郭明明，王文龍,2，李建明，朱寶才,4，史倩華，康宏亮，李艷富

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野外模擬降雨條件下礦區(qū)土質(zhì)道路徑流產(chǎn)沙及細(xì)溝發(fā)育研究

郭明明1，王文龍1,2※，李建明3，朱寶才1,4，史倩華1，康宏亮1，李艷富5

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100； 2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010； 4. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，太谷 030801；5. 南京水利水電科學(xué)院，南京 210029）

為研究礦區(qū)土質(zhì)道路徑流產(chǎn)沙及細(xì)溝形態(tài)發(fā)育特征，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)坡度（3°、6°、9°、12°）和雨強(qiáng)（0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min）2個(gè)處理，在野外建立不同坡度的道路小區(qū)，采用人工模擬降雨的方法，測(cè)定了不同處理道路徑流產(chǎn)沙參數(shù)和細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)。結(jié)果表明：1）各坡度道路徑流率為1.12～8.24 L/min，與雨強(qiáng)線性關(guān)系極顯著，隨坡度變化不顯著；除0.5 mm/min雨強(qiáng)3°～9°坡及1.0 mm/min雨強(qiáng)3°坡道路徑流流態(tài)為層流外，其余為紊流，雨強(qiáng)-坡度交互作用（×）對(duì)流態(tài)影響顯著；阻力系數(shù)只與坡度相關(guān)。2）各坡度道路剝蝕率為0.92～324.46 g/(m2·s)，與雨強(qiáng)、坡度和徑流率呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（2=0.968，<0.01），道路土壤發(fā)生剝蝕的臨界剪切力和臨界徑流功率分別為2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。3）3°道路以片狀侵蝕為主，6°～12°道路細(xì)溝發(fā)育，細(xì)溝寬深比、復(fù)雜度、割裂度和細(xì)溝密度分別為1.80～3.75、1.07～1.55、0.20%～10.33%和0.067～2.01 m/m2，細(xì)溝發(fā)育程度是雨強(qiáng)和坡度交互作用（×）的結(jié)果。4）6°～12°道路細(xì)溝侵蝕量占總侵蝕量比例為18.0%～57.16%，總侵蝕量與細(xì)溝寬深比、細(xì)溝復(fù)雜度、細(xì)溝割裂度和細(xì)溝密度均呈顯著的函數(shù)關(guān)系（2=0.35～0.96，≤0.01），割裂度是影響土質(zhì)道路總侵蝕量的最佳細(xì)溝形態(tài)因子。結(jié)果可為礦區(qū)土質(zhì)道路水土保持工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)安全提供參數(shù)支持。

侵蝕；徑流；水動(dòng)力學(xué)；神府礦區(qū)；道路；細(xì)溝；形態(tài)特征

0 引 言

道路侵蝕與坡面侵蝕及溝道侵蝕等在概念上相平行，包含了多種侵蝕過程和方式[1]。與傳統(tǒng)農(nóng)地相比，道路土壤具有容重大，孔隙度小，徑流系數(shù)大，滲透性能差等特點(diǎn)，經(jīng)過機(jī)械反復(fù)碾壓后在路面形成一定厚度的松散浮土[2-4]。降雨條件下路面易于產(chǎn)流，徑流匯集成股易造成路面溝蝕，從而加劇流域水土流失[5-6]。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)道路侵蝕監(jiān)測(cè)方法[6-8]、徑流產(chǎn)沙特征[9-13]、預(yù)測(cè)模型[14-15]等方面開展了廣泛研究。野外道路徑流小區(qū)是研究自然降雨條件下路面徑流產(chǎn)沙特征的傳統(tǒng)方法，由于受到往來機(jī)械車輛的影響，這種監(jiān)測(cè)方法很難長(zhǎng)期地對(duì)道路侵蝕做出精確的估測(cè)，因此，許多研究多采用模擬降雨和防水沖刷的方法研究道路侵蝕[6,8,15]。Martínez-Zavala等[9]通過模擬降雨方法對(duì)土質(zhì)路和植物路產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明植物路徑流系數(shù)和侵蝕速率均小于土質(zhì)路，兩種道路徑流在冬季分別增加了1.7和3.1倍。Dong等[10]對(duì)公路建設(shè)過程中形成的堆積體和壓實(shí)土路進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)研究，結(jié)果表明容重是影響道路產(chǎn)流的主要因素。Carlos等[11]對(duì)不同坡度的廢棄路土壤侵蝕研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕速率是自然侵蝕速率的15～50倍，且隨坡度增大而增大。Cao等[6]對(duì)黃土高原道路侵蝕模型研究認(rèn)為道路侵蝕速率可用降雨強(qiáng)度、坡度和徑流率的冪函數(shù)預(yù)測(cè)。另外，一般土質(zhì)道路路面存在一定厚度的浮土，浮土物理性質(zhì)與碾壓路面差異顯著，對(duì)侵蝕過程有著一定的影響，史志華等[12]認(rèn)為土質(zhì)路面覆蓋的浮土在降雨初期很快流失，也有研究[13]表明在浮土侵蝕階段徑流量在產(chǎn)流3 min內(nèi)可顯著增加6.93倍。為了探明道路侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，黃鵬飛等[16]通過野外放水試驗(yàn)研究道路土壤侵蝕水動(dòng)力特征表明，剝蝕率與徑流動(dòng)能呈冪函數(shù)關(guān)系，路面發(fā)生侵蝕的臨界單寬能耗為2.88 g/(m·J)，Cao等[17]對(duì)安塞縣農(nóng)田土質(zhì)道路研究表明，干道、次級(jí)道路及三級(jí)道路發(fā)生侵蝕的臨界剪切力分別為2.12、6.68、9.67 N/m2。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法對(duì)各類型土質(zhì)道路的徑流產(chǎn)沙過程、侵蝕水動(dòng)力特征及影響道路侵蝕的影響因素等方面做了許多研究。但還存在以下不足，首先，目前道路侵蝕研究對(duì)象多為農(nóng)田、交通及林內(nèi)土質(zhì)道路，而針對(duì)于礦區(qū)土質(zhì)運(yùn)輸?shù)缆返难芯窟€較為鮮見。其次，礦區(qū)土質(zhì)道路由于機(jī)械碾壓頻繁，在路面形成一定厚度的松散浮土，而目前在進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)時(shí)，大多數(shù)研究對(duì)道路的處理僅僅是控制土壤容重，很少考慮路面浮土的存在，且路面極易產(chǎn)流，徑流沖刷路面容易形成細(xì)溝，破壞道路結(jié)構(gòu)，在道路侵蝕研究中有關(guān)細(xì)溝的報(bào)道還較為少見。本文在野外建立試驗(yàn)小區(qū)的基礎(chǔ)上通過模擬降雨的試驗(yàn)方法對(duì)神府礦區(qū)土質(zhì)道路徑流產(chǎn)沙規(guī)律和細(xì)溝發(fā)育特征進(jìn)行了研究，結(jié)果可為礦區(qū)土質(zhì)道路水土流失防治和水土保持工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)支持，具有重要的科學(xué)價(jià)值和生產(chǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)選擇在晉陜蒙三省交界的神府東勝礦區(qū)（37°20′～40°16′ N，108°36′～110°3′ E）。該區(qū)屬典型干旱半干旱大陸季風(fēng)性氣候，年均氣溫8.0 ℃，年均降雨量325～460 mm，降水多集中于7－9月，且多以暴雨形式發(fā)生，年蒸發(fā)量1 636～2 535 mm。該區(qū)為典型的黃土丘陵地貌，處于風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)、黃河粗泥沙來源區(qū)、干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱帶。土壤類型多為黃土及風(fēng)沙土，結(jié)構(gòu)松散，抗蝕能力差。植被主要為溫帶半干旱植被。該區(qū)位于暴雨中心，尤其是在人類采礦活動(dòng)擾動(dòng)下，夏季水蝕劇烈并占主導(dǎo)地位，春季以風(fēng)蝕為主，風(fēng)蝕水蝕交替進(jìn)行，成為水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。

