西藏派墨公路不同砾石磨圆度开挖坡面土壤侵蚀特征研究

2023-01-08裴向军黎俊豪

地质灾害与环境保护 2022年4期

裴向军，黎俊豪

（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059）

随着我国西部大型水利水电、交通运输、矿山开采等工程建设项目的快速推进，工程建设过程中造成大范围地表破坏、土壤裸露，加之西部山高坡陡、气候多变，因此工程建设引发的人为水土流失问题比平原地区更为严重，已成为西部地区最严重的生态环境问题之一，给区域经济建设和可持续发展带来巨大挑战。

青藏高原是我国重要的生态屏障，对于维持气候稳定、碳收支平衡和水资源供应等方面有着重要作用［1］。青藏高原的生态环境极为脆弱，人类活动和气候变化对其影响显著［2］。人类工程活动导致的地表破坏成为青藏高原水土流失的主要影响因素之一，导致青藏高原生态系统承载力迅速下降［3］。青藏高原地貌类型多样，气候复杂，在高原人类活动愈加频繁和全球气候变暖的背景下，土壤侵蚀和生态环境退化现象在青藏高原局部地区迅速加剧。如何最大限度地保护工程沿线的生态成为青藏高原地区公路建设中的关键点和难点［4］。

在水土流失和生态修复研究领域，工程开挖面也被称为工程创面、开挖坡面和生产建设项目边坡，是由工程建设开挖自然坡体，导致植被层破坏，成土母质或风化壳被揭露所形成的坡面［5－8］。由于工程开挖面坡度较陡、土体扰动程度大，其与原始地貌相比侵蚀量剧烈增大，在与重力侵蚀共同作用下，甚至将发生泻溜和滑坡地质灾害［9］。我国学者对工程开挖面的研究始自2000年初，并且主要集中于公路路堑边坡［10，11］。

众多学者研究发现砾石对土壤理化和入渗过程存在很大影响［12，13］。杨苗苗等［14］认为砾石的存在将提高土壤的可蚀性，导致土壤侵蚀加剧，而砾石覆盖将保护土壤减少侵蚀。

针对碎石表面覆盖的研究，目前结论较一致，即随着碎石覆盖度增加，会导致径流量、产沙量和流速减小，入渗能力增强［15－19］。但砾石混入对坡面水文和产沙过程的影响，由于土质、砾石形状和尺寸、砾石赋存形式等区别，而表现出抑制、促进或双重效应作用［20］。土壤混入砾石将使坡面流速、径流量和总产沙量增大，并延长坡面初始产流时间［21，22］。土壤砾石含量的增加将使坡面平均产沙率和径流率增大［23］。坡面总产沙量因混入砾石而增加，是由于砾石周围易产生涡流所致［24，25］。

砾石粒径和形状也对土壤侵蚀过程产生一定影响。吕佼容［26］试验发现随着砾石粒径增大，产沙量逐渐减小。王雪松等［27］试验发现含大石块坡面平均径流率及产沙率均比含小石块坡面的大。砾石磨圆情况对流速有所影响，含河床卵石的土壤，其坡面流速比含山区砾石的土壤流速偏大［28，29］。

综上，目前主要研究砾石含量对坡面土壤侵蚀的影响，砾石磨圆度对坡面土壤侵蚀的研究较少，但砾石磨圆度对坡面入渗、坡面水动力学特征均会造成影响，从而改变坡面产沙特征，因此试验研究砾石磨圆度对坡面土壤侵蚀特征的影响规律能为保护青藏高原脆弱生态、防治水土流失和完善青藏高原地区含砾石坡面土壤侵蚀预测模型提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文研究对象为派墨公路沿线开挖坡面，派墨公路位于西藏自治区东南部林芝市境内，穿越生态极为敏感脆弱的雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区核心区。派墨公路全长66.7km，公路最高处海拔约3 560m（多雄拉隧道出口），最低海拔约680m（解放大桥），其中多雄拉隧道出口至解放大桥段，公路里程53km，海拔落差达2 880m。

研究区位于青藏高原至喜马拉雅山脉东南坡的过渡地带，是青藏高原隆升、侵蚀最强烈的地区，地形起伏大，河谷深切，山势陡峻，主要山峰有南迦巴瓦峰、加拉白垒峰和多雄拉山。雅鲁藏布江流向在该区域发生近180°拐弯，山顶至河谷相对高差一般在2 000m以上（图1）。

