礫石對紅壤工程堆積體邊坡徑流產沙的影響

陳卓鑫,王文龍,2,*,康宏亮,郭明明,楊 波,王文鑫,趙 滿

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,楊凌 712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所,楊凌 712100

伴隨著生產建設活動引起的生態環境問題以及水土保持工作的迫切需求,工程堆積體邊坡侵蝕已成為水土保持研究的熱點之一[1]。人類通過挖方、埋壓以及爆破等不同的擾動方式對生產建設項目區的地貌進行了重塑,產生大量含粒徑不一礫石的工程堆積體地貌單元,其邊坡具有坡度大、結構疏松及土壤有機質缺乏等特點[2]。在暴雨作用下,工程堆積體水土流失形式常以“點狀”或“線型”、單一或綜合出現[3],造成局部水土流失劇增[4],使其成為新增水土流失的重要的物源地之一[5]。

礫石的存在改變了下墊面的土壤理化性質及地表形態特征,影響邊坡的水文特性和侵蝕過程[6]。對于傳統含礫石坡面,眾多的國內外學者對含礫石土壤的入滲過程[7-8]、水動力學特性[9-10]以及產流產沙特征[11]等方面已開展了大量的試驗研究。然而,對于人為擾動形成的含礫石工程堆積體邊坡,其徑流產沙過程及侵蝕動力機制則更為特殊和復雜。史東梅等[12]比較含礫石紫色土和黃沙壤堆積體邊坡徑流產沙過程,表明偏土質(土石比4∶1)邊坡累計產流量和產沙量均高于土石質混合邊坡(土石比3∶2),且產沙率呈連續性多峰多谷變化；李建明等[13]通過室內模擬降雨試驗發現,坡度在25°左右時礫石對塿土堆積體邊坡產沙的促進作用最大；丁亞東等[14]研究黃綿土散亂錐狀堆積體表明了礫石對邊坡的土壤侵蝕具有抑制作用；康宏亮等[15]對北方風沙土堆積體邊坡的研究表明,不同雨強下礫石對邊坡侵蝕產沙具有完全相反的作用,1.0 mm/min雨強時,礫石促進降雨侵蝕,>1.0 mm/min雨強時,礫石具有顯著的減沙效益；以往在工程堆積體水土流失預測模型(經驗模型)方面[16]上取得了一些成果；對于高速公路棄土堆積體[1]和碾壓型堆積體[17]邊坡土壤侵蝕動力機制也建立了控制方程,均認為徑流功率是描述工程堆積體侵蝕動力機制最合理的參數。然而,這些研究多集中在黃土高原和西南地區,而對于曾有“紅色沙漠”之稱的南方紅壤區的工程堆積體邊坡徑流產沙鮮見報導,且以往針對不同礫石質量分數的土壤侵蝕動力機制的研究較少,對于不同礫石質量分數條件下的徑流水動力學參數特征研究也需進一步加深。

基于眾多學者研究的基礎上,本試驗采取室內人工模擬降雨的方法,對不同降雨強度和不同礫石質量分數條件下邊坡的侵蝕過程進行觀測,分析不同降雨強度對含礫石紅壤邊坡徑流特性及侵蝕過程的影響,揭示不同礫石質量分數條件下紅壤邊坡的徑流水動力參數特性及侵蝕動力機制,以期為紅壤區工程堆積體水土流失預測模型提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