1.2 野外調(diào)查和因素選擇

為使試驗(yàn)盡可能反映野外實(shí)際情況，首先對(duì)礦區(qū)內(nèi)土質(zhì)道路進(jìn)行調(diào)查，主要調(diào)查礦區(qū)內(nèi)道路坡度、土壤顆粒組成、容重、含水量及當(dāng)?shù)亟涤晏卣?，為試?yàn)控制因素及范圍的選取提供依據(jù)。野外調(diào)查土壤容重為1.68～1.72 g/cm3，試驗(yàn)小區(qū)平均容重為（1.70±0.28） g/cm3，平均含水率為（8.37±0.28）%。路面坡度在2°～20°之間，其中<4°占10.4%，4°～10°占82.7%，10°～20°占6.9%；路面上浮土厚度為0.3～0.6 cm，多集中在0.5 cm；土質(zhì)道路土壤層和浮土層顆粒組成見表1。基于調(diào)查結(jié)果試驗(yàn)道路小區(qū)坡度選擇為3°、6°、9°、12°，浮土厚度為0.5 cm，依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄曜匀唤涤隁庀筚Y料頻率分析，發(fā)生侵蝕性降雨雨強(qiáng)在0.5～3.0 mm/min，試驗(yàn)依次等步長(zhǎng)選擇雨強(qiáng)為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min 6個(gè)水平。

表1 土質(zhì)道路土壤層和浮土層顆粒組成

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)內(nèi)土質(zhì)道路多起伏，同一路段每種坡度對(duì)應(yīng)的坡長(zhǎng)變化也較大。為在盡可能少破壞路面原有土壤結(jié)構(gòu)同時(shí)保證1個(gè)小區(qū)內(nèi)坡度一致性，在小區(qū)布設(shè)時(shí)考慮野外供水用電等試驗(yàn)條件，結(jié)合降雨器特征合理規(guī)劃試驗(yàn)小區(qū)。如圖1所示，建立2個(gè)3 m×1 m的試驗(yàn)小區(qū)，在這2個(gè)小區(qū)上同時(shí)進(jìn)行降雨試驗(yàn)，即各次試驗(yàn)重復(fù)2次，試驗(yàn)結(jié)束后重新布設(shè)新的小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)小區(qū)建立如下：將選取道路上的浮土及雜物清掃收集，對(duì)明顯凹凸不平之處進(jìn)行平整以達(dá)到設(shè)計(jì)坡度，將收集的浮土過2 mm篩除去雜物后，按照粒徑組成配比后均勻鋪設(shè)在路面上0.5 cm厚，以恢復(fù)真實(shí)路面，各小區(qū)浮土用量16.5 kg。小區(qū)邊界采用長(zhǎng)3.0 m、寬50 cm、厚2.5 mm鐵皮插入地下30 cm，將與小區(qū)邊界接觸的土壤充分壓實(shí)防止試驗(yàn)過程中邊界滲水，小區(qū)末端設(shè)鋼制三角集流槽，接泥沙樣用，在距頂部0.25 和1.75 m處設(shè)置2個(gè)1 m長(zhǎng)的測(cè)流斷面。在小區(qū)周圍利用鋼管搭建降雨棚，小區(qū)正上方布置下噴式模擬降雨器，噴頭高度為3.0 m，噴頭間距1.0 m，降雨雨滴終速接近天然降雨[18]，降雨均勻度在80%以上，通過閥門和壓力表控制雨強(qiáng)，將防風(fēng)布固定在降雨棚四周防止風(fēng)對(duì)降雨均勻度的干擾。降雨器布設(shè)后，將自制測(cè)針系統(tǒng)架設(shè)于小區(qū)邊界上，測(cè)針系統(tǒng)支架可沿小區(qū)邊界上下滑動(dòng)，測(cè)針可橫向滑動(dòng)，測(cè)量精度為1 mm。本研究共設(shè)計(jì)6×4×2=48場(chǎng)試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)前使用遮雨布遮蓋小區(qū)，在試驗(yàn)區(qū)域均勻擺放6個(gè)雨量筒，降雨器開啟后用雨量筒讀取單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，換算為降雨強(qiáng)度，率定雨強(qiáng)與設(shè)計(jì)雨強(qiáng)誤差在5%以內(nèi)，均勻度要求在80%以上，率定符合要求后，快速掀起小區(qū)上方遮雨布，坡面產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時(shí)間并在集流槽出口使用有刻度的接樣桶接徑流泥沙樣并記錄取樣時(shí)間和體積，前3 min內(nèi)每1 min接1次泥沙樣，3 min后每3 min接1次泥沙樣，設(shè)計(jì)產(chǎn)流歷時(shí)45 min，取樣的同時(shí)使用KMnO4溶液和秒表測(cè)流速，各次測(cè)量流速取2斷面的平均值作為每次測(cè)量流速，使用精度為1 mm的薄鋼尺測(cè)徑流寬度，同一觀測(cè)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)多次取平均值，用烘干法測(cè)定所接各個(gè)樣品中的泥沙質(zhì)量，使用普通溫度計(jì)測(cè)量水溫，每次試驗(yàn)后使用測(cè)針系統(tǒng)對(duì)形成的細(xì)溝長(zhǎng)度、寬度及深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)對(duì)各細(xì)溝每5 cm取1斷面，遇細(xì)溝分支及發(fā)育特殊之處據(jù)實(shí)際情況加測(cè)數(shù)次。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

