跌水高度對(duì)元謀干熱河谷沖溝溝頭侵蝕產(chǎn)沙特征的影響初探*

張寶軍熊東紅楊 丹張 素校 亮蘇正安董一帆

（1 中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041）

（2 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041）

（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

跌水高度對(duì)元謀干熱河谷沖溝溝頭侵蝕產(chǎn)沙特征的影響初探*

張寶軍1，2，3熊東紅1，2?楊 丹1，2，3張 素1，2，3校 亮1，2，3蘇正安1，2董一帆1，2

（1 中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041）

（2 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041）

（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

元謀干熱河谷沖溝侵蝕強(qiáng)烈，以溝頭溯源侵蝕過(guò)程為主，陡立溝壁跌坎是活躍溝頭的重要形態(tài)特征之一。采用野外原位放水沖刷試驗(yàn)，研究了25和50 cm兩種不同跌水高度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響。結(jié)果表明：2種跌水高度下，（1）徑流跌水沖刷力差異顯著。跌水勢(shì)能轉(zhuǎn)化量平均值分別為4.89和9.78 J s-1，跌水剪切力平均值分別為25.9和53.5 Pa，均呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系。（2）跌穴發(fā)育形態(tài)特征及下游侵蝕量差異大。2個(gè)小區(qū)跌水最大下切深度分別為7.38和7.50 cm，平均下切深度分別為3.87 和5.16 cm；溝頭溝壁及下游溝床部位侵蝕量累積貢獻(xiàn)平均為41%和54%。（3）徑流含沙量差異顯著（p＜ 0.1）。整個(gè)試驗(yàn)中2個(gè)小區(qū)徑流平均含沙量分別為7.51和18.76 g L-1，且徑流經(jīng)過(guò)溝壁跌坎后，含沙量分別平均增大6.25 和25.49 g L-1。初步認(rèn)為溝壁跌坎高度差異影響徑流沖刷力及其侵蝕產(chǎn)沙特征，但仍需進(jìn)一步開展更多跌坎高度下的相關(guān)研究，為干熱河谷區(qū)沖溝溝頭溯源侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究提供補(bǔ)充。

徑流沖刷力；侵蝕產(chǎn)沙特征；跌水高度；沖溝溝頭；元謀干熱河谷

土壤侵蝕是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題之一，由于土壤侵蝕導(dǎo)致的嚴(yán)重水土流失制約著區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［1］。沖溝侵蝕作為一種重要的土壤侵蝕方式，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［2］，已有學(xué)者針對(duì)溝頭溯源侵蝕過(guò)程展開了較多研究［3-4］，并認(rèn)為這一過(guò)程對(duì)沖溝發(fā)生發(fā)展極為重要。在溝頭溯源侵蝕發(fā)育過(guò)程中，常由于土壤異質(zhì)性和徑流不均一、不穩(wěn)定等原因，導(dǎo)致溝頭形態(tài)變化不均衡，逐漸產(chǎn)生跌水落差［5］。當(dāng)坡面集中流到達(dá)跌坎時(shí)，由于地形突變轉(zhuǎn)變?yōu)榈↗et flow），伴隨著徑流勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，對(duì)跌坎底部土體直接沖蝕，導(dǎo)致溝頭形態(tài)變化劇烈［6］。Dey等［7］研究認(rèn)為，在某種程度上跌水高度和徑流量可以決定溝頭溯源侵蝕過(guò)程。Bennett和Casalí［8］采用模擬水槽沖刷試驗(yàn)，研究了不同跌水高度下（5～50 mm）的溝頭溯源侵蝕過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著跌水高度增加，溯源侵蝕速率、最大下切深度和產(chǎn)沙量均逐漸增大。

