牛耀彬,吳 旭,高照良,畢如田,呂春娟

(1.山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院,山西 太谷 030801;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;3.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

工程堆積體已成為生產建設項目水土流失的重要來源[1]。由于大面積工程開挖和重型機械碾壓，導致堆積體土壤結構遭受破壞，加上植物根系缺乏，土壤抗沖性極差，極易產生水土流失[2-3]。特別是在短歷時、高強度降雨條件下，細溝在坡面迅速形成，引發(fā)劇烈的土壤侵蝕[4-6]。工程堆積體坡面細溝侵蝕研究已成為生產建設項目土壤侵蝕研究的熱點和趨勢。因此，研究堆積體坡面細溝形態(tài)變化對于明確堆積體土壤侵蝕過程具有重要意義。

細溝侵蝕發(fā)生過程具有隨機性，細溝侵蝕形態(tài)演化具有復雜性。主要表現為細溝形態(tài)通過分叉、分級、合并等影響著細溝內水流結構。細溝侵蝕過程中，集流槽出口產沙量、坡面流水力學特性、細溝侵蝕形態(tài)等相互作用組成了耦合系統。相關研究表明，細溝形態(tài)演變過程對產沙產生重要影響[7-8]，大多數研究集中關注細溝輸沙過程，研究還涉及不同下墊面條件[9]、細溝流水動力學特性[10-11]、細溝形態(tài)特征等[12]?，F有研究主要運用兩類參數刻畫細溝形態(tài)特征，傳統參數如細溝長度、寬度、深度、密度等，分形幾何為代表的非線性量化參數如分形維數、拓撲參數、地貌信息熵等參數等[13]。然而，現有研究大多集中在侵蝕結束后、或間歇性降雨條件下細溝形態(tài)特征的提取和量化[14-16]，而關于細溝形態(tài)動態(tài)變化過程，特別是細溝縱深發(fā)育過程及空間變化過程的研究較少。

因此，本文通過野外實地放水沖刷試驗，模擬坡面徑流條件下工程堆積體坡面細溝發(fā)育過程，基于傳統細溝形態(tài)刻畫參數，量化工程堆積體坡面細溝縱深發(fā)育過程，分析工程堆積體坡面細溝形態(tài)空間變化規(guī)律，以期為工程堆積體坡面防護措施的合理配置提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在中國科學院長武黃土高原農業(yè)生態(tài)試驗站(35°14′24.5″N，107°41′21.24″E，海拔1 107 m)進行，屬典型高原溝壑區(qū)。該區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均降水量為579.6 mm，夏季常有洪澇災害，主要集中在7—9月，占全年降水量的55%左右。試驗區(qū)塬川相間，溝谷發(fā)育，屬旱作農耕區(qū)。森林類型屬暖溫帶落葉闊葉林地帶，主要毛白楊(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白羊草(Bothriochloaischcemum)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等。

1.2 試驗設計與觀測

試驗小區(qū)建在人工開挖坡面上，小區(qū)棄土為當年回填土，回填土來自邊坡開挖產生的棄土，坡面無植被覆蓋，試驗小區(qū)長10 m，寬1 m，覆土厚50 cm，依據黃土高原侵蝕性降雨的瞬時降雨強度標準(I15≥0.852 mm/min)和(I5≥1.520 mm/min)及前期預試驗，確定放水流量分別為5，9，13，17 L/min。野外調查發(fā)現堆積體邊坡坡度大多集中在25°～40°，因此試驗設定的坡度為24°，28°和32°。為了保證試驗本底基本相同，試驗開始前對所有試驗小區(qū)同時進行棄土回填和坡面整理。由于坡面細溝發(fā)育隨機性較強，為了保證試驗結果的確定性，試驗設計之初進行了大量野外調查，結果表明，在堆積體坡面平均每1 m寬分布1條完整細溝，所以在坡面整理時，人為使坡面整體呈現微凹型，確保坡面只發(fā)育1條細溝，既保證試驗結果可靠性又便于觀測和數據采集。試驗開始前，先用撒水器均勻地在土表面撒水，使土壤表面充分飽和，但未發(fā)生產流，然后用塑料布覆蓋24 h。用環(huán)刀取3個不同斷面0—20 cm土壤測定初始土壤容重和含水率，土壤容重范圍為1.24～1.42 g/cm3，平均為1.32 g/cm3，變異系數為4.54%。土壤質量含水率范圍為15.20%～17.86%，平均為16.50%，變異系數為5.99%。堆積體土壤質地為砂壤，土石比超過9∶1，粒徑多在1 mm以下，而碎石粒徑范圍是指>10 mm的礫石，土壤顆粒粒徑0.2～0.1 mm，0.1～0.05 mm，0.05～0.02 mm，0.02～0.01 mm，0.01～0.005 mm，0.005～0.002 mm，0.002～0.001 mm，<0.001 mm含量依次為0.37%，5.82%，32.09%，24.90%，11.38%，7.13%，5.82%，12.49%。試驗小區(qū)及放水裝置示意圖見圖1。

注:1.儲水桶；2.水閥；3.恒壓桶；4.水閥；5.流量計；6.穩(wěn)流槽；7.試驗小區(qū)；8.集流槽；9.集流桶。

放水裝置包括儲水桶、恒壓桶、穩(wěn)流槽、水閥、流量計等，在小區(qū)上方采用恒壓放水，保證出水量均勻。每次試驗時間為45 min。地表產流后開始計時，最初3 min內每隔1 min測定1次渾水總量、斷面流速、流寬，用500 ml的泥樣瓶收集徑流泥沙樣品，泥沙樣品采用烘干法計算徑流含沙量，3 min后每隔3 min測定1次。在坡面連續(xù)布設測量斷面，包括穩(wěn)流槽出水口和集流槽入水口，共有11個測量斷面，測量斷面間隔1 m，分別測量每個斷面細溝的溝長、溝寬和溝深，當細溝發(fā)育到達集流槽入水口時，溝長不再測量，試驗用精度為1 mm的鋼尺測量。在坡面布設3個流速和過水寬測量斷面，間距為3 m，坡面水流流速采用高錳酸鉀染色示蹤法，測距為1.5 m，流速乘以修正系數0.75作為水流斷面平均流速。在穩(wěn)流槽中放置溫度計讀取每場試驗前后水流的溫度，用來計算水流雷諾數，試驗供水引自王東溝民用水井。

2 結果及分析

2.1 工程堆積體坡面細溝形態(tài)指標特征

堆積體坡面細溝形成不僅為泥沙的輸移提供了通道，而且細溝本身也是侵蝕泥沙的重要“物質源”，坡面細溝侵蝕沿流程方向(距坡頂不同距離處)發(fā)育不盡相同，研究坡面細溝形態(tài)指標(溝長、溝寬及溝深)沿流程方向的變化特征，對于揭示細溝侵蝕形態(tài)空間變化具有重要意義。因此，不同坡度和流量條件下工程堆積體坡面細溝形態(tài)沿流程方向變化特征分析如下。

2.1.1 溝長隨產流時間變化特征 將所有試驗坡度(24°，28°，32°)和放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下不同時刻實測細溝長度繪制成圖(圖2)，因為試驗小區(qū)坡長(10 m)限制，所有試驗處理下細溝溝長發(fā)育的最終長度基本接近坡長。

圖2 工程堆積體坡面溝長隨產流時間的發(fā)育進程

從圖2A可以看出，在24°堆積體坡面，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下細溝溝長最終發(fā)育長度接近10 m，放水流量為13，17 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定(接近10 m)所需產流時間為3 min，放水流量為5，9 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為6 min。相比之下，隨著放水流量的增大，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需時間縮短。從圖2B可以看出，在28°堆積體坡面，放水流量為5，9，17 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為6 min，放水流量為13 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為9 min，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下細溝溝長最終發(fā)育長度接近10 m。從圖2C可以看出，在32°堆積體坡面，放水流量為5 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為24 min，放水流量為9 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為18 min，放水流量為13 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為12 min，放水流量為17 L/min時，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需產流時間為3 min，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下細溝溝長最終發(fā)育長度接近10 m。

