黄土坡面水蚀因子对坡面侵蚀量的影响研究

赵海滨

黄土坡面水蚀因子对坡面侵蚀量的影响研究

赵海滨1，2

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003；
2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475003）

以黄土坡面为研究对象，建立土壤侵蚀评价和预报模型，通过室内径流冲刷模拟试验，研究了坡面径流水深及流速的变化规律，分析了坡面径流水动力要素对坡面侵蚀量的影响。结果表明：在土壤侵蚀过程中，坡面径流水深和流速的变化极为复杂，具有时空分布多样性特点，但总体上随径流冲刷流量的增加而增大。通过分析坡面侵蚀量与水蚀因子的关系，建立了坡面侵蚀模型多元回归方程。

黄土坡面；坡面径流；坡面侵蚀；径流冲刷；回归方程

0 引言

我国黄土高原地区是世界上水土流失最为严重的地区之一，水土流失面积达总面积的70.9%。其中，侵蚀模数大于8 000 t／（km2·a）的极强度水蚀面积达8.5万km2。土壤侵蚀所造成的环境问题已经成为制约当地经济社会发展的关键因素。为改善人类生存环境，建设和谐社会，防止土壤侵蚀，控制水土流失已是当务之急。

坡面是侵蚀发生的基本单元，坡面径流是坡面侵蚀发育的主要动力。近年来，国内外许多学者对于坡面水蚀动力过程进行了大量研究，并取得了大量的研究成果。如，李占斌、李鹏、雷廷武、Gover等就坡面径流侵蚀产沙动力及泥沙输移特征开展了试验研究［1～4］；郑良勇、李占斌等就黄土区陡坡径流水动力学特性开展了试验研究［5］；丁文峰［6］等研究了黄土坡面细沟侵蚀发生的临界条件；申震洲、姚文艺等对不同条件下径流冲刷能耗关系进行研究［7～8］。

土壤坡面侵蚀过程取决于引起侵蚀的径流侵蚀力与土壤抵抗侵蚀能力的相互作用。因为在坡面下垫面组成不变的条件下，坡面径流水动力作用越强，坡面侵蚀越剧烈。所以，针对坡面水蚀的动力学因子与土壤侵蚀量之间关系的研究，对土壤侵蚀预报与水土保持具有十分重要的意义。黄土高原的平坦耕地不到总面积的1／10，绝大部分耕地分布在10°～ 35°的斜坡上。本研究以黄土坡面为研究对象，通过室内径流冲刷模拟试验，在水动力学及泥沙运动理论的基础上，分析坡面流水动力因子与坡面侵蚀量之间关系，为建立合理坡面侵蚀产沙模型提供理论支撑。

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

本径流冲刷试验在黄河水利科学研究院 “模型黄河”试验基地进行。试验装置由可变坡土槽和供水系统组成（如图1所示）。试验土槽长5m、宽3m、深0.6m，底部为厚5mm的钢板。试验时，用PVC隔板将土槽分成3个大小相同的试验小区（长5m、宽1 m）。然后，在同样边界条件下，进行3次重复试验。土槽坡度用液压千斤顶调节，可调节坡度的范围为5°～45°。试验采用循环供水系统，用水泵从蓄水池内抽水至槽上方的恒压水箱，多余的水通过回流管道回到蓄水池内。恒压水箱流量可通过阀门控制，调节范围为0～15 L／min。

1.2 试验方案

本试验对不同坡度 （10°、20°、30°）和流量（1.0 L／min、2.0 L／min、3.0 L／min、4.0 L／min、5.0 L／min、7.5 L／min、10 L／min）进行组合，分析坡面径流水动力因子与坡面侵蚀量之间的关系。试验用土为郑州邙山附近表层黄土，其颗粒组成如表1所示，土壤干容重控制在1.2～1.3 g／cm3。开始放水时，记录下产流的时刻，并在试验小区出口处用水桶接样，每2min换一次桶，持续时间约为30～40min。沿水槽纵向将小区坡面分为5个断面，每部分面积为1m×1m，用颜料示踪法测相临两断面间流速，每2min沿坡面从上到下测2～3次。同时，用钢尺测量各断面水流宽度和水深。每种工况重复做3次。分析试验数据时，选取其中比较接近的2场试验的平均值。

图1 试验装置示意图Fig.1 Testing apparatus

2 理论分析

引起坡面水蚀的侵蚀动力主要是坡面径流。当坡面开始产生径流时，坡面径流是一种薄层水流。在薄层水流顺着坡面向下流动的过程中，由于坡面下垫面不均匀，逐渐汇集，水深和流速逐渐增大，侵蚀力也增强。当坡面径流的侵蚀能力超过土壤的抗侵蚀能力时，坡面上便会出现小的侵蚀穴，一般称之为跌坎。跌坎的出现标志着坡面侵蚀逐渐向剧烈方向转化。坡面出现跌坎后，跌坎处的水流流态会发生变化，产生明显的侵蚀现象，使跌坎逐渐延长和加深。最后，各个跌坎逐渐贯通，形成细沟。细沟产生后，坡面的侵蚀显著加强，并且细沟不断发生溯源侵蚀、下切侵蚀和侧蚀。细沟逐渐加深加大，侵蚀量也大大增加。整个坡面的侵蚀过程其实就是上述各过程的综合反映。

坡面侵蚀产生的根本原因在于径流具有能量。因此，坡面侵蚀过程实质上是一个能量不断消耗的过程。当液体处于运动状态时，除了垂直于其表面的压力外，还有沿接触面方向的剪切力。水土界面的径流剪切力是分离土壤的主要动力，它会破坏土壤结构，分散土粒，将土壤卷入水流中并携带出坡面。通过分析发现，坡面上的土粒之间具有黏聚力，径流要分离挟带土粒，必须要克服土粒之间的相互作用力。径流恰好克服土粒间作用力时的剪切力称之为临界剪切力。径流的分离能力大于临界剪切力部分的水流切应力称之为有效剪切力。目前，许多学者的研究认为，坡面径流对土粒的分离能力和输移能力均与径流的有效剪切力成正比。

坡面径流的运动过程是一种复杂的三维非均匀变量流。在实际研究中，为了方便，常将其简化认为是一维均匀流。于是，径流的剪切力的物理表达式可表示为式（1）。同时，坡面径流对土壤侵蚀是一个做功消耗能量的过程，所以坡面单位面积上水流功率的表达式为式（2）。

坡面径流切应力及坡面单位面积水流功率越大，坡面流对坡面的侵蚀作用越强。通过公式（1）和（2）可以发现，坡面侵蚀过程中，径流侵蚀能力的大小与坡面径流的平均水深、坡面流速及水面比降等因素有关。因为假设坡面径流为一维均匀流，所以水面比降近似等于坡面坡度。于是，可以通过分析坡面径流水深、流速和坡面坡度等因素变化，研究其与坡面侵蚀量大小关系。

3 试验结果与分析

3.1 坡面径流水深、流速随径流冲刷流量的变化特征

坡面径流的侵蚀及输沙力学机理取决于坡面流的水力学特性。坡面流水动力特性的研究是坡面输沙能力研究的前提和基础。对于室内径流冲刷模型，由于采用概化模型（下垫面条件一致条件下），能够反映坡面水动力因子随径流冲刷量变化的主要因素是坡面径流水深和流速。坡面径流不同于一般明渠水流，它的流速较快，水深较浅，且随着侵蚀过程的进行，坡面侵蚀形态的改变，水流边界条件复杂多变。因此，坡面径流水动力因子伴随侵蚀过程的发生与演化在时空变化一般也较大，具有许多独特的特性。目前，试验中多通过研究其平均值变化发现其变化规律。

通过试验数据分析发现，在不同的坡度情况下，整个坡面、整个试验过程的平均水深和坡面平均流速随着径流冲刷量的增大而增大，如图2和图3所示。

表1 试验土样各级粒径比例组成Table 1 Various grain size ratio of test soil sam ples

图2 坡面流平均水深与流量之间的关系Fig.2 Relations between slope runoff average water depth and flow amount

图3 坡面平均流速与流量之间的关系Fig.3 Relations between slope runoff average flow rate and amount

在试验过程中发现，总体上，坡面径流的流速和径流总量大小成正比例，仅在部分小流量情况下，由于侵蚀形态的变化使得坡面径流阻力增加，径流流速降低。另外，径流冲刷初期，水流以薄层漫流的方式沿坡面向下流动，此时，土槽坡面比较平整，坡面尚无跌坎形成，水流阻力较小，水流流速主要受坡面微地形和流量大小的影响，水流在重力和坡面阻力的作用下沿坡面加速流动，坡面流为分散薄层状浅流，侵蚀方式则以面蚀为主。但是，随着侵蚀过程的不断发育，坡面会接连出现不连续的跌坎，坡面漫流以股流的形式向下流动，即细沟侵蚀发生，侵蚀形态由前期的面蚀发展成为细沟侵蚀。在此过程中，坡面径流水深也发生相应波动变化，但总体随径流冲刷量的增大而增大。

3.2 坡面径流侵蚀量与水动因子相关分析

目前，较多的国内外学者对坡面侵蚀的动力研究是，利用剪切力、水流功率等水动力指标来对侵蚀过程进行描述。坡面的侵蚀产沙过程包含了分离土壤、泥沙输移和泥沙沉积3个子过程。其中，坡面土壤分离是指，当径流作用于土壤颗粒上的力大于土壤颗粒间的阻力时，土壤颗粒离开原来位置的过程。泥沙输移是指，被分离的土壤颗粒被径流带走的过程。当上游的来沙量和径流的泥沙含量大于径流的输移能力时，就会发生泥沙沉积现象。这3个过程是相互影响、相互制约、相互联系的。侵蚀过程中，水动力指标与坡面侵蚀量之间具有很好的相关性。通过分析发现，径流水深、坡面流速、坡面比降是组成其他水动力侵蚀指标的基础。因此，可以构造出一个更一般的水流侵蚀强度函数，如公式（3）所示。

那么，坡面径流侵蚀量可以表示为式（4）。

如果假定式（3）和式（4）的函数关系可以用幂指函数表示，那么坡面径流侵蚀量与水流强度之间的关系式可以表示为

式中：Gs为径流输沙率，kg／min；h为径流深，mm；v为流速，m／s；J为能坡，取tanα，α为坡角；a1、a2、a3、a4均为方程回归系数。

用试验数据对式（5）进行回归分析得：a1＝6.61、a2＝0.963、a3＝1.745、a4＝0.879，相关系数R＝0.8928。另外发现，当流速的幂指数大于其他两个参数时，说明坡面径流流速对坡面侵蚀量的影响大于径流深度和坡面坡度。

4 结语

（1）通过坡面径流冲刷试验，分析坡面径流水深及径流流速的变化规律。试验结果表明，受坡面侵蚀形态变化的影响，坡面径流流速和水深变化极为复杂。总体上，其统计平均值均随径流冲刷流量的增加而增加。

（2）利用多元统计回归分析法建立坡面径流侵蚀量与水蚀动力因子之间的回归方程，该方程具有较好的相关性。同时发现，试验条件下，坡面径流流速对坡面侵蚀量的影响大于径流深度和坡面坡度。

［1］李占斌，鲁克新.黄土坡面土壤侵蚀动力过程试验研究［J］.水土保持学报，2002，16（2）：5-8.

［2］李鹏，李占斌，郑良勇.黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究［J］.水科学进展，2006（7）：444-449.

［3］雷廷武，张晴雯.细沟侵蚀动力过程输沙能力试验研究［J］.土壤学报，2007，39（4）：446-482.

［4］Govers G.Evaluation of transport capacity formula for overland flow ［J］.in Parsons，J.and Abrahams，A.D.（eds），Overland Flow，1992，189：243-274.

［5］郑良勇，李占斌，李鹏.黄土区陡坡径流水动力学特性试验研究［J］.水利学报，2004（5）：46-51.

［6］丁文峰，李占斌，等.黄土坡面细沟侵蚀发生的临界条件［J］.山地学报，2001（6）：551-555.

［7］申震洲，姚文艺，李勉，等.黄土坡面径流能耗与土壤剥蚀率影响因子［J］.中国水土保持科学，2009，7（6）：9-13.

［8］申震洲，姚文艺，李勉，等.不同下垫面对坡面侵蚀特征的影响［J］.水土保持研究，2010，17（1）：6-9.

[责任编辑 杨明庆]

Research on Influences of Loess Slope W ater Erosion Factors to Erosion Amount

ZHAO Hai-bin1,2
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Henan Higher Education Engineering Research Center of Water Conservancy for Small Watershed, Kaifeng 475004,Henan,China)

It takes loess slope as research object,establishes soil erosion assessment and prediction model, through indoor runoff scour simulation test,studies the change rule of water depth and velocity of slope runoff,and also analyzes the slope runoff hydrodynamic factor’s influence on the slope surface erosion amount.The research result shows that:In the process of soil erosion,with a diversity of time and space distribution characteristics,the change of water depth and velocity of slope runoff is extremely complex. But on the whole,it increases with the increase of runoff scouring flow.Through the analysis of slope surface erosion amount and water erosion of slope factor correlation,multiple regression equation of slope erosion model is established.

Loess slope;slope runoff;slope erosion;runoff erosion;regression equation

TV121

A

1008-486X（2015）02-0020-04

2014-12-01

黄河水利职业技术学院科研基金项目：黄土坡面侵蚀过程对坡面径流水动力因子的响应研究（2012KXJS004）。

赵海滨（1983-），男，河南郑州人，硕士，讲师，主要从事水利工程教学与研究工作。