張 翔, 高照良

(1.萍鄉(xiāng)學(xué)院, 江西 萍鄉(xiāng) 337000; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

工程堆積體已成為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失最主要的泥沙策源地[1-2]，碾壓密實(shí)的堆積平臺(tái)也為堆積體邊坡土壤侵蝕的發(fā)生提供了充足的匯水面積。堆積體坡面土壤侵蝕已然嚴(yán)峻，但作為影響坡面徑流與水流侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的重要地貌因素之一的坡長(zhǎng)，分析其對(duì)堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響顯得尤為必要[3]，此研究對(duì)建立土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型、制訂合理、有效的水土保持體系有著重要的理論價(jià)值。

至于坡長(zhǎng)對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，其實(shí)各國(guó)學(xué)者均已展開過(guò)深入的研究，但所得到的結(jié)論卻莫衷一是。Lal[4]通過(guò)對(duì)尼日利亞的淋溶土研究表明，單位面積徑流量是隨著坡長(zhǎng)的增加而減少的，年均徑流量與坡長(zhǎng)呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。Truman等[5]分別對(duì)0.6，3，43 m共3個(gè)坡長(zhǎng)的野外小區(qū)進(jìn)行研究表明，徑流量和泥沙含量均與坡長(zhǎng)存在顯著相關(guān)性，一旦達(dá)到臨界坡長(zhǎng)，細(xì)溝侵蝕便開始發(fā)生，細(xì)溝在0.6 m坡長(zhǎng)上未出現(xiàn)，在3 m坡長(zhǎng)上細(xì)溝出現(xiàn)并不起主導(dǎo)作用，43 m的坡長(zhǎng)的細(xì)溝侵蝕量遠(yuǎn)大于前兩個(gè)坡長(zhǎng)。蔡強(qiáng)國(guó)[6]的研究揭示出，徑流量和侵蝕產(chǎn)沙量均隨著坡長(zhǎng)的增大而遞增，但當(dāng)坡長(zhǎng)達(dá)到某一臨界坡長(zhǎng)時(shí)，單位面積的侵蝕產(chǎn)沙量會(huì)隨著坡長(zhǎng)的增大而遞減[7]，說(shuō)明當(dāng)坡面徑流量相同時(shí)，坡面侵蝕量存在最大值，且存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的臨界坡長(zhǎng)，但目前的研究對(duì)此臨界值是否存在以及大小尚無(wú)定論[8]。黎四龍等[9]根據(jù)好幾年的觀測(cè)資料，探討降雨強(qiáng)度變化對(duì)坡長(zhǎng)與侵蝕量關(guān)系的影響程度表明:小雨強(qiáng)情況下，產(chǎn)沙量隨著坡長(zhǎng)的增大呈緩慢增大趨勢(shì)，雨強(qiáng)較大情況時(shí)，產(chǎn)沙量隨坡長(zhǎng)的增大遞增幅度更大。郭新亞等[10]對(duì)黔西北地區(qū)坡面進(jìn)行試驗(yàn)研究表明，徑流量隨坡長(zhǎng)的增大呈上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)沙量隨坡長(zhǎng)的增大而遞增，且產(chǎn)沙量與坡長(zhǎng)之間存在良好的線性函數(shù)關(guān)系。

