董志塬溝頭溯源侵蝕過程及崩塌中孔隙水壓力變化

史倩華，王文龍,，郭明明，陳卓鑫，馮蘭茜，趙 滿

董志塬溝頭溯源侵蝕過程及崩塌中孔隙水壓力變化

史倩華1，王文龍1,2※，郭明明1，陳卓鑫1，馮蘭茜2，趙 滿1

（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）

為研究董志塬溝頭溯源侵蝕過程及孔隙水壓力變化規律，采用模擬降雨+放水沖刷的方法，研究集水區坡度（1°、3°、5°、7°）和放水流量（3.0、3.6、4.8、6.0、7.2 m3/h）對董志塬溝頭溯源侵蝕過程和孔隙水壓力特征值的影響。結果表明：1）崩塌發生頻率由試驗初期0～30 min時的6.29%增加到150～180 min時的27.48%。2）放水流量為3.0～7.2 m3/h時，產沙率隨試驗時間呈對數函數減小。產沙量隨坡度和放水流量的增加而加大，建立了產沙量與二者間的多元線性回歸方程。3）坡度為1°~7°時，崩塌會增加22.75%～324.59%的產沙率，產沙率突變點出現時間相較于崩塌而言存在“滯后”現象。4）孔隙水壓力隨試驗時間呈顯著線性或對數函數關系，孔隙水壓力的上升是影響溯源侵蝕崩塌發生的關鍵因素。研究結果可為黃土高塬溝壑區生態治理提供參考。

侵蝕；崩塌；沙；溯源；孔隙水壓力；黃土高塬溝壑區；模擬降雨及沖刷試驗

0 引 言

黃土塬為頂面平坦開闊的黃土高地，其頂面中心部位平坦，邊緣傾斜3°～5°，周圍被溝谷切割，代表黃土的最高堆積面，是黃土高原地區主要的糧食生產基地。主要黃土塬包括董志塬、早勝塬、宮河塬、洛川塬、長武塬等[1]。其中，隴東董志塬以其面積最大、黃土層最厚，而享有“天下第一塬”的美稱。然而，由于長期的溯源侵蝕，溝頭至塬面中心距離不斷縮小，塬面面積逐漸萎縮，給當地生態建設與經濟社會可持續發展造成嚴重威脅[1]。

溯源侵蝕是指與地表徑流運動方向相反的侵蝕，是溝蝕的一種形式[2]，其發生強度主要受降雨和徑流，地形，土壤，植被和人類活動影響[3-8]。其中，雨滴動能和徑流動能是引起溯源侵蝕的主要動力，一般而言，降雨量越大，徑流沖刷能力越強，土壤侵蝕量也越大。坡度和坡長主要通過影響坡面的受雨面積及雨量來影響坡面徑流及入滲過程，進而影響土壤侵蝕。此外，土壤和植被通過影響土壤抗蝕性影響土壤侵蝕強度。以往國內外學者雖然對溯源侵蝕過程機理做了一定研究，并得出了相關結論，但黃土塬區溝頭溯源侵蝕研究相對滯后，研究文獻較少，嚴重制約了對該區溝頭溯源侵蝕的深入認識，關于孔隙水壓力對溯源侵蝕的影響更是少有涉及。

