瞿朝正王濟(jì)蔡雄飛徐蝶劉一民陳星旺王勝利

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550001)

我國喀斯特地貌具有分布廣，面積大及類型多等特點，約占全國面積的1/7，主要分布在西南地區(qū)?？λ固厣鷳B(tài)環(huán)境問題是全球性問題，因其土壤具有土層薄，形成慢的特點，易發(fā)生侵蝕，從而導(dǎo)致自然災(zāi)害發(fā)生、加劇地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化[1]。對林業(yè)、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的阻礙，影響其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究中，坡度和降雨強(qiáng)度是影響侵蝕強(qiáng)度較為關(guān)鍵的2個因素。一般認(rèn)為，坡度增加會使得侵蝕強(qiáng)度也會相應(yīng)增加[2]，但有些學(xué)者研究結(jié)果與此不同[3]。侵蝕強(qiáng)度亦隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，降雨對土壤侵蝕的影響為雨滴濺蝕和徑流侵蝕2方面，其中主要影響為徑流侵蝕。在以往研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注點在徑流侵蝕過程中的侵蝕動力、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙等方面，且已取得諸多成果。國內(nèi)大部分研究主要集中在黃土高原地區(qū)[4]。徑流侵蝕的水動力學(xué)研究年代雖然久遠(yuǎn)，但由于其復(fù)雜性，目前對其規(guī)律的認(rèn)識依舊不充分。徑流侵蝕徑流水動力學(xué)特征主要通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗或野外徑流模擬試驗進(jìn)行研究，徑流流速、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)等為徑流水動力學(xué)的主要水動力參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對徑流水動力學(xué)特征進(jìn)行研究，有流量與坡度[5]、流速與水深[6]和水流強(qiáng)度指標(biāo)[7]等。徑流水動力學(xué)特征的研究可以幫助更好地認(rèn)識土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展過程，對環(huán)境改善具有重要意義。

本研究以貴州省貴陽市周邊坡耕地為研究對象，選取城郊4個地點作為試驗區(qū)，研究喀斯特環(huán)境下土壤可蝕性的問題，并運(yùn)用野外徑流模擬試驗方法對喀斯特地區(qū)坡耕地細(xì)溝侵蝕過程進(jìn)行研究。試驗選取5種不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)以及2種不同流量的徑流沖刷細(xì)溝，旨在模擬實際的細(xì)溝侵蝕狀況，為喀斯特地區(qū)坡耕地水土保持措施的布設(shè)和實施提供參考依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗區(qū)域

試驗地選擇貴州省貴陽市內(nèi)的4個村寨：紅楓湖鎮(zhèn)右二村，青巖鎮(zhèn)二關(guān)村，南明區(qū)永樂鄉(xiāng)和修文縣請讓村。上述4個區(qū)域的土壤機(jī)械組成、經(jīng)緯度與海拔，如表1、表2所示。

1.2 試驗設(shè)備

水動力來源，自吸式水泵；流量控制器，自制多閥門控制開關(guān)(控制水流流量)；噴頭，可變式噴頭(便于調(diào)整噴水方式)；連接器，硬膠管(避免試驗過程中因裝置的位移而發(fā)生流量變化的情況)。

表1 土壤的機(jī)械組成

表2 野外模擬試驗點概況

1.3 試驗設(shè)計

基于氣象統(tǒng)計資料，結(jié)合貴州省不同暴雨頻率[8]，根據(jù)水土保持綜合治理規(guī)劃通則(GB 15772-2008)，結(jié)合巖溶地區(qū)地形地貌特征[9]在4個試驗區(qū)域分別設(shè)計相應(yīng)的2種不同流量和5種不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)作為喀斯特地區(qū)坡耕地模擬因子。試驗區(qū)均為水源附近的坡耕地(便于取水)，以常規(guī)農(nóng)業(yè)耕作措施翻耕試驗表土(深度為10cm)，長×寬設(shè)定為2m×1.5m。于小區(qū)四周分別開挖出1條水溝(長×寬=1.5m×3cm)：上方水溝儲滿水以保證土壤在試驗前處于水飽和狀態(tài)；下方水溝主要用于排水，深度以便于取樣為易。使用農(nóng)用灌溉水泵來控制流量，并采用精度為0.01s的秒表計時。在細(xì)溝的頂端放置一塊塑膠墊，以確保水流穩(wěn)定注入，同時盡可能減少對溝口土壤的局部擾動。此外，在細(xì)溝口處設(shè)計了一個集流槽，用于采樣。