盡管前人就坡長(zhǎng)對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的研究比較多，但關(guān)于在不同坡長(zhǎng)情況下工程堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的研究還甚少，分析多個(gè)坡長(zhǎng)(5個(gè))對(duì)單一土壤(土)堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響更不多見。為此，選擇野外堆積體坡面進(jìn)行人工模擬徑流沖刷試驗(yàn)，分析不同坡長(zhǎng)情況下土堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，對(duì)堆積體坡面侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程進(jìn)行探討，以期為土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)地選在陜西楊凌水土保持試驗(yàn)站，地處國(guó)家楊凌高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，后河右岸，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°—108°07′，北緯34°—34°20′[11]。該地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，多年的平均氣溫在13℃左右，多年平均降水量為610.2 mm，該區(qū)的地帶性土壤屬于土，坡面重力侵蝕嚴(yán)重，雨季短而集中，侵蝕較為嚴(yán)重，小區(qū)通過(guò)在自然陡坡面進(jìn)行機(jī)械開挖出試驗(yàn)所需坡度，在開挖坡面上建立徑流小區(qū)，在徑流小區(qū)內(nèi)填入工程項(xiàng)目開挖產(chǎn)生的棄土棄渣，清除棄渣中的雜草和植物根系，坡面未采取任何植物和工程措施，小區(qū)坡面在水平面上的面積為20 m×5 m。把試驗(yàn)收集并烘干的泥沙土壤進(jìn)行室內(nèi)粒徑分析試驗(yàn)，結(jié)果可知粒徑基本上都在1 mm以下，土壤顆粒粒徑在<0.002 mm，0.005～0.002 mm，0.01～0.005 mm，0.02～0.01 mm，0.05～0.02 mm，0.1～0.05 mm，0.2～0.1 mm范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)含量依次是24.04%，6.64%，9.22%，20.29%，35.20%，4.51%，0.1%。試驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

注：1儲(chǔ)水桶、2水閥、3恒壓桶、4溢流管、5流量計(jì)、6溢流槽、7觀測(cè)斷面、8坡度、9試驗(yàn)小區(qū)、10集流桶。

圖1試驗(yàn)小區(qū)及放水裝置示意圖

試驗(yàn)準(zhǔn)備期，先用鐵皮把坡面豎立分割成坡寬為1 m的坡面，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)方案內(nèi)的3個(gè)坡度、5個(gè)坡長(zhǎng)共計(jì)15個(gè)試驗(yàn)坡面，根據(jù)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)(1.5 mm/min)和前期放水預(yù)試驗(yàn)情況，確定沖刷流量分別為6，12，18，24，30 L/min。為保證試驗(yàn)各個(gè)坡面下墊面基本相同，對(duì)各個(gè)坡面同時(shí)進(jìn)行坡面整理。為控制土壤容重和含水率，人為地對(duì)坡面進(jìn)行翻挖30 cm，然后整平、壓實(shí)，并在試驗(yàn)前24 h對(duì)坡面土壤進(jìn)行均勻?yàn)⑺?，直到坡面即將產(chǎn)流為止并用塑料薄膜覆蓋，坡面產(chǎn)流后，記錄下產(chǎn)流時(shí)間，且在試驗(yàn)的前3 min內(nèi)每隔1 min測(cè)量1次斷面穩(wěn)定流速、水深、渾水總量、收集徑流泥沙樣品，3 min以后每隔3 min測(cè)量1次各項(xiàng)指標(biāo)。30 min后停止放水。坡面細(xì)溝的發(fā)育情況以人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溝寬和溝深，坡面水流流速采用高錳酸鉀染色示蹤法。坡長(zhǎng)為4 m時(shí)，流速測(cè)量間距為0.6 m，溝深和溝寬測(cè)量間隔分別為0.5 m；坡長(zhǎng)為8，12，16 m時(shí)，流速測(cè)量間距均為1.5 m，溝深和溝寬測(cè)量間隔分別為1，1.5，2 m；坡長(zhǎng)為20 m時(shí)，流速測(cè)量間距為2 m，溝深和溝寬測(cè)量間隔為2 m。用溫度計(jì)測(cè)定水溫，收集的徑流泥沙樣品采用烘干法進(jìn)行處理，溝寬和溝深采用鋼尺進(jìn)行人工測(cè)量，試驗(yàn)土壤采用激光粒度分析儀分析其機(jī)械組成[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面產(chǎn)流率的變化過(guò)程

產(chǎn)流率是表征在不同坡長(zhǎng)、坡度、雨強(qiáng)及下墊面等因素齊力作用下，徑流對(duì)坡面土壤分離和運(yùn)輸?shù)哪芰13]，分析產(chǎn)流率的時(shí)空變化是研究坡面土壤侵蝕的前提，在不同坡長(zhǎng)、坡度情況下，點(diǎn)繪坡面產(chǎn)流率隨時(shí)間變化的曲線圖(圖2)。

圖2產(chǎn)流率隨放水時(shí)間的變化特征

如圖2A所示，32°坡度條件下的產(chǎn)流率的時(shí)空變化情況如下：

(1) 產(chǎn)流率在0～12 min前，隨放水時(shí)間的持續(xù)呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的增大變化，在12～30 min內(nèi)，產(chǎn)流率隨時(shí)間呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化；原因是水耗因子(入滲、蒸發(fā)等)逐漸趨于穩(wěn)定，以致坡面徑流增大，相應(yīng)的產(chǎn)流率逐漸遞增；但在12～30 min內(nèi)，產(chǎn)流率隨時(shí)間呈上下波動(dòng)變化，原因是在試驗(yàn)前期，坡面經(jīng)過(guò)人為地整為稍凹型，誘導(dǎo)坡面只形成了一條細(xì)溝，過(guò)水面積內(nèi)的土壤在0～12 min左右便達(dá)到飽和狀態(tài)，但隨著放水試驗(yàn)的繼續(xù)，隨著溝岸、溝底的不斷橫向縱向侵蝕，坡面不時(shí)出現(xiàn)溝壁倒塌沖擊溝內(nèi)水流形成壅水、水流加速，導(dǎo)致產(chǎn)流率陡增，而后水流穩(wěn)定，產(chǎn)流率驟降，如此周而復(fù)始，以致產(chǎn)流率在此階段呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。

(2) 不同坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流率隨時(shí)間的變化并不一致，在16，20 m坡長(zhǎng)下，產(chǎn)流率隨產(chǎn)流時(shí)間的持續(xù)均波動(dòng)性比較大；在4，8，12 m坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流率隨時(shí)間呈現(xiàn)整體上升并趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。原因是在32°坡度、大坡長(zhǎng)條件下，坡面水流流速逐漸加速，快速的坡面流后，坡面逐漸形成跌坎鏈，然而隨著坡面細(xì)溝的貫通，伴隨著是不斷的溯源、重力和下切侵蝕，溝內(nèi)時(shí)而產(chǎn)生土塊沖擊水流，致使產(chǎn)流率上下波動(dòng)比較大，但在小坡長(zhǎng)情況下，坡面相應(yīng)的徑流量較小，水流侵蝕力不足，坡面細(xì)溝發(fā)育比較緩慢，主要在試驗(yàn)后期才出現(xiàn)溝壁倒塌，因此坡面產(chǎn)流率在小坡長(zhǎng)條件下，前期呈現(xiàn)緩慢穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在試驗(yàn)的中后期才出現(xiàn)波動(dòng)。

如圖2B所示，28°坡度條件下的產(chǎn)流率的時(shí)空變化情況如下：

(1) 產(chǎn)流率在0～18 min前，隨沖刷歷時(shí)的變化呈現(xiàn)穩(wěn)定的遞增狀態(tài)，在18～30 min內(nèi)，產(chǎn)流率隨時(shí)間的變化便逐漸趨于平穩(wěn)。原因是在28°坡度下，較32°坡度相比，坡面水流動(dòng)能較小，徑流侵蝕能力較弱，坡面水流狀態(tài)從薄層流到出現(xiàn)跌坎鏈再到完整的貫通細(xì)溝需要的時(shí)間更長(zhǎng)，由于坡面不斷的侵蝕，產(chǎn)生新的土壤接觸面，一直溝內(nèi)的入滲、蒸發(fā)等水量損耗因素才逐漸穩(wěn)定，因此坡度下的產(chǎn)流率在18 min前隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；由于在18 min左右，坡面細(xì)溝已形成，溝內(nèi)水流形態(tài)也趨于穩(wěn)定，所以在18～30 min內(nèi)，產(chǎn)流率隨沖刷歷時(shí)的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定。

(2) 不同坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流率隨時(shí)間的變化并不一致，在16，20 m坡長(zhǎng)下，產(chǎn)流率在0～18 min前的波動(dòng)性較大，在18 min后便逐漸趨于穩(wěn)定；在4，8，12 m坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流率在0～18 min前穩(wěn)步遞增，在18 min后才稍有波動(dòng)。原因是在大坡長(zhǎng)條件下，試驗(yàn)初期坡面水流流速迅速增大，坡面水流的徑流侵蝕能力較大，很快形成跌坎并貫通細(xì)溝，而且由于侵蝕能力大，溝內(nèi)溝壁時(shí)有坍塌，導(dǎo)致前18 min產(chǎn)流率呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，在坡面細(xì)溝基本形成，溝內(nèi)水流形態(tài)也趨于穩(wěn)定，才逐漸趨于穩(wěn)定；在小坡長(zhǎng)情況下，坡面相應(yīng)的徑流量較小，水流侵蝕力不足，坡面細(xì)溝發(fā)育比較緩慢，主要在試驗(yàn)后期才出現(xiàn)溝壁倒塌，所以出現(xiàn)先遞增在逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。

如圖2C所示，24°坡度條件下的產(chǎn)流率的時(shí)空變化情況如下：

(1) 產(chǎn)流率在前3 min出現(xiàn)陡增，然后是隨著放水時(shí)間的持續(xù)表現(xiàn)為略帶波動(dòng)的穩(wěn)步增大。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是：在前3 min時(shí)，坡面水流狀態(tài)還是薄層坡面流，并未產(chǎn)生跌坎，加上坡面經(jīng)過(guò)人工平整，坡面比較光滑，水流受到的阻力較小，因此階段產(chǎn)流率的增幅較大，而后坡面逐漸出現(xiàn)跌坎，此時(shí)坡面水流阻力增大，坡面水流流速降低，才導(dǎo)致產(chǎn)流率隨沖刷歷時(shí)的持續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)步增大，加上一個(gè)個(gè)的跌坎產(chǎn)生跌坎鏈并逐步貫通成細(xì)溝，溝內(nèi)不時(shí)出現(xiàn)溝壁坍塌，導(dǎo)致某些時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)驟增驟降，從而形成產(chǎn)流率隨時(shí)間呈現(xiàn)略微的波動(dòng)變化。

(2) 不同坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流率隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，這表明在24°坡度下，不同坡長(zhǎng)的坡面徑流量都比較穩(wěn)定，坡長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)流率的影響不明顯。

2.2 產(chǎn)沙率變化過(guò)程

產(chǎn)沙率表示單位時(shí)間內(nèi)坡面徑流侵蝕所挾帶的泥沙，分析產(chǎn)沙率隨時(shí)間的時(shí)空變化，有利于進(jìn)一步了解工程堆積體坡面土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)過(guò)程。不同坡度、坡長(zhǎng)情況下，點(diǎn)繪產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化曲線(圖3)。

圖3產(chǎn)沙率隨放水時(shí)間變化特征

如圖3A所示，32°坡面堆積體坡面細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙率的變化情況如下：

(1) 產(chǎn)沙率在0～12 min前，隨著放水時(shí)間的持續(xù)呈現(xiàn)稍微的增大，在12～30 min內(nèi)，產(chǎn)沙率隨時(shí)間呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化。這是因?yàn)樵诋a(chǎn)流初期，堆積體坡面表面組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，表層抗蝕性較差的物質(zhì)較多，此階段坡面已形成跌坎鏈并開始形成細(xì)溝，細(xì)溝的逐漸貫通致使產(chǎn)沙量有所遞增。而后坡面細(xì)溝形成，為泥沙的輸移提供了通道，徑流剪切力較大，細(xì)溝不斷往橫向縱向發(fā)展，細(xì)溝溝壁倒塌沖擊水流，致使此階段產(chǎn)沙率隨沖刷時(shí)間的持續(xù)呈上下波動(dòng)的變化。

(2) 在不同坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)沙率在0～12 min前，隨著坡長(zhǎng)的增加，基本呈現(xiàn)的是逐漸增大的趨勢(shì)，在12～30 min內(nèi)，大坡長(zhǎng)(16，20 m)條件下產(chǎn)沙率隨時(shí)間的波動(dòng)幅度相對(duì)小坡長(zhǎng)(4，8，12 m)較大。這是因?yàn)樵诋a(chǎn)流初期，隨著坡長(zhǎng)的增大，整體表層可侵蝕物質(zhì)更多，相應(yīng)坡面侵蝕量也更大，因此產(chǎn)沙率在此階段隨著坡長(zhǎng)的增大是呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)的；而后在大坡長(zhǎng)(16，20 m)條件下坡面水流流速較大，坡面侵蝕很快轉(zhuǎn)向細(xì)溝侵蝕，加上水流侵蝕力、剪切力相應(yīng)較大，細(xì)溝溝壁坍塌更嚴(yán)重，以致大坡長(zhǎng)情況下產(chǎn)沙率隨時(shí)間的波動(dòng)幅度大于小坡長(zhǎng)情況下。

如圖3B所示，28°坡面堆積體坡面細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙率的變化情況如下：

(1) 產(chǎn)沙率隨著放水時(shí)間的持續(xù)呈顯著的上下跳躍波動(dòng)變化，這是因?yàn)樵?8°坡度下，坡面水流在不同坡長(zhǎng)條件下均能達(dá)到較大的流速和剪切力，很快坡面形成細(xì)溝，加上細(xì)溝的不斷侵蝕，細(xì)溝溝壁不時(shí)的坍塌引起產(chǎn)沙率整體上的上下跳躍波動(dòng)。

(2) 不同坡長(zhǎng)條件下產(chǎn)沙率隨放水時(shí)間的變化過(guò)程并不一致的，4 m坡長(zhǎng)情況下，產(chǎn)沙率在0～9 min內(nèi)表現(xiàn)著穩(wěn)定的上升，后期便出現(xiàn)跳躍波動(dòng)特征；其他坡長(zhǎng)(8，12，16，20 m)情況下，產(chǎn)沙率基本在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均表現(xiàn)出上下波動(dòng)特征。這是因?yàn)閷?duì)應(yīng)28°的坡度在4 m坡長(zhǎng)情況下，坡面水流侵蝕能力相對(duì)較小，坡面土壤侵蝕過(guò)程較緩慢，可以觀察到坡面水流形態(tài)從坡面流到細(xì)溝流的變化過(guò)程，此階段也就是產(chǎn)沙率增大的階段，而后侵蝕加劇，溝道下切、溝壁擴(kuò)張，甚至溝壁塌陷，導(dǎo)致后期產(chǎn)沙率出現(xiàn)跳躍波動(dòng)的情況；在其他坡長(zhǎng)條件下，由于坡面呈微凹型，在產(chǎn)流初期坡面便已形成一條細(xì)溝，因此在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均表現(xiàn)為上下波動(dòng)特征。

如圖3C所示，24°坡面堆積體坡面細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙率的變化情況如下：

產(chǎn)沙率在坡長(zhǎng)(8，12，16，20 m)條件下，隨著放水時(shí)間呈現(xiàn)上下波動(dòng)變化，這與其他兩個(gè)坡度情況一致，都是由于發(fā)生細(xì)溝侵蝕，細(xì)溝溝壁坍塌、溝岸擴(kuò)張引起的。但產(chǎn)沙率在4 m坡長(zhǎng)情況下，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程基本上呈現(xiàn)平穩(wěn)不變的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種情況的原因是在此坡度、坡長(zhǎng)條件下，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程坡面細(xì)溝侵蝕不顯著，只出現(xiàn)少量的跌坎，由此也可得出在24°坡度條件下，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)還應(yīng)在4 m以下。

2.3 坡面含沙量變化過(guò)程

含沙量作為表征坡面土壤侵蝕程度的重要參數(shù)[14-15]，探討含沙量在坡面上的時(shí)空變化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。點(diǎn)繪不同坡度、坡長(zhǎng)條件下，含沙量隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

圖4含沙量隨放水時(shí)間變化特征

由圖4可以看出，含沙量隨放水時(shí)間呈現(xiàn)的是先減小而后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，這是由于產(chǎn)流初期，表層土質(zhì)疏松，表層侵蝕嚴(yán)重，因此含沙量大，隨著坡面細(xì)溝的形成，下層土壤抗蝕能力大，侵蝕速率變緩，因此含沙量呈現(xiàn)先減小而后保持穩(wěn)定。

通過(guò)進(jìn)一步分析不同坡度不同坡長(zhǎng)條件下，含沙量平均值的變化規(guī)律可知，在32°坡度條件下，4，8，12，16，20 m坡長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的平均含沙量分別為0.21，0.37，0.41，0.46，0.52，在28°坡度條件下，4，8，12，16，20 m坡長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的平均含沙量分別為0.31，0.36，0.42，0.45，0.50，在24°坡度條件下，4，8，12，16，20 m坡長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的平均含沙量分別為0.04，0.36，0.39，0.41，0.49。由具體的數(shù)據(jù)可知，在不同坡度條件下，平均含沙量均隨著坡長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，且24°坡度、4 m坡長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的坡面水流平均含沙量顯著偏低。出現(xiàn)這種情況的原因是隨著坡長(zhǎng)的增大，坡面表層可侵蝕物質(zhì)更多，相應(yīng)坡面侵蝕量也更大，對(duì)應(yīng)坡面水流含沙量也逐漸增大，對(duì)于24°坡度、4 m坡長(zhǎng)出現(xiàn)的情況，是因?yàn)槠旅婕?xì)溝侵蝕不顯著，坡面水流僅侵蝕坡面少量松散物質(zhì)，由試驗(yàn)測(cè)量溝深偏低也可知，坡面水流含沙量顯著偏低。

2.4 坡面累積產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量變化過(guò)程

2.4.1 累積產(chǎn)流量變化過(guò)程 為探討坡面累積產(chǎn)流量隨時(shí)間的關(guān)系，擬合不同坡度、坡長(zhǎng)條件下累積產(chǎn)流量與時(shí)間函數(shù)關(guān)系(表1)。

由表1可知，坡面累積產(chǎn)流量與放水時(shí)間的關(guān)系能很好地用線性方程表達(dá)，累積產(chǎn)流量隨著放水時(shí)間呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。在32°坡度條件下，累積產(chǎn)流量的增長(zhǎng)率隨著坡長(zhǎng)增大依次為4.05，10.45，8.91，25.07，29.75 L/min，8，12 m和16，20 m這兩組坡長(zhǎng)條件下，累積產(chǎn)流量的增長(zhǎng)率差異性不大；在28°坡度條件下，累積產(chǎn)流量的增長(zhǎng)率隨著坡長(zhǎng)增大依次為4.14，10.06，8.32，23.78，23.09 L/min，同樣8，12 m和16，20 m兩組坡長(zhǎng)條件下的增長(zhǎng)率互相差異不大；在24°坡度條件下，累積產(chǎn)流量的增長(zhǎng)率隨著坡長(zhǎng)增大依次為3.75，9.87，16.48，23.24，20.79 L/min，16，20 m坡長(zhǎng)條件下的增長(zhǎng)率互相差異不大；綜合來(lái)看，累積產(chǎn)流量隨著坡長(zhǎng)的增大總體是增大的，但受坡度的影響，會(huì)使增長(zhǎng)率在有些坡長(zhǎng)之間不存在遞增現(xiàn)象。在4 m坡長(zhǎng)下，增長(zhǎng)率按坡度增大順序依次為3.75，4.14，4.05 L/min，在8 m坡長(zhǎng)下，增長(zhǎng)率按坡度增大順序依次為9.87，10.06，10.45 L/min，在12 m坡長(zhǎng)下，增長(zhǎng)率按坡度增大順序依次為16.48，8.32，8.91 L/min，在16 m坡長(zhǎng)下，增長(zhǎng)率按坡度增大順序依次為23.24，23.78，25.07 L/min，在20 m坡長(zhǎng)下，增長(zhǎng)率按坡度增大順序依次為20.79，23.09，29.75 L/min，整體來(lái)看，累積產(chǎn)流量隨時(shí)間的增長(zhǎng)率，在同一坡長(zhǎng)情況下，基本上是隨著坡度的增大而增大的。

2.4.2 累積產(chǎn)沙量變化過(guò)程 為探討累積產(chǎn)沙量隨時(shí)間的變化規(guī)律，擬合試驗(yàn)條件下累積產(chǎn)沙量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系(表2)。

由表2可知，坡面累積產(chǎn)沙量與放水時(shí)間呈現(xiàn)極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，表明隨著時(shí)間的增加，累積產(chǎn)沙量是在不斷增大的，通過(guò)擬合方程對(duì)應(yīng)的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在32°，28°坡度條件下，累積產(chǎn)沙量隨著坡長(zhǎng)的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，但在8，12 m兩坡長(zhǎng)情況下，二者的累積產(chǎn)沙量差異不大；在24°坡長(zhǎng)情況下，累積產(chǎn)沙量隨著坡長(zhǎng)的增大均呈遞增狀態(tài)。這可能是因?yàn)樵谏源笃露?28°，32°)情況下，坡面水流流速較大，侵蝕能力較強(qiáng)，導(dǎo)致8，12 m坡長(zhǎng)的細(xì)溝水流產(chǎn)沙量相似，因此累積產(chǎn)沙量情況相差不大。

表1 累積產(chǎn)流量MQ與放水時(shí)間t擬合函數(shù)關(guān)系

注：樣本數(shù)n=12，其中*表示(p<0.05)，**表示(p<0.001)，下表同。

表2 累積產(chǎn)沙量MS與放水時(shí)間t擬合函數(shù)關(guān)系

2.5 試驗(yàn)因素對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

2.5.1 坡度和坡長(zhǎng)對(duì)累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量的影響 通過(guò)查看不同的類型工程堆積體的形態(tài)數(shù)據(jù)可知，任何一個(gè)工程堆積體都具有其不一致的形態(tài)，即不一樣的坡長(zhǎng)與坡度，且不同類型工程堆積體坡面的細(xì)溝侵蝕量迥異，坡度、坡長(zhǎng)作為影響坡面細(xì)溝侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的基本因素，對(duì)其與產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系進(jìn)行研究具有重要的意義，通過(guò)得出不同坡長(zhǎng)、坡度條件對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的具體函數(shù)關(guān)系，有利于分辨各個(gè)因子對(duì)坡面細(xì)溝產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響程度，進(jìn)一步得出主要決定因素。

MQ=2.89S0.36L1.23R2=0.88

(1)

MS=0.05S0.94L1.75R2=0.93

(2)

式中：MQ表示累積產(chǎn)流量(L)；MS表示累積產(chǎn)沙量(kg)；S表示坡度(°)；L表示坡長(zhǎng)(m)。

由公式(1),(2)可以看出，坡度和坡長(zhǎng)均對(duì)坡面累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量產(chǎn)生影響，且二者均對(duì)累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量產(chǎn)生正效應(yīng)，即隨著坡度、坡長(zhǎng)的增大，工程堆積體坡面細(xì)溝累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量均增大；由坡度和坡長(zhǎng)因素的指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，坡長(zhǎng)對(duì)坡面細(xì)溝累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率更大，占主要決定因素。

3 結(jié) 論

(1) 工程堆積體坡面產(chǎn)流率隨放水時(shí)間持續(xù)呈現(xiàn)波動(dòng)性增大的趨勢(shì)，坡度和坡長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)流率的變化過(guò)程均有影響，坡面產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流時(shí)間的持續(xù)呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，隨著坡長(zhǎng)的增大，產(chǎn)沙率的波動(dòng)幅度也較大，并在24°坡度下，細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)還在4 m以下。

(2) 徑流含沙量隨著放水時(shí)間的持續(xù)呈現(xiàn)稍微遞減的波動(dòng)變化，坡度對(duì)含沙量的影響不顯著，隨著坡長(zhǎng)的增大，含沙量呈遞增的趨勢(shì)。

(3) 工程堆積體坡面累積產(chǎn)流量與放水時(shí)間的關(guān)系可以很好地用線性函數(shù)表達(dá)，累積產(chǎn)流量隨著坡長(zhǎng)的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，累積產(chǎn)沙量與放水時(shí)間呈現(xiàn)極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，累積產(chǎn)沙量隨著坡長(zhǎng)的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。

(4) 試驗(yàn)坡度、坡長(zhǎng)均對(duì)坡面累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量產(chǎn)生重要的影響，坡長(zhǎng)對(duì)坡面累積產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)作用大于坡度，二者均對(duì)累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量產(chǎn)生正效應(yīng)。