通過對東北黑土區、北方石質山區、西北黃土高原區、黃淮海平原區、貴州土石山區和江西紅壤區的368座不同類型工程堆積體的坡長、坡度以及下墊面物質組成等進行實地調查,經統計分析后表明：2—8 m坡長的堆積體坡面占調查總數的78.4%；坡度多集中在20°—40°；礫石粒徑2—15 mm占總樣本數的32%,15—25 mm占總樣本數的46%,粒徑>25 mm占總樣本數的22%,各粒徑的質量比大約為3∶5∶2；礫石質量分數<40%的工程堆積體占調查樣本數的90%以上。在野外調查數據的分析基礎上,結合模擬試驗的實際條件以及調查中邊坡礫石可被侵蝕搬運的粒徑范圍對工程堆積體進行室內概化：將本試驗礫石篩分為小(2—15 mm)、中(15—25 mm)、大(25—50 mm) 3個粒徑等級,分別過2、15、25、50 mm篩,然后按質量比3∶5∶2均勻混合后備用；設計礫石質量分數0(土質邊坡)、10%、20%和30%,礫石與紅壤按質量比0∶10、1∶9、2∶8和3∶7用攪拌機進行均勻混合,隨后用于填裝試驗槽；根據李宏偉等[18]明確定義的我國工程堆積體水蝕測算模型標準小區坡度為25°,以及已有研究表明坡度影響侵蝕產沙突變的臨界坡度大約在25°[19-20],再結合野外調查,最終設計試驗坡度為25°,試驗坡長為5 m。

圖1 模擬降雨試驗裝置示意圖Fig.1 Layout of rainfall simulation experiment device

試驗土壤采自江西省南昌市新建縣撂荒地非耕層土壤。南昌市位于江西省中北部,屬于典型的紅壤分布區,土壤類型為第四紀粘土發育的土壤,采集的試驗土壤為研究區內典型紅壤,具有較好的代表性和適用性。將所取土壤過6 mm篩網剔除土中的樹根、礫石等雜物后平鋪至室外陰涼處自然風干,測得土樣的土壤顆粒粒徑(mm)<0.002,0.002—0.02,0.02—0.05,0.05—0.1,0.1—2.0的機械組成分別為17.87%,32.84%,21.24%,9.71%,18.34%。試驗所用礫石采自陜西省商洛市山陽縣高速公路旁山體自然滑坡體塊石(礫石表面幾乎不下滲水分),據試驗粒徑要求機械粉碎篩選獲取。

試驗在中國科學院水利部水土保持研究所模擬降雨大廳進行,降雨系統為下噴式,降雨高度18 m,能滿足所有雨滴達到終點速度,且降雨均勻度能達到80%以上,可模擬的降雨強度范圍在30—350 mm/h之間,有效降雨面積為27 m×18 m[21]。試驗采用規格為5 m(長)×1 m(寬)×0.5 m(高)的移動式液壓可變坡度鋼制土槽,試驗裝置布設簡圖如圖1所示。為模擬降雨入滲以及重力水的自由流出,土槽底層鋪厚度為10 cm的石英砂并在土槽底部開有均勻分布的小孔。試驗裝土深度為40 cm,裝土分為2層,下層和表層裝土深度均為20 cm,下層進行夯實,容重控制在1.40—1.55 g/cm3之間,上層土壤不夯實但對邊坡表面進行打磨平整,對邊壁處的邊坡盡可能壓實以減小邊界的影響,容重控制在1.15—1.30 g/cm3之間,土層之間進行打毛處理以防止滑塌,土石混合體經24 h自然沉降,試驗前使用環刀在邊坡(上、中、下)分別取樣,控制每場試驗土壤質量含水量保持在10%左右。每次試驗的裝土人員與試驗人員固定,以保證裝土工藝一致。

基于對紅壤區多年的降雨氣象資料的統計分析,選擇暴雨頻率較高的30 min最大降雨強度作為本模擬降雨試驗降雨強度的設計來源,取整后設計為1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min共4個降雨強度級別,降雨歷時45 min。試驗場次共計16場。

