含礫石風沙土堆積體坡面徑流產沙特征*

趙 滿 王文龍，，3? 郭明明 康宏亮 白 蕓 楊 波 王文鑫陳卓鑫

（1 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）（2 榆林學院陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室，陜西榆林 719000）（3 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

隨著經濟發展，近年來陜北風沙區生產建設項目（煤炭、石油、天然氣開采、公路建設等）規模日益擴大，大面積地表開挖—轉移—堆置形成的大量工程堆積體已對當地生態環境造成了嚴重破壞。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重，并引起了廣泛關注［1-2］。

生產建設活動形成的工程堆積體具有物質組成復雜、固結性差、坡度陡等特點［3］，研究表明堆積體坡面物質可蝕性為擾動前的10倍～100倍［4］，在暴雨條件下坡面侵蝕形式多樣［5］、侵蝕模數巨大［6］，屬于典型的人為加速侵蝕［7］。此外，生產建設活動中對地表和地下巖土層的擾動，導致堆積體土壤中常有大量礫石（粒徑≥2mm）存在［8］；礫石可改變土壤結構和物理特性［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，國內外諸多學者也對此進行了大量相關研究：Poesen等［16］認為礫石可促進土壤侵蝕，而Rieke-Zapp等［17］發現礫石（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現，礫石（礫石含量10%、20%、30%）可以促進坡面侵蝕，而在相同礫石含量條件下，李建明等［19］卻發現礫石對塿土堆積體坡面侵蝕有抑制作用；室內模擬降雨（礫石含量10%、20%、30%）［20］和野外原位小區放水試驗（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沙因其質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［22］、紅壤區［23］和紫色土區［24］，風沙土作為一種在陜北地區分布廣泛的土壤類型，其土壤黏粒含量少，團聚體含量低，結構性差，相同降雨條件下較其他類型土壤的侵蝕過程更加劇烈復雜［25］，在生產建設過程中，風沙土堆積體坡面在摻雜不同質量含量的礫石后其坡面徑流特性和侵蝕產沙過程尚需進一步明確。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省靖邊縣，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；該區位于我國黃土高原北部風蝕水蝕交錯帶，屬于半干旱大陸性季風氣候區，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在夏秋兩季。區內土壤類型主要為風沙土，以灌木為主的植被覆蓋率為37.34%，部分地區近年來由于煤礦開采和道路建設等大量人為擾動，導致植被蓋度急劇下降，生態環境脆弱，同時產生嚴重水土流失。

1.2 供試材料

試驗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干的方法，保證裝填時其含水量在10%左右，土壤顆粒粒徑和有機質含量如表1所示。試驗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，經機械粉碎、分選獲取，并以野外侵蝕產沙過程中礫石能夠被搬運的粒徑范圍為依據，確定試驗礫石粒徑為2～50 mm。試驗前對研究區內70多處生產建設項目堆積體進行實地調查發現，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三個等級，并按照質量比3∶5∶2進行混合，作為試驗用礫石；礫石質量含量低于40%的堆積體坡面占到調查總數的90%以上，所以將礫石按照質量含量10%、20%、30%分別與土壤均勻混合后裝填，并設置0作為對照。

1.3 試驗設計與指標測定

試驗在中國科學院水利部水土保持研究所人工降雨大廳進行。通過收集研究區多年降雨氣象資料，統計夏、秋時節發生暴雨時頻率較高的30 min雨強作為本次試驗雨強的設計依據，最終將雨強設計為1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min-1，降雨場次為16場。試驗所用徑流小區為降雨大廳內液壓式可升降變坡鋼槽，規格為5 m×1 m×0.5 m，底部設有滲水孔，據工程堆積體坡面土壤侵蝕標準試驗小區建設要求，將小區坡度定為25°［26］（圖1）。槽底均勻鋪上一層5 cm厚細沙，并在細沙層表面墊上紗布，以滿足野外降雨條件下入滲過程。為便于控制土體容重，設計進行土體分層裝填：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，表面進行打磨處理，使土層之間更易結合，根據野外調查資料，容重控制在1.30 g·cm-3；上層土體不夯實，但土層表面要整平，容重控制在1.10 g·cm-3。根據Mehuys等［27］提出的土石體容重公式來計算每次裝填土石量。

