冻融作用对坡面侵蚀和泥沙颗粒分选影响

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1、冻融作用对坡面侵蚀及泥沙颗粒分选的影响张辉，国家自然科学基金项目(41330858，41471226)、陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JM4017)共同资助SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos．41330858，41471226)andBasicResearchProgramofNaturalSciencesofShanxi(No．2016JM4017)国家自然科学基金项目(41330858，41471226)、陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JM4017)共同资助Sup

2、portedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos．41330858，41471226)andNaturalScienceBasicResearchProgramofShanxi(No．2016JM4017)。通讯作者Correspondingauthor：李鹏(1974-)，男，山东烟台人，教授，博士生导师，主要从事水土资源与环境的研究。E-mail：lipeng74@163.com。作者简介:张辉(1991-)，男，陕西渭南人，在读硕士，主要从事水力侵蚀的研究。E-mail：zhanghui1017@ye

3、ah.net。收稿日期：2016-06-09;收到修改稿日期：2017-01-19；李鹏，鲁克新，任宗萍，王添，汤珊珊王飞超(西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安，710048)摘要：为了探究冻土和解冻土对水力侵蚀的影响，利用室内模拟降雨试验对冻土和解冻土两种坡面的坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特征进行了研究。结果表明：在降雨条件下，相对于解冻坡面(TS)，冻土坡面(FS)的产流时间提前了173s，而产流量、产沙量分别增加了0.099%倍和1.05105%倍；两种坡面侵蚀过程中的土壤颗粒平均重量直径(MWD)大小次序均为溅蚀颗粒＞径流冲刷泥沙颗粒

4、，且冻土坡面溅蚀颗粒及冲刷泥沙颗粒MWD均显著大于冻土坡面(p＜0.05)；随着降雨进行，解冻土坡面侵蚀泥沙中的粘黏粒、细粉粒含量呈先迅速增大后减少的趋势，而粗粉粒和砂粒含量则呈先减小后增大的趋势，侵蚀泥沙逐渐向粗颗粒发展；而冻土坡面各粒级颗粒随时间变化相对稳定。本文研究成果可以为进一步揭示冻融作用下坡面水力侵蚀机理提供一定的参考依据。关键词：模拟降雨；冻土/解冻土；溅蚀；径流冲刷；颗粒分选中图分类号文献标识码A0引言冻融作用是指气候的日、年和多年变化可能导致特定气候区域的地球表层一定范围内土壤的冻结和融化作用[1]。黄河中游地处温带中纬度地区，每年约有105~12

5、5d的气温在0℃以下，多年平均年降水量300~600mm，满足冻融侵蚀发生的气候条件[2]。已有研究表明，冻融作用能有效地改变土壤结构[3~-4]，从而影响土壤的可蚀性；当土壤处于冻结状态时，土壤水因结冰而发生的体积膨胀会破坏土壤颗粒之间的连结性，从而改变土壤颗粒的大小分布[5]；冻融作用将导致土壤颗粒大小呈减小的趋势[6~-7]，而这将对水力侵蚀造成很大影响。在冻土解冻期，由于解冻土层和冻结土层的存在，坡面土壤可蚀性与未冻融和完全解冻坡面存在较大差异[8]，而前人的研究成果主要关注于冻融前、后的土壤可蚀性的变化，而对冻结状态下土壤可蚀性研究较少[9~-10，12]

6、，同时冻土和解冻土的土壤可蚀性差异尚不清楚。有研究表明，冻土解冻后，抗剪强度下降，土壤可蚀性增加[11~-13]；坡面冻土初始解冻深度愈小，则前期侵蚀率愈大，侵蚀总量愈大[8]，因此，相对于解冻土坡面，冻土坡面更易发生侵蚀，而这种现象发生的具体原因目前尚不明确。在侵蚀过程中的侵蚀泥沙颗粒粒径分布能够很好地反映侵蚀的变化过程[14]。在侵蚀开始阶段，侵蚀泥沙中的黏粒、粉粒含量较高；随着侵蚀时间的延长，泥沙颗粒逐渐变粗，最后趋于稳定[15]。吴凤至等[16]研究发现，溅蚀阶段侵蚀泥沙中2~50μm颗粒含量较高；细沟间侵蚀阶段的粗颗粒减少、细颗粒增多。吴新亮等[17]等研

7、究发现，侵蚀泥沙颗粒分布主要受黄土母质和降雨侵蚀力的影响，且两者的影响差异较大。坡面侵蚀泥沙颗粒的粒径分布取决于土壤质地、降雨特性、径流类型、冻融作用、地形特征等很多因素[18~20]，而这些因素也导致侵蚀泥沙颗粒分选规律存在很大差异。其中，冻融作用能够破坏土壤颗粒之间的粘结力[5]，改变土壤原状颗粒大小，进而导致土壤颗粒容易发生分离。在水力侵蚀与冻融侵蚀复合作用下，坡面侵蚀及侵蚀泥沙颗粒分选规律会与单一的水力侵蚀作用有很大不同，然而，这种复合侵蚀作用下的侵蚀及泥沙分选过程目前还尚不清楚。由于下垫面条件差异和气候变化等原因，黄河中游局部地区之间的解冻期存在较大差