黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究

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1、黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究摘要：利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据计算了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由

2、以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。关键词：黄土坡面细沟重力侵蚀中值时间　重力侵蚀是指地表物质在重力作用下，分散地或成块地、急速地或缓慢地向下移动的过程，主要表现形式有土的蠕动、松散物的滑动、松散物的流动和崩塌等[1]。重力侵蚀直接或间接地向河道输送了大量的泥沙，是流域土壤侵蚀和河流泥沙来源的主要物理过程之一，并在区域地貌演化中扮演了一个十分活跃的角色[2～4]。由于重力侵蚀的发生具有很大的随机性，其产沙量也较难测定，相对水力侵蚀来说，对于重力侵蚀的认识还很不够。早期的研究成果多集中在重力侵蚀

3、与地形、地表物质组成、植被、气候等因素间的定性关系上[5]，定量的研究结果较少。近年来，随着人们认识的不断加深及相关研究方法与技术的应用，重力侵蚀的研究取得了很大的进展。例如，在地理信息系统的支持下，采用一定的研究指标分别得出了黄土高原1:400万重力侵蚀分区图及黄河中游重力侵蚀最小图斑等[2,6]；结合14C法测量的阶地年龄，通过判读遥感影像提取不同发育阶段的沟谷形态，得到了第四纪以来谷坡后退所反映出的以重力侵蚀为主的侵蚀模数和侵蚀强度增强的加速度[7]。此外，一些其它方法(如模糊聚类等)也在

4、流域重力侵蚀区划研究中得到了广泛应用[8]。在有关重力侵蚀研究中，对于较小尺度下的重力侵蚀过程(如细沟发育过程中沟岸及沟头的崩塌滑塌的变化规律等)的研究较少。深入开展这方面的研究有助于加深了解坡面形态变化过程和细沟侵蚀产沙机理，为在不同坡面发育阶段有针对性地采用相应的水土保持措施和减少坡面水土流失提供科学的依据。为此，本文采用实验方法对黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行探索。1实验概况　　实验在中国科学院水利部西北水保所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。实验中人工模拟降雨方

5、式为侧喷，雨滴降落高度为16m，雨强为1.5mm/min。为检测实验结果的稳定性，采用两组独立进行的平行实验，每组实验分为9个场次。第一场实验的初始地形为水平投影长度为5m，宽度为1.5m，坡度为20度的直形坡，其后每一场的初始地形均为前一场的终极地形，这样可使坡面细沟得到充分发育，并便于观测不同细沟发育阶段下重力侵蚀的特点及其变化过程。实验中各场降雨历时均为90min，降雨场次间隔为1天。为了分析雨滴击溅在整个坡面发育过程中的作用，对其中一组实验采用纱网覆盖法来消减雨滴击溅的影响。纱网网眼为2mm

6、，覆盖高度为垂直坡面高10cm处。在文中的以后部分将有雨滴击溅直接影响的一组实验称为A组实验；将有纱网覆盖的一组实验称为B组实验。表1各场降雨前坡面土壤含水量及雨强率定降雨场次土壤含水量(%)　雨强/(mm/min)B坡面B坡面　B坡面B坡面12345678911.122.622.622.624.425.626.825.826.316.228.026.927.025.624.525.627.040.2　1.511.541.581.601.481.441.481.531.491.521.471.521

7、.541.571.494.501.481.53　　为了解各场降雨雨强的稳定性及坡面土壤含水量变化，各场降雨开始前分别采用雨量计法和环刀法测量降雨雨强与坡面土壤含水量，结果见表1。可以看出除第一场降雨外，各场降雨前坡面土壤含水量差别不大，各场降雨的雨强也基本一致，误差在10%以内。　　由于重力侵蚀在发生时间上具有一定的随机性，目前尚缺乏有效的方法与仪器测量重力侵蚀的产沙量，本文尝试采用实验观测现象与水沙测量相结合的方法，将重力侵蚀产沙部分从坡面侵蚀泥沙的总量中区分出来。因此，实验中除利用采样法对坡面出

8、口处的流量、输沙率和含沙量进行测量外，还对细沟发育过程中的重力侵蚀现象进行了观测记录，并全程对A坡面细沟发育过程进行了录像。这样便可将坡面上发生的重力侵蚀现象与水槽出口处的水沙变化进行对比，以此来帮助识别重力侵蚀的影响。2实验结果　　考虑到伴随坡面细沟发育过程中的流量、输沙率与含沙量变化及其三者之间的关系，本文只给出各场降雨流量与含沙量的观测结果，见表2～5。　　坡面产流主要受降雨及入渗等因素的影响。已有的研究表明[9]，坡面入渗主要遵循霍顿公式，入渗量随时间递减。在