黄土坡面侵蚀过程与侵蚀-沉积空间分布特征

徐振剑，权 鑫，史红伟，和继军*，蔡强国，孙莉英

(1 首都师范大学 城市环境过程和数字模拟国家重点试验室培育基地，北京资源环境与GIS重点试验室， 北京 100048；2 水利部建设管理与质量安全中心，水利工程管理处，北京 100038；3 中国科学院 地理科学与资源研究所，中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100101)

土壤侵蚀是导致坡耕地耕层土壤质量退化和土壤生产力不稳定的关键因素[1]，其作为严重的环境问题已经阻碍了中国社会经济的可持续发展。水力侵蚀作为土壤侵蚀的一种，已被广大学者深入研究探讨，取得了丰硕的成果[2-3]。影响土壤水蚀的因素众多，降雨是土壤水蚀的主要动力，作为地形因子之一的坡度也与坡面侵蚀有着密切的关系，坡度会影响径流入渗以及土壤稳定性等。在同样的降雨条件下，坡度不同形成的坡面流也有很大的不同[4]，使得坡面侵蚀的空间分布产生差异，如阎百兴等[5]、王禹[6]的研究显示黑土坡面的坡顶侵蚀状况较轻，坡中较重，而坡底会发生泥沙沉积；王占礼等[7]的研究表明黄土区耕作侵蚀强度的空间大小取决于坡度及地形曲率的变化；谭贞学等[8]研究发现坡面上坡和下坡的侵蚀模数随雨强和坡度变化具有明显的差异。以上研究结果表明，坡面侵蚀的空间分布存在差异，但对于坡面侵蚀空间分布特征与降雨和地形变化的关系仍需做进一步研究。

坡面侵蚀强度的空间分布特征一直是土壤侵蚀领域研究的热点和难点。土壤侵蚀过程包括土壤分离、泥沙输移和沉积3个子过程，3个子过程间存在相互依存关系，且往往同时发生，难以区分。与土壤分离过程相比，泥沙输移和泥沙沉积两个过程更难监测与分离，因此泥沙输移与沉积的研究成果还很薄弱[9]。坡面侵蚀与沉积的空间分布特征可以为理解泥沙输移与沉积间依存关系提供最基础的数据支撑，且具有很好的指示作用。一直以来，学者们不断探索和改进能够定量确定坡面侵蚀与沉积空间分布的方法和技术，如测针法、核示踪法、磁示踪法、模型法等，但这些方法或费时费力、精度较低，或操作流程复杂、周期较长、花费高、不适用于较大的空间尺度，使得这些技术在快速获取坡面土壤侵蚀信息方面均表现出很大的局限性[10-14]。

三维激光扫描技术在土壤侵蚀中的应用已成为近年来的研究热点，该技术出现于20世纪90年代中期，又称“实景复制技术”[15]。与传统的测量方法相比，它具有高精度、高密度和测量速度快等优点，可以在其有效射程内基于一定采样间距的采样点坐标，形成一个基于3D数据点的离散三维对象模型，精度能够达到毫米级；对于坡面尺度，三维激光扫描技术可以在不破坏地表状态的情况下快速采集坡面信息，并监测地表微地形的变化[15-17]。此外，在室内次降雨条件下，降雨前后土体不会发生明显沉降现象[18]，因此应用三维激光扫描技术时可以忽略土地沉降的影响。

鉴于以上分析，本研究采用室内人工模拟降雨试验，结合传统的水沙观测和三维激光扫描技术，通过对不同降雨条件下降雨前后的坡面进行扫描，获取坡面点云数据并进行处理分析，从而对黄土坡面侵蚀过程、侵蚀与沉积的空间分布特征进行研究，以期为黄土区土壤侵蚀预报及水土流失防治措施的布设提供科学依据。

1 材料及方法

1.1 试验材料

本试验在中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点试验室人工降雨大厅进行，试验采用下喷式降雨系统，雨强可通过喷嘴大小和压强进行调节，降雨高度为18 m，能够保证所有雨滴均达到最终速度，降雨覆盖面积为27 m×18 m。降雨系统将水喷射至空中，受空气阻力作用水流被破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，产生的雨滴有大有小，与天然降雨下的雨滴比较相似[19]。试验使用规格5 m×1.0 m×0.5 m固定式可调坡钢制土槽，土槽下端设集流装置，用来收集径流泥沙样品。试验用土取自黄土高原延安安塞的黄绵土，为当地耕地表层，利用马尔文激光粒度仪测定土壤机械组成。按照国际土壤质地分类，安塞土属于沙壤土，其质量分数分别为8.73%(<0.002 mm)、14.35%(≥0.002～0.02 mm)、40.87%(≥0.02～0.05 mm)、36.01%(≥0.05～0.25 mm)、0.05%(≥0.25 mm)。

1.2 试验设计

试验前将所用土样自然风干，含水量控制在10%左右，随后过10 mm筛，以便除去杂草和石块。装填试验土壤之前，先在试验槽的底部填入约10 cm厚的细沙，细沙上面覆盖透水的细纱布，保持试验土层的透水状况接近于天然坡面。随后装填试验土壤，采用分层填土法装填，边填土边使用工具压实，每次装土5 cm，共填6层，每层表面用平尺拉毛，填土厚度总共约为30 cm。根据土壤采样点的实地测量以及参考已有的研究结果，黄土高原丘陵沟壑区0～20 cm范围土壤平均容重为1.25～1.40 g/cm3[20]，因此本次试验中填土容重控制在1.25～1.35 g/cm3。为了保证降雨强度的一致性，每次试验同时装填3个土槽，待填土完成后，3个土槽分别调为试验要求的3个坡度，并放置12 h，以备试验。每次降雨前后，分别采用环刀法测定坡面表层土壤容重，降雨后利用铝盒和土钻取表层、中层、底层土壤，采用烘干法测定含水率。每个坡度分别在2个雨强(1.0和1. 5mm/min)下进行降雨试验，总共3个坡度(5°、10°、20°)，降雨历时均为60 min。每次试验过后，重复上述填土工作，尽量保持每次试验初始条件一致。本研究试验设计情况如表1所示。

表1 试验设计方案Tab.1 Test design scheme

1.3 观测项目

在降雨试验前，对降雨系统进行率定，使其降雨均匀度达到80%以上，详细过程及实施方法可以参考文献[21]。降雨开始后，等坡面开始产流后在出水口进行径流取样。取样间隔为1 min/次，泥沙采样容器为1 000 mL，用烘干法测定含沙量，坡面径流量采用自制大量桶测量1 min内的径流体积，加上泥沙样值，为总径流量。根据含沙量及相应总径流量，可以计算试验中的总侵蚀量。在整个试验过程中，使用高清晰摄像设备进行全程监测，同时在降雨前后采用Pentax三维激光扫描仪对坡面进行扫描，获取坡面点云数据，用于分析降雨前后坡面的形态特征。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度下坡度对产流产沙的影响

降雨初期，雨水主要消耗于土壤表层浸润和地表土层大空隙的填充，所以从降雨开始至地表径流产生有一个明显的滞后时间，即初始产流时间，也叫初损历时[22]。坡面产流时间反映了降雨到达坡面后径流产生的快慢，雨强和地形都会影响坡面开始产流的时间。表2显示了不同雨强和坡度下坡面的初始产流时间，可以看出，在初始含水量相差不大时，雨强增大会使安塞土初始产流时间明显缩短，这是因为其他条件相同时，雨强越大，坡面在单位面积单位时间内所接受的雨量也越大，在土壤入渗率不变的情况下，产流所需的时间随着雨强的增加必然缩短[3]。总体来看，在两种雨强下，5°和20°坡面的初始产流时间较长，10°坡面的初始产流时间较短，这与坡度增加会降低土壤的入渗率及增加径流动能的综合作用有关。5°坡面有最大入渗率和最小的径流动能，20°坡度坡面有最小入渗率和最小的承雨量，而10°坡面的入渗率、径流动能和承雨量均介于5°和20°坡面之间，因此在上述三种因素综合作用下10°坡面有最大径流量，从而导致初始产流时间最短[23-24]。雨强是影响坡面产流的主导因素，坡度通过改变坡面土壤的入渗性能、径流动能及承雨量也对产流有重要影响。

表2 安塞土产流产沙情况Tab.2 Runoff and sediment yield of Ansai soil

从表2可以看出，1.5 mm/min雨强下径流总量远大于1.0 mm/min雨强；且两种雨强下，坡面径流总量随坡度的增加均呈先增大后减小的趋势，这是因为随着坡度的增加，坡面承雨量的降低会引起坡面径流量的减少，同时坡度增加会降低土壤入渗率，从而使坡面径流增加，因此在坡度对承雨面积及土壤入渗率的综合影响下，10°坡面的径流量最大[23-24]。1.0 mm/min雨强时，总侵蚀量随着坡度的增加而增大[25]；而对于1.5 mm/min雨强，总侵蚀量呈先增大后减小的变化趋势，这与径流量随坡度变化的趋势相一致，说明侵蚀产沙和径流量密切相关，坡度越大土体的不稳定性越强，更容易被径流冲刷携带，但随着坡度的增加承雨量又在减小，从而引起径流量降低，在这两方面的共同作用下，使得1.5 mm/min雨强时总侵蚀量最少。

图1显示了两种雨强下，不同坡度坡面产流率和侵蚀率随时间的变化过程。可以看出，除1.0 mm/min雨强、5°坡面产流率波动较大(图1a)以外，产流率随时间的变化趋势大致相同，均表现为降雨初期产流率增长较快，然后增速逐渐变缓，主要原因在于前期降雨有土壤结皮形成，降低了土壤的入渗率，增加了径流量[26]。1.5 mm/min雨强产流率明显大于1.0 mm/min雨强，且前者在降雨后期基本趋于稳定状态，而后者这种稳定趋势不明显，说明在大雨强下，降雨后期土体已经达到径流入渗平衡状态，而小雨强情况下径流入渗还处于活跃期，与前人的研究结论一致[27]。

图1 产流率和侵蚀率随时间的变化趋势Fig.1 Temporal variation of sediment yield and runoff rate

不同坡度条件下，侵蚀率随时间的变化趋势总体相似(1.0 mm/min雨强、5°坡面除外)，即侵蚀率随时间呈先增加后降低的趋势，尤其1.5 mm/min雨强时尤为明显。小雨强时，坡度对侵蚀率的影响程度小于大雨强，如1.0 mm/min雨强时的5°坡面，侵蚀率随着产流率的增加而增加，且波动趋势一致(图1a)，而对于1.0 mm/min雨强的10°和15°坡面，侵蚀率均在降雨前期与产流率的变化趋势一致，而在降雨后期则相反(图1b、c)；1.5 mm/min雨强时，侵蚀率均表现为在降雨前期与产流率的变化趋势一致，在降雨后期相反，且随着坡度的增加侵蚀率与产流率变化趋势保持一致的时间会快速缩短，即侵蚀率达到峰值的时间会显著提前(图1d、e、f)。这充分说明雨强不同，坡度对侵蚀率的作用形式不同，在土壤侵蚀模型构建中需要重点考虑该问题，但该试验结果与侵蚀率随产流率的增加而增加的结论存在较大差异[28-30]，这可能与试验所用土壤类型不同有关。同时由图1可知，20°坡面时，1.0 mm/min雨强的侵蚀率远大于1.5 mm/min雨强，主要原因在于前者在坡面中下部有大量细沟雏形发育，加剧了土壤侵蚀[25]。同时，两种雨强下，侵蚀率随着时间的变化最后均趋于稳定，且侵蚀率的稳定状态大雨强时比小雨强时明显，大坡度时侵蚀率稳定状态出现的时间明显早于小坡度，该现象表明大雨强和大坡度更易使径流对泥沙的剥离-搬运-沉积过程达到平衡状态[31]。

2.2 坡面侵蚀与沉积空间分布特征

在本研究中，将每一场降雨前后的坡面点云数据导入配套软件Z+F Laser Control V8.5.0中，经过滤波、除噪之后，利用标靶将降雨前后数据拼接在同一坐标系下，以便后期处理。将拼接好的点云数据导入PolyWorks 10.1软件中进行裁剪，得到雨前和雨后的完整坡面，最后导入ArcGIS中，利用反距离权重法将点云数据插值成栅格数据，利用栅格计算器将雨后坡面栅格数据减去雨前栅格数据，可以得到土壤侵蚀-沉积的空间分布数据。

图2是两种雨强下不同坡度坡面土壤侵蚀-沉积的空间分布图。可以看出，1.0 mm/min雨强时，坡度为10°和20°的坡面整体呈侵蚀状态，仅在坡底有少量沉积现象，坡度为5°的坡面中下部均有大范围的泥沙沉积现象发生。总体来看，3个坡度坡面的侵蚀程度由坡顶向坡底依次变弱，且侵蚀的强弱区域空间分布十分明显，沉积现象的发生随坡度增加而减弱，与降雨试验中监测侵蚀过程所获取的实测数据结果一致(表2，图1)。1.5 mm/min雨强时，坡面土壤侵蚀强度的空间分布与降雨试验过程中所获取的实测数据结果同样一致，即土壤总侵蚀量及侵蚀速率高的坡面，发生侵蚀的现象越显著；反之则沉积现象越显著，坡面侵蚀程度沿坡面下坡方向同样表现为依次减弱，陡坡时的侵蚀更明显，特别是对于坡面的中上部，这与1.0 mm/min雨强时相似。对于1.5 mm/min雨强时的20°坡面，在坡面距坡底0～1.0 m范围内为明显的净沉积区域；而在距坡底2.0～5.0 m范围内为净侵蚀区域，其沉积程度明显高于5°和10°坡面的相同部位，这可能与其拥有最低的产流率和侵蚀率有关[31]。

图2 坡面侵蚀空间分布 Fig.2 Spatial distribution of slope erosion注：坡向由上至下正号代表沉积厚度，负号代表侵蚀深度。网络版为彩图。

利用ArcGIS中的重分类工具，对所得坡面DEM不同的侵蚀与沉积进行分级统计得到表3和表4。据统计结果，1.0 mm/min雨强时，坡面净侵蚀区域占比为99.65%～99.99%，3个坡度相差不大，侵蚀占据坡面绝大部分区域，沉积现象几乎可以忽略，这也与侵蚀空间分布图相对应(图2)，且坡面侵蚀深度主要为—16～0 mm。1.5 mm/min雨强时，净侵蚀占比为90.58%～99.96%，同样表现为绝大部分区域为侵蚀区，沉积区的范围占比为0.04%～9.42%，稍大于1.0 mm/min雨强。该试验结果表明三维激光扫描技术可以用于土壤坡面侵蚀-沉积特征分析。

表3 各级侵蚀深度Tab.3 Erosion depth at all levels

表4 各级沉积厚度Tab.4 Deposition thickness at all levels

3 结论

本文通过室内人工模拟降雨试验与三维激光扫描技术，研究了不同雨强和坡度条件下5 m坡长黄土坡面侵蚀过程与侵蚀-沉积空间分布特征，结论如下：

(1)雨强增大时安塞土初始产流时间明显缩短，雨强是影响初始产流时间的主要因素；坡度通过影响土壤入渗率和径流动能来影响初始产流时间。两种雨强下，10°坡面初始产流时间最短。

(2)随着雨强的增大，各个坡度下的坡面总径流量显著增大，在两种雨强下均随着坡度的增加呈先增大后减小的趋势。总侵蚀量在1.0 mm/min雨强时，随着坡度的增大而增大；在1.5 mm/min雨强时，随坡度的增加呈先增大后减少的趋势，与径流量达到峰值的坡度相一致，说明侵蚀产沙和径流量密切相关。

(3)两种雨强各个坡度下，坡面产流率大体都表现为降雨初期增速较快、后期增速放缓；侵蚀率随时间表现为先增大后减小，随着坡度的增加侵蚀率达到峰值的时间会显著提前，1.5 mm/min雨强时表现最为明显。大雨强和大坡度更易使径流对泥沙的剥离-搬运-沉积过程到平衡状态。

(4)两种雨强下，不同坡度间黄土侵蚀空间的分布有一定差异，大部分坡度下坡面侵蚀情况从坡顶到坡脚逐渐减弱，侵蚀-沉积的强弱分区较为明显。对于1.5 mm/min雨强、20°坡面，在坡面距坡底0～1.0 m范围内为明显的净沉积区域，而在距坡底2.0～5.0 m范围内为净侵蚀区域。陡坡度条件下的侵蚀作用更明显，特别是对于坡面的中上部。