野外模擬降雨條件下礦區(qū)土質道路徑流產沙及細溝發(fā)育研究

郭明明，王文龍,2，李建明，朱寶才,4，史倩華，康宏亮，李艷富

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野外模擬降雨條件下礦區(qū)土質道路徑流產沙及細溝發(fā)育研究

郭明明1，王文龍1,2※，李建明3，朱寶才1,4，史倩華1，康宏亮1，李艷富5

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100； 2. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 長江科學院水土保持研究所，武漢 430010； 4. 山西農業(yè)大學林學院，太谷 030801；5. 南京水利水電科學院，南京 210029）

為研究礦區(qū)土質道路徑流產沙及細溝形態(tài)發(fā)育特征，在野外調查的基礎上，設計坡度（3°、6°、9°、12°）和雨強（0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min）2個處理，在野外建立不同坡度的道路小區(qū)，采用人工模擬降雨的方法，測定了不同處理道路徑流產沙參數(shù)和細溝形態(tài)指標。結果表明：1）各坡度道路徑流率為1.12～8.24 L/min，與雨強線性關系極顯著，隨坡度變化不顯著；除0.5 mm/min雨強3°～9°坡及1.0 mm/min雨強3°坡道路徑流流態(tài)為層流外，其余為紊流，雨強-坡度交互作用（×）對流態(tài)影響顯著；阻力系數(shù)只與坡度相關。2）各坡度道路剝蝕率為0.92～324.46 g/(m2·s)，與雨強、坡度和徑流率呈極顯著冪函數(shù)關系（2=0.968，<0.01），道路土壤發(fā)生剝蝕的臨界剪切力和臨界徑流功率分別為2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。3）3°道路以片狀侵蝕為主，6°～12°道路細溝發(fā)育，細溝寬深比、復雜度、割裂度和細溝密度分別為1.80～3.75、1.07～1.55、0.20%～10.33%和0.067～2.01 m/m2，細溝發(fā)育程度是雨強和坡度交互作用（×）的結果。4）6°～12°道路細溝侵蝕量占總侵蝕量比例為18.0%～57.16%，總侵蝕量與細溝寬深比、細溝復雜度、細溝割裂度和細溝密度均呈顯著的函數(shù)關系（2=0.35～0.96，≤0.01），割裂度是影響土質道路總侵蝕量的最佳細溝形態(tài)因子。結果可為礦區(qū)土質道路水土保持工程設計及生產安全提供參數(shù)支持。

侵蝕；徑流；水動力學；神府礦區(qū)；道路；細溝；形態(tài)特征

0 引 言

道路侵蝕與坡面侵蝕及溝道侵蝕等在概念上相平行，包含了多種侵蝕過程和方式[1]。與傳統(tǒng)農地相比，道路土壤具有容重大，孔隙度小，徑流系數(shù)大，滲透性能差等特點，經過機械反復碾壓后在路面形成一定厚度的松散浮土[2-4]。降雨條件下路面易于產流，徑流匯集成股易造成路面溝蝕，從而加劇流域水土流失[5-6]。近年來，國內外許多學者針對道路侵蝕監(jiān)測方法[6-8]、徑流產沙特征[9-13]、預測模型[14-15]等方面開展了廣泛研究。野外道路徑流小區(qū)是研究自然降雨條件下路面徑流產沙特征的傳統(tǒng)方法，由于受到往來機械車輛的影響，這種監(jiān)測方法很難長期地對道路侵蝕做出精確的估測，因此，許多研究多采用模擬降雨和防水沖刷的方法研究道路侵蝕[6,8,15]。Martínez-Zavala等[9]通過模擬降雨方法對土質路和植物路產流產沙特征進行研究，結果表明植物路徑流系數(shù)和侵蝕速率均小于土質路，兩種道路徑流在冬季分別增加了1.7和3.1倍。Dong等[10]對公路建設過程中形成的堆積體和壓實土路進行模擬降雨試驗研究，結果表明容重是影響道路產流的主要因素。Carlos等[11]對不同坡度的廢棄路土壤侵蝕研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕速率是自然侵蝕速率的15～50倍，且隨坡度增大而增大。Cao等[6]對黃土高原道路侵蝕模型研究認為道路侵蝕速率可用降雨強度、坡度和徑流率的冪函數(shù)預測。另外，一般土質道路路面存在一定厚度的浮土，浮土物理性質與碾壓路面差異顯著，對侵蝕過程有著一定的影響，史志華等[12]認為土質路面覆蓋的浮土在降雨初期很快流失，也有研究[13]表明在浮土侵蝕階段徑流量在產流3 min內可顯著增加6.93倍。為了探明道路侵蝕的水動力學機理，黃鵬飛等[16]通過野外放水試驗研究道路土壤侵蝕水動力特征表明，剝蝕率與徑流動能呈冪函數(shù)關系，路面發(fā)生侵蝕的臨界單寬能耗為2.88 g/(m·J)，Cao等[17]對安塞縣農田土質道路研究表明，干道、次級道路及三級道路發(fā)生侵蝕的臨界剪切力分別為2.12、6.68、9.67 N/m2。

