孫蓓 潘曉穎 李建明

摘要：為科學(xué)治理工程開(kāi)挖坡面水土流失問(wèn)題，采用野外人工模擬降雨試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了5種雨強(qiáng)（30，60，90，120，150 mm/h）和3種坡度（10°，20°，30°），系統(tǒng)分析了不同情景下雨強(qiáng)、坡度、徑流率、徑流流速、水流剪切力及水流功率同坡面剝蝕率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：工程開(kāi)挖坡面剝蝕率?Di與坡度S相關(guān)性不顯著（p>0.05），與雨強(qiáng)I、坡度和雨強(qiáng)的交互作用（I×S ）呈極顯著相關(guān)（p<0.01）?;采用3種常用的細(xì)溝間侵蝕模型來(lái)計(jì)算工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率，就擬合效果而言，冪函數(shù)型坡度因子指標(biāo)更適用于工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率的計(jì)算;采用徑流流速、水流剪切力和水流功率為代表的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)計(jì)算土壤剝蝕率，就擬合效果而言，水流功率是描述其細(xì)溝間侵蝕動(dòng)力過(guò)程的最理想水力參數(shù)。研究成果可為建立工程開(kāi)挖坡面水土流失量預(yù)測(cè)模型提供技術(shù)參數(shù)和依據(jù)。

關(guān)?鍵?詞：工程開(kāi)挖面; 人工模擬降雨; 水動(dòng)力學(xué)參數(shù); 細(xì)溝間侵蝕

中圖法分類(lèi)號(hào)：S157?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.008

隨著我國(guó)大型水利水電、礦山開(kāi)采、城鎮(zhèn)建設(shè)、農(nóng)林開(kāi)發(fā)、石油化工和交通運(yùn)輸?shù)裙こ探ㄔO(shè)項(xiàng)目快速推進(jìn)，工程開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中破壞植被、擾動(dòng)地表、堆棄渣土等引發(fā)的人為水土流失已經(jīng)成為最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，給區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十五”期間，我國(guó)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)土地面積達(dá)到552.8萬(wàn)hm2，其中分布在山地與丘陵區(qū)的占?72.1%?，每年新增的水土流失面積超過(guò)150萬(wàn)hm2，增加的水土流失量超過(guò)3億t?！笆晃濉逼陂g，全國(guó)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的水土流失面積較“十五”增加?11.5%[1]。

工程建設(shè)帶來(lái)的人為水土流失問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，目前大多數(shù)研究集中地礦產(chǎn)開(kāi)采及道路建設(shè)所產(chǎn)生的松散堆積物的侵蝕問(wèn)題。開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中擾動(dòng)地表，破壞植被改變了原地貌的土壤侵蝕分布規(guī)律，水土流失強(qiáng)度遠(yuǎn)高于自然侵蝕，Lal指出道路施工形成的裸露坡面[2]，加劇了土壤侵蝕和自然沉積過(guò)程。Nyssen研究發(fā)現(xiàn)道路排水方式改變了坡面地表徑流路徑[3]，在坡下易形成侵蝕溝。道路工程建設(shè)對(duì)地表的擾動(dòng)，改變了天然坡面固有的入滲、產(chǎn)流等水文過(guò)程，土壤流失量呈倍數(shù)增長(zhǎng)。王治國(guó)等研究發(fā)現(xiàn)在黃土區(qū)露天礦排土場(chǎng)[4]，原地貌已完全破壞，排土場(chǎng)剝離的巖土呈松散狀，巖土的分散、搬運(yùn)、沉積規(guī)律與天然黃土迥然不同，形成了獨(dú)特的巖土侵蝕。孫虎等通過(guò)人工降雨試驗(yàn)[5]，研究發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)棄土坡面的土壤流失量是裸露撂荒坡面的10.76～12.23倍。

