海涂鹽堿地工程邊坡土壤抗沖刷性能試驗研究

陳倩，佘冬立，1b*，章二子，許文濤

（1. 河海大學，a. 南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室；b. 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；2. 江蘇省江寧區水利局，江蘇 南京 210098）

海涂鹽堿地工程邊坡土壤抗沖刷性能試驗研究

陳倩1a，佘冬立1a，1b*，章二子2，許文濤1a

（1. 河海大學，a. 南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室；b. 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；2. 江蘇省江寧區水利局，江蘇 南京 210098）

本文對6個不同坡度和6個不同流量條件下的海涂鹽堿土坡面進行上方來水徑流沖刷試驗，對試驗中得到的鹽土坡面沖刷侵蝕產沙率和幾個典型的徑流水動力學參數與坡度、流量的相關關系以及產沙率與各參數之間的相關關系進行分析，研究其抗沖刷性能。結果表明，產沙率Rs分別與坡度呈良好的線性正相關關系，與流量呈良好的對數關系。雷諾數Re與流量呈線性正相關而與坡度無顯著相關關系。坡面水流剪切力τ和水流功率ω與流量和坡度均呈線性正相關關系。剪切力τ、水流功率ω與產沙率對數相關，都可以很好的預測不同坡度和流量條件下的產沙率。對比相關系數，水流功率ω能更精確預測產沙率Rs。該研究結果可為海涂圍墾區鹽堿土地工程邊坡的土壤侵蝕預報模型的建立研究提供科學依據。

坡度；流量；沖刷試驗；土壤抗沖性；產沙率；水動力學參數；鹽堿地

陳倩， 佘冬立， 章二子， 許文濤. 海涂鹽堿地工程邊坡土壤抗沖刷性能試驗研究［J］. 農業現代化研究， 2016， 37（5）: 964-971. Chen Q， She D L， Zhang E Z， Xu W T. Experimental study on soil anti-scourability of the engineering slope of tidal marsh salinealkali land［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 964-971.

土壤抗沖性是指土壤抵抗外營力機械破壞作用的能力，是工程邊坡重要的土力學參數之一。目前，相關學者對土壤抗沖性開展了大量研究。李強等［1］以黃土丘陵區自然撂荒地為研究對象，應用時空互代法，通過原狀土沖刷試驗對不同撂荒階段的坡地土壤抗沖性進行了研究，從土壤抗侵蝕性的角度為退耕還林工程的生態功能評價提供理論依據；楊文元等［2］以年徑流小區觀察資料為依據，分析了不同生態利用條件下，徑流諸因素與相對應的泥沙沖刷量的關系；王丹丹等［3］采用野外實地放水沖刷法，對不同林齡油松林地的土壤抗沖性進行研究，分析坡度、林齡、枯落物、生物多樣性指數對土壤抗沖性的影響，為黃土高原土壤侵蝕模型的建立提供科學依據；楊玉梅等［4］采用原狀土沖刷槽法，研究了不同土地利用方式下土壤抗沖性動態變化特征及其影響因素，進一步完善了我國土壤抗沖性宏觀分布狀況的基礎資料。這些研究表明，影響土壤抗沖性的因素很多，且其中一些因素之間又彼此相關，因此，土壤抗沖性受不同因素影響是個復雜的問題，仍需進一步研究。另外，前人對坡面土壤抗沖性的研究多集中在西北黃土、紫色丘陵區土和西南黃壤，對于沿海灘涂墾區，土壤砂性強，結構性差，鹽分高，有機質含量少，植被難以生長，土壤侵蝕問題十分突出［5］，特別是水利工程建設過程中形成的裸露土邊坡受降雨和徑流影響，沖刷嚴重，導致工程使用壽命降低［6］。有研究發現，新墾區灌排工程邊坡沖刷侵蝕導致土質溝渠每年淤積厚度高達0.8 m以上［6］。根據圍墾區鹽土工程邊坡土壤抗沖性，提出適宜的改土固坡防護措施，是灘涂圍墾開發利用必須要解決的重要問題。然而針對沿海圍墾區高鈉鹽粉砂土工程邊坡抗沖性能的研究資料較少，特別是土壤抗沖刷的水流動力學機制尚不明確。因此，本文主要研究上方來水沖刷下海涂鹽堿地工程邊坡土壤的產沙率變化，探究產沙率與坡度和流量的關系，探索采用水動力學參數直接表征產沙率的經驗公式，以期為高鈉鹽粉砂土抗沖性能研究和侵蝕預報模型的建立提供科學依據。