1.2 試驗步驟

試驗開始前,用遮雨布蓋住整個試驗土槽,在土槽的四角分別放置一個雨量筒,打開降雨器開關進行雨強率定,率定結果與試驗設計雨強誤差不超過5%,雨強率定后快速掀開遮雨布,直至邊坡出現線狀水流流出集流槽出口,開始產流,并從0開始計時直至45 min整場試驗結束。邊坡的測流斷面選定在距小區頂部1.0—2.5 m和2.5—4.0 m的位置,產流開始后,前5 min每1 min在集流槽出口用1000 mL量筒接取徑流泥沙樣,5 min后每5 min接取一個徑流泥沙樣,并記錄接樣時間、讀取其體積和用電子天平稱取質量,接樣同時在每個觀測斷面分別測定同時刻的流速和流寬。接取的徑流泥沙樣靜置后去除上層清液,放入105 ℃烘箱內烘干至恒重后稱取泥沙質量。

1.3 試驗數據處理

文中各參數使用Excel 2013進行數據統計,使用SPSS 20.0進行數據分析,使用Origin2018b進行圖表繪作。

1)流速(V)和流寬(L)：流速測定采用KMnO4染色示蹤法,秒表精度為0.01秒,測距為1.5 m,流速乘以修正系數K[22]得到邊坡徑流的平均流速；流寬采用自制的尺片測量,精度為0.01 m。

2)徑流強度(Rr)：單位時間通過單位過水斷面的的水流流深,計算公式為：

(1)

式中,Rr為徑流強度,mm/min；Q為徑流率,m3/min；b為過水斷面寬,m；L為坡長,m。

3)徑流深(h)：測量時段內邊坡的平均徑流深,由于水流斷面的徑流深度較小,直接人工測量誤差較大,因此采用公式進行計算。計算公式為：

(2)

式中,h為徑流深,m；q為測量接樣時間T(s)內的徑流量,m3。

4)雷諾數(Re)：判斷邊坡徑流為層流紊流的定量標準,計算公式為：

(3)

式中,R為水力半徑,m；υ為水流黏滯性系數,m2/s。

5)弗汝德數(Fr)：判別緩急流的定量標準,表征水流慣性力與重力的比值,計算公式為：

(4)

式中,g為重力加速度,m/s2。

6)徑流剪切力(τ)：反映徑流在流動過程中對表層土壤顆粒分離的能力,計算公式為：

τ=γm·g·R·J

(5)

式中,τ為徑流剪切力,N/m2或Pa；γm渾水密度,kg/m3；J為水力坡降,m/m,用坡度的正弦值近似替換。

7)單位徑流功率(U)：作用于泥沙床面的單位重量水體所消耗的功率,計算公式為：

U=V·J

(6)

式中,U為單位徑流功率,m/s。

8)徑流功率(ω)：表示作用于單位面積水流所需要消耗的功率,計算公式為：

ω=γm·g·R·J·V

(7)

式中,ω為徑流功率,N m-1s-1。

9)過水斷面單位能(E)：以過水斷面最低點作基準面的單位水重的動能及勢能之和,計算公式為：

(8)

式中,E為過水斷面單位能,m；a為校正系數,取值為1。

10)侵蝕速率(Er)：邊坡徑流在單位時間單位面積上所搬運的泥沙質量,計算公式為：

(9)

式中,Er為侵蝕速率,g m-2s-1；M為測量時段T(s)內的產沙量,g。

2 結果與分析

2.1 含礫石紅壤工程堆積體邊坡徑流特征

2.1.1徑流強度變化特征

不同試驗條件下邊坡徑流強度隨產流歷時的變化過程見圖2。各雨強條件下,徑流強度可描述為先迅速增大后保持穩定的變化趨勢,1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min雨強的徑流強度分別在產流時間20、10、5、5 min后保持相對穩定,整體上,降雨強度越大,徑流強度越快達到穩定狀態。在保持穩定期間徑流強度的變化差異較小,其變異系數變化范圍在0.01—0.06之間,屬微弱變異程度。

圖3 不同礫石質量分數邊坡的次降雨穩定徑流強度值變化Fig.3 Variations of stable runoff intensities with different gravel mass fractions