在流失量預(yù)測(cè)方面，現(xiàn)有模型主要包括機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型兩類(lèi)。以WEPP[6]、EUROSEM[7]和ANSWERS[8]為代表的機(jī)理模型，各類(lèi)模型參數(shù)計(jì)算復(fù)雜，且都有一定的限制條件，實(shí)際操作中工程技術(shù)人員難以快速估算土壤流失量。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型因其結(jié)構(gòu)清晰、形式簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于估算坡面土壤流失。許多學(xué)者以坡度、雨強(qiáng)、流量等參數(shù)估算坡面細(xì)溝間土壤流失量。Cao 等提出黃土高原地區(qū)道路邊坡侵蝕速率與降雨強(qiáng)度、坡度和地表徑流率呈冪函數(shù)關(guān)系[9]。程冬兵等采用RUSLE模型結(jié)構(gòu)[10]，結(jié)合野外徑流小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了開(kāi)挖面次降雨侵蝕模型。此外，也有學(xué)者以徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)估算坡面土壤流失量，F(xiàn)ox等[11]和Wu等[12]認(rèn)為徑流流速與坡面土壤流失量直接相關(guān)。徑流功率和徑流切應(yīng)力也常被用于估算坡面土壤流失量[13-14]。工程開(kāi)挖坡面土壤容重大、緊實(shí)度高、坡度較陡，從而致使其土壤流失過(guò)程與天然坡面存在較大差異。在侵蝕性降雨條件下，工程開(kāi)挖邊坡水流沿程不斷有質(zhì)量源的匯入，徑流時(shí)空變化明顯，且下墊面土壤孔隙度較低，入滲能力較差，比天然坡面情況更加復(fù)雜。

綜上所述，關(guān)于工程建設(shè)造成的人為水土流失問(wèn)題，已取得一定的研究成果，但目前關(guān)于工程開(kāi)挖面水土流失特性及其侵蝕機(jī)理的研究還較少，開(kāi)挖坡面土壤侵蝕量預(yù)測(cè)模型研究方面還處于起步階段[15]。本次研究通過(guò)野外人工降雨試驗(yàn)方法，以工程開(kāi)挖坡面為研究對(duì)象，分析侵蝕性降雨條件下工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間侵蝕特性及其流失量預(yù)測(cè)，以期為工程建設(shè)開(kāi)挖造成的人為水土流失量預(yù)測(cè)及控制提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

本次試驗(yàn)研究地點(diǎn)為湖南省新化縣婁新高速公路開(kāi)挖邊坡，選取3種坡度（10°，20°和30°），開(kāi)挖邊坡小區(qū)按簡(jiǎn)易小區(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)長(zhǎng)3 m，寬1 m，在小區(qū)四周開(kāi)槽，邊槽深度達(dá)基巖處，槽壁采用厚度為2 mm的不銹鋼板制造而成，以切斷小區(qū)內(nèi)外徑流交換的通道，在小區(qū)下端插入一“V”型集流槽，通過(guò)集流槽連接到徑流收集桶，以收集地表徑流，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗(yàn)采用長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所可移動(dòng)水土流失實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的下噴搖擺式模擬降雨器，降雨高度為2.5 m，降雨均勻度為85%，有效降雨面積約為2 m×3 m，模擬雨強(qiáng)范圍為20～170 mm/h，模擬降雨近似天然降雨。綜合考慮試驗(yàn)地點(diǎn)發(fā)生侵蝕性降雨的范圍和試驗(yàn)?zāi)康?，最終設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度分別為30，60，90，120，150 mm/h進(jìn)行組合試驗(yàn)。本次試驗(yàn)以開(kāi)挖坡面細(xì)溝間侵蝕過(guò)程為主要研究對(duì)象，當(dāng)開(kāi)挖坡面出現(xiàn)明顯細(xì)溝時(shí)，即停止試驗(yàn)。

野外調(diào)查公路開(kāi)挖坡面土壤容重為1.54～1.58 g/cm3，試驗(yàn)小區(qū)平均容重為1.56±0.21 g/cm3，平均含水率17.6%±0.18%。開(kāi)挖面坡度在10°～70°之間，其中40°～70°占19%，10°～40°占75%，<10°占6%;土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定;對(duì)采集的土樣進(jìn)行顆粒篩分，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖坡面土壤以>1～2 mm土壤顆粒為主，質(zhì)地較粗，土壤（開(kāi)挖面擾動(dòng)土）基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2?試驗(yàn)過(guò)程