金沙江干熱河谷區(qū)是我國(guó)西南特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境類型區(qū)，該區(qū)域沖溝侵蝕問(wèn)題突出，水土流失強(qiáng)烈，嚴(yán)重威脅著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和下游水利水電工程安全［9］。由于該區(qū)域巖層特性復(fù)雜、降雨季節(jié)性差異等原因，導(dǎo)致沖溝溝頭具有形態(tài)復(fù)雜多樣、溝壁跌坎陡立、溯源侵蝕速率快等特征［10-11］。目前，已有學(xué)者針對(duì)該區(qū)域沖溝侵蝕過(guò)程中的水動(dòng)力條件及其侵蝕產(chǎn)沙效應(yīng)展開了較多研究［12-14］。Su等［15-16］研究認(rèn)為干熱河谷沖溝形態(tài)變化及侵蝕產(chǎn)沙，主要集中表現(xiàn)在一條溝上若干個(gè)活躍的溝頭部位，溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙約占整個(gè)沖溝活躍區(qū)產(chǎn)沙的62%～75%。溝壁跌坎作為溝頭重要形態(tài)特征參數(shù)，在溝頭不同發(fā)育階段表現(xiàn)出不同高度大?。?7］，而不同跌坎高度發(fā)育直接影響徑流沖刷特性，導(dǎo)致溝頭侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程差異，但其具體如何影響溝頭徑流沖刷力及其侵蝕產(chǎn)沙效應(yīng)尚不得而知，需開展深入研究。本研究采用野外原位放水沖刷試驗(yàn)，結(jié)合近景攝影測(cè)量技術(shù)，初步研究了跌水高度差異對(duì)溝頭溯源侵蝕過(guò)程中的徑流水動(dòng)力條件、形態(tài)變化及侵蝕產(chǎn)沙特征的影響，旨在為沖溝溯源侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究提供補(bǔ)充，同時(shí)為該區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)實(shí)踐控制溝頭溯源侵蝕提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南元謀干熱河谷（25°23′～26°06′N，101°35′～102°06′E），該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，具有炎熱干燥、降水集中、干濕季分明的氣候特征：年均氣溫21.9℃，年均降水量615 mm，主要集中于6—10月的雨季，約占年降水量的90%，年均蒸發(fā)量高達(dá)3 911 mm，約為年均降水量的6.4倍，年均干燥度為2.8［18］。土壤類型以燥紅土和變性土為主，植被以稀樹灌木草叢為主，森林覆蓋率僅為3.4%～6.3%［19］。該區(qū)沖溝極為發(fā)育，水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)1.64×104t km-2a-1，溝壑密度3.0～5.0 km km-2，最大達(dá)7.4 km km-2［10］（圖1a）。沖溝發(fā)育的元謀組地層為第四紀(jì)河湖相沉積物，厚達(dá)695 m，具有結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)度差、黏砂互層等特征［20］。特殊的巖土性質(zhì)和氣候條件，決定該區(qū)域沖溝發(fā)育主要以溝頭溯源侵蝕過(guò)程為主，年均溯源侵蝕速率為50 cm a-1左右，最大達(dá)200 cm a-1。此外，由于溯源侵蝕過(guò)程中土體崩塌發(fā)生頻繁，溝頭常發(fā)育有陡立跌坎［21］（圖1b），其高度大小往往可以表征溝頭的不同活躍程度［17］。

圖1 元謀干熱河谷沖溝侵蝕強(qiáng)烈（a）及溝頭陡立跌坎發(fā)育（b）Fig. 1 Intensive gully erosion（a）and development of steep gully headcut（b）in Yuanmou dry-hot valley region

1.2 試驗(yàn)小區(qū)

本研究選擇在中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所與云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所合建的元謀干熱河谷溝蝕崩塌觀測(cè)研究站（以下簡(jiǎn)稱“元謀站”）內(nèi)進(jìn)行。2015年7月，在元謀站內(nèi)選取了一個(gè)雨季常有崩塌發(fā)生、裸露的原位活躍溝頭，基于原始跌坎形態(tài)，修建了跌坎高度分別為25 cm和50 cm的兩個(gè)模擬試驗(yàn)小區(qū)，其中溝壁人工一致修整為“平整、陡立、無(wú)內(nèi)凹洞”的初始侵蝕形態(tài)。模擬試驗(yàn)小區(qū)還包括穩(wěn)流槽、上游集水區(qū)和下游溝床，其中集水區(qū)為裸露光板地，長(zhǎng)度為5 m、寬度為1.5 m、坡度為11°；溝床長(zhǎng)度為2 m、寬度為1.5 m、坡度為9°。穩(wěn)流槽采用半開口設(shè)計(jì)，集水區(qū)和溝床部位采用淺V型設(shè)計(jì)，以模擬集中徑流沖刷過(guò)程。為了監(jiān)測(cè)沖刷試驗(yàn)過(guò)程中的水動(dòng)力參數(shù)，集水區(qū)從穩(wěn)流槽開口處，以1 m為間隔，設(shè)置0～1、1～2、2～3、3～4和4～5共計(jì)5個(gè)觀測(cè)斷面；溝床從溝壁跌坎底部開始，以1 m為間隔，設(shè)置0～1和1～2共計(jì)2個(gè)觀測(cè)斷面（如圖2所示）。野外試驗(yàn)之前，在試驗(yàn)小區(qū)集水區(qū)和溝床部位分別隨機(jī)采集表層土壤混合樣（0～5 cm），帶回實(shí)驗(yàn)室采用常規(guī)方法分析土壤理化性質(zhì)，包括土壤機(jī)械組成、容重和總孔隙度，具體見表1。

表1 試驗(yàn)小區(qū)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physico-chemical properties of the experimental soil

圖2 試驗(yàn)小區(qū)及放水沖刷試驗(yàn)示意圖Fig. 2 Sketch of the simulated scouring experiment with two plots

