工程措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀水动力学特性

牛耀彬, 高照良, 刘子壮， 张少佳

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所，712100,陕西杨凌； 2.中国科学院大学，100049,北京；

3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100,陕西杨凌； 4.西北农林科技大学资源环境学院，712100,陕西杨凌)



工程措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀水动力学特性

牛耀彬1，2, 高照良1，3†, 刘子壮4， 张少佳1,2

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所，712100,陕西杨凌； 2.中国科学院大学，100049,北京；

3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100,陕西杨凌； 4.西北农林科技大学资源环境学院，712100,陕西杨凌)

摘要：工程堆积体极易产生水土流失，及时有效的防护措施是防治水土流失的关键。研究不同工程措施条件下土壤侵蚀过程水动力学参数，可为不同防护措施的选择提供理论参考。该文采用40 L/min流量，对24°、28°、32° 共3个坡度的鱼鳞坑和水平阶2种措施条件下的堆积体边坡进行模拟放水冲刷试验，选取水流剪切力、径流功率、径流动能等参数进行分析。结果表明：在试验条件下，2种措施降低了土壤的可蚀性，使土壤的抗蚀性增强；土壤剥蚀率与水流剪切力和径流功率之间存在良好的线性函数关系；土壤剥蚀率与径流动能之间存在良好的对数函数关系；在鱼鳞坑措施条件下，土壤可蚀性参数分别为1×10-3s/m和2.6×10-3s2/m2；在水平阶措施条件下，土壤可蚀性参数分别为5×10-4s/m和1.7×10-3s2/m2；径流功率是描述土壤侵蚀过程的最佳参数；在同一坡面，水平阶措施防护效果优于鱼鳞坑，但2种措施的防护效益均具有时效性。

关键词：工程堆积体； 工程措施； 水动力学； 水平阶； 鱼鳞坑

项目名称： “十二五”国家科技支撑计划课题“农田水土保持关键技术研究与示范”(2011BAD31B01)

生产建设项目所产生的弃土弃渣堆置形成工程堆积体，工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件，其表面土壤结构缺失、土质松散、植物根系及有机质缺乏，导致其抗冲性极差，在径流条件下极易产生水土流失[1]。坡面径流是侵蚀产生的主导因素，其变化包含径流的形成与汇集、土壤的破坏与剥蚀、泥沙输移与沉积等过程[2]。侵蚀产沙量及产沙特征又取决于其径流的水动力学特征[3]，深入了解坡面径流的水动力学特性是理解坡面侵蚀过程和规律的前提[4]，也是水土保持措施配置的理论基础。土壤剥蚀率在土壤侵蚀量化研究, 尤其在土壤侵蚀预测预报研究中具有重要作用[5]。研究表明当水流剪切力大于临界剪切力时，土壤颗粒被剥蚀[6]，坡面流侵蚀过程可以运用水流剪切力、径流功率、径流动能等参数表达[7-8]。目前，关于工程堆积体坡面侵蚀的研究主要运用径流冲刷和模拟降雨[9-10]、依靠新的测量技术[11-13]、在弃土弃渣以及土石配比堆积体[14-15]、排土场[16]、工程开挖面[17]等位置开展试验，重点研究土壤侵蚀过程[18-19]和侵蚀动力学特性[20-21]，其中坡面主要防护措施有水平阶、鱼鳞坑和植草等[22]；但关于不同措施的选择，以及不同工程措施条件下，土壤剥蚀率与水动力学参数关系的研究较少。研究工程措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀水动力学特性，对不同工程措施的选择和土壤侵蚀过程模型的建立具有重要意义。

本文通过野外小区放水试验，模拟暴雨条件下坡面径流对工程堆积体坡面的冲刷过程，研究不同措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀过程水动力学参数，以期为不同工程措施的选择提供参考，也为工程措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀过程模型的建立提供基础参数。

1研究区概况

本试验在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站(E107°41′21.24″，N35°14′24.5″，海拔1 107 m)进行。该区属典型高原沟壑区，属温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量为579.6 mm，夏季常有洪涝灾害，主要集中在7—9月，占全年降水量的55%左右。试验区塬川相间，沟谷发育，属旱作农耕区。森林类型属暖温带落叶阔叶林地带，主要有苹果树(Maluspumila)、杨树(Populustomentosa)、刺槐 (Robiniapseudoacacia)、白羊草(Bothriochloaischcemum)、苜蓿 (Medicagosativa)等。

2数据与方法

2.1试验设计

试验小区所在位置地带性土壤类型为黑垆土，小区建在人工开挖坡面上，开挖面达到土壤母质层，土壤母质为马兰黄土，小区所填土壤来自边坡开挖产生的弃土，事先清除杂草和有机残落物层，经现场机械开挖后进行人工回填，小区弃土为当年回填，坡面无任何植被覆盖，小区坡面长度20 m、宽5 m，覆土厚度0.5 m。堆积体土壤质地为砂壤，土石比超过9:1，土壤粒径多在1 mm以下，而碎石粒径范围指>10 mm的砾石，土壤颗粒粒径为0.1～0.2、0.05～0.1、0.02～0.05、0.01～0.02、0.005～0.01、0.002～0.005、<0.002 mm的质量分数依次为8.42%、21.76%、33.07%、19.33%、6.61%、2.17%、8.64%。

工程堆积体边坡坡度范围大多为25°～40°[1]。笔者选取3个试验坡度水平：24°、28°和32°。配置的水土保持措施有鱼鳞坑和水平阶。鱼鳞坑行距4 m，坑间距1 m，呈“品”字形排列，鱼鳞坑长×宽×深为1 m×0.8 m×0.5 m，每个小区共10个鱼鳞坑。水平阶间距4 m，第1级水平阶距小区顶沿1.5 m，水平阶宽0.5 m，水平阶上斜面宽0.2 m，下斜面宽0.3 m。坡度和工程措施采用完全组合试验，共6场试验。每场试验结束后进行重新填土、平整、控制土壤密度和含水率，试验前土壤密度范围为1.21～1.56 g/cm3，土壤质量含水率为10.29%～20.09%。试验措施布设示意图见图1。试验供水引自王东沟民用泉水井，经自流到蓄水桶。

图1　试验措施布设示意图Fig.1　Test measures and layout diagram

本试验放水装置包括蓄水桶、稳水槽、分水器、阀门、流量表等，在小区上方采用恒压放水，保证出水流量均匀。依据该区暴雨发生频率和野外放水试验单宽流量，试验设计放水流量40 L/min。每场试验持续时间40～60 min。产流后开始计时，最初6 min内每隔2 min 测定1次浑水总量、断面流速、流宽，收集径流泥沙样品，计算获得侵蚀量，6 min后每隔3 min 测定1次。坡面水流流速的测量采用染色剂示踪法，测量间距为1.5 m，坡面流速乘以修正系数0.75作为水流断面平均流速[1]。流宽用自制的彩色测尺测量，精度为1 cm，准确的读出有水流的彩色测尺读数，然后计算出流宽。

2.2数据分析方法

1)平均水深：由于整个试验过程中全部为面蚀和细沟侵蚀阶段，断面水深较小，直接测定误差较大，因此采用式(1)计算平均水深[1]：

(1)

式中：h为平均水深，m；Q为T时间间隔内流出小区的径流量，m3；b为过水断面宽，m；v为水流平均流速，m/s；T为取样的时间间隔，s。

2)土壤剥蚀率：单位时间内单位面积上剥蚀的土壤质量，计算公式[23]为

(2)

式中：Dr为土壤剥蚀率，kg/(m2·s)；M为时段内的产沙量，kg；L为坡长，m。

3)水流剪切力：产生土壤颗粒分离和输移泥沙的径流冲刷动力，计算公式[24]为

τ=ρgRJ。

(3)

式中：τ为水流剪切力，Pa；ρ为浑水密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；R为水力半径，m，由于坡面水流为薄层水流，水力半径R可以用平均水深h代替；J为水力坡度，m/m，可用坡度的正弦值近似代替。

4)径流功率：作用于单位面积的水流所消耗的功率，计算公式[25]为

ω=τv。

(4)

式中：ω为径流功率，N/(m·s)；v为坡面平均水流流速，m/s。

5)径流动能：径流侵蚀力，计算公式[25]为

(5)

式中：F为径流动能，J；γ为径流容重，N/m3；Q为径流量，m3。

3结果及分析

3.1水流剪切力对侵蚀产沙的影响

图2　水流剪切力与土壤剥蚀率的关系Fig.2　Relationships between soil detachment rate and flow shear stress

在试验条件下，放水流量较大，产流开始2min左右，细沟在坡面形成，很难准确的区分薄层水流和细沟流；因此，试验坡面土壤侵蚀过程以细沟流条件下的土壤侵蚀过程为主。将所有试验场次的土壤剥蚀率与对应的水流剪切力进行点绘成图，则有鱼鳞坑和水平阶措施条件下土壤剥蚀率与水流剪切力的关系如图2(a)和图2(b)所示。土壤剥蚀率在土壤侵蚀的量化研究、土壤侵蚀模型预测及预报中具有重要的作用[5]。可用下式表示：

Dr=K(τ-τC)。

(6)

式中：K细沟可蚀性参数，s/m；τc土壤临界抗剪切力，Pa。拟合土壤剥蚀率与水流剪切力之间的关系，得出土壤剥蚀率与水流剪切力之间存在良好的线性函数关系，表明坡面细沟侵蚀过程可以用土壤剥蚀率与水流剪切力之间的线性函数关系进行描述，见表1。鱼鳞坑措施条件下，在24°、28°、32°坡面，土壤可蚀性参数分别为1×10-3、9×10-4、1×10-3s/m，坡面径流开始剥离土壤颗粒产生侵蚀的临界值分别为0.9、-1、0.2 Pa。水平阶措施条件下，在24°、28°、32°坡面，土壤可蚀性参数分别为4×10-4、5×10-4、7×10-4s/m，侵蚀性细沟剥离土壤颗粒并产生侵蚀的临界值分别为-1、-1、-5 Pa。

表1　水流剪切力与土壤剥蚀率的关系

注：样本数n=11，*表示P<0.05，**表示P<0.01。Note：The number of samplesn=17, among them * representsP<0.05, ** representsP<0.01.

在鱼鳞坑措施条件下，堆积体坡面土壤可蚀性参数均值为1×10-3s/m，临界水流剪切力均值为0.1 Pa。在水平阶措施条件下，堆积体坡面土壤可蚀性参数均值为5×10-4s/m，而临界水流剪切力均值为-2 Pa。这与以往的研究结果基本一致[26]。

对于工程堆积体而言，在水平阶和鱼鳞坑措施条件下，与自然土壤相比其可蚀性参数较小，这表明工程措施的实施降低了土壤的可蚀性，使土壤的抗蚀性增强，主要是因为坡面措施拦蓄径流，使流速减缓的作用；但2种措施条件下临界水流剪切力出现负值，其主要因为堆积体土壤结构缺失、土质松散，导致其抗冲性极差，加上坡面已经属于陡坡范围，重力侵蚀开始显现，导致坡面局部出现坍塌，从而使临界水流剪切力出现负值：因此，工程措施的防护作用具有时限性，在产流前期和初始阶段，工程措施起到滞缓坡面径流形成和局部拦蓄的作用；但到产流后期工程措施的作用逐渐减弱，甚至会放大径流的侵蚀作用，措施局部水毁，导致侵蚀量剧增。就2种措施比较而言，水平阶土壤可蚀性参数小于鱼鳞坑，所以在同一坡面，水平阶措施防护效果优于鱼鳞坑。

3.2径流功率对侵蚀产沙的影响

径流功率是描述侵蚀的重要水动力学参数，能准确的预测径流分离能力[27]。可用下式表示：

Dr=K(W-Wc)。

(7)

图3　径流功率与土壤剥蚀率的关系Fig.3　Relationships between soil detachment rate and runoff power

式中：K 为土壤可蚀性参数，土壤性质有关，s2/m2；Wc为临界径流功率，N/(m·s)。拟合土壤剥蚀率与径流功率之间的关系(图3)，得出土壤剥蚀率与径流功率之间存在良好的线性函数关系，表明坡面细沟侵蚀过程可以用土壤剥蚀率与径流功率之间的线性函数关系进行描述。由表2可知：鱼鳞坑措施条件下，在24°、28°、32°坡面，土壤可蚀性参数分别为2.9×10-3、2.6×10-3、2.3×10-3s2/m2，侵蚀性细沟开始剥离土壤颗粒并产生侵蚀的临界值分别为0.3、-0.2、-1 N/(m·s)。水平阶措施条件下，在24°、28°、32°坡面，土壤可蚀性参数分别为1.4×10-3、1.7×10-3、2.4×10-3s2/m2，侵蚀性细沟开始剥离土壤颗粒并产生侵蚀的临界值分别为-1.5、-0.04、-0.7 N/(m·s)。鱼鳞坑措施条件下，堆积体坡面土壤可蚀性参数均值为2.6×10-3s2/m2，临界水流功率均值为-0.3 N/(m·s)。在水平阶措施条件下，堆积体坡面土壤可蚀性参数均值为1.7×10-3s2/m2，而临界水流功率平均值为-0.75 N/(m·s)。

与水流剪切力相比，水流功率与土壤剥蚀率之间的线性关系相关性更高，水流功率描述工程堆积体土壤侵蚀过程更加合理， 2种措施比较而言，水平阶土壤可蚀性参数小于鱼鳞坑，所以在同一坡面，水平阶措施防护效果优于鱼鳞坑。而2种措施条件下的临界水流功率值均为负值，这主要是缘于坡面措施在产流后期被水流冲毁，加上细沟沟岸扩张和严重坍塌，使土壤剥蚀率陡增，从而使临界值出现负值。这也表明堆积体坡面工程措施的防护效益具有时效性。

表2　径流功率与土壤剥蚀率的关系

注：样本数n=11，*表示P<0.05，**表示P<0.01。Note：The number of samplesn=17, * representsP<0.05, and ** representsP<0.01.

3.3径流动能对侵蚀产沙的影响

可以运用径流动能来表示径流侵蚀力[8]，其中土壤剥蚀率和径流动能之间的关系用下式表示：

Dr=aln(F)-b。

(8)

式中a、b为系数。拟合土壤剥蚀率与径流动能之间的关系(图4)，得出土壤剥蚀率与径流动能之间存在良好的对数函数关系，见表3，其中系数a决定着曲线的变化趋势，也决定着输沙率随径流动能的增加幅度。在工程堆积体坡面，鱼鳞坑措施条件下，a的均值为0.002 7，水平阶措施条件下，a均值为0.002 5。说明2种曲线有着相似的变化趋势；但对于不同坡度而言，在2种措施条件下，a随着坡度的增大均呈先减后增。这表明在陡坡范围内，坡度对土壤剥蚀率增幅的影响呈现波动性。

表3　径流动能与土壤剥蚀率关系数学表达

图4　径流动能与土壤剥蚀率的关系Fig.4　Relationships between soil detachment rate and runoff kinetic energy

注：样本数n=11，*表示(P<0.05)，**表示P<0.01。Note：The number of samplesn=11, * representsP<0.05, and ** representsP<0.01.

4结论与讨论

1)土壤剥蚀率与水流剪切力之间存在良好的线性函数关系：在鱼鳞坑措施条件下，土壤可蚀性参数均值为1×10-3s/m；在水平阶措施条件下，土壤可蚀性参数均值为5×10-4s/m。就2种措施比较而言，水平阶土壤可蚀性参数小于鱼鳞坑，所以在同一坡面，水平阶措施防护效果优于鱼鳞坑，在2种措施条件下，与自然土壤相比其可蚀性参数较小，这表明工程措施的实施降低了土壤的可蚀性，使土壤的抗蚀性增强。

2)土壤剥蚀率与径流功率之间存在良好的线性函数关系：鱼鳞坑措施条件下，土壤可蚀性参数均值为2.6×10-3s2/m2；在水平阶措施条件下，土壤可蚀性参数均值为1.7×10-3s2/m2。与水流剪切力相比，径流功率与土壤剥蚀率之间的线性关系相关性更高，径流功率描述工程堆积体土壤侵蚀过程更加合理。2种措施比较而言，水平阶土壤可蚀性参数小于鱼鳞坑，所以在同一坡面，水平阶措施防护效果优于鱼鳞坑。堆积体坡面工程措施的防护效益具有时效性。

3)土壤剥蚀率与径流动能之间存在良好的对数函数关系，2种曲线有着相似的变化趋势，坡度对土壤剥蚀率增幅的影响呈现波动性。

在试验坡度和流量条件下，对于2种工程措施鱼鳞坑和水平阶而言，在工程堆积体坡面土壤侵蚀过程中，水流剪切力τ、径流功率W、径流动能F在不同程度上均可描述工程堆积体坡面侵蚀过程；但比较之下，W>τ>E，所以，径流功率是描述工程措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀过程的最佳水动力学参数。2种措施虽然在配置形式上存在差异，但在水动力学参数的描述上却具有同一性。表明工程堆积体坡面土壤侵蚀的内在机理，即水动力学特性径流功率是侵蚀产生的源动力。限于野外试验，工程措施的选择不够多，试验措施的配置模式比较单一，加上试验放水流量唯一，试验分析很难准确区分坡度对侵蚀的影响程度，加上产流后期坡面措施被径流冲毁，试验分析所得到的临界值呈现负值。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Hydrodynamic characteristics of soil erosion on deposit

slope under engineering measures

Niu Yaobin1,2, Gao Zhaoliang1,3, Liu Zizhuang4, Zhang Shaojia1,2

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi, China；

2.University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China；3.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University,

712100, Yangling, Shaanxi, China；4.College of Resource Environmental Sciences, Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China)

Abstract:Engineering deposit formed during the process of engineering construction has unique soil composition and complex underlying surface. This sort of deposit is characterized by weak anti-scourabilty due to loose texture, which may cause severe soil erosion. Hydrodynamic parameters and their relationships with runoff in steep engineering slope show different characteristics in response to hydrodynamic conditions. Most physically based soil erosion prediction models established so far are on the basis of hydraulic characteristics. A detailed study of the hydrodynamic characteristics is the precondition and foundation to understand erosion processes on engineering deposit. Study on the characteristics of hydrodynamic parameters of soil erosion on deposit slope under different engineering measures would be helpful to provide an optional theoretical reference for selection of suitable measures. Moreover, in order to explore the optimal hydrodynamic parameters for describing the process of soil erosion under different engineering measures (fish-scale pit and level terrace), a field scouring-erosion experiment was conducted on steep slopes under three slope gradients of 24°, 28° and 32°. Runoff kinetic energy, flow shear stress and runoff power were selected as main parameters to analyze the hydraulic process of rill flow stripping surface soil particles. Results showed that on slopes under measures of fish-scale pit and level terrace, soil erosion amount was reduced because of higher soil anti-erodibility. Soil detachment rate showed a good linear relationship with both flow shear stress and stream power, while it had a logarithmic relationship with flow kinetic energy. The rill erodibility of engineering deposit under the condition of fish-scale pit was calculated to be 1×10-3s/m and 2.6×10-3s2/m2, and the rill erodibility of engineering deposit under the condition of level terrace was calculated to be 5×10-4s/m and 1.7×10-3s2/m2. Under the same slope of engineering deposit, protection of level terrace was better than that of fish-scale pit, but the effects of these two measures had limitation in time.

Keywords:engineering deposit; engineering measure; hydrodynamics; level terrace; fish-scale pit

通信作者†简介： 高照良(1969—)，男，博士，副研究员，博士生导师。主要研究方向：农业水土工程和荒漠化防治。E-mail：gzl@ms.iswc.ac.cn

作者简介：第一 牛耀彬(1990—)，男，硕士研究生。主要研究方向：工程建设区人为侵蚀过程。E-mail：15529021275@163.com

收稿日期：2015-04-29修回日期： 2015-11-02

中图分类号：TU41；S157.1

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0105-07