在細(xì)溝產(chǎn)流后開始計時，采集初始徑流泥沙樣，同時記錄采樣時間，每隔1～1.5min取樣1次。直到水流穩(wěn)定，使用染料示蹤法測定徑流流速，將細(xì)溝分成上下2個斷面，分別測量3次流速，取其平均值。持續(xù)放水8～10min，每次試驗結(jié)束后，按照設(shè)定的流量繼續(xù)下一場試驗。試驗結(jié)束后，用標(biāo)尺測量細(xì)溝的溝寬和溝深，溝寬需要對溝的上、中、下進(jìn)行測量，取測量的平均值。將收集到的徑流樣品攪拌均勻，過濾后轉(zhuǎn)移到燒杯中，在105℃的烘箱中進(jìn)行烘干，用分析天平稱量并記錄數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)利用Excel 2016進(jìn)行相關(guān)計算，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Origin 2017軟件進(jìn)行圖表的繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 流速與坡度

徑流流速是研究坡面細(xì)溝侵蝕過程中最基本也是最重要的因素之一，徑流流速的大小可影響坡面細(xì)溝侵蝕過程中侵蝕能力與挾沙能力。4個區(qū)域中2種流量和5種坡度組合條件下徑流流速與坡度的變化關(guān)系見圖2。整體可以看出，徑流流速隨著坡度的增大而上升，但兩者的相關(guān)性不明顯。出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是由于土壤顆粒的均勻程度不一，加之細(xì)溝發(fā)育速度和程度影響，通過改變微地貌形態(tài)影響其附近及其下方的徑流流速[10]，細(xì)溝底部出現(xiàn)凹凸，使水深不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致了局部流速變化所產(chǎn)生的結(jié)果，從而使得水流侵蝕能力增加。研究還發(fā)現(xiàn)，在上方回水后細(xì)溝水流出現(xiàn)水深不均勻現(xiàn)象，并在流路上出現(xiàn)多個月牙形的微小陡坎。這可能是由于局部流速突然增大，徑流對土壤的作用相對集中，從而使水流的侵蝕能力增大，細(xì)溝下切更深。

如圖1b、圖1d所示，南明與修文整體變化趨勢相同：大流量下，徑流流速隨坡度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象；小流量下，徑流流速隨著坡度的增大呈現(xiàn)出在10°增大，在15°減小，后增大的現(xiàn)象。這與和繼軍等[10]在安塞、綏德水土保持綜合試驗站的研究得出的結(jié)果一致(10°～20°)。2個區(qū)域變化趨勢相同，但南明與修文的徑流流速值卻有所差異。小流量時，修文的徑流流速整體大于南明的徑流流速(15°除外)；大流量時，在10°～15°南明的徑流流速大于修文的徑流流速，在20°時修文的徑流流速大于南明的徑流流速。出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是南明的土壤中細(xì)顆粒含量較高，加上流量增大，更易發(fā)生侵蝕，因此引起的土壤表層微地貌形態(tài)變化更為劇烈，粗糙率也更大，使得南明區(qū)域土壤對徑流的抑制作用大于修文區(qū)域。如圖1a、圖1c所示，紅楓湖區(qū)域在流量為8L時，徑流流速整體變化為隨坡度的增大先減小后增大，波動較為平緩；但在流量為10L時，徑流流速在5°～10°大幅增加，并出現(xiàn)最高值，后為減-增-減變化；青巖區(qū)域在流量為8L，隨坡度的增加出現(xiàn)減-增-減-增的變化，在15°出現(xiàn)最大值，在流量為10L時，徑流流速整體變化為隨坡度的增大先減小后增大，波動較為平緩。從能量角度來看，由于細(xì)溝邊界及侵蝕過程的復(fù)雜多變，且坡度越大時坡面就越容易形成坎，坡面徑流能量一部分消耗在跌坎上[11]。