1　試驗設計與數據處理

1.1研究區概況

試驗土壤采自江蘇省如東縣東凌農場（32°12′-32°36′N，120°42′-121°22′E），瀕臨黃海，海拔高度3.5-4.5 m。東凌農場于2007年圍墾，圍墾區未種植作物，大部分地表裸露。試驗區屬亞熱帶季風氣候，年降雨量1 026 mm，降雨主要集中在5-9月（約占全年降雨量的68%）；日平均氣溫14.8 ℃，年蒸發量為1 343.5 mm。試驗區土壤為粉砂土，土壤黏粒（〈0.002 mm）、粉砂粒（0.002-0.05 mm）、砂粒（0.05-0.25 mm）含量依次為8.5%、52.9%、38.6%；有機質含量為3.26 g/kg；土壤交換性Na+含量為1.60 g/kg；ESP為68.9；1∶5土水混合液電導率為5.98 ms/cm。試驗前供試土壤經自然風干，去除雜草、石塊等雜質后過2 mm篩備用。

1.2試驗設計

試驗于2013年12月-2014年5月在河海大學節水園區進行。試驗裝置由水槽、土槽、上方來水系統三部分組成（圖1）。試驗水槽長300 cm、寬30 cm，可在0°-45°范圍調節坡度，水槽長度可使水流達到穩定狀態。試驗土槽長30 cm、寬20 cm、深10 cm，底部鉆孔以保證試驗坡面自由排水。上方來水系統采用水泵抽水、閥門調節控制流量。試驗采用上方來水沖刷法進行，試驗流量選取160 L/h、200 L/h、300 L/h、400 L/h、600 L/h、800 L/h六個流量，坡度采用5°、10°、15°、20°、30°、40°六個坡度，試驗重復3次。

試驗過程中，先將過篩后的土樣分2層裝入試驗土槽，邊填邊壓實，注意2層之間結合良好避免出現分層現象；填土完成后使試驗土槽內土壤密度控制在1.40-1.45 g/cm3。裝填完成后，用平尺將土刮平。為保證每次試驗初始條件基本一致，試驗開始前用噴壺在土樣表面均勻灑水，水量控制在使土壤表面接近飽和但未形成徑流。試驗開始后，記錄水溫，待坡面水流平穩后，開始測量土槽坡面徑流流速和水深。流速采用染色示蹤法測定，其方法是利用攝像機拍攝實驗過程，利用KMPlayer和Image-Pro Plus軟件處理分析圖像，得到染色水流通過固定坡面的路程和時間，計算徑流流速。同時，每20 s在水槽出口接取一個泥沙水樣，稱量、搖勻、取樣、烘干測定泥沙含量，計算產沙率Rs。各坡面沖刷過程歷時6 min。

圖1　土壤抗沖試驗裝置圖Fig. 1　Schematic diagram of soil anti-scouribility experimental set-up

1.3數據處理方法

染色示蹤法測定的流速為坡面優勢流流速（Vm），實測流速乘以修正系數α作為徑流流速（V）［6］。層流α取為0.67，過渡流為0.7，紊流為0.8［6］。即：

在測量流速的同時用鋼尺測量水深。但由于坡面水流很薄且坡面水深沿坡面方向動態變化，很難用鋼尺測定準確。假定坡面水流沿坡面均勻分布，徑流平均水深可由下式計算［6］：

式中：h為坡面徑流平均水深（m）；q為斷面平均單寬流量（m2/s）；V為斷面平均流速（m/s）。

雷諾數Re是判別水流流態的重要參數。雷諾數Re的物理意義可理解為慣性力和黏滯力之比，當雷諾數大于2 300，呈紊流狀態；反之，呈層流狀態［7］。Re的計算公式為［8］：

式中：R為水力半徑（m），取R=h；v為運動黏度（10-6m2/s）；g為重力加速度。

水流剪切力τ（g/（cm·s2）是徑流沖刷的動力，其計算公式為［9］：

式中：γ為水流容重（N/m3）；J為水流能坡，采用坡面比降近似代替，即J=tanθ，θ為水槽坡度（°）；ρ為水的密度（g/m3）。

國際上，對于幾種主流的土壤侵蝕過程模型，在模擬徑流沖刷引起的土壤分離過程時使用了不同的水動力學變量（水流剪切力τ、單位水流功率P、水流功率ω等）［10］。水流剪切力用于美國的WEEP模型，而水流功率 則用于澳大利亞的GUEST模型。水流功率定義為單位面積水體的水流功率，計算公式為［9］：