表1 土壤顆粒機械組成及有機碳含量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為風沙土容重，試驗中下、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為礫石質量含量，%。每次試驗結束后用相同方法進行裝填。

圖1 模擬降雨試驗布設簡圖Fig.1 Layout of the simulated rainfall experiment

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

1.4 數據分析與繪圖

（1）徑流深h：測量時段內坡面平均徑流水深，計算公式如下：式中，h為徑流深，m；q為t時間內的徑流量，m3；t為徑流取樣時間，s；V為斷面處平均流速，m·s-1；b為過水斷面寬度，m。

（2）徑流率Q：通過觀測時間段內樣品重量減去烘干后泥沙重量獲得，計算公式為：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。

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

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

（5）Darcy-Weisbach阻力系數f：徑流流動過程中受到來自于水土界面阻礙水流運動力的總稱，計算公式為：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：單位時間內一定面積內泥沙輸移質量，計算公式為：式中，D為侵蝕速率，g·m-2·s-1；M為測量時間段內泥沙干重，g；L為坡長，m。

采用SPSS 18.0、Excel 2010進行試驗數據處理分析，采用Origin 8.5進行繪圖。

2 結 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增大而增大。雨強為1.0、1.5 mm·min-1時，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雨強下，徑流率呈產流前期（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雨強下，0～9 min內土質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，分別為同等雨強下土質坡面的1.46倍～2.33倍；9～42 min內，土質坡面為0.13～0.24 L·min-2，含礫石坡面為0.03～0.15 L·min-2，分別為土質坡面的0.23倍～0.92倍。

圖3為平均徑流率隨雨強和礫石含量變化關系。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均呈顯著指數函數關系（R2=0.942～0.983，P＜0.05），其中30%時二者關系最好（P＜0.01）。對產流過程（圖2）分析可知，1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強下徑流率均隨礫石含量的增加呈先減后增趨勢，在1 0%礫石含量時最小，分別為1.1 2、1.42、5.92 L·min-1；相比土質坡面，1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強下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%。

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

圖2 不同礫石含量和雨強條件下徑流率隨產流歷時變化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、流型和阻力系數 圖4為各雨強下Re、Fr、f隨礫石含量的變化。由圖4a可知，各礫石含量坡面Re均隨雨強增大而增大，土質坡面Re與雨強呈顯著指數函數關系（P＜0.05）；試驗Re分布范圍為36.64～705.8，除2.5 mm·min-1雨強條件下土質坡面徑流流型為紊流外，其余雨強和礫石含量條件下坡面徑流流型均為層流。試驗Fr分布范圍為0.72～1.62，土質坡面Fr分布范圍為1.28～1.62，坡面徑流流態為急流；含礫石坡面Fr分布范圍為0.72～1.18，坡面徑流流態主要為緩流；相較土質坡面，四種雨強下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，各雨強下坡面徑流阻力系數 f 隨礫石含量增加總體呈增長趨勢；土質坡面 f 范圍為1.80～3.05，含礫石坡面 f 范圍為2.73～6.97；相較土質坡面，各雨強下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沙特征

2.2.1 侵蝕速率隨產流歷時變化 圖5為堆積體坡面侵蝕速率隨產流歷時的變化。除1.0 mm·min-1雨強下土質坡面侵蝕速率隨產流歷時增加而逐漸減小外，整體上，土質和10%礫石含量坡面侵蝕速率呈現減小—穩定—波動增長的過程；其中土質坡面在1.5、2.0、2.5 mm·min-1雨強下侵蝕速率發生突增的時間分別為39 min、30 min、21 min，侵蝕速率發生突增的時間隨雨強增大而逐漸提前；10%礫石含量坡面在1.0、1.5 mm·min-1雨強下分別在產流33、36 min侵蝕速率出現突增，2.0、2.5 mm·min-1雨強下侵蝕速率在0～6 min內下降，隨后呈波動增長。在各雨強下，土質坡面侵蝕速率變化范圍為0.15～50.78 g·m-2·s-1，變異系數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增大而增大；土質坡面次降雨侵蝕量與雨強呈顯著線性函數關系（P＜0.05），含礫石坡面次降雨侵蝕量與雨強均呈顯著冪函數關系（P＜0.05）。雨強為1.0 mm·min-1時，10%、20%、30%礫石含量坡面次降雨侵蝕量分別為土質坡面的8.61倍、5.57倍、4.64倍，含礫石坡面侵蝕量均要高于土質坡面。雨強為1.5、2.0、2.5 mm·min-1時，土質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坡面。

