草被覆蓋對(duì)坡面侵蝕形態(tài)與產(chǎn)沙過程的影響

甄 斌

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

侵蝕產(chǎn)沙變化過程與坡面侵蝕形態(tài)的發(fā)育是分不開的，且二者相互影響、互為因果，這一現(xiàn)象在研究侵蝕產(chǎn)沙過程中越來越受到學(xué)者們的關(guān)注［1-3］:倪晉仁等［1］采用坡面發(fā)育自組織理論對(duì)典型坡度條件下坡面的發(fā)育過程進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)分析了面蝕與溝蝕在坡面侵蝕中的關(guān)系及其貢獻(xiàn)大小，并闡述了坡度對(duì)面蝕向溝蝕階段轉(zhuǎn)化快慢的影響;肖培青等［2］利用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)方法研究了坡面侵蝕方式演變對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響，分析了溝蝕發(fā)育不同階段對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn);和繼軍等［3］采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)的方法研究了 土和黃綿土坡面細(xì)溝發(fā)育過程和水沙關(guān)系，指出不同土壤抵抗降雨的強(qiáng)度不同， 土較黃綿土更容易產(chǎn)生細(xì)溝，且徑流含沙量過程的波動(dòng)規(guī)律與坡面跌坎、細(xì)溝的形成具有同步關(guān)系;在地貌形態(tài)量化方面，崔靈周等［4］提出并應(yīng)用地貌分形信息維數(shù)代替以往常用的地貌形態(tài)指標(biāo)，并基于分形理論、GIS技術(shù)和多元回歸統(tǒng)計(jì)方法，以黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)的岔巴溝流域?yàn)槔?，?duì)流域地貌形態(tài)與降雨侵蝕產(chǎn)沙耦合關(guān)系進(jìn)行了初步探討，嘗試了坡面侵蝕形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙相關(guān)關(guān)系研究的新技術(shù)新理論的應(yīng)用。

侵蝕產(chǎn)沙過程和坡面形態(tài)發(fā)育是密不可分的，現(xiàn)有的研究成果有助于加深對(duì)侵蝕形態(tài)發(fā)育和產(chǎn)沙過程的認(rèn)識(shí)，但目前在草被覆蓋對(duì)侵蝕形態(tài)發(fā)育和產(chǎn)沙過程的影響方面開展的研究較少，且關(guān)于侵蝕形態(tài)和產(chǎn)沙過程相互關(guān)系的研究尚處在起步階段。本研究運(yùn)用三維激光掃描和侵蝕形態(tài)觀測(cè)相結(jié)合的方法，研究了草被覆蓋對(duì)坡面侵蝕形態(tài)和產(chǎn)沙過程的影響，以期為正確評(píng)價(jià)草被措施的水土保持效果提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 小區(qū)及草被模擬

在陜西省神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝小流域的撂荒坡地上布設(shè)試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)4 m、寬1 m，為消除小區(qū)之間的差異，人工將原始坡面上的雜草、秸稈等地被物清除，翻深30 cm并去除根系，打碎土塊、耙平、壓實(shí)并修整成20°的坡面，草被通過撒播紫花苜蓿進(jìn)行模擬，通過控制條播行距和播種量模擬不同覆蓋度草被坡面，同時(shí)設(shè)裸露坡面作為對(duì)照。紫花苜蓿生長(zhǎng)期為2011年5月上旬至8月中旬，試驗(yàn)前覆蓋度量測(cè)結(jié)果為0(裸坡)、47.2%(低覆蓋)和75.5%(高覆蓋)。

1.2 試驗(yàn)及觀測(cè)方法

模擬的沖刷流量為9 L/min，通過定水頭可調(diào)流量供水桶模擬裝置進(jìn)行設(shè)定流量的坡面徑流沖刷試驗(yàn)。流量率定3次誤差均在10 mL之內(nèi)時(shí)即可開始試驗(yàn)，小區(qū)出口有徑流流出時(shí)開始計(jì)時(shí)并接取徑流泥沙樣，每間隔2 min取一個(gè)徑流泥沙樣，產(chǎn)沙量采用烘干法測(cè)定。

圖1 試驗(yàn)前對(duì)小區(qū)地形進(jìn)行三維激光掃描

坡面侵蝕形態(tài)量測(cè)采用三維激光掃描(圖1)和試驗(yàn)過程直尺測(cè)量相結(jié)合的方法。為便于獲取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在不擾動(dòng)地表土壤的前提下，將草被貼近地表剪除，試驗(yàn)前進(jìn)行原始地表的三維激光掃描，每個(gè)小區(qū)均連續(xù)進(jìn)行5次徑流沖刷試驗(yàn)，每次試驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行三維激光掃描，采集試驗(yàn)后的地表信息。本研究?jī)H分析第一次模擬沖刷試驗(yàn)的侵蝕形態(tài)和產(chǎn)輸沙過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 草被覆蓋對(duì)侵蝕形態(tài)及其發(fā)育過程的影響

圖2為裸坡小區(qū)第一場(chǎng)次沖刷后的地表形態(tài)。放水沖刷前后裸坡小區(qū)坡面侵蝕形態(tài)變化明顯，坡面有長(zhǎng)370 cm的細(xì)溝形成，幾乎貫穿于全坡面(圖2)，而覆蓋度為47.2%和75.5%的草被小區(qū)均無明顯的侵蝕溝發(fā)生，只有表層局部松散土體被剝離而形成的斑塊狀形態(tài)變化，且這種變化多由地表生物的活動(dòng)引發(fā)。

圖2 裸坡小區(qū)(覆蓋度0)侵蝕溝量測(cè)平面形態(tài)

結(jié)合試驗(yàn)過程侵蝕溝測(cè)量記錄，裸坡小區(qū)在沖刷試驗(yàn)開始1 min內(nèi)即有跌坎和細(xì)溝產(chǎn)生，并在3 min內(nèi)迅速發(fā)育貫穿為1個(gè)斷面(1 m)，5 min貫穿為3個(gè)斷面，9 min貫穿為4個(gè)斷面，且此過程中一直伴隨著其他跌坎的產(chǎn)生和細(xì)溝的發(fā)育，坡面形態(tài)變化非?；钴S，試驗(yàn)開始15 min后坡面細(xì)溝發(fā)育慢慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)，沖刷結(jié)束后坡面細(xì)溝最長(zhǎng)達(dá)370 cm，寬多在5～8 cm，最寬達(dá)14 cm，深多在2～4 cm，最深達(dá)7.2 cm;而草被小區(qū)在同樣流量的徑流沖刷下，坡面形態(tài)基本無明顯變化，能觀測(cè)到的跌坎產(chǎn)生只有兩次，發(fā)生在覆蓋度為75.5%的坡面上，分別出現(xiàn)在第3和第4斷面，其中第4斷面的小細(xì)溝出現(xiàn)在沖刷歷時(shí)第18 min，第3斷面的小細(xì)溝出現(xiàn)在沖刷歷時(shí)第26 min，其長(zhǎng)、寬、深的范圍分別是17～30、2.5～4和1.4～1.9 cm，坡面跌坎和細(xì)溝的發(fā)生可能由地表存在的螻蛄蟲洞穴引發(fā)。

2.2 草被覆蓋對(duì)產(chǎn)沙過程的影響

徑流沖刷模擬試驗(yàn)有別于人工降雨模擬試驗(yàn)，人工降雨模擬試驗(yàn)下徑流沿坡面遞增，易在坡面的中下部形成跌坎鏈并逐步相互連通成為細(xì)溝［3］，徑流沖刷試驗(yàn)條件下的徑流動(dòng)能沿坡面是遞減的，因此跌坎較常在坡面上部出現(xiàn)，經(jīng)逐漸沖淘形成細(xì)溝，產(chǎn)沙過程與輸沙率過程的變化伴隨著坡面跌坎的產(chǎn)生與細(xì)溝的發(fā)育;在草被小區(qū)，水流從穩(wěn)流池到達(dá)坡面即開始受到草株的攔擋而消耗能量，其坡面跌坎發(fā)育不明顯，即使局部有小跌坎出現(xiàn)，其形態(tài)發(fā)育過程也不明顯。

圖3為裸地、低覆蓋和高覆蓋小區(qū)的產(chǎn)沙和輸沙率過程線。由圖3可見，裸地小區(qū)在沖刷歷時(shí)的前16 min呈高峰產(chǎn)沙和輸沙率過程，16—22 min呈次高峰產(chǎn)沙和輸沙率過程，之后產(chǎn)沙和輸沙率過程均趨于穩(wěn)定，結(jié)合坡面跌坎和細(xì)溝發(fā)育過程，坡面產(chǎn)沙和輸沙率過程的峰值在其后2～4 min出現(xiàn);覆蓋度為47.2%的草被小區(qū)沒有觀測(cè)到有明顯的侵蝕形態(tài)變化，其坡面產(chǎn)沙和輸沙率過程線在沖刷6 min后即進(jìn)入波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài);覆蓋度為75.5%的草被小區(qū)的產(chǎn)沙和輸沙率過程線在沖刷歷時(shí)為20和32 min時(shí)分別出現(xiàn)兩個(gè)小的峰值，這與該小區(qū)沖刷歷時(shí)在16和28 min時(shí)記錄到的跌坎和細(xì)溝的發(fā)育有關(guān)。以上說明產(chǎn)輸沙過程和坡面形態(tài)發(fā)育具有同步性。

高覆蓋度小區(qū)產(chǎn)沙和輸沙率過程高于低覆蓋度小區(qū)的現(xiàn)象，與前期人為擾動(dòng)、土壤含水率和徑流流路等的影響有關(guān)，隨著沖刷場(chǎng)次的增加，坡面條件的差異在減小，高覆蓋度坡面的減水減沙作用在后3個(gè)場(chǎng)次沖刷試驗(yàn)中得以表現(xiàn)［5］。

圖3 不同覆蓋度小區(qū)(第一場(chǎng)次試驗(yàn))產(chǎn)輸沙過程

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在同等試驗(yàn)條件下，裸坡小區(qū)侵蝕活躍，其產(chǎn)輸沙過程線均較高且波動(dòng)明顯;草被小區(qū)侵蝕發(fā)育不明顯，其產(chǎn)輸沙過程線也較低且平緩。

(2)產(chǎn)沙過程和侵蝕形態(tài)發(fā)育具有同步(趨勢(shì)相同)性，坡面產(chǎn)沙過程的峰值在形態(tài)發(fā)育活躍期后2～4 min出現(xiàn)。在同樣的條件下，裸坡小區(qū)侵蝕活躍，草被小區(qū)侵蝕發(fā)育緩慢，裸坡小區(qū)產(chǎn)沙量和輸沙率遠(yuǎn)高于草被小區(qū)。

(3)地表微生物洞穴等外在干擾土壤原始地表狀態(tài)的現(xiàn)象會(huì)引發(fā)侵蝕形態(tài)的發(fā)育，進(jìn)而造成較高的產(chǎn)沙過程。因此，生產(chǎn)實(shí)踐中要加強(qiáng)鼠害、蟲害的防治，實(shí)施圍欄封禁和舍飼圈養(yǎng)很有必要。

［1］倪晉仁，韓鵬，張劍.基于自組織理論的黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2002(1):6-9，15.

［2］肖培青，鄭粉莉，汪曉勇，等.黃土坡面侵蝕方式演變與侵蝕產(chǎn)沙過程試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2008，22(1):24-27.

［3］和繼軍，孫莉英，李君蘭，等.緩坡面細(xì)溝發(fā)育過程及水沙關(guān)系的室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10):138-144.

［4］崔靈周，李占斌，郭彥彪，等.基于分形信息維數(shù)的流域地貌形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系［J］.土壤學(xué)報(bào)，2007，44(2):197-203.

［5］楊春霞.風(fēng)沙區(qū)坡面水沙耦合關(guān)系對(duì)被覆的響應(yīng)［R］.鄭州:黃河水利科學(xué)研究院，2012.