式中：ω為水流功率（g/s3）。

2　結果與分析

2.1產沙率與坡度、流量相關性分析

產沙率（Rs）可直觀地表征邊坡抗沖刷性能［11］。圖2表明，產沙率與坡度呈良好的線性正相關關系（R2=0.99），與流量呈顯著對數關系（R2=0.99）。產沙率隨坡度和流量增大而增大，這一結果很好的反映了較大坡度和較大流量條件下鹽土坡面更容易被侵蝕的實際問題。

圖2　土槽坡面產沙率變化Fig. 2　Changes of the unit sediment load in soil flume

為了能綜合考慮坡度和流量變化對產沙率的影響，在圖3a中將不同流量下的產沙率和坡度的關系同時繪出，在圖3b中，將不同坡度下的產沙率和流量關系也同時繪出。從圖3a可以看出，流量在160-400 L/h范圍內產沙率（Rs）與坡度呈良好的線性正相關關系，但流量大于400 L/h時，產沙率隨坡度增加而增大的速率逐漸減小，與坡度呈對數關系。同樣，由圖3b可以看出，在5°-20°的較小坡度范圍內，產沙率與流量呈良好的線性正相關關系，在坡度大于20°后，產沙率與流量呈對數關系，其值隨流量增大逐漸趨于一個穩定值。可以解釋為在較小坡度條件下，水流沖刷的動能較小，產沙率大小主要受徑流流量大小控制。坡度增大以后，水流沖刷的動能增大，徑流侵蝕能力增強，即使在徑流量較小時也能侵蝕搬運較多的土壤，此時產沙率隨徑流流量的增加變化不大，這與張科利和張竹梅［12］的研究結論相符。

以上分析表明，在影響產沙率的各因素中，坡度和流量有正向耦合效應。于是利用多元非線性回歸分析獲得產沙率與流量、坡度之間的關系：

式中：Rs為產沙率（g/（min·cm2）；Q為流量（L/h）；θ為坡度（°）。

將式（6）預測的不同坡度和不同流量下的產沙率與實測產沙率關系繪于圖4，可以發現，當坡度在5°-10°時，預測產沙率與實測產沙率比較接近，但坡度大于15°時，預測值較實測值偏小。當流量為160 L/h、200 L/h時預測值接近實測值；而流量大于200 L/h時，預測值較實測值偏小。可見，在較小坡度和較小流量下本試驗得到的預測產沙率的公式更為可靠。因此，針對鹽土土壤侵蝕預測模型的建立，用坡度和流量直接表示產沙率，還需進行更深入的研究。

2.2水動力學參數與坡度、流量相關性分析

坡面特征和水動力學參數是影響徑流侵蝕過程最主要的兩個因素［6］。為深入探索不同坡度和流量下鹽土坡面侵蝕規律，對水動力學參數與坡度和流量的相關性進行分析，以期為侵蝕過程和水動力學參數之間的聯系提供依據。本文選取雷諾數Re、水流剪切力τ、水流功率ω三個典型的水動力學參數進行研究。

圖5分析了上方來水沖刷試驗中雷諾數Re與坡度、流量的相關關系。各種流量水流沖刷條件下，隨坡度變化，坡面水流雷諾數Re均無明顯變化，維持在一個相對穩定水平，表明雷諾數Re變化與坡度無顯著相關。而圖5b顯示，不同坡度條件下，徑流雷諾數Re隨水流流量增大而顯著增大，呈線性顯著相關（平均R2〉0.99）。

圖3　產沙率隨坡度、流量的變化關系Fig. 3　Relationships between the unit sediment load and slope gradient， runoff discharge

圖4　預測產沙率與實測產沙率關系Fig. 4　Predicted soil detachment rate vs. measured detachment rate

圖5　雷諾數Re與坡度、流量相關關系Fig. 5　Correlations between Reynolds number and the slope gradient， runoff discharge

由水流剪切力τ、水流功率ω的水力學計算公式（4）、（5）可以發現，平均剪切力τ、水流功率ω都與J和h有關，而J=tanθ，h=q/v，故平均剪切力τ、水流功率ω都與流量和坡度有一定的相關關系。為驗證水力學上存在的固有物理關系，在圖6中點繪了水流剪切力、水流功率與坡度、流量的變化關系。坡面水流剪切力τ的變化范圍在4.4-107.4 g/（cm·s2）之間，平均值為32.0 g/（cm·s2）。流量一定時，水流剪切力隨坡度增大呈線性增大關系（平均R2=0.96）；當流量變大，水流剪切力隨坡度增大而增大的速率變大，在圖中表現為大流量下的趨勢線斜率更大（圖6a）。坡度一定時，水流剪切力隨流量增大線性增大（平均R2=0.97），且坡度的增大使線性增大的速率變大，表現為在高坡度條件下水流剪切力與流量的線性關系趨勢線斜率更大（圖6b）。由圖6c、6d可知，水流功率ω與坡度和流量的關系與水流剪切力τ與坡度和流量的關系類似。水流功率ω與坡度呈顯著正線性相關關系（平均R2=0.99），且流量越大時，ω與坡度的正相關趨勢線斜率越大；水流功率ω隨流量增大線性增大（平均R2=0.99），且坡度變大時，水流功率ω隨流量增大而增大的速率更大。

以上結果很好的驗證了在鹽土坡面上方來水徑流沖刷試驗中坡度和流量都是影響水流剪切力τ、水流功率ω的重要因素，且具有正向耦合效應，與它們固有的物理關系契合。

2.3產沙率Rs與水動力學參數相關性分析

以上研究表明，產沙率、水流剪切力，水流功率均與坡度和流量具有顯著相關性。于是猜想產沙率Rs與水動力學參數之間也有一定的相關性。為驗證猜想，圖7點繪了產沙率Rs與水流剪切力τ及水流功率ω之間的相關關系，以期找到用水動力學參數表征產沙率Rs的經驗關系，給預測鹽土坡面侵蝕狀況提供水動力學依據。從圖中可知，產沙率與水流剪切力、水流功率都呈良好的對數關系，所以水流剪切力τ（R2=0.82）、水流功率ω（R2=0.86）均可很好地預測不同坡度和流量條件下產沙率Rs的相應數值［13］。對比相關系數，我們發現水流功率ω的可靠性更高，這個結論與Guo等［8］的研究結論相符。水流功率理論最初更多應用于明渠水流，后經Moor和Burch［14］的實驗研究證明，可以直接用來描述坡面侵蝕過程，眾多實驗結果也對此理論［15-17］的應用提供了依據。因此，對于研究區高鈉鹽粉砂土，水流功率ω可以很好的表征土壤侵蝕狀況，得到的經驗公式為Rs=0.59ln（ω）-3.15，R2=0.86。然而在沿海鹽堿土邊坡沖刷試驗中，二者表現出較強的對數關系，與Guo等［8］和管新建等［18］的試驗得出的產沙率與水流功率呈線性正相關關系有出入，但大體變化趨勢相同，差異原因可能在于沿海鹽堿土理化性質的特殊性。

3　結論

1）平均產沙率Rs分別與坡度呈良好的線性正相關關系（R2=0.99），與流量呈良好的對數關系（R2=0.99）。坡度和流量對產沙率Rs有正向耦合效應，得出產沙率與坡度和流量的回歸方程：

2）雷諾數Re與流量呈線性正相關而與坡度無顯著相關；坡面水流剪切力τ和水流功率ω與流量和坡度均呈線性正相關關系。

3）水流功率ω（R2=0.86）可以很好的預測研究區高鈉鹽粉砂土坡面在上方來水沖刷條件下的產沙率Rs，得到經驗公式Rs= 0.59ln（ω） - 3.15，R2= 0.86。

4　討論

圖6　水流剪切力、水流功率與坡度、流量相關關系Fig. 6　Correlations between flow hydraulic shear stress/ stream power and the slope gradient， runoff discharge

1）論文在獲得產沙率與坡度/流量的回歸方程（Rs=0.001Q0.577θ1.002，R2=0.92）后發現，預測值與實測值的相關性良好，且在較小坡度和較小流量條件下公式的可靠性更高，原因可能是因為流量和坡度兩個因子對侵蝕產沙率的貢獻率存在對比消長關系，流量和坡度都較小時，坡度對侵蝕過程起主導作用；當流量較大或者達到臨界坡度以后，則流量對侵蝕過程起主導作用，而從回歸方程的形式上看與流量和坡度都較小時的情況更為吻合。這與耿曉東等［19］的研究結論一致。