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用野外模擬放水沖刷方法研究溝頭溯源侵蝕過(guò)程特征，屬連續(xù)觀測(cè)試驗(yàn)，但需要說(shuō)明的是，由于試驗(yàn)小區(qū)構(gòu)建困難及原位控制試驗(yàn)難度大，未進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。參照該研究區(qū)典型暴雨強(qiáng)度60 mm h-1（據(jù)元謀站氣象數(shù)據(jù)），及活躍溝頭發(fā)育的上游平均匯水面積120 m2計(jì)算［21］，設(shè)置放水流量為120 L min-1，流量通過(guò)試驗(yàn)小區(qū)上方設(shè)計(jì)的穩(wěn)流池和流量計(jì)控制（圖2）。徑流進(jìn)入試驗(yàn)小區(qū)前先通過(guò)穩(wěn)流槽，可以保證徑流進(jìn)入小區(qū)時(shí)的初始流速基本一致。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)140 min，其中為監(jiān)測(cè)溝頭地形變化將試驗(yàn)分5次進(jìn)行，第1次沖刷時(shí)間為20 min，之后4次分別為30 min。試驗(yàn)開始前，在小區(qū)內(nèi)預(yù)先均勻撒水，直至表面充分濕潤(rùn)但又無(wú)地表徑流產(chǎn)生。

試驗(yàn)中觀測(cè)徑流水動(dòng)力參數(shù)和產(chǎn)沙特征，試驗(yàn)之后監(jiān)測(cè)小區(qū)地形變化。各斷面徑流水動(dòng)力參數(shù)（徑流深、徑流寬和流速）的變化，按照一定時(shí)間間隔每次分別在斷面上、中、下部位測(cè)量3次取平均值［16］?？紤]到試驗(yàn)初期，小區(qū)表面地形變化明顯，可能導(dǎo)致徑流水動(dòng)力特性變化大，因此在前20 min試驗(yàn)中設(shè)置5 min的監(jiān)測(cè)間隔，之后試驗(yàn)設(shè)置10 min的監(jiān)測(cè)間隔。水動(dòng)力參數(shù)測(cè)定方法與參考文獻(xiàn)［16］一致，徑流寬采用精度1 mm薄鋼尺測(cè)定，徑流深采用精度1 mm直尺測(cè)定，流速采用KMnO4染色法測(cè)定。文中在分析徑流水動(dòng)力特性時(shí)為單次試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值。試驗(yàn)過(guò)程中的徑流產(chǎn)沙特征，采用500 ml集流瓶收集跌水和小區(qū)集流槽內(nèi)徑流泥沙樣進(jìn)行觀測(cè)，分別表征集水區(qū)和整個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的徑流含沙量。在每次沖刷試驗(yàn)中，自產(chǎn)流開始至10 min內(nèi)每2 min采集1次，之后每5 min采集1次，試驗(yàn)結(jié)束后帶回實(shí)驗(yàn)室采用烘干法測(cè)定，并換算為1 L的泥沙含量。

1.4 徑流水動(dòng)力特性

坡面徑流到達(dá)跌坎后轉(zhuǎn)變?yōu)榈瑥哪芰拷嵌瘸霭l(fā)，徑流跌水的沖刷能力可以采用勢(shì)能、動(dòng)能和剪切力表示［22］。徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榈畷r(shí)，大量勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，徑流勢(shì)能轉(zhuǎn)化量（ΔEp）可以采用公式計(jì)算：

式中，ρ為水的容重（k g m-3），q為徑流量（m3s-1），H為跌水落差（m），g為重力加速度（m s-2）。坡面徑流到達(dá)跌坎上沿轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鲿r(shí)的水平出射動(dòng)能可以表述為：

式中，Vbrink為射流水平出射流速［23］（m s-1），與坡面徑流流速和流態(tài)有關(guān)。坡面徑流流態(tài)采用弗羅德數(shù)（Fr）參數(shù)表征，它表示過(guò)水?dāng)嗝嫔蠌搅鞯膭?dòng)能和勢(shì)能的對(duì)比關(guān)系，計(jì)算公式為：

式中，V為坡面徑流到達(dá)跌坎前的平均流速（m s-1），h為平均徑流深（m）；當(dāng)Fr＞1時(shí)為急流，當(dāng)Fr≤1時(shí)為緩流［24］。Vbrink可以采用下式計(jì)算［25］：

徑流跌水侵蝕能力也可以采用最大剪切力表示［26］，采用公式計(jì)算：

式中，Cf為摩擦系數(shù)：

式中，ν為徑流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)（m2s-1），主要與徑流溫度有關(guān)；q′為單寬徑流量（m2s-1）。