圖1 徑流流速與坡度的關(guān)系

2.2 水動力學(xué)參數(shù)特征

目前細(xì)溝徑流的水力特征有2種說法：可采用坡面流的研究方法；采用明渠流的研究方法。細(xì)溝徑流侵蝕過程中水流流速比坡面流快，與河渠流相似，且細(xì)溝徑流比河渠流所產(chǎn)生的溝床比降更大，徑流深更小，形態(tài)變化更為迅速。目前還未有較為成熟的坡面流理論，一般借用明渠流的相關(guān)公式和方法來定量研究細(xì)溝徑流侵蝕過程中的水動力特征[12]。因此本試驗采用河渠流理論來研究細(xì)溝徑流侵蝕過程中的各水力因素間的關(guān)系及特征。測量細(xì)溝徑流斷面寬、平均流速，計算雷諾數(shù)(Re)、弗勞德數(shù)(Fr)和阻力系數(shù)(f)參數(shù)，以此來反映細(xì)溝徑流水動力學(xué)特征。

雷諾數(shù)(Re)是用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，表示徑流慣性力和粘性力的比值。當(dāng)Re<500，則水流為層流；當(dāng)Re>500，則水流為紊流。表達(dá)式：

(1)

式中，V為斷面徑流平均流速，m·s-1；h為斷面平均徑流深，m；v為水流的運(yùn)動粘滯系數(shù)，m·s-1，與水溫(t)有關(guān)，計算公式：

v=0.01775/(1+0.0377t+0.00022t2)

(2)

弗勞德數(shù)(Fr)是判別細(xì)溝徑流是急流或緩流的參數(shù)，為無量綱數(shù)，表示徑流的慣性力與重力的比值。當(dāng)Fr>1時，則水流為急流；當(dāng)Fr<1時，則水流為緩流。表達(dá)式：

(3)

式中，V為斷面徑流平均流速，m·s-1；h為斷面平均徑流深，m；g是重力加速度，取g=9.8m·s-2。

阻力系數(shù)(f)是指徑流在向下流動的過程中所受到的來自水土界面的阻滯水流的摩擦力以及水流內(nèi)部質(zhì)點混摻和挾帶泥沙產(chǎn)生的阻滯水流運(yùn)動的力的總稱。在徑流阻力計算中，徑流阻力一般采用無量綱的Darcy-Weisbach系數(shù)來評價，是其徑流流態(tài)、斷面特性、雨滴直徑、床面粗糙程度、水流密度、水流表面張力系數(shù)和雨型參數(shù)等因素的綜合體現(xiàn)。表達(dá)式：

(4)

式中，g是重力加速度，取g=9.8m·s-2；R是水力半徑(R=A/P，A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；P為濕周，m)，m；J為水面能坡，取坡度的正弦值；V為斷面徑流平均流速，m·s-1。

由式(1)、式(2)可得到各試驗流量及各坡度下的Re，見表3。如表3所示，試驗流量為4.6～10L時，細(xì)溝徑流Re值在572.84～2517.97，均>500。說明細(xì)溝徑流均達(dá)到紊動狀態(tài)，水流流態(tài)均為紊流。Re整體表現(xiàn)為不同區(qū)域在坡度一定的情況下，隨流量的增加而增大；在流量一定的情況下，隨坡度的增加而減小。