為明確雨強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和礫石含量的關系表明，次降雨侵蝕量與二者呈極顯著線性關系（式（8））。式中，E 為次降雨侵蝕量，k g；I 為雨強，mm·min-1；G為礫石含量，%。

圖5 不同雨強和礫石含量條件下坡面侵蝕速率隨產流歷時的變化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系

圖6 不同雨強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的變化。為進一步明確侵蝕量與徑流特性之間關系，本文對16場降雨所得徑流率、雷諾數、弗汝德數、徑流阻力系數與次降雨侵蝕量分別進行了相關性分析和回歸分析，相關性分析表明：次降雨侵蝕量與徑流率、Re、Fr分別呈極顯著或顯著正相關關系，但與 f 相關性較差，相關系數依次為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 呈顯著冪函數關系，與Re、Fr呈顯著線性函數關系，具體表達式如圖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雨強下10%礫石含量土體平均徑流率要低于0、20%、30%，這與部分學者對黃綿土［28］、紅壤［23］的研究結果類似，但也有研究表明紫色土在30%礫石質量含量時徑流率最小［20］，這與紫色土質地較為細密，孔隙度小，礫石對其土壤結構影響較小有關。礫石與土壤混合后會破壞土壤固有結構，使土壤孔隙度增大、入滲量增加，導致徑流量減小［29］，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，礫石對徑流率的影響呈現出“兩面性”，礫石對入滲的促進與抑制作用相互疊加，使徑流率隨礫石含量增加呈現出先減后增趨勢。

雷諾數R e 和弗汝德數F r 分別為表征水流流態和流型的重要參數。本次試驗雷諾數集中在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結果（43≤Re≤770）［31］或者模擬降雨試驗結果（300≤Re≤500）［32］基本一致；雨強對雷諾數影響顯著（P＜0.05），且二者呈正相關關系。土質坡面徑流為急流（1.28≤Fr≤1.62），這與李占斌等［33］研究結論相似，但略小于張樂濤等［34］對工程堆積體的研究結果，主要是因為后者坡度和坡長較大，水流匯集程度較高，使得徑流紊動程度增強。相比于土質坡面，含礫石坡面以緩流為主（0.72≤Fr≤1.18），且弗汝德數減幅明顯，這與李宏偉等［35］研究結果基本一致，主要是因為礫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較土質坡面增幅明顯，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，導致溝槽對徑流阻礙作用增大［33］。