图1 研究区地理位置

派镇一带属于高原温带半湿润气候带，分布于海拔3 000m以下。根据派镇附近林芝气象站2017～2021年气象监测数据，3～9月间降雨天数均在10d以上，平均20d，降雨主要集中在5～9月，这5个月平均每月降雨量为90.42～135.89mm，其中以7月降雨量最大，在121.41～213.61mm之间。最高气温极值29.61℃，最低气温极值－12.50℃，各月平均气温均在0℃以上，5～10月平均气温14.92℃，11月至翌年4月平均气温5.22℃。风速变化并无明显月份区别，月平均风速4.14m·s－1，单日最大平均风速12.79m·s－1，达强风级别。多雄拉山一带属于山地寒温气候带，分布于海拔3 200～4 000m。夏季平均气温12℃～14℃，冬季平均气温－1℃～－4℃。年降水量3 000～3 500mm，降雪期长达半年之久，即从当年9月至次年4月，林下积雪厚可达1～2m。

派镇一带主要出露南迦巴瓦岩群，地层主要由混合岩、片麻岩和石英岩等变质岩组成。第四系覆盖层以洪冲积和湖积物为主。洪冲积堆积物主要分布于雅鲁藏布江及其一级支流河谷，砾石磨圆度较高，以卵石为主；海拔3 000m以上洪冲积堆积物砾石磨圆度较低，以棱角状砾石为主。湖积物主要分布于雅鲁藏布江直白以西（上游）河段，在派镇玉松村－大渡卡一带出露面积较大，为一套粉－细砂层、含泥粉砂层、灰黄色泥质粉砂层。

1.2 试验土样

在不破坏开挖坡面的情况下采集土样，试验用土采自派墨公路K2＋814m处，现场土壤平均容重为1.2g·cm－3，平均含水率为11%。使用相同粒径和相近密度（2.6g·cm－3）的建筑砾石和卵石代替派墨公路沿线砾石（密度2.3g·cm－3）。土样经自然风干后过2mm筛备用。根据土壤砾石分析结果（表1），土壤机械组成以砂粒为主，依据美国农部制土壤质地分类标准［30］，研究区土壤质地为砂质粘壤土。

表1 研究区土壤砾石机械组成及有机碳含量

在野外调查数据的分析基础上，结合模拟试验的实际条件以及调查中开挖坡面砾石可被侵蚀搬运的粒径范围对开挖坡面进行室内概化［31，32］，确定试验砾石粒径范围为粒径d＜60mm。

由于开挖坡面坡度在41°～63°之间，平均51°，因此试验坡度设计为50°。在小于60mm粒径砾石中，砾石（2～60mm）平均含量为39.65%。不同粒径砾石平均质量比为60～40mm∶40～20mm∶20～10mm∶10～5mm∶5～2mm＝5∶6∶6∶4∶4，因此试验设计以不同粒径砾石质量比（60～40 mm∶40～20mm∶20～10mm∶10～5mm∶5～2 mm＝5∶6∶6∶4∶4）进行均匀混合砾石配置。风干土样过2mm和0.075mm筛，获得砂砾和细粒，其土壤组成为砂：细粒＝9∶1。

1.3 试验装置

本试验土槽设计为钢材质，尺寸为60cm×30 cm×20cm，底部均匀打直径5mm孔，在土槽的上部焊接了一个集流槽，便于收集径流和泥沙［33］（图2）。

图2 模型槽示意图

据派墨公路沿线雨量站测量数据，逐小时最大降雨量为81.4mm，为达到侵蚀性降雨效果，试验设置降雨强度为120mm·h－1。参考相关学者试验，设计便携式降雨装置进行人工模拟降雨试验［34，35］，为避免风对雨滴降落造成影响，降雨试验在大棚内进行。降雨装置主要包含5部分，即支架、喷嘴、水管、水泵和储水带（图3）。使用美国Spraying Systems公司生产的1／2HH-50WSQ型喷嘴模拟人工降雨，喷嘴通过不锈钢管支架架设于3m高处，调节泄压阀，使水压稳定为0.2MPa，在此高度下，喷嘴能在地面1m×1m范围内产生恒定且均匀雨强（120mm·h－1），在此范围内布设雨量计监测发现，降雨均匀度在80%以上，满足人工降雨模拟精度［36］。

