大；土質(zhì)坡面次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)呈顯著線性函數(shù)關(guān)系（P＜0.05），含礫石坡面次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)均呈顯著冪函數(shù)關(guān)系（P＜0.05）。雨強(qiáng)為1.0 mm·min-1時(shí)，10%、20%、30%礫石含量坡面次降雨侵蝕量分別為土質(zhì)坡面的8.61倍、5.57倍、4.64倍，含礫石坡面侵蝕量均要高于土質(zhì)坡面。雨強(qiáng)為1.5、2.0、2.5 mm·min-1時(shí)，土質(zhì)坡面次降雨侵蝕量最大，分別為51.16 kg、93.64 kg、199.32 kg，與之相比，三種雨強(qiáng)下10%、20%、30%礫石含量坡面次降雨侵蝕量分別減少22.80%～50.08%、37.06%～66.49%、41.08%～68.50%，含礫石坡面侵蝕量均要低于土質(zhì)坡面。

為明確雨強(qiáng)和礫石含量對次降雨侵蝕量的影響，逐步回歸分析次降雨侵蝕量與雨強(qiáng)和礫石含量的關(guān)系表明，次降雨侵蝕量與二者呈極顯著線性關(guān)系（式（8））。式中，E 為次降雨侵蝕量，k g；I 為雨強(qiáng)，mm·min-1；G為礫石含量，%。

圖5 不同雨強(qiáng)和礫石含量條件下坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化Fig.5 Variation of erosion rate with time, gravel concentration and rainfall intensit

2.3 次降雨侵蝕量與徑流特性關(guān)系

圖6 不同雨強(qiáng)條件下次降雨侵蝕量隨礫石含量的變化Fig. 6 Soil erosion rate relative to rainfall intensity and gravel concentration

圖7為次降雨侵蝕量隨各徑流特性參數(shù)的變化。為進(jìn)一步明確侵蝕量與徑流特性之間關(guān)系，本文對16場降雨所得徑流率、雷諾數(shù)、弗汝德數(shù)、徑流阻力系數(shù)與次降雨侵蝕量分別進(jìn)行了相關(guān)性分析和回歸分析，相關(guān)性分析表明：次降雨侵蝕量與徑流率、Re、Fr分別呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，但與 f 相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)依次為0.711、0.891、0.550、-0.452，徑流率、Re、Fr對次降雨侵蝕量具有顯著影響；回歸分析表明，次降雨侵蝕量與徑流率、f 呈顯著冪函數(shù)關(guān)系，與Re、Fr呈顯著線性函數(shù)關(guān)系，具體表達(dá)式如圖7所示。

3 討 論

3.1 礫石對徑流特性的影響

圖7 次降雨侵蝕量隨徑流特性變化Fig. 7 Variation of soil erosion with characteristics of runoff

本研究表明，1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下10%礫石含量土體平均徑流率要低于0、20%、30%，這與部分學(xué)者對黃綿土［28］、紅壤［23］的研究結(jié)果類似，但也有研究表明紫色土在30%礫石質(zhì)量含量時(shí)徑流率最小［20］，這與紫色土質(zhì)地較為細(xì)密，孔隙度小，礫石對其土壤結(jié)構(gòu)影響較小有關(guān)。礫石與土壤混合后會破壞土壤固有結(jié)構(gòu)，使土壤孔隙度增大、入滲量增加，導(dǎo)致徑流量減?。?9］，但礫石也會增大坡面土體粗糙度，使徑流彎曲度增加、路徑延長，從而減小入滲、增大徑流量［30］。本次試驗(yàn)，礫石對徑流率的影響呈現(xiàn)出“兩面性”，礫石對入滲的促進(jìn)與抑制作用相互疊加，使徑流率隨礫石含量增加呈現(xiàn)出先減后增趨勢。

雷諾數(shù)R e 和弗汝德數(shù)F r 分別為表征水流流態(tài)和流型的重要參數(shù)。本次試驗(yàn)雷諾數(shù)集中在30～700，各礫石含量坡面徑流以層流為主，這與模擬上方來水試驗(yàn)結(jié)果（43≤Re≤770）［31］或者模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果（300≤Re≤500）［32］基本一致；雨強(qiáng)對雷諾數(shù)影響顯著（P＜0.05），且二者呈正相關(guān)關(guān)系。土質(zhì)坡面徑流為急流（1.28≤Fr≤1.62），這與李占斌等［33］研究結(jié)論相似，但略小于張樂濤等［34］對工程堆積體的研究結(jié)果，主要是因?yàn)楹笳咂露群推麻L較大，水流匯集程度較高，使得徑流紊動程度增強(qiáng)。相比于土質(zhì)坡面，含礫石坡面以緩流為主（0.72≤Fr≤1.18），且弗汝德數(shù)減幅明顯，這與李宏偉等［35］研究結(jié)果基本一致，主要是因?yàn)榈[石使坡面徑流分散程度高，難以匯聚。本研究中含礫石坡面阻力系數(shù)較土質(zhì)坡面增幅明顯，這主要是由于礫石一方面增大了水、土接觸面粗糙度，另一方面也使坡面徑流路徑更加曲折延長，導(dǎo)致溝槽對徑流阻礙作用增大［33］。

3.2 礫石對侵蝕產(chǎn)沙影響

降雨過程中，坡面侵蝕形式主要由濺蝕發(fā)展為面蝕，再到溝蝕［36］，侵蝕速率可以反映坡面在某個(gè)時(shí)刻的侵蝕狀況［19］；2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下，風(fēng)沙土坡面平均侵蝕速率高達(dá)14.67 g·m-2·s-1，是相同雨強(qiáng)下紅壤的98倍、塿土的4.5倍［18-19］；其他類型土壤諸如紅壤、黃綿土、紫色土等產(chǎn)流過程中侵蝕速率一般呈現(xiàn)增加—衰減—穩(wěn)定趨勢，而風(fēng)沙土侵蝕速率則呈減小—穩(wěn)定—波動增加趨勢，產(chǎn)流過程中有“突變”現(xiàn)象出現(xiàn)，且波動次數(shù)要明顯多于其他土壤，特別是在產(chǎn)流中后期，其侵蝕速率仍在逐漸增大。1.0 mm·min-1雨強(qiáng)下土質(zhì)坡面侵蝕速率隨降雨歷時(shí)變化幅度較小，主要是由于坡面侵蝕形式為濺蝕和面蝕［37］，侵蝕速率呈下降趨勢則是坡面薄層水流流動過程中入滲量較大所導(dǎo)致［32］。1.5、2.0、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下，土質(zhì)和10%礫石含量坡面產(chǎn)流過程中侵蝕速率呈現(xiàn)較大波動性，并且產(chǎn)流過程中侵蝕速率有突變現(xiàn)象；侵蝕速率的“波動和突變”與坡面侵蝕溝的出現(xiàn)直接相關(guān)，主要是由侵蝕溝發(fā)育過程中出現(xiàn)的重力侵蝕現(xiàn)象（溝壁崩塌、坡面土壤滑塌）所導(dǎo)致［37-38］，這也表明風(fēng)沙土堆積體坡面在較大雨強(qiáng)下，不僅有溝蝕出現(xiàn)，同時(shí)伴有重力侵蝕，二者互相促進(jìn)，造成侵蝕形式較為復(fù)雜多變。20%、30%礫石含量坡面在4種雨強(qiáng)下侵蝕速率變化范圍均較小，主要是因?yàn)榈[石周圍松散顆粒被水流沖刷殆盡后，出露于坡面的礫石“覆蓋”在坡面表面，有效地抑制了雨滴濺蝕，延緩了地表結(jié)皮形成［39］；當(dāng)坡面裸露礫石數(shù)量較多時(shí)，相應(yīng)的侵蝕溝的形成和發(fā)育程度較低，也即礫石阻礙侵蝕溝的發(fā)育，并可以抑制溝頭溯源、溝岸擴(kuò)張、溝床下切，降低了溝壁重力侵蝕發(fā)生幾率，因此導(dǎo)致侵蝕速率波動范圍和波動性均變小。

