细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

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细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

张　攀1,2，唐洪武2，姚文艺1，孙维营1

(1. 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南郑州　450003；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京　210098)

摘要：为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用，采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强(66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h)条件下，不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明，黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大，而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式，坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势；产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系，尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到 0.954和0.916，细沟的出现会加剧侵蚀，使含沙量明显增加；不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同，细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。

关键词：土壤侵蚀; 模拟降雨; 细沟形态; 水沙变化特性

坡面是流域地貌的基本组成单元，也是土壤侵蚀的主要策源地，尤其在中国北方黄土高原地区，细沟侵蚀是黄土坡面的主要侵蚀方式之一[1]，对流域地貌的发育和演化过程具有重要的潜在影响。降雨径流的产生会使坡面发生水沙运移和能量消耗，引起坡面细沟的产生和发展，导致土壤侵蚀量的迅速增加，从而引起细沟中水流水力学特性的改变，因此，细沟形态的演变过程是一个降雨、侵蚀、水流水力学特性、沟床形态变化间相互影响的动态耦合系统。在国内外土壤侵蚀研究中，将水文学和地貌学相结合研究坡面流形成和水沙运移过程已成为研究的热点，从坡面微地貌演变的角度来分析坡面水沙运移过程，是坡地侵蚀研究的新趋势之一。

在细沟的形成和发展过程中，坡面产流产沙过程也随之发生改变。一方面，细沟形成后，为径流和侵蚀产物提供了输送通道，坡面水流由面流转变为沟内股流，水流性质的转变引起侵蚀量的急剧增加，必将使坡面水沙关系发生变化[2-3]；另一方面，细沟形态在演变过程中，通过分叉、分级、密度、频度、数目以及长度等因素，影响着沟内水流结构，从而影响坡面侵蚀过程中的径流、入渗、泥沙输移和汇流等，尤其对于黏粒含量低的土壤，侵蚀过程中易发生细沟边壁坍塌，引起水沙过程发生显著变化。因此，坡面细沟形态是一个能够综合反映坡面侵蚀动力学各要素及其相互作用的地貌因素，它的形成与发展也将对坡面产流产沙过程产生深刻影响。目前国内外关于侵蚀动力过程对细沟发育过程的影响关注较多，尤其是关于降雨、坡度和土壤对细沟发育过程的影响取得了丰富的研究成果[4-6]，而对于细沟形态演变对坡面产流产沙过程的影响关注较少。雷廷武和Nearing[7]、和继军等[8]、Shen等[9]对细沟形态和侵蚀水沙关系做过相关试验研究，但由于试验条件、土壤性质不同，研究结果存在较大差异。基于此，本研究采用室内人工降雨模拟试验，通过3种雨强(66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h)的对比研究，分析细沟形成和演变过程中坡面产流产沙过程的变化规律，探讨细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用，明确降雨强度对细沟侵蚀产沙过程的影响，从侵蚀形态入手将降雨和产沙联系起来阐明坡面降雨侵蚀产沙机制，以期为土壤侵蚀数学模型提供坡面地形的发育演化信息，为治理坡面水土流失提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

图1　试验装置示意
Fig.1Experimental apparatus

试验在黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室人工降雨大厅内进行，试验装置如图1所示。采用规格为5 m×1 m×0.6 m的可调坡试验土槽，土槽底部钢板钻有直径5 mm的透水孔，以保证土壤水自由入渗。试验土槽的坡度可以在0～30°之间调节，可模拟从缓坡到陡坡等不同角度坡面，本次试验模拟将坡面设定为20°陡坡坡面。降雨模拟采用下喷式人工模拟降雨装置，每组降雨器配备有5个大小不同的喷头，通过选择不同的喷头尺寸和调节管道压力，可以模拟30～180 mm/h的降雨强度。喷头距地面22 m，可以使95%以上的雨滴终速达到天然降雨终速。试验用土取自黄土高原地貌类型区第Ⅴ副区的河南省巩义市邙山表层黄土，粒径在0.005～0.01 mm的颗粒占43.4%，粒径在0.01～0.05 mm的颗粒占35.45%，其他粒径的颗粒占21.15%。

1.2　试验设计

填土之前，首先在土槽底部铺一层10 cm厚的粗沙，以保证土壤的透水性。为保证下垫面条件的一致性，试验用土先过10 mm的筛，以保证供试土壤的均一性。填土过程中采取分层填土，分层压实和随机测容重的方法将土壤容重控制在1.25 g/cm3，每层填土不超过10 cm，每填一层用环刀法随机测量5个不同部位的土壤容重，并用分齿耙将每层填土表面耙松，以加强层与层之间的结合。试验前一天，用30 mm/h的雨强对土槽进行前期降雨，直至坡面开始产流为止，以保证土壤前期含水量的一致，湿润巩固松散的土粒，并减少土壤的空间变异性。前期降雨完成后在土槽表面覆盖塑料布以防止土壤水分蒸发，静置24 h以备试验。试验开始之前，为保证降雨强度达到方案设定值，先进行雨强率定。试验中设定的3个雨强分别为60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h，分别用于模拟黄土高原地区侵蚀性降雨中的中雨、大雨和暴雨。在试验土槽周围均匀放置4个雨量筒测定雨强，经测定，实际降雨强度分别为66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h，雨强均匀性>90%。根据细沟形态演变情况的不同，66 mm/h雨强下共进行5场降雨，每场降雨历时分别为16 min、12 min、15 min、15 min和14 min；94 mm/h雨强下共进行4场降雨，每场降雨历时均为14 min；127 mm/h雨强下共进行3场降雨，每场降雨历时分别为28 min、20 min和30 min。试验正式开始时，用设定的雨强对试验土槽进行降雨，待坡面产流后每隔1 min或2 min接取一个径流泥沙样，为保证产流产沙过程的连续性，每场降雨结束后立即进行地形扫描，扫描用时约1 min，扫描结束后开始下一场次降雨。径流体积采用自制铁皮量桶测量，坡面产沙量用烘干法推求。整个试验过程用高清晰摄像设备进行全程监测，并辅助人工记录，结合试验过程中采集的径流泥沙数据，分析坡面侵蚀过程中的水沙过程。

1.3　地形测量

采用美国法如科技有限公司生产的FARO Focus 3D三维激光扫描仪测量坡面地形，扫描速度976 000 bit/s，50 m距离实测精度达2.0 mm，扫描一个标准坡面用时约1 min。为了使坡面建模精准、无死角，将三维激光扫描仪安装于试验土槽正上方的降雨系统压力管道上(图1)，数据采集分雨前雨后分别进行：降雨前进行一次地形扫描，获得初始地形点云数据；每场降雨结束后，待坡面水下渗完全，再次进行坡面地形扫描，获得完整的坡面形态演变数据。

2　结果与分析

2.1　细沟形态发育过程

图2所示为试验中用相机拍摄的66 mm/h雨强下黄土裸坡坡面细沟形态演变过程。图中依次为降雨开始8 min、12 min、16 min、24 min、29 min、34 min、39 min、45 min和52 min时的坡面地形。从细沟演变过程来看，黄土细沟的发育经历了从跌坎，到连续跌坎，再到断续细沟，最终形成连续沟网的发展过程。跌坎出现的位置通常是从坡面的中下部开始，随着侵蚀的加剧，跌坎逐渐发育成下切沟头，在溯源侵蚀作用下，沟头前进、沟道下切、沟壁坍塌，沟网逐渐联通并向上延伸，发育成完整的细沟网络。由于试验之前进行了预降雨，导致土壤入渗能力减弱，降雨开始3 min后坡面开始产流，此时的坡面侵蚀以雨滴溅蚀为主；当降雨持续到5 min，坡面面流形成，面流降低了雨滴对坡面的击溅作用，此时坡面的侵蚀方式开始从溅蚀向面蚀转换；降雨10 min后，由于坡面能量分布不均，面蚀的不平衡加剧，坡面面流逐渐汇聚形成集中径流，当集中径流增加到足以冲刷土体时，被带走的土体在坡面上形成跌坎，这一现象标志着细沟侵蚀的开始；降雨进行到约20 min，许多小的细沟和跌坎链沿坡面形成，细沟网络雏形逐渐显现；此后，在沟内水流的冲刷掏蚀作用下，沟头溯源和下切加剧，细沟边壁不断崩塌，形成断续细沟；随着侵蚀的进一步发展，降雨约40 min后，在水流的继续冲刷之下，断续细沟间的分水岭被逐渐侵蚀，断续细沟逐渐贯通形成树枝状连续沟网，至此细沟网络发育基本成熟。在这一过程中，降雨影响着细沟的发育进程，细沟形态的不断演变影响着坡面水沙关系，为了揭示降雨、细沟形态演变和产流产沙过程三者之间的关系，将雨强、地形、水沙分别对应起来进行研究。

图2　试验中拍摄的66 mm/h雨强下细沟形态演变过程
Fig.2Rill evolution at 66 mm/h rainfall intensity taken during the experiment

2.2　细沟形态参数的变化

根据细沟形态的网络状分布特点，本文选取了若干有代表性[10]的细沟形态参数作为描述细沟形态演变的特征参数，用分形维数和密度描述细沟沟网的复杂程度，用坡面地貌信息熵表示坡面地形的发育程度，用合并结点数和分叉比表示沟网的拓扑结构。其数学表达式为

分形维数

N=Cr-Df

(1)

式中：r为尺度；N为与r有关的物体数目；Df 为分形盒维数；C为常数。

细沟密度

(2)

式中： A0 为试验小区的面积，m2；Lt,j 为细沟的总长度,m,j=1,…, n 代表研究区域中的细沟数目。

坡面地貌信息熵

(3)

图3　分形维数变化过程
Fig.3Changes in the fractal dimension of rill over time

式中：H为地貌信息熵；S为Strahler面积与高程积分值；f(x)为Strahler面积与高程积分曲线。

不同雨强下的细沟形态参数变化过程如图3—图7所示，各参数随降雨时间的增加大体呈波动上升趋势，不同雨强下形态参数的变化呈现较强规律性，说明雨强对细沟侵蚀过程有着重要影响。通过对细沟形态参数的变化分析，细沟网络在94 mm/h雨强下发育最为迅速，在66 mm/h和127 mm/h雨强下发育较缓，说明中等雨强更利于细沟网络的形成，过大或过小的雨强都不利于形成细沟沟网。

图4　细沟密度变化过程
Fig.4Changes in the rill density over time

图5　地貌信息熵变化过程
Fig.5Changes in the geomorphologic comentropy over time

图6　分叉比变化过程
Fig.6Changes in the bifurcation ratio of rill over time

图7　合并结点变化过程
Fig.7Changes in the merge nodes of rill over time

2.3　细沟演变对产流过程的影响

图8所示为坡面在66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h 3种雨强下的产沙过程。66 mm/h雨强下共进行了5场降雨，在第1场降雨产流初始阶段，坡面径流量逐渐增大，当产流进行到7 min时径流量基本稳定在13 L/min；第2场降雨过程中，由于经过前期降雨，在雨滴击溅和土壤黏粒的物理化学分散作用下，坡面土壤形成结皮，地表粗糙度减小，土壤入渗率降低，产流过程趋于平稳，平均产流量维持在13 L/min左右；在之后的3场降雨过程中，随着侵蚀的发展，土壤结皮被破坏，下渗作用增强，坡面产流能力呈现逐渐下降的趋势，后期产流量约为9 L/min，且由于黄土稳定性较差，在侵蚀发展过程中引起地表径流过程出现明显波动。94 mm/h雨强下共进行了4场降雨，产流过程总体较为稳定，随着土体侵蚀和下渗作用的变化，径流量变化幅度为10～15 L/min；127 mm/h雨强下共进行了3场降雨，由于雨强较大，土壤结皮不易形成。第1场降雨时，坡面产流属于超渗产流，径流量经历了由小到大的变化，在之后的第2场、第3场降雨中，产流方式从超渗产流转变为蓄满产流，径流量增大，平均径流量约为15 L/min，但由于雨强较大加剧了土体的不稳定，坡面径流产生过程中有明显波动，此时正是沟壁坍塌和溯源侵蚀较为强烈的阶段。对比3种雨强下细沟侵蚀的产流过程，初始降雨阶段的坡面产流量明显增大，细沟发育活跃阶段产流过程随之发生明显波动，到达稳渗阶段坡面产流量呈下降趋势，说明土体透水性、土壤结皮以及产流方式是影响坡面产流的主要因素，而细沟的产生和发育对坡面产流过程的影响非常有限。

图8　不同雨强下坡面产流过程
Fig.8Runoff production on slope under different rainfall intensities

2.4　细沟演变对产沙过程的影响

图9所示为坡面在66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h 3种雨强下的产沙过程。从总体变化趋势看，雨强越大径流含沙量越高：66 mm/h雨强下含沙量的变化范围为50.0～400 kg/m3，94 mm/h雨强下的变化范围为50.0～460 kg/m3，127 mm/h雨强下的变化范围为200～550 kg/m3。66 mm/h雨强下，第1场、第2场降雨的坡面侵蚀以面蚀为主，含沙量较小(约50.0 kg/m3)；从第3场降雨开始，细沟发育活跃，含沙量迅速增加至300 kg/m3，且由于此阶段沟壁坍塌发生频繁，含沙量波动幅度明显加剧；在第4场、第5场降雨过程中，细沟沟网逐渐趋于稳定，沟头前进、沟壁坍塌作用减弱，坡面产沙趋于平稳，含沙量维持在较高水平且呈缓慢增加趋势，最高达400 kg/m3。94 mm/h雨强下坡面产沙的变化趋势与66 mm/h的变化趋势大体一致，第1场、第2场降雨时含沙量较低，平均在100 kg/m3左右，从第3场降雨开始含沙量波动上升，最高达400 kg/m3，第4场降雨中，随着沟网的逐渐形成，含沙量总体稳定，随侵蚀的强弱动态变化略有波动，平均在400 kg/m3左右。127 mm/h雨强下，从第1场降雨开始，含沙量逐渐增加至400 kg/m3，第3场降雨中，伴随细沟发育、沟头坍塌、边壁滑塌的发展，含沙量在400～500 kg/m3之间振荡。对比3种雨强下的细沟侵蚀产沙过程，大致变化趋势相似：伴随细沟的逐渐形成，含沙量呈明显的振荡上升趋势，这一时期黄土较为频繁地发生崩塌等偶然性事件，成为引起产沙加剧的主要原因；当细沟沟网发育趋于成熟，此时细沟边壁逐渐稳定，发生崩塌等偶然性事件的频率下降，含沙量趋于平稳；雨强的大小直接影响坡面产沙量，雨强越大，稳定后的坡面径流含沙量越高。以上分析表明，细沟形态的演变对坡面产沙有显著的影响，细沟侵蚀发生之前坡面径流含沙量相对较低，细沟侵蚀发育活跃期含沙量会随之振荡上升，当细沟沟网基本形成，沟床基本稳定时，含沙量会趋于相对稳定状态，细沟沟网稳定后的含沙量大小与降雨强度呈正相关关系。

图9　不同雨强下细沟侵蚀的产沙过程
Fig.9Sediment production on slope under different rainfall intensities

2.5　细沟形态参数与坡面水沙的关系

对比细沟形态演变中的坡面产流产沙过程，产流过程线表现较为平稳，各场次降雨之间径流量变化幅度较小；产沙过程线波动较为剧烈，各场次降雨之间的含沙量变化幅度较大，说明细沟演变对产流过程的影响非常有限，对产沙过程的影响较大。

为进一步分析细沟形态演变对产流产沙的影响，将每场降雨结束时的形态参数与该场降雨过程中采集到的径流量、产沙量的平均值相对应，进行相关分析。用分形维数(FD)、密度(d)、坡面地貌信息熵(GC)、合并结点数(MN)和分叉比(BR)表示细沟沟网的形态特征；用产流量(RP)和产流率(FR)表示坡面产流特征；用产沙量(SL)和侵蚀速率(ER)表示坡面产沙特征。将细沟发育过程中扫描得到的坡面地形点云数据(DEM)导入ArcGIS10.0中进行数据处理，提取不同降雨时段的细沟形态特征参数，计算其与坡面产流产沙参数间的皮尔逊相关系数矩阵(表1)。从表1的计算结果看，GC、MN、BR与产沙量(SL)相关性较好，尤其是坡面地貌信息熵(GC)与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916，而各形态参数与产流量(RP)相关关系不明显，其中相关性最强的为MN与RP，相关系数为0.626。从相关分析来看，细沟形态演变与坡面产沙关系较为密切，与坡面产流关系表现较弱。这一结论进一步验证了试验观测得到的结论，也与和继军等[8]在对黄绵土进行的模拟降雨试验中得到的结果一致。

表1　细沟形态参数与坡面产流产沙关系矩阵
Table 1Correlation matrix for rill erosion and each morphological indicator

参数SLERRPFRFDGCMNBRdSL1.000ER0.8801.000RP0.8590.7281.000FR0.3020.3720.0181.000FD0.6350.4710.4210.3131.000GC0.9540.9160.4820.3590.6131.000MN0.7940.4750.6260.1670.8180.5731.000BR0.7270.6100.5100.0560.5940.6270.6261.000d0.6950.4940.5980.1700.7520.5170.9230.5361.000

3　结　　论

(1)从试验观测得到的坡面地形演变过程看，黄土细沟的发育位置通常从坡面的中下部开始形成跌坎，随着降雨继续，发展成为跌坎链，跌坎逐渐下切发育成沟头，在溯源侵蚀作用下，沟头前进、沟壁坍塌、沟头扩张，沟网逐渐向上延伸并形成断续细沟，最终断续细沟相互贯通，形成连续的树枝状细沟网络。

(2)通过细沟形态演变过程与坡面水沙过程对比分析，发现黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大，而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式的转变，细沟形态演变的影响非常有限；而细沟形态演变过程与坡面产沙的变化有明显的对应关系，在细沟发育活跃阶段含沙量明显上升，伴随沟壁的崩塌含沙量剧烈波动，在沟网发育稳定阶段含沙量维持在较高水平，说明细沟的形成和发展直接影响坡面产沙过程。

(3)通过细沟形态演变特征参数与坡面产流产沙特征参数的相关分析，细沟形态特征参数与产沙量相关性较好，与产流量(RP)相关性较差，这进一步验证了细沟形态演变与坡面产沙关系密切，与坡面产流关系较弱的结论。

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*The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51409110).

Rill morphology evolution and runoff and sediment yielding processes

ZHANG Pan1,2, TANG Hongwu2, YAO Wenyi1, SUN Weiying1

(1. Key Laboratory of Soil and Water Loss Process and Control on the Loess Plateau of Ministry of Water Resources,Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China;2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：In order to investigate the mutual feedback effects of rill morphology evolution on runoff and sediment, variation characteristics of runoff and sediment during the evolution of rill morphology were studied. In the current work, an indoor soil bin rainfall simulation experiment was performed using a 3-D terrain scanning method. Loessial soil was analyzed under rainfall intensities of 66 mm/h, 94 mm/h, and 127 mm/h. Results showed that the evolution of rill morphology had a profound effect on sediment yield, but the impact on runoff was not obvious. The variation in runoff depended mainly on infiltration conditions and crust effect of soil and patterns of runoff production. The runoff production on the slope had a tendency to first increase and then decrease before finally reaching stability. There was an obvious relationship between rill morphology evolution and sediment yield; the correlation coefficients of geomorphologic comentropy and soil loss with erosion rate were 0.954 and 0.916, respectively. The emergence of rills was found to aggravate the erosion, resulting in a significant increase in sediment concentration. The variation in sediment yield in rainfall of different intensities was basically the same. The more intense the rainfall, the higher sediment concentration after the rill network became stable.

Key words：soil erosion; artificial rainfall; rill morphology; variation characteristics of runoff and sediment

DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.007

收稿日期：2015-05-27;网络出版时间：2016-06-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51409110)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(HKY-JBYW-2014-2)

作者简介：张攀(1982—)，女，河南洛阳人，高级工程师，博士研究生，主要从事土壤侵蚀研究。

E-mail：[e-mail]

通信作者：姚文艺，E-mail：[e-mail]

中图分类号：S157. 1

文献标志码：A

文章编号：1001-6791(2016)04-0535-07

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20160622.2215.012.html