每次試驗(yàn)開(kāi)始前都使用遮雨布遮蓋小區(qū)，在小區(qū)周邊擺設(shè)雨量筒對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行率定，直至降雨強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)要求，在開(kāi)挖面上采集土樣，測(cè)定土壤前期含水量，當(dāng)重復(fù)試驗(yàn)的土壤含水量出現(xiàn)較大差異時(shí)，則預(yù)先降一場(chǎng)小雨后靜置24 h，以消除土壤含水量的影響。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至坡面完全產(chǎn)流，量測(cè)出口處的流量和含沙量過(guò)程并記錄時(shí)間。試驗(yàn)過(guò)程中，基于記錄的水流溫度來(lái)計(jì)算水流黏滯系數(shù)，同時(shí)記錄人員要準(zhǔn)備兩塊電子表，一塊用于記錄降雨總時(shí)間，另一塊用于坡面產(chǎn)流后控制采樣人員的采樣時(shí)間。取樣時(shí)間間隔確定為產(chǎn)流初期每1 min一個(gè)樣，3～7 min每2 min取一個(gè)樣，7～10 min每3 min取一個(gè)樣，10 min后每隔5 min取一個(gè)樣。當(dāng)坡面出現(xiàn)明顯細(xì)溝時(shí)，即停止試驗(yàn)。采用烘干法測(cè)量各樣品中的泥沙含量。表面流速采用KMnO4顏料示蹤法測(cè)定，分上、中、下3個(gè)測(cè)量斷面測(cè)定流速，當(dāng)人為操作造成的測(cè)量值過(guò)大或過(guò)小時(shí)，則舍去異常值重新測(cè)量。每次試驗(yàn)重復(fù)2次，以保證試驗(yàn)精度，試驗(yàn)結(jié)束后重新布置新小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。本次研究共設(shè)計(jì)3×5×2=30場(chǎng)試驗(yàn)。

1.3?數(shù)據(jù)分析方法

（1） 地表徑流流速（?V?）。在3個(gè)觀測(cè)斷面采用KMnO4溶液及電子秒表測(cè)定通過(guò)1 m測(cè)距所需的時(shí)間，測(cè)得表面最大流速，取其平均值，乘以校正系數(shù)?0.67?得到地表徑流平均流速[16]，m/s。

（2） 平均水深（h）。本次試驗(yàn)過(guò)程中以觀測(cè)開(kāi)挖坡面細(xì)溝間侵蝕過(guò)程為主，水深較小，難以直接測(cè)定，故采用式（1）進(jìn)行計(jì)算[16]：

h= QV·B·t （1）

式中，h為坡面平均水深，m;Q為地表徑流流量，m3;B為坡面過(guò)水?dāng)嗝鎸挾龋琺;t為時(shí)間，s。

（3） 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算。本文涉及的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)為徑流切應(yīng)力τ[17]和水流功率w[18]，其計(jì)算公式如下：

τ=ρghJ（2）

w=τV（3）

式中，ρ為渾水密度，kg/m3;g為重力加速度，9.8m/s2;J為水力坡度，計(jì)算時(shí)可用坡度的正弦值近似代替。

（4） 土壤剝蝕率?（Di）?為單位時(shí)間單位面積內(nèi)地表徑流搬運(yùn)土壤的質(zhì)量，kg/（s·m2），其計(jì)算公式如下：

Di= MsA·t （4）

式中，Ms為t（s）時(shí)段內(nèi)坡面土壤流失量，kg，由徑流泥沙樣獲取;A為試驗(yàn)小區(qū)面積，m2。

（5） 細(xì)溝間侵蝕量預(yù)測(cè)模型。本文采用了3種常用的坡面細(xì)溝間侵蝕量統(tǒng)計(jì)模型，以研究其在工程開(kāi)挖面細(xì)溝間侵蝕量預(yù)測(cè)的適用性。

模型1（Model 1）采用WEPP細(xì)溝間侵蝕方程[19]：

Di=KiQSfI（5）

式中，Ki為細(xì)溝間可蝕性因子，kg·s/m4;Q為平均徑流強(qiáng)度，m/s;Sf為坡度因子，Sf=1.05-0.85e?-4sinθ?，θ為試驗(yàn)小區(qū)坡度;I為雨強(qiáng)，m/s。

模型2（Model 2）采用Kinnell提出的包含徑流因子在內(nèi)的細(xì)溝間侵蝕方程[20]：

Di=KiQSI（6）

式中，Q為平均徑流率，m/s;S為試驗(yàn)小區(qū)坡度。

模型3（Model 3）采用Bulygin等提出的細(xì)溝間侵蝕方程[21]：

Di=KiQS?2/3?I（7）

采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，方差分析中運(yùn)用LSD（最下極差法）進(jìn)行多重比較，顯著性水平p