表3 不同試驗坡度下的Re

坡度越大，細(xì)溝徑流的紊動強(qiáng)度越小。在坡度一定的情況下，當(dāng)流量增大時，流體的流速也會增大，從而導(dǎo)致雷諾數(shù)增大。Re與流體的流速、密度、粘度以及特征尺度有關(guān)。當(dāng)流量增大時，流體的流速增大，慣性力相對于粘性力的影響就會增強(qiáng)，從而導(dǎo)致Re增大。另外，當(dāng)流量增大時，流體的流動狀態(tài)可能會發(fā)生變化。在低流量條件下，流體的流動狀態(tài)可能是層流狀態(tài)，而在高流量條件下，流體的流動狀態(tài)可能會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。湍流狀態(tài)下，流體的混合和能量傳遞更加強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致Re增大。因此，在坡度一定的情況下，當(dāng)流量增大時，Re隨之增大。這也說明了在一定范圍內(nèi)，流量對于流體的流動狀態(tài)和特性具有重要影響。

在流量一定的情況下，Re隨著坡度的變化趨勢取決于流體的流動狀態(tài)和特性。一般來說，當(dāng)坡度增大時，流體的流速也會增大，從而導(dǎo)致Re增大。然而，當(dāng)坡度繼續(xù)增大時，流體的流速會趨近于最大值，此時慣性力相對于粘性力的影響就會減小，從而導(dǎo)致Re減小。另外，當(dāng)坡度增大時，流體的流動狀態(tài)可能會發(fā)生變化。在低坡度條件下，流體的流動狀態(tài)可能是層流狀態(tài)，而在高坡度條件下，流體的流動狀態(tài)可能會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。湍流狀態(tài)下，流體的混合和能量傳遞更加強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致Re增大。然而，當(dāng)坡度繼續(xù)增大時，流體的流動狀態(tài)可能會變得更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致Re減小。因此，當(dāng)坡度較小時，Re隨著坡度的增加而增大；當(dāng)坡度達(dá)到一定程度時，Re達(dá)到最大值；當(dāng)坡度繼續(xù)增加時，Re隨著坡度的增加而逐漸減小。具體的趨勢取決于流體的流動狀態(tài)和特性。

表4 不同試驗坡度下的Fr

由式(3)可得到各試驗流量及各坡度下的Fr，見表4。如表4所示，試驗流量為4.6～10L時，細(xì)溝徑流Fr值在1.1～2.15，均>1。說明細(xì)溝徑流均為急流狀態(tài)。Fr整體表現(xiàn)為不同區(qū)域在流量一定的情況下，F(xiàn)r隨坡度的增大而增大。坡度越大，細(xì)溝徑流的慣性作用強(qiáng)度越大。當(dāng)坡度為5°和10°時，F(xiàn)r隨著流量的增大而增大(修文區(qū)域除外)；當(dāng)坡度為15°、20°和25°時，F(xiàn)r隨著流量的增大而減小。

表5 不同試驗坡度下的f

在流量一定的情況下，F(xiàn)r與坡度的變化情況取決于流體的流動狀態(tài)。一般來說，當(dāng)坡度增大時，流體的流速也會增大，慣性力也隨之增大，從而導(dǎo)致Fr的增大。然而，當(dāng)坡度繼續(xù)增大時，流體的流速會趨近于最大值，F(xiàn)r也會趨于穩(wěn)定?？偟膩碚f，在流量一定的情況下，當(dāng)坡度較小時，F(xiàn)r隨著坡度的增大而增大；當(dāng)坡度達(dá)到一定程度時，F(xiàn)r達(dá)到最大值；當(dāng)坡度繼續(xù)增大時，F(xiàn)r趨于穩(wěn)定。在坡度不變的情況下，F(xiàn)r與流量之間存在正相關(guān)關(guān)系。其與流體的流速、密度以及特征有關(guān)。具體來說，當(dāng)流量增加時，F(xiàn)r也會隨之增加。這是因為在同樣的坡度條件下，流量增加會導(dǎo)致慣性作用占主導(dǎo)地位，從而增大Fr的值。