1）徑流參數(shù)計(jì)算。本文涉及徑流參數(shù)有雷諾數(shù)、Darcy-weisbach阻力系數(shù)、徑流剪切力、徑流功率，依據(jù)明渠水流公式計(jì)算以上徑流參數(shù)[16,19]。

2）各次試驗(yàn)土壤總侵蝕量由細(xì)溝侵蝕量和細(xì)溝間侵蝕量組成。細(xì)溝侵蝕量是指各次試驗(yàn)后形成的溝槽所流失的土壤質(zhì)量。細(xì)溝體積和侵蝕量M采用容積法[20-21]計(jì)算，細(xì)溝橫斷面假設(shè)為“V”形，計(jì)算式為

式中M為細(xì)溝土壤流失量，kg；d，h，l分別為第個(gè)測(cè)量斷面處細(xì)溝寬度、深度和長(zhǎng)度，m；和為浮土層和土壤層容重，kg/m3；為測(cè)量斷面?zhèn)€數(shù)。

3）細(xì)溝寬深比是指細(xì)溝寬度與其對(duì)應(yīng)深度的比值，反映細(xì)溝溝槽形狀的變化，其計(jì)算式如下[22]

式中為細(xì)溝寬深比。

4）細(xì)溝復(fù)雜度是指坡面某條細(xì)溝及其分支的總長(zhǎng)度與其在坡面方向上垂直長(zhǎng)度比值，反映細(xì)溝溝網(wǎng)豐富程度，其計(jì)算式如下[22]

式中為細(xì)溝復(fù)雜度；l為第條細(xì)溝長(zhǎng)度，m；l為第條細(xì)溝在坡面方向上垂直長(zhǎng)度，m；為細(xì)溝總條數(shù)。

5）細(xì)溝割裂度是指坡面上形成的細(xì)溝面積與小區(qū)面積比值，反映坡面破碎程度和細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度，其計(jì)算式如下[22]

式中為細(xì)溝割裂度；A為第條細(xì)溝面積，m2；A為試驗(yàn)小區(qū)面積，m2。

6）細(xì)溝密度是指坡面上形成的細(xì)溝長(zhǎng)度與小區(qū)面積比值，m/m2，反映坡面破碎程度，其計(jì)算式如下[22]

式中為細(xì)溝密度，m/m2。

7）土壤剝蝕率即單位時(shí)間單位面積徑流所能剝蝕土壤的質(zhì)量，g/(m2·min)，其計(jì)算式如下

式中s為時(shí)間（min）內(nèi)坡面侵蝕量，g，由徑流泥沙樣確定。

采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析及相關(guān)和回歸分析，采用Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土質(zhì)道路徑流變化特征

表2為不同雨強(qiáng)條件下各坡度土質(zhì)道路徑流率、雷諾數(shù)及阻力系數(shù)的變化，表3為徑流水力學(xué)參數(shù)與雨強(qiáng)、坡度及雨強(qiáng)-坡度交互作用（×）的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)。由表2可知，3°～12°土質(zhì)道路徑流率分別為1.17～7.65、1.12～7.88、1.16～7.17和1.18～8.24 L/min。同一坡度土質(zhì)道路徑流率隨雨強(qiáng)增大而逐漸增大，二者呈極顯著線性關(guān)系（2=0.984～0.997，<0.01）；雨強(qiáng)相同時(shí)，6°、9°和12°道路徑流率分別是3°坡的0.96～1.09倍、0.94～1.16倍和1.01～1.10倍，不同坡度道路徑流率之間差異不顯著（>0.05）。由表3可知，土質(zhì)道路徑流率與坡度相關(guān)性不顯著（>0.05），但與雨強(qiáng)和雨強(qiáng)-坡度交互作用（×）均極顯著相關(guān)（<0.01）。

表2 土質(zhì)道路徑流參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：不同小寫字母表示同一坡度不同雨強(qiáng)差異顯著；不同大寫字母表示同一雨強(qiáng)不同坡度差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among rainfall intensities under the same slope; different capital letters indicate significant difference among slopes under the same rainfall intensity, the same as below.

表3 徑流產(chǎn)沙參數(shù)與雨強(qiáng)、坡度及其交互作用的相關(guān)系數(shù)

注：*表示顯著性水平在0.05；**表示顯著性水平在0.01；為降雨強(qiáng)度（mm/min）；為坡度(°)；×表示雨強(qiáng)和坡度的交互作用，下同。

Note:*: Correlation is significant at the 0.05 level;**: Correlation is significant at the 0.01 level;, rainfall intensity;, slope;×, the interaction of rainfall intensity and slope, the same as below.

雷諾數(shù)是表征徑流流態(tài)參數(shù)，由表2可知，雨強(qiáng)為0.5 mm/min、坡度分別為3°、6°、9°及雨強(qiáng)為1.0 mm/min雨強(qiáng)條件下3°坡土質(zhì)道路徑流流態(tài)屬層流范疇（<500），其余條件下均為紊流。隨著雨強(qiáng)和坡度增大，路面徑流流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，這是由于坡度增大了徑流流速，雨強(qiáng)增強(qiáng)了徑流的紊動(dòng)性。整體上，均隨坡度和雨強(qiáng)的增大而增大；同一坡度道路不同雨強(qiáng)徑流之間存在一定差異；雨強(qiáng)相同條件下，6°、9°和12°道路徑流分別是3°坡的1.09～1.62倍、1.39～2.08倍和1.65～2.54倍。相關(guān)分析結(jié)果（表3）表明，與雨強(qiáng)-坡度交互作用（×）相關(guān)性最高，這也說明了雨強(qiáng)和坡度共同作用決定了徑流流態(tài)變化。

阻力系數(shù)表示徑流受到阻力的大小。不同雨強(qiáng)條件下3°坡道路徑流阻力系數(shù)為0.45～1.42，同雨強(qiáng)條件下6°、9°和12°道路徑流是3°坡的1.09～2.37倍、1.21～4.90倍和1.34～10.02倍。對(duì)于同一雨強(qiáng)，道路徑流隨坡度增大而逐漸增大；對(duì)于同一坡度，3°和6°土質(zhì)道路隨雨強(qiáng)的增大而增大，而9°和12°土質(zhì)道路整體上隨雨強(qiáng)增大而減小。相關(guān)分析表明，只與坡度顯著相關(guān)（<0.05）。