綜上所述，國內外學者采用不同的方法對各類型土質道路的徑流產沙過程、侵蝕水動力特征及影響道路侵蝕的影響因素等方面做了許多研究。但還存在以下不足，首先，目前道路侵蝕研究對象多為農田、交通及林內土質道路，而針對于礦區(qū)土質運輸?shù)缆返难芯窟€較為鮮見。其次，礦區(qū)土質道路由于機械碾壓頻繁，在路面形成一定厚度的松散浮土，而目前在進行道路模擬試驗時，大多數(shù)研究對道路的處理僅僅是控制土壤容重，很少考慮路面浮土的存在，且路面極易產流，徑流沖刷路面容易形成細溝，破壞道路結構，在道路侵蝕研究中有關細溝的報道還較為少見。本文在野外建立試驗小區(qū)的基礎上通過模擬降雨的試驗方法對神府礦區(qū)土質道路徑流產沙規(guī)律和細溝發(fā)育特征進行了研究，結果可為礦區(qū)土質道路水土流失防治和水土保持工程設計提供參數(shù)支持，具有重要的科學價值和生產意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選擇在晉陜蒙三省交界的神府東勝礦區(qū)（37°20′～40°16′ N，108°36′～110°3′ E）。該區(qū)屬典型干旱半干旱大陸季風性氣候，年均氣溫8.0 ℃，年均降雨量325～460 mm，降水多集中于7－9月，且多以暴雨形式發(fā)生，年蒸發(fā)量1 636～2 535 mm。該區(qū)為典型的黃土丘陵地貌，處于風蝕水蝕交錯區(qū)、黃河粗泥沙來源區(qū)、干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱帶。土壤類型多為黃土及風沙土，結構松散，抗蝕能力差。植被主要為溫帶半干旱植被。該區(qū)位于暴雨中心，尤其是在人類采礦活動擾動下，夏季水蝕劇烈并占主導地位，春季以風蝕為主，風蝕水蝕交替進行，成為水土流失最嚴重的地區(qū)之一。

1.2 野外調查和因素選擇

為使試驗盡可能反映野外實際情況，首先對礦區(qū)內土質道路進行調查，主要調查礦區(qū)內道路坡度、土壤顆粒組成、容重、含水量及當?shù)亟涤晏卣?，為試驗控制因素及范圍的選取提供依據(jù)。野外調查土壤容重為1.68～1.72 g/cm3，試驗小區(qū)平均容重為（1.70±0.28） g/cm3，平均含水率為（8.37±0.28）%。路面坡度在2°～20°之間，其中<4°占10.4%，4°～10°占82.7%，10°～20°占6.9%；路面上浮土厚度為0.3～0.6 cm，多集中在0.5 cm；土質道路土壤層和浮土層顆粒組成見表1。基于調查結果試驗道路小區(qū)坡度選擇為3°、6°、9°、12°，浮土厚度為0.5 cm，依據(jù)當?shù)囟嗄曜匀唤涤隁庀筚Y料頻率分析，發(fā)生侵蝕性降雨雨強在0.5～3.0 mm/min，試驗依次等步長選擇雨強為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min 6個水平。

表1 土質道路土壤層和浮土層顆粒組成

1.3 試驗設計

野外調查發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)內土質道路多起伏，同一路段每種坡度對應的坡長變化也較大。為在盡可能少破壞路面原有土壤結構同時保證1個小區(qū)內坡度一致性，在小區(qū)布設時考慮野外供水用電等試驗條件，結合降雨器特征合理規(guī)劃試驗小區(qū)。如圖1所示，建立2個3 m×1 m的試驗小區(qū)，在這2個小區(qū)上同時進行降雨試驗，即各次試驗重復2次，試驗結束后重新布設新的小區(qū)進行試驗。

