徐嘉寧，彭清娥，張瑞雪，鹿?jié)裳?/p>

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引 言

我國山地遼闊，丘陵地區(qū)和黃土地區(qū)的地形起伏明顯，加之雨季降水集中、人類活動等綜合因素作用，土壤侵蝕問題頻發(fā)。降雨導(dǎo)致的土壤侵蝕問題一直是地質(zhì)研究以及災(zāi)害研究的重中之重，作為一種重要的土壤退化物理形式，雨滴擊濺是水蝕產(chǎn)生的動力觸發(fā)因素，也是土壤侵蝕的初始階段［1］。降雨的濺蝕作用破壞原始坡面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分顆粒起動脫離［2，3］，為后續(xù)的徑流侵蝕提供物料。研究表明，雨滴濺蝕量約占雨水總侵蝕量的83%，是薄層徑流沖刷侵蝕量的5倍，坡面所產(chǎn)生的泥沙絕大部分由雨滴擊濺所致［4，5］。因此對于雨滴打擊作用下濺蝕的變化趨勢及影響因素研究對于防治水土流失和泥沙災(zāi)害具有重要意義。作為流域的一個最基本的組成，坡面同時也是侵蝕發(fā)生最基本的部分。對于坡面水蝕和侵蝕來說，最根本的動力來源就是降雨［6］。因此，通過試驗?zāi)M出不同松散顆粒堆積體下墊面條件，觀察極端強降雨情況下的雨滴打擊濺蝕情況，探究在雨滴打擊侵蝕動力條件下決定松散顆粒堆積體顆粒分散和搬運的主要因素，將有利于深入理解坡面侵蝕機理，為正確防治泥沙災(zāi)害以及水土流失提供更基礎(chǔ)的理論依據(jù)。但之前的研究大多針對坡面整體輸沙率，對于液滴定點濺蝕的研究較少，為得出液滴定點脈沖式打擊對非均勻沙的濺蝕影響，于2021 年10 月在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室泥沙大廳內(nèi)開展雨滴濺蝕試驗，分別對4 組不同中值粒徑的非均勻沙樣在4 種不同坡度條件下，采取6 種不同液滴數(shù)量的脈沖式液滴進(jìn)行試驗，并通過對比其濺蝕過程和濺蝕坑型進(jìn)行分析得出相應(yīng)結(jié)論。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試驗裝置

液滴濺蝕試驗裝置主要包括液滴發(fā)生裝置、阻風(fēng)管、沙礫層濺蝕下墊面、坡度調(diào)節(jié)臺、攝像機和補光設(shè)備。

液滴發(fā)生裝置由醫(yī)用輸液瓶改造而來，儲水瓶上部有一根連接大氣的導(dǎo)管，下部瓶口通過輸水軟管連接輸液針頭，針頭固定于距離濺蝕下墊面4.5 m 高的架子上以確保液滴下落點不變。液滴的下落頻率和直徑大小分別由輸水軟管上的滑輪式流量調(diào)節(jié)器和針頭型號控制。為消除風(fēng)力作用，在針頭固定架下方連接一個直徑8 mm 的PVC 阻風(fēng)管，該阻風(fēng)管上端口與針頭固定架在同一高程平面，并用鉛錘校核，使管外壁與懸線始終保持平行，確保液滴在下落過程中不會偏移到管內(nèi)壁上順流而下。阻風(fēng)管下方即為濺蝕下墊面，將砂樣放置在圓形透明玻璃皿中，玻璃皿規(guī)格為外徑10 cm、高度2 cm，厚1 mm，并置于小型調(diào)節(jié)臺上，該調(diào)節(jié)臺可通過旋轉(zhuǎn)滾輪在0°～90°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)傾角，實現(xiàn)下墊面坡度調(diào)節(jié)。為記錄坡面濺蝕過程，同時在下墊面操作臺周圍布置攝像機和補光設(shè)備。本次試驗選用索尼ILCE-7RM3微單相機，有效像素高達(dá)4 240 萬，可實現(xiàn)399點相位檢測自動對焦，425 點對比檢測自動對焦，對焦面積廣。補光設(shè)備選用sutefoto XFAN 系列N20 LED 攝像專業(yè)補光燈，光照強度和角度可以根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)，光源均勻穩(wěn)定。

圖1 液滴濺蝕試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of droplet sputtering test device

1.2 試驗參數(shù)確定

本次試驗的液滴由醫(yī)用一次性16號針頭產(chǎn)生，針頭外徑為1.6 mm，針長38 mm，針口為薄壁長斜面角。每次試驗前對液滴直徑進(jìn)行校正，利用量筒收集連續(xù)下落的液滴，以球體形狀計算單顆液滴的平均直徑和質(zhì)量，并在液滴下落頻率穩(wěn)定后開始試驗。通過計算確定本次試驗所用針頭產(chǎn)生的液滴直徑dy=3.65 mm，下落頻率為平均每分鐘56滴，試驗下落高度4.5 m。

根據(jù)降雨終速計算式Vt= 3.05 + 2.32dy- 0.223d2y［7］（3 mm≤dy≤5 mm）算得其自然終速為Vt=8.54 m/s。在天然降雨中，雨滴降落終速在2～10 m/s 范圍內(nèi)，理論上來講，直徑5 mm 的雨滴終速可達(dá)9.09 m/s。本試驗采用Image-J 圖像處理軟件中的Plugins→Tracking插件對用高速攝像機記錄的視頻圖像進(jìn)行手動捕捉，測定液滴直徑及終速并與依照Vt= 3.05 + 2.32dy-0.223d（2y3 mm≤dy≤5 mm）計算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。本次試驗的液滴終速可達(dá)自然終速的88%以上［8］，試驗成果可靠。試驗?zāi)M液滴的各無量綱數(shù)與自然條件下同粒徑的雨滴參數(shù)較為接近，如表1，在動力學(xué)上可以認(rèn)為本次模擬的液滴與天然雨滴相似，并將Vt取9.1 m/s［8］進(jìn)行相關(guān)計算。

表1 天然雨滴與試驗?zāi)M液滴無量綱數(shù)計算表Tab.1 Calculation table of dimensionless number of natural raindrops and test simulated droplets

本次試驗用沙為非均勻沙，非均勻沙的級配及下墊面坡度對于雨滴濺蝕有著不可忽視的重要影響［9，10］?；趯Υ罅垦芯繑?shù)據(jù)和試驗實際體量的考慮，本次試驗共設(shè)置4個粒徑水平，即將中值粒徑分別定為1，2，3，3.7 mm。選取粒徑為小于1，1～2，2～5，5～8，8～10 mm 已經(jīng)篩分好的非黏性沙粒組成試驗用沙，各級配非均勻沙粒徑組成如表2。

表2 各級配非均勻沙粒徑組成Tab.2 Particle size composition of non-uniform sand at different levels

本次試驗濺蝕下墊面設(shè)置0°、15°、25°、35°共4 個坡度，顆粒級配設(shè)置S1（D50=1 mm）、S2（D50=2 mm）、S3（D50=3 mm）、S4（D50=3.7 mm）共4 個粒徑水平。由下墊面坡度和粒徑級配組合出16 個組次，經(jīng)過多次預(yù)試驗觀測，每個組次再分別設(shè)置6 種不同數(shù)量的液滴連續(xù)下落打擊情況，分別為10、50、100、250、500、650 滴液滴連續(xù)累積作用，共96 組試驗，每組測量3 次，共測量288次。

試驗用砂均為自然風(fēng)干狀態(tài)，每組試驗開始前，先調(diào)整相應(yīng)坡度，把攝像機和補光設(shè)備放置在合適位置。將試驗砂盛入透明玻璃皿中，自然堆積，并用鋼尺刮平整表面，使顆粒層面與玻璃皿最高圓面平齊，各透明玻璃皿內(nèi)非均勻沙盛滿刮平后的物理特性見表3。

表3 各級配物理特性計算表Tab.3 Calculation table of physical characteristics of all levels of distribution

調(diào)整雨滴下落頻率，便于計數(shù)，并固定針頭位置確保液滴下落點不變。取不同的沙盤，讓液滴分別作用10、50、100、250、500、650 滴，為提高精度計算，液滴作用后待砂樣風(fēng)干整體固結(jié)，再對濺蝕坑進(jìn)行拍攝，獲取多視角、高重疊度的照片，進(jìn)行后續(xù)處理。

1.3 數(shù)據(jù)處理

濺蝕坑的圖像處理采用Agisoft Metashape Professional 三維建模軟件，拍攝前使用全站儀測定19個人工標(biāo)記點的相對空間坐標(biāo)作為高程控制點，x、y、z坐標(biāo)值誤差均控制在1 mm及以下。試驗時對每個濺蝕坑拍攝30～35 張照片，處理時刪去質(zhì)量不高的照片（圖片質(zhì)量值＜0.5），通過19 個控制點的已知坐標(biāo)得到濺蝕前后各像素點的相對空間坐標(biāo)，進(jìn)而生成數(shù)字高程模型（DEM.tif）和正射影像（orth.tif）文件，平面尺寸誤差控制在±0.01 mm 以內(nèi)。再利用Agisoft Metashape 生成濺蝕坑的三維模型，Matlab 編寫相關(guān)計算程序，讀取DEM.tif 中的X、Y、Z坐標(biāo)矩陣，最后利用meshgrid 函數(shù)生成濺蝕坑的三維網(wǎng)格圖像。并利用unifrnd函數(shù)基于蒙特卡洛法計算每個濺蝕坑的體積，體積計算精度設(shè)置為0.000 1 mm3，多次計算結(jié)果的誤差值不超過5%。

2 試驗現(xiàn)象及分析

2.1 中值粒徑和坡度一定時不同液滴作用數(shù)量濺蝕情況

以顆粒級配S1（D50=1 mm）的非均勻沙在0°坡面上的試驗為例，試驗初始床面的下滲能力較強，液滴包裹細(xì)顆粒，將下墊面松散堆積狀態(tài)變?yōu)槟嗪隣睿旱闻c下墊面接觸瞬間即有較多細(xì)顆粒（小于1 mm）被濺起，回落坡面后沿坡面向下滾動。隨著液滴持續(xù)打擊，細(xì)顆粒被壓實形成塌陷，雨穴形成［11］，在雨穴的邊側(cè)，由于側(cè)壓力和液滴打擊的沖量作用，周圍土粒向各個角度呈拋物線躍移，其中2 mm 以上的顆粒常濺起后落在濺蝕坑附近，細(xì)顆粒則更加遠(yuǎn)離擊濺中心，雨穴旁逐漸形成粗顆粒松散沉積物，粗化過程逐漸發(fā)展。在這一過程中，細(xì)沙（小于1 mm）常被液滴包裹形成聚集團(tuán)共同飛濺運動，起動模式以躍移為主［12］。

由于非均勻沙下墊面各部分的床沙組成特性不同，液滴擊濺位置不同，濺蝕過程和最終粗化的結(jié)果也不同。在粗化過程中存在兩種特殊狀態(tài)：①隨著表層顆粒被濺起，后續(xù)的液滴打擊在之前被完全遮蔽的大于液滴起動粒徑的沙粒上，液滴順其而下滲入土層，同時帶走該沙粒周圍的細(xì)沙，圍繞該顆粒形成一個“環(huán)形”濺蝕坑。這種狀態(tài)下的粗化過程是圍繞著該顆粒進(jìn)行的。隨著液滴持續(xù)打擊，該顆粒周圍的細(xì)沙被“沖刷”落入坑內(nèi)，并在后續(xù)液滴持續(xù)作用下不斷壓實，同時較小顆粒不斷在沖量作用下被濺起、躍移至坑外，如此往復(fù)，最終該顆?！肮铝ⅰ庇跒R蝕坑內(nèi)，且周圍分布著粒徑小于自身的較粗顆粒。②液滴始終連續(xù)打擊在較細(xì)顆粒群處，直接產(chǎn)生下滲并改變床面結(jié)構(gòu)，形成濺蝕坑。這種情況下，在粗化發(fā)展之前，濺蝕坑形態(tài)較為規(guī)整。隨著液滴持續(xù)下落，細(xì)顆粒不斷吸水壓實或飛濺，較粗顆粒逐漸被篩選出來。約500 滴時，粗顆?；就Ａ粼跒R蝕坑內(nèi)，隨著液滴打擊在坑內(nèi)反復(fù)小幅度跳躍，不與坑外顆粒交換，最終粗化狀態(tài)較為“均勻”，即在濺蝕坑內(nèi)部和周圍均勻分布著較粗顆粒。不同數(shù)量液滴的累計作用下，濺蝕坑的三維模型見圖2。

圖2 D50=1 mm濺蝕坑的三維模型圖Fig.2 3D model diagram of D50=1 mm sputtering pit

2.2 液滴作用數(shù)量和中值粒徑一定時不同坡度濺蝕情況

在0°坡面上，液滴垂直打擊地表，液滴與地表的接觸面積即為承雨面積，但在具有一定角度的坡面上承雨面積是液滴與地表接觸面積的投影，由于投影面積小于斜坡面積，則液滴特性不變時，承雨面積減小。以顆粒級配S1（D50=1 mm）的非均勻沙持續(xù)打擊500滴為例，有了坡度以后，濺蝕坑深度沿坡面方向擴大，剖面如“斗狀”。在15°坡面上，由于顆粒存在沿坡面方向的重力分量，同時液滴也存在沿坡面向下的體積分量，在濺蝕初期，間或出現(xiàn)液體裹挾細(xì)沙（小于1 mm）抱成團(tuán)沿坡面向下滾動的現(xiàn)象。在雨穴逐漸形成后，由于液滴直接滴入濺蝕坑內(nèi)，或使得坑內(nèi)細(xì)顆粒呈拋物線飛濺出坑，或?qū)R蝕坑進(jìn)一步壓實，或使較粗顆粒短距離躍移，上述現(xiàn)象不再發(fā)生。同時有了坡度以后，沙粒向上坡、側(cè)坡、下坡飛濺的概率是不同的，各部位的濺蝕量也相差甚遠(yuǎn)。被濺起的顆粒運動軌跡是隨機的，但由于坡度的存在，重力向下坡濺蝕提供了一個動力，因此下坡濺蝕量較大。15°坡面下，500 滴作用形成的濺蝕坑直徑約1.5 cm，下坡堆積物呈月牙形集中在坑外1.3 cm內(nèi)。

隨著坡度加大，仍保持液滴特性不變，承雨面積繼續(xù)減小。相比于15°坡面，25°濺蝕坑型的“斗狀”特性更加明顯，即濺蝕坑在順坡方向的深度逐漸減小，同時濺蝕坑下唇處邊緣的隆起更加明顯。濺蝕過程及現(xiàn)象與15°坡面類似，但由于坡度增加，顆粒沿坡面方向的重力分量加大，液滴沿坡面向下的體積分量也加大，液體裹挾細(xì)沙（小于1 mm）抱成團(tuán)沿坡面向下滾動的現(xiàn)象有所增加，此外會出現(xiàn)1～2 mm 的顆粒沿坡面向下滾動的現(xiàn)象。相比于15°坡面，下坡堆積物的范圍更廣，其中某次500 滴作用形成的濺蝕坑直徑約1.65 cm，下坡堆積物呈月牙形集中在坑外2 cm內(nèi)。

坡度進(jìn)一步增大，濺蝕坑上下高程差增大，承雨面積繼續(xù)減小，液滴與下墊面層撞擊角進(jìn)一步減小，最大正應(yīng)力的作用面積也減小。但液滴沿坡面向下的體積分量更大，下切力和沖切能力都進(jìn)一步增強，被液滴裹挾的細(xì)小顆粒以及1～2 mm 的顆粒沿坡面向下滾動的現(xiàn)象更為頻繁，同時瞬間較大的下切沖量會使得2～3 mm 的顆粒被濺起，呈拋物線飛濺至遠(yuǎn)處。隨著液滴累計作用，細(xì)顆粒被不斷壓實，粗化不斷發(fā)展，濺蝕坑上壁更陡、下壁更緩，在坑的下唇會形成一個明顯的“承接臺”，較粗顆粒在此基礎(chǔ)上繼續(xù)積累，向斜坡上方飛濺顆粒近乎垂直向上運動，同時由于該部分顆粒的松動導(dǎo)致濺蝕坑坡面上方顆粒失去支撐，穩(wěn)定性更差，更易落至下方。

多次試驗表明，約500滴液滴累計作用時，濺蝕坑形態(tài)趨于穩(wěn)定，由25°和35°的最終濺蝕坑DEM 模型圖（見圖3）可看出，35°濺蝕坑下方的堆積更為集中，該濺蝕坑直徑約1.8 cm，下坡堆積物呈月牙形集中在坑外1.3 cm內(nèi)。

圖3 S1級配500滴液滴分別在15°、25°、35°坡面上形成的濺蝕坑DEM模型圖（單位：cm）Fig.3 DEM model diagram of sputtering pit formed by 500 drops of S1 grading on 15°， 25° and 35°slopes

圖4 各級配非均勻沙0°坡面承受500滴液滴打擊濺蝕坑Fig.4 The sputtering pits of the 0°slope with non-uniform sand at all levels bears 500 drops of liquid

S2、S3、S4 級配和S1 級配有類似現(xiàn)象，但隨著下墊面粗顆粒占比增加，密實度減小，坡面穩(wěn)定性降低，在液滴裹挾下沿坡面滾動的顆粒團(tuán)體積明顯減小，出現(xiàn)頻率也明顯降低。一方面是因為液滴破碎體積減小，另一方面是細(xì)顆粒占比減少。S2（D50=2 mm）級配雨穴形成后的后期粗化過程與S1級配類似，顆粒直徑越小，越遠(yuǎn)離擊濺中心。坡度變陡，顆粒受到較大的切向沖量，同時粗顆粒的增加使得堆積體更加不穩(wěn)定。在濺蝕前期，2～3 mm 顆粒沿坡面向下躍移或滾動的現(xiàn)象較S1 級配明顯增加，它們或是在液滴直接打擊下起動，或是由于局部失穩(wěn)在微震動作用下起動。在后續(xù)粗化發(fā)展過程中，在濺蝕坑的下唇也會形成一個明顯的“承接臺”，即“斗狀”濺蝕坑，上壁更陡、下壁更緩。在35°坡面上，坡度接近休止角，下墊面堆積體的不穩(wěn)定性進(jìn)一步增強，切向沖量進(jìn)一步增大，液滴打擊引起的下坡微震動增強。濺蝕初期會出現(xiàn)明顯的濺蝕坑表層被浸濕局部沿坡面向下滑移的現(xiàn)象，細(xì)顆粒的飛濺仍然發(fā)生，而較粗顆粒沿坡面滾動更加頻繁。

S3（D50=3 mm）級配中濺蝕坑的形成較S1、S2 級配更緩慢。在25°和35°坡面上，陡坡度和松散級配使得坡面堆積體更加不穩(wěn)定性，2～3 mm 及以上顆粒躍移后跌落回表面后繼續(xù)沿坡面向下滾動，顆粒下落打擊地表帶來的微振動會帶動局部地表沿坡面微滑動，同時會使細(xì)砂向下滾動。在35°坡面上，類似現(xiàn)象更加頻繁、滾動速度更快。

S4（D50=3.7 mm）級配在15°、25°、35°坡面，坡度使堆積體變得不穩(wěn)定，在約40～50滴液滴作用下才出現(xiàn)明顯的濺蝕坑，坑型仍為不同程度的“斗狀”。細(xì)砂的飛濺不明顯，常有2～3 mm 的顆粒失穩(wěn)沿坡面滾動的現(xiàn)象。

2.3 液滴作用數(shù)量和坡度一定時不同中值粒徑濺蝕情況

在0°坡面上對不同中值粒徑的非均勻沙下墊面進(jìn)行500滴液滴打擊試驗，隨著下墊面粗顆粒占比增大，液滴可起動的顆粒占比減少，且顆粒間孔隙加大、坡面上的穩(wěn)定性變差。同時表面平整度下降，緩坡上的前期濺蝕坑不明顯。在0°坡面上，相較于S1（D50=1 mm）級配，此時液滴打擊到的顆粒更粗，在濺蝕前期，直徑小于1 mm 的細(xì)顆粒被濺起的數(shù)量和頻率明顯減少，這是由于其收到的粗顆粒的遮蔽作用更大，同時，液滴更易因為碰撞到粗顆粒而破碎、能量損失增大，而液滴要填充的顆粒間隙也增大，因此濺蝕坑型總體不明顯。隨著液滴持續(xù)累計作用，粗化逐漸發(fā)展，最終D50=2 mm 時S2 級配的非均勻沙下墊面最終在約500滴左右形成穩(wěn)定的濺蝕坑。相較于S1級配，D50=2 mm 時S2級配顆粒間孔隙的大小和形狀更加不均勻，濺蝕坑的形狀也不再那么規(guī)整，出現(xiàn)較多的“刺形”凸出，這是因為細(xì)顆粒在該處集中，更易被液滴壓實。在D50=1 mm級配的液滴擊濺試驗中，各個坡面均會出現(xiàn)表層細(xì)顆粒被剝離后，有單獨的粗顆粒（大于4～5 mm）“孤立”在濺蝕坑內(nèi)的情況，在D50=2 mm級配的試驗中，直徑小于2 mm 的細(xì)顆粒占比由75%減小至50%，顆粒分配整體更為均衡，尤其是小于1、1～2、2～5 mm 范圍，這種情況基本不再出現(xiàn)，最終粗化穩(wěn)定后表面的粒徑基本相當(dāng)。

在S3（D50=3 mm）級配中，粗顆粒占比繼續(xù)加大，粗砂對細(xì)砂的遮蔽作用更加明顯。該組次的顆粒分配在試驗的4個級配中最為均衡，坡面堆積更為松散，顆粒間隙加大，保水性差，從第一顆液滴下落至整個沙盤被浸濕的時間較S1、S2 級配更快。同時粗顆粒的形狀較細(xì)砂更不規(guī)則，整體穩(wěn)定性更差。隨著粗砂占比加大，液滴可起動的顆粒比例減小，液滴動能中轉(zhuǎn)化成熱能被顆粒吸收的部分增加，用來破壞下墊面原始結(jié)構(gòu)的能量減少［13，14］。在0°坡面上，液滴下落時法向沖量直接打擊，此時下墊面顆粒整體較粗，能量損失嚴(yán)重，在約20～25滴連續(xù)打擊后才形成明顯坑型，在這之前，液滴與顆粒碰撞后破碎即沿顆粒間隙流動下滲，極少有顆粒起動。隨著液滴持續(xù)打擊，直徑小于1 mm 的細(xì)砂被壓實形成雨穴，周圍的顆粒也隨著雨穴的發(fā)育而被推向四周，間或出現(xiàn)1～2 mm 的沙礫呈拋物線躍移，同樣的，較粗顆粒最終被篩選出來，留在濺蝕坑表面。

S4（D50=3.7 mm）是試驗組次中粗顆粒占比最多的級配，其中2～5 mm占37.5%，5～8 mm占22.5%。粗砂對細(xì)砂的遮蔽作用極強，與細(xì)沙相比，粗沙擁有更大的重力勢能，坡面上的大顆粒粗沙更容易向坡面下運動。同時表層的平整度更低、顆粒間空隙更大，導(dǎo)致液滴能量大量損失。在0°坡面，試驗所用3.65 mm液滴的垂直沖量不足以撬動表層顆粒，即使有少量細(xì)沙吸水沉積形成小坑，在后續(xù)液滴打擊下，吸水沉積的細(xì)沙不足以填補粗顆粒的間隙，粗顆粒隨即失穩(wěn)將小坑填補。試驗中500 滴液滴作用下，無明顯濺蝕坑形成，此時接沙盤已完全浸濕。

3 討 論

分析試驗現(xiàn)象可以得出，顆粒的起動一部分是受到飛濺液膜的拖曳力而發(fā)生位移，還有一部分是由于顆粒間動量傳遞導(dǎo)致的微振動引起，包括坡面凸出顆粒受運動顆粒的碰撞而起動（陡坡較為明顯）。實際顆粒的運動一般是多種形式的復(fù)雜組合，一般認(rèn)為顆粒上升一個粒徑高度為躍移，試驗觀察到沙礫躍起的同時還伴隨著自轉(zhuǎn)，其自身能量也被消耗。試驗觀察到3.65 mm 的脈沖式液滴最大可使3～5 mm 的顆粒躍移起動，5～8 mm 的顆粒滾動起動，1～2 mm 及2～3 mm 顆粒單粒躍移起動呈拋物線運動后，或落地后沉積至較近距離、或向下滾動至較遠(yuǎn)距離；3～5 mm及5～8 mm顆粒的滾動在25°、35°坡上較為明顯。

通過觀察雨滴初始濺蝕情況和持續(xù)滴濺的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，液滴的連續(xù)打擊具有一定的“疊加效應(yīng)”：液滴初始打擊使得顆粒脫離原地表，賦予顆粒不穩(wěn)定性，后續(xù)液滴接續(xù)作用，最終導(dǎo)致脈沖式液滴連續(xù)打擊對非均勻沙破面的影響效果相比于液滴單次的作用更加明顯［15］。而在起動模式方面，非均勻沙顆粒的運動一般是多種形式的復(fù)雜組合，試驗觀察到單液滴作用下較粗顆粒（4～7 mm 及以上）的滾動數(shù)量極少，這是由于作用時間有限，瞬間沖量不足以普遍撬動顆粒，而脈沖式濺蝕的沖量有一定的持續(xù)作用，可起動的顆粒數(shù)量明顯較多。這也就是將液滴連續(xù)打擊下顆粒的起動條件定為“一定時間內(nèi)的瞬時沖量超過臨界起動沖量”的原因，也就是說，大于臨界沖量的瞬時沖量必須要作用一段時間才會使顆粒必然起動［16，17］。

濺蝕坑的組成要素主要包括坑唇（即撞擊點周圍的隆起）、坑壁、坑底等，通過試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)在平面或緩坡上，大多數(shù)濺蝕顆粒最終沉積在距撞擊中心幾倍坑徑的范圍內(nèi)，陡坡上的顆粒移動距離相對較遠(yuǎn)，飛濺顆粒回落時可能形成微型次生濺蝕坑。試驗表明，濺蝕坑寬深比較大。

4 結(jié) 論

（1）液滴打擊初始地表，飛濺液膜挾帶起細(xì)小顆粒（小于1 mm）形成高含沙水流散開，隨機沉落或形成顆粒團(tuán)沿坡面向下滾動。隨著液滴持續(xù)打擊，下墊面粗化發(fā)展，因非均勻沙下墊面各部分的床沙組成特性不同，濺蝕過程和最終粗化結(jié)果會根據(jù)液滴擊濺位置發(fā)生變化。顆粒的起動一部分是受到飛濺液膜的拖曳力而發(fā)生位移，還有一部分是由于顆粒間動量傳遞導(dǎo)致的微振動引起，包括坡面凸出顆粒受運動顆粒的碰撞而起動。

（2）坡面穩(wěn)定性隨坡度的增加而變差，顆粒的臨界起動沖量減小，沿下坡方向的濺蝕大于上坡和兩側(cè)。相比于0°地表，有坡度時的濺蝕坑呈“斗狀”，即濺蝕坑上壁陡于下壁，且坡度越大，濺蝕坑的坑口直徑越大、上壁越陡、下壁越緩，下坑唇處顆粒堆積量增多，使得濺蝕坑下唇處具有一定的承接作用。在陡坡粗級配組次中，液滴打擊下由于顆粒的松動導(dǎo)致坡面上方失穩(wěn)垮塌。

（3）隨著中值粒徑的增加，液滴可起動的顆粒比例減小，細(xì)砂受到的遮蔽作用更強，液滴的能量損失加大，液膜徑向鋪展受到的阻礙變大，液滴動能中轉(zhuǎn)化成熱能被顆粒吸收的部分增加，用來破壞下墊面原始結(jié)構(gòu)的能量減少。當(dāng)D50取值1、2 mm時，各坡度上一顆液滴即可形成明顯小坑；當(dāng)D50增加至3 mm時，0°坡面上約20～25 滴連續(xù)打擊后才形成明顯坑型；當(dāng)D50增加至3.7 mm時，0°坡面上約650滴作用時才形成一個小坑，此時接沙盤已臨近產(chǎn)流，而在15°、25°、35°坡面上，堆積體穩(wěn)定性變差加之液滴切向沖量作用，在約40～50 滴液滴作用下才出現(xiàn)明顯的濺蝕坑。

（4）脈沖式液滴連續(xù)打擊對非均勻沙破面的影響效果相比于液滴單次的作用更加明顯，說明液滴連續(xù)打擊具有一定的“疊加效應(yīng)”，大于臨界沖量的瞬時沖量必須要作用一段時間才會使顆粒必然起動。