當放水流量為5 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有6 min延長到24 min，當放水流量為9 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有6 min延長到18 min，當放水流量為13 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有3 min延長到12 min，當放水流量為17 L/min時，隨著坡度由24°增大到32°，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定時間有3 min延長到6 min，因此，在相同放水流量條件下，隨著坡度的增大，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需時間變長，究其原因，可能是用于分離土壤顆粒和搬運土壤顆粒的水流比例發(fā)生變化，隨著坡度增大，坡面水流流速也相應增大，從而使更多一部分水流用于搬運土壤顆粒，相比之下分離土壤顆粒的水流減弱，最終導致土壤顆粒的分離速率減小，相應細溝溝長最終發(fā)育穩(wěn)定所需時間變長。

總之，在24°和32°和堆積體坡面，放水流量最大(17 L/min)時，細溝溝長發(fā)育最快，在32°堆積體坡面，放水流量最小(5 L/min)時，細溝溝長發(fā)育最慢。在相同放水流量條件下，隨著坡度的增大，細溝溝長發(fā)育穩(wěn)定所需時間變長，細溝溝長發(fā)育變緩。

2.1.2 溝寬空間變化特征 將所有處理條件下連續(xù)測量所得溝寬在9個觀測斷面(共11個觀測斷面，為了消除邊界擾動效應，數據分析選取除去兩端的9個斷面)進行求均值，并繪制得到每個坡度所有放水流量條件下溝寬隨坡頂距離的變化圖，見圖3。

圖3 工程堆積體坡面溝寬空間變化特征

從圖3A可以看出，在24°堆積體坡面，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下溝寬發(fā)育在坡面不同位置不同，其中劇烈波動主要集中坡面1～6 m，在6 m后，所有流量條件下不同位置溝寬基本持平。這表明，24°堆積體坡面，所有放水流量條件下，溝寬在坡面不同位置呈現差異化發(fā)育。究其原因，可能是徑流路徑在坡面細溝尚未形成階段及其細溝形成初始階段尚不穩(wěn)定，加上下墊面的非均質性，從而導致對坡面上部出現差異化侵蝕，隨著細溝發(fā)育逐漸穩(wěn)定，坡下部溝寬大小基本一致。

從圖3B可以看出，在28°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝寬大小在坡面3～9 m發(fā)育基本一致，其中放水流量為13 L/min時，在坡面6～8 m溝寬較大。放水流量為17 L/min時，不同位置溝寬大小劇烈波動，在坡面1～3 m較大、4～7 m較小、8～9 m增大。這表明28°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝寬大小在坡面3～9 m發(fā)育相對一致。當放水流量為17 L/min時，溝寬在坡面不同位置呈現差異化發(fā)育。究其原因，可能是隨著坡度增大，侵蝕動能增強，在28°堆積體坡面，細溝侵蝕在坡面不同位置相對一致。

從圖3C可以看出，在32°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，不同位置溝寬大小不同，在坡面1～3 m，溝寬較大，3 ～9 m溝寬較小且在坡面分布基本一致。放水流量為17 L/min時，不同位置溝寬變化劇烈，在坡面4 m較小，4～9 m增大。這表明放水流量為5，9，13 L/min時，在坡面3～9 m溝寬均勻發(fā)育。

總之，在24°堆積體坡面，所有放水流量條件下，溝寬在坡面不同位置呈現差異化發(fā)育，1～6 m劇烈發(fā)育，6～9 m發(fā)育相對平緩；在28°和32°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝寬在坡面3～9 m發(fā)育相對平緩，究其原因，可能是隨著坡度的增大細溝更容易形成穩(wěn)定的徑流路徑。

2.1.3 溝深空間變化特征 將所有處理條件下連續(xù)測量所得溝深在9個觀測斷面(共11個觀測斷面，為了消除邊界擾動效應，數據分析選取除去兩端的9個斷面)進行求均值，并繪制得到每個坡度所有放水流量條件下溝深隨坡頂距離的變化圖，見圖4。

從圖4A可以看出，在24°堆積體坡面，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下溝深發(fā)育在坡面不同位置不同，但總體在坡面隨著距坡頂距離增大呈現減小趨勢，其中1～5 m變化波動幅度最大，當放水流量為5 L/min時，5 m后溝深變小。從圖4B可以看出，在28°堆積體坡面，放水流量為5，9，13 L/min時，溝深在坡面不同位置大小呈現明顯減小趨勢，總體而言溝深1～5 m減小幅度最大，溝深在特別是當放水流量為17 L/min時，溝深大小沿坡面流程減小趨勢更加明顯。圖4C可以看出，在32°堆積體坡面，放水流量為13，17 L/min時，溝深大小隨距坡頂距離增大呈現明顯減小趨勢，1～6 m變化波動幅度最大，但在8 m處出現增大，放水流量為5，9 L/min時，溝深在1～2 m迅速減小，隨后基本保持恒定。

圖4 工程堆積體坡面溝深空間變化特征

總之，在試驗坡度范圍內，所有放水流量(5，9，13，17 L/min)條件下，溝深發(fā)育隨距坡頂距離增大呈現減小趨勢，溝深波動變化主要集中在1～5 m。

2.1.4 平均溝寬和溝深特征 分析表1可以得到，在同一坡度條件下，溝寬平均值隨著放水流量的增大而增大，相比5 L/min，當放水流量增大到13，17 L/min時對應溝寬顯著(p<0.05)增大；在同一流量條件下，除放水流量為5 L/min之外，溝寬平均值隨坡度變化無顯著差異(p>0.05)。在5，17 L/min時，平均溝寬隨坡度的增大先増后減，在9，13 L/min時，平均溝寬隨坡度的增大而減小，可以看出，流量和坡度對溝寬的影響存在交互作用，在5，17 L/min時，溝寬的發(fā)育尺寸與坡度之間存在臨界坡度，即28°時溝寬發(fā)育尺寸最大，但在9，13 L/min時，溝寬的發(fā)育尺寸隨坡度增大而減小，這表明，在小流量(5 L/min)和大流量(17 L/min)條件下，溝寬發(fā)育隨坡度的增大存在臨界值，但在中間流量(9，13 L/min)條件下，溝寬的發(fā)育隨坡度增大而減弱。這表明在中間放水流量(9，13 L/min)條件下，侵蝕溝最寬的坡面不是32°坡面也不是24°坡面，而是中間28°坡面。

表1 堆積體坡面細溝平均溝寬和溝深

在同一坡度條件下，溝深平均值隨著放水流量的增大而增大，相比5 L/min，當放水流量增大到17 L/min時對應溝深顯著(p<0.05)增大；在同一流量條件下，所有溝深平均值隨坡度變化無顯著差異(p>0.05)。

在5 L/min時，平均溝深隨坡度的增大而減小，在9 L/min時，平均溝深隨坡度的增大先增后減，在13 L/min時，平均溝深隨坡度的增大先減后増，在17 L/min時，平均溝深隨坡度的增大而增大，這表明，在小流量(5 L/min)條件下，溝深在24°堆積體坡面發(fā)育劇烈，而在大流量(17 L/min)條件下，溝深在32°堆積體坡面發(fā)育劇烈，在9，13 L/min時，溝深劇烈發(fā)育坡度不確定。結果表明在放水流量為5，17 L/min條件下，侵蝕溝最深的坡面分別是在24°和32°堆積體坡面。

總之，隨著坡度的增大，平均溝寬和溝深有增有減，但隨著流量的增大，平均溝寬和溝深均增大，這表明，流量對細溝形態(tài)指標的影響大于坡度。

2.2 坡度和流量對細溝形態(tài)指標的影響

細溝形態(tài)指標溝寬和溝深在距坡頂不同位置而不同，在試驗條件下，坡度和流量是控制變量，為了探究坡度對細溝形態(tài)指標溝寬和溝深的影響，所有試驗場次細溝形態(tài)指標溝寬和溝深在不同坡度求取均值，并以細溝發(fā)育距坡頂距離為橫坐標進行繪制見圖5。

為了探究流量對細溝形態(tài)指標溝寬和溝深的影響，所有試驗場次細溝形態(tài)指標溝寬和溝深在不同放水流量求取均值，并以細溝發(fā)育距坡頂距離為橫坐標進行繪制柱狀圖見圖6。

圖6 流量對溝寬和溝深的影響

由圖5，6可以看出，綜合來看，無論是在不同坡度還是不同放水流量條件下，溝寬隨距坡頂距離的增大呈現輕微波動變化，各處理下溝寬在坡面不同位置大小沒有明顯差異，溝深卻隨坡頂距離的增加呈現明顯減小趨勢，各處理下溝深在坡面不同位置大小有明顯差異。這表明細溝溝寬在坡面發(fā)育基本一致，溝深由坡頂到坡腳卻逐漸變小，即溝寬的發(fā)育與位置關系不顯著，而溝深與位置關系顯著，可以把細溝在坡面發(fā)育的總體形態(tài)為概化為“楔形”。

圖5 坡度對溝寬和溝深的影響

3 討 論

堆積體坡面細溝侵蝕頻發(fā)，及時有效地攔蓄坡面的徑流是防治細溝侵蝕的重要舉措，防護措施的合理有效布設是減少侵蝕的關鍵。本研究嘗試運用刻畫細溝形態(tài)的基本指標溝長、溝寬和溝深，研究細溝形態(tài)指標的空間發(fā)育過程，以期明確堆積體坡面細溝發(fā)育的空間變化特征，為工程堆積體坡面防護措施的配置提供一定的理論支撐。堆積體坡面細溝侵蝕與坡耕地細溝侵蝕有相同之處，在坡耕地上研究表明，降雨和上坡來水均在坡耕地上造成了嚴重的細溝侵蝕，間歇性降雨條件下，坡面侵蝕總量的變化與細溝發(fā)育所處階段緊密相關[17]。與地塊上承接的降水相比，上坡來水對細溝侵蝕的影響更大[18]。此外，單一的或一定數量細溝侵蝕特征代表性有限，因此迫切需要對溝網動力學進行系統研究[19]。相關研究表明，坡面侵蝕過程呈明顯的階段性[20-21]，而且工程堆積體坡面溝寬和溝深在前9 min內快速發(fā)育，溝寬發(fā)育占總寬度的57%～90%，溝深發(fā)育占總深度的38%～73%，即在產流初期溝寬對堆積體坡面侵蝕形態(tài)的貢獻要大于溝深[22-23]，本研究結果表明，細溝在坡面發(fā)育的總體形態(tài)為概化“楔形”，即在坡面上部溝深發(fā)育貢獻大于坡面下部，溝寬發(fā)育在坡面相對一致。綜合來看，堆積體坡面細溝發(fā)育的時空變化特征為“細溝發(fā)育前期溝寬迅速擴張，坡面上部溝深集中下切”，該研究結果補充和完善了工程堆積體坡面細溝侵蝕形態(tài)的時空變化規(guī)律，可以為堆積體坡面防護提供理論指導。此外，本研究表明流量對細溝形態(tài)指標的影響大于坡度，而關于堆積體坡面細溝形態(tài)空間變化的水動力學機理有待深入研究。

4 結 論

在堆積體坡面，放水流量最大時，溝長發(fā)育最快，在相同放水流量條件下，隨著坡度增大溝長發(fā)育變緩。在24°堆積體坡面，所有放水流量條件下，溝寬在坡面呈現差異化發(fā)育，劇烈發(fā)育集中在1～6 m，相對均勻發(fā)育在6～9 m。在試驗條件下，坡面溝深發(fā)育整體呈現減小趨勢，波動變化集中在1～5 m。在同一坡度條件下，平均溝寬和溝深均隨放水流量增大而增大，在同一流量條件下，除放水流量為5 L/min時，平均溝寬和溝深隨坡度無顯著差異，表明放水流量對細溝形態(tài)指標的影響大于坡度。溝寬在坡面不同位置發(fā)育基本一致，溝深從坡上到坡下卻逐漸變小，堆積體坡面細溝侵蝕形態(tài)可概化為“楔形”。