黃土坡面細溝形態變化及對侵蝕產沙過程的影響

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，細溝形態影響和決定著坡面水流及泥沙的運移規律，是具有地貌意義的土壤侵蝕影響因素[5-6]，這一因素體現著坡面水蝕動力學各要素對比關系，是深入認識流域侵蝕產沙物理過程的關鍵科學問題[7-9]。因此，從坡面微地貌演變來分析坡面侵蝕動力過程，是當前坡面侵蝕研究領域的熱點問題[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，監測坡面泥沙沖淤動態分布，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種侵蝕系統內部驅動作用的侵蝕機理各不相同，產沙特點與規律也有所不同，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合作用的結果。雖然目前在細溝發育過程模擬[14-23]及細溝形態量化[24-28]等方面已經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的分析，而對動態發育過程中的細溝形態連續演變規律研究較少，且研究多關注于細溝網絡整體形態的復雜程度差異，而缺乏對其邊壁變化規律與侵蝕產沙過程的定量分析。

鑒于此，本文通過實體模擬試驗，跟蹤細溝演變的全過程，監測坡面泥沙沖淤動態分布，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沙過程及坡面侵蝕方式的影響，追溯侵蝕產沙來源，探討降雨驅動下溯源侵蝕、重力作用、水流剪切分散對細溝形態的塑造過程，闡明細溝侵蝕產沙內部驅動機制及主要控制因子，為細溝侵蝕動態模型的建立提供基礎數據。

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進行。試驗裝置主要由人工模擬降雨系統和坡面實體模型2部分組成。

人工模擬降雨系統可以模擬 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格為 5 m×1 m×0.6 m 的可調坡度土槽，可調坡度在 0～30°之間，可模擬從緩坡到陡坡等不同角度坡面，本次試驗模擬將坡面設定為 20° 陡坡坡面，土槽底設有直徑為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以內的黃土。土壤顆粒機械組成的測定在黃河水利科學研究院工程力學研究所的土壤物理試驗室內進行操作，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 試驗設計

在野外調查的基礎上，依據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降雨，直至坡面開始產流為止，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的變化，本實驗設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設計主要包括雨強、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，分別對應黃土高原地區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。根據細溝發育情況，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流產沙過程的影響，坡面地形測定采用由美國法如公司生產的 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），掃描一個標準坡面用時約1 min，可最大限度地保持坡面產流產沙的連續性。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壓力管道上，在每場降雨結束后立即進行地形掃描，掃描結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）和實時攝像技術相結合的方法測定坡面及細溝內水流流速；用直尺量測坡面水寬和水深；當坡面開始產流時，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測，觀察并輔助人工記錄細溝產生—發展—穩定全過程，坡面關鍵時間節點信息，如產流開始時間、跌坎出現時間、溝壁坍塌位置等，并每隔一定時間，從不同角度，用數碼相機拍攝細溝形態演變過程。每場降雨試驗結束后進行樣本數據測量，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，稱質量精度為0.01 g。經測定，實際降雨強度分別為66、94、127 mm/h，雨強均勻性>90%。

1.3 數據處理

由于受現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據，同時產生噪點，因此，建模前首先要對數據進行診斷處理，即運用相應算法對數據進行平滑、對齊、濾波等處理工作，為模型的構建做好準備。接下來，根據定位小球的位置，完成點云數據的拼合、濾波、精簡、曲面生成等操作，形成完整的坡面DEM。細溝溝長、溝寬及溝深等數據通過ArcGIS 10的空間分析功能提取得到。

2 結果與分析

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

溯源侵蝕是發生在細溝溝頭部位的侵蝕產沙過程，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。根據圖1a的統計結果，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；當降雨強度過大，細溝網發育達到穩定的時間較短，導致細溝累積長度的增加幅度減小；當降雨強度過小，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

溝壁坍塌是發生在溝壁的侵蝕產沙過程，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。根據圖1b的統計結果，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，細溝寬度變化表現出明顯的分異規律。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、土體含水量關系密切，因此細溝溝壁崩塌現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

溝底下切是發生在溝床底部的侵蝕產沙過程，在徑流剪切分散作用下，溝底下切侵蝕和細溝內再次出現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。根據圖1c的統計結果，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，且對降雨強度表現出較強的分異規律。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，細溝內的水流為水沙二相流，侵蝕作用的增大使細溝內水流含沙量增加，而含沙量的變化會影響坡面流水動力學參數，從而間接影響坡面徑流能量消耗。

2.2 細溝形態參數之間的關系

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

圖2 細溝形態參數之間的關系Fig.2 Relationship between rill morphology parameters

2.3 細溝形態與產沙過程之間的關系

為揭示細溝形態變化與坡面產沙過程的耦合關系，圖3、圖4點繪了細溝形態參數與含沙量、侵蝕率之間的關系。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函數關系，且相關系數r> 0.70，呈較顯著相關，說明細溝的形成和發展與坡面水沙過程的關系密切，且溝頭前進、溝壁擴張、溝頭下切對坡面產沙過程的影響基本一致。一方面，細溝形成后，為徑流和侵蝕產物提供了輸送通道，坡面水流由面流轉變為溝內集中股流，水流性質的轉變引起侵蝕量的急劇增加，必將使坡面水沙關系發生變化；另一方面，細溝形態在演變過程中，通過分叉、分級、密度、頻度、數目以及長度等因素，影響著溝內水流結構，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，侵蝕過程中易發生細溝邊壁的劇烈變化，必將引起水沙過程發生顯著改變。

圖3 細溝形態與含沙量的關系Fig.3 Relationship between rill morphology and sediment concentration

圖4 細溝形態與侵蝕率的關系Fig.4 Relationship between rill morphology and erosion rate

3 結 論

本研究以坡面細溝形態為切入點，通過實體模擬試驗和三維激光地形掃描，跟蹤細溝網絡發展全過程，量化其發育演化規律，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，揭示了細溝形態參數之間及與產沙過程之間的關系。結果表明：

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、歷時下細溝形態發育的分異規律顯著。

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

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

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