3.2 礫石對侵蝕產沙影響

降雨過程中，坡面侵蝕形式主要由濺蝕發展為面蝕，再到溝蝕［36］，侵蝕速率可以反映坡面在某個時刻的侵蝕狀況［19］；2.5 mm·min-1雨強下，風沙土坡面平均侵蝕速率高達14.67 g·m-2·s-1，是相同雨強下紅壤的98倍、塿土的4.5倍［18-19］；其他類型土壤諸如紅壤、黃綿土、紫色土等產流過程中侵蝕速率一般呈現增加—衰減—穩定趨勢，而風沙土侵蝕速率則呈減小—穩定—波動增加趨勢，產流過程中有“突變”現象出現，且波動次數要明顯多于其他土壤，特別是在產流中后期，其侵蝕速率仍在逐漸增大。1.0 mm·min-1雨強下土質坡面侵蝕速率隨降雨歷時變化幅度較小，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致［32］。1.5、2.0、2.5 mm·min-1雨強下，土質和10%礫石含量坡面產流過程中侵蝕速率呈現較大波動性，并且產流過程中侵蝕速率有突變現象；侵蝕速率的“波動和突變”與坡面侵蝕溝的出現直接相關，主要是由侵蝕溝發育過程中出現的重力侵蝕現象（溝壁崩塌、坡面土壤滑塌）所導致［37-38］，這也表明風沙土堆積體坡面在較大雨強下，不僅有溝蝕出現，同時伴有重力侵蝕，二者互相促進，造成侵蝕形式較為復雜多變。20%、30%礫石含量坡面在4種雨強下侵蝕速率變化范圍均較小，主要是因為礫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，延緩了地表結皮形成［39］；當坡面裸露礫石數量較多時，相應的侵蝕溝的形成和發育程度較低，也即礫石阻礙侵蝕溝的發育，并可以抑制溝頭溯源、溝岸擴張、溝床下切，降低了溝壁重力侵蝕發生幾率，因此導致侵蝕速率波動范圍和波動性均變小。

因土壤類型、雨強等因素的不同，礫石或促進侵蝕，或抑制侵蝕：有研究發現，塿土堆積體隨礫石含量增加，侵蝕量逐漸減小［19］，對黃綿土的研究表明，侵蝕產沙量受礫石含量變化的影響較小［28］；相同礫石質量含量紅壤堆積體因雨強、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雨強下，土質坡面侵蝕量低于含礫石坡面。由上文可知，雨強較小時，土質坡面主要發生濺蝕和面蝕，所以在降雨過程中容易產生結皮，此外，該雨強下坡面徑流流速較緩，且多為層流，對泥沙的搬運能力也較弱，故侵蝕量較小；含礫石坡面則因為礫石的存在，增大了土壤孔隙度，抑制了結皮現象的發生，并使礫石周圍土壤成為侵蝕易發區［40］，因而侵蝕量要相對較大。1.5、2.0、2.5 mm·min-1雨強下，相比于土質坡面，含礫石坡面侵蝕量減幅明顯；且當雨強≥2.0 mm·min-1時，侵蝕量與礫石含量呈負相關，分析其原因，主要有兩方面：（1）本研究中，隨礫石含量增加，徑流流態變緩（圖4b），坡面徑流阻力系數上升（圖4c），相比于土質坡面，含礫石坡面徑流流速下降，同時徑流用于克服坡面阻力所消耗的能量增加，導致其侵蝕、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，隨堆積體礫石含量的增加，坡面礫石裸露度會逐漸增大，導致徑流攜沙量下降［41］，同時坡面會產生“鎧甲效應”［42］，保護坡面免受侵蝕，二者共同作用，使侵蝕量下降。

4 結 論

采用室內模擬降雨試驗方法，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，主要結論如下：土質坡面徑流多呈急流態，而含礫石坡面則以緩流為主。1.0、1.5、2.5 mm·min-1雨強時，較土質坡面，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雨強下土質和10%礫石含量坡面侵蝕速率隨降雨歷時呈減小—穩定—增大趨勢，2.0、2.5 mm·min-1雨強下，呈波動式增大趨勢；4種雨強下，20%、30%礫石含量坡面侵蝕速率均呈緩慢、平穩增加趨勢。1.0 mm·min-1雨強時，10%、20%、30%礫石含量坡面次降雨侵蝕量為土質坡面的8.61倍、5.57倍、4.64倍，當雨強＞1.0 mm·min-1時，則較土質坡面分別減少22.80%～50.08%、37.06%～66.49%、41.08%～68.50%。風沙土堆積體侵蝕量分別與徑流率、雷諾數、弗汝德數、阻力系數呈顯著線性（冪）函數關系。該研究可深入了解風沙土區堆積體坡面侵蝕過程和強度，為工程堆積體邊坡治理措施的布設提供一定的設計參考，同時今后的研究中要認識到重復試驗的重要性，擴大、細化礫石含量的研究范圍，以提高研究的普適性和精準性。