圖7　產沙率Rs與剪切力τ、水流功率ω相關關系Fig. 7　Correlations between the flow hydraulic shear stress and stream power

2）用水動力學參數表征產沙率時，水流剪切力τ和水流功率ω較雷諾數Re更能綜合考慮坡度和流量的影響，具有更廣泛的水動力學特性，在譚貞學等［20］的研究中也將水流功率ω作為描述產沙率的水動力學參數的依據之一。

3）由所得的預測產沙率的經驗公式Rs=0.59ln（ω）-3.15，R2=0.86，可得土壤侵蝕的臨界水流功率為ω=27.54 g/s3，當水流功率大于土壤侵蝕的臨界水流功率后，侵蝕才開始發生，該結論可以為海涂鹽堿地工程邊坡侵蝕預報理論提供依據。然而水流功率理論在土壤抗沖性研究中的實踐應用較少，對于不同土壤類型尚缺乏系統研究，其在土壤抗沖性研究中的實踐和應用尚需進一步的探究。

4）本試驗重點研究了海涂鹽堿地坡面土壤侵蝕過程，建立了試驗條件下的坡面土壤侵蝕公式，豐富了海涂鹽堿地坡面土壤抗沖性的研究。但除了試驗所考慮的坡度、流量、水動力學參數等影響因子外，坡面下墊面土壤的理化性質、植被覆蓋類型及程度等也是影響坡面土壤抗沖性的重要因素，在接下來的研究中需進行進一步探索，完善預測產沙率的公式使之具有更強的適用性，為海涂鹽堿地抗沖性的研究提供依據。

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（責任編輯：王育花）

Experimental study on soil anti-scourability of the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land

CHEN Qian1a， SHE Dong-li1a，1b， ZHANG Er-zi2， XU Wen-tao1a
（1. Hohai University， a. Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China， Ministry of Education， b. National Engineering Research Centre of Water Resource Efficient Utilization and Engineering Safety， Nanjing， Jiangsu 210098， China； 2. Jiangning Water Resources Bureau of Jiangsu Province，Nanjing， Jiangsu 210098， China）

The objective of this study was to identify the soil anti-scourability in the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land. For this purpose， the relationships between unit sediment load （Rs） of silt soil slopes， its hydraulic characteristics， slope gradient， and runoff discharges were analyzed through the runoff scouring experiments under six different slope gradients and six different runoff discharges. The results showed that the Rspresented a positive liner relationship with slope gradient and increased logarithmically with runoff discharges. Reynolds number （Re） had a positive liner relationship with the runoff discharge but did not have any obvious relationships with slope gradient. The stream average shear force （τ） and the stream power （ω） had positive liner relationships with the runoff discharge and slope gradient. The Rsincreased logarithmically with the stream average shear force （τ） and the stream power （ω）. The ω and τ were all good hydraulic indicators for the unit area sediment load under different slope gradients and runoff discharges. It was clearly indicated by the related coefficient that the stream power （ω） was the best for predicting Rsin runoff scouring experiments. The above results will provide scientific basis for the research progress in the model development of soil erosion in the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land.

slope gradient； runoff discharge； runoff scouring experiments； soil anti-scourability； unit sediment load；hydraulic characteristic； saline-alkali land

National Natural Science Foundation of China （51679062， 41471180）； Land and Resources Science and Technology Project of Jiangsu Province （KJXM2016003）.

SHE Dong-li， E-mail: shedongli@hhu.edu.cn.

21 March， 2016；Accepted 22 June， 2016

S157.1

A

1000-0275（2016）05-0964-08

10.13872/j.1000-0275.2016.0090

國家自然科學基金項目（51679062，41471180）；江蘇省國土資源科技項目（KJXM2016003）。

陳倩（1993-），女，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事農田水土過程與侵蝕控制研究，E-mail：1934214192@qq.com；通信作者：佘冬立（1980-），男，湖南望城人，博士，教授，博士生導師，主要從事農田水土過程與侵蝕控制研究，E-mail：shedongli@hhu.edu.cn。

2016-03-21，接受日期：2016-06-22