1.5 地形變化

沖刷試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)小區(qū)的地形及侵蝕量變化，采用高精度近景攝影測(cè)量技術(shù)獲取。近景攝影測(cè)量技術(shù)是一種基于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（Structure from Motion，SfM）和多視角立體成像技術(shù)（MultiView-Stereo，MVS）發(fā)展形成的三維影像重建技術(shù)，它可以生成高質(zhì)量、高分辨率的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最高精度可達(dá)毫米級(jí)［27］。沖刷試驗(yàn)之前，在試驗(yàn)小區(qū)邊界以1 m左右間隔設(shè)置約15個(gè)控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）借助RTK-GPS測(cè)定（Trimble R8，美國(guó)，水平精度1 cm± 1 ppm，垂直精度2 cm± 1 ppm）［21］。在沖刷試驗(yàn)之前和5次沖刷試驗(yàn)后，分別采用Nikon D610相機(jī)從不同角度定焦（50 mm）采集小區(qū)地形照片。地形數(shù)據(jù)處理借助Agisoft PhotoScan 1.1.6 專業(yè)版軟件進(jìn)行，該軟件可以實(shí)現(xiàn)三維模型重建過(guò)程的完全自動(dòng)化。每次選取約30張采集照片導(dǎo)入軟件（足以覆蓋整個(gè)試驗(yàn)小區(qū)），并添加控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)齊、優(yōu)化，最后自動(dòng)生成真實(shí)坐標(biāo)的3D點(diǎn)云模型。在12次點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立中，軟件模型依據(jù)控制點(diǎn)高程計(jì)算的均方根誤差（RMSE）介于0.002～0.009 m，精度較高（圖3）。最后將生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.1軟件，利用3D分析工具中的TIN模型插值方法，生成數(shù)字高程模型（DEM），通過(guò)對(duì)比不同階段DEM分析小區(qū)地形變化量。

2 結(jié) 果

2.1 徑流水動(dòng)力學(xué)特性

圖3 2號(hào)小區(qū)第2次試驗(yàn)后的3D點(diǎn)云模型Fig. 3 3D point cloud model of Plot 2 after the second test

圖4 試驗(yàn)小區(qū)坡面徑流流速（a）和弗羅德數(shù)（b）Fig. 4 Runoff flow velocity（a）and Froude number（b）of the two plots

圖4a、圖4b分別為試驗(yàn)小區(qū)集水區(qū)和溝床徑流流速和弗羅德數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律?？梢钥闯觯麄€(gè)沖刷試驗(yàn)過(guò)程，徑流流速和弗羅德數(shù)隨時(shí)間均呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且該兩個(gè)參數(shù)均表現(xiàn)為集水區(qū)部位顯著高于溝床部位（p＜0.05）。其中，2個(gè)小區(qū)集水區(qū)平均流速分別為0.58和0.53 m s-1，溝床平均流速分別為0.40和0.43 m s-1。徑流Fr變化范圍在1.02～2.54之間，均大于1，屬于急流狀態(tài)。徑流流速和Fr隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與侵蝕發(fā)育過(guò)程有關(guān)。在試驗(yàn)初始階段，小區(qū)坡面平整，徑流流速大、流路寬、流深淺，弗羅德數(shù)大；之后隨著沖刷進(jìn)行，表層松散土體被迅速侵蝕，并形成明顯溝道，徑流深度增加，加之徑流侵蝕不斷消耗能量，導(dǎo)致徑流流速變??；最后，小區(qū)坡面形態(tài)趨于穩(wěn)定，徑流流速和弗羅德數(shù)也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

由于試驗(yàn)采用固定放水流量0.002 m3s-1，所以徑流在溝頭跌坎部位的勢(shì)能轉(zhuǎn)化量主要與跌水高度有關(guān)，動(dòng)能主要與流速有關(guān)?？紤]到徑流流速和流態(tài)在上游集水區(qū)的沿程變化，采用集水區(qū)最下游斷面流速和弗羅德數(shù)，模擬計(jì)算徑流到達(dá)跌坎上沿的出射流速，并基于此分析徑流由坡面流轉(zhuǎn)換為跌水時(shí)的出射動(dòng)能（圖5）。2個(gè)小區(qū)徑流到達(dá)跌坎上沿的水平方向出射流速和動(dòng)能，與坡面流速和弗羅德數(shù)的變化規(guī)律一致，同樣表現(xiàn)為先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且2個(gè)小區(qū)之間無(wú)顯著差異（p＞0.1）。

圖5 徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榈某跏剂魉俸蛣?dòng)能Fig. 5 Initial flow velocity and kinetic energy while surface turning into jet

圖6a、圖6b分別表示坡面徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榈畷r(shí)的勢(shì)能轉(zhuǎn)化量及其剪切力變化。由于試驗(yàn)小區(qū)集水區(qū)為裸露光板地，表層有鐵錳結(jié)膜覆蓋，質(zhì)地堅(jiān)硬，導(dǎo)致徑流下切侵蝕困難。沖刷試驗(yàn)過(guò)程中，2個(gè)小區(qū)跌坎上沿徑流最大下切深度不足2 cm，對(duì)跌水高度變化影響較小，因此在計(jì)算跌水勢(shì)能轉(zhuǎn)化量時(shí)統(tǒng)一采用初始跌水高度。從圖6a可以看出，跌水高度50 cm的2號(hào)小區(qū)，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化量顯著高于1號(hào)小區(qū)，兩者平均值分別為9.78和4.89 J s-1?；谀芰渴睾愣?，并忽略徑流跌落過(guò)程中的能量耗散，徑流勢(shì)能將主要轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，增大跌水流速，經(jīng)計(jì)算，2個(gè)小區(qū)跌水到達(dá)底部時(shí)的瞬時(shí)流速達(dá)到2.28 和3.18 m s-1，分別為出射流速的4.1倍和5.6倍。此外，分析2個(gè)小區(qū)跌水剪切力，平均值分別為25.9和53.5 Pa，2號(hào)小區(qū)同樣顯著高于1號(hào)小區(qū)（圖6b）。以上結(jié)果說(shuō)明，坡面徑流到達(dá)溝壁跌坎這一地形陡變的特殊部位時(shí)，徑流勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致徑流沖刷力顯著增大，并且隨著跌水高度的成倍增加，徑流勢(shì)能轉(zhuǎn)化量和跌水剪切力大小也將呈現(xiàn)倍數(shù)增大。