NSE=1- （Oi-Oc）2（Oi-Om）2（8）

式中，Oi為實(shí)測(cè)值，Oc為計(jì)算值，Om為實(shí)測(cè)值的平均值。

2?結(jié)果與分析

2.1?雨強(qiáng)、坡度及徑流率與土壤剝蝕率間關(guān)系

徑流產(chǎn)沙參數(shù)與雨強(qiáng)I、坡度S及雨強(qiáng)與坡度交互作用（I×S）的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。相關(guān)分析結(jié)果表明，工程開(kāi)挖坡面徑流率與坡度相關(guān)性不顯著（p>0.05），與雨強(qiáng)I、坡度和雨強(qiáng)的交互作用（I×S）呈極顯著相關(guān)（p<0.01），其中Q與I相關(guān)性最高，這也說(shuō)明了雨強(qiáng)大小決定了開(kāi)挖坡面的產(chǎn)流量。

為了進(jìn)一步明確徑流率和剝蝕率之間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。工程開(kāi)挖坡面徑流率與土壤剝蝕率之間的關(guān)系見(jiàn)圖2?；貧w分析表明，土壤剝蝕率與徑流率之間存在較好的線性關(guān)系，其中20°和30°坡的擬合方程斜率是10°坡的1.73倍和2.25倍，由此可見(jiàn)，徑流率是影響工程開(kāi)挖坡面土壤流失的關(guān)鍵因子之一，其影響程度隨坡度的增加而增加。

工程開(kāi)挖坡面剝蝕率與坡度相關(guān)性不顯著（p>0.05），與雨強(qiáng)I、坡度和雨強(qiáng)的交互作用（I×S）呈極顯著相關(guān)（p<0.01），其中Di與I×S相關(guān)性最高，這也說(shuō)明了雨強(qiáng)和坡度共同決定了開(kāi)挖坡面的產(chǎn)沙量?。根據(jù)WEPP模型中采用的細(xì)溝間侵蝕計(jì)算方程預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間土壤侵蝕率，并由此得到其與降雨徑流因子和地形因子間的關(guān)系：

Di=1.603 71×106QSfI （R2=0.95，NSE=0.94，p<0.01）?（9）

式中，Di為工程開(kāi)挖坡面的細(xì)溝間土壤剝蝕率，?kg/（s·m?2?）;?Q為地表徑流平均徑流率，m/s;Sf為坡度因子;I為雨強(qiáng)，m/s。根據(jù)方程（9）的回歸系數(shù)得到工程開(kāi)挖坡面土壤可蝕性因子Ki為1.603 71×106?kg·s/m4?。本研究計(jì)算得到的土壤可蝕性因子Ki低于楊明義等[22]在黃土坡耕地上計(jì)算得到的細(xì)溝間土壤可蝕性因子Ki（3.14×106kg·s/m4），但是高于Cao等[23]在馬尾松次生林坡面計(jì)算得到的細(xì)溝間土壤可蝕性因子Ki（1.18×106kg·s/m4）。

本研究所選細(xì)溝間侵蝕模型預(yù)測(cè)結(jié)果如表3和圖3所示，模型1、模型2和模型3的納什效率系數(shù)分別為0.94，0.91和0.95，表明在本次研究的雨強(qiáng)和坡度條件下3種模型在預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率上均效果良好，其中模型3在預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率方面效果最好。通過(guò)模型結(jié)構(gòu)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用冪函數(shù)型坡度因子指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果更精確。

進(jìn)一步對(duì)比3種模型的結(jié)構(gòu)，本次研究認(rèn)為可采用如下結(jié)構(gòu)方程計(jì)算工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間剝蝕率：

Di=KiIaQbSc（10）

式中，Di為工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間的土壤剝蝕率，?kg/（s·m2）;?Q為地表徑流平均徑流率，m/s;S為坡度因子;I為雨強(qiáng)，m/s;a，b，c為回歸參數(shù)?；貧w分析結(jié)構(gòu)表明剝蝕率與雨強(qiáng)、坡度及徑流率呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系：Di=3672.72I?0.69?Q?0.61?S?0.82（R2=0.97，p

2.2?水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與土壤剝蝕率之間的關(guān)系

工程開(kāi)挖坡面徑流流速?V與坡度S相關(guān)性不顯著（p>0.05），與雨強(qiáng)I及坡度和雨強(qiáng)的交互作用（I×S）呈極顯著相關(guān)（p<0.01），其中V與I×S相關(guān)性最高，這也說(shuō)明了雨強(qiáng)和坡度交互作用決定了徑流流速的大小。不同雨強(qiáng)及坡度條件下，工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率與徑流流速的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率隨著流速的增加而增加。

為了進(jìn)一步明確二者之間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并得到如下關(guān)系：

Di=0.104V-0.005 （R2=0.76，NSE=0.76，p<0.01）（11）

式中，Di為工程開(kāi)挖面細(xì)溝間土壤剝蝕率，?kg/（s·m2）;?V為地表徑流流速，m/s。工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率與徑流流速呈線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)R2=?0.76?，納什效率系數(shù)NSE=0.76，表明采用徑流流速預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖坡面剝蝕率并不理想（效果好標(biāo)準(zhǔn)為：R2>0.8;NSE>0.8）。

工程開(kāi)挖坡面在不同坡度、雨強(qiáng)條件下剝蝕率與徑流剪切力的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖4?工程開(kāi)挖坡面剝蝕率與流速關(guān)系Fig.4?Relationship between soil loss rate and flow velocity

圖5?工程開(kāi)挖坡面剝蝕率與水流剪切力關(guān)系Fig.5?Relationship between soil loss rate and shear stress

由圖5可知，剝蝕率隨著水流剪切力的增加而增加。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)剝蝕率與水流剪切力之間存在明顯的線性關(guān)系，如下式：

Di=0.001τ-8.854×10?-4（R2=0.71，NSE=0.71，p<0.01） （12）

式中，Di為工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間土壤剝蝕率，?kg/（s·m2）;?τ為水流剪切力，Pa。有研究指出，當(dāng)水流剪切力大于土壤臨界剪切力時(shí)，坡面才會(huì)發(fā)生侵蝕。由式（11）可知，工程開(kāi)挖面剝蝕發(fā)生的臨界剪切力為?8.8?×10?-3Pa。而相關(guān)系數(shù)R2=0.71，采用納什效率系數(shù)NSE=0.71，表明采用水流剪切預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖坡面剝蝕率并不理想（效果好標(biāo)準(zhǔn)為：R2>0.8; NSE>0.8）。

水流功率?w?包含了坡度和徑流率的作用，可以從水流動(dòng)力學(xué)角度來(lái)預(yù)測(cè)土壤流失量。

圖6?工程開(kāi)挖坡面剝蝕率與水流功率關(guān)系?Fig.6?Relationship between soil loss rate and ?stream power

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，工程開(kāi)挖面剝蝕率隨著水流功率的增加而增加，根據(jù)回歸分析得到水流功率與剝蝕率之間的關(guān)系，如下式：

Di=0.012w-1.133×10?-5（R2=0.82，NSE=0.82，p<0.01）（13）

式中，Di為工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間土壤剝蝕率，?kg/（s·m2）;?w為水流功率，kg/s3。由式（13）可以看出，水流功率與剝蝕率之間呈線性函數(shù)關(guān)系，可以用來(lái)預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖面土壤流失量，同時(shí)水流功率必須達(dá)到一定的臨界值，坡面才會(huì)發(fā)生土壤流失，工程開(kāi)挖坡面剝蝕發(fā)生的臨界水流功率為?9.441?×10?-4kg/s3。

綜上所述，相比于徑流流速和水流剪切力而言，剝蝕率與水流功率之間的相關(guān)性較好，可作為描述工程開(kāi)挖坡面侵蝕動(dòng)力過(guò)程的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，這與王雪松等在工程堆積體坡面模擬降雨實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果一致[24]。