由式(4)可得到各試驗流量及各坡度下的f，見表5。如表5所示，細(xì)溝徑流f值在0.15～1.28，f整體表現(xiàn)為不同區(qū)域在流量一定的情況下，隨坡度的增大而增大；在坡度一定時，隨流量的變化規(guī)律不明顯。而潘成忠等[13]得出的結(jié)論卻是阻力系數(shù)隨著坡度的增大而減小。當(dāng)流量一定時，阻力系數(shù)隨坡度的增大而增大是因為斜面的坡度越大，水流速度增加，水流受到的阻力也會隨之增大。此外，在重力作用下，水流的垂直分量增加，從而增加了流體與斜面接觸面積，進(jìn)一步增加了阻力系數(shù)。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)流量改變時，流態(tài)也會相應(yīng)地發(fā)生改變，從而導(dǎo)致阻力系數(shù)的變化被抵消或者被弱化，使得阻力系數(shù)與流量之間的關(guān)系不明顯。從能量角度分析，徑流阻力主要來自3個方面：沙粒本身對水流的阻礙作用，溝槽形態(tài)對水流的阻礙作用，水流結(jié)構(gòu)的影響作用。隨流量和坡度的增大，雖然坡面會逐漸向能耗最小的方向演化，但細(xì)溝發(fā)育是一個復(fù)雜的動態(tài)發(fā)展過程，細(xì)溝之間的連通、溝壁的坍塌等都會使阻力系數(shù)不斷變化。

表6 Pearson相關(guān)性分析

由式(1)～(4)得出Re、Fr和f，將各區(qū)域以及4個區(qū)域總的Re、Fr和f進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，見表6。由表6可知，除紅楓湖區(qū)域外，其余3個區(qū)域的Re與Fr呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，4個區(qū)域總的Re與Fr也呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，各區(qū)域以及4個區(qū)域總的Re與f、Fr與f相關(guān)性不明顯(P<0.01)。這與侯寧等[14]在土壤表面鋪設(shè)花膠紙?zhí)幚淼脑囼灲M結(jié)果相同，與不做任何措施的對照組結(jié)果不同?；谇叭说难芯堪l(fā)現(xiàn)，Re與f間存在一定關(guān)系，但不是呈現(xiàn)單相關(guān)的關(guān)系，而是既有正相關(guān)也有負(fù)相關(guān)。張科利等[15]研究發(fā)現(xiàn)，Re與f的關(guān)系存在臨界坡度的影響，臨界坡度為10°～20°：緩坡時Re與f呈負(fù)相關(guān)，陡坡時Re與f呈正相關(guān)。在流體流動中，當(dāng)慣性力相對于粘性力較強(qiáng)時，流體流動就會變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生湍流。而湍流會增加流體的混合和傳熱，使得Fr增大。相反，當(dāng)慣性力相對于粘性力較弱時，流體流動就會變得穩(wěn)定，產(chǎn)生層流。層流會減少流體的混合和傳熱，使得Fr減小。因此，當(dāng)Re增大時，慣性力相對于粘性力的影響就會增強(qiáng)，導(dǎo)致流體流動更容易變成湍流，從而使Fr增大。因此，Re與Fr之間呈負(fù)相關(guān)性。流體的流動形態(tài)可能會影響f的大小，而不是Re與Fr的大小。此外，土壤的形狀、表面粗糙度等因素也會影響阻力系數(shù)的大小。因此，需要根據(jù)具體的流動情況和土壤特性來確定Re與f、Fr與f之間的相關(guān)性。同時，還需要考慮其他因素的影響，如流體的流動速度等。

3 結(jié)論

本試驗通過在5種不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)、2種不同流量下對喀斯特地區(qū)的4個區(qū)域的坡耕地進(jìn)行野外徑流模擬試驗，研究了細(xì)溝侵蝕下的徑流水動力學(xué)特征。得到結(jié)論：流速隨坡度的增大而上升，但兩者的相關(guān)性不明顯；Re在572.84～2517.97范圍內(nèi)，隨坡度的增大而減小，流量的增大而增大，F(xiàn)r在1.1～2.15范圍內(nèi)，隨坡度的增大而增大，f在0.15～1.28范圍內(nèi)，隨坡度的增大而增大；南明、青巖和修文的Re與Fr呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。