放水冲刷条件下紫色土细沟侵蚀特征

王爱娟，符素华，冯克义，朱小立

（1.水利部水土保持监测中心，100055，北京；2.北京师范大学地理学与遥感科学学院，100875，北京；3.北京市水利规划设计研究院，100048，北京）

放水冲刷条件下紫色土细沟侵蚀特征

王爱娟1，符素华2，冯克义3，朱小立2

（1.水利部水土保持监测中心，100055，北京；2.北京师范大学地理学与遥感科学学院，100875，北京；3.北京市水利规划设计研究院，100048，北京）

细沟侵蚀对于坡面侵蚀量的贡献很大。以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象，采用变坡限定性细沟径流土槽放水冲刷试验，研究不同流量、坡度和坡长情况下，紫色土细沟侵蚀特征。结果表明：相同坡度和流量情况下，清水流速大于浑水流速，坡度和流量影响流速的变化；不同流量情况下，5°坡面流速随坡长增大变化幅度很小，基本稳定。15°和23°坡面流速呈现随坡长增加而减小的趋势，并趋于稳定。在给定的坡度和流量条件下，产沙量随着坡长的增加而增加，但增加的幅度越来越小，且趋近一个稳定值。5°坡面含沙量稳定所需的坡长在5、15和25 L/min情况下，分别为7、5和5m。15°和23°坡面在5和15 L/min情况下，含沙量稳定所需的坡长分别为7和6m，25 L/min情况下坡长到试验坡长10m时，含沙量还没稳定，含沙量与坡长成对数函数关系。其研究结果为紫色土坡面侵蚀物理模型的建立提供参数支持。

紫色土；细沟；含沙量；流速；坡度

坡面作为泥沙的主要策源地，侵蚀形态主要包括细沟侵蚀和细沟间侵蚀［1］。细沟侵蚀是坡面侵蚀的重要组成部分，其发生主要受坡面径流的水力特征、坡度、坡长等坡面特征和土壤性质影响。总结发现，对于水力特征的研究主要集中于径流量、流速、水流剪切力、雷诺数和弗劳德数等指标［2-5］，土壤性质主要包括土壤有机质、团聚体质量分数、土壤密度、机械组成、抗剪强度和细沟土壤可蚀性等指标开展［6-7］。流速的测定对于研究土壤侵蚀能力和挟沙力非常重要。当断面面积一定时，流量增加，流速必然增大，但对于相同流量情况下，坡度的增大对于流速的影响，目前仍有争议。G.R.Foster［8］和A.D.Abrahams等［9］研究指出，在坡面上，流速随坡度增加而增加，但是增加的幅度受坡面状况影响而不一样。G.Rauws［10］研究得出，在粗糙的表面上，流速随坡度增加而增加，但流速增加的幅度较光滑表面的流速增加的幅度小。相同流量条件下，坡度越大，流速也有微小增加趋势。而也有研究发现，侵蚀细沟内的水流速度不随坡度的增大而增大，主要是因为水流速度在顺坡而下时，挟带泥沙和抵抗坡面摩擦阻力等并不随坡度的增大而增大，研究认为细沟内流速与流量相关，但是坡度对坡面径流平均流速的影响并不显著［7］。张科利［11］和丁文峰等［12］的研究结果表明，径流流速随径流侵蚀时间的延长和细沟发展过程的演变发生变化。G.Govers［13］研究认为，坡度大时侵蚀增加，土壤表面糙度相应增加，流速并不随坡度增加而增大。可见，坡面地表径流流速与坡面坡度间的定量关系目前仍无定论，是需要进一步研究的科学问题。细沟径流含沙量不仅受水力特征影响，同时也受坡面特征和土壤特征影响。雷廷武等［14］采用黄绵土研究指出，侵蚀产沙达到饱和所需要的坡长随着坡度的增加明显变短，不同坡度的坡面产沙量随着坡长增大而增加，坡长达到一定值时，含沙量趋于稳定。孔亚平等［15］和张晴雯等［16］采用室内模拟降雨试验的方法，研究黄土坡面的侵蚀产沙在不同坡长和雨强情况下的特征，结果表明，产沙量随坡长的增加而增加，陡坡条件下，径流含沙量在坡长6m时达到最大。由于细沟的发生发展有很大的随机性，细沟的宽度和深度随雨强及坡长的变化没有明显的规律性，本次研究采用限定性细沟的方法，研究紫色土细沟侵蚀特征，主要包括不同坡度、流量情况下，紫色土细沟流速和含沙量的变化情况，旨在为长江上游坡面侵蚀治理提供科学依据。

1 研究区概况

紫色土是长江中上游地区的典型侵蚀性土壤，主要分布在四川盆地。四川盆地（E104°，N30°）是我国四大盆地之一，海拔300～700 m，四周被海拔1 000～4 000 m的山地环抱，盆地底部包含平原、岭谷和丘陵地貌，属中亚热带湿润气候区，年降水量达1 000～1 200mm。受气候条件影响，该区域植被状况良好，侵蚀多发生在坡耕地或生产建设项目等人为水土流失情况下。试验土壤取自四川南充坡耕地紫色土。母岩为侏罗系遂宁组岩层，土壤黏粒、粉粒、砂粒的质量分数分别为30.85％、22.82％和46.33％，有机质质量分数为4.17 g/kg。

2 材料与方法

2.1 试验设置

由于坡面细沟宽度随侵蚀过程演变随机性较大，而含沙量、水流剪切力等随细沟宽度不断变化，为克服细沟宽度变化的影响，人为设置细沟宽度。试验土槽采用钢板制成，长12m，宽30 cm，深50 cm，用隔板将土槽隔成3个10 cm宽的细沟。为避免隔板边壁对侵蚀过程的影响，在隔板处填土略有凸起，并在隔板边壁粘贴供试土壤，尽可能接近试验土同样的糙度。水槽放置在可控制坡度的支架上。供水设备采用定水头装置，用阀门控制流量，将水放入水头恒定的水槽，通过水管均匀注水，水管出水口布设均匀小孔，并用纱布缠绕出水口，以保证水流均匀。

2.2 供试土壤与试验方法

从田间取回的土壤风干后，过5mm筛子备用。每次试验都重新填土，填土厚度为30 cm，密度控制为1.3 g/cm3。装好土后，试验前保持土壤充分饱和，放置24 h。试验时将土槽坡度调节至试验坡度。试验开始前，测定水温，调节流量阀门至设计流量。试验开始放水时计时，水槽出口有水流出时计时，接第1个土样，并记录采样时间，连续接3个土样后，停止放水，记录水流结束时间。试验过程中测定流速，试验结束后，采用测针法和量测法，间隔20 cm，测定细沟的形态、拍摄照片，测定土样的体积，用烘干法获取径流含沙量数据。

试验开始前，在细沟表面先放上同样宽度的粘有供试土壤的铁皮，使其糙度与细沟表面糙度尽可能相近，放水测定清水流速。试验过程中，采用高锰酸钾染色剂示踪法，测定浑水流速。2 m以上的坡长时，只测定距出口2m的流速；2m以下的坡长试验时，测定实际坡长的浑水流速，考虑到染色剂法测得的是径流表面流速，观测的流速数据乘以0.7，作为整个断面的径流流速［16］。

根据四川南充气象站1961—2000年的次降雨资料，分析得到不同重现期下雨量产生的单宽流量，结合已有的研究，试验流量拟定为5、15和25 L/ min，试验坡度根据坡耕地坡度特征，结合试验条件拟定为5°、15°和23°，坡长设为0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9和10m等11个级别。每场试验完成后，将土槽中剩余土壤挖出，重新填入筛好的土，控制容重和填土表面的平整度。所有试验重复3次，共完成试验297次。

3 结果分析

3.1 流速与坡度和流量的关系

不同坡度和流量条件下坡面流速见表1。10 m坡长的紫色土细沟内，清水和浑水平均流速，是随着流量的增加而增加，而清水流速的大小和增大的幅度都大于相应坡度和流量的浑水流速；在相同坡度和流量情况下，清水流速大于浑水流速，说明产沙前，径流不因剥蚀和携带泥沙而消耗动能；给定流量情况下，浑水流速随坡度的增大呈现不同的规律，流量为5和15 L/min时，浑水流速不随坡度的增大而增大；25 L/min时，15°和23°坡面浑水流速较5°坡面大。

表1 不同流量和坡度情况下的坡面流速Tab.1 Flow velocity under different runoff and slope gradients

3.2 流速与坡长的关系

从图1可知，不同流量情况下，5°坡面流速变化幅度很小，基本稳定，15°和23°坡面流速呈现随坡长增加而减小的趋势，并趋于稳定。5°坡面，坡度较缓，当流量较小时，因初始动能和重力的作用，水流顺坡而下，紫色土黏性较大，侵蚀产沙量相对较小，整个坡面土壤糙率一致，流速变化的幅度不大。15°和23°坡面上，水流在顺坡而下的过程中含沙量增加，随着坡长增加，径流输送泥沙所需的能量增大，水流动能减小，流速随坡长增加呈现下降趋势。流速受径流深、流量等影响，在给定出口流量的情况下，径流受动能和重力作用顺坡而下，坡顶入口处，径流能量用于剥蚀土壤，造成坡面糙率增加，在水流过程中受到摩擦阻力以及挟带泥沙消耗其能量，使得动能减小，流速下降。

3.3 含沙量与坡长的关系

图2示出径流含沙量随坡长的变化趋势。在不同坡度、不同流量情况下，侵蚀产沙量随坡长的变化呈现相似的趋势，即在给定的坡度和流量条件下，产沙量随着坡长的增加而增加，但增加的幅度越来越小，且趋近一个稳定值。5°坡面表现为随着流量增大，含沙量稳定需要的坡长变短，含沙量稳定所需的坡长在5 L/min情况下为7m，0.9和15 L/min情况下为5m。15°和23°坡面在5和15 L/min情况下，含沙量稳定的坡长分别为7和6 m；25 L/min情况下，坡长到试验坡长10m时，含沙量还没稳定。

图1 不同坡度情况下流速与坡长关系Fig.1 Relationship between flow velocity and slope length under different slope gradients

图2 不同流量情况下含沙量随坡长的变化Fig.2 Changes of sediment load according to slope length under different runoff discharges

由图2还可以看出：在一定坡度和流量下，含沙量随着坡长的变化趋势表现为先是随着坡长的增加而增加，但增加的速率越来越小，且趋近一个稳定值。坡度和流量都会造成侵蚀产沙量的变化。在含沙量达到稳定之前，同一坡度下，流量不同，含沙量也不同，含沙量随流量的增加而增加，只是这种增加没有随坡度的变化那么明显。即不同坡度条件下，均表现出随着流量增大，含沙量增大的趋势。5°情况下的含沙量较15°和23°小4～5倍，而15°和23°情况下，含沙量变化不大，坡度对于含沙量的变化影响较流量要大。此外，还可以看到：在5°情况下，含沙量达到饱和需要的坡长是随着流量的增加有变短的趋势；而陡坡情况下，含沙量达到饱和需要的坡长受流量的影响不大；极限坡长不随流量的增加而变短。回归分析含沙量与坡长的关系，得到如下关系式：

回归系数值见表2，相关系数R2均值为0.88。回归关系表明在恒定的坡度、流量情况下，水流含沙量在到达一定的坡长时，均不再增加，而是趋于稳定。

4 结论与讨论

在给定坡度条件下，紫色土细沟清水流速的大小和增大的幅度都大于相应坡度和流量的浑水流速。相同坡度和流量情况下，清水流速大于浑水流速。坡度和流量越大，坡面流速越大，这与G.R.Foster［8］的研究结果一致，流速随坡度增加而增加。不同流量情况下，5°坡面流速变化幅度很小，基本稳定。本次研究还得出，15°和23°坡面的流速随坡长增加而减小的趋势。

表2 含沙量与坡长的回归系数值Tab.2 Regression coefficients of sediment land and slope length

在给定的坡度和流量条件下，含沙量随着坡长的增加而增加，但增加的幅度越来越小，且趋近一个稳定值。5°坡面表现为随着流量增大，含沙量稳定需要的坡长变短，在流量为5、15和25 L/min情况下含沙量稳定所需的坡长，分别为7、5和5 m。15°和23°坡面、5和15 L/min情况下为7和6m；25 L/ min情况下，在试验坡长达到10 m时，含沙量没有达到稳定，表明陡坡情况下，含沙量稳定所需的坡长不随流量的增加而变短。这与前人采用黄绵土研究得到坡度越大，含沙量趋于稳定的速度越快，坡度相同流量不同情况下，流量越大，含沙量趋于稳定的趋势也越快，与含沙量达到饱和所需要的坡长，是随着坡度的增加明显变短的结果［14］有所不同，其研究获得的极限坡长均大于紫色土情况下的坡长，这是由于土壤性质的巨大差异造成的。含沙量与坡长呈对数函数关系。张晴雯等［16］以黄绵土为研究对象，获得的研究结果显示，随着坡度和流量的增加，产沙量随着坡长逐渐增加并趋于稳定，与本研究的结果一致。在以往的研究中，发现紫色土坡面在剖面土壤达到饱和时会产生壤中流，当降雨强度或流量达到一定值时，小区土壤会发生整体滑塌，这与黄土细沟侵蚀研究的特征不一致［4，18- 19］，分析认为与紫色土黏性较大、土壤蓄水性强等特征不同，黄绵土因为土壤黏性较小，土层深厚，土壤蓄水能力和抗冲刷力较差，随着径流量增大，细沟下切侵蚀严重，但不会发生滑坡现象。研究结论将为紫色土侵蚀机理研究提供数据支持。

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Rill erosion characteristics of purple soil by flume flushing method

Wang Aijuan1，Fu Suhua2，Feng Keyi3，Zhu Xiaoli2

（1.Center of Soil and Water Conservation Monitoring，Ministry of Water Resources，100055，Beijing，China；2.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing，China；3.Beijing Water Conservancy Academy of Planning and Design，100048，Beijing，China）

［Background］The rill erosion is the main source of the total erosion amount，and it is the greatest contribution to the slope erosion.Rill flow velocity changes with the slope gradient changing.The sediment load changes not only by the impact of soil properties but also by the hydraulic characteristics and slope characteristics.At present，soil erosion study for purple soil was relatively shortened and the data that could be used is very little.［Methods］A series of flume experiments of restrictive rills were conducted to understand erosion characteristics of rills under the condition of different slope gradients and slope lengths.Quantitative study of the rill erosion is the basis for best understanding the slope erosion mechanism.The soil used was purple soil，a clay soil.The test sediment was air dried and sieved through a 5mm sieve.Three slope gradients：5°，15°，and 23°，aswell as three flow discharges：5 L/ min，15 L/min，and 25 L/min were adopted in the experiments.Flow discharge was controlled by a series of valves installed on a flow diversion box and measured directly by a calibrated flow meter.The elevation of the upper flume end was adjusted by a stepping motor，allowing adjustment of the bed gradient up to 45％.The rills were 10 cm wide.Rill length was0.5m，1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，and 10m respectively.［Results］The velocity of clean water in rill was larger than that of muddy water under the same slope gradient and runoff.Both slope gradient and runoff dischargeimpacted the flow velocity.Under different runoff discharge，the flow velocity of slope 5°had little variation and was stable.The flow velocity of 15°and 23°decreased with the slope length increasing，and the situation tended towards stability.Under a given slope gradient and runoff discharge，the sediment load increased as the slope length increasing，but the rate of increasing was getting smaller and smaller till it approached a stable value.On the slope gradient of 5°，the slope length value while sediment load reached stable became shorter along with the increase of flow discharge，and the values were 7m，5m，and 5m respectively at the flow discharge of5 L/min，15 L/min，and 25 L/min.On the slope gradient of 15°and 23°，the slope length values while sediment load became stable were 7m and 6 m under the flow discharge of5 L/min and 15 L/min.The sediment load did not become stable when the slope length was 10m that was the largest length of the experimentunder the flow discharge of25 L/min. The yield of sediment and slope length presented a relationship of logarithmic function.［Conclusions］The results are conducive to the comprehensive understanding rill erosion of purple soil and provide basic data for physical erosion model's establishment.

purple soil；rill；sediment load；flow velocity；slope gradient

TV133；TV135.2

A

1672-3007（2016）05-0023-06

10.16843/j.sswc.2016.05.004

2016- 02- 18

2016- 03- 07

项目名称：国家青年科学基金“紫色土细沟侵蚀研究”（41101260）

王爱娟（1981—），女，博士，高工。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：wang-ai-juan@163.com