3?討 論

3.1?侵蝕模型適用性

本文針對(duì)工程開(kāi)挖坡面，分析了其在降雨條件下各類(lèi)水蝕因子與土壤剝蝕率之間的關(guān)系。工程開(kāi)挖坡面具有緊實(shí)度高、容重大、入滲率低、坡度陡等特點(diǎn)[1]，其產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程與天然坡面具有較大的差異。該試驗(yàn)觀測(cè)到的開(kāi)挖坡面侵蝕方式以細(xì)溝間侵蝕為主，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中坡面未出現(xiàn)侵蝕溝，故研究所得結(jié)論適用于未出現(xiàn)侵蝕溝的坡面面蝕階段。研究選取的3種細(xì)溝間侵蝕預(yù)測(cè)模型在工程開(kāi)挖坡面剝蝕率預(yù)測(cè)方面效果均較為理想，其中模型3相對(duì)于模型1和模型2在預(yù)測(cè)開(kāi)挖面土壤剝蝕率方面效果更好，表明冪函數(shù)型坡度因子指標(biāo)更適用于工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率的計(jì)算。這與學(xué)者們?cè)谄旅婕?xì)溝間侵蝕預(yù)測(cè)方面的研究結(jié)論一致[25]。研究所選用的3種模型的雨強(qiáng)指數(shù)均為1，該值高于通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)多元回歸分析得到的回歸方程中的雨強(qiáng)因子指數(shù)（0.69），說(shuō)明工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率受雨強(qiáng)影響的程度相對(duì)于其他土槽填裝試驗(yàn)、野外坡耕地等較小。這可能與工程開(kāi)挖坡面表面性質(zhì)有關(guān)，開(kāi)挖坡面地表植被被剝離，開(kāi)挖過(guò)程中土壤受到擠壓改變了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而更易形成土壤結(jié)皮，從而改變了土壤表面抵抗降雨濺蝕的能力。將本研究得到的回歸方程與所選模型中擬合效果最好的模型3進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，模型3的坡度因子指數(shù)為0.67，低于回歸方程中坡度因子的指數(shù)（0.82），這可能與開(kāi)挖坡面坡度有關(guān)。研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)大多數(shù)開(kāi)挖坡面坡度較陡（>20°），坡度愈大，開(kāi)挖面土體受到斜坡重力切向分力愈大，土體的不穩(wěn)定性愈強(qiáng)，在降雨條件下發(fā)生下移的可能性愈大。Parson和Abrahams[26]的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)溝間侵蝕量隨地表坡度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，即存在一個(gè)臨界坡度。在該研究中不同坡度條件下土壤剝蝕率與徑流率之間擬合方程斜率隨坡度的增加而增加（見(jiàn)圖2），并沒(méi)有出現(xiàn)臨界坡度的現(xiàn)象。吳普特[27]在安塞黃土坡面上觀測(cè)到細(xì)溝間侵蝕的臨界坡度在22°～33°之間，Horton在不考慮土壤入滲的條件下[28]，基于運(yùn)動(dòng)波假設(shè)導(dǎo)出的臨界坡度為57°，由此可知臨界坡度并不是一個(gè)固定值，在本研究中開(kāi)挖坡面的臨界坡度大于30°，這可能與開(kāi)挖坡面土壤性質(zhì)、表面糙度等有關(guān)。

3.2?用于預(yù)測(cè)土壤剝蝕率的水動(dòng)力參數(shù)

對(duì)徑流流速V、水流剪切力τ和水流功率w與開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率之間的關(guān)系進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，除了水流功率對(duì)土壤剝蝕率擬合效果較好，其余兩個(gè)水力參數(shù)對(duì)土壤剝蝕率擬合效果均不理想。就擬合效果而言，從R2和NSE 2個(gè)指標(biāo)來(lái)看，w>V>τ，因此，水流功率是描述試驗(yàn)條件下開(kāi)挖坡面細(xì)溝間侵蝕過(guò)程最理想的水力參數(shù)。這與許多學(xué)者的研究結(jié)論類(lèi)似，即水流功率適用于描述坡面薄層水流侵蝕過(guò)程，能夠反映坡面水流徑流率和坡度因子對(duì)土壤剝蝕率的影響。將以水動(dòng)力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)的剝蝕率預(yù)測(cè)模型與表3中的模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)表3中的模型預(yù)測(cè)精度大于采用單一水動(dòng)力參數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果?？紤]到雨強(qiáng)是影響坡面細(xì)溝間侵蝕過(guò)程的重要參數(shù)，同時(shí)降雨引起的坡面流輸沙過(guò)程受水深的影響，而水深的大小受坡度的影響[29]，因此綜合了降雨、徑流和坡度因子的模型對(duì)土壤剝蝕率的預(yù)測(cè)效果更好。根據(jù)本試驗(yàn)研究結(jié)果，就工程開(kāi)挖坡面而言，采用雨強(qiáng)、徑流率、坡度等因子對(duì)剝蝕率進(jìn)行描述要明顯優(yōu)于采用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，因此建議無(wú)論是針對(duì)開(kāi)挖坡面水土流失測(cè)算還是水土保持監(jiān)測(cè)工作中，利用雨強(qiáng)、徑流率、坡度等因子對(duì)剝蝕率的描述更準(zhǔn)確。

由于試驗(yàn)條件的限制，本研究只針對(duì)工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間侵蝕過(guò)程。實(shí)際過(guò)程中，工程開(kāi)挖坡面形式多樣，下墊面物質(zhì)組成、開(kāi)挖土層的深度、開(kāi)挖坡長(zhǎng)等都會(huì)影響坡面水力侵蝕過(guò)程，侵蝕的方式也具有多樣性，諸如片蝕、細(xì)溝、淺溝等。本文野外開(kāi)挖面小區(qū)尺寸較小，下墊面物質(zhì)組成相對(duì)單一，試驗(yàn)未針對(duì)不同坡長(zhǎng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，未考慮上方來(lái)水來(lái)沙條件下的開(kāi)挖坡面侵蝕過(guò)程，后期需要針對(duì)試驗(yàn)小區(qū)的規(guī)格、下墊面物質(zhì)組成、侵蝕方式等方面開(kāi)展進(jìn)一步深入研究，為工程開(kāi)挖坡面侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供參考。

4?結(jié) 論

通過(guò)在野外建立不同坡度（10°，20°和30°）及不同模擬雨強(qiáng)（30，60，90，120，150 mm/h）條件下工程開(kāi)挖坡面小區(qū)，研究了工程開(kāi)挖坡面細(xì)溝間侵蝕量測(cè)算模型，主要結(jié)論如下。

（1） 工程開(kāi)挖坡面剝蝕率Di與坡度S相關(guān)性不顯著（p>0.05），與雨強(qiáng)I、坡度和雨強(qiáng)的交互作用（I×S）呈極顯著相關(guān)（p<0.01），其中Di與I×S相關(guān)性最高，雨強(qiáng)和坡度共同決定了開(kāi)挖坡面的產(chǎn)沙量。

（2） 3種細(xì)溝間侵蝕模型均能較好地預(yù)測(cè)工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率，就擬合效果而言，模型3（NSE=0.95）最佳，模型1（NSE=0.94）與模型2（NSE=?0.91?）次之，冪函數(shù)型坡度因子指標(biāo)更適用于工程開(kāi)挖坡面土壤剝蝕率的計(jì)算。根據(jù)WEPP細(xì)溝間侵蝕方程（模型1）計(jì)算得到工程開(kāi)挖坡面土壤可蝕性因子Ki為1.607 31×106kg/（s·m4）。

（3） 工程開(kāi)挖面徑流流速、水流剪切力及水流功率與土壤剝蝕率之間呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系，就擬合效果而言，w（NSE=0.82）>V（NSE=0.76）>τ（NSE=0.71），水流功率是描述其細(xì)溝間侵蝕動(dòng)力過(guò)程的最理想水力參數(shù)，相應(yīng)的臨界水流功率為9.441×10?-4kg/s3。

參考文獻(xiàn)：

[1]張平倉(cāng)，程冬兵，李亞龍，等.工程開(kāi)挖面特征及土壤流失量快速監(jiān)測(cè)方法探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30（4）：24-28.

[2]Lal R.Soil erosion research methods[M].Florida：St. Lucie Press，1994.

[3]Nyssen J，Poesen J，Moeyersons J，et al.Impact of road building on gully erosion risk： a case study from the northern Ethiopian highlands[J].Earth Surface Processes and Landforms，2002，27（12）：1267-1283.

[4]王治國(guó)，白中科，趙景逵，等.黃土區(qū)大型露天礦排土場(chǎng)巖土侵蝕及其控制技術(shù)的研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，1994，8（2）：10-17.

[5]孫虎，唐克麗.城鎮(zhèn)建設(shè)中人為棄土降雨侵蝕實(shí)驗(yàn)研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4（2）：29-35.

[6]Nearing M A，F(xiàn)oster G R，Lane L J，et al.A process-based soil erosion model for USDA-Water Erosion Prediction Project technology[J].Trans.ASAE，1989（32）：1587-1593.

[7]Morgan R P C，Quinton J N，Simth R E，et al. The European soil erosion model （EUROSEM）：a dynamic approach for predicting sediment transport from fields and small catchments[J].Earth Surf.PROC.Land，1998，23（6），527-544.

[8]Beasley D B，Huggins L F.ANSWERS users manual[M].Indiana：Dep.of Agric. Eng.Purdue Univ.West Lafayette，1980.

[9]Cao L，Zhang K，Dai H，et al.Modeling Interrill Erosion on Unpaved Roads in the Loess Plateau of China[J].Land Degradation & Development，2015，26（8）：825-832.

[10]程冬兵，張平倉(cāng)，張長(zhǎng)偉，等.工程開(kāi)挖面土壤侵蝕模型的構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014（10）：106-112.

[11]Fox D M，Bryan R B.The relationship of soil loss by interrill erosion to slope gradient[J].Catena，2000，38（3）：211-222.

[12]Wu B，Wang Z，Zhang Q，et al.Modelling sheet erosion on steep slopes in the loess region of China[J].Journal of Hydrology，2017（553）：549-558.

[13]Fan J C，Wu M F.Effects of Soil Strength， Texture， Slope Steepness and Rainfall Intensity on Interrill Erosion of Some Soils in Taiwan[C]∥In：10th International Soil Conservation Organization meeting，Purdue University，USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory，1999.

[14]Huang C.Empirical Analysis of Slope and Runoff For Sediment Delivery from Interrill Areas[J].Soil Science Society of America Journal，1995，59（4）：982-990.

[15]賀康寧，王治國(guó)，趙永軍.開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持[M].北京： 中國(guó)林業(yè)出版社，2009.

[16]Li G，Abrahams A D，Atkinson J F. Correction factors in the determination of mean velocity of overland flow[J].Earth Surface Processes & Landforms，2015，21（6）：509-515.

[17]Nearing M A，Bradford J M，Parker S C.Soil Detachment by Shallow Flow at Low Slopes[J].Soil Science Society of America Journal，1991，55（2）：351-357.

[18]Bagnold R A.An Approach to the Sediment Transport Problem from General Physics[R].US Geol.surv.prof.paper，1966.

[19]Flanagan D C，Nearing M A.USDA-Water Erosion Prediction Project： hillslope profile and watershed model documentation[M]. Indiana：West Lafayette，National Soil Erosion Research Laboratory，USDA ARS，1995.

[20]Kinnell PIA. Runoff as a factor influencing experimentally determined interrill erodibilities[J].Soil Research，1993，31（3）：333-342.

[21]Bulygin S Y，Nearing M A，Achasov A B.Parameters of interrill erodibility in the WEPP model[J].Eurasian Soil Science C/C of Pochvovedenie，2002，35（11）：1237-1242.

[22]楊明義，劉普靈，田均良.黃土高原農(nóng)耕地坡面侵蝕過(guò)程的^7Be示蹤試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（3）：28-30.

[23]Cao L，Liang Y，Wang Y，et al.Runoff and soil loss from Pinus massoniana forest in southern China after simulated rainfall[J].Catena，2015（129）：1-8.

[24]王雪松，陳曦，馬洪超，等.贛北紅土區(qū)工程堆積體坡面水動(dòng)力特性[J].水科學(xué)進(jìn)展，2016，27（3）：412-422.

[25]Zhang X C，Nearing M A， Norton L D，et al.Modeling interrill sediment delivery[J].Soil Science Society of America Journal，1998，62（2）：438-444.

[26]Parson A J，Abrahams A D.Field investigations of sediment removal in interrill overland flow[M].California：UCL Press，1993.

[27]吳普特.動(dòng)力水蝕實(shí)驗(yàn)研究[M].西安： 陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[28]Horton R E.Erosional development of streams and their drainage basins;hydrophysical approach to quantitative morphology[J].Geological Society of America Bulletin，1945，56（3）：275-370.

[29]Kinnell P I A.The influence of flow discharge on sediment concentrations in raindrop induced flow transport[J].Soil Research，1988，26（4）：575-582.

引用本文：孫?蓓，潘曉穎，李建明.模擬降雨條件下開(kāi)挖面土壤侵蝕測(cè)算模型研究[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（1）：39-45.

Research on soil erosion calculation model ofexcavated slope under simulated rainfall

SUN Bei， PAN Xiaoying， LI Jianming

（Soil and Water Conservation Department， Yangtze River Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China）

Abstract：In order to control soil and water loss on excavated slope in a scientific manner， we conducted artificial simulated rainfall field experiment by setting up five rainfall intensity levels （30，60，90，120，150 mm/h） and three slope gradients （10°， 20°， 30°）. We systematically investigated the relationship between excavated soil slope erosion rate and rainfall intensity， slope gradient， runoff rate， flow velocity， shear stress and stream power under different scenarios. The results show that there is no significant correlation between excavated soil slope erosion rate and slope gradient with 95% confidence interval; however excavated soil slope erosion rate is strongly correlated with rainfall intensity， and the combination effects of slope gradient and rainfall intensity （I x S） with 99% confidence interval. The excavated soil slope erosion rate is calculated using three common inter-rill erosion models， and power function slope factor is more applicable in terms of the simulation effects. Hydrodynamic parameters used in calculation include runoff velocity， shear stress and stream power， and stream power appears to be the ideal parameter for describing dynamic process of inter-rill erosion.

Key words：?excavated soil slope; artificial simulated rainfall; hydrodynamic parameters; inter-rill erosion