試驗小區(qū)建立如下：將選取道路上的浮土及雜物清掃收集，對明顯凹凸不平之處進行平整以達到設計坡度，將收集的浮土過2 mm篩除去雜物后，按照粒徑組成配比后均勻鋪設在路面上0.5 cm厚，以恢復真實路面，各小區(qū)浮土用量16.5 kg。小區(qū)邊界采用長3.0 m、寬50 cm、厚2.5 mm鐵皮插入地下30 cm，將與小區(qū)邊界接觸的土壤充分壓實防止試驗過程中邊界滲水，小區(qū)末端設鋼制三角集流槽，接泥沙樣用，在距頂部0.25 和1.75 m處設置2個1 m長的測流斷面。在小區(qū)周圍利用鋼管搭建降雨棚，小區(qū)正上方布置下噴式模擬降雨器，噴頭高度為3.0 m，噴頭間距1.0 m，降雨雨滴終速接近天然降雨[18]，降雨均勻度在80%以上，通過閥門和壓力表控制雨強，將防風布固定在降雨棚四周防止風對降雨均勻度的干擾。降雨器布設后，將自制測針系統(tǒng)架設于小區(qū)邊界上，測針系統(tǒng)支架可沿小區(qū)邊界上下滑動，測針可橫向滑動，測量精度為1 mm。本研究共設計6×4×2=48場試驗。

1.4 試驗過程與數(shù)據(jù)采集

試驗前使用遮雨布遮蓋小區(qū)，在試驗區(qū)域均勻擺放6個雨量筒，降雨器開啟后用雨量筒讀取單位時間內的降雨量，換算為降雨強度，率定雨強與設計雨強誤差在5%以內，均勻度要求在80%以上，率定符合要求后，快速掀起小區(qū)上方遮雨布，坡面產流后記錄產流時間并在集流槽出口使用有刻度的接樣桶接徑流泥沙樣并記錄取樣時間和體積，前3 min內每1 min接1次泥沙樣，3 min后每3 min接1次泥沙樣，設計產流歷時45 min，取樣的同時使用KMnO4溶液和秒表測流速，各次測量流速取2斷面的平均值作為每次測量流速，使用精度為1 mm的薄鋼尺測徑流寬度，同一觀測時段內觀測多次取平均值，用烘干法測定所接各個樣品中的泥沙質量，使用普通溫度計測量水溫，每次試驗后使用測針系統(tǒng)對形成的細溝長度、寬度及深度進行測量，測量時對各細溝每5 cm取1斷面，遇細溝分支及發(fā)育特殊之處據(jù)實際情況加測數(shù)次。

1.5 數(shù)據(jù)計算

1）徑流參數(shù)計算。本文涉及徑流參數(shù)有雷諾數(shù)、Darcy-weisbach阻力系數(shù)、徑流剪切力、徑流功率，依據(jù)明渠水流公式計算以上徑流參數(shù)[16,19]。

2）各次試驗土壤總侵蝕量由細溝侵蝕量和細溝間侵蝕量組成。細溝侵蝕量是指各次試驗后形成的溝槽所流失的土壤質量。細溝體積和侵蝕量M采用容積法[20-21]計算，細溝橫斷面假設為“V”形，計算式為

式中M為細溝土壤流失量，kg；d，h，l分別為第個測量斷面處細溝寬度、深度和長度，m；和為浮土層和土壤層容重，kg/m3；為測量斷面?zhèn)€數(shù)。

3）細溝寬深比是指細溝寬度與其對應深度的比值，反映細溝溝槽形狀的變化，其計算式如下[22]

式中為細溝寬深比。

4）細溝復雜度是指坡面某條細溝及其分支的總長度與其在坡面方向上垂直長度比值，反映細溝溝網豐富程度，其計算式如下[22]

式中為細溝復雜度；l為第條細溝長度，m；l為第條細溝在坡面方向上垂直長度，m；為細溝總條數(shù)。

5）細溝割裂度是指坡面上形成的細溝面積與小區(qū)面積比值，反映坡面破碎程度和細溝侵蝕強度，其計算式如下[22]

式中為細溝割裂度；A為第條細溝面積，m2；A為試驗小區(qū)面積，m2。

6）細溝密度是指坡面上形成的細溝長度與小區(qū)面積比值，m/m2，反映坡面破碎程度，其計算式如下[22]

式中為細溝密度，m/m2。

7）土壤剝蝕率即單位時間單位面積徑流所能剝蝕土壤的質量，g/(m2·min)，其計算式如下

式中s為時間（min）內坡面侵蝕量，g，由徑流泥沙樣確定。

采用Excel 2003和SPSS 16.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、方差分析及相關和回歸分析，采用Origin 8.5進行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結果與分析

2.1 土質道路徑流變化特征

表2為不同雨強條件下各坡度土質道路徑流率、雷諾數(shù)及阻力系數(shù)的變化，表3為徑流水力學參數(shù)與雨強、坡度及雨強-坡度交互作用（×）的相關系數(shù)統(tǒng)計。由表2可知，3°～12°土質道路徑流率分別為1.17～7.65、1.12～7.88、1.16～7.17和1.18～8.24 L/min。同一坡度土質道路徑流率隨雨強增大而逐漸增大，二者呈極顯著線性關系（2=0.984～0.997，<0.01）；雨強相同時，6°、9°和12°道路徑流率分別是3°坡的0.96～1.09倍、0.94～1.16倍和1.01～1.10倍，不同坡度道路徑流率之間差異不顯著（>0.05）。由表3可知，土質道路徑流率與坡度相關性不顯著（>0.05），但與雨強和雨強-坡度交互作用（×）均極顯著相關（<0.01）。

表2 土質道路徑流參數(shù)統(tǒng)計

注：不同小寫字母表示同一坡度不同雨強差異顯著；不同大寫字母表示同一雨強不同坡度差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among rainfall intensities under the same slope; different capital letters indicate significant difference among slopes under the same rainfall intensity, the same as below.

表3 徑流產沙參數(shù)與雨強、坡度及其交互作用的相關系數(shù)

注：*表示顯著性水平在0.05；**表示顯著性水平在0.01；為降雨強度（mm/min）；為坡度(°)；×表示雨強和坡度的交互作用，下同。

Note:*: Correlation is significant at the 0.05 level;**: Correlation is significant at the 0.01 level;, rainfall intensity;, slope;×, the interaction of rainfall intensity and slope, the same as below.

雷諾數(shù)是表征徑流流態(tài)參數(shù)，由表2可知，雨強為0.5 mm/min、坡度分別為3°、6°、9°及雨強為1.0 mm/min雨強條件下3°坡土質道路徑流流態(tài)屬層流范疇（<500），其余條件下均為紊流。隨著雨強和坡度增大，路面徑流流態(tài)轉變?yōu)槲闪鳎@是由于坡度增大了徑流流速，雨強增強了徑流的紊動性。整體上，均隨坡度和雨強的增大而增大；同一坡度道路不同雨強徑流之間存在一定差異；雨強相同條件下，6°、9°和12°道路徑流分別是3°坡的1.09～1.62倍、1.39～2.08倍和1.65～2.54倍。相關分析結果（表3）表明，與雨強-坡度交互作用（×）相關性最高，這也說明了雨強和坡度共同作用決定了徑流流態(tài)變化。

阻力系數(shù)表示徑流受到阻力的大小。不同雨強條件下3°坡道路徑流阻力系數(shù)為0.45～1.42，同雨強條件下6°、9°和12°道路徑流是3°坡的1.09～2.37倍、1.21～4.90倍和1.34～10.02倍。對于同一雨強，道路徑流隨坡度增大而逐漸增大；對于同一坡度，3°和6°土質道路隨雨強的增大而增大，而9°和12°土質道路整體上隨雨強增大而減小。相關分析表明，只與坡度顯著相關（<0.05）。

2.2 土質道路侵蝕特征

2.2.1 道路土壤剝蝕率變化特征

由圖2可知，3°～12°坡土質道路土壤剝蝕率均隨雨強和坡度增大而增大，3°坡道路土壤剝蝕率為0.92～54.77 g/(m2·min)，同一雨強條件下 6°、9°和12°道路土壤剝蝕率分別是其1.40～3.22倍、1.78～5.74倍和1.96～11.57倍，當雨強>1.0 mm/min時，6°、9°和12°道路土壤剝蝕率均顯著高于3°（<0.05）。同一坡度土質道路，雨強越大剝蝕率之間差異也逐漸增大，各坡度道路土壤剝蝕率與雨強呈極顯著冪函數(shù)關系（2=0.871～0.938，<0.01）。表3相關分析結果表明，剝蝕率與坡度相關性不顯著（>0.05），與雨強及雨強-坡度交互作用（×）相關性極顯著（<0.01），這表明土質道路土壤侵蝕受雨強和坡度交互作用（×）的影響。

Cao等[6]認為道路土壤剝蝕率的大小是由雨強、坡度、徑流及土壤4個方面的因素決定。而本研究道路土壤為同一類型，由上分析可知，雨強—坡度交互項（×）對道路土壤剝蝕率影響顯著，圖3為土質道路土壤剝蝕率與徑流率（）關系，土壤剝蝕率隨徑流率增大而增大，二者冪函數(shù)關系極顯著（2=0.812，<0.01），這說明徑流率也對道路土壤剝蝕具有顯著的影響。為分析雨強、坡度及徑流率共同作用對土壤剝蝕的影響，回歸分析剝蝕率與三者關系結果表明，剝蝕率與三者呈極顯著冪函數(shù)關系：D=0.570.691.101.34（2=0.968，<0.01）。

2.2.2 道路土壤侵蝕動力特征

土壤侵蝕是由徑流沖刷能力與土壤抗蝕性的相互作用決定[23]。徑流水動力大小決定土壤侵蝕強弱，國內外有關道路侵蝕模型的研究所采用的水動力學多為徑流剪切力和徑流功率，為徑流力學參數(shù)，則屬徑流能量范疇[6,15-16]。圖4為土壤剝蝕率與剪切力和徑流功率之間的關系，3°坡土質道路徑流剪切力為1.52～7.26 N/m2，6°、9°和12°徑流剪切力分別是其0.64～4.0倍、1.43～3.65倍和1.04～7.20倍；3°坡土質道路徑流功率為0.12～1.19 W/(m2·s)，相同降雨條件下，6°、9°和12°土質道路徑流功率是其1.005～8.59倍、2.22～5.65倍和1.34～18.90倍。回歸分析表明，剝蝕率隨剪切力的增大以線性方式增大（2=0.516，<0.001），圖4a中擬合方程的斜率為土壤可蝕性參數(shù)，基于國際制統(tǒng)一單位計算為2.10×10-4s/m，括號中常數(shù)為臨界剪切力，即道路發(fā)生土壤剝蝕的臨界徑流剪切力為2.15 N/m2。剝蝕率與徑流功率線性關系極顯著（2=0.684，<0.001），圖4b中擬合方程的斜率是土壤可蝕性參數(shù)，基于國際制統(tǒng)一單位計算為0.99 g/W，括號中常數(shù)為臨界徑流功率，也即道路發(fā)生土壤剝蝕的臨界徑流功率為0.41 W/(m2/s)。

a. 剝蝕率與剪切力的關系

a. Relationship between detachment rate and shear stress

2.3 土質道路細溝發(fā)育特征

一般認為細溝侵蝕形成的溝槽寬和深均不超過20 cm，細溝寬深比、復雜度、割裂度和細溝密度是表征細溝形態(tài)的重要參數(shù)[22]。3°坡道路較緩，水流較均勻，浮土層與土壤層容重差異較大，跌坎深度與浮土層厚度接近，降雨過程中跌坎以片狀方式連通，連通后的溝槽寬而淺，平均寬度均大于20 cm，平均深度1 cm左右，3°坡道路并未出現(xiàn)明顯細溝，而以片狀侵蝕為主。隨著坡度增加，徑流下切能力增強，6°、9°及12°坡面出現(xiàn)不同形態(tài)的細溝。6°～12°道路細溝形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計如表4所示，各參數(shù)與雨強、坡度及其交互作用的相關系數(shù)如表5所示。

表4 細溝形態(tài)特征指標統(tǒng)計

表5 細溝溝形態(tài)參數(shù)和侵蝕量與雨強、坡度及其交互作用的相關系數(shù)

細溝寬深比反映細溝溝槽形狀，6°、9°及12°道路細溝寬深比分別為1.97～3.75、1.93～2.50和1.80～2.17，除3.0 mm/min雨強條件下9°和12°路面細溝寬深比與6°接近外，其余雨強條件下，9°和12°路面細溝寬深比較6°減小14%～41%和4%～52%，這表明相同降雨條件下，坡度越大，徑流易匯集，徑流剪切力隨之而增強，細溝下切越深。不同坡度道路細溝寬深比差異不顯著（>0.05）。不同雨強條件下6°坡道路細溝寬深比呈現(xiàn)一定差異性，但坡度增大至9°和12°時，不同雨強形成的細溝寬深比差異不顯著（>0.05）。由表5可知，與不相關（>0.05），但與和×相關性極顯著（<0.01），這表明坡度對細溝形狀的影響較大，使雨強對其影響被掩蓋[24]。

細溝復雜度表征細溝溝網的豐富度，6°道路細溝復雜度為1.07～1.36，9°和12°路面細溝復雜度分別是6°的1.01～1.04倍和1.13～1.26倍，相同雨強條件下，隨著坡度增大，細溝復雜度增大；同一坡度道路細溝復雜度隨雨強增大而增大。這表明坡度和雨強越大，細溝在道路上分布越為復雜，但不同坡度和雨強條件下路面細溝復雜度差異均不顯著（>0.05）。由表5可知，與、和×均極顯著相關（<0.01），且與相關性最強，這說明了雨強和坡度的交互作用對道路細溝溝網豐富度影響最大[25-26]。

細溝割裂度和細溝密度反映坡面破碎程度和細溝侵蝕強度。6°、9°和12°坡道路細溝割裂度分別為0.20%～6.83%、0.25%～9.33%和0.49%～10.33%，雨強為2.0和2.5 mm/min時，12°坡道路細溝割裂度顯著高于6°和9°。6°～12°道路細溝密度分別為0.067～1.96、0.08～1.30、0.30～2.01 m/m2，相同降雨條件下（除3.0 mm/min外），各坡度道路細溝密度無顯著差異（>0.05）；6°和12°坡度道路細溝密度隨雨強增大而增大。相關分析表明，和與均不相關（>0.05），但與和×相關性極顯著（<0.01），這表明雨強對細溝割裂度和密度的影響較大，使坡度對其影響被掩蓋[24]。

2.4 細溝對土質道路土壤侵蝕的影響

圖5a、5b為不同降雨強度條件下6°、9°和12°道路總侵蝕量M和細溝侵蝕量M對比。6°道路土壤總侵蝕量為0.34～22.34 kg，相同降雨條件下，9°和12°道路土壤M增大0.10～1.19倍和0.21～3.23倍。6°道路細溝侵蝕量M為0.064～7.58 kg，9°和12°道路M分別是其0.89～3.10倍和1.47～4.29倍，除0.5和2.5 mm/min雨強外，其余雨強條件下9°和12°道路M顯著高于6°；各坡度道路M隨雨強的增大而增大。由表5可知，M和M與均不相關（>0.05），但均×相關程度最高（<0.01），這說明雨強和坡度的交互作用對道路土壤總侵蝕量和細溝侵蝕量的影響最顯著。

相同條件下6°、9°和12°道路細溝侵蝕量分別占總侵蝕量的18.74%～46.40%、18.0%～57.16%和19.02%～56.21%。同一坡度道路細溝侵蝕量所占比例隨雨強增大呈先增大后減小的趨勢，雨強為0.5 mm/min時最小，雨強為1.5或2.0 mm/min時最大。這是由于雨強較小時，路面上細溝發(fā)育程度低，且細溝侵蝕泥沙中大多數(shù)來自于浮土顆粒，道路產沙以細溝間侵蝕為主，因此，細溝侵蝕量所占比例較??；隨著雨強增大，細溝發(fā)育程度較高，坡面水流更為集中，細溝內徑流下切能力增強，細溝侵蝕量也相對增大，當雨強>1.5 mm/min時，由于雨強較大，細溝間徑流剝蝕土壤能力相對增強，細溝間徑流侵蝕能力增加幅度高于細溝內徑流，因此，細溝侵蝕量所占比例相對減小。

由表5可知，雨強-坡度的交互作用（×）對道路細溝形態(tài)和侵蝕量影響極顯著（<0.01），這是由于雨強和坡度越大，細溝密度和復雜度增大、細溝徑流路徑增長、徑流侵蝕能力增強[22,25-26]，從而使坡面破碎更加嚴重并加劇了道路土壤侵蝕?；貧w分析總侵蝕量與細溝形態(tài)參數(shù)之間的關系如圖6所示。由圖6c和圖6d可知，M與細溝割裂度和細溝密度均呈遞增的冪函數(shù)關系（2=0.96和0.73，<0.01），與細溝復雜度呈遞增的線性函數(shù)關系（圖6b，2=0.66，<0.01），這表明隨著細溝發(fā)育密度越大、復雜程度和割裂路面程度越高，總侵蝕量越大。圖6a表明，M與細溝寬深比呈遞減的指數(shù)函數(shù)關系（2=0.35，=0.01），這說明細溝發(fā)育寬度越寬、下切深度越小，侵蝕量越小，實質上寬深比越大，溝槽寬而淺，侵蝕方式也即以片蝕為主。比較總侵蝕量與4個細溝形態(tài)參數(shù)之間關系可知，割裂度是影響土質道路總侵蝕量的最佳細溝形態(tài)因子。

a. 土質道路總侵蝕量變化

a. Variation of total erosion yield of unpaved road

3 討 論

3.1 土質道路徑流特征

礦區(qū)土質道路是一種特殊的坡面類型，具有容重大，入滲率低，路面存在一定厚度浮土等特點[6,12-13,15]，相應地徑流產沙特征具有一定的特殊性。相同降雨條件下本研究土質道路徑流率高于鄭海金等[27]對南方紅壤區(qū)土質道路研究結果，這是由于南方紅壤農田道路容重小于礦區(qū)道路容重，入滲率相對較大的緣故；但相同雨強條件下各坡度道路徑流率差異不顯著（>0.05），這是由于坡度增加徑流率的同時，也使徑流剪切土壤的能力增強，路面更為破碎，滯流作用也增強，坡度的增大對路面徑流率變化存在此消彼長的作用[24-26]。雨強為0.5 mm/min時，3°～9°道路徑流流態(tài)尚屬層流，隨著雨強和坡度增大，坡度促進了流速增大，雨強增強了徑流的紊動性，二者的相互作用使徑流紊動性增強[19]，徑流流態(tài)轉變?yōu)槲闪?，同時也使坡面細溝更加發(fā)育，因此，徑流受到阻力也相應地增大[15]。