對穩定徑流強度值進行了計算和分析,不同礫石質量分數邊坡的次降雨穩定徑流強度值如圖3所示。穩定徑流強度隨雨強的增大而增大,經分析二者呈極顯著線性關系(P<0.01)。1.0 mm/min雨強時,10%礫石質量分數穩定徑流強度較土質邊坡穩定徑流強度增大8.4%,礫石質量分數>10%時,穩定徑流強度隨礫石質量分數的增大而減小,減小幅度在4.5%—11.8%,且礫石質量分數為10%時取極大值；雨強>1.0 mm/min時,10%礫石質量分數穩定徑流強度較土質邊坡穩定徑流強度減小7.3%—14.2%,礫石質量分數>10%時,穩定徑流強度隨礫石質量分數的增大而增大,增大幅度在1.3%—17.0%,且礫石質量分數為10%時取極小值,說明在礫石質量分數為10%時,礫石對穩定徑流強度的影響最大且存在一個閾值(10%左右)。

2.1.2徑流水動力學參數變化特征

不同試驗條件下邊坡徑流水動力學參數見表1。

1)流速。各礫石質量分數條件下,流速隨雨強的增大而增大。1.0 mm/min雨強條件下,土質邊坡流速最小(0.049 m/s),含礫石邊坡較土質邊坡的流速增大23.3%—68.6%；2.0、2.5 mm/min雨強條件下,土質邊坡流速最大(0.108、0.127 m/s),含礫石邊坡較土質邊坡的流速分別減小1.3%—12.1%、0.5%—20.9%；而在1.5 mm/min雨強條件下,礫石質量分數<10%時,流速隨礫石含量的增大而減小,礫石質量分數>10%時,流速隨礫石含量的增大而增大。由此可知,不同雨強和礫石質量分數均會對流速產生了重要影響,雨強<1.5 mm/min時,礫石的存在促進邊坡徑流的流動,流速隨礫石含量的增大而增大,雨強>1.5 mm/min時,礫石的存在抑制邊坡徑流的流動,流速隨礫石含量的增大而減小。

表1 不同試驗條件下邊坡徑流水動力學參數特征

2)流型與流態。試驗條件下,雷諾數隨降雨強度的增大而增大,邊坡徑流以層流為流動形態。弗汝德數隨隨雨強的增大而增大。1.0 mm/min雨強條件下,弗汝德數變化范圍為0.526—0.988,邊坡徑流為緩流,此時,礫石的存在增大了徑流的弗汝德數,相比土質邊坡增大了24.5%—87.8%；2.0、2.5 mm/min雨強下,各礫石質量分數邊坡徑流以急流為主,土質邊坡的弗汝德數達最大,邊坡的礫石降低了徑流的弗汝德數,降低幅度為4.2%—13.0%。

3)徑流功率。徑流功率隨雨強的增大而增大,經分析二者呈極顯著冪函數關系(P<0.01)。1.0、1.5 mm/min雨強條件下,各邊坡徑流功率由大到小對應的礫石質量分數依次為10%、20%、0、30%和30%、20%、0、10%；2.0、2.5 mm/min雨強條件下,土質邊坡徑流功率為最大分別為0.539、0.723 N m-1s-1,含礫石邊坡的徑流功率較土質邊坡的降低幅度分別為6.6%—13.6%和10.2%—17.9%。

2.2 含礫石紅壤工程堆積體邊坡侵蝕特征

2.2.1侵蝕速率隨產流歷時變化過程

不同試驗條件下邊坡侵蝕速率隨產流歷時的變化過程見圖4。1)1.0、1.5 mm/min雨強下,侵蝕速率先上升(1—3 min)后下降(4—35 min),最后趨于穩定(40—45 min),各邊坡侵蝕速率分別在3—5、1—3 min達到最大,且含礫石邊坡最大侵蝕速率是土質邊坡的1.12—2.59倍。在下降和穩定階段,1.0 mm/min雨強時,土質邊坡相對于含礫石邊坡的侵蝕速率低,土質邊坡侵蝕速率穩定在0.19 g m-2s-1左右,含礫石邊坡穩定在0.22 g m-2s-1左右；而在1.5 mm/min雨強時,土質邊坡侵蝕速率整體上較含礫石邊坡高,土質邊坡侵蝕速率的穩定值在1.06 g m-2s-1左右,含礫石邊坡侵蝕速率穩定在0.59 g m-2s-1左右。2)2.0、2.5 mm/min雨強條件下,侵蝕速率先迅速下降(1—5 min)后波動變化(10—45 min)。在波動階段,2.0 mm/min雨強時,土質和10%礫石含量邊坡侵蝕速率波動增大,而20%、30%礫石含量邊坡持續下降,且各邊坡侵蝕速率由大到小對應的礫石質量分數為0、10%和20%(30%)；2.5 mm/min雨強時,30%礫石含量邊坡侵蝕速率逐漸降低,土質、10%和20%礫石含量邊坡侵蝕速率波動劇烈,變異系數分別為0.25—0.27,但其變化趨勢并不明顯。試驗條件下,雨強越大,礫石質量分數越低的邊坡侵蝕速率變化多呈多峰多谷。

圖4 不同試驗條件下邊坡侵蝕速率隨產流歷時的變化Fig.4 Variations of slope erosion rates with runoff durations under different experiment conditions

2.2.2次降雨侵蝕速率變化特征

次降雨侵蝕速率隨礫石質量分數和雨強的變化見圖5。1.0 mm/min雨強條件下,各邊坡的侵蝕速率由小到大按礫石質量分數表現為0<30%<20%<10%,礫石質量分數為10%、20%和30%邊坡的侵蝕速率分別是土質邊坡的1.51、1.50、1.29倍；1.5—2.5 mm/min雨強條件下,土質邊坡的侵蝕速率最大,在0.95—4.32 g m-2s-1之間,3種雨強條件下10%、20%、30%礫石質量分數邊坡的侵蝕速率較土質邊坡的分別降低21.2%、13.1%、5.0%和13.1%、44.8%、44.9%和21.1%、40.2%、64.4%。由此可知,1.0 mm/min雨強時,礫石的存在加劇土壤的侵蝕,1.5—2.5 mm/min雨強時,礫石的存在降低土壤的侵蝕速率。

在礫石質量分數一定的條件下,侵蝕速率隨雨強的增大而增大,二者呈顯著冪函數關系(P<0.05),但各礫石質量分數邊坡的侵蝕速率隨雨強增大的增長幅度存在差異,相比于1.0 mm/min雨強條件下,其中土質邊坡侵蝕速率可增大4.35—19.78倍,礫石質量分數10%、20%和30%的邊坡侵蝕速率分別可增大2.28—10.37倍、2.53—7.89倍和3.22—5.47倍,相比于土質邊坡,整體上含礫石邊坡的侵蝕速率增大倍數較小。通過對侵蝕速率與礫石質量分數和雨強進行回歸分析,結果表明侵蝕速率與礫石質量分數和雨強呈極顯著二元線性函數關系(式10,P<0.01,R2=0.84,N=16)：

Er=1.789I-3.262G-1.168

(10)

式中,I為降雨強度,mm/min；G為礫石質量分數,%。

圖5 侵蝕速率隨礫石質量分數和雨強的變化Fig.5 Variations of erosion rates with gravel mass fractions and rainfall intensities

2.3 含礫石紅壤工程堆積體邊坡侵蝕動力機制

表2為次降雨侵蝕速率與各水動力學參數之間的相關性分析。結果顯示邊坡侵蝕速率(Er)與各水動力學參數之間均有良好的相關關系,相關系數具體表現為：r(ω)>r(Re)>r(E)>r(V)>r(Fr)>r(τ)。

表2 侵蝕速率與各水動力學參數的相關性

采用Pearson相關性雙側檢驗；N=16；**P<0.01；*P<0.05

圖6描述了次降雨土壤侵蝕速率與侵蝕動力參數的關系。20%和30%礫石質量分數邊坡的侵蝕速率(Er)與剪切力(τ)可用冪函數表示；0和10%礫石質量分數邊坡的侵蝕速率(Er)與單位徑流功率(U)存在線性關系；各礫石質量分數邊坡侵蝕速率(Er)與徑流功率(ω)、過水斷面單位能(E)均呈顯著性線性關系(P<0.05)。由各土壤侵蝕動力機制控制方程分析可知,不同礫石質量分數條件下,侵蝕速率與徑流水動力學參數關系式中的橫坐標截距(發生侵蝕臨界值)與斜率(可蝕性參數)具有差異性同時也具有規律性,Er與ω、E之間的關系中發生侵蝕的臨界值及可蝕性參數表現出一致性,其大小按礫石質量分數排列均為10%>0>20%>30%,礫石質量分數為0、10%、20%、30%的邊坡發生侵蝕的臨界徑流功率分別為0.213、0.238、0.212、0.084 N m-1s-1,對應的可蝕性參數分別為8.13、8.60、6.26、2.90 s2/m2；臨界過水斷面單位能分別為1.0×10-3、1.1×10-3、0.9×10-3、0.6×10-3m,對應的可蝕性參數分別為3726、4481、3017、1224 g m-3s-1。10%的礫石質量分數邊坡發生侵蝕的臨界功率及臨界過水斷面單位能分別為0、20%、30%的礫石質量分數邊坡的1.14、1.14、3倍和1.10、1.22、1.83倍,可蝕性參數分別增大5.8%—196.6%和20.3%—266.0%。

圖6 侵蝕速率與侵蝕動力參數的關系Fig.6 Relationships between erosion rates and erosion dynamic parameters

3 討論

3.1 礫石對邊坡徑流特性的影響

工程堆積體作為一種特殊的地貌單元,其徑流動力特征具有特殊性和復雜性。本研究表明,礫石質量分數對穩定徑流強度的影響存在一個10%左右的閾值,雨強為1.0 mm/min時,10%的礫石質量分數穩定徑流強度最大,當礫石質量分數增至10%時,表層礫石的增加使徑流彎曲度對于穩定徑流強度的增大作用占據了優勢,延長了水分下滲路徑,導致穩定徑流強度增大,而在礫石質量分數大于10%時,礫石的存在顯著增多了土壤大孔隙通道,促進水分入滲,導致穩定徑流強度減小[23]；而雨強大于1.0 mm/min時,礫石質量分數為10%時徑流強度最小,這與邊坡形成的細溝有關,當礫石質量分數增至10%時,邊坡表層土壤逐漸被剝蝕,凸出表層土壤的礫石增多,坡面水流沿著凸出表層土壤的礫石下滲,導致穩定徑流強度減小,當礫石質量分數繼續增大至20%、30%時,此時,細溝中的礫石較多,在礫石的匯流和入滲面相對減少的共同作用下,使穩定徑流強度增大[24]。土壤入滲特性與徑流強度的關系密不可分。朱元駿等[25]通過模擬降雨研究表明,礫石質量分數為10%時土壤入滲率處于臨界狀態,當礫石質量分數低于10%時,入滲率與礫石質量分數呈正相關,當碎石含量超過10%時,入滲率反而降低；時忠杰等[8]研究指出,在0—40 cm土層,礫石體積分數與穩滲速率的臨界值大致處于15%—20%,這些研究均與本研究結果具有相似性,但得出的臨界值大小具有一定的差異,這可能與土壤類型有關。邊坡徑流的流動速度受降雨和礫石的影響。1.0 mm/min雨強時,降雨動能較小,邊坡上只有小部分的礫石完全凸出,而平滑的小礫石鑲嵌在表層土壤促進了徑流的流動[26],這與在1.0 mm/min雨強條件下對含礫石紫色土[24]、塿土[27]的研究結果一致；雨強為1.5 mm/min時,礫石對徑流流速的影響并不明顯,原因是礫石對徑流的阻礙和促進作用相互抵消；雨強>1.5 mm/min時,降雨動能較大,眾多的礫石很快地從表層土壤凸出,增大了表層土壤的粗糙度,消耗了徑流的動能,從而延緩徑流的流動[28],這與Ban等[10]在放水條件下對凍土的研究結果類似。綜上,礫石對邊坡徑流特性的影響主要有以下2個方面：1)土壤表層及以下的礫石通過改變表層土壤粗糙度和水分的入滲來影響邊坡徑流[29]；2)土壤表層的礫石或部分嵌入表層土壤的礫石影響降水攔截、巖石流產生以及表層徑流的分散與匯合,從而決定邊坡產流情況[30]。

3.2 礫石對邊坡產沙的影響

不同雨強及礫石質量分數條件下邊坡的侵蝕過程具有差異性。試驗條件下,1.0、1.5 mm/min雨強時,邊坡前期侵蝕方式主要為層狀面蝕,而后期主要受表層結皮的影響,從而導致侵蝕速率隨產流歷時表現為先迅速暫上升而后緩慢下降至趨于穩定的變化趨勢；雨強增大后(2.0 mm/min、2.5 mm/min),隨降雨侵蝕的進行,在產流10 min左右后,邊坡徑流侵蝕方式由面蝕逐漸向斷續細溝轉變,最后伴隨著跌坑和侵蝕穴的出現而形成連續細溝[31],連續細溝的出現直接導致了土壤侵蝕速率成倍速度的增加[32],而細溝的發育過程中同時會伴隨著重力侵蝕的發生,細溝中邊壁土體的崩塌是導致侵蝕速率迅速增大和產生波動的重要原因[33]。但雨強為2.0 mm/min時,邊坡主要形成短、窄、淺型細溝(長<60 cm,寬<7 cm,深<3 cm),細溝較淺,發生重力崩塌的幾率較低,侵蝕速率發生波動次數少；雨強增大至2.5 mm/min時,徑流擁有更大的動能和沖刷力,邊坡形成長、寬、深型細溝(長100—150 cm,寬10—15 cm,深3—5 cm),此時細溝較深,易發生重力崩塌,侵蝕速率發生多次波動,但礫石質量分數為30%時,細溝內礫石較多,可被輸移的土壤顆粒少,從而造成侵蝕速率保持相對穩定,這也是較其他礫石質量分數條件下侵蝕速率小的重要原因。本研究的侵蝕速率變化過程與塿土堆積體邊坡[34]和黃綿土堆積體邊坡[14]侵蝕速率變化過程具有明顯差異,由此可見,不同的雨強、土壤類型、邊坡形態均會影響含礫石邊坡的侵蝕過程。對于含礫石工程堆積體邊坡的侵蝕產沙而言,礫石的存在既可以增加土壤侵蝕量[35],也能與土壤侵蝕量呈負相關關系[14],在不同雨強條件下,礫石對侵蝕產沙的影響也有所不同[26]。本研究表明,1.0 mm/min雨強時,礫石的存在加快了徑流的流動,邊坡徑流具有更大的動能,且邊坡上凸出的礫石較少、礫石覆蓋度較低,此時礫石對邊坡的保護作用較弱并且徑流對土壤產生“渦旋侵蝕”[36],進而加劇土壤侵蝕,與含礫石風沙土邊坡研究結果一致[26],而與含礫石紫色土邊坡的研究結果存在差異[24],試驗結果的差異可能與坡度有關；1.5—2.5 mm/min雨強時,礫石對邊坡侵蝕的抑制作用主要有以下兩個方面：1)大量礫石從表層土壤凸出,增大地表粗糙度,削弱了徑流沖刷能力；2)徑流的集中沖刷,邊坡侵蝕方式以細溝侵蝕為主,造成礫石的大量裸露,使邊坡可被侵蝕輸移的土壤量減少,從而導致侵蝕量與礫石的關系轉換為負相關關系[15]。細溝侵蝕在工程堆積體邊坡的侵蝕中產生了重要作用,隨著表層土壤逐漸被剝離,細溝不斷發育,礫石在邊坡上的覆蓋率也隨之增大,在一定程度上,礫石質量分數與礫石覆蓋度對邊坡土壤侵蝕的作用具有相似性[37]。

3.3 礫石對邊坡侵蝕動力機制的影響

通過研究含礫石紅壤邊坡的侵蝕速率與各水動力學參數的關系發現：“能量”參數徑流功率(ω)、過水斷面單位能(E)均可用于描述含礫石紅壤邊坡侵蝕動力機制,但在最優參數選擇方面(R2結合相關性分析),徑流功率(ω)是描述紅壤區含礫石工程堆積體侵蝕動力機制更為合理的參數,這與諸多學者在放水條件或模擬降雨條件下對工程堆積體的研究一致[1, 26, 38]。根據土壤侵蝕速率和徑流功率的侵蝕動力機制控制方程得到的紅壤區工程堆積體可蝕性參數介于2.90—8.13 s2/m2之間,是牛耀彬等[38]對有工程措施堆積體得到的可蝕性參數的1.0—5.8倍,這說明了工程措施對防治堆積體水土流失的重要性,整體上比張樂濤等[1]對陡坡堆積體得到的可蝕性參數小(8.0 s2/m2),這與土壤在較陡邊坡上對侵蝕更為敏感有關。同時,在不同條件下運用不同的控制方程得出的土壤可蝕性參數大小之間并無必然聯系,在運用通用土壤流失方程等預測模型時,對土壤可蝕性參數的選擇需要根據實際具體條件而定。本研究中得到的侵蝕臨界值和可蝕性參數的大小按礫石質量分數排列均為10%>0>20%>30%,這說明了10%的礫石質量分數邊坡在降雨下難以啟動侵蝕,但是又對侵蝕的敏感性高,這可能與入滲特征有關,整體上10%礫石質量分數條件下邊坡入滲最大,導致坡面徑流強度低,坡面徑流要達到啟動侵蝕的能力不易,但是一旦坡面侵蝕被啟動,最大的入滲作用使邊坡含水量增大,導致抵抗侵蝕的能力減弱[39]。

4 結論

(1)礫石質量分數對穩定徑流強度的影響存在閾值,穩定徑流強度在雨強>1.0 mm/min時隨礫石質量分數的增加先減小后增大,在1.0 mm/min雨強時則表現為先增大后減小,且均在10%礫石質量分數下達到極值。流速隨雨強的增大而增大,邊坡徑流以層流為流動形態；1.0 mm/min雨強條件下,邊坡徑流為緩流,礫石促進了徑流的流動,使弗汝德數增大24.5%—87.8%；2.0、2.5 mm/min雨強條件下,邊坡徑流為急流,流速隨礫石含量的增大而減小,弗汝德數降低4.2%—13.0%。(2)1.0—1.5 mm/min雨強時,侵蝕速率在產流前期達到最大,隨雨強增大到2.5 mm/min且礫石質量分數越低時,邊坡越易發生細溝侵蝕并伴隨重力崩塌現象,侵蝕速率呈多峰多谷變化趨勢。1.0 mm/min雨強時,礫石存在加劇了土壤侵蝕,產沙增幅達28.7%—50.5%；雨強>1.0 mm/min時,礫石減沙效益為5.0%—64.4%；侵蝕速率與雨強、礫石質量分數三者之間可用二元線性函數表示。(3)土壤侵蝕速率與徑流功率及過水斷面單位能之間均存在線性函數關系,而徑流功率是描述紅壤區含礫石工程堆積體侵蝕動力機制最為合理的參數,其可蝕性參數及發生侵蝕臨界徑流功率從大到小對應的礫石質量分數均為10%、0、20%和30%。