因土壤類型、雨強(qiáng)等因素的不同，礫石或促進(jìn)侵蝕，或抑制侵蝕：有研究發(fā)現(xiàn)，塿土堆積體隨礫石含量增加，侵蝕量逐漸減?。?9］，對黃綿土的研究表明，侵蝕產(chǎn)沙量受礫石含量變化的影響較?。?8］；相同礫石質(zhì)量含量紅壤堆積體因雨強(qiáng)、坡度不同，礫石對侵蝕量的影響也存在較大差異［18,23］。本研究中1.0 mm·min-1雨強(qiáng)下，土質(zhì)坡面侵蝕量低于含礫石坡面。由上文可知，雨強(qiáng)較小時(shí)，土質(zhì)坡面主要發(fā)生濺蝕和面蝕，所以在降雨過程中容易產(chǎn)生結(jié)皮，此外，該雨強(qiáng)下坡面徑流流速較緩，且多為層流，對泥沙的搬運(yùn)能力也較弱，故侵蝕量較??；含礫石坡面則因?yàn)榈[石的存在，增大了土壤孔隙度，抑制了結(jié)皮現(xiàn)象的發(fā)生，并使礫石周圍土壤成為侵蝕易發(fā)區(qū)［40］，因而侵蝕量要相對較大。1.5、2.0、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下，相比于土質(zhì)坡面，含礫石坡面侵蝕量減幅明顯；且當(dāng)雨強(qiáng)≥2.0 mm·min-1時(shí)，侵蝕量與礫石含量呈負(fù)相關(guān)，分析其原因，主要有兩方面：（1）本研究中，隨礫石含量增加，徑流流態(tài)變緩（圖4b），坡面徑流阻力系數(shù)上升（圖4c），相比于土質(zhì)坡面，含礫石坡面徑流流速下降，同時(shí)徑流用于克服坡面阻力所消耗的能量增加，導(dǎo)致其侵蝕、攜沙能力下降；（2）礫石與土壤混合裝填后，礫石均勻分布在土層中，礫石裸露度與礫石含量呈正相關(guān)，隨堆積體礫石含量的增加，坡面礫石裸露度會逐漸增大，導(dǎo)致徑流攜沙量下降［41］，同時(shí)坡面會產(chǎn)生“鎧甲效應(yīng)”［42］，保護(hù)坡面免受侵蝕，二者共同作用，使侵蝕量下降。

4 結(jié) 論

采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)方法，研究了四種礫石含量（0、10%、20%、30%）對堆積體徑流侵蝕特征的影響，主要結(jié)論如下：土質(zhì)坡面徑流多呈急流態(tài)，而含礫石坡面則以緩流為主。1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)時(shí)，較土質(zhì)坡面，10%礫石含量坡面平均徑流率減幅為5.03%～39.99%，20%、30%礫石含量坡面增幅為7.48%～74.56%、19.51%～84.31%。1.0、1.5 mm·min-1雨強(qiáng)下土質(zhì)和10%礫石含量坡面侵蝕速率隨降雨歷時(shí)呈減小—穩(wěn)定—增大趨勢，2.0、2.5 mm·min-1雨強(qiáng)下，呈波動式增大趨勢；4種雨強(qiáng)下，20%、30%礫石含量坡面侵蝕速率均呈緩慢、平穩(wěn)增加趨勢。1.0 mm·min-1雨強(qiáng)時(shí)，10%、20%、30%礫石含量坡面次降雨侵蝕量為土質(zhì)坡面的8.61倍、5.57倍、4.64倍，當(dāng)雨強(qiáng)＞1.0 mm·min-1時(shí)，則較土質(zhì)坡面分別減少22.80%～50.08%、37.06%～66.49%、41.08%～68.50%。風(fēng)沙土堆積體侵蝕量分別與徑流率、雷諾數(shù)、弗汝德數(shù)、阻力系數(shù)呈顯著線性（冪）函數(shù)關(guān)系。該研究可深入了解風(fēng)沙土區(qū)堆積體坡面侵蝕過程和強(qiáng)度，為工程堆積體邊坡治理措施的布設(shè)提供一定的設(shè)計(jì)參考，同時(shí)今后的研究中要認(rèn)識到重復(fù)試驗(yàn)的重要性，擴(kuò)大、細(xì)化礫石含量的研究范圍，以提高研究的普適性和精準(zhǔn)性。