草被覆盖对坡面侵蚀形态与产沙过程的影响

2013-09-08甄斌

中国水土保持 2013年9期

甄斌

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

侵蚀产沙变化过程与坡面侵蚀形态的发育是分不开的，且二者相互影响、互为因果，这一现象在研究侵蚀产沙过程中越来越受到学者们的关注［1-3］:倪晋仁等［1］采用坡面发育自组织理论对典型坡度条件下坡面的发育过程进行了模拟，重点分析了面蚀与沟蚀在坡面侵蚀中的关系及其贡献大小，并阐述了坡度对面蚀向沟蚀阶段转化快慢的影响;肖培青等［2］利用室内人工模拟降雨试验方法研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响，分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献;和继军等［3］采用室内模拟降雨试验的方法研究了土和黄绵土坡面细沟发育过程和水沙关系，指出不同土壤抵抗降雨的强度不同，土较黄绵土更容易产生细沟，且径流含沙量过程的波动规律与坡面跌坎、细沟的形成具有同步关系;在地貌形态量化方面，崔灵周等［4］提出并应用地貌分形信息维数代替以往常用的地貌形态指标，并基于分形理论、GIS技术和多元回归统计方法，以黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域为例，对流域地貌形态与降雨侵蚀产沙耦合关系进行了初步探讨，尝试了坡面侵蚀形态与侵蚀产沙相关关系研究的新技术新理论的应用。

侵蚀产沙过程和坡面形态发育是密不可分的，现有的研究成果有助于加深对侵蚀形态发育和产沙过程的认识，但目前在草被覆盖对侵蚀形态发育和产沙过程的影响方面开展的研究较少，且关于侵蚀形态和产沙过程相互关系的研究尚处在起步阶段。本研究运用三维激光扫描和侵蚀形态观测相结合的方法，研究了草被覆盖对坡面侵蚀形态和产沙过程的影响，以期为正确评价草被措施的水土保持效果提供依据。

1 研究方法

1.1 小区及草被模拟

在陕西省神木县西沟乡六道沟小流域的撂荒坡地上布设试验小区。试验小区长4 m、宽1 m，为消除小区之间的差异，人工将原始坡面上的杂草、秸秆等地被物清除，翻深30 cm并去除根系，打碎土块、耙平、压实并修整成20°的坡面，草被通过撒播紫花苜蓿进行模拟，通过控制条播行距和播种量模拟不同覆盖度草被坡面，同时设裸露坡面作为对照。紫花苜蓿生长期为2011年5月上旬至8月中旬，试验前覆盖度量测结果为0(裸坡)、47.2%(低覆盖)和75.5%(高覆盖)。

1.2 试验及观测方法

模拟的冲刷流量为9 L/min，通过定水头可调流量供水桶模拟装置进行设定流量的坡面径流冲刷试验。流量率定3次误差均在10 mL之内时即可开始试验，小区出口有径流流出时开始计时并接取径流泥沙样，每间隔2 min取一个径流泥沙样，产沙量采用烘干法测定。

图1 试验前对小区地形进行三维激光扫描

坡面侵蚀形态量测采用三维激光扫描(图1)和试验过程直尺测量相结合的方法。为便于获取地面点云数据，在不扰动地表土壤的前提下，将草被贴近地表剪除，试验前进行原始地表的三维激光扫描，每个小区均连续进行5次径流冲刷试验，每次试验结束后及时进行三维激光扫描，采集试验后的地表信息。本研究仅分析第一次模拟冲刷试验的侵蚀形态和产输沙过程。

2 结果与分析

2.1 草被覆盖对侵蚀形态及其发育过程的影响

图2为裸坡小区第一场次冲刷后的地表形态。放水冲刷前后裸坡小区坡面侵蚀形态变化明显，坡面有长370 cm的细沟形成，几乎贯穿于全坡面(图2)，而覆盖度为47.2%和75.5%的草被小区均无明显的侵蚀沟发生，只有表层局部松散土体被剥离而形成的斑块状形态变化，且这种变化多由地表生物的活动引发。

图2 裸坡小区(覆盖度0)侵蚀沟量测平面形态

结合试验过程侵蚀沟测量记录，裸坡小区在冲刷试验开始1 min内即有跌坎和细沟产生，并在3 min内迅速发育贯穿为1个断面(1 m)，5 min贯穿为3个断面，9 min贯穿为4个断面，且此过程中一直伴随着其他跌坎的产生和细沟的发育，坡面形态变化非常活跃，试验开始15 min后坡面细沟发育慢慢趋于稳定状态，冲刷结束后坡面细沟最长达370 cm，宽多在5～8 cm，最宽达14 cm，深多在2～4 cm，最深达7.2 cm;而草被小区在同样流量的径流冲刷下，坡面形态基本无明显变化，能观测到的跌坎产生只有两次，发生在覆盖度为75.5%的坡面上，分别出现在第3和第4断面，其中第4断面的小细沟出现在冲刷历时第18 min，第3断面的小细沟出现在冲刷历时第26 min，其长、宽、深的范围分别是17～30、2.5～4和1.4～1.9 cm，坡面跌坎和细沟的发生可能由地表存在的蝼蛄虫洞穴引发。

2.2 草被覆盖对产沙过程的影响

径流冲刷模拟试验有别于人工降雨模拟试验，人工降雨模拟试验下径流沿坡面递增，易在坡面的中下部形成跌坎链并逐步相互连通成为细沟［3］，径流冲刷试验条件下的径流动能沿坡面是递减的，因此跌坎较常在坡面上部出现，经逐渐冲淘形成细沟，产沙过程与输沙率过程的变化伴随着坡面跌坎的产生与细沟的发育;在草被小区，水流从稳流池到达坡面即开始受到草株的拦挡而消耗能量，其坡面跌坎发育不明显，即使局部有小跌坎出现，其形态发育过程也不明显。

图3为裸地、低覆盖和高覆盖小区的产沙和输沙率过程线。由图3可见，裸地小区在冲刷历时的前16 min呈高峰产沙和输沙率过程，16—22 min呈次高峰产沙和输沙率过程，之后产沙和输沙率过程均趋于稳定，结合坡面跌坎和细沟发育过程，坡面产沙和输沙率过程的峰值在其后2～4 min出现;覆盖度为47.2%的草被小区没有观测到有明显的侵蚀形态变化，其坡面产沙和输沙率过程线在冲刷6 min后即进入波动稳定状态;覆盖度为75.5%的草被小区的产沙和输沙率过程线在冲刷历时为20和32 min时分别出现两个小的峰值，这与该小区冲刷历时在16和28 min时记录到的跌坎和细沟的发育有关。以上说明产输沙过程和坡面形态发育具有同步性。

高覆盖度小区产沙和输沙率过程高于低覆盖度小区的现象，与前期人为扰动、土壤含水率和径流流路等的影响有关，随着冲刷场次的增加，坡面条件的差异在减小，高覆盖度坡面的减水减沙作用在后3个场次冲刷试验中得以表现［5］。