2.2 土質(zhì)道路侵蝕特征

2.2.1 道路土壤剝蝕率變化特征

由圖2可知，3°～12°坡土質(zhì)道路土壤剝蝕率均隨雨強(qiáng)和坡度增大而增大，3°坡道路土壤剝蝕率為0.92～54.77 g/(m2·min)，同一雨強(qiáng)條件下 6°、9°和12°道路土壤剝蝕率分別是其1.40～3.22倍、1.78～5.74倍和1.96～11.57倍，當(dāng)雨強(qiáng)>1.0 mm/min時(shí)，6°、9°和12°道路土壤剝蝕率均顯著高于3°（<0.05）。同一坡度土質(zhì)道路，雨強(qiáng)越大剝蝕率之間差異也逐漸增大，各坡度道路土壤剝蝕率與雨強(qiáng)呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（2=0.871～0.938，<0.01）。表3相關(guān)分析結(jié)果表明，剝蝕率與坡度相關(guān)性不顯著（>0.05），與雨強(qiáng)及雨強(qiáng)-坡度交互作用（×）相關(guān)性極顯著（<0.01），這表明土質(zhì)道路土壤侵蝕受雨強(qiáng)和坡度交互作用（×）的影響。

Cao等[6]認(rèn)為道路土壤剝蝕率的大小是由雨強(qiáng)、坡度、徑流及土壤4個(gè)方面的因素決定。而本研究道路土壤為同一類型，由上分析可知，雨強(qiáng)—坡度交互項(xiàng)（×）對(duì)道路土壤剝蝕率影響顯著，圖3為土質(zhì)道路土壤剝蝕率與徑流率（）關(guān)系，土壤剝蝕率隨徑流率增大而增大，二者冪函數(shù)關(guān)系極顯著（2=0.812，<0.01），這說明徑流率也對(duì)道路土壤剝蝕具有顯著的影響。為分析雨強(qiáng)、坡度及徑流率共同作用對(duì)土壤剝蝕的影響，回歸分析剝蝕率與三者關(guān)系結(jié)果表明，剝蝕率與三者呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系：D=0.570.691.101.34（2=0.968，<0.01）。

2.2.2 道路土壤侵蝕動(dòng)力特征

土壤侵蝕是由徑流沖刷能力與土壤抗蝕性的相互作用決定[23]。徑流水動(dòng)力大小決定土壤侵蝕強(qiáng)弱，國(guó)內(nèi)外有關(guān)道路侵蝕模型的研究所采用的水動(dòng)力學(xué)多為徑流剪切力和徑流功率，為徑流力學(xué)參數(shù)，則屬?gòu)搅髂芰糠懂燵6,15-16]。圖4為土壤剝蝕率與剪切力和徑流功率之間的關(guān)系，3°坡土質(zhì)道路徑流剪切力為1.52～7.26 N/m2，6°、9°和12°徑流剪切力分別是其0.64～4.0倍、1.43～3.65倍和1.04～7.20倍；3°坡土質(zhì)道路徑流功率為0.12～1.19 W/(m2·s)，相同降雨條件下，6°、9°和12°土質(zhì)道路徑流功率是其1.005～8.59倍、2.22～5.65倍和1.34～18.90倍。回歸分析表明，剝蝕率隨剪切力的增大以線性方式增大（2=0.516，<0.001），圖4a中擬合方程的斜率為土壤可蝕性參數(shù)，基于國(guó)際制統(tǒng)一單位計(jì)算為2.10×10-4s/m，括號(hào)中常數(shù)為臨界剪切力，即道路發(fā)生土壤剝蝕的臨界徑流剪切力為2.15 N/m2。剝蝕率與徑流功率線性關(guān)系極顯著（2=0.684，<0.001），圖4b中擬合方程的斜率是土壤可蝕性參數(shù)，基于國(guó)際制統(tǒng)一單位計(jì)算為0.99 g/W，括號(hào)中常數(shù)為臨界徑流功率，也即道路發(fā)生土壤剝蝕的臨界徑流功率為0.41 W/(m2/s)。

a. 剝蝕率與剪切力的關(guān)系

a. Relationship between detachment rate and shear stress

2.3 土質(zhì)道路細(xì)溝發(fā)育特征

一般認(rèn)為細(xì)溝侵蝕形成的溝槽寬和深均不超過20 cm，細(xì)溝寬深比、復(fù)雜度、割裂度和細(xì)溝密度是表征細(xì)溝形態(tài)的重要參數(shù)[22]。3°坡道路較緩，水流較均勻，浮土層與土壤層容重差異較大，跌坎深度與浮土層厚度接近，降雨過程中跌坎以片狀方式連通，連通后的溝槽寬而淺，平均寬度均大于20 cm，平均深度1 cm左右，3°坡道路并未出現(xiàn)明顯細(xì)溝，而以片狀侵蝕為主。隨著坡度增加，徑流下切能力增強(qiáng)，6°、9°及12°坡面出現(xiàn)不同形態(tài)的細(xì)溝。6°～12°道路細(xì)溝形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4所示，各參數(shù)與雨強(qiáng)、坡度及其交互作用的相關(guān)系數(shù)如表5所示。

表4 細(xì)溝形態(tài)特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表5 細(xì)溝溝形態(tài)參數(shù)和侵蝕量與雨強(qiáng)、坡度及其交互作用的相關(guān)系數(shù)

細(xì)溝寬深比反映細(xì)溝溝槽形狀，6°、9°及12°道路細(xì)溝寬深比分別為1.97～3.75、1.93～2.50和1.80～2.17，除3.0 mm/min雨強(qiáng)條件下9°和12°路面細(xì)溝寬深比與6°接近外，其余雨強(qiáng)條件下，9°和12°路面細(xì)溝寬深比較6°減小14%～41%和4%～52%，這表明相同降雨條件下，坡度越大，徑流易匯集，徑流剪切力隨之而增強(qiáng)，細(xì)溝下切越深。不同坡度道路細(xì)溝寬深比差異不顯著（>0.05）。不同雨強(qiáng)條件下6°坡道路細(xì)溝寬深比呈現(xiàn)一定差異性，但坡度增大至9°和12°時(shí)，不同雨強(qiáng)形成的細(xì)溝寬深比差異不顯著（>0.05）。由表5可知，與不相關(guān)（>0.05），但與和×相關(guān)性極顯著（<0.01），這表明坡度對(duì)細(xì)溝形狀的影響較大，使雨強(qiáng)對(duì)其影響被掩蓋[24]。

細(xì)溝復(fù)雜度表征細(xì)溝溝網(wǎng)的豐富度，6°道路細(xì)溝復(fù)雜度為1.07～1.36，9°和12°路面細(xì)溝復(fù)雜度分別是6°的1.01～1.04倍和1.13～1.26倍，相同雨強(qiáng)條件下，隨著坡度增大，細(xì)溝復(fù)雜度增大；同一坡度道路細(xì)溝復(fù)雜度隨雨強(qiáng)增大而增大。這表明坡度和雨強(qiáng)越大，細(xì)溝在道路上分布越為復(fù)雜，但不同坡度和雨強(qiáng)條件下路面細(xì)溝復(fù)雜度差異均不顯著（>0.05）。由表5可知，與、和×均極顯著相關(guān)（<0.01），且與相關(guān)性最強(qiáng)，這說明了雨強(qiáng)和坡度的交互作用對(duì)道路細(xì)溝溝網(wǎng)豐富度影響最大[25-26]。

細(xì)溝割裂度和細(xì)溝密度反映坡面破碎程度和細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度。6°、9°和12°坡道路細(xì)溝割裂度分別為0.20%～6.83%、0.25%～9.33%和0.49%～10.33%，雨強(qiáng)為2.0和2.5 mm/min時(shí)，12°坡道路細(xì)溝割裂度顯著高于6°和9°。6°～12°道路細(xì)溝密度分別為0.067～1.96、0.08～1.30、0.30～2.01 m/m2，相同降雨條件下（除3.0 mm/min外），各坡度道路細(xì)溝密度無顯著差異（>0.05）；6°和12°坡度道路細(xì)溝密度隨雨強(qiáng)增大而增大。相關(guān)分析表明，和與均不相關(guān)（>0.05），但與和×相關(guān)性極顯著（<0.01），這表明雨強(qiáng)對(duì)細(xì)溝割裂度和密度的影響較大，使坡度對(duì)其影響被掩蓋[24]。

2.4 細(xì)溝對(duì)土質(zhì)道路土壤侵蝕的影響

圖5a、5b為不同降雨強(qiáng)度條件下6°、9°和12°道路總侵蝕量M和細(xì)溝侵蝕量M對(duì)比。6°道路土壤總侵蝕量為0.34～22.34 kg，相同降雨條件下，9°和12°道路土壤M增大0.10～1.19倍和0.21～3.23倍。6°道路細(xì)溝侵蝕量M為0.064～7.58 kg，9°和12°道路M分別是其0.89～3.10倍和1.47～4.29倍，除0.5和2.5 mm/min雨強(qiáng)外，其余雨強(qiáng)條件下9°和12°道路M顯著高于6°；各坡度道路M隨雨強(qiáng)的增大而增大。由表5可知，M和M與均不相關(guān)（>0.05），但均×相關(guān)程度最高（<0.01），這說明雨強(qiáng)和坡度的交互作用對(duì)道路土壤總侵蝕量和細(xì)溝侵蝕量的影響最顯著。

相同條件下6°、9°和12°道路細(xì)溝侵蝕量分別占總侵蝕量的18.74%～46.40%、18.0%～57.16%和19.02%～56.21%。同一坡度道路細(xì)溝侵蝕量所占比例隨雨強(qiáng)增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，雨強(qiáng)為0.5 mm/min時(shí)最小，雨強(qiáng)為1.5或2.0 mm/min時(shí)最大。這是由于雨強(qiáng)較小時(shí)，路面上細(xì)溝發(fā)育程度低，且細(xì)溝侵蝕泥沙中大多數(shù)來自于浮土顆粒，道路產(chǎn)沙以細(xì)溝間侵蝕為主，因此，細(xì)溝侵蝕量所占比例較小；隨著雨強(qiáng)增大，細(xì)溝發(fā)育程度較高，坡面水流更為集中，細(xì)溝內(nèi)徑流下切能力增強(qiáng)，細(xì)溝侵蝕量也相對(duì)增大，當(dāng)雨強(qiáng)>1.5 mm/min時(shí)，由于雨強(qiáng)較大，細(xì)溝間徑流剝蝕土壤能力相對(duì)增強(qiáng)，細(xì)溝間徑流侵蝕能力增加幅度高于細(xì)溝內(nèi)徑流，因此，細(xì)溝侵蝕量所占比例相對(duì)減小。

由表5可知，雨強(qiáng)-坡度的交互作用（×）對(duì)道路細(xì)溝形態(tài)和侵蝕量影響極顯著（<0.01），這是由于雨強(qiáng)和坡度越大，細(xì)溝密度和復(fù)雜度增大、細(xì)溝徑流路徑增長(zhǎng)、徑流侵蝕能力增強(qiáng)[22,25-26]，從而使坡面破碎更加嚴(yán)重并加劇了道路土壤侵蝕?；貧w分析總侵蝕量與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6c和圖6d可知，M與細(xì)溝割裂度和細(xì)溝密度均呈遞增的冪函數(shù)關(guān)系（2=0.96和0.73，<0.01），與細(xì)溝復(fù)雜度呈遞增的線性函數(shù)關(guān)系（圖6b，2=0.66，<0.01），這表明隨著細(xì)溝發(fā)育密度越大、復(fù)雜程度和割裂路面程度越高，總侵蝕量越大。圖6a表明，M與細(xì)溝寬深比呈遞減的指數(shù)函數(shù)關(guān)系（2=0.35，=0.01），這說明細(xì)溝發(fā)育寬度越寬、下切深度越小，侵蝕量越小，實(shí)質(zhì)上寬深比越大，溝槽寬而淺，侵蝕方式也即以片蝕為主。比較總侵蝕量與4個(gè)細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間關(guān)系可知，割裂度是影響土質(zhì)道路總侵蝕量的最佳細(xì)溝形態(tài)因子。

a. 土質(zhì)道路總侵蝕量變化

a. Variation of total erosion yield of unpaved road

3 討 論

3.1 土質(zhì)道路徑流特征

礦區(qū)土質(zhì)道路是一種特殊的坡面類型，具有容重大，入滲率低，路面存在一定厚度浮土等特點(diǎn)[6,12-13,15]，相應(yīng)地徑流產(chǎn)沙特征具有一定的特殊性。相同降雨條件下本研究土質(zhì)道路徑流率高于鄭海金等[27]對(duì)南方紅壤區(qū)土質(zhì)道路研究結(jié)果，這是由于南方紅壤農(nóng)田道路容重小于礦區(qū)道路容重，入滲率相對(duì)較大的緣故；但相同雨強(qiáng)條件下各坡度道路徑流率差異不顯著（>0.05），這是由于坡度增加徑流率的同時(shí)，也使徑流剪切土壤的能力增強(qiáng)，路面更為破碎，滯流作用也增強(qiáng)，坡度的增大對(duì)路面徑流率變化存在此消彼長(zhǎng)的作用[24-26]。雨強(qiáng)為0.5 mm/min時(shí)，3°～9°道路徑流流態(tài)尚屬層流，隨著雨強(qiáng)和坡度增大，坡度促進(jìn)了流速增大，雨強(qiáng)增強(qiáng)了徑流的紊動(dòng)性，二者的相互作用使徑流紊動(dòng)性增強(qiáng)[19]，徑流流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，同時(shí)也使坡面細(xì)溝更加發(fā)育，因此，徑流受到阻力也相應(yīng)地增大[15]。

3.2 土質(zhì)道路侵蝕特征

礦區(qū)土質(zhì)道路侵蝕過程可分為浮土片蝕階段和細(xì)溝侵蝕階段[12-13,28]。3°道路形成的徑流較均勻，徑流下切作用弱，形成的跌坎較淺，跌坎連通后形成的溝槽寬而淺，侵蝕過程以片狀侵蝕為主。坡度>3°時(shí)，徑流更加集中，剪切土壤能力增強(qiáng)，細(xì)溝不斷發(fā)育，土壤剝蝕率大大增強(qiáng)，相同降雨條件下，6°～12°坡度剝蝕率是3°坡的1.40～11.57倍，結(jié)果與黃鵬飛等[16]和Cao等[17]研究結(jié)果相似。各坡度道路土壤剝蝕率為0.92～324.46 g/(m2·min)，變幅巨大，這是由于不同降雨和坡度條件下細(xì)溝發(fā)育程度有著巨大的差異，細(xì)溝的形成改變了徑流在路面匯集的方式，更多徑流進(jìn)入細(xì)溝內(nèi)，徑流剪切力、徑流功率均不斷增大，這又促進(jìn)了細(xì)溝的發(fā)育[26]，導(dǎo)致侵蝕加劇。研究發(fā)現(xiàn)路面發(fā)生土壤剝蝕的臨界剪切力和臨界徑流功率分別為2.15 N/m2、0.41 W/(m2·s)，結(jié)果高于Foltz等[29]對(duì)沙壤土道路的研究，這是土壤容重和土壤質(zhì)地差異所致，但低于Cao等[15,17]對(duì)黃土高原農(nóng)田土質(zhì)道路的研究，這是由于本研究路面存在0.5 cm厚度浮土，且土壤中砂粒含量也較高，降低了土壤抗蝕性，因此本研究土壤發(fā)生剝蝕的臨界剪切力和徑流功率較低。

3.3 土質(zhì)道路細(xì)溝發(fā)育特征及其對(duì)侵蝕的影響

雨強(qiáng)為0.5～2.5 mm/min時(shí)，細(xì)溝寬深比隨坡度增大而減小，這說明坡度增強(qiáng)了細(xì)溝內(nèi)徑流下切能力，使細(xì)溝下切速度高于拓寬速度[22,26]。研究也發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)與細(xì)溝復(fù)雜度、割裂度和密度的相關(guān)程度高于坡度（表5），而沈海鷗等[22]認(rèn)為雨強(qiáng)對(duì)黃土坡面細(xì)溝割裂度和復(fù)雜度影響顯著，坡度對(duì)細(xì)溝寬深比和細(xì)溝密度影響更敏感，且細(xì)溝寬深比和細(xì)溝復(fù)雜度略低于本研究，主要是由于土壤質(zhì)地和土體結(jié)構(gòu)差異所致[15]，道路坡度相對(duì)較小且土壤容重較大，細(xì)溝發(fā)育深度較小，在路面上形成的細(xì)溝較淺，發(fā)育規(guī)模較小，侵蝕強(qiáng)度較弱。因此，寬深比及細(xì)溝彎曲程度（復(fù)雜度）較大，而細(xì)溝的密度和坡面破碎程度（割裂度）則相對(duì)較低。

相關(guān)分析表明，細(xì)溝寬深比與雨強(qiáng)不相關(guān)，細(xì)溝割裂度和細(xì)溝密度與坡度不相關(guān)，但均與二者的交互作用（×）相關(guān)性極顯著，這也說明細(xì)溝發(fā)育程度不是單因素影響的結(jié)果，而是由雨強(qiáng)和坡度的共同作用所致[26]。不同雨強(qiáng)和坡度條件下形成了發(fā)育程度不一的細(xì)溝，細(xì)溝形態(tài)決定了徑流下切作用的強(qiáng)弱，從而影響道路侵蝕強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝發(fā)育程度越高，土壤侵蝕量越大，其中細(xì)溝割裂度對(duì)土質(zhì)道路土壤侵蝕影響最為顯著。因此，在進(jìn)行土質(zhì)道路建設(shè)時(shí)應(yīng)注重道路排水方式，道路中部應(yīng)修建為微“凸”形，防止徑流匯集成股后增強(qiáng)對(duì)路面的切割[30]，道路兩側(cè)應(yīng)進(jìn)行夯實(shí)并根據(jù)徑流特征、臨界剪切力和臨界功率設(shè)計(jì)排水溝斷面尺寸和材料，便于路面徑流分散地進(jìn)入排水溝，結(jié)果可為礦區(qū)土質(zhì)道路水土保持工程措施設(shè)計(jì)及生產(chǎn)安全提供參數(shù)支持。

4 結(jié) 論

通過在野外建立（3°、6°、9°、12°）道路小區(qū)，在不同模擬降雨強(qiáng)度（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min）條件下研究神府礦區(qū)土質(zhì)道路徑流產(chǎn)沙規(guī)律、細(xì)溝形態(tài)特征及其對(duì)侵蝕的影響，主要結(jié)論如下：

1）各坡度道路徑流率為1.12～8.24 L/min，與雨強(qiáng)線性關(guān)系極顯著，隨坡度變化不顯著；0.5 mm/min雨強(qiáng)條件下3°～9°坡及1.0 mm/min條件下3°坡土質(zhì)道路徑流流態(tài)為層流，其余為紊流，雨強(qiáng)-坡度交互作用（×）對(duì)流態(tài)影響顯著；阻力系數(shù)只與坡度相關(guān)。

2）各坡度道路剝蝕率為0.92～324.46 g/(m2·s)，隨雨強(qiáng)和坡度的增大而增大。剝蝕率與雨強(qiáng)、坡度和徑流率呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（2=0.968，<0.01），道路土壤發(fā)生剝蝕的臨界剪切力和臨界徑流功率分別為2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。

3）3°道路以片狀侵蝕為主，6°～12°道路細(xì)溝發(fā)育，細(xì)溝寬深比、復(fù)雜度、割裂度和細(xì)溝密度分別為1.80～3.75、1.07～1.55、0.20%～10.33%和0.067～2.01 m/m2。坡度對(duì)細(xì)溝寬深影響高于雨強(qiáng)，雨強(qiáng)對(duì)細(xì)溝密度、復(fù)雜度及割裂度影響高于坡度，但均與雨強(qiáng)—坡度交互作用（×）極顯著相關(guān)（<0.01），細(xì)溝的發(fā)育程度是雨強(qiáng)和坡度共同作用的結(jié)果。

4）6°～12°道路細(xì)溝侵蝕量為0.064～12.66 kg，占總侵蝕量比例為18.0%～57.16%，細(xì)溝形態(tài)對(duì)總侵蝕量影響顯著，總侵蝕量與細(xì)溝寬深比呈遞減指數(shù)函數(shù)關(guān)系（2=0.35，=0.01），與細(xì)溝復(fù)雜度線性關(guān)系極顯著（2=0.66，<0.01），與細(xì)溝割裂度和細(xì)溝密度均呈遞增的冪函數(shù)關(guān)系（2=0.96和0.73，<0.01），割裂度是影響土質(zhì)道路總侵蝕量的最佳細(xì)溝形態(tài)因子。

[1] 張科利，徐憲利，羅麗芳. 國(guó)內(nèi)外道路侵蝕研究回顧與展望[J]. 地理科學(xué)，2008，28(1)：119－123.

Zhang Keli, Xu Xianli, Luo Lifang. Review and prospects on road erosion research[J]. Scientia Geographica Sinica, 2008, 28(1): 119－123. (in Chinese with English abstract)

[2] Dunne T. Sediment yield and land use in tropical catchments[J]. Journal of Hydrology, 1979, 42(3/4): 281－300.

[3] Ziegler A D, Sutherland R A, Giambelluca T W. Runoff generation and sediment production on unpaved roads, footpaths and agricultural land surfaces in northern Thailand[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2000, 25(5): 519－534.

[4] Croke J, Mockler S. Gully initiation and road-to-stream linkage in a forested catchment, southeastern Australia[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2001, 26(2): 205－217.

[5] Ziegler A D, Giambelluca T W, Sutherland R A. Erosion prediction on unpaved mountains roads in northern Thailand: validation of dynamic erodibility modeling using KINEROS2[J]. Hydrological Processes, 2001, 15(3): 337－358.

[6] Cao L X, Zhang K L, Dai H L, et al. Modeling interrill erosion on unpaved roads in the Loess Plateau of China[J]. Land Degradation and Development, 2015, 26(8): 825－832.

[7] Desprats J F, Raclot D, Rousseau M, et al. Mapping linear erosion features using high and very high resolution satellite imagery[J]. Land Degradation and Development, 2013, 24(1): 22－32.

[8] Xu X L, Liu W, Kong Y P, et al. Runoff and water erosion on road side-slopes: effects of rainfall characteristics and slope length[J]. Transportation Research Part D, 2009, 14(7): 497－501.

[9] Martínez-Zavala L, Jordán L A, Bellinfante N. Seasonal variability of runoff and soil loss on forest road back slopes under simulated rainfall[J]. Catena, 2008, 74(1): 73－79.

[10] Dong J Z，Zhang K L，Guo Z L. Runoff and soil erosion from highway construction spoil deposits: A rainfall simulation study[J]. Transportation Research Part D, 2012, 17(1): 8－14.

[11] Carlos E, Ramos S. Sediment production from unpaved roads in a sub-tropical dry setting-Southwestern Puerto Rico[J]. Catena, 2010, 82(3): 146－158.

[12] 史志華，陳利頂，楊長(zhǎng)春，等. 三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)道路侵蝕產(chǎn)沙過程的模擬降雨試驗(yàn)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，2(12)：6785－6792.

Shi Zhihua, Chen Liding, Yang Changchun, et al. Soil loss and runoff processes on unpaved road from rainfall simulation tests in the Three Gorges Area, China[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2009, 2(12): 6785－6792. (in Chinese with English abstract)

[13] 李建明，秦偉，左長(zhǎng)清，等. 黃土高原土質(zhì)路浮土徑流產(chǎn)沙模擬降雨試驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(9)：2337－2345.

Li Jianming, Qin Wei, Zuo Changqing, et al. Runoff and sediment yielding for unpaved road regolith on the Loess Plateau with simulated rainfall[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(9): 2337－2345. (in Chinese with English abstract)

[14] Damian, F. Cross-drain Placement to Reduce Sediment Delivery from Forest Roads to Streams[D]. Seattle, Washington: University of Washington, College of Forest Resources, 2003.

[15] Cao L X, Zhang K L, Dai H L, et al. Modeling soil detachment on unpaved road surfaces on the Loess Plateau[J]. Transactions of the ASABE, 2011, 54(4): 1377－1384.

[16] 黃鵬飛，王文龍，羅婷，等. 非硬化土路徑流侵蝕產(chǎn)沙動(dòng)力參數(shù)分析[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24(2)：497－502.

Huang Pengfei, Wang Wenlong, Luo Ting, et al. Analysis of hydrodynamics parameters of runoff erosion and sediment-yielding on unpaved road[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(2): 497－502. (in Chinese with English abstract)

[17] Cao L X, Zhang K L, Zhang W. Detachment of road surface soil by flowing water[J]. Catena, 2009, 76(2): 155－162.

[18] 張光輝，劉寶元，李平康. 槽式人工模擬降雨機(jī)的工作原理與特性[J]. 水土保持通報(bào)，2007，27(6)：56－60.

Zhang Guanghui, Liu Baoyuan, Li Pingkang. Principles and properties of artificial trough rainfall simulator[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2007, 27(6): 56－60. (in Chinese with English abstract)

[19] 田風(fēng)霞，劉剛，鄭世清，等. 草本植物對(duì)土質(zhì)路面徑流水動(dòng)力學(xué)特征及水沙過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(10)：25－29.

Tian Fengxia, Liu Gang, Zheng Shiqing, et al. Influence of herbaceous plants on runoff hydraulic characteristics and sediment generation on terrene roads[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(10): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[20] 鄭粉莉，武敏，張玉斌，等. 黃土陡坡裸露坡耕地淺溝發(fā)育過程研究[J]. 地理科學(xué)，2006，26(4)：438－442.

Zheng Fenli, Wu Min, Zhang Yubin, et al. Ephemeral gully development process at loess steep hillslope[J]. Scientia Geographica Sinica, 2006, 26(4): 438－442. (in Chinese with English abstract)

[21] Capra P P, Scicolone B. Relationships between rainfall characteristics and ephemeral gully erosion in a cultivated catchment in Sicily (Italy)[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 105(1): 77－87.