图3 人工模拟降雨装置示意图

1.4 人工降雨试验步骤

洪冲积成因开挖坡面大于2mm砾石主要以卵石为主，磨圆度较高，为了研究磨圆度变化对坡面侵蚀的影响，选择磨圆度较低密度相近的棱角状砾石进行对比研究，共进行6场降雨（表2）。人工降雨试验主要包括试验土槽填土、降雨强度校核、前期湿润处理、埋设传感器、泥沙径流采集及流速测量等步骤。

表2 砾石磨圆度对坡面土壤侵蚀影响试验设计

1.4.1 试验土槽填土

为了模仿天然渗透层以及防止土壤从排水孔漏出，需在底部装填0.5～1cm粒径砾石1cm厚，并在砾石层表面铺设纱布。根据现场土壤的容重（1.2 g·cm－3）和含水率（11%）计算所需的土壤和砾石的质量，将风干土壤与砾石按设计质量比充分搅拌，保证混合均匀，然后分层装入土槽，每5cm作为1层，层与层之间打毛，防止土体垂直分层。

1.4.2 降雨强度校核

使用雨量计测定土槽四角和中心降雨强度，计算平均降雨强度及降雨均匀度，以达到设计要求。

1.4.3 前期湿润处理

为了使每次试验时土壤初始含水率一致，从而使不同场次降雨试验具有可比性，在土样装填完毕后，需利用洒水壶进行轻微洒水至底土湿润至饱和状态，排水孔渗水为止，放置12h后进行降雨试验。

1.4.4 埋设传感器

在土槽中部插入含水率传感器，埋设深度10 cm，监测降雨过程中坡面含水率变化。采用ECHO EC－5体积含水率传感器和EM50数据采集仪。

1.4.5 泥沙径流采集及流速测量

当降雨开始至坡面开始产生稳定水流这段时间为初始产流时间，坡面稳定产流后降雨30min。坡面初始产流后，间隔每2min使用集流瓶收集泥沙径流样品。间隔每2min测一次流速，将KMnO4溶液从土槽顶部滴下，记录其向下流经土槽底部的时间，从而得出坡面水流流速。使用精度0.1g电子秤测量含泥沙径流质量，然后将含泥沙径流静置8h，待泥沙和水分层后，倒掉上层水体，取出湿泥沙装入铝盒，放入烘箱105℃烘8h，之后测定烘干泥沙质量（图4）。

图4 径流与泥沙采集流程

1.5 数据处理

运用Excel 2019进行数据计算、汇总和简单数据分析，使用SPSS 25.0进行数据统计分析，运用Origin 2018进行图件绘制。

（1）初始产流时间（T0）：指从降水至坡面开始稳定产流的时间［37，38］。

（2）径流量（Vr）：恒定产流一段时间所汇集的产流量。

式中，Vr为径流量（L）；Mr为径流质量（g）；Mt为含泥沙径流与集流瓶总质量（g）；Ms为泥沙质量（g）；Ma为集流瓶质量（g）；Mb为铝盒的质量（g）；Mc为干泥沙和铝盒的质量（g）；ρw为水的密度（g·L－1）。

（3）径流率（Q）：单位时间单位面积降雨所产生的径流量，表征产流的强度。

式中，Q为径流率（mm·min－1）；T为降雨时间（min）；Vr为降雨T时间内径流量（mm3）；A为坡面面积（mm2）。

（4）含沙量（Sc）：单位体积径流所含泥沙量，可表征径流携沙能力［39］。

式中，Sc为含沙量（g·L－1）；Ms为泥沙质量（g）；Vr为径流量（L）。

（5）侵蚀速率（D）：单位时间单位面积坡面的产沙量，反映了土壤侵蚀强度。计算公式如下：

式中，D为侵蚀速率（g·m－2·min－1）；T为降雨时间（min）；Ms为降雨T时间内泥沙质量（g）；A为坡面面积（m2）。

（6）坡面入渗率（I）：单位时间、单位面积土壤表面入渗的水量［40］。

式中，I为坡面入渗率（mm·min－1）；θ为坡度（°）；Vr为降雨T时间内径流量（mm3）；A为坡面面积（mm2）；T为降雨时间（min）；i为降雨强度（mm·min－1）。

（7）流速（V）：使用KMnO4溶液测得的流速为表面最大流速，需乘校正系数0.75［41］，单位为cm·s－1。各次测定流速平均值为平均流速U。

（8）径流深（h）：坡面水流平均水深。

式中，h为平均径流深（cm）；Vr为t时间内的径流量（cm3）；U为平均流速（cm·s－1）；b为水槽宽度（cm）；t为径流取样时长（s）。

（9）雷诺数（Re）和弗劳德常数（Fr）：雷诺数用于衡量水流的紊动程度，是判别水流流态的主要参数之一［42］。根据明渠水流理论，Re＜500为层流，500≤Re≤2 000为过渡流，Re＞2 000为紊流。水流雷诺数越大，坡面流紊动程度越强，水流侵蚀能力越强［43］。弗劳德数是反映水流流型的主要参数。水流弗劳德数Fr＞1为急流，Fr＜1为缓流，Fr＝1为临界流。一般而言，弗劳德数越大，径流挟沙能力越强。

雷诺数（Re）：

式中，Re为雷诺数；v为径流粘滞系数（cm2·s－1）；t为水温（℃）；U为平均流速（cm·s－1）；h为平均径流深（cm）。

弗劳德数（Fr）：

式中，Fr为弗劳德常数；g为重力加速度（980cm·s－2）；h为平均径流深（cm）；U为平均流速（cm·s－1）。

（10）Darcy-Weisbach阻力系数（f）：阻力系数可表征坡面阻碍水流运动的能力，阻力系数值越大，代表坡面阻力越大。

式中，f为Darcy-Weisbach阻力系数；J为水力坡度，可用坡度的正弦值近似代替；g为重力加速度（980cm·s－2）；U为平均流速（cm·s－1）；h为平均径流深（cm）。

（11）水流功率（ω）：常用于描述水流输沙能力，已被流行的侵蚀模型所采用，用于预测土壤流失［34］。水流功率可由如下公式表示［44］：

式中，ω是水流功率（g·s－3）；J为水力坡度（等于坡度正弦值）；ρw为水的密度（g·cm－3）；g为重力加速度（cm·s－2）；q为单位宽度径流体积通量（cm2·s－1）。

（12）水流剪切力（τ）：由流动水体产生，并作用于土壤砾石的力，当水流剪切力增大到一定程度，将使土壤砾石脱离坡面随水流运动。

式中，τ为水流剪切力（g·cm－1·s－2）；ρw为水的密度（g·cm－3）；J为水力坡度，可用坡度的正弦值近似代替；g为重力加速度（980cm·s－2）；R为水力半径（cm），由于坡面水流为薄层水流，水力半径R可用径流深代替。

2 结果

2.1 不同砾石磨圆度开挖坡面微地形变化特征

由图5可发现，降雨后，砾石和卵石坡面均产生细沟，在降雨初期，坡面水流在坡脚处开始侵蚀坡面土壤，形成细沟，随着降雨的持续，在径流溯源侵蚀的作用下，细沟逐渐向坡上部延伸，并在径流侧蚀作用下，细沟宽度也逐渐扩大。在径流细沟侵蚀下，沟周围坡面土体失稳滑入细沟中，并被径流带走，导致产沙量迅速增大。

图5 不同砾石磨圆度下坡面侵蚀特征

就坡表侵蚀微地形来看，砾石坡面所产生的细沟较为明显，并且深度和宽度都比卵石坡面产生的细沟大，砾石坡面呈现出细沟数量少，仅1～2条主要细沟，但单条细沟规模大的特征，细沟深切，降雨结束后，坡面微地形变化明显。卵石坡面所形成细沟深度较浅，且宽度也较小，坡面水流沿各卵石间隙流动，因此卵石周围土壤侵蚀较为严重，并围绕卵石形成深切环形细沟，但细沟数量比砾石坡面多。

2.2 不同砾石磨圆度开挖坡面水文过程变化特征

2.2.1 不同砾石磨圆度开挖坡面入渗过程变化特征

（1）坡面入渗率

各坡面入渗率整体上均呈随降雨时间增加而逐渐减小趋势，入渗率的变化可分为2个阶段：①迅速减小阶段，在坡面初始产流后6～12min，入渗率迅速减小；②平稳阶段，在坡面产流后12～30min，坡面入渗率逐渐趋于稳定，波动幅度较小（图6）。在降雨产流初期，砾石坡面和卵石坡面的入渗率较为接近，但随着降雨持续，卵石坡面的入渗率逐渐超过砾石坡面。砾石和卵石坡面入渗率均表现出随含石量的增加而减小。对于不同含石量坡面，均表现出卵石坡面的入渗率高于砾石坡面（表3），其平均入渗率比砾石坡面高11.3%，这表明随着磨圆度增加，坡面入渗率将增大。

图6 不同砾石磨圆度坡面入渗率变化特征

表3 不同砾石磨圆度坡面平均入渗率特征

（2）坡面含水率

各坡面含水率随着降雨时间延长，在降雨8 min后，含水率随时间逐渐趋于稳定。其中含石量30%和50%的砾石和卵石坡面，其稳定含水率均基本相同。但含石量40%的砾石和卵石坡面稳定含水率出现明显区别，卵石坡面的稳定含水率明显高于砾石坡面稳定含水率，这表明当含石量40%时，卵石坡面入渗能力明显强于砾石坡面（图7）。由表4可知，各坡面平均含水率基本无明显差异，但卵石坡面含水率比砾石坡面含水率偏高。

图7 不同砾石磨圆度坡面含水率变化特征

表4 不同砾石磨圆度坡面平均含水率特征

2.2.2 不同砾石磨圆度开挖坡面产流过程变化特征

（1）初始产流时间

由表5可知，各含石量坡面不同砾石磨圆度下，坡面初始产流时间变化明显，卵石坡面在降雨后产流晚于砾石坡面，卵石坡面初始产流时间比砾石坡面延长28.1%，并且随着含石量的增加，砾石和卵石坡面初始产流时间的差异逐渐减小。

表5 不同砾石磨圆度坡面初始产流时间差异

（2）径流率

径流率随时间的变化呈现出两个阶段：①迅速增加阶段，在坡面初始产流至14min左右，径流率迅速增加，但随着含石量的增加，径流率增加幅度逐渐减小。②平缓增加阶段，在产流14min后，径流率逐渐趋于平缓增加趋势，径流率在小幅波动中缓慢增加（图8）。各坡面径流率均表现出卵石坡面小于砾石坡面，但随着降雨持续，砾石和卵石坡面径流率的差异逐渐减小（图8）。以初始产流后14～30 min内的稳定径流率计算平均径流率，由表6可知，除含石量30%砾石和卵石坡面径流率相差不大之外，其余含石量坡面均表现出砾石坡面径流率大于卵石坡面径流率，卵石坡面径流率偏小9.4%。

表6 不同砾石磨圆度坡面平均稳定径流率特征

图8 不同砾石磨圆度坡面径流率随时间的变化

2.3 不同砾石磨圆度开挖坡面水动力学变化特征

2.3.1 流速

总体来看，各坡面流速随时间呈逐渐减小趋势，这与众多学者研究坡面形成细沟侵蚀过程的流速变化结论一致［29，45］。流速的变化可主要分为2个阶段：①大幅波动阶段，存在于降雨产流前期，流速在剧烈波动中下降。②平缓下降阶段，在降雨中后期，流速波动幅度明显减小，并呈缓慢下降趋势。

由图9可知，随着含石量增加，流速达到稳定的时间越短。各含石量坡面中，卵石坡面流速普遍高于砾石坡面，并且各含石量坡面均呈现出卵石坡面流速随时间波动程度较砾石坡面流速波动程度大。

图9 不同砾石磨圆度坡面流速随时间的变化

2.3.2 水流功率

各坡面水流功率均随时间呈现逐渐增加趋势，但降雨初期，水流功率增加迅速，到降雨中后期，水流功率趋于稳定，并缓慢增加（图10）。

图10 不同砾石磨圆度坡面水流功率随时间的变化

2.3.3 流态流型

各坡面雷诺数为5.852～7.675，其流态属于层流（表7）。卵石坡面雷诺数小于砾石坡面，但差距极小，这说明砾石磨圆度对坡面水流流态的影响较小。

表7 不同砾石磨圆度坡面雷诺数和弗劳德数

各坡面弗劳德数为3.152～9.863，因此各坡面水流流型为急流。各含石量卵石坡面水流的弗劳德数均大于砾石坡面，并且差距较大，因此砾石磨圆度对弗劳德数影响较大，这表明砾石磨圆程度越高，坡面水流越容易侵蚀土壤。

2.3.4 阻力规律

由表8可知，各坡面阻力系数随着含石量增加而增大，卵石坡面的阻力系数均小于砾石坡面，这表明卵石坡面对水流的阻碍作用更小。

表8 不同砾石磨圆度坡面Darcy-Weisbach阻力系数

2.4 不同砾石磨圆度开挖坡面产沙过程变化特征

（1）侵蚀速率

由图11可知，各坡面侵蚀速率随时间的变化表现出先缓慢减小，再迅速增加，然后迅速减小并趋于稳定的趋势。侵蚀速率随降雨时间的变化可分为3个阶段：①缓慢减小阶段，该阶段发生于产流初期，即产流后0～8min内。②迅速增加阶段。③缓慢减小阶段，在产流中后期，侵蚀速率逐渐减小，并趋于稳定。在降雨初期即雨滴溅蚀和细沟间侵蚀阶段，砾石坡面和卵石坡面侵蚀速率差异较小，这说明在雨滴溅蚀和细沟间侵蚀阶段，坡面侵蚀受砾石形状和磨圆度的影响很小。

图11 不同砾石磨圆度坡面侵蚀速率随时间的变化

不同含石量下，砾石坡面侵蚀速率达到峰值的时间均比卵石坡面提前，砾石坡面和卵石坡面到达侵蚀速率峰值的平均时间分别为10.7min和15.3 min，这表明砾石坡面更早形成细沟侵蚀。

当侵蚀速率达到峰值后，卵石坡面侵蚀速率开始大于砾石坡面，卵石坡面稳定侵蚀速率比砾石坡面大2.1倍（表9）。

表9 不同砾石磨圆度坡面稳定侵蚀速率

（2）累积产沙量

各坡面累积产沙量随时间的变化表现为先缓慢增加，后迅速增加，再缓慢增加。由图12可知，在降雨初期，砾石坡面累积产沙量大于卵石坡面，在降雨中后期，卵石坡面累积产沙量将超过砾石坡面，其总产沙量比砾石坡面高20.1%。并且随着含石量的增加，卵石坡面累积产沙量超过砾石坡面的时间提前，这表明，随着含石量增加，卵石坡面细沟侵蚀能力将比砾石坡面更强。

图12 不同砾石磨圆度坡面累积产沙量随时间的变化

3 讨论

3.1 砾石磨圆度对坡面水文过程的影响

开挖坡面坡表被不透水的石块覆盖，因此随着坡面石块覆盖度增加，坡面入渗面积减小，导致入渗率减小［19］。由于卵石磨圆度较高，卵石表面较光滑，且近似椭球体，因此坡面水流在向下入渗的过程中，所受阻力更小，因此水流更容易入渗［46］。由于卵石对水流入渗阻力更小，导致坡面入渗能力更强，坡面水流更容易渗入土体，因此土体含水率更高。

土壤渗透性是影响坡面初始产流时间主要因素之一［37］，由于卵石磨圆程度比棱角状砾石好，呈椭球型，坡面水流下渗时，受到的阻碍较小，这为优先流创造了极多的入渗路径，为入渗流动提供了大孔隙通道［45］，因此坡面水流将更容易渗入坡体深处，导致坡面土壤需要更长的时间才能接近饱和，因此卵石坡面初始产流时间高于砾石坡面。

由于卵石坡面入渗能力更强，因此在相同雨强相同坡度下，卵石坡面径流率偏低。

3.2 砾石磨圆度对坡面水动力学特性的影响

在降雨初期，坡面处于雨滴溅蚀和细沟间侵蚀阶段，坡面较为平整，因此坡面薄层水流所受阻力较小，因此流速较大，但随着坡面薄层水流携带泥沙量增多，消耗水流动能，因此流速呈波动下降趋势。随着细沟侵蚀发展，细沟不断发育，细沟曲折性增加，同时沟壁坍塌造成径流含沙量迅速增大，大量消耗水流动能，导致流速减小［47，48］。细沟发育后期，细沟沟道形态趋于固定，因此流速趋于平稳［28］。

有学者认为，砾石形状将影响坡面流速变化［29］。之所以卵石坡面流速大于砾石坡面，是因为砾石棱角多，砾石表面粗糙，凹凸不平，不仅在搬运过程中对径流有阻滞作用，而且棱角状砾石存在于细沟沟床中时，增加了径流弯曲度，进一步阻碍径流流动，消耗径流动能，导致流速较小［49，50］。而卵石表面光滑，并且形态呈椭球形，有利于径流的运动，导致流速较棱角状砾石坡面快［21］。

卵石坡面的水流功率小于砾石坡面水流功率，这是因为水流功率主要与单位宽度流量和水力坡度有关，当水力坡度一定时，在相同过水断面情况下，水流功率主要与径流量有关，由于砾石坡面径流率高于卵石坡面，因此砾石坡面水流功率高于卵石坡面。

由于弗劳德数主要是流速和水深的函数，其与流速成正比，与水深呈反比，水深与径流量呈正相关，由于卵石坡面径流率较砾石坡面小，但卵石坡面流速却比砾石坡面大，因此卵石坡面弗劳德数大于砾石坡面。由于卵石表面较光滑，坡面阻力较小所致。并且，由于Darcy－Weisbach阻力系数是水深和流速的函数，其与水深成正比，与流速成反比，由于卵石坡面流速大于砾石坡面，且卵石坡面径流率小于砾石坡面，则水深较砾石坡面小，因此卵石坡面Darcy－Weisbach阻力系数较小。

3.3 砾石磨圆度对坡面产沙的影响

侵蚀速率随降雨时间的变化可分为3个阶段是由降雨侵蚀特点所决定。侵蚀速率缓慢减小阶段发生雨滴溅蚀和细沟间侵蚀，坡面薄层水流将雨滴击溅产生的松散土粒和坡面原本存在的浮土带走，但随着松散土壤逐渐被水流搬运殆尽，坡面薄层水流主要对土壤进行层状剥蚀，因此侵蚀速率趋于稳定，因此该阶段侵蚀速率表现为逐渐减小。迅速增加阶段发生细沟侵蚀，坡面薄层水流坡面形态不平整，面状水流逐渐向线状水流转化，水流侵蚀能力增强，导致形成细沟，其侵蚀过程包括细沟沟头的溯源侵蚀、细沟的沟底下切过程和细沟沟壁的崩塌垮落过程。细沟间挟沙薄层水流汇聚到细沟内，通过细沟水流输送，因此，细沟内径流量增大，冲刷力和挟沙力增强，因而使坡面侵蚀侵蚀速率迅速增大。随着细沟发展形态趋于稳定，易侵蚀物质已被带走，因此侵蚀速率相应减小，并趋于稳定。

由于砾石坡面径流率高于卵石坡面，因此在相同时间内，砾石坡面所产生的径流量高于卵石坡面，并且由于砾石坡面较粗糙，阻滞水流流动，因此更容易使坡面薄层水流汇聚并形成线状水流，由于只有在径流量大于发生细沟侵蚀的临界流量时，才有可能发生细沟侵蚀［51］，砾石坡面径流量比卵石坡面大，且更易形成线状水流，因此砾石坡面更早发生细沟侵蚀。

根据降雨试验过程中观察及降雨前后坡面细沟形态分布特征可知，棱角状砾石由于粗糙，与土壤贴合较紧密，因此砾石和土壤能形成一体，因而倾向于形成深切宽大细沟，但细沟数量较少，仅1～2条；而卵石磨圆度较高，较为光滑，与土壤贴合不紧密，导致水流沿卵石流动时，更容易将卵石周围土壤搬运走，并沿卵石周围形成低缓区域，导致水流更倾向于往卵石周围流动，因此水流逐渐沿卵石侵蚀，形成线状径流，导致径流沿卵石周围侵蚀加剧，从而形成以卵石为中心，遍布坡面的环形小细沟，导致产沙量剧增。虽然砾石坡面形成的细沟较深切宽大，但数量远小于卵石坡面遍布坡面的小细沟，因此表现出在形成细沟侵蚀后，卵石坡面的侵蚀速率高于砾石坡面的现象。