目前，國內外學者對孔隙水壓力的的研究主要集中在泥石流預警[9]、崩塌及滑坡監測[10]、邊坡穩定性分析[11-17]以及孔隙水壓力對巖土力學參數的影響[18]方面，研究方法主要是人工模擬降雨試驗[13,19-21]，此外，運用Geo-slope[19]、Flac[20]、Geostudio[21]和PLAXIS[16]等有限元軟件進行數值模擬也是研究的熱點之一。Rockwell[22]發現地下水通過增大土壤孔隙水壓力和降低土壤對地表徑流的抗剪切力來影響可蝕性溝頭的形成。溯源侵蝕過程中往往伴隨著崩塌的發生，定量描述孔隙水壓力變化對崩塌的影響，對于深刻認識溝頭溯源侵蝕規律，促進溯源侵蝕模擬技術的發展具有重要的意義。故本文采用野外模擬降雨+放水沖刷相結合的方法，研究董志塬溝頭在不同塬面坡度和放水流量下的溯源侵蝕過程和孔隙水壓力變化情況，以期豐富關于溯源侵蝕的基礎研究，為黃土高塬溝壑區的溝蝕治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究于甘肅省慶陽市西峰區的南小河溝流域（圖1）進行（35°41′～35°44′N， 107°30′～107°37′E，海拔1 050～1 423 m），該流域為黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站的試驗流域，主要土壤類型為黃綿土和黑壚土[23]。試驗用地選擇南小河溝塬面農戶休閑地（35°42′49″N，107°32′44″E）。南小河溝流域面積36.3 km2，其中塬面面積20.5 km2，占總土地面積的56.5%，溝壑面積15.8 km2，占總土地面積的43.5%[24]。流域總長度13.6 km，溝道平均比降2.8%，溝道密度2.7 km/km2，流域內有大小支毛溝183條，土壤侵蝕模數4 350 t/(km2·a)[25]。溝谷和塬面分別是南小河溝泥沙和徑流的主要來源，地貌類型屬黃土高塬溝壑區[26]。根據西峰氣象站50 a降雨資料統計分析，該地多年平均降水量為557.7 mm，降水年際變化大，主要集中在5－10月，其中7－9月占全年降水量的63.0%，年平均氣溫8.7 ℃，蒸發量1 475 mm，無霜期155 d，干燥度1.3～1.8。

圖1 試驗區地理位置示意圖

1.2 溝頭模型建立及儀器布設

溝頭溯源侵蝕試驗小區位于南小河溝峴子村塬面休閑地，休閑地規格為60 m×12 m。試驗前用裝載機將表土剝離，在寬度方向上修建4個磚砌實體溯源侵蝕模型，由集水區、溝頭和溝床3部分組成（圖2a）。其中集水區為裸地，長5 m、寬1.5 m、坡度設置為1°、3°、5°和7°共4個梯度；溝頭高0.9 m、寬1.5 m；溝床長1 m、寬1.5 m、坡度與集水區坡度一致。填土過程中分層控制容重填實，填土完成后將孔隙水壓力計分層鉆入。其中溝壁人工一致修整為“平整、陡立、無內凹洞”的初始侵蝕形態。小區高2.05 m處搭建自制降雨器，以保證雨滴降落到地面時能達到最大雨強。穩流槽采用半開口設計，集水區和溝床部位采用淺V型設計，以模擬集中徑流沖刷過程。孔隙水壓力采用北京瑞恒常泰科技有限公司生產的型號為的HC-25的孔隙水壓力計進行測量，量程范圍為?50～50 kPa。沿斜坡走向以及傾向上分別距溝頭30、60和100 cm處鉆設60 cm深的孔道，水壓力傳感器埋設方式為垂直于坡向30和60 cm布設（圖2b）。在埋設前將孔隙水壓力計放入清水中浸泡4～5 h，以排除孔隙水壓力計空腔及透水石內的空氣，提高測試精度。試驗過程中通過配套的數據采集儀，將孔隙水壓力值實時傳入筆記本電腦。孔隙水壓力數據采集頻率設置為10次/s。

注：1~6為孔隙水壓力探頭編號，下同。

1.3 試驗過程與數據觀測

通過野外調研，發現塬面坡度較為平緩，多集中在1°～7°，結合當地氣象站多年自然降雨氣象資料分析，將本試驗主要指標設計為：降雨強度（0.8 mm/min）、放水流量（3.0、3.6、4.8、6.0、7.2 m3/h）、集水區坡度（1°、3°、5°、7°）。試驗用水由50 m3水池供應；流量采用安裝在供水管上的閥門和流量計進行控制和率定。徑流進入試驗小區前先通過穩流槽，可以保證徑流進入小區時的初始流速基本一致。各小區連續沖刷6次，每次試驗時間為30 min，整個試驗過程持續180 min。試驗開始前，在小區內進行降雨強度為20 mm/h的預降雨，直至表面充分濕潤但又無地表徑流產生。率定雨強時前將6個規格相同的盛雨容器均勻放置，待降雨穩定后，掀開盛雨容器同時計時，記錄2 min內降雨量以率定降雨強度，多次率定值間的誤差不超過5%，此外，降雨均勻度要達到85%。放水試驗開始后，每隔2 min在急流槽出口處接取徑流泥沙樣，試驗過程中實時記錄崩塌發生的時間和位置。試驗過程中觀測孔隙水壓力變化，記錄探頭出露時間。試驗結束后，將徑流泥沙樣靜置后放入105℃烘箱烘干48 h至恒質量。