3.2 土質道路侵蝕特征

礦區(qū)土質道路侵蝕過程可分為浮土片蝕階段和細溝侵蝕階段[12-13,28]。3°道路形成的徑流較均勻，徑流下切作用弱，形成的跌坎較淺，跌坎連通后形成的溝槽寬而淺，侵蝕過程以片狀侵蝕為主。坡度>3°時，徑流更加集中，剪切土壤能力增強，細溝不斷發(fā)育，土壤剝蝕率大大增強，相同降雨條件下，6°～12°坡度剝蝕率是3°坡的1.40～11.57倍，結果與黃鵬飛等[16]和Cao等[17]研究結果相似。各坡度道路土壤剝蝕率為0.92～324.46 g/(m2·min)，變幅巨大，這是由于不同降雨和坡度條件下細溝發(fā)育程度有著巨大的差異，細溝的形成改變了徑流在路面匯集的方式，更多徑流進入細溝內，徑流剪切力、徑流功率均不斷增大，這又促進了細溝的發(fā)育[26]，導致侵蝕加劇。研究發(fā)現(xiàn)路面發(fā)生土壤剝蝕的臨界剪切力和臨界徑流功率分別為2.15 N/m2、0.41 W/(m2·s)，結果高于Foltz等[29]對沙壤土道路的研究，這是土壤容重和土壤質地差異所致，但低于Cao等[15,17]對黃土高原農田土質道路的研究，這是由于本研究路面存在0.5 cm厚度浮土，且土壤中砂粒含量也較高，降低了土壤抗蝕性，因此本研究土壤發(fā)生剝蝕的臨界剪切力和徑流功率較低。

3.3 土質道路細溝發(fā)育特征及其對侵蝕的影響

雨強為0.5～2.5 mm/min時，細溝寬深比隨坡度增大而減小，這說明坡度增強了細溝內徑流下切能力，使細溝下切速度高于拓寬速度[22,26]。研究也發(fā)現(xiàn)，雨強與細溝復雜度、割裂度和密度的相關程度高于坡度（表5），而沈海鷗等[22]認為雨強對黃土坡面細溝割裂度和復雜度影響顯著，坡度對細溝寬深比和細溝密度影響更敏感，且細溝寬深比和細溝復雜度略低于本研究，主要是由于土壤質地和土體結構差異所致[15]，道路坡度相對較小且土壤容重較大，細溝發(fā)育深度較小，在路面上形成的細溝較淺，發(fā)育規(guī)模較小，侵蝕強度較弱。因此，寬深比及細溝彎曲程度（復雜度）較大，而細溝的密度和坡面破碎程度（割裂度）則相對較低。

相關分析表明，細溝寬深比與雨強不相關，細溝割裂度和細溝密度與坡度不相關，但均與二者的交互作用（×）相關性極顯著，這也說明細溝發(fā)育程度不是單因素影響的結果，而是由雨強和坡度的共同作用所致[26]。不同雨強和坡度條件下形成了發(fā)育程度不一的細溝，細溝形態(tài)決定了徑流下切作用的強弱，從而影響道路侵蝕強度。研究發(fā)現(xiàn)，細溝發(fā)育程度越高，土壤侵蝕量越大，其中細溝割裂度對土質道路土壤侵蝕影響最為顯著。因此，在進行土質道路建設時應注重道路排水方式，道路中部應修建為微“凸”形，防止徑流匯集成股后增強對路面的切割[30]，道路兩側應進行夯實并根據(jù)徑流特征、臨界剪切力和臨界功率設計排水溝斷面尺寸和材料，便于路面徑流分散地進入排水溝，結果可為礦區(qū)土質道路水土保持工程措施設計及生產安全提供參數(shù)支持。

4 結 論

通過在野外建立（3°、6°、9°、12°）道路小區(qū)，在不同模擬降雨強度（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min）條件下研究神府礦區(qū)土質道路徑流產沙規(guī)律、細溝形態(tài)特征及其對侵蝕的影響，主要結論如下：

1）各坡度道路徑流率為1.12～8.24 L/min，與雨強線性關系極顯著，隨坡度變化不顯著；0.5 mm/min雨強條件下3°～9°坡及1.0 mm/min條件下3°坡土質道路徑流流態(tài)為層流，其余為紊流，雨強-坡度交互作用（×）對流態(tài)影響顯著；阻力系數(shù)只與坡度相關。

2）各坡度道路剝蝕率為0.92～324.46 g/(m2·s)，隨雨強和坡度的增大而增大。剝蝕率與雨強、坡度和徑流率呈極顯著冪函數(shù)關系（2=0.968，<0.01），道路土壤發(fā)生剝蝕的臨界剪切力和臨界徑流功率分別為2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。

3）3°道路以片狀侵蝕為主，6°～12°道路細溝發(fā)育，細溝寬深比、復雜度、割裂度和細溝密度分別為1.80～3.75、1.07～1.55、0.20%～10.33%和0.067～2.01 m/m2。坡度對細溝寬深影響高于雨強，雨強對細溝密度、復雜度及割裂度影響高于坡度，但均與雨強—坡度交互作用（×）極顯著相關（<0.01），細溝的發(fā)育程度是雨強和坡度共同作用的結果。

4）6°～12°道路細溝侵蝕量為0.064～12.66 kg，占總侵蝕量比例為18.0%～57.16%，細溝形態(tài)對總侵蝕量影響顯著，總侵蝕量與細溝寬深比呈遞減指數(shù)函數(shù)關系（2=0.35，=0.01），與細溝復雜度線性關系極顯著（2=0.66，<0.01），與細溝割裂度和細溝密度均呈遞增的冪函數(shù)關系（2=0.96和0.73，<0.01），割裂度是影響土質道路總侵蝕量的最佳細溝形態(tài)因子。

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Runoff, sediment yield and rill development characteristic of unpaved road in mining area under field artificial simulated rainfall condition

Guo Mingming1, Wang Wenlong1,2※, Li Jianming3, Zhu Baocai1,4, Shi Qianhua1, Kang Hongliang1, Li Yanfu5

(1.712100; 2.712100; 3.430010,; 4.030801; 5.210029)

Serious man-made soil and water loss are common on unpaved roads in the mining area of Shenfu Coalfield. In general, unpaved roads are frequently rolled by transport machinery and result in massive mud after rainfall. A certain thickness of loose surface soil layer is generated after the mud is air-dried and rolled, which negatively impacts the ecological environment. An artificially simulated rainfall experiment was carried out in this study. The law of runoff and sediment yields and the characteristic of rill morphology development of unpaved road in mining area were studied at different rainfall intensities and slope degrees. According to the results of field investigations, the slope of roads usually ranged from 2° to 20° in the area and thus we set the slope of plots to 3°, 6°, 9°and 12°. Six rainfall intensities were tested, varying from 0.5 to 3.0 mm/min with an interval of 0.5 mm/min. The thickness of loose surface soil layer was set to 0.5 cm in our experiments. Plot used in the experiment was laid out to be 3 m×1 m and two flow sections were set for the measurement of runoff and sediment. Before each experiment, rainfall intensity was calibrated repeatedly until the rainfall uniformity coefficient reached 80% or higher. Soil particle composition was determined using Mastersizer 2000, whilst soil bulk density and moisture content were measured using the oven-drying method. During each experiment, flow velocity was measured with the dye tracing method. Flow width and depth were measured with a point gauge system. From 3 minutes before the runoff generation, runoff samples were taken once a minute. Other samples were taken every 3 minutes after runoff generation. All of the experiment was repeated twice. Results showed that: 1) Runoff rates varied from 1.12 to 8.24 L/min and had a significant linear relationship with rainfall intensities and no correlation with slope degrees. The Reynolds number and Resistance coefficient were 232.38-2 073.0 and 0.45-4.47, respectively. The turblence intensity of runoff increased with the increases of rainfall intensities and slope degrees. Resistance coefficient varied significantly with slope. 2) The soil detachment rate of unpaved road ranged from 0.92 to 324.46 g/(m2·s) and was a significant power function of rainfall intensities, slope degrees and runoff rates. Critical shear stress and stream power activating sediment detachment of unpaved roads were found to be 2.15 N/m2and 0.41 W/(m2·s). 3) Sheet erosion was the main erosion form on unpaved roads with a slope degree of 3°. The rill formed on the road surface when the slope degree was greater than 3°. The rill breadth depth ratio, rill complexity degree, rill split degree and rill density were 1.80-3.75, 1.07-1.55, 0.20%-10.33% and 0.067-2.01 m/m2, respectively. Overall, the rill density increased with rainfall intensity increased, rill breadth depth ratio decreased with slope degrees increased and rill complexity degree and split degree were positively correlated with the interaction of rainfall intensities and slope degrees. 4) Ratios of rill soil erosion yield to the total soil erosion yield were 18.0%-57.16%. The power function could be used to describe the relationship between total erosion yield and rill split degree and rill density. Exponential and linear functions were found to be useful to express the relationship between total erosion yield and rill breadth depth ratio and complexity degree. The results provide key parameters to the implementation of engineering soil and water conservation measures on unpaved roads and are therefore meaningful for the production safety in the mining area.

erosion; runoff; hydrodynamics; Shenfu mining area; road; rill; morphological characteristic

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.020

S157.1

A

1002-6819(2016)-24-0155-09

2016-03-03

2016-10-15

國家自然科學基金（41571275，41302199）；中國科學院西部行動計劃（KZCX-XB3-13）；中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目（KZZD-EW-04-03）

郭明明，男，博士生，主要從事土壤侵蝕研究。楊凌 西北農林科技大學水土保持研究所，712100。Email：st_gmm@163.com

王文龍，男，博士生導師，研究員，主要研究方向為土壤侵蝕與水土保持。楊凌 中科院水利部水土保持研究所，712100。 Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn