李 鎮(zhèn)，張文博，呂佼容，駱 漢,，謝永生,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

隨著城市化、工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，我國生產(chǎn)建設(shè)項目數(shù)量明顯增多，由其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題越來越受到廣泛關(guān)注。生產(chǎn)建設(shè)項目在施工等人為擾動下產(chǎn)生大量棄土棄渣，這種由大量棄土棄渣混合堆積形成的松散堆積體稱為工程堆積體。工程堆積體坡面較陡，下墊面各異，抗沖性、穩(wěn)定性差，比起常見的坡面，因堆棄時間短、表面裸露、防護(hù)措施不當(dāng)?shù)仍?，更易在降雨作用下引發(fā)強烈的土壤侵蝕，甚至發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。

野外降雨試驗通常以自然邊坡和人工邊坡為研究對象，雨強、降雨量等受天氣等環(huán)境因素影響較多，室內(nèi)模擬降雨試驗多以人為控制來改變土壤容重、密度和含水率，對試驗材料進(jìn)行過篩分、去除雜質(zhì)實現(xiàn)試驗材料的一致性，但這樣處理不能很好地與實際條件相符合。對工程堆積體進(jìn)行室內(nèi)模擬降雨時，會對試驗材料進(jìn)行處理以保證下墊面的一致性，這種處理一般會導(dǎo)致工程堆積體中大量的結(jié)構(gòu)體缺失，而通過野外實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工程堆積體中存在大量的土壤結(jié)構(gòu)體，這種含有結(jié)構(gòu)體的工程堆積體因存在團粒、巨粒土、固結(jié)土塊等，土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)多樣，坡面更容易引發(fā)侵蝕和崩塌等災(zāi)害。結(jié)構(gòu)體為土壤顆粒通過團聚作用而形成的形狀大小各不相同的土塊，對土壤質(zhì)量演變和退化過程具有重要影響。中國對土壤結(jié)構(gòu)體劃分為片狀、粒狀、塊狀、棱(角)塊狀和棱柱狀結(jié)構(gòu)5種類型，大部分對工程堆積體土壤侵蝕的土壤粒徑研究范圍集中在0.01～0.50 mm，而對更大粒徑的土壤結(jié)構(gòu)體研究相對較少。含有結(jié)構(gòu)體的工程堆積體與工程堆積體徑流侵蝕過程之間的異同尚不清楚，對含有結(jié)構(gòu)體工程堆積體徑流侵蝕的研究，闡述兩者試驗差異，使得工程堆積體徑流侵蝕的研究內(nèi)容更加符合實際，具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。李毅等研究了黃土坡面連續(xù)降雨的水分入滲分布特性，得到后續(xù)場次的降雨與入滲速率的差異不大；蔣芳市等研究了多場次降雨坡面溝蝕發(fā)育表明，極端連續(xù)降雨下侵蝕產(chǎn)沙差異較大；袁和第等運用連續(xù)較多場次降雨試驗來研究褐土坡面侵蝕表明，平均流速與徑流產(chǎn)沙量關(guān)系最為顯著。徑流侵蝕的發(fā)生不僅與雨強有關(guān)，連續(xù)降雨過程對徑流侵蝕的影響更加重要，對雨強和降雨場次的綜合分析才能夠明晰次降雨對工程堆積體徑流侵蝕的影響。

為此，本試驗采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法，利用錐狀試驗裝置，以工程堆積體是否過篩及土塊質(zhì)量占比來研究含結(jié)構(gòu)體工程堆積體和對照組(不含結(jié)構(gòu)體工程堆積體)這2種試驗材料土壤侵蝕過程及差異，揭示其徑流特征和侵蝕規(guī)律，使對工程堆積體的研究更加接近實際，為生產(chǎn)建設(shè)項目的水土流失防治以及工程堆積體土壤侵蝕量測算模型的完善提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

試驗于2019年6—9月在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳下噴區(qū)進(jìn)行。人工模擬降雨大廳降雨高度為18 m，可模擬雨滴落地終點速度，降雨均勻度在80%以上。試驗裝置(圖1)為1個底面為正方形的1/4錐狀槽(底邊長3.50 m，高2.50 m)，鄰邊為2個三角形擋板(長3.50 m，高2.50 m)，兩鄰邊設(shè)有凹槽集流，集流槽匯集之處連接出水口。試驗所用土壤取自陜西楊陵，為粉砂質(zhì)黏土質(zhì)地，土壤機械組成為：<0.01 mm占比65.38%，0.01～0.05 mm占比21.38%，0.05～0.10 mm占比1.23%，0.10～0.25 mm占比9.78%，0.25～0.50 mm占比0.41%，>0.05 mm占比1.82%。堆積體所用土壤過5 mm篩，人工剔除過篩后粒徑較大的土塊及其他雜質(zhì)，控制堆積體土壤中團粒和土塊數(shù)量，測得粒徑介于5～20 mm的細(xì)小土塊質(zhì)量占比小于2%，結(jié)構(gòu)體所用土壤不過篩，人工去除結(jié)構(gòu)體中雜質(zhì)，通過人工測量和網(wǎng)篩篩選測得粒徑介于0.5～20 mm的結(jié)構(gòu)體較多，含有較多粒狀、塊狀結(jié)構(gòu)和團粒結(jié)構(gòu)，測得粒徑介于5～20 mm的細(xì)小土塊質(zhì)量占比大于10%。故含結(jié)構(gòu)體工程堆積體為試驗用土不過篩且具有較多團粒及粒狀、塊狀結(jié)構(gòu)，具有粒徑5 mm以上的土塊且質(zhì)量占比不少于10%，工程堆積體為試驗用土過篩，具有少量或不具有土壤團粒結(jié)構(gòu)，粒徑大于5 mm土塊質(zhì)量占比小于2%。

圖1 試驗裝置示意

1.2 試驗方法

設(shè)計結(jié)構(gòu)體坡面和堆積體坡面2種類型的下墊面，1.0，1.5，2.0 mm/min 3種降雨強度，每個雨強下連續(xù)3場降雨，每場降雨45 min，每場間隔24 h，重復(fù)試驗2次，共計36場降雨。使用傳送帶將堆積體上傳至裝置上方落下，經(jīng)自然堆積以及人工微調(diào)后形成半徑3.50 m，高2.25 m，坡長4.20 m，坡度33°±2°的1/4圓錐松散堆積體坡面。堆積體坡面土壤容重為1.04～1.15 g/cm，結(jié)構(gòu)體的堆積方法與堆積體相同，每次堆積完成后靜置24 h，第1場試驗前，通過陰干或灑水的方法保持土壤含水率在15%左右。

試驗前先用塑料布蓋好裝置，多點率定雨強使其誤差不超過5%。待雨強穩(wěn)定后迅速揭開塑料布并開始計時，當(dāng)坡面產(chǎn)生薄層狀水流并流至集流槽時，產(chǎn)流開始，記錄產(chǎn)流歷時并重新計時，進(jìn)行試驗觀測。產(chǎn)流后前4 min每隔1 min接1次徑流樣，之后每隔2 min接1次，取樣數(shù)22個，試驗時長40 min。降雨同時，在坡面鄰邊位置由上至下分設(shè)3個1 m長的觀測坡段，在每次接樣后用染色劑法測定3個坡段的流速，求其平均值，再乘以修正系數(shù)0.75作為斷面平均流速。降雨結(jié)束后，讀取徑流樣體積，用天平稱取質(zhì)量后，靜置12 h后倒掉上層清液，用烘干稱重法稱取泥沙質(zhì)量。用塑料布遮蓋裝置靜置24 h后開始下1場降雨試驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理

文中試驗數(shù)據(jù)處理采用Excel 2019，檢驗分析采用SPSS 25軟件，繪圖采用Origin 2021b軟件。

(1)流速()：采用染色劑法(KMnO)，測距為1.5 m。

(2)徑流率()：單位時間內(nèi)徑流體積，計算公式為

(1)

式中：為徑流率(L/min)；為(s)時間內(nèi)渾水質(zhì)量(g)；為(s)時間泥沙干重(g)；為水的密度(1.0 g/cm)；為徑流樣取樣時間(s)。

(3)侵蝕速率()：單位時間單位面積內(nèi)泥沙運移質(zhì)量，計算公式為

(2)

式中：為侵蝕速率(g/(m·s))；為堆積體坡面的面積(m)。

(4)徑流深()：測量時間內(nèi)平均徑流深度(m)，計算公式為

(3)

式中：為(s)時間內(nèi)測得的徑流量(m)；為坡面流速(m/s)；為過水?dāng)嗝鎸挾?m)，這里取錐形堆積體底面1/4周長的1/2(2.75 m)作為過水?dāng)嗝鎸挾取?/p>

(5)徑流剪切力()：引起坡面土壤顆粒分離運移的主要動力，計算公式為

=···

(4)

式中：為徑流剪切力(Pa或N/m)；渾水密度(kg/m)；為重力加速度(9.8 m/s)；為水力半徑(m)，本試驗條件下可近似用徑流深代替；為水力坡降，用坡度的正弦值替換(m/m)。

(6)徑流功率()：水流作用于單位面積上的土體所消耗的功率，計算公式為

=·

(5)

式中：為水流功率(N/(m·s))。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面徑流特征

2.1.1 初產(chǎn)歷時 初產(chǎn)歷時為開始降雨到坡面產(chǎn)生薄層水流流進(jìn)集流槽的時間。降雨強度、降雨場次對堆積體和結(jié)構(gòu)體初產(chǎn)歷時的影響規(guī)律大致相同(圖2)。同一雨強下堆積體和結(jié)構(gòu)體的第1場試驗的初產(chǎn)歷時均大于后2場，且隨著雨強和場次的增加初產(chǎn)歷時逐漸減小，這是由于初產(chǎn)歷時主要受坡度、地形地貌、土壤特性及地表覆蓋等下墊面因素的影響。3種雨強下，堆積體后續(xù)2場試驗初產(chǎn)歷時分別比第1場縮短40.33%～50.62%，27.07%～46.99%，21.43%～38.78%，結(jié)構(gòu)體后續(xù)2場試驗初產(chǎn)歷時分別比第1場縮短19.05%～40.63%，20.49%～49.27%，44.74%～53.68%。第1場試驗過程中，初產(chǎn)歷時為降雨完全入滲的時段且隨著時間的推移，降雨入滲達(dá)到飽和形成超滲產(chǎn)流轉(zhuǎn)化為坡面徑流，后續(xù)2場降雨試驗中，堆積體和結(jié)構(gòu)體初始含水率較高，達(dá)到飽和入滲所需的時間較短，能夠較第1場試驗更快速進(jìn)入產(chǎn)流過程。堆積體和結(jié)構(gòu)體1.0 mm/min雨強下的初產(chǎn)歷時均比1.5，2.0 mm/min的雨強延長，且3種雨強下，結(jié)構(gòu)體的平均初產(chǎn)歷時分別比堆積體延長1.49，1.57，1.63倍。2.0 mm/min對堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面的微地形和入滲率的影響程度較大，一方面大雨強能夠縮短達(dá)到飽和入滲的時間，加快超滲產(chǎn)流的形成；另一方面，雨滴滴濺促使堆積體和結(jié)構(gòu)體小顆粒分離阻塞大孔隙及間隙，使得入滲速率減小。結(jié)構(gòu)體較堆積體對坡面徑流的產(chǎn)生有延遲作用，堆積體土壤介質(zhì)較為均勻且連續(xù)，地表糙度和起伏度均比結(jié)構(gòu)體小，降雨時能夠較快形成徑流，結(jié)構(gòu)體存在的大孔隙、塊狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致坡面凹凸不平，土壤介質(zhì)不連續(xù)、坡面不平整等因素導(dǎo)致降雨初始時有較多的雨水入滲，而坡面許多細(xì)小坑洼能夠匯集降雨，截留坡面徑流，從而延長坡面出現(xiàn)徑流的時間。

圖2 初產(chǎn)歷時隨雨強的變化

2.1.2 坡面流速 各雨強條件下，堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面流速隨產(chǎn)流時間的變化過程見圖3。流速的變化趨勢為開始時迅速增長轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛鲩L直到趨于穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)體1.0 mm/min雨強下，3場試驗的流速在0～7 min內(nèi)迅速增長，在7 min后緩慢增長，流速介于0.07～0.11 m/s，1.5 mm/min雨強下，3場試驗的流速在0～12 min內(nèi)迅速增長，在12 min后波動增長，流速介于0.09～0.13 m/s，2.0 mm/min雨強時，3場試驗的流速變化幅度不大，均呈現(xiàn)緩慢且波動增長，流速介于0.10～0.13 m/s。3種雨強下結(jié)構(gòu)體流速的變異系數(shù)分別介于0.05～0.13，0.04～0.08，0.04～0.06，隨著雨強的增大，坡面流速的初始值和穩(wěn)定后的流速逐漸增大，流速在場次間遵循隨著雨強的增大，變異系數(shù)逐漸減小，流速的變化幅度減小。相比于結(jié)構(gòu)體，堆積體在3種雨強下流速的變化過程類似，堆積體初始及穩(wěn)定時的流速差異不大，不同場次、雨強下的流速變化較為集中，變異系數(shù)依次減小。對堆積體和結(jié)構(gòu)體流速達(dá)到穩(wěn)定時的時間進(jìn)行分析可知，堆積體流速在試驗的過程中勻速增加，且在30 min后放緩，而結(jié)構(gòu)體平均達(dá)到穩(wěn)定流速的時間比結(jié)構(gòu)體提前約20 min。3種雨強下，堆積體的平均流速分別是結(jié)構(gòu)體的1.22，1.12，1.14倍(表1)，這是因為結(jié)構(gòu)體存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)和表面突起，當(dāng)坡面產(chǎn)生徑流時，結(jié)構(gòu)體對徑流的阻力較大且具有較長的流動路徑。

圖3 坡面流速隨產(chǎn)流時間的變化

2.1.3 坡面徑流率 各雨強條件下，堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面徑流率隨產(chǎn)流時間的變化遵循先迅速增長后緩慢增長最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律(圖4)。堆積體和結(jié)構(gòu)體徑流率的變化范圍分別為4.58～21.12，1.80～19.75 L/min，試驗開始到結(jié)束時徑流率的最小值及穩(wěn)定時的最大值均隨雨強和場次的增加而增大。結(jié)構(gòu)體1.0 mm/min雨強時，徑流率在產(chǎn)流后到試驗結(jié)束，以7 min為時間節(jié)點，由勻速增長轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛鲩L，3場試驗的變異系數(shù)介于0.16～0.27，第2，3場降雨試驗平均徑流率的增幅分別是第1場的40.71%，76.33%。1.5，2.0 mm/min雨強時，徑流率均在產(chǎn)流后的0～7 min內(nèi)迅速增加，在7 min后，波動增加并趨于穩(wěn)定，2種雨強下，變異系數(shù)分別介于0.07～0.11和0.07～0.20，而后2場試驗平均徑流率的增幅分別是第1場的28.66%，44.72%和22.96%，26.45%。堆積體1.0 mm/min雨強時，徑流率在產(chǎn)流后的0～7 min內(nèi)迅速增加，在7 min后緩慢增加并逐漸穩(wěn)定，第2，3場降雨試驗平均徑流率的增幅分別是第1場的22.87%和34.90%，1.5，2.0 mm/min雨強時，徑流率在產(chǎn)流后的0～12 min內(nèi)迅速增加，在12 min后波動增加并趨于穩(wěn)定，第2，3場試驗平均徑流率的增幅分別是第1場的6.86%，17.98%和5.35%，13.99%。整個試驗過程中，堆積體的徑流率波動幅度及每場降雨徑流率的增幅均小于結(jié)構(gòu)體，這是因為堆積體坡面起伏程度較小，坡面土壤較為均勻，對降雨的阻滯作用較小，結(jié)構(gòu)體因為表面細(xì)小坑洼及蓄水的緣故，徑流過程不穩(wěn)定。

圖4 坡面徑流率隨產(chǎn)流時間的變化

分析徑流率由快速轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的時間及表1中各雨強、場次平均徑流率可知，結(jié)構(gòu)體徑流率迅速增長的時間比堆積體縮短32.26%，穩(wěn)定的時間也較堆積體提前，3種雨強下結(jié)構(gòu)體平均徑流率分別是堆積體的0.73，0.85，0.90倍。

表1 各降雨條件下的平均流速(V)、平均徑流率(Q)和平均侵蝕速率(E)

2.2 坡面侵蝕特征

各降雨條件下，堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流時間的變化過程見圖5。堆積體的侵蝕速率隨降雨時間、雨強的增長呈現(xiàn)緩慢且波動的增長趨勢。同一雨強下，堆積體和結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率均隨著場次的增加而減小。堆積體1.0 mm/min雨強時，連續(xù)3場降雨侵蝕速率介于0.03～0.09g/(m·s)，變異系數(shù)介于0.11～0.18，且第2，3場侵蝕速率分別是第1場的0.72，0.52倍，而當(dāng)雨強增大到1.5 mm/min時，侵蝕速率增大到0.10～0.20 g/(m·s)，侵蝕速率的波動幅度也開始減小，變異系數(shù)介于0.09～0.04，且第2，3場侵蝕速率分別是第1場的0.93，0.76倍，當(dāng)雨強為2.0 mm/min時，侵蝕速率最大為第1場的0.42 g/(m·s)，最小為第3場的0.19 g/(m·s)，且第2，3場侵蝕速率分別是第1場的0.76，0.64倍。3種雨強下堆積體平均侵蝕速率分別是0.05，0.15，0.29 g/(m·s)(表1)，其中1.5，2.0 mm/min雨強的平均侵蝕速率分別是1.0 mm/min的3.16，5.83倍。結(jié)構(gòu)體在1.0 mm/min時，平均侵蝕速率是堆積體的1.33倍，并且隨著雨強的增大侵蝕速率也較堆積體增長更快，當(dāng)雨強為1.5，2.0 mm/min時，平均侵蝕速率分別是堆積體的2.80，2.56倍。結(jié)構(gòu)體不同雨強下平均侵蝕速率差異較大，其中1.5，2.0 mm/min雨強的平均侵蝕速率分別是小雨強的6.64，11.19倍。這是因為小雨強時，結(jié)構(gòu)體與堆積體的侵蝕速率主要受徑流率影響，點繪條件下對徑流率和侵蝕速率進(jìn)行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)兩者具有顯著的線性相關(guān)(<0.05)，堆積體的相關(guān)系數(shù)介于0.65～0.81，結(jié)構(gòu)體的相關(guān)系數(shù)介于0.75～0.91。2.0 mm/min時，結(jié)構(gòu)體因含有塊狀結(jié)構(gòu)、細(xì)小顆粒較大以及不平整的坡面，侵蝕速率受徑流搬運能力影響程度較堆積體更加顯著，而堆積體徑流率穩(wěn)定的時間較結(jié)構(gòu)體提前，能夠更快達(dá)到穩(wěn)定的侵蝕速率。結(jié)構(gòu)體侵蝕速率的波動程度較大，變異系數(shù)介于0.26～0.37，尤其是1.5 mm/min時，侵蝕速率相差0.85 g/(m·s)，且第1場降雨的平均侵蝕速率是第3場的2.03倍，這是由于第1場降雨徑流搬運大量的泥沙顆粒，后續(xù)場次降雨的擊濺破壞坡面孔隙結(jié)構(gòu)，細(xì)小顆粒堵塞坡面孔隙，且在坡面結(jié)實，不利于泥沙的搬運。

圖5 坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流時間的變化

各個試驗場次的總侵蝕量隨雨強的變化見圖6?？偳治g量隨場次的增加而減小，隨雨強的增加而增大。擬合后發(fā)現(xiàn)總侵蝕量與雨強存在線性相關(guān)關(guān)系：=+，=5.45～8.18，=-6.69～-4.50，=0.95～0.99；=+，=16.16～21.47，=-17.98～-15.03，=0.89～0.99。式中：、分別為堆積體、結(jié)構(gòu)體總侵蝕量；為降雨強度；、為常數(shù)。1.0 mm/min時，堆積體與結(jié)構(gòu)體3場降雨的總侵蝕量相差不大，而當(dāng)雨強增大時，結(jié)構(gòu)體的侵蝕總量顯著大于堆積體，是堆積體的2.89～3.93倍，而對于同一雨強的3場降雨來說，總侵蝕量隨著雨強的增加在場次間遞減的幅度越來越大。

圖6 不同場次總侵蝕量隨降雨強度的變化

結(jié)構(gòu)體1.5 mm/min雨強3場降雨的總侵蝕量遞減幅度最為明顯，后2場的侵蝕量分別比第1場減小33.40%，50.67%。

為分析雨強、場次及其交互作用對流速、徑流率及侵蝕速率影響程度，進(jìn)行多因素方差分析得到表2?？芍陱姾蛨龃螌Χ逊e體和結(jié)構(gòu)體的流速、徑流率及侵蝕速率具有極其顯著影響(<0.01)，且雨強的貢獻(xiàn)率大于降雨場次，對3種指標(biāo)的影響程度也是雨強大于降雨場次，說明雨強對3種指標(biāo)的影響起決定性作用。堆積體雨強和場次對流速的解釋程度為0.58，而對徑流率和侵蝕速率的解釋程度分別為0.94和0.96，其中雨強對徑流率和侵蝕速率的貢獻(xiàn)率均高于85%，而雨強和場次的交互作用只對侵蝕速率有顯著影響，兩者交互作用對侵蝕速率的貢獻(xiàn)率為3.1%，對侵蝕速率的影響為大效應(yīng)(>0.14)。結(jié)構(gòu)體中雨強和場次對流速的影響程度為雨強略大于場次，兩者的交互作用較為明顯，對流速的貢獻(xiàn)率為6.7%，而雨強和場次對徑流率和侵蝕速率的影響則與堆積體相似，雨強的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于降雨場次，而雨強和場次的交互作用對侵蝕速率的影響為中效應(yīng)(0.06<<0.14)。

表2 雨強、場次對流速、徑流率及侵蝕速率影響的顯著性

2.3 坡面水動力學(xué)特征

徑流剪切力和徑流功率能夠很好地解釋堆積體和結(jié)構(gòu)體的坡面侵蝕過程，對徑流剪切力、徑流功率和侵蝕速率進(jìn)行點繪擬合，徑流剪切力與侵蝕速率具有較好的冪函數(shù)關(guān)系：=，=0.05～117.77，=0.75～6.80，=0.22～0.90，<0.01。式中：為侵蝕速率；為徑流剪切力；、為常數(shù))(圖7)，而徑流功率與侵蝕速率具有顯著的線性關(guān)系：=+，=-886.56～11.51，=98.38～4547.36，=0.34～0.92，<0.01，為徑流功率，、為常數(shù))(圖8)。整體來看，結(jié)構(gòu)體徑流剪切力、徑流功率與侵蝕速率的相關(guān)性較堆積體高，其中結(jié)構(gòu)體與堆積體均()>()，說明徑流功率是描述兩者坡面侵蝕的更優(yōu)參數(shù)。3種雨強下堆積體發(fā)生侵蝕的臨界徑流剪切力依次增大，而同一雨強不同場次間臨界徑流剪切力只在1.0 mm/min時依次增大，1.5 mm/min時，第2場試驗的臨界徑流剪切力大于第1，3場，而當(dāng)2.0 mm/min時，后續(xù)降雨的徑流剪切力與侵蝕速率的關(guān)系不顯著。結(jié)構(gòu)體發(fā)生侵蝕的臨界徑流剪切力均隨雨強和場次的增加而增大，但臨界徑流剪切與對應(yīng)的堆積體相比均較小，說明相同條件下，結(jié)構(gòu)體比堆積體需要更小的臨界徑流剪切力影響侵蝕過程的發(fā)生。同一雨強下堆積體土壤可蝕性參數(shù)隨著降雨場次逐漸減小(—的線性擬合圖中，斜率逐漸減小)，而發(fā)生臨界侵蝕所需要的徑流功率依次增大。以1.5 mm/min結(jié)構(gòu)體徑流功率與侵蝕速率關(guān)系為例，隨著場次增加，土壤可蝕性參數(shù)依次減小，分別為4.54，2.40，1.96 s/m，臨界徑流功率依次增大，分別為0.14，0.17，0.26 N/(m·s)，而1.5 mm/min堆積體3場降雨的土壤可蝕性參數(shù)分別為0.43，0.61，0.28 s/m，臨界徑流功率分別為0.08，0.24，0.05 N/(m·s)，可以得到1.5 mm/min雨強下，結(jié)構(gòu)體的平均土壤可蝕性參數(shù)和平均臨界徑流功率均分別比堆積體的大6.74，1.56倍。不同雨強間堆積體與結(jié)構(gòu)體的平均土壤可蝕性參數(shù)隨著雨強的增大而增大，其中堆積體土壤可蝕性參數(shù)的變化幅度介于0.10～0.70 s/m，而結(jié)構(gòu)體在0.22～4.54 s/m。對比所有發(fā)生侵蝕的臨界徑流功率可知，臨界徑流功率基本遵循隨雨強和場次的增加而增大的規(guī)律，這說明降雨場次會提高引起侵蝕過程發(fā)生的臨界徑流功率的閾值，減小發(fā)生侵蝕時的土壤可蝕性參數(shù)，而結(jié)構(gòu)體引起侵蝕過程發(fā)生的臨界徑流功率均比堆積體小，說明結(jié)構(gòu)體更容易受到徑流的影響而發(fā)生侵蝕。

圖7 侵蝕速率與徑流剪切力的關(guān)系

圖8 侵蝕速率與徑流功率的關(guān)系

3 討 論

初產(chǎn)歷時作為降雨試驗中一個容易觀測的指標(biāo)，能夠直觀反映坡面對徑流的延遲時間并以此分析坡面對徑流的延緩作用，這一結(jié)論與方榮杰等和袁建平等試驗結(jié)論一致。不同雨強和場次下，堆積體和結(jié)構(gòu)體具有不同的初始土壤含水率和入滲速率，造成這一差異的原因是結(jié)構(gòu)體的土壤特性和下墊面特征各異，結(jié)構(gòu)體表面粗糙程度較大，內(nèi)部具有更多的孔隙結(jié)構(gòu)，小雨強時雨水更容易入滲到內(nèi)部孔隙，土壤含水率在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部差異比堆積體小，而大雨強時兩者均容易發(fā)生超滲產(chǎn)流，大雨強徑流延緩主要原因為初始含水率不同。場次對初產(chǎn)歷時的影響體現(xiàn)在連續(xù)場次間的時間間隔內(nèi)，堆積體和結(jié)構(gòu)體初始含水率下降的速率，在每次試驗前較低的初始含水率能夠更好地延緩徑流的產(chǎn)生。流速、徑流率變化規(guī)律一致，都遵循隨產(chǎn)流時間先快速增長后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律(圖3、圖4)。這一變化過程與呂佼容等試驗結(jié)論相似，原因為降雨的擊濺過程引起土壤表層結(jié)皮發(fā)育，促進(jìn)產(chǎn)流形成，與此同時堆積體和結(jié)構(gòu)體的入滲速率開始減小直到坡面徑流穩(wěn)定時，入滲速率達(dá)到最小，此時的徑流率和流速達(dá)到最大值，而袁和第等認(rèn)為，平均流速隨降雨場次的增加而減小，較少連續(xù)場次降雨平均流速隨場次增大，而多場次平均流速逐漸減小。結(jié)構(gòu)體徑流率和流速均比堆積體小，這是由于結(jié)構(gòu)體比堆積體具有更加復(fù)雜的坡面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體塊狀結(jié)構(gòu)及凹凸不平的表面增加徑流的彎曲程度，增強徑流入滲，較大的坡面粗糙度分散徑流的動能。侵蝕速率與降雨的侵蝕力有關(guān)，隨時間的變化出現(xiàn)多峰多谷的特征，且隨雨強的增大而增大，隨場次的增加而減小(圖5)，這一結(jié)論與蔣芳市等在1.0 mm/min雨強試驗的結(jié)果一致。與其極端雨強的試驗結(jié)果不同，分析認(rèn)為這與溝頭溯源侵蝕引發(fā)的產(chǎn)沙量劇增有關(guān)，而本試驗過程均未觀測到溯源侵蝕。對同一場試驗的不同時段分析可知，產(chǎn)流初期，引起坡面發(fā)生侵蝕的徑流率和流速較小，坡面土壤不容易被徑流搬運，而中期隨著徑流率上升，土壤的黏結(jié)力經(jīng)歷了由弱到強的過程，但徑流率上升的速率大于土壤黏結(jié)力增強的速率，從而該階段的侵蝕速率表現(xiàn)為波動且上升的過程。產(chǎn)流后期，徑流率逐漸穩(wěn)定，而坡面被徑流搬運的細(xì)小顆粒較少，坡面結(jié)皮和大粒徑土壤堆積導(dǎo)致坡面土壤的抗蝕能力增強，從而導(dǎo)致該階段的侵蝕速率略微下降。對同一雨強的連續(xù)3場降雨來說，連續(xù)場次的降雨并不能增加侵蝕速率，反而降低侵蝕過程發(fā)生的閾值，后續(xù)場次的降雨比第1場降雨侵蝕發(fā)生的時間提前，但平均侵蝕速率表現(xiàn)為第1場>第2場>第3場。對堆積體和結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率和總侵蝕量比較后發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率和總侵蝕量均大于堆積體。對雨強、場次和流速、徑流率、侵蝕速率進(jìn)行方差分析，雨強與各指標(biāo)的相關(guān)性均較好(表2)，而雨強和場次的交互作用并不能很好解釋與徑流率的變化關(guān)系，這說明徑流率受雨強和坡面形態(tài)影響較多。

通過對徑流剪切力和徑流功率與侵蝕速率的關(guān)系對比后發(fā)現(xiàn)，徑流功率是反映和揭示侵蝕發(fā)生的最優(yōu)參數(shù)。徑流剪切力與侵蝕速率有較好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，徑流功率與侵蝕速率具有較好的線性相關(guān)關(guān)系(圖7、圖8)，這與相關(guān)的研究結(jié)論一致。在對結(jié)構(gòu)體和堆積體的可蝕性參數(shù)進(jìn)行描述時發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)體的可蝕性參數(shù)均大于堆積體。堆積體可蝕性參數(shù)隨雨強的增大而增大，結(jié)構(gòu)體1.5 mm/min的可蝕性參數(shù)最大，而同一雨強下，兩者的可蝕性參數(shù)均隨場次增大而減小。相比于堆積體，結(jié)構(gòu)體更容易受到徑流剪切力和徑流功率的影響而發(fā)生侵蝕，這一結(jié)論與王林華等和陳卓鑫等礫石條件下得出的結(jié)論具有一致性，這是因為結(jié)構(gòu)體與工程堆積體的礫石作用具有相似性。對于某雨強下徑流剪切力、徑流功率與侵蝕速率的關(guān)系而言，擬合直線或曲線并不能反映此刻的侵蝕真實發(fā)生的情況，而是給出參數(shù)與侵蝕速率之間的趨勢關(guān)系，更加關(guān)注平均徑流功率和平均徑流剪切力，圖7、圖8中2.0 mm/min第2，3場試驗中徑流剪切力和徑流功率均與侵蝕速率相關(guān)性較差，這說明引起堆積體侵蝕的臨界徑流剪切力和臨界徑流功率均不容易量化，而此時的平均徑流剪切力和平均徑流功率能夠更好地說明侵蝕發(fā)生時侵蝕速率集中值。引入土壤結(jié)構(gòu)體這一概念對工程堆積體土壤侵蝕進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)的室內(nèi)模擬降雨試驗互補性對照，一方面揭示結(jié)構(gòu)體與對照(堆積體)的侵蝕差異；另一方面，以符合野外實際情況的含結(jié)構(gòu)體工程堆積體進(jìn)行試驗，得出結(jié)論更能指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體的水土流失防治。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)構(gòu)體與堆積體的初產(chǎn)歷時受土壤特性和下墊面的影響程度較大，均隨雨強和場次的增加而減小，與堆積體相比，結(jié)構(gòu)體對徑流的產(chǎn)生具有更好的延緩作用。

(2)流速和徑流率均隨雨強和場次的增加而增大，并隨著時間趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)體的平均流速和平均徑流率均小于堆積體，結(jié)構(gòu)體流速和徑流率快速增加和趨于穩(wěn)定的時間均較堆積體提前，且用時更短。

(3)雨強和場次均對堆積體和結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率、流速和徑流率有顯著影響，且雨強對侵蝕速率、流速和徑流率的貢獻(xiàn)率較大；侵蝕速率與雨強呈正相關(guān)，與降雨場次呈負(fù)相關(guān)，不同場次間和不同雨強下結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率均大于堆積體，總侵蝕量與雨強和降雨場次的關(guān)系和侵蝕速率相似，且總侵蝕量與雨強有較好的線性相關(guān)關(guān)系。

(4)侵蝕速率分別與徑流剪切力、徑流功率存在冪函數(shù)相關(guān)、線性相關(guān)關(guān)系，結(jié)構(gòu)體的擬合優(yōu)度大于堆積體，徑流功率是描述堆積體和結(jié)構(gòu)體侵蝕動力過程的合理參數(shù)，結(jié)構(gòu)體發(fā)生侵蝕的臨界徑流剪切力和徑流功率均小于堆積體。