裴向軍，黎俊豪

（地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059）

隨著我國西部大型水利水電、交通運輸、礦山開采等工程建設(shè)項目的快速推進，工程建設(shè)過程中造成大范圍地表破壞、土壤裸露，加之西部山高坡陡、氣候多變，因此工程建設(shè)引發(fā)的人為水土流失問題比平原地區(qū)更為嚴重，已成為西部地區(qū)最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一，給區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。

青藏高原是我國重要的生態(tài)屏障，對于維持氣候穩(wěn)定、碳收支平衡和水資源供應(yīng)等方面有著重要作用［1］。青藏高原的生態(tài)環(huán)境極為脆弱，人類活動和氣候變化對其影響顯著［2］。人類工程活動導致的地表破壞成為青藏高原水土流失的主要影響因素之一，導致青藏高原生態(tài)系統(tǒng)承載力迅速下降［3］。青藏高原地貌類型多樣，氣候復雜，在高原人類活動愈加頻繁和全球氣候變暖的背景下，土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境退化現(xiàn)象在青藏高原局部地區(qū)迅速加劇。如何最大限度地保護工程沿線的生態(tài)成為青藏高原地區(qū)公路建設(shè)中的關(guān)鍵點和難點［4］。

在水土流失和生態(tài)修復研究領(lǐng)域，工程開挖面也被稱為工程創(chuàng)面、開挖坡面和生產(chǎn)建設(shè)項目邊坡，是由工程建設(shè)開挖自然坡體，導致植被層破壞，成土母質(zhì)或風化殼被揭露所形成的坡面［5－8］。由于工程開挖面坡度較陡、土體擾動程度大，其與原始地貌相比侵蝕量劇烈增大，在與重力侵蝕共同作用下，甚至將發(fā)生瀉溜和滑坡地質(zhì)災害［9］。我國學者對工程開挖面的研究始自2000年初，并且主要集中于公路路塹邊坡［10，11］。

眾多學者研究發(fā)現(xiàn)礫石對土壤理化和入滲過程存在很大影響［12，13］。楊苗苗等［14］認為礫石的存在將提高土壤的可蝕性，導致土壤侵蝕加劇，而礫石覆蓋將保護土壤減少侵蝕。

針對碎石表面覆蓋的研究，目前結(jié)論較一致，即隨著碎石覆蓋度增加，會導致徑流量、產(chǎn)沙量和流速減小，入滲能力增強［15－19］。但礫石混入對坡面水文和產(chǎn)沙過程的影響，由于土質(zhì)、礫石形狀和尺寸、礫石賦存形式等區(qū)別，而表現(xiàn)出抑制、促進或雙重效應(yīng)作用［20］。土壤混入礫石將使坡面流速、徑流量和總產(chǎn)沙量增大，并延長坡面初始產(chǎn)流時間［21，22］。土壤礫石含量的增加將使坡面平均產(chǎn)沙率和徑流率增大［23］。坡面總產(chǎn)沙量因混入礫石而增加，是由于礫石周圍易產(chǎn)生渦流所致［24，25］。

礫石粒徑和形狀也對土壤侵蝕過程產(chǎn)生一定影響。呂佼容［26］試驗發(fā)現(xiàn)隨著礫石粒徑增大，產(chǎn)沙量逐漸減小。王雪松等［27］試驗發(fā)現(xiàn)含大石塊坡面平均徑流率及產(chǎn)沙率均比含小石塊坡面的大。礫石磨圓情況對流速有所影響，含河床卵石的土壤，其坡面流速比含山區(qū)礫石的土壤流速偏大［28，29］。

綜上，目前主要研究礫石含量對坡面土壤侵蝕的影響，礫石磨圓度對坡面土壤侵蝕的研究較少，但礫石磨圓度對坡面入滲、坡面水動力學特征均會造成影響，從而改變坡面產(chǎn)沙特征，因此試驗研究礫石磨圓度對坡面土壤侵蝕特征的影響規(guī)律能為保護青藏高原脆弱生態(tài)、防治水土流失和完善青藏高原地區(qū)含礫石坡面土壤侵蝕預測模型提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究對象為派墨公路沿線開挖坡面，派墨公路位于西藏自治區(qū)東南部林芝市境內(nèi)，穿越生態(tài)極為敏感脆弱的雅魯藏布大峽谷國家級自然保護區(qū)核心區(qū)。派墨公路全長66.7km，公路最高處海拔約3 560m（多雄拉隧道出口），最低海拔約680m（解放大橋），其中多雄拉隧道出口至解放大橋段，公路里程53km，海拔落差達2 880m。

研究區(qū)位于青藏高原至喜馬拉雅山脈東南坡的過渡地帶，是青藏高原隆升、侵蝕最強烈的地區(qū)，地形起伏大，河谷深切，山勢陡峻，主要山峰有南迦巴瓦峰、加拉白壘峰和多雄拉山。雅魯藏布江流向在該區(qū)域發(fā)生近180°拐彎，山頂至河谷相對高差一般在2 000m以上（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置

派鎮(zhèn)一帶屬于高原溫帶半濕潤氣候帶，分布于海拔3 000m以下。根據(jù)派鎮(zhèn)附近林芝氣象站2017～2021年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，3～9月間降雨天數(shù)均在10d以上，平均20d，降雨主要集中在5～9月，這5個月平均每月降雨量為90.42～135.89mm，其中以7月降雨量最大，在121.41～213.61mm之間。最高氣溫極值29.61℃，最低氣溫極值－12.50℃，各月平均氣溫均在0℃以上，5～10月平均氣溫14.92℃，11月至翌年4月平均氣溫5.22℃。風速變化并無明顯月份區(qū)別，月平均風速4.14m·s－1，單日最大平均風速12.79m·s－1，達強風級別。多雄拉山一帶屬于山地寒溫氣候帶，分布于海拔3 200～4 000m。夏季平均氣溫12℃～14℃，冬季平均氣溫－1℃～－4℃。年降水量3 000～3 500mm，降雪期長達半年之久，即從當年9月至次年4月，林下積雪厚可達1～2m。

派鎮(zhèn)一帶主要出露南迦巴瓦巖群，地層主要由混合巖、片麻巖和石英巖等變質(zhì)巖組成。第四系覆蓋層以洪沖積和湖積物為主。洪沖積堆積物主要分布于雅魯藏布江及其一級支流河谷，礫石磨圓度較高，以卵石為主；海拔3 000m以上洪沖積堆積物礫石磨圓度較低，以棱角狀礫石為主。湖積物主要分布于雅魯藏布江直白以西（上游）河段，在派鎮(zhèn)玉松村－大渡卡一帶出露面積較大，為一套粉－細砂層、含泥粉砂層、灰黃色泥質(zhì)粉砂層。

1.2 試驗土樣

在不破壞開挖坡面的情況下采集土樣，試驗用土采自派墨公路K2＋814m處，現(xiàn)場土壤平均容重為1.2g·cm－3，平均含水率為11%。使用相同粒徑和相近密度（2.6g·cm－3）的建筑礫石和卵石代替派墨公路沿線礫石（密度2.3g·cm－3）。土樣經(jīng)自然風干后過2mm篩備用。根據(jù)土壤礫石分析結(jié)果（表1），土壤機械組成以砂粒為主，依據(jù)美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地分類標準［30］，研究區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土。

表1 研究區(qū)土壤礫石機械組成及有機碳含量

在野外調(diào)查數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬試驗的實際條件以及調(diào)查中開挖坡面礫石可被侵蝕搬運的粒徑范圍對開挖坡面進行室內(nèi)概化［31，32］，確定試驗礫石粒徑范圍為粒徑d＜60mm。

由于開挖坡面坡度在41°～63°之間，平均51°，因此試驗坡度設(shè)計為50°。在小于60mm粒徑礫石中，礫石（2～60mm）平均含量為39.65%。不同粒徑礫石平均質(zhì)量比為60～40mm∶40～20mm∶20～10mm∶10～5mm∶5～2mm＝5∶6∶6∶4∶4，因此試驗設(shè)計以不同粒徑礫石質(zhì)量比（60～40 mm∶40～20mm∶20～10mm∶10～5mm∶5～2 mm＝5∶6∶6∶4∶4）進行均勻混合礫石配置。風干土樣過2mm和0.075mm篩，獲得砂礫和細粒，其土壤組成為砂：細粒＝9∶1。

1.3 試驗裝置

本試驗土槽設(shè)計為鋼材質(zhì)，尺寸為60cm×30 cm×20cm，底部均勻打直徑5mm孔，在土槽的上部焊接了一個集流槽，便于收集徑流和泥沙［33］（圖2）。

圖2 模型槽示意圖

據(jù)派墨公路沿線雨量站測量數(shù)據(jù)，逐小時最大降雨量為81.4mm，為達到侵蝕性降雨效果，試驗設(shè)置降雨強度為120mm·h－1。參考相關(guān)學者試驗，設(shè)計便攜式降雨裝置進行人工模擬降雨試驗［34，35］，為避免風對雨滴降落造成影響，降雨試驗在大棚內(nèi)進行。降雨裝置主要包含5部分，即支架、噴嘴、水管、水泵和儲水帶（圖3）。使用美國Spraying Systems公司生產(chǎn)的1／2HH-50WSQ型噴嘴模擬人工降雨，噴嘴通過不銹鋼管支架架設(shè)于3m高處，調(diào)節(jié)泄壓閥，使水壓穩(wěn)定為0.2MPa，在此高度下，噴嘴能在地面1m×1m范圍內(nèi)產(chǎn)生恒定且均勻雨強（120mm·h－1），在此范圍內(nèi)布設(shè)雨量計監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，降雨均勻度在80%以上，滿足人工降雨模擬精度［36］。

圖3 人工模擬降雨裝置示意圖

1.4 人工降雨試驗步驟

洪沖積成因開挖坡面大于2mm礫石主要以卵石為主，磨圓度較高，為了研究磨圓度變化對坡面侵蝕的影響，選擇磨圓度較低密度相近的棱角狀礫石進行對比研究，共進行6場降雨（表2）。人工降雨試驗主要包括試驗土槽填土、降雨強度校核、前期濕潤處理、埋設(shè)傳感器、泥沙徑流采集及流速測量等步驟。

表2 礫石磨圓度對坡面土壤侵蝕影響試驗設(shè)計

1.4.1 試驗土槽填土

為了模仿天然滲透層以及防止土壤從排水孔漏出，需在底部裝填0.5～1cm粒徑礫石1cm厚，并在礫石層表面鋪設(shè)紗布。根據(jù)現(xiàn)場土壤的容重（1.2 g·cm－3）和含水率（11%）計算所需的土壤和礫石的質(zhì)量，將風干土壤與礫石按設(shè)計質(zhì)量比充分攪拌，保證混合均勻，然后分層裝入土槽，每5cm作為1層，層與層之間打毛，防止土體垂直分層。

1.4.2 降雨強度校核

使用雨量計測定土槽四角和中心降雨強度，計算平均降雨強度及降雨均勻度，以達到設(shè)計要求。

1.4.3 前期濕潤處理

為了使每次試驗時土壤初始含水率一致，從而使不同場次降雨試驗具有可比性，在土樣裝填完畢后，需利用灑水壺進行輕微灑水至底土濕潤至飽和狀態(tài)，排水孔滲水為止，放置12h后進行降雨試驗。

1.4.4 埋設(shè)傳感器

在土槽中部插入含水率傳感器，埋設(shè)深度10 cm，監(jiān)測降雨過程中坡面含水率變化。采用ECHO EC－5體積含水率傳感器和EM50數(shù)據(jù)采集儀。

1.4.5 泥沙徑流采集及流速測量

當降雨開始至坡面開始產(chǎn)生穩(wěn)定水流這段時間為初始產(chǎn)流時間，坡面穩(wěn)定產(chǎn)流后降雨30min。坡面初始產(chǎn)流后，間隔每2min使用集流瓶收集泥沙徑流樣品。間隔每2min測一次流速，將KMnO4溶液從土槽頂部滴下，記錄其向下流經(jīng)土槽底部的時間，從而得出坡面水流流速。使用精度0.1g電子秤測量含泥沙徑流質(zhì)量，然后將含泥沙徑流靜置8h，待泥沙和水分層后，倒掉上層水體，取出濕泥沙裝入鋁盒，放入烘箱105℃烘8h，之后測定烘干泥沙質(zhì)量（圖4）。

圖4 徑流與泥沙采集流程

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2019進行數(shù)據(jù)計算、匯總和簡單數(shù)據(jù)分析，使用SPSS 25.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，運用Origin 2018進行圖件繪制。

（1）初始產(chǎn)流時間（T0）：指從降水至坡面開始穩(wěn)定產(chǎn)流的時間［37，38］。

（2）徑流量（Vr）：恒定產(chǎn)流一段時間所匯集的產(chǎn)流量。

式中，Vr為徑流量（L）；Mr為徑流質(zhì)量（g）；Mt為含泥沙徑流與集流瓶總質(zhì)量（g）；Ms為泥沙質(zhì)量（g）；Ma為集流瓶質(zhì)量（g）；Mb為鋁盒的質(zhì)量（g）；Mc為干泥沙和鋁盒的質(zhì)量（g）；ρw為水的密度（g·L－1）。

（3）徑流率（Q）：單位時間單位面積降雨所產(chǎn)生的徑流量，表征產(chǎn)流的強度。

式中，Q為徑流率（mm·min－1）；T為降雨時間（min）；Vr為降雨T時間內(nèi)徑流量（mm3）；A為坡面面積（mm2）。

（4）含沙量（Sc）：單位體積徑流所含泥沙量，可表征徑流攜沙能力［39］。

式中，Sc為含沙量（g·L－1）；Ms為泥沙質(zhì)量（g）；Vr為徑流量（L）。

（5）侵蝕速率（D）：單位時間單位面積坡面的產(chǎn)沙量，反映了土壤侵蝕強度。計算公式如下：

式中，D為侵蝕速率（g·m－2·min－1）；T為降雨時間（min）；Ms為降雨T時間內(nèi)泥沙質(zhì)量（g）；A為坡面面積（m2）。

（6）坡面入滲率（I）：單位時間、單位面積土壤表面入滲的水量［40］。

式中，I為坡面入滲率（mm·min－1）；θ為坡度（°）；Vr為降雨T時間內(nèi)徑流量（mm3）；A為坡面面積（mm2）；T為降雨時間（min）；i為降雨強度（mm·min－1）。

（7）流速（V）：使用KMnO4溶液測得的流速為表面最大流速，需乘校正系數(shù)0.75［41］，單位為cm·s－1。各次測定流速平均值為平均流速U。

（8）徑流深（h）：坡面水流平均水深。

式中，h為平均徑流深（cm）；Vr為t時間內(nèi)的徑流量（cm3）；U為平均流速（cm·s－1）；b為水槽寬度（cm）；t為徑流取樣時長（s）。

（9）雷諾數(shù)（Re）和弗勞德常數(shù)（Fr）：雷諾數(shù)用于衡量水流的紊動程度，是判別水流流態(tài)的主要參數(shù)之一［42］。根據(jù)明渠水流理論，Re＜500為層流，500≤Re≤2 000為過渡流，Re＞2 000為紊流。水流雷諾數(shù)越大，坡面流紊動程度越強，水流侵蝕能力越強［43］。弗勞德數(shù)是反映水流流型的主要參數(shù)。水流弗勞德數(shù)Fr＞1為急流，F(xiàn)r＜1為緩流，F(xiàn)r＝1為臨界流。一般而言，弗勞德數(shù)越大，徑流挾沙能力越強。

雷諾數(shù)（Re）：

式中，Re為雷諾數(shù)；v為徑流粘滯系數(shù)（cm2·s－1）；t為水溫（℃）；U為平均流速（cm·s－1）；h為平均徑流深（cm）。

弗勞德數(shù)（Fr）：

式中，F(xiàn)r為弗勞德常數(shù)；g為重力加速度（980cm·s－2）；h為平均徑流深（cm）；U為平均流速（cm·s－1）。

（10）Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f）：阻力系數(shù)可表征坡面阻礙水流運動的能力，阻力系數(shù)值越大，代表坡面阻力越大。

式中，f為Darcy-Weisbach阻力系數(shù)；J為水力坡度，可用坡度的正弦值近似代替；g為重力加速度（980cm·s－2）；U為平均流速（cm·s－1）；h為平均徑流深（cm）。

（11）水流功率（ω）：常用于描述水流輸沙能力，已被流行的侵蝕模型所采用，用于預測土壤流失［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為水力坡度（等于坡度正弦值）；ρw為水的密度（g·cm－3）；g為重力加速度（cm·s－2）；q為單位寬度徑流體積通量（cm2·s－1）。

（12）水流剪切力（τ）：由流動水體產(chǎn)生，并作用于土壤礫石的力，當水流剪切力增大到一定程度，將使土壤礫石脫離坡面隨水流運動。

式中，τ為水流剪切力（g·cm－1·s－2）；ρw為水的密度（g·cm－3）；J為水力坡度，可用坡度的正弦值近似代替；g為重力加速度（980cm·s－2）；R為水力半徑（cm），由于坡面水流為薄層水流，水力半徑R可用徑流深代替。

2 結(jié)果

2.1 不同礫石磨圓度開挖坡面微地形變化特征

由圖5可發(fā)現(xiàn)，降雨后，礫石和卵石坡面均產(chǎn)生細溝，在降雨初期，坡面水流在坡腳處開始侵蝕坡面土壤，形成細溝，隨著降雨的持續(xù)，在徑流溯源侵蝕的作用下，細溝逐漸向坡上部延伸，并在徑流側(cè)蝕作用下，細溝寬度也逐漸擴大。在徑流細溝侵蝕下，溝周圍坡面土體失穩(wěn)滑入細溝中，并被徑流帶走，導致產(chǎn)沙量迅速增大。

圖5 不同礫石磨圓度下坡面侵蝕特征

就坡表侵蝕微地形來看，礫石坡面所產(chǎn)生的細溝較為明顯，并且深度和寬度都比卵石坡面產(chǎn)生的細溝大，礫石坡面呈現(xiàn)出細溝數(shù)量少，僅1～2條主要細溝，但單條細溝規(guī)模大的特征，細溝深切，降雨結(jié)束后，坡面微地形變化明顯。卵石坡面所形成細溝深度較淺，且寬度也較小，坡面水流沿各卵石間隙流動，因此卵石周圍土壤侵蝕較為嚴重，并圍繞卵石形成深切環(huán)形細溝，但細溝數(shù)量比礫石坡面多。

2.2 不同礫石磨圓度開挖坡面水文過程變化特征

2.2.1 不同礫石磨圓度開挖坡面入滲過程變化特征

（1）坡面入滲率

各坡面入滲率整體上均呈隨降雨時間增加而逐漸減小趨勢，入滲率的變化可分為2個階段：①迅速減小階段，在坡面初始產(chǎn)流后6～12min，入滲率迅速減?。虎谄椒€(wěn)階段，在坡面產(chǎn)流后12～30min，坡面入滲率逐漸趨于穩(wěn)定，波動幅度較?。▓D6）。在降雨產(chǎn)流初期，礫石坡面和卵石坡面的入滲率較為接近，但隨著降雨持續(xù)，卵石坡面的入滲率逐漸超過礫石坡面。礫石和卵石坡面入滲率均表現(xiàn)出隨含石量的增加而減小。對于不同含石量坡面，均表現(xiàn)出卵石坡面的入滲率高于礫石坡面（表3），其平均入滲率比礫石坡面高11.3%，這表明隨著磨圓度增加，坡面入滲率將增大。

圖6 不同礫石磨圓度坡面入滲率變化特征

表3 不同礫石磨圓度坡面平均入滲率特征

（2）坡面含水率

各坡面含水率隨著降雨時間延長，在降雨8 min后，含水率隨時間逐漸趨于穩(wěn)定。其中含石量30%和50%的礫石和卵石坡面，其穩(wěn)定含水率均基本相同。但含石量40%的礫石和卵石坡面穩(wěn)定含水率出現(xiàn)明顯區(qū)別，卵石坡面的穩(wěn)定含水率明顯高于礫石坡面穩(wěn)定含水率，這表明當含石量40%時，卵石坡面入滲能力明顯強于礫石坡面（圖7）。由表4可知，各坡面平均含水率基本無明顯差異，但卵石坡面含水率比礫石坡面含水率偏高。

圖7 不同礫石磨圓度坡面含水率變化特征

表4 不同礫石磨圓度坡面平均含水率特征

2.2.2 不同礫石磨圓度開挖坡面產(chǎn)流過程變化特征

（1）初始產(chǎn)流時間

由表5可知，各含石量坡面不同礫石磨圓度下，坡面初始產(chǎn)流時間變化明顯，卵石坡面在降雨后產(chǎn)流晚于礫石坡面，卵石坡面初始產(chǎn)流時間比礫石坡面延長28.1%，并且隨著含石量的增加，礫石和卵石坡面初始產(chǎn)流時間的差異逐漸減小。

表5 不同礫石磨圓度坡面初始產(chǎn)流時間差異

（2）徑流率

徑流率隨時間的變化呈現(xiàn)出兩個階段：①迅速增加階段，在坡面初始產(chǎn)流至14min左右，徑流率迅速增加，但隨著含石量的增加，徑流率增加幅度逐漸減小。②平緩增加階段，在產(chǎn)流14min后，徑流率逐漸趨于平緩增加趨勢，徑流率在小幅波動中緩慢增加（圖8）。各坡面徑流率均表現(xiàn)出卵石坡面小于礫石坡面，但隨著降雨持續(xù)，礫石和卵石坡面徑流率的差異逐漸減?。▓D8）。以初始產(chǎn)流后14～30 min內(nèi)的穩(wěn)定徑流率計算平均徑流率，由表6可知，除含石量30%礫石和卵石坡面徑流率相差不大之外，其余含石量坡面均表現(xiàn)出礫石坡面徑流率大于卵石坡面徑流率，卵石坡面徑流率偏小9.4%。

表6 不同礫石磨圓度坡面平均穩(wěn)定徑流率特征

圖8 不同礫石磨圓度坡面徑流率隨時間的變化

2.3 不同礫石磨圓度開挖坡面水動力學變化特征

2.3.1 流速

總體來看，各坡面流速隨時間呈逐漸減小趨勢，這與眾多學者研究坡面形成細溝侵蝕過程的流速變化結(jié)論一致［29，45］。流速的變化可主要分為2個階段：①大幅波動階段，存在于降雨產(chǎn)流前期，流速在劇烈波動中下降。②平緩下降階段，在降雨中后期，流速波動幅度明顯減小，并呈緩慢下降趨勢。

由圖9可知，隨著含石量增加，流速達到穩(wěn)定的時間越短。各含石量坡面中，卵石坡面流速普遍高于礫石坡面，并且各含石量坡面均呈現(xiàn)出卵石坡面流速隨時間波動程度較礫石坡面流速波動程度大。

圖9 不同礫石磨圓度坡面流速隨時間的變化

2.3.2 水流功率

各坡面水流功率均隨時間呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，但降雨初期，水流功率增加迅速，到降雨中后期，水流功率趨于穩(wěn)定，并緩慢增加（圖10）。

圖10 不同礫石磨圓度坡面水流功率隨時間的變化

2.3.3 流態(tài)流型

各坡面雷諾數(shù)為5.852～7.675，其流態(tài)屬于層流（表7）。卵石坡面雷諾數(shù)小于礫石坡面，但差距極小，這說明礫石磨圓度對坡面水流流態(tài)的影響較小。

表7 不同礫石磨圓度坡面雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)

各坡面弗勞德數(shù)為3.152～9.863，因此各坡面水流流型為急流。各含石量卵石坡面水流的弗勞德數(shù)均大于礫石坡面，并且差距較大，因此礫石磨圓度對弗勞德數(shù)影響較大，這表明礫石磨圓程度越高，坡面水流越容易侵蝕土壤。

2.3.4 阻力規(guī)律

由表8可知，各坡面阻力系數(shù)隨著含石量增加而增大，卵石坡面的阻力系數(shù)均小于礫石坡面，這表明卵石坡面對水流的阻礙作用更小。

表8 不同礫石磨圓度坡面Darcy-Weisbach阻力系數(shù)

2.4 不同礫石磨圓度開挖坡面產(chǎn)沙過程變化特征

（1）侵蝕速率

由圖11可知，各坡面侵蝕速率隨時間的變化表現(xiàn)出先緩慢減小，再迅速增加，然后迅速減小并趨于穩(wěn)定的趨勢。侵蝕速率隨降雨時間的變化可分為3個階段：①緩慢減小階段，該階段發(fā)生于產(chǎn)流初期，即產(chǎn)流后0～8min內(nèi)。②迅速增加階段。③緩慢減小階段，在產(chǎn)流中后期，侵蝕速率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。在降雨初期即雨滴濺蝕和細溝間侵蝕階段，礫石坡面和卵石坡面侵蝕速率差異較小，這說明在雨滴濺蝕和細溝間侵蝕階段，坡面侵蝕受礫石形狀和磨圓度的影響很小。

圖11 不同礫石磨圓度坡面侵蝕速率隨時間的變化

不同含石量下，礫石坡面侵蝕速率達到峰值的時間均比卵石坡面提前，礫石坡面和卵石坡面到達侵蝕速率峰值的平均時間分別為10.7min和15.3 min，這表明礫石坡面更早形成細溝侵蝕。

當侵蝕速率達到峰值后，卵石坡面侵蝕速率開始大于礫石坡面，卵石坡面穩(wěn)定侵蝕速率比礫石坡面大2.1倍（表9）。

表9 不同礫石磨圓度坡面穩(wěn)定侵蝕速率

（2）累積產(chǎn)沙量

各坡面累積產(chǎn)沙量隨時間的變化表現(xiàn)為先緩慢增加，后迅速增加，再緩慢增加。由圖12可知，在降雨初期，礫石坡面累積產(chǎn)沙量大于卵石坡面，在降雨中后期，卵石坡面累積產(chǎn)沙量將超過礫石坡面，其總產(chǎn)沙量比礫石坡面高20.1%。并且隨著含石量的增加，卵石坡面累積產(chǎn)沙量超過礫石坡面的時間提前，這表明，隨著含石量增加，卵石坡面細溝侵蝕能力將比礫石坡面更強。

圖12 不同礫石磨圓度坡面累積產(chǎn)沙量隨時間的變化

3 討論

3.1 礫石磨圓度對坡面水文過程的影響

開挖坡面坡表被不透水的石塊覆蓋，因此隨著坡面石塊覆蓋度增加，坡面入滲面積減小，導致入滲率減?。?9］。由于卵石磨圓度較高，卵石表面較光滑，且近似橢球體，因此坡面水流在向下入滲的過程中，所受阻力更小，因此水流更容易入滲［46］。由于卵石對水流入滲阻力更小，導致坡面入滲能力更強，坡面水流更容易滲入土體，因此土體含水率更高。

土壤滲透性是影響坡面初始產(chǎn)流時間主要因素之一［37］，由于卵石磨圓程度比棱角狀礫石好，呈橢球型，坡面水流下滲時，受到的阻礙較小，這為優(yōu)先流創(chuàng)造了極多的入滲路徑，為入滲流動提供了大孔隙通道［45］，因此坡面水流將更容易滲入坡體深處，導致坡面土壤需要更長的時間才能接近飽和，因此卵石坡面初始產(chǎn)流時間高于礫石坡面。

由于卵石坡面入滲能力更強，因此在相同雨強相同坡度下，卵石坡面徑流率偏低。

3.2 礫石磨圓度對坡面水動力學特性的影響

在降雨初期，坡面處于雨滴濺蝕和細溝間侵蝕階段，坡面較為平整，因此坡面薄層水流所受阻力較小，因此流速較大，但隨著坡面薄層水流攜帶泥沙量增多，消耗水流動能，因此流速呈波動下降趨勢。隨著細溝侵蝕發(fā)展，細溝不斷發(fā)育，細溝曲折性增加，同時溝壁坍塌造成徑流含沙量迅速增大，大量消耗水流動能，導致流速減?。?7，48］。細溝發(fā)育后期，細溝溝道形態(tài)趨于固定，因此流速趨于平穩(wěn)［28］。

有學者認為，礫石形狀將影響坡面流速變化［29］。之所以卵石坡面流速大于礫石坡面，是因為礫石棱角多，礫石表面粗糙，凹凸不平，不僅在搬運過程中對徑流有阻滯作用，而且棱角狀礫石存在于細溝溝床中時，增加了徑流彎曲度，進一步阻礙徑流流動，消耗徑流動能，導致流速較?。?9，50］。而卵石表面光滑，并且形態(tài)呈橢球形，有利于徑流的運動，導致流速較棱角狀礫石坡面快［21］。

卵石坡面的水流功率小于礫石坡面水流功率，這是因為水流功率主要與單位寬度流量和水力坡度有關(guān)，當水力坡度一定時，在相同過水斷面情況下，水流功率主要與徑流量有關(guān)，由于礫石坡面徑流率高于卵石坡面，因此礫石坡面水流功率高于卵石坡面。

由于弗勞德數(shù)主要是流速和水深的函數(shù)，其與流速成正比，與水深呈反比，水深與徑流量呈正相關(guān)，由于卵石坡面徑流率較礫石坡面小，但卵石坡面流速卻比礫石坡面大，因此卵石坡面弗勞德數(shù)大于礫石坡面。由于卵石表面較光滑，坡面阻力較小所致。并且，由于Darcy－Weisbach阻力系數(shù)是水深和流速的函數(shù)，其與水深成正比，與流速成反比，由于卵石坡面流速大于礫石坡面，且卵石坡面徑流率小于礫石坡面，則水深較礫石坡面小，因此卵石坡面Darcy－Weisbach阻力系數(shù)較小。

3.3 礫石磨圓度對坡面產(chǎn)沙的影響

侵蝕速率隨降雨時間的變化可分為3個階段是由降雨侵蝕特點所決定。侵蝕速率緩慢減小階段發(fā)生雨滴濺蝕和細溝間侵蝕，坡面薄層水流將雨滴擊濺產(chǎn)生的松散土粒和坡面原本存在的浮土帶走，但隨著松散土壤逐漸被水流搬運殆盡，坡面薄層水流主要對土壤進行層狀剝蝕，因此侵蝕速率趨于穩(wěn)定，因此該階段侵蝕速率表現(xiàn)為逐漸減小。迅速增加階段發(fā)生細溝侵蝕，坡面薄層水流坡面形態(tài)不平整，面狀水流逐漸向線狀水流轉(zhuǎn)化，水流侵蝕能力增強，導致形成細溝，其侵蝕過程包括細溝溝頭的溯源侵蝕、細溝的溝底下切過程和細溝溝壁的崩塌垮落過程。細溝間挾沙薄層水流匯聚到細溝內(nèi)，通過細溝水流輸送，因此，細溝內(nèi)徑流量增大，沖刷力和挾沙力增強，因而使坡面侵蝕侵蝕速率迅速增大。隨著細溝發(fā)展形態(tài)趨于穩(wěn)定，易侵蝕物質(zhì)已被帶走，因此侵蝕速率相應(yīng)減小，并趨于穩(wěn)定。

由于礫石坡面徑流率高于卵石坡面，因此在相同時間內(nèi)，礫石坡面所產(chǎn)生的徑流量高于卵石坡面，并且由于礫石坡面較粗糙，阻滯水流流動，因此更容易使坡面薄層水流匯聚并形成線狀水流，由于只有在徑流量大于發(fā)生細溝侵蝕的臨界流量時，才有可能發(fā)生細溝侵蝕［51］，礫石坡面徑流量比卵石坡面大，且更易形成線狀水流，因此礫石坡面更早發(fā)生細溝侵蝕。

根據(jù)降雨試驗過程中觀察及降雨前后坡面細溝形態(tài)分布特征可知，棱角狀礫石由于粗糙，與土壤貼合較緊密，因此礫石和土壤能形成一體，因而傾向于形成深切寬大細溝，但細溝數(shù)量較少，僅1～2條；而卵石磨圓度較高，較為光滑，與土壤貼合不緊密，導致水流沿卵石流動時，更容易將卵石周圍土壤搬運走，并沿卵石周圍形成低緩區(qū)域，導致水流更傾向于往卵石周圍流動，因此水流逐漸沿卵石侵蝕，形成線狀徑流，導致徑流沿卵石周圍侵蝕加劇，從而形成以卵石為中心，遍布坡面的環(huán)形小細溝，導致產(chǎn)沙量劇增。雖然礫石坡面形成的細溝較深切寬大，但數(shù)量遠小于卵石坡面遍布坡面的小細溝，因此表現(xiàn)出在形成細溝侵蝕后，卵石坡面的侵蝕速率高于礫石坡面的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）洪沖積成因開挖坡面在降雨過程中以細溝侵蝕為主，坡面水流沿各卵石間隙流動，以卵石為中心，形成遍布坡面的深切環(huán)形小細溝，但細溝數(shù)量比礫石坡面多，導致卵石周圍土壤侵蝕較為嚴重。

（2）卵石坡面（洪沖積成因開挖坡面）平均入滲率比礫石坡面高11.3%，初始產(chǎn)流時間比礫石坡面延長28.1%，徑流率偏小9.4%。

（3）卵石坡面水流流態(tài)屬于層流，流型為急流，其雷諾數(shù)小于礫石坡面，弗勞德數(shù)偏大，平均流速大于礫石坡面，阻力系數(shù)小于礫石坡面。

（4）礫石坡面和卵石坡面到達侵蝕速率峰值的平均時間分別為10.7min和15.3min，礫石坡面更早發(fā)生細溝侵蝕。卵石坡面穩(wěn)定侵蝕速率比礫石坡面大2.1倍，其總產(chǎn)沙量比礫石坡面高20.1%。