2 結果與分析

2.1 溯源侵蝕過程

2.1.1 溯源侵蝕崩塌特性

各試驗過程中崩塌發生時間及頻率如表1所示，由表可知，崩塌發生次數隨試驗場次呈現逐漸增加的變化趨勢，當模擬降雨+放水沖刷試驗從開始進行到第180 min時的各時段內，崩塌發生次數占總崩塌次數的頻率由0～30 min內的6.29%遞增到150～180 min內的27.48%。

表1 不同集水區坡度小區各時段崩塌頻度

在試驗初期，試驗溝道以下切溯源和溝壁擴張為主，導致崩塌頻率較低。當溝道持續發育，受徑流持續沖刷作用，溝壁兩側土壤向溝道內部崩塌，增大了崩塌頻率。此外，坡面集中徑流沿集水區進入溝頭時，坡面徑流轉化為貼壁流（on-wall flow）和射流（jet flow）2種形式[5]，其中，溝頭底部經過貼壁流沖掏后形成臨空面，受重力和水力雙重作用，易導致土體失穩發生大規模溝頭整體崩塌。

2.1.2 溯源侵蝕產沙特性

不同集水區坡度和放水流量下產沙率隨時間變化如圖3所示，由圖可知：各放水流量條件下產沙率隨時間呈現先波動減小后漸趨穩定的變化趨勢。產沙率S隨試驗歷時呈極顯著對數函數相關（S=-·ln+，=0.64～5.10，=4.51～30.09，2=0.39～0.89，=90，＜0.01），與Zhang等[8]對干熱河谷地區沖溝含沙量的研究結果相似。常數和隨坡度和放水流量的增加整體呈增大趨勢，說明平均產沙率與集水區坡度和放水流量呈正相關。

圖4為不同試驗條件下產沙量變化。各塬面坡度（1°、3°、5°、7°）下侵蝕量分別為325.66～454.13、471.13～787.71、737.34～1 044.18和1 073.16～1 533.60 kg。產沙量隨坡度和放水流量的增加基本呈增加的趨勢。在坡度不變的情況下，流量每增加1.2 m3/h，產沙量增加16.17～141.18 kg；流量每增加1倍，產沙量增加36.18～319.27 kg。當放水流量不變時，坡度增加2°，產沙量增加145.46～489.42 kg，增加幅度介于29.16%～60.26%。經多元回歸分析，建立了產沙量與坡度和放水流量的二元一次方程：S=150.98+66.95?136.58(2=0.96,=20,<0.01)。式中S為產沙量，kg，為坡度，(°)，為放水流量，m3/h。放水流量越大，地表徑流紊動性越強；隨著坡度增加，徑流所具有的勢能增加，動能加大，造成產沙量增大。覃超等[27]對黃土坡面細溝溝頭溯源侵蝕的研究亦表明，坡面產沙隨流量和坡度的增加而增大。在相同試驗歷時下，大坡度和大流量的試驗處理崩塌頻率更高，溝頭長度更長，下切侵蝕、溝道側蝕和溯源侵蝕均更為劇烈，土壤侵蝕更為嚴重。

