黄土区陡坡侵蚀过程试验研究

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1、郑良勇等：黄土区陡坡侵蚀过程试验研究3黄土区陡坡侵蚀过程试验研究郑良勇，李占斌，李鹏中国科学院、教育部、西北农林科技大学水土保持与生态环境研究中心，陕西杨凌712100摘要：通过室内放水冲刷试验，结果表明，陡坡单宽径流能耗与单宽径流产沙率之间存在以下线性关系：Dr=18.672（ΔE-0.751），说明土壤的可蚀性参数为18.672g/J，发生坡面细沟侵蚀的临界径流能耗为0.751J/(m×s)。坡面单宽径流能耗随流量增大而增加，随坡度变化呈抛物线趋势，临界坡度出现在21°和24°之间。坡面上各段面单宽径流能耗均随流量的增大而增加，随着坡度逐渐增加，坡面上部段面能耗渐增，中部段面渐减，下部较稳

2、定。坡面各段面侵蚀产沙也有类似特征。此研究对于深入了解黄土高原陡坡土壤侵蚀过程和机理具有重要意义。关键词：径流能耗；陡坡；产沙率中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1008-181X（2002）04-0356-04郑良勇等：黄土区陡坡侵蚀过程试验研究3黄土高原坡陡沟深，水土流失严重，尤其近年来陡坡开荒严重，更加剧了坡耕地侵蚀。细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要形式，其侵蚀量约占坡面总侵蚀量的70%[1]。因此研究陡坡细沟侵蚀对于防治坡耕地水土流失具有重要意义。细沟是在坡面径流差异性侵蚀条件下，在坡面上产生的一种小沟槽地形，其纵剖面与所在斜坡面一致，并能为当年犁耕所平复[2]。细沟侵蚀是降雨形成的

3、坡面漫流在顺坡向下流动的过程中逐渐汇集成坡面股流并对坡面进行下切侵蚀，溯源侵蚀和侧蚀的过程。只有当坡面径流达到一定的水力临界后才可能发生细沟侵蚀，水力临界主要用径流量，佛汝德数，径流水流功率，径流剪切力等来描述。Rauws和Govers研究发现，细沟侵蚀的临界条件可用有效剪切流速与土壤饱和粘滞力之间的线性关系表示，且试验结果表明，3~5cm/s的切应流速是细沟发生的水力学临界[3]。张科利则用佛汝德数Fr≥1作为细沟发生的水动力临界。细沟水流对土壤的冲刷作用是几种作用的综合。ElliotandLaflen把细沟水流的分散能力分为水流冲刷、沟头冲刷、水流淘刷崩塌和沟壁脱落四部分[4]。Neari

4、ng等认为细沟侵蚀是在水流的切应力大于土壤临界切应力且输沙能力大雨实际输沙率的条件下发生的，并提出以下模型：Dr=Dc(1-Gs/Tc)(1)Dc=k(τ-τc)(2)其中，Dr为径流分离率；Dc为径流分离能力；Gs为输移率；Tc为输移能力；k为与土壤性能有关的土壤可蚀性参数；τ为径流切应力；τc为临界切应力[5]。尽管目前对坡面细沟侵蚀的研究较多且取得丰硕成果，但上述研究一方面大多是在缓坡进行，难以直接适用于我国坡陡沟深的黄土高原，另一方面细沟发育是一个动态变化过程，细沟水流的水深、流速、切应力等水力要素时空变化很大，以往研究多用整个坡面的平均值来计算，这将不能确切反映细沟发育的实际过程，因

5、此本文通过室内放水冲刷模拟试验利用径流能耗理论对坡面细沟侵蚀过程作一新的探讨。1材料与方法试验在中科院水土保持研究所降雨大厅利用可调坡度钢制土槽进行，土槽长5m、宽0.33m、深0.5m。试验流量按黄土高原暴雨发生频率在野外标准径流小区上产生的单宽流量换算到试验土槽上的流量得到，分别为2.5L/min、3.5L/min、4.5L/min、5.5L/min、6.5L/min五个流量，坡度采用15°、18°、21°、24°、27°、30°六级变化。试验土壤体积质量控制在1.25g/cm3郑良勇等：黄土区陡坡侵蚀过程试验研究3左右，试验前土槽洒水使土壤表层达到饱和。每次实验用颜料示踪法分四个段面每分

6、钟测量一次流速，沿土槽纵向依次确定12个点，每分钟在这些固定点位置用直尺测量水宽，水深由流量、流速和水宽计算获得。每次实验前后用温度计在稳流槽中测水温。在土槽出水口每隔一分钟接取泥沙样以烘干获得含沙量，接取全部径流泥沙样以计算侵蚀量。试验进行两个重复。试验填土为杨凌当地娄土，其粒径组成如表1所示。表1试验土壤的粒径组成粒径/mm1~0.250.25~0.050.01~0.0050.05~0.010.005~0.001＜0.001百分比/%0.122.706.8841.1312.8936.282结果与讨论2.1陡坡细沟发生的能量分析土壤侵蚀是降雨及降雨汇集的坡面水流对土壤作功的过程，因此必然遵循

7、能量守恒定律。坡面径流在顺坡向下流动的过程中需要克服坡面摩擦力、水流内摩擦力作功，水流剪切分离土壤和携带输移土粒的过程实质上就是一个作功消耗能量的过程，对于一定的土壤来说，消耗相同的能量就会剥离相同的土粒。因此，我们可以通过分析坡面径流的能量变化运用径流能耗理论来研究坡面土壤侵蚀过程。设单宽径流在坡面顶端所具有的势能为E势=ρ×q×g×L×sinθ，动能为E动=(1/2)×ρ×q×V12，其总能量