圖6 徑流跌水勢(shì)能轉(zhuǎn)化量（a）和剪切力（b）Fig. 6 Potential energy transformation（a）and shear stress（b）of jet flow

2.2 地形及侵蝕量變化特征

徑流跌水對(duì)溝壁跌坎底部土體的直接沖蝕，導(dǎo)致跌水坑（Plunge pool）發(fā)育。隨著沖刷進(jìn)行，跌水坑寬度和深度逐漸增大，最終促進(jìn)溯源侵蝕的發(fā)生。此次沖刷試驗(yàn)過(guò)程中，由于2個(gè)小區(qū)集水區(qū)徑流流路偏向右側(cè)，導(dǎo)致跌水侵蝕主要發(fā)生在溝壁底部靠右1 m范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)之前和每次沖刷試驗(yàn)后的6次DEM數(shù)據(jù)，提取了2個(gè)小區(qū)每次試驗(yàn)后跌穴形態(tài)發(fā)育特征（表2），并選取了沖刷試驗(yàn)前、80 min和140 min試驗(yàn)后地形數(shù)據(jù)，繪制了2個(gè)小區(qū)距離溝壁底部5cm處的溝床橫向剖面線，以直觀描述跌水坑的形態(tài)發(fā)育特征（圖7）。從圖7中看出，2個(gè)小區(qū)在試驗(yàn)中發(fā)生跌水的明顯下切，導(dǎo)致跌穴發(fā)育，且1號(hào)小區(qū)更接近V型發(fā)育，2號(hào)小區(qū)更接近U型發(fā)育。而從表2中可以看出，隨著沖刷試驗(yàn)進(jìn)行，2個(gè)小區(qū)跌水最大和平均下切深度均逐漸增大，且2號(hào)小區(qū)平均下切深度顯著大于1號(hào)小區(qū)。其中1、2號(hào)小區(qū)在140 min試驗(yàn)后跌穴最大下切深度分別為7.38 cm和7.50 cm，差異不顯著，但中間變化過(guò)程卻表現(xiàn)出極大差異。2號(hào)小區(qū)前20 min試驗(yàn)后最大下切深度達(dá)5.81 cm，之后的120 min試驗(yàn)僅增大了1.69 cm，而1號(hào)小區(qū)前20 min試驗(yàn)后最大下切深度僅為1.65 cm，之后的120 min試驗(yàn)逐漸增大至7.38 cm。2個(gè)小區(qū)平均下切深度隨時(shí)間也表現(xiàn)為相似的增長(zhǎng)特征，在前20min試驗(yàn)后平均下切深度分別為0.70 cm和3.69 cm，相差4倍左右，而在140 min試驗(yàn)后分別為3.87 cm和5.16 cm，約為1.3倍。以上結(jié)果說(shuō)明徑流經(jīng)過(guò)不同的跌水高度后，產(chǎn)生不同的沖刷能力，導(dǎo)致溝壁跌坎底部土體沖刷侵蝕特征差異明顯。

表2 跌水下切深度隨沖刷時(shí)間的變化Table 2 Variation of incision depth of the jet flow with the scouring going on（cm）

圖7 跌穴形態(tài)發(fā)育特征Fig. 7 Morphological characteristics of plunge pools

此外，通過(guò)分析溝壁跌坎及下游溝床地形侵蝕量，發(fā)現(xiàn)2個(gè)小區(qū)之間差異顯著（圖8）。在初始20 min沖刷后，1號(hào)小區(qū)侵蝕量?jī)H為0.003 m3，但2號(hào)小區(qū)高達(dá)0.067 m3；最后經(jīng)過(guò)140 min沖刷，1號(hào)小區(qū)侵蝕量增加至0.072 m3，2號(hào)小區(qū)達(dá)到0.115 m3，約為1號(hào)小區(qū)的1.6倍。分析每次沖刷試驗(yàn)后，溝壁跌坎及下游溝床侵蝕量對(duì)總侵蝕量的累積貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)1號(hào)小區(qū)在20 min時(shí)為34%，之后逐漸增長(zhǎng)至45%左右，總體平均為41%，而2號(hào)小區(qū)在20 min時(shí)達(dá)到65%，之后降低至50%左右，平均為54%（表3）。據(jù)此可以推測(cè)，跌坎高度對(duì)溝頭溝壁及下游侵蝕產(chǎn)沙具有一定影響，但是否可以說(shuō)明跌水高度越高，溝壁跌坎及下游溝床侵蝕量越大，對(duì)總侵蝕量的貢獻(xiàn)也越大，這一結(jié)論還需要在以后設(shè)置其他跌坎高度進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。

圖8 跌坎上沿以下部位侵蝕量的變化Fig. 8 Soil erosion volume in sections below the border-top of headcut

表3 溝壁跌坎及溝床侵蝕量占小區(qū)總侵蝕量的比例Table 3 Contribution of the soil erosion at the gully headcut and in the bed to total soil erosion of the plot（%）

2.3 徑流輸沙特征

對(duì)于整個(gè)沖刷過(guò)程，2個(gè)小區(qū)徑流泥沙含量總體上隨時(shí)間呈現(xiàn)冪函數(shù)減小的趨勢(shì)，擬合曲線分別為：①y=53.39 x-0.48，N=49，R2=0.86；②y=93.09 x-0.36，N=49，R2=0.71。在整個(gè)沖刷試驗(yàn)產(chǎn)流開始，2個(gè)小區(qū)徑流泥沙含量分別達(dá)到了最大值229.1 g L-1和259.8 g L-1，但經(jīng)過(guò)10 min后分別急劇下降至8.5 g L-1和34.6 g L-1，并最終呈現(xiàn)趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)（圖9a）。但從圖9a又可以明顯看出，之后試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)明顯的4次含沙量極大值點(diǎn)，但其大小隨沖刷次數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這是由于2次試驗(yàn)間隔內(nèi)小區(qū)表面受到干濕交替影響，導(dǎo)致表面土體松散，下次試驗(yàn)產(chǎn)流開始時(shí)表土在集中徑流作用下極易被帶走。之后隨著表面浮土被沖刷，徑流泥沙含量又逐漸降低至穩(wěn)定。

采用單因素方差分析進(jìn)行均值比較，發(fā)現(xiàn)徑流到達(dá)溝頭跌坎時(shí)2個(gè)小區(qū)之間含沙量無(wú)顯著差異，但小區(qū)末端2個(gè)小區(qū)徑流含沙量卻在0.1水平上差異顯著，說(shuō)明經(jīng)過(guò)不同跌水高度后，徑流泥沙含量變化較大。從圖9a可以看出，在5次沖刷試驗(yàn)產(chǎn)流開始時(shí)，2號(hào)小區(qū)徑流泥沙含量均顯著高于1號(hào)小區(qū)，特別是第2次和第3次試驗(yàn)，1號(hào)小區(qū)泥沙含量分別為57.34 g L-1和31.80 g L-1，而2號(hào)小區(qū)高達(dá)126.02 g L-1和78.12 g L-1，均為1號(hào)小區(qū)的2倍多。除去首次試驗(yàn)產(chǎn)流開始時(shí)的含沙量最大值及之后4次試驗(yàn)的極大值，整個(gè)沖刷試驗(yàn)過(guò)程中，2個(gè)小區(qū)徑流平均含沙量分別為7.51 g L-1和18.76 g L-1，相差約1.5倍。通過(guò)計(jì)算小區(qū)出口和集水區(qū)末端徑流含沙量差值，表示徑流經(jīng)過(guò)溝壁跌坎后的泥沙變化量（圖9b）?？梢钥闯觯?0 min沖刷試驗(yàn)中，2號(hào)小區(qū)徑流泥沙增大量明顯高于1號(hào)小區(qū)，最高增大了108.8 g L-1，平均增大25.49 g L-1，而1號(hào)小區(qū)最高僅增大了25.28 g L-1，平均增大6.25 g L-1，這說(shuō)明徑流經(jīng)過(guò)更高的跌水落差后，徑流沖刷力增大，導(dǎo)致下游更多泥沙被徑流帶走。

3 討 論

圖9 徑流總含沙量（a）和跌坎上沿以下徑流含沙量變化量（b）Fig. 9 Total runoff sediment concentration（a）and change of sediment concentration along the headcut（b）

陡立跌坎是干熱河谷沖溝溝頭的重要形態(tài)特征，其高度大小常被用作溝頭活躍程度的野外定性判定標(biāo)準(zhǔn)之一［17］。當(dāng)坡面匯流到達(dá)跌坎時(shí)，會(huì)由于地形的突然轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚淞?，伴隨著勢(shì)能向動(dòng)能的快速轉(zhuǎn)化，對(duì)溝壁底部土體產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，促進(jìn)溝頭溯源侵蝕發(fā)生發(fā)展。野外多年地形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也表明，跌坎高度大的溝頭，年均溯源侵蝕速率越大，形態(tài)變化越明顯。本文研究了2種跌水高度下的溝頭侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程特征，發(fā)現(xiàn)更高跌水高度下的徑流沖刷力、跌水下切深度和徑流含沙量均表現(xiàn)為更大，說(shuō)明跌坎高度對(duì)溝頭溯源侵蝕特征會(huì)有影響，這一初步認(rèn)識(shí)對(duì)干熱河谷溝頭溯源侵蝕過(guò)程研究具有重要的補(bǔ)充意義。同時(shí)本文試驗(yàn)結(jié)果與Bennett和Casalí［8］研究基本一致，他們認(rèn)為溯源侵蝕速率、最大下切深度和產(chǎn)沙量均隨跌水高度增加而逐漸增大，這一結(jié)論是基于室內(nèi)水槽模擬沖刷試驗(yàn)，研究了5～50 mm內(nèi)10種跌水高度下溝頭溯源侵蝕過(guò)程得出的。與之相比，本研究不足之處在于跌水高度設(shè)置過(guò)少，但優(yōu)勢(shì)在于采用的是野外原位控制實(shí)驗(yàn)，更接近和反映自然真實(shí)情況，且跌水高度尺度更大，為其最大跌水高度的5倍和10倍。

盡管本研究初步查明了跌水高度會(huì)影響干熱河谷溝頭溯源侵蝕過(guò)程特征，但試驗(yàn)設(shè)計(jì)上還存在一些不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。首先，本研究選擇基于原位溝頭構(gòu)建試驗(yàn)小區(qū)，由于溝頭寬度和集水區(qū)面積限制，僅允許設(shè)置2個(gè)小區(qū)，如果增加小區(qū)設(shè)計(jì)就需要另外選擇溝頭。最終為保證試驗(yàn)一致性，在溝頭原始跌坎基礎(chǔ)上暫時(shí)只設(shè)計(jì)了25 cm 和50 cm 兩種跌水高度。但兩種跌坎高度處理不足以得出非常確定的趨勢(shì)性結(jié)論，特別是更大跌水高度下，徑流沖刷力和侵蝕產(chǎn)沙特征呈現(xiàn)何種變化規(guī)律？是否存在影響的臨界跌坎高度？這些均需要在以后設(shè)置其他跌坎高度進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。其次，本試驗(yàn)是基于原位溝頭開展的野外控制試驗(yàn)，其試驗(yàn)難度遠(yuǎn)大于室內(nèi)水槽試驗(yàn)，未能有效地進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，以后試驗(yàn)需考慮設(shè)計(jì)多組試驗(yàn)?zāi)M重復(fù)。最后，本試驗(yàn)實(shí)際為溝頭溯源侵蝕過(guò)程的連續(xù)觀測(cè)試驗(yàn)，但為了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的地形變化，按照經(jīng)驗(yàn)將試驗(yàn)分5次進(jìn)行，其中會(huì)涉及干濕交替問(wèn)題，對(duì)溝頭溯源侵蝕過(guò)程可能產(chǎn)生影響，本文對(duì)此暫未考慮。

基于以上分析，研究者將于后續(xù)研究中不斷完善本試驗(yàn)中的不足，特別是增加其他跌坎高度設(shè)置，以期獲得更好、更完善的理論數(shù)據(jù)，旨在查明跌坎高度對(duì)溝頭溯源侵蝕過(guò)程的影響機(jī)理，為干熱河谷溝頭溯源侵蝕研究做出更有意義的補(bǔ)充。

4 結(jié) 論

本文采用野外放水沖刷試驗(yàn)方法，初步研究了溝頭溝壁不同跌水高度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響。對(duì)比25 cm和50 cm跌坎高度，發(fā)現(xiàn)徑流跌水沖刷能力差異顯著，2種跌水高度下徑流平均勢(shì)能轉(zhuǎn)化量分別為4.89和9.78 J s-1，跌水平均剪切力分別為25.9 和53.5 Pa，均呈現(xiàn)倍數(shù)增大。徑流跌水沖刷力差異，導(dǎo)致溝壁底部跌穴發(fā)育形態(tài)特征及下游侵蝕量貢獻(xiàn)顯著不同。沖刷試驗(yàn)中，2個(gè)小區(qū)跌水下切深度變化過(guò)程差異極大，試驗(yàn)結(jié)束后最大下切深度分別為7.38和7.50 cm，平均為3.87和5.16 cm；2個(gè)小區(qū)溝壁跌坎及溝床對(duì)總侵蝕量的平均貢獻(xiàn)為41%和54%。此外，2個(gè)小區(qū)徑流含沙量在試驗(yàn)中同樣差異顯著，除去試驗(yàn)中含沙量最大值和極大值，平均含沙量分別為7.51和18.76 g L-1；特別地，在試驗(yàn)前80 min，徑流經(jīng)過(guò)溝壁跌坎后，2個(gè)小區(qū)徑流含沙量分別平均增大6.25 和 25.49 g L-1。以上研究結(jié)果說(shuō)明，跌坎高度影響溝頭溯源侵蝕過(guò)程中的徑流沖刷力及其侵蝕產(chǎn)沙特征，但其中內(nèi)在影響機(jī)理及更大跌坎高度下的溝頭溯源侵蝕特征還需進(jìn)一步深入研究。

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Preliminary Study on Effects of Headcut Height on Soil Erosion and Sediment Yield at Gully Heads in Yuanmou Dry-hot Valley Region

ZHANG Baojun1，2，3XIONG Donghong1，2?YANG Dan1，2，3ZHANG Su1，2，3XIAO Liang1，2，3
SU Zheng’an1，2DONG Yifan1，2
（1 Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Processes，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China）
（2Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China）
（3University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

【Objective】Gully erosion is very severe in the Yuanmou Dry-hot Valley Region，dominated with headward erosion，which is characterized by steep gully headcuts. During the field investigations，headcut height is often regarded as one of the main indices of distinguishing the type of gully head activity. The abrupt drop of concentrated flow at headcut would cause a sudden change of the runoff in hydrodynamics，thus accelerating the headward erosion processes. It is，therefore，of great significance to carry out the preliminary study on effects of headcut height on characteristics of soil erosion and sediment yield in the gully headward processes，to the gully erosion research in this region as scientific supplement.【Method】To simulate different step heights，based on an in-situ active bank gully head，two experimental plots were constructed with the headcut height of 25 cm and 50 cm，separately. And in November 2015 a series of insitu scouring experiments were carried out with the flow set at 120 L min-1. The entire scouring test lasted 140 min，consisting of 5 test runs. During the scouring tests，cross-sections were set in the drainage area and along the gully bed at1 m intervals，for observation of changes of runoff in width，depth and velocity at regular intervals. Meanwhile，sediment samples were also collected at regular time intervals at the outlet of the drainage area and the plots，separately，for analysis of sediment content with the oven drying method. Besides，before and after the experiment，topographic data of the two plots were collected with the high-resolution close range digital photogrammetry measurements，for analysis of changes in landform，morphological parameters and net soil loss.【Result】Results showed that：（1）The scouring power of jet flow differed significantly between the two plots. When surface runoff turned into impinging jets，the mean potential energy transformation in the two plots was about 4.89 and 9.78 J s-1，separately with shearstress reaching 25.9 and 53.5 Pa，on average respectively，both in multiple relations. And the velocity at the instance when the flow touched the bottom of the headcut reached as high as 2.28 and 3.18 m s-1，separately，which was 4.1 and 5.6 times larger than that at the brink point respectively.（2）The two plots also differed significantly in morphological characteristics of plunge pools and soil erosion volume at lower end. At the end of the experiment，the incision depth of jet flow reached 7.38 and 7.50 cm in maximum，and was 3.87 and 5.16 cm on average，separately，in the two plots. Especially，the growth of incision depth with the experiment going on varied sharply between the two plots. Furthermore，during the scouring tests，the soil erosion cumulative contribution rate at the gully headwall and in the bed at the lower end reached as high as 45.1% and 64.9%，and was 41% and 54% on average.（3）The two plots also differed sharply in runoff sediment concentration（p＜0.1）. Excluding the maximum concentration at the beginning of each test，the mean sediment concentration was 7.51 and 18.76 g L-1，separately，about 1.5 times in difference. Especially，during the first previous 80 min of the scouring tests，when runoff flew over the headcut，the runoff sediment concentration increased by 25.28 and 108.78 g L-1in maximum and by 6.25 and 25.49 g L-1on average，separately，in the two plots. 【Conclusion】This study has tentatively concluded that the effect of gully headcut height affecting runoff scouring force and characteristics of soil erosion and sediment yield is probably the key factor influencing the headward erosion process. However，it is still not very clear about how the effect would vary in the case of higher headcuts. More experiments with a variety of headcut heights should be conducted，in an attempt to supplement more complete meaningful theories to the study on dynamics and mechanisms of gully headward erosion in dry-hot valley regions.

Runoff erosivity；Characteristics of soil erosion and sediment yield；Headcut height；Gully head；Yuanmou Dry-hot Valley Region

S157.1

A

10.11766/trxb201604240209

（責(zé)任編輯：檀滿枝）

* 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2015CB452704）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571277）和中國(guó)科學(xué)院“西部之光”重點(diǎn)項(xiàng)目（Y4R2060060）共同資助 Supported by the National Basic Research Program of China（973 Program）（No. 2015CB452704），the National Natural Science Foundation of China（No. 41571277）and the Key Programme of the “Western Light” Talents Cultivation programme of the Chinese Academy of Sciences（No. Y4R2060060）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：dhxiong@imde.ac.cn

張寶軍（1990—），男，山東臨沂人，博士研究生，主要從事沖溝侵蝕機(jī)理研究。E-mail：zhangbaojunaixiao@163. com

2016-04-24；

2016-07-18；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-08-29