2.1.3 崩塌對產沙率的影響

將崩塌發生時段與產沙率突變值產生時間進行對比分析可知（圖3），坡度為1°、3°、5°和7°時，崩塌會增加34.12%%～97.48%，22.75%～166.48%，48.36%～324.59%和36.55%～131.76%的含沙率。含沙率突變點的出現時間相較崩塌時間而言存在“滯后”現象，即崩塌發生后一段時間，產沙率才出現突變甚至無明顯變化。這主要是由于集水區和溝頭部位由于崩塌或滑塌產生的泥沙，經重力作用進入溝床。此外，溝床處淤積的泥沙還包括射流產生的跌水潭侵蝕[28]（plunge pool erosion）。當徑流沖刷及搬運能力較強，溝床處的泥沙被一次性搬運或者大部分被搬運時，含沙率會出現突增。當徑流搬運能力較弱時，崩塌堆積在溝床的土體無法直接被搬運，在徑流連續沖刷下，崩塌土體逐漸被破壞剝蝕，造成含沙率變化較小。

圖3 產沙率隨試驗時間變化

圖4 不同坡度及放水流量條件下產沙量變化

2.2 孔隙水壓力變化過程

分析孔隙水壓力（突增值產生前）與試驗時間的關系可知（為減少數據量，產流后每30 s求1次平均值，即300個數據取1次平均值，孔隙水壓力隨試驗時間逐漸減小，二者呈顯著線性或對數函數關系（表2）。=?·ln+（=0.01～0.74；=0.51～2.64，=48～180，<0.01）；=?·+（=0.01～0.04；=0.38～1.97，2=0.50～0.98，=60～165，<0.01）。馬超[9]通過分析蔣家溝原型監測對2013年3場降雨激發泥石流土體孔隙水壓力變化，亦得出孔隙水壓力與時間存在對數關系的結論。此外，王俊光等[20,29]認為隨著降雨的持續進行，孔隙水壓力逐漸增加。這種現象存在的原因可能是本試驗開始前進行了預降雨，使得表層土壤水分趨于飽和。填土容重較大且孔隙水壓力埋設較深，使得在土壤裂縫產生前，孔隙水壓力計埋設處的含水量呈減小的狀態，此外，試驗每30 min暫停1次引起的土壤水分變化亦會對孔隙水壓力造成影響。因此，孔隙水壓力隨試驗時間呈現減小的趨勢。而其他學者主要監測的是降雨條件下松散堆積層邊坡的孔隙水壓力變化情況，在降雨前土壤含水率較低，降雨過程中，土壤水分充分入滲，隨著降雨歷時的延長，土壤含水量增加，孔隙水壓力呈上升趨勢，最終造成滑坡等災害。分析距離溝頭30 cm縱斷面上的1和2號探頭孔隙水壓力數據可知，孔隙水壓力隨埋設深度的加深呈減小的趨勢，即埋深60 cm處2號探頭的孔隙水壓力值小于埋深30 cm處1號探頭的孔隙水壓力值，這主要是由于入滲特性，土壤入滲率隨土層深度的增加而降低。因此，埋設深度越深，土壤入滲量越小，孔隙水壓力也就更小。

2.3 孔隙水壓力對崩塌的影響

溝頭溯源侵蝕過程中，孔隙水壓力變化曲線存在2種類型。第1種類型為溝頭在溯源侵蝕過程在不斷發育并形成跌坎，徑流沿溝頭跌落，造成溝頭處含水率增加，孔隙水壓力出現突增點，引起崩塌的產生。以塬面坡度1°，放水流量3.0 m3/h（即1°-3.0）為例（圖5），產流后0～12 min時，1～6號探頭處的水壓力變化范圍分別在0.86～1.29、0.72～1.39、1.00～1.28、0.52～1.47、0.67～1.35和0.62～1.19 kPa之間，均值分別為1.01、0.95、1.15、0.98、1.03和0.98 kPa。在此階段，孔隙水壓力隨試驗時間呈波動減小的趨勢。試驗12′時孔隙水壓力驟增至8.0 kPa，溝頭發生崩塌，此時溝頭長度達到38 cm；試驗24′18″時，孔隙水壓力增至2.30 kPa，溝頭底部沖掏至60 cm深處。比較發現，1和2號探頭孔隙水壓力值分別增加3.19和9.09倍后崩塌發生，4～6號探頭分別增加3.43、3.82和3.68倍后崩塌發生。這主要是由于試驗過程中，在降雨徑流的沖刷作用下，坡面沿程具有裂縫發育，地表徑流沿著裂縫進入土體，造成孔隙水壓力突增，引起土體崩塌。Collison[30]亦認為當張力裂隙存在時，很小的徑流即可產生很大的靜水壓力，促發溝頭前進。分析各場試驗孔隙水壓力值可知，孔隙水壓力驟增伴隨著崩塌的發生，即孔隙水壓力的上升是影響溯源侵蝕崩塌的關鍵因素之一。土壤水分的能量由動能和勢能組成，由于水分在土壤孔隙中移動很慢，故可以忽略動能，因此，土壤水分運動主要由勢能決定[31]。徑流攜帶泥沙顆粒沿坡面向溝頭運動，造成溝頭處土壤含水率較集水區頂部更大，且重力勢減小。根據能量守恒定理，重力勢的減小會壓力勢增加，孔隙水壓力增大，土體的抗剪強度由于有效應力的減小而降低，進而誘發土體的崩塌失穩[12,32-33]。

表2 孔隙水壓力（P）與試驗時間（t）回歸分析

注：1°和7°指坡度；3.0和3.6指流量，m3·h-1。

第2種類型為整個試驗過程中孔隙水壓力隨時間呈現穩定減小的變化趨勢，造成崩塌頻率較低。以塬面坡度7°，放水流量3.6 m3/h（即7°-3.6）為例（圖5）。1～6號位置孔隙水壓力變化范圍為0.04～2.15、0.02～1.13、0.33～1.48、?0.63～1.98、?0.29～1.91和0.60～1.33 kPa之間，平均值為0.75、0.42、0.33、0.54、0.88和0.93 kPa。在產流123～125、130～133.5、134.5～137.5、140～143和147～150 min時，4號探頭的孔隙水壓力亦為負值。這可能是由于在產流120～122 min時，二級溝頭發育，二級溝頭長度為63 cm，故60 cm附近處的集水區地表在侵蝕作用下糙度不一，形成起伏的微地形，土壤顆粒隨徑流順坡向下移動過程中，發生泥沙的暫時性沉積。沉積的泥沙造成土體體積壓縮，導致土壤孔隙半徑減小，從而產生負孔隙水壓力。當沉積泥沙被徑流搬運后，負孔隙水壓力消散。

3 結 論

本文采用模擬降雨+放水沖刷的方法，研究在不同塬面坡度（1°、3°、5°、7°）、放水流量（3.0、3.6、4.8、6.0、7.2 m3/h）條件下董志塬溝頭溯源侵蝕狀況和孔隙水壓力變化情況，主要結論如下：

1）崩塌發生次數隨試驗時間呈現遞增的變化趨勢，崩塌發生頻率由試驗初期0～30 min時的6.29%增加到150～180 min時的27.48%。

2）在放水流量為3.0、3.6、4.8、6.0和7.2 m3/h的條件下，產沙率隨試驗時間先波動減小后趨于穩定。產沙量與坡度和放水流量呈極顯著正相關。

3）各塬面坡度下，崩塌分別會增加34.12%～97.48%，22.75%～166.48%，48.36%～324.59%和36.55%～131.76%的產沙率。產沙率突變點的出現時間于崩塌時間相比存在“滯后”現象。

4）孔隙水壓力與試驗時間呈顯著線性或對數函數關系，埋設60 cm深處孔隙水壓力值小于30 cm處。孔隙水壓力值的上升是影響溯源侵蝕崩塌發生的關鍵因素之一。

本文對董志塬溝頭溯源侵蝕特征進行了研究，但受野外自然條件限制，各試驗未進行重復。為使研究結果更加科學合理，今后將在調查樣地選擇、調查設備應用等方面進行改善，以豐富研究內容，為黃土高塬溝壑治理提供科學依據和技術參考。

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Headcut erosion processes and pore water pressure variation on Dongzhi tableland of China

Shi Qianhua1, Wang Wenlong1,2※, Guo Mingming1, Chen Zhuoxin1, Feng Lanqian2, Zhao Man1

(1.,712100,; 2.,712100,)

Headcut erosion has been the chief cause in reducing soil fertility and harming ecological environment and long-term serious headcut erosion has caused serious consequence to security of Dongzhi tableland. A simulated rainfall combined runoff scouring experiment was carried out to identify the headcut erosion process and pore water pressure variation on Dongzhi tableland of China. The plot was composed of upstream catchment area, gully head and downstream gully bed. The slope gradient of upstream catchment area (1.5 m×5 m) was 1°, 3°, 5° and 7°. The vertical height of gully head was 0.9 m. Besides, the slope gradient of downstream gully bed (1.5 m×1 m) was 1°, 3°, 5° and 7° which was consistent with the upstream catchment area. The constant-intensity rainfall simulator consisting of nozzles spaced 0.67 m apart, and the pure water was pumped to these nozzles, with the raindrop height of 2.05 m. The pore water pressure gauges were installed in the middle of plot, and the distance between pore water pressure gauges and gully head was 30, 60 and 100 cm with the depth was 30 and 60 cm, respectively. The results showed that the frequency of collapse increased with experimental time, which accounted for 27.48% of total amount when the experiment conducted over 150-180 min. The sediment discharge exhibited a decreased logarithmic relationship with experiment time. The sediment yield was 325.66-454.13, 471.13-787.71, 737.34-1 044.18, and 1 073.16-1 533.60 kg, respectively, under different slope gradient of 1°, 3°, 5° and 7°. There was a general tendency that sediment yield increased with increasing flow discharge and slope gradient. By multiple regression analysis, the sediment yield was found to be linearly related with slope gradient and flow discharges. The sediment yield rate increased 34.12%-97.48%, 22.75%-166.48%, 48.36%-324.59%, and 36.55%-131.76%, respectively, under 1°, 3°, 5°, and 7°. Compared to collapse time, the mutant site in sediment yield rate was delayed due to the deposit of sediment. Pore water pressure decreased with the increase in duration of runoff, and there was a significant linear or logarithmic relationship between pore water pressure and duration of test. The increase of pore water pressure was one of the key factors affecting the occurrence of collapse. When the slope gradient was 1° and the flow discharge was 3.0 m3/h, the pore water pressure was 0.86-1.29, 0.72-1.39, 1.00-1.28, 0.52-1.47, 0.67-1.35 and 0.62-1.19 kPa, respectively, of probe 1 to 6 as the tests time was 12 min, and pore water pressure decreased with buried depth. In addition, the pore water pressure at 30 cm was greater than 60 cm due to the decrease of soil infiltration. These findings hold important implications for the eco-recovery of the gully region of Loess Plateau. Study on erosion process and pore water pressure characteristics of Dongzhi tableland can further reveal the mechanism, lay an important foundation for the research on the model of gully erosion process, and provide important information for realization of land resources of Dongzhi tableland in the Loess Plateau.

erosion; collapse; sediments; headcut; pore water pressure; gully region of Loess Plateau; simulated rainfall combined runoff scouring experiment

史倩華，王文龍，郭明明，陳卓鑫，馮蘭茜，趙 滿. 董志塬溝頭溯源侵蝕過程及崩塌中孔隙水壓力變化[J]. 農業工程學報，2019，35(18)：110－117.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.014 http://www.tcsae.org

Shi Qianhua, Wang Wenlong, Guo Mingming, Chen Zhuoxin, Feng Lanqian, Zhao Man. Headcut erosion processes and pore water pressure variation on Dongzhi tableland of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 110－117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.014 http://www.tcsae.org

2019-04-03

2019-08-10

國家自然科學基金（41571275、41302199）；國家自然科學基金重大項目（41790444/D0214）；中國科學院西部行動計劃（KZCX-XB3-13）；中國科學院知識創新工程重大項目（KZZD-EW-04-03）

史倩華，博士生，主要從事土壤侵蝕研究。Email：sqianhua@163.com

王文龍，研究員，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。Email：wlwang@nwafu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.014

S157.1

A

1002-6819(2019)-18-0110-08