[22] 沈海鷗，鄭粉莉，溫磊磊，等. 降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)細(xì)溝形態(tài)特征的綜合影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(7)：162－170.

Shen Haiou, Zheng Fenli, Wen Leilei, et al. Effects of rainfall intensity and slope gradient on rill morphological characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 162－170. (in Chinese with English abstract)

[23] Guy B T, Rudra R P, Dickenson W T, et al. Empirical model for calculating sediment-transport capacity in shallow overland flows: Model development. Biosystems Engineering, 2009, 103(1): 105－115.

[24] 李君蘭，蔡強(qiáng)國(guó)，孫莉英，等. 坡面水流速度與坡面含砂量的關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(3)：73－78.

Li Junlan, Cai Qiangguo, Sun Liying, et al. Relationship between the spatial distribution of flow velocity and sediment concentration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(3): 73－78. (in Chinese with English abstract)

[25] 和繼軍，孫莉英，李君蘭，等. 緩坡面細(xì)溝發(fā)育過程及水沙關(guān)系的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10)：138－144.

He Jijun, Sun Liying, Li Junlan, et al. Experimental study on rill evolution process and runoff-sediment relationship for gentle slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 138－144. (in Chinese with English abstract)

[26] 和繼軍，宮輝力，李小娟，等. 細(xì)溝形成對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2014，25(1)：90－97.

He Jijun, Gong Huili, Li Xiaojuan, et al. Effects of rill development of runoff and sediment yielding processes[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(1): 90－97. (in Chinese with English abstract)

[27] 鄭海金，楊杰，張洪江，等. 南方紅壤區(qū)農(nóng)田道路強(qiáng)降雨侵蝕過程試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(9)：85－90，98.

Zheng Haijin, Yang Jie, Zhang Hongjiang, et al. Field simulated experiment on erosion processes of different farm roads under a heavy rain in red soil region[J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery, 2012, 43(9): 85－90, 98. (in Chinese with English abstract)

[28] 李建明，秦偉，左長(zhǎng)清，等. 黃土區(qū)土質(zhì)道路浮土侵蝕過程[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，26(5)：1484－1494.

Li Jianming, Qin Wei, Zuo Changqing, et al. Processes of earth road regolith erosion in loess area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(5): 1484－1494. (in Chinese with English abstract)

[29] Foltz R B, Rhee H, Elliot W J. Modeling changes in rill erodibility and critical shear stress on native surface roads[J]. Hydrological Processes, 2008, 22(24): 4783－4788.

[30] Nyssen J, Moeryersons J. Impact of road building on gully erosion risk: A case study from the northern Ethiopian Highlands[J]. Earth Surface Process and Landforms, 2002, 27(12): 1267－1283.

Runoff, sediment yield and rill development characteristic of unpaved road in mining area under field artificial simulated rainfall condition

Guo Mingming1, Wang Wenlong1,2※, Li Jianming3, Zhu Baocai1,4, Shi Qianhua1, Kang Hongliang1, Li Yanfu5

(1.712100; 2.712100; 3.430010,; 4.030801; 5.210029)

Serious man-made soil and water loss are common on unpaved roads in the mining area of Shenfu Coalfield. In general, unpaved roads are frequently rolled by transport machinery and result in massive mud after rainfall. A certain thickness of loose surface soil layer is generated after the mud is air-dried and rolled, which negatively impacts the ecological environment. An artificially simulated rainfall experiment was carried out in this study. The law of runoff and sediment yields and the characteristic of rill morphology development of unpaved road in mining area were studied at different rainfall intensities and slope degrees. According to the results of field investigations, the slope of roads usually ranged from 2° to 20° in the area and thus we set the slope of plots to 3°, 6°, 9°and 12°. Six rainfall intensities were tested, varying from 0.5 to 3.0 mm/min with an interval of 0.5 mm/min. The thickness of loose surface soil layer was set to 0.5 cm in our experiments. Plot used in the experiment was laid out to be 3 m×1 m and two flow sections were set for the measurement of runoff and sediment. Before each experiment, rainfall intensity was calibrated repeatedly until the rainfall uniformity coefficient reached 80% or higher. Soil particle composition was determined using Mastersizer 2000, whilst soil bulk density and moisture content were measured using the oven-drying method. During each experiment, flow velocity was measured with the dye tracing method. Flow width and depth were measured with a point gauge system. From 3 minutes before the runoff generation, runoff samples were taken once a minute. Other samples were taken every 3 minutes after runoff generation. All of the experiment was repeated twice. Results showed that: 1) Runoff rates varied from 1.12 to 8.24 L/min and had a significant linear relationship with rainfall intensities and no correlation with slope degrees. The Reynolds number and Resistance coefficient were 232.38-2 073.0 and 0.45-4.47, respectively. The turblence intensity of runoff increased with the increases of rainfall intensities and slope degrees. Resistance coefficient varied significantly with slope. 2) The soil detachment rate of unpaved road ranged from 0.92 to 324.46 g/(m2·s) and was a significant power function of rainfall intensities, slope degrees and runoff rates. Critical shear stress and stream power activating sediment detachment of unpaved roads were found to be 2.15 N/m2and 0.41 W/(m2·s). 3) Sheet erosion was the main erosion form on unpaved roads with a slope degree of 3°. The rill formed on the road surface when the slope degree was greater than 3°. The rill breadth depth ratio, rill complexity degree, rill split degree and rill density were 1.80-3.75, 1.07-1.55, 0.20%-10.33% and 0.067-2.01 m/m2, respectively. Overall, the rill density increased with rainfall intensity increased, rill breadth depth ratio decreased with slope degrees increased and rill complexity degree and split degree were positively correlated with the interaction of rainfall intensities and slope degrees. 4) Ratios of rill soil erosion yield to the total soil erosion yield were 18.0%-57.16%. The power function could be used to describe the relationship between total erosion yield and rill split degree and rill density. Exponential and linear functions were found to be useful to express the relationship between total erosion yield and rill breadth depth ratio and complexity degree. The results provide key parameters to the implementation of engineering soil and water conservation measures on unpaved roads and are therefore meaningful for the production safety in the mining area.

erosion; runoff; hydrodynamics; Shenfu mining area; road; rill; morphological characteristic

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.020

S157.1

A

1002-6819(2016)-24-0155-09

2016-03-03

2016-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（41571275，41302199）；中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃（KZCX-XB3-13）；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目（KZZD-EW-04-03）

郭明明，男，博士生，主要從事土壤侵蝕研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。Email：st_gmm@163.com

王文龍，男，博士生導(dǎo)師，研究員，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。楊凌 中科院水利部水土保持研究所，712100。 Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn