雨強和坡度對紅壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕動力過程影響

田 培, 仇浩然, 馮 宇, 吳浩研, 伍鐵牛, 劉目興

(1.地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室, 武漢 430079; 2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079)

根據(jù)最近一次(2013年)全國水利普查公報數(shù)據(jù)，湖北省現(xiàn)有水土流失面積3.55萬km2，約占全省國土面積的19.8%，是全國水土流失嚴重的省份之一[1]。水土流失導(dǎo)致湖北省耕地面積不斷減少，耕地破碎化嚴重，影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。降雨強度和坡度是影響坡耕地土壤侵蝕的兩個重要因素，故研究不同雨強和坡度條件下湖北省紅壤坡面侵蝕過程，可為其水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。國內(nèi)外諸多學(xué)者[3-6]通過不同坡度和雨強組合下的人工模擬降雨試驗，來研究坡面侵蝕過程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。坡面徑流流速會隨雨強和坡度的改變而變化，進而影響徑流攜沙能力[7-9]。除流速之外，雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)、曼寧粗糙系數(shù)、剪切力、水流功率、單位水流功率等水動力學(xué)特征也可以模擬坡面侵蝕過程[10-12]。土壤類型是影響坡面侵蝕過程的重要因素，目前相關(guān)研究主要集中于西北黃土區(qū)、東北黑土區(qū)及南方紅壤區(qū)[13-14]。洪斌等[15]對云南紅壤坡面土壤侵蝕研究結(jié)果表明，坡面侵蝕模數(shù)與雨強、坡度和坡長的相關(guān)關(guān)系顯著。常松濤等[16]對福建花崗巖紅壤坡面的研究表明，雨強與產(chǎn)流時間、徑流率、侵蝕率呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系。徐銘澤等[17]通過研究江西不同母質(zhì)紅壤的侵蝕狀況，發(fā)現(xiàn)在相同試驗條件下產(chǎn)流速率：花崗巖紅壤>紅砂巖紅壤>第四紀紅壤，且不同母質(zhì)紅壤的侵蝕程度不同。胡堯等[18]對四川地區(qū)紅壤坡面的研究結(jié)果表明，相同坡度下，徑流強度隨雨強的增加而增大，平均入滲率隨雨強的增加先增大后減小。王蕙等[19]針對浙江地區(qū)的紅壤坡面開展了模擬試驗研究，結(jié)果表明該地區(qū)紅壤坡面產(chǎn)沙強度、次降雨產(chǎn)沙量隨雨強和坡度增加而增大。

綜上所述，南方紅壤區(qū)分布廣泛，對于云南、福建、江西、四川、浙江等地的紅壤侵蝕特征，已有諸多成果；但不同區(qū)域紅壤的成土條件具有明顯差異，其侵蝕特征亦不完全相同。例如，云南地區(qū)紅壤因紅土化作用程度較低，顆粒組成中的黏粒占比相對較小(約47%)，土壤孔隙也較大較多，且土壤發(fā)育于地勢較高的云貴高原，含水量相對較低[20]。福建東南部的地帶性土壤為第四紀赤紅壤，其礦物的富鋁化程度較深，物質(zhì)的淋溶作用較強，粒度組成以粉砂為主(65%～70%)[21]。湖北省紅壤主要分布于鄂東南海撥800 m以下低山、丘陵或垅崗，鄂西南(包括武漢)海撥500 m以下丘陵、丘陵臺地或盆地，但相關(guān)研究主要集中在鄂東南紅壤區(qū)[22]。湖北省武漢市蔡甸區(qū)位于江漢平原周邊的淺丘區(qū)，本研究以當(dāng)?shù)貜V泛分布的石英砂巖棕紅壤為研究對象，通過人工模擬降雨試驗，探究不同雨強和坡度條件下，降雨產(chǎn)流和侵蝕產(chǎn)沙隨時間變化特征，坡面流速的時空變化特征以及坡面侵蝕的水動力學(xué)機理，以期深入揭示該區(qū)域紅壤坡面侵蝕機理，并為該區(qū)域土壤侵蝕防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院野外專業(yè)實習(xí)基地—湖北省武漢市蔡甸區(qū)西湖流域水土保持科技示范園(30°32′22″N，113°57′52″E)內(nèi)進行。示范園位于江漢平原周邊的淺丘區(qū)，土壤以棕紅壤為主，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同期，降水充沛，多年平均氣溫15～17℃，多年平均降水量1 269 mm且主要集中在5—10月[23]。

1.2 試驗設(shè)計

湖北省內(nèi)山地丘陵分布廣泛，坡耕地面積較大。本試驗根據(jù)坡耕地坡度特征，結(jié)合試驗條件將坡度設(shè)置為5°，10°，15°；根據(jù)試驗地區(qū)的實際情況，設(shè)計3個雨強(40，66，80 mm/h)，共計9種試驗組合，每場試驗重復(fù)2次。采集試驗所需土樣，用環(huán)刀法測定土樣的含水量和容重。土壤試驗前過2 mm的篩，均勻混合。填土前，將土槽調(diào)至水平，在土槽底部均勻裝填0.1 m厚的天然沙，并在沙子表面鋪上透水紗布，保證土壤能夠有良好的透水性。試驗用土分層填入，每層填土5 cm，邊填充邊壓實并適當(dāng)灑水，累積填土厚度0.15 m。試驗前并控制每場試驗的初始條件一致，控制土壤容重及含水量和采樣時測得數(shù)據(jù)相近。每次降雨試驗之前，靜置兩個小時，使得添加的水分充分下滲，使土壤內(nèi)部水分達到飽和。隨后在變坡土槽上遮蓋塑料布，打開降雨器，使降雨系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，使用10個量筒進行雨強率定，以輔助驗證模擬降雨系統(tǒng)的雨強精度，確保雨強達到試驗標準并保證降雨的均勻度。在達到試驗條件后，掀開塑料布，開始試驗。試驗從槽子下端出口產(chǎn)流后開始計時，連續(xù)降雨1 h。

1.3 試驗材料

1.3.1 試驗用土 本試驗用土為取自湖北省武漢市蔡甸區(qū)水土保持科技園內(nèi)及周邊的棕紅壤坡耕地，取樣時間為2019年7月。土壤樣品采集自坡耕地表層0—20 cm的土壤，黏性較強，顆粒較細，淋溶強，天然容重約1.20 g/cm3，平均質(zhì)量含水率約6.0%。

1.3.2 試驗裝置 模擬降雨試驗所用的可調(diào)坡鋼槽長2.5 m，寬0.5 m，高0.3 m。土槽底部均勻鉆孔，使水分可以自由下滲。土槽尾部設(shè)置“V”收集口，用于收集模擬降雨試驗產(chǎn)生的徑流泥沙樣品。模擬降雨裝置為南林電子公司出產(chǎn)的NLJY-10型人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨器可根據(jù)控制室內(nèi)的開關(guān)調(diào)控小雨(40 mm/h)、中雨(66 mm/h)和大雨(80 mm/h)，噴頭距地面垂直高度7.0 m，降雨覆蓋面積為10 m×10 m，降雨均勻度在85%以上，通過壓力泵和噴頭組合控制雨量和降雨時長，能夠達到本試驗所需要的要求。試驗裝置如圖1所示，模擬降雨試驗于2019年7—8月在示范園內(nèi)進行。

圖1 試驗裝置示意圖

1.4 試驗步驟

正式降雨開始后，記錄每次試驗的產(chǎn)流時間，觀察侵蝕過程，坡面產(chǎn)流后使用1 L的塑料量筒收集徑流泥沙樣品，每3 min采一次樣品，每場試驗共計20個樣品。依據(jù)試驗過程中的產(chǎn)流量變化不斷調(diào)整接樣時間，控制在10～20 s。土槽分為3個坡段：上坡段(0.125～0.875 m)、中坡段(0.875～1.625 m)、下坡段(1.625～2.375 m)，當(dāng)水流穩(wěn)定后，在上、中、下3個坡段采用染色劑示蹤法(KMnO4)測定坡面徑流流速。在水流經(jīng)過標志簽時加入染色劑，利用秒表記錄染色劑到達下一個相鄰標志簽的準確時間，來模擬坡面產(chǎn)流時水流順坡流動的水文過程，得到水流的平均表層流速。當(dāng)細溝產(chǎn)生時，分別測量細溝內(nèi)流速和細溝間流速。降雨試驗結(jié)束后，稱量容器內(nèi)的樣品質(zhì)量，將樣品靜置24 h使其充分澄清后，倒掉上清液，將容器里的泥沙全部轉(zhuǎn)入鋁盒內(nèi)，采取烘干法測定泥沙干重。

1.5 試驗數(shù)據(jù)分析方法

坡面徑流水動力學(xué)參數(shù)的計算方法[10]如下：

(1) 細溝間流速計算：以4個標志簽劃分的3個坡段為固定距離(0.75 m)，記錄KMnO4溶液流過相鄰兩個標志簽的時間，兩者的比值為細溝間的流速。

(1)

式中：Vi為當(dāng)次細溝間的徑流流速(m/s)；t為當(dāng)次KMnO4溶液流過相鄰兩個標志簽的時間(s)。

(2) 細溝內(nèi)流速計算：以當(dāng)次測量的細溝長度為距離，記錄溶液流過細溝的時間，兩者的比值為細溝間的流速。

(2)

式中：Vr為當(dāng)次細溝內(nèi)的徑流流速(m/s)；s為當(dāng)次細溝的長度(m)；t′為當(dāng)次KMnO4溶液流過細溝的時間(s)。

(3) 產(chǎn)流率計算：根據(jù)接樣產(chǎn)流量和接樣時間比值計算得來。

(4) 產(chǎn)沙率計算

(3)

式中：M為產(chǎn)沙率(g/min)；M′為當(dāng)次的產(chǎn)沙量(g)；t為接樣時間(min)；相鄰兩次的產(chǎn)沙率取平均值，得到20個數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，聯(lián)系坡度和雨強對降雨產(chǎn)流率和侵蝕產(chǎn)沙率的關(guān)系，利用相關(guān)分析法，分析產(chǎn)流率和侵蝕產(chǎn)沙率隨時間變化過程特征以及坡面徑流流速隨時間和空間變化的特征。

(5) 坡面平均徑流深計算：根據(jù)以下公式測得每場試驗20個徑流深數(shù)據(jù)，取平均值作為該場次試驗的平均徑流深。

(4)

式中：h為坡面徑流深(m)；Q為t時間內(nèi)的徑流量(m3)；t為徑流取樣歷時(min)；V為坡面流平均流速(m/min)；b為過水?dāng)嗝鎸挾?m)。

(6) 地表徑流沿坡面梯度方向?qū)е缕旅媲治g的力稱為徑流剪切力。徑流剪切力是造成徑流分離、土壤遷移搬運的主要動力，為土壤侵蝕提供物質(zhì)來源，造成土壤流失。根據(jù)以下公式測得每場試驗20個徑流剪切力數(shù)據(jù)，取平均值作為該場次試驗的平均徑流剪切力。

τ=γRsinβ

(5)

式中：τ為坡面單位面積上徑流剪切力(N/m2)；γ為水體容重，一般取9.8×103N/m3；R為徑流的水力半徑，可用徑流深h近似代替(m)；β為坡度(°)。

(7) 雷諾數(shù)：用以判斷流態(tài)，層流、紊流或過渡流。

(6)

v=0.01775/(1+0.0337t+0.0000221t2)

這樣的過程知易行難，所幸無論是我們的手指，還是現(xiàn)代制琴工藝，都允許我們彈奏出美妙的“極弱音”，剩下的只是我們對于拓展美妙音色的意愿，因為作為鋼琴演奏家，我們能夠，也理應(yīng)如此。

(7)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；R為徑流的水力半徑，可用徑流深h近似代替(m)；υ為水流運動粘滯系數(shù)。

(8) 弗勞德數(shù)：用以判斷流型，急流還是緩流。

(8)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；h為徑流深(m)；g為重力加速度(m/s2)。

(9) 達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)

(9)

式中：g為重力加速度(m/s2)；h為坡面徑流深(m)；J為水流能坡，一般取J=sinβ(β為坡面坡度);V為徑流平均流速(m/s)。

(10) 曼寧粗糙系數(shù)

(10)

(11) 水流功率

V=τV

(11)

式中：W為水流功率(J/s)；τ為坡面單位面積上徑流剪切力(N/m2)；V為徑流平均流速(m/s)。

(12) 單位水流功率

P=Vj

(12)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；j為能量梯度，一般取j=cotβ(β同上)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

不同雨強和坡度條件下，試驗過程中坡面產(chǎn)流率隨降雨歷時變化的過程如圖2所示。總體上看，坡面產(chǎn)流的時間變化趨勢在不同雨強和坡度條件下基本一致，平均產(chǎn)流率均隨降雨歷時延長而緩慢增長，在8～15 min的區(qū)間內(nèi)會有小范圍的波動，最后達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)直至降雨結(jié)束(圖2)。在坡度5°和雨強40 mm/h的條件下，產(chǎn)流率非常穩(wěn)定；在坡度15°雨強80 mm/h的條件下，產(chǎn)流率在試驗后期依然有增大趨勢。對比可知，在坡度較緩、雨強較小的條件下，平均產(chǎn)流率相對穩(wěn)定；而在坡度較陡、雨強較大的條件下，平均產(chǎn)流率波動較大，不易穩(wěn)定。

圖2 不同雨強和坡度下紅壤坡面平均產(chǎn)流率隨時間變化過程線

在相同雨強條件下，隨坡度增加，坡面入滲量減小致使更多降雨轉(zhuǎn)化為坡面徑流，同時坡度增加致使坡面水流速度加快，單位時間內(nèi)坡面徑流量越大。在相同雨強條件下，平均產(chǎn)流率會隨著坡度的增大而增大。隨著降雨時間的增加，在產(chǎn)流初期(0～15 min)徑流過程表現(xiàn)為波動增加過程，特別是大雨強下波動較為明顯，15 min以后徑流量的波動趨于穩(wěn)定，伴有較小的波動，一直持續(xù)到降雨結(jié)束；這與Donjadee等[24]認為的不同雨強下產(chǎn)流達穩(wěn)定的時間不同，大雨強下通常需要更多的時間才能達到平穩(wěn)狀態(tài)的結(jié)論相一致。

不同雨強和坡度條件下，試驗過程中坡面產(chǎn)沙率隨降雨歷時變化的過程如圖3所示。由圖3可知，降雨初期，紅壤坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙率急劇上升，在到達最高點之后會稍有下降，隨后保持平穩(wěn)狀態(tài)直到試驗結(jié)束。在降雨開始時，由于下滲作用，徑流量小，所以攜沙能力也較小。隨著試驗時間的增加，土壤含水量趨于飽和，徑流量逐漸增大，其攜沙能力也相應(yīng)變強，所以產(chǎn)沙量也會隨之增加。當(dāng)徑流量逐漸趨于平穩(wěn)時，坡面也產(chǎn)生了相對穩(wěn)定的細溝，坡面土壤侵蝕逐漸變?yōu)榧殰锨治g，所以產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定。

對于不同條件下，產(chǎn)沙量變化的臨界坡度，梁志權(quán)等[25]所給出的結(jié)論是在雨強為50 mm/h時，在20°附近存在一個侵蝕產(chǎn)沙量的臨界坡度，并且以此論證了不同的雨強大小會影響侵蝕的臨界坡度值。王麗園等[26]認為產(chǎn)沙結(jié)果的差異性變化主要由于坡度變化會影響到垂直坡面分力與滯雨量的不同，從而改變坡面的侵蝕方式，影響產(chǎn)沙過程變化，雨強也對產(chǎn)沙量有一定的影響，小坡度條件下，坡面穩(wěn)定性較好，坡度對產(chǎn)沙量的影響程度不如雨強，這也與前文所提到的試驗結(jié)果相佐證。鐘壬琳等[27]的研究表明紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙總量有隨降雨強度和坡度增加而增大的趨勢，在降雨強度和坡度較小時，產(chǎn)沙量變化幅度較大，這與本試驗的結(jié)果相吻合。

圖3 不同雨強和坡度下紅壤坡面平均產(chǎn)沙率隨時間變化過程線

2.2 坡面流速時空分異特征

由表1可指知，坡度和雨強都會對坡面降雨產(chǎn)流后的平均流速產(chǎn)生影響，且流速與坡度和雨強均呈正相關(guān)關(guān)系。試驗前期的降雨到達土壤表層后大多下滲，幾乎不形成地表徑流。隨著降雨時間延長，降雨產(chǎn)生的坡面徑流不斷沖刷土壤表面，并不斷增加土壤的含水量，流速逐漸增大。因此在同一場試驗中，細溝內(nèi)匯集高處水流，增加了坡面產(chǎn)流的動能和勢能，此外經(jīng)過徑流的反復(fù)打磨，細溝內(nèi)壁比較光滑，減小了細溝內(nèi)壁對于坡面產(chǎn)流的摩擦力，因此細溝內(nèi)產(chǎn)流流速>細溝間的產(chǎn)流流速。

表1 不同試驗條件下的坡面平均流速

坡面平均流速隨著坡度和雨強的增大呈增大趨勢(圖4)。隨著坡度的增大，流速的平均增長率為0.4%～17%，雨強越大增長趨勢越穩(wěn)定；而隨著雨強的增大，坡面流速的平均增長率為20%～50%，且增長幅度較大。因此，相對于坡度，雨強對坡面的流速影響更大，這與楊大明等[28]對坡面薄層水流流速的研究結(jié)論一致。

圖4 坡面平均流速隨坡度和流量的變化過程

不同坡段平均流速呈現(xiàn)上坡段<中坡段<下坡段的特征。試驗前期，降雨增大了土壤的含水量，薄層水流沿坡面向下匯集，水流受到的重力沿坡面向下方向的分力對匯流的運動起到了加速作用，使得流速沿坡面向下呈增加趨勢，故下坡段流速最大。上坡段由于降雨下滲較多，且?guī)缀鯖]有形成細溝，因此流速相對較慢；中坡段隨著降雨歷時延長逐漸產(chǎn)生細溝侵蝕，其流速也伴隨著細溝的產(chǎn)生逐漸增快。

由圖5可知，上坡段的坡面流速相比于中坡段、下坡段的坡面流速比較穩(wěn)定，起伏相對較少，相鄰兩個流速相差不超過0.025 m/s。中坡段和下坡段土壤的侵蝕更為嚴重，除了雨強和坡度的影響外，細溝的發(fā)育也影響著坡面水流流速，細溝的產(chǎn)生短時間內(nèi)增加了該坡段平均流速。隨著細溝發(fā)育，坡面細溝內(nèi)和坡面表面的粗糙程度不斷變化，徑流的阻力不斷增大，導(dǎo)致部分能量被消耗，流速在部分時間段突然減小。隨著坡面發(fā)生溯源侵蝕，細溝內(nèi)部不斷下切，流速進而增加。坡面平均流速的變化隨著細溝形態(tài)的變化而變化，因此中坡段和下坡段的流速隨時間波動較大。隨著降雨時間的增加，細溝首先在下坡段開始出現(xiàn)，徑流雨水不斷地向細溝匯集，細溝開始發(fā)生下切侵蝕和溯源侵蝕，向中坡段以及上坡段發(fā)展。本試驗所觀測到的試驗現(xiàn)象與吳桐嘉等[29]的試驗結(jié)果相符。徑流的匯入使得細溝內(nèi)流速明顯增快，細溝下切造成深度不斷增加，寬度不斷變大，坡面侵蝕不斷加劇。

隨后細溝的發(fā)育形態(tài)有3種情況：第一，細溝內(nèi)徑流不斷打磨細溝內(nèi)壁，流速在摩擦力減小的情況下持續(xù)增大；第二，細溝僅僅向橫斷面的下部發(fā)育，在細溝出口處產(chǎn)生斷崖式高差，這樣由于受到細溝出口的坡面阻力，細溝內(nèi)流速不增反降；第三，細溝僅僅向下坡段水平擴展，下切侵蝕不明顯，沿坡面向下，細溝逐漸消失，細溝內(nèi)流速轉(zhuǎn)變?yōu)榧殰祥g流速，流速降低。

圖5 坡面不同坡段流速隨時間變化過程線

2.3 坡面徑流水力學(xué)特性

試驗條件下的坡面徑流水力學(xué)參數(shù)見表2。結(jié)果表明，Re在不同坡度條件下差異明顯。相同雨強條件下，Re隨坡度的增加而增大。相同坡度條件下，Re又隨著雨強的增加而增大。試驗條件下的Re均小于500，參考明渠水流劃分標準可認為降雨所產(chǎn)生的徑流都屬于層流。Fr均大于1，說明試驗條件下的坡面徑流屬于急流狀態(tài)。相同雨強條件下，F(xiàn)r隨坡度的增加而增大。這是因為坡度的增大，導(dǎo)致坡面徑流流速增加，同時徑流深減小，F(xiàn)r增大。相同坡度條件下，F(xiàn)r隨雨強的增加而增大。f和n是可以用來反映試驗過程中坡面徑流阻力特征的水力參數(shù)。相同雨強條件下，f隨坡度的增大而減小。坡度增大，徑流的動能增加，徑流流速加快，因此可以論證f減小的原因。n可以反映土壤表面形態(tài)，在相同坡度條件下，隨雨強的增大n也隨之增大。雨強增加，徑流量增大，雨滴濺蝕愈發(fā)嚴重，坡面形成的細溝發(fā)生溯源侵蝕和下切侵蝕明顯，導(dǎo)致坡面土壤表面形態(tài)更加復(fù)雜，因此n增大。

2.4 坡面侵蝕的水動力機制

將每場降雨試驗得到的20個侵蝕產(chǎn)沙率和水動力學(xué)參數(shù)分別取平均值，得到該場試驗的平均侵蝕產(chǎn)沙率和平均水動力學(xué)參數(shù)，把所有場次試驗的平均侵蝕產(chǎn)沙率和平均水動力學(xué)參數(shù)進行擬合，見圖6。

圖6 侵蝕產(chǎn)沙率與水動力學(xué)參數(shù)擬合關(guān)系

相同雨強條件下，τ隨坡度的增加而增大，且τ和侵蝕產(chǎn)沙率之間呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(圖6)。坡度的增加使得坡面徑流流速不斷增大，徑流量也隨著雨強的增加而增大，進而導(dǎo)致τ的增大。τ增大，使得導(dǎo)致土壤顆粒分散的有效τ增大，剝離的土壤越多，造成的侵蝕就越嚴重，這與白永會等[30]的結(jié)果相一致。整體而言，侵蝕產(chǎn)沙率和V，τ，W，P，Re，F(xiàn)r均呈正相關(guān)關(guān)系，侵蝕產(chǎn)沙率隨流速的增大而增大，V增大的同時，τ隨之增大，侵蝕現(xiàn)象也會愈發(fā)嚴重。侵蝕產(chǎn)沙率和f，n呈負相關(guān)關(guān)系。侵蝕產(chǎn)沙率的增加需要克服土壤抗侵蝕能力帶來的阻力，f越大，證明坡面徑流所消耗的能量就越大，所造成的泥沙搬運量就越少。根據(jù)擬合效果R2來看：Fr>V>f>Re>W>τ>p>n，可以認為，本試驗條件下Fr可以更好地預(yù)測侵蝕產(chǎn)沙率的大小。

表2 不同雨強和坡度條件下的坡面徑流水力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 坡度較緩，雨量較小的條件下，產(chǎn)流率隨降雨歷時相對穩(wěn)定；而在坡度較陡，雨量較大的條件下，產(chǎn)流率波動相對較大。在相同雨強條件下，坡面的產(chǎn)流率會隨著坡度的增大而增大。坡度、雨強和產(chǎn)沙率之間均呈正相關(guān)關(guān)系。

(2) 相比于坡度來說，雨強對坡面平均流速影響更大。相同雨強下，坡度從5°增大到15°，流速的平均增加率是74%；相同坡度下，雨強從40 mm/h增大到80 mm/h，流速的平均增長率是61%。坡面平均流速的空間特征表現(xiàn)為：上坡段<中坡段<下坡段。同一坡段內(nèi)，細溝流速大于細溝間流速，試驗條件下細溝流速是細溝間流速的1.33～2.10倍。

(3) 試驗條件下的坡面徑流都屬于層流，且為急流。相同雨強下，徑流剪切力隨坡度的增加而增大，達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)隨坡度增加不斷減小。相同坡度下，雨強增加，徑流量增大，導(dǎo)致坡面侵蝕嚴重且土壤表面形態(tài)更加復(fù)雜，曼寧粗糙系數(shù)不斷增大。徑流水動力學(xué)參數(shù)和產(chǎn)沙率擬合方程表明，弗勞德數(shù)、流速可以較好地預(yù)測坡面產(chǎn)沙率。