海涂盐碱地工程边坡土壤抗冲刷性能试验研究

陈倩，佘冬立，1b*，章二子，许文涛

（1. 河海大学，a. 南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室；b. 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098；2. 江苏省江宁区水利局，江苏 南京 210098）

海涂盐碱地工程边坡土壤抗冲刷性能试验研究

陈倩1a，佘冬立1a，1b*，章二子2，许文涛1a

（1. 河海大学，a. 南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室；b. 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098；2. 江苏省江宁区水利局，江苏 南京 210098）

本文对6个不同坡度和6个不同流量条件下的海涂盐碱土坡面进行上方来水径流冲刷试验，对试验中得到的盐土坡面冲刷侵蚀产沙率和几个典型的径流水动力学参数与坡度、流量的相关关系以及产沙率与各参数之间的相关关系进行分析，研究其抗冲刷性能。结果表明，产沙率Rs分别与坡度呈良好的线性正相关关系，与流量呈良好的对数关系。雷诺数Re与流量呈线性正相关而与坡度无显著相关关系。坡面水流剪切力τ和水流功率ω与流量和坡度均呈线性正相关关系。剪切力τ、水流功率ω与产沙率对数相关，都可以很好的预测不同坡度和流量条件下的产沙率。对比相关系数，水流功率ω能更精确预测产沙率Rs。该研究结果可为海涂围垦区盐碱土地工程边坡的土壤侵蚀预报模型的建立研究提供科学依据。

坡度；流量；冲刷试验；土壤抗冲性；产沙率；水动力学参数；盐碱地

陈倩， 佘冬立， 章二子， 许文涛. 海涂盐碱地工程边坡土壤抗冲刷性能试验研究［J］. 农业现代化研究， 2016， 37（5）: 964-971. Chen Q， She D L， Zhang E Z， Xu W T. Experimental study on soil anti-scourability of the engineering slope of tidal marsh salinealkali land［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 964-971.

土壤抗冲性是指土壤抵抗外营力机械破坏作用的能力，是工程边坡重要的土力学参数之一。目前，相关学者对土壤抗冲性开展了大量研究。李强等［1］以黄土丘陵区自然撂荒地为研究对象，应用时空互代法，通过原状土冲刷试验对不同撂荒阶段的坡地土壤抗冲性进行了研究，从土壤抗侵蚀性的角度为退耕还林工程的生态功能评价提供理论依据；杨文元等［2］以年径流小区观察资料为依据，分析了不同生态利用条件下，径流诸因素与相对应的泥沙冲刷量的关系；王丹丹等［3］采用野外实地放水冲刷法，对不同林龄油松林地的土壤抗冲性进行研究，分析坡度、林龄、枯落物、生物多样性指数对土壤抗冲性的影响，为黄土高原土壤侵蚀模型的建立提供科学依据；杨玉梅等［4］采用原状土冲刷槽法，研究了不同土地利用方式下土壤抗冲性动态变化特征及其影响因素，进一步完善了我国土壤抗冲性宏观分布状况的基础资料。这些研究表明，影响土壤抗冲性的因素很多，且其中一些因素之间又彼此相关，因此，土壤抗冲性受不同因素影响是个复杂的问题，仍需进一步研究。另外，前人对坡面土壤抗冲性的研究多集中在西北黄土、紫色丘陵区土和西南黄壤，对于沿海滩涂垦区，土壤砂性强，结构性差，盐分高，有机质含量少，植被难以生长，土壤侵蚀问题十分突出［5］，特别是水利工程建设过程中形成的裸露土边坡受降雨和径流影响，冲刷严重，导致工程使用寿命降低［6］。有研究发现，新垦区灌排工程边坡冲刷侵蚀导致土质沟渠每年淤积厚度高达0.8 m以上［6］。根据围垦区盐土工程边坡土壤抗冲性，提出适宜的改土固坡防护措施，是滩涂围垦开发利用必须要解决的重要问题。然而针对沿海围垦区高钠盐粉砂土工程边坡抗冲性能的研究资料较少，特别是土壤抗冲刷的水流动力学机制尚不明确。因此，本文主要研究上方来水冲刷下海涂盐碱地工程边坡土壤的产沙率变化，探究产沙率与坡度和流量的关系，探索采用水动力学参数直接表征产沙率的经验公式，以期为高钠盐粉砂土抗冲性能研究和侵蚀预报模型的建立提供科学依据。

1　试验设计与数据处理

1.1研究区概况

试验土壤采自江苏省如东县东凌农场（32°12′-32°36′N，120°42′-121°22′E），濒临黄海，海拔高度3.5-4.5 m。东凌农场于2007年围垦，围垦区未种植作物，大部分地表裸露。试验区属亚热带季风气候，年降雨量1 026 mm，降雨主要集中在5-9月（约占全年降雨量的68%）；日平均气温14.8 ℃，年蒸发量为1 343.5 mm。试验区土壤为粉砂土，土壤黏粒（〈0.002 mm）、粉砂粒（0.002-0.05 mm）、砂粒（0.05-0.25 mm）含量依次为8.5%、52.9%、38.6%；有机质含量为3.26 g/kg；土壤交换性Na+含量为1.60 g/kg；ESP为68.9；1∶5土水混合液电导率为5.98 ms/cm。试验前供试土壤经自然风干，去除杂草、石块等杂质后过2 mm筛备用。

1.2试验设计

试验于2013年12月-2014年5月在河海大学节水园区进行。试验装置由水槽、土槽、上方来水系统三部分组成（图1）。试验水槽长300 cm、宽30 cm，可在0°-45°范围调节坡度，水槽长度可使水流达到稳定状态。试验土槽长30 cm、宽20 cm、深10 cm，底部钻孔以保证试验坡面自由排水。上方来水系统采用水泵抽水、阀门调节控制流量。试验采用上方来水冲刷法进行，试验流量选取160 L/h、200 L/h、300 L/h、400 L/h、600 L/h、800 L/h六个流量，坡度采用5°、10°、15°、20°、30°、40°六个坡度，试验重复3次。

试验过程中，先将过筛后的土样分2层装入试验土槽，边填边压实，注意2层之间结合良好避免出现分层现象；填土完成后使试验土槽内土壤密度控制在1.40-1.45 g/cm3。装填完成后，用平尺将土刮平。为保证每次试验初始条件基本一致，试验开始前用喷壶在土样表面均匀洒水，水量控制在使土壤表面接近饱和但未形成径流。试验开始后，记录水温，待坡面水流平稳后，开始测量土槽坡面径流流速和水深。流速采用染色示踪法测定，其方法是利用摄像机拍摄实验过程，利用KMPlayer和Image-Pro Plus软件处理分析图像，得到染色水流通过固定坡面的路程和时间，计算径流流速。同时，每20 s在水槽出口接取一个泥沙水样，称量、摇匀、取样、烘干测定泥沙含量，计算产沙率Rs。各坡面冲刷过程历时6 min。

图1　土壤抗冲试验装置图Fig. 1　Schematic diagram of soil anti-scouribility experimental set-up

1.3数据处理方法

染色示踪法测定的流速为坡面优势流流速（Vm），实测流速乘以修正系数α作为径流流速（V）［6］。层流α取为0.67，过渡流为0.7，紊流为0.8［6］。即：

在测量流速的同时用钢尺测量水深。但由于坡面水流很薄且坡面水深沿坡面方向动态变化，很难用钢尺测定准确。假定坡面水流沿坡面均匀分布，径流平均水深可由下式计算［6］：

式中：h为坡面径流平均水深（m）；q为断面平均单宽流量（m2/s）；V为断面平均流速（m/s）。

雷诺数Re是判别水流流态的重要参数。雷诺数Re的物理意义可理解为惯性力和黏滞力之比，当雷诺数大于2 300，呈紊流状态；反之，呈层流状态［7］。Re的计算公式为［8］：

式中：R为水力半径（m），取R=h；v为运动黏度（10-6m2/s）；g为重力加速度。

水流剪切力τ（g/（cm·s2）是径流冲刷的动力，其计算公式为［9］：

式中：γ为水流容重（N/m3）；J为水流能坡，采用坡面比降近似代替，即J=tanθ，θ为水槽坡度（°）；ρ为水的密度（g/m3）。

国际上，对于几种主流的土壤侵蚀过程模型，在模拟径流冲刷引起的土壤分离过程时使用了不同的水动力学变量（水流剪切力τ、单位水流功率P、水流功率ω等）［10］。水流剪切力用于美国的WEEP模型，而水流功率 则用于澳大利亚的GUEST模型。水流功率定义为单位面积水体的水流功率，计算公式为［9］：

式中：ω为水流功率（g/s3）。

2　结果与分析

2.1产沙率与坡度、流量相关性分析

产沙率（Rs）可直观地表征边坡抗冲刷性能［11］。图2表明，产沙率与坡度呈良好的线性正相关关系（R2=0.99），与流量呈显著对数关系（R2=0.99）。产沙率随坡度和流量增大而增大，这一结果很好的反映了较大坡度和较大流量条件下盐土坡面更容易被侵蚀的实际问题。

图2　土槽坡面产沙率变化Fig. 2　Changes of the unit sediment load in soil flume

为了能综合考虑坡度和流量变化对产沙率的影响，在图3a中将不同流量下的产沙率和坡度的关系同时绘出，在图3b中，将不同坡度下的产沙率和流量关系也同时绘出。从图3a可以看出，流量在160-400 L/h范围内产沙率（Rs）与坡度呈良好的线性正相关关系，但流量大于400 L/h时，产沙率随坡度增加而增大的速率逐渐减小，与坡度呈对数关系。同样，由图3b可以看出，在5°-20°的较小坡度范围内，产沙率与流量呈良好的线性正相关关系，在坡度大于20°后，产沙率与流量呈对数关系，其值随流量增大逐渐趋于一个稳定值。可以解释为在较小坡度条件下，水流冲刷的动能较小，产沙率大小主要受径流流量大小控制。坡度增大以后，水流冲刷的动能增大，径流侵蚀能力增强，即使在径流量较小时也能侵蚀搬运较多的土壤，此时产沙率随径流流量的增加变化不大，这与张科利和张竹梅［12］的研究结论相符。

以上分析表明，在影响产沙率的各因素中，坡度和流量有正向耦合效应。于是利用多元非线性回归分析获得产沙率与流量、坡度之间的关系：

式中：Rs为产沙率（g/（min·cm2）；Q为流量（L/h）；θ为坡度（°）。

将式（6）预测的不同坡度和不同流量下的产沙率与实测产沙率关系绘于图4，可以发现，当坡度在5°-10°时，预测产沙率与实测产沙率比较接近，但坡度大于15°时，预测值较实测值偏小。当流量为160 L/h、200 L/h时预测值接近实测值；而流量大于200 L/h时，预测值较实测值偏小。可见，在较小坡度和较小流量下本试验得到的预测产沙率的公式更为可靠。因此，针对盐土土壤侵蚀预测模型的建立，用坡度和流量直接表示产沙率，还需进行更深入的研究。

2.2水动力学参数与坡度、流量相关性分析

坡面特征和水动力学参数是影响径流侵蚀过程最主要的两个因素［6］。为深入探索不同坡度和流量下盐土坡面侵蚀规律，对水动力学参数与坡度和流量的相关性进行分析，以期为侵蚀过程和水动力学参数之间的联系提供依据。本文选取雷诺数Re、水流剪切力τ、水流功率ω三个典型的水动力学参数进行研究。

图5分析了上方来水冲刷试验中雷诺数Re与坡度、流量的相关关系。各种流量水流冲刷条件下，随坡度变化，坡面水流雷诺数Re均无明显变化，维持在一个相对稳定水平，表明雷诺数Re变化与坡度无显著相关。而图5b显示，不同坡度条件下，径流雷诺数Re随水流流量增大而显著增大，呈线性显著相关（平均R2〉0.99）。

图3　产沙率随坡度、流量的变化关系Fig. 3　Relationships between the unit sediment load and slope gradient， runoff discharge

图4　预测产沙率与实测产沙率关系Fig. 4　Predicted soil detachment rate vs. measured detachment rate

图5　雷诺数Re与坡度、流量相关关系Fig. 5　Correlations between Reynolds number and the slope gradient， runoff discharge

由水流剪切力τ、水流功率ω的水力学计算公式（4）、（5）可以发现，平均剪切力τ、水流功率ω都与J和h有关，而J=tanθ，h=q/v，故平均剪切力τ、水流功率ω都与流量和坡度有一定的相关关系。为验证水力学上存在的固有物理关系，在图6中点绘了水流剪切力、水流功率与坡度、流量的变化关系。坡面水流剪切力τ的变化范围在4.4-107.4 g/（cm·s2）之间，平均值为32.0 g/（cm·s2）。流量一定时，水流剪切力随坡度增大呈线性增大关系（平均R2=0.96）；当流量变大，水流剪切力随坡度增大而增大的速率变大，在图中表现为大流量下的趋势线斜率更大（图6a）。坡度一定时，水流剪切力随流量增大线性增大（平均R2=0.97），且坡度的增大使线性增大的速率变大，表现为在高坡度条件下水流剪切力与流量的线性关系趋势线斜率更大（图6b）。由图6c、6d可知，水流功率ω与坡度和流量的关系与水流剪切力τ与坡度和流量的关系类似。水流功率ω与坡度呈显著正线性相关关系（平均R2=0.99），且流量越大时，ω与坡度的正相关趋势线斜率越大；水流功率ω随流量增大线性增大（平均R2=0.99），且坡度变大时，水流功率ω随流量增大而增大的速率更大。

以上结果很好的验证了在盐土坡面上方来水径流冲刷试验中坡度和流量都是影响水流剪切力τ、水流功率ω的重要因素，且具有正向耦合效应，与它们固有的物理关系契合。

2.3产沙率Rs与水动力学参数相关性分析

以上研究表明，产沙率、水流剪切力，水流功率均与坡度和流量具有显著相关性。于是猜想产沙率Rs与水动力学参数之间也有一定的相关性。为验证猜想，图7点绘了产沙率Rs与水流剪切力τ及水流功率ω之间的相关关系，以期找到用水动力学参数表征产沙率Rs的经验关系，给预测盐土坡面侵蚀状况提供水动力学依据。从图中可知，产沙率与水流剪切力、水流功率都呈良好的对数关系，所以水流剪切力τ（R2=0.82）、水流功率ω（R2=0.86）均可很好地预测不同坡度和流量条件下产沙率Rs的相应数值［13］。对比相关系数，我们发现水流功率ω的可靠性更高，这个结论与Guo等［8］的研究结论相符。水流功率理论最初更多应用于明渠水流，后经Moor和Burch［14］的实验研究证明，可以直接用来描述坡面侵蚀过程，众多实验结果也对此理论［15-17］的应用提供了依据。因此，对于研究区高钠盐粉砂土，水流功率ω可以很好的表征土壤侵蚀状况，得到的经验公式为Rs=0.59ln（ω）-3.15，R2=0.86。然而在沿海盐碱土边坡冲刷试验中，二者表现出较强的对数关系，与Guo等［8］和管新建等［18］的试验得出的产沙率与水流功率呈线性正相关关系有出入，但大体变化趋势相同，差异原因可能在于沿海盐碱土理化性质的特殊性。

3　结论

1）平均产沙率Rs分别与坡度呈良好的线性正相关关系（R2=0.99），与流量呈良好的对数关系（R2=0.99）。坡度和流量对产沙率Rs有正向耦合效应，得出产沙率与坡度和流量的回归方程：

2）雷诺数Re与流量呈线性正相关而与坡度无显著相关；坡面水流剪切力τ和水流功率ω与流量和坡度均呈线性正相关关系。

3）水流功率ω（R2=0.86）可以很好的预测研究区高钠盐粉砂土坡面在上方来水冲刷条件下的产沙率Rs，得到经验公式Rs= 0.59ln（ω） - 3.15，R2= 0.86。

4　讨论

图6　水流剪切力、水流功率与坡度、流量相关关系Fig. 6　Correlations between flow hydraulic shear stress/ stream power and the slope gradient， runoff discharge

1）论文在获得产沙率与坡度/流量的回归方程（Rs=0.001Q0.577θ1.002，R2=0.92）后发现，预测值与实测值的相关性良好，且在较小坡度和较小流量条件下公式的可靠性更高，原因可能是因为流量和坡度两个因子对侵蚀产沙率的贡献率存在对比消长关系，流量和坡度都较小时，坡度对侵蚀过程起主导作用；当流量较大或者达到临界坡度以后，则流量对侵蚀过程起主导作用，而从回归方程的形式上看与流量和坡度都较小时的情况更为吻合。这与耿晓东等［19］的研究结论一致。

图7　产沙率Rs与剪切力τ、水流功率ω相关关系Fig. 7　Correlations between the flow hydraulic shear stress and stream power

2）用水动力学参数表征产沙率时，水流剪切力τ和水流功率ω较雷诺数Re更能综合考虑坡度和流量的影响，具有更广泛的水动力学特性，在谭贞学等［20］的研究中也将水流功率ω作为描述产沙率的水动力学参数的依据之一。

3）由所得的预测产沙率的经验公式Rs=0.59ln（ω）-3.15，R2=0.86，可得土壤侵蚀的临界水流功率为ω=27.54 g/s3，当水流功率大于土壤侵蚀的临界水流功率后，侵蚀才开始发生，该结论可以为海涂盐碱地工程边坡侵蚀预报理论提供依据。然而水流功率理论在土壤抗冲性研究中的实践应用较少，对于不同土壤类型尚缺乏系统研究，其在土壤抗冲性研究中的实践和应用尚需进一步的探究。

4）本试验重点研究了海涂盐碱地坡面土壤侵蚀过程，建立了试验条件下的坡面土壤侵蚀公式，丰富了海涂盐碱地坡面土壤抗冲性的研究。但除了试验所考虑的坡度、流量、水动力学参数等影响因子外，坡面下垫面土壤的理化性质、植被覆盖类型及程度等也是影响坡面土壤抗冲性的重要因素，在接下来的研究中需进行进一步探索，完善预测产沙率的公式使之具有更强的适用性，为海涂盐碱地抗冲性的研究提供依据。

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（责任编辑：王育花）

Experimental study on soil anti-scourability of the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land

CHEN Qian1a， SHE Dong-li1a，1b， ZHANG Er-zi2， XU Wen-tao1a
（1. Hohai University， a. Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China， Ministry of Education， b. National Engineering Research Centre of Water Resource Efficient Utilization and Engineering Safety， Nanjing， Jiangsu 210098， China； 2. Jiangning Water Resources Bureau of Jiangsu Province，Nanjing， Jiangsu 210098， China）

The objective of this study was to identify the soil anti-scourability in the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land. For this purpose， the relationships between unit sediment load （Rs） of silt soil slopes， its hydraulic characteristics， slope gradient， and runoff discharges were analyzed through the runoff scouring experiments under six different slope gradients and six different runoff discharges. The results showed that the Rspresented a positive liner relationship with slope gradient and increased logarithmically with runoff discharges. Reynolds number （Re） had a positive liner relationship with the runoff discharge but did not have any obvious relationships with slope gradient. The stream average shear force （τ） and the stream power （ω） had positive liner relationships with the runoff discharge and slope gradient. The Rsincreased logarithmically with the stream average shear force （τ） and the stream power （ω）. The ω and τ were all good hydraulic indicators for the unit area sediment load under different slope gradients and runoff discharges. It was clearly indicated by the related coefficient that the stream power （ω） was the best for predicting Rsin runoff scouring experiments. The above results will provide scientific basis for the research progress in the model development of soil erosion in the engineering slope of tidal marsh saline-alkali land.

slope gradient； runoff discharge； runoff scouring experiments； soil anti-scourability； unit sediment load；hydraulic characteristic； saline-alkali land

National Natural Science Foundation of China （51679062， 41471180）； Land and Resources Science and Technology Project of Jiangsu Province （KJXM2016003）.

SHE Dong-li， E-mail: shedongli@hhu.edu.cn.

21 March， 2016；Accepted 22 June， 2016

S157.1

A

1000-0275（2016）05-0964-08

10.13872/j.1000-0275.2016.0090

国家自然科学基金项目（51679062，41471180）；江苏省国土资源科技项目（KJXM2016003）。

陈倩（1993-），女，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事农田水土过程与侵蚀控制研究，E-mail：1934214192@qq.com；通信作者：佘冬立（1980-），男，湖南望城人，博士，教授，博士生导师，主要从事农田水土过程与侵蚀控制研究，E-mail：shedongli@hhu.edu.cn。

2016-03-21，接受日期：2016-06-22