紅壤坡面侵蝕發(fā)生的臨界條件

黃旭華，陳 錚

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

中國(guó)紅壤主要分布在長(zhǎng)江以南的低山丘陵區(qū)，土地面積約217.96×104km2，受亞熱帶、熱帶氣候影響，冬季溫暖干旱，夏季炎熱潮濕，土壤侵蝕以水蝕為主，侵蝕面積達(dá)61.58×104km2，成為中國(guó)最嚴(yán)重的水土流失區(qū)之一，嚴(yán)重威脅著糧食和生態(tài)安全[1-4]。

國(guó)內(nèi)外100多年來(lái)的研究表明，在影響土壤侵蝕的降雨徑流因子、地形地貌因子、植被因子、土壤因子、水土保持措施因子等諸多因素中，土壤作為被侵蝕的對(duì)象，土壤因子被認(rèn)為是影響土壤侵蝕五大因子中最重要的因子。對(duì)其進(jìn)行深入研究并做出正確評(píng)價(jià)一直是國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕學(xué)者致力研究的重要問(wèn)題之一[5-7]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤因子的研究，主要是與土壤侵蝕預(yù)報(bào)相適應(yīng)的土壤抗侵蝕性能（或稱可蝕性）的研究。土壤可蝕性的研究基本上是利用黑箱化的方法，探討其與主要土壤理化指標(biāo)（質(zhì)地指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、滲透性指標(biāo)）之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，構(gòu)建相關(guān)模型、建立數(shù)據(jù)庫(kù)并編制有關(guān)基礎(chǔ)圖件。這方面以美國(guó)為代表進(jìn)行了大量的研究，形成了比較完整的算法，對(duì)于世界范圍的土壤侵蝕機(jī)理研究、土壤侵蝕預(yù)報(bào)等產(chǎn)生了廣泛和深刻的影響。在國(guó)內(nèi)，圍繞USLE、RUSLE的學(xué)習(xí)與引進(jìn)，對(duì)土壤可蝕性也進(jìn)行了比較多的實(shí)驗(yàn)研究。尤其是近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者圍繞建立中國(guó)水土流失預(yù)報(bào)模型，也開(kāi)展了富有成效的土壤可蝕性實(shí)驗(yàn)研究。但上述研究大多是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究某些土壤理化性質(zhì)與土壤可蝕性的關(guān)系，構(gòu)建可蝕性與土壤理化性質(zhì)的估算模型，不僅計(jì)算模型參數(shù)多，部分參數(shù)取值困難，受人為因素影響較大（如滲透等級(jí)、結(jié)構(gòu)系數(shù)等），而且存在著土壤顆粒粒徑在美國(guó)制與國(guó)際制間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，很難將其直接套用于國(guó)內(nèi)大區(qū)域尺度上的土壤可蝕性評(píng)價(jià)。因此，對(duì)于進(jìn)一步加強(qiáng)土壤可蝕性表征方法的研究顯得必然重要。本文通過(guò)放水沖刷試驗(yàn)，運(yùn)用能量守恒原理對(duì)坡面土壤侵蝕發(fā)生的臨界條件進(jìn)行了研究，研究成果對(duì)深化認(rèn)識(shí)坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)理及建立坡面侵蝕預(yù)報(bào)模型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)采用可移動(dòng)式降雨侵蝕槽，其坡度可在 0°～30°之間調(diào)節(jié)，長(zhǎng) 3.00m，寬 1.00m，高0.50m。侵蝕槽底部每隔2.00cm鉆有5.00mm小孔，當(dāng)土壤達(dá)到飽和時(shí)用來(lái)排出下滲的雨水。侵蝕槽的下端面同樣鉆有5.00mm小孔，并在上部及下部裝置了三角型集流槽，用來(lái)收集地面徑流和壤中流。試驗(yàn)土槽上方為恒壓水箱，以保證放水試驗(yàn)時(shí)出流量的穩(wěn)定，通過(guò)水泵將水流供給供水箱，控制供水箱閥門，穩(wěn)定供水箱水位以達(dá)到控制恒定流量，再經(jīng)穩(wěn)流槽過(guò)渡、消能，使水流均勻流入試驗(yàn)土槽，試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì) 5°、10°、15°、20°四個(gè)坡度，放水流量通過(guò)閥門進(jìn)行控制，試驗(yàn)流量選定主要根據(jù)模擬降雨的雨強(qiáng)來(lái)定，按相應(yīng)雨強(qiáng)在坡面單寬內(nèi)的產(chǎn)流量大小依次選取5個(gè)不同放水流量強(qiáng)度，分別為1.35L/min、3.00L/min、5.50L/min、6.50L/min、8.00L/min。每次試驗(yàn)結(jié)束后均放置1天，再進(jìn)行下一場(chǎng)試驗(yàn)，確保試驗(yàn)條件一致及試驗(yàn)精度。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的紅壤來(lái)自湖北武漢沌口坡耕地表層土，其粒徑組成如表1所示。

土壤樣品先自然風(fēng)干，經(jīng)15mm篩篩選后，裝入降雨侵蝕槽中。為了確保試驗(yàn)土土層容重均勻，采用分層填裝的方法，邊填邊壓實(shí)，確保整個(gè)坡面的填土厚度及緊實(shí)狀況。

每次試驗(yàn)的土壤含水量不宜相差過(guò)大，故試驗(yàn)開(kāi)始前，需測(cè)定土壤含水量，根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果采用先降一場(chǎng)小雨或者隔一段時(shí)間的方式，確保試驗(yàn)土壤前期含水量基本一致。

試驗(yàn)開(kāi)始后，觀察坡面產(chǎn)流情況，并記錄產(chǎn)流時(shí)間。同時(shí)開(kāi)始測(cè)量坡面上徑流流速（采用顏料示蹤法分段測(cè)量，按照坡上、中、下3個(gè)不同部位）及采集坡面出口的徑流泥沙樣，取樣時(shí)間間隔 1、1、1、2、2、3、5、5、5……5min。每次試驗(yàn)后，各個(gè)徑流泥沙樣的含沙量，計(jì)算坡面出口的含沙量及產(chǎn)沙強(qiáng)度。

2 坡面徑流侵蝕能量分析

土壤侵蝕可以看作是一種做功的過(guò)程，而做功必然要損失能量，損失的能量被用于侵蝕過(guò)程，使土壤團(tuán)粒分散，引起地表徑流紊動(dòng)、沖刷以及輸移土壤顆粒等[8]。對(duì)于放水沖刷試驗(yàn)，坡面水流由坡頂向坡下流動(dòng)的過(guò)程中，能量將會(huì)損失掉一部分，可利用能量守恒來(lái)分析水流自坡頂?shù)狡旅嫔先我粩嗝骈g的能量損耗，坡面放水試驗(yàn)見(jiàn)圖2所示。

圖2 坡面放水試驗(yàn)

坡頂斷面處的徑流具有的勢(shì)能為E勢(shì)=ρgqLsinθ，動(dòng)能為則坡頂斷面的總能量為：

式中：L為試驗(yàn)土槽坡長(zhǎng)；θ為坡度；ρ為水的密度；g為重力加速度；q為放水流量強(qiáng)度；V0為坡頂水流流速。

由于能量損耗，坡面上任意斷面處的能量應(yīng)根據(jù)該斷面的水流流速與徑流量來(lái)計(jì)算，即：

表1 試驗(yàn)土壤粒徑組成

式中：q′為坡面X斷面處的徑流流量；Vx為該斷面處的水流流速。其余參數(shù)意義同上。

因此，水流自坡頂?shù)狡旅嫔先我粩嗝骈g的能量損耗為：

對(duì)式（3）進(jìn)行時(shí)間和長(zhǎng)度的積分，并將式（1）和式（2）代入可得到在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中所消耗的能量，即：

式中：T為試驗(yàn)放水總歷時(shí)。其余參數(shù)意義同上。

可根據(jù)水量平衡原理計(jì)算式中任意斷面處的徑流流量q′。由于放水裝置出口端貼近坡面頂端，且水流先經(jīng)過(guò)穩(wěn)流槽消減水流紊動(dòng)，故放水水流在坡頂?shù)乃俣葮O小，可忽略不計(jì)。

3 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的結(jié)果，點(diǎn)繪坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗關(guān)系

圖3可反映紅壤坡面在不同坡度、不同放水流量強(qiáng)度條件下坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的關(guān)系。在4種不同坡度條件下，徑流能耗越大，坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度也越大；在徑流能耗相同的情況下，坡度越大，產(chǎn)沙強(qiáng)度越大。其原因可能為：一是在其他條件基本一致的情況下，徑流能耗越大，坡面徑流對(duì)土壤顆粒的沖刷作用越大；二是坡度影響著坡面土壤顆粒的穩(wěn)定性，坡度越大，土壤顆粒的穩(wěn)定性越差，坡面剪切應(yīng)力越大，進(jìn)而增加其分離能力。

4種坡度條件下坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的關(guān)系走勢(shì)基本一致，現(xiàn)將實(shí)測(cè)資料中坡度因素去除，進(jìn)一步分析坡面侵蝕過(guò)程中徑流侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的關(guān)系，可擬合出如下一般形式：

式中：Dr為產(chǎn)沙強(qiáng)度；α為土壤可蝕性相關(guān)系數(shù)；△E為徑流在坡面上的能耗；C0為與坡面侵蝕發(fā)生的臨界能耗相關(guān)參數(shù)。

紅壤放水沖刷試驗(yàn)去除坡度因素產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的擬合關(guān)系表達(dá)式見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗擬合結(jié)果

根據(jù)表2，紅壤產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗擬合結(jié)果其相關(guān)系數(shù)R大于0.8，故坡面侵蝕過(guò)程中侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗在排除坡度影響因素條件下仍存在較好的線性關(guān)系，而且還具有明確的物理意義，即坡面侵蝕的發(fā)生存在有一定的臨界徑流能耗，并且從圖4中各坡度下的徑流能耗和產(chǎn)沙強(qiáng)度的關(guān)系走勢(shì)中可見(jiàn)，在不同的坡度條件下，坡面土壤侵蝕發(fā)生的臨界能量值是不同的。利用表2的計(jì)算結(jié)果，在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，可得到紅壤坡面侵蝕發(fā)生臨界平均徑流能耗為5.34J/min。

圖4 去除坡度影響條件下產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）利用能量守恒原理推導(dǎo)出了水流自坡面頂端到坡面任一斷面間的徑流能量損耗的理論公式，并計(jì)算了坡面徑流過(guò)程、下滲率及坡面平均流速，進(jìn)而將徑流能耗理論公式簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而得出坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的關(guān)系：在放水沖刷試驗(yàn)條件下，徑流能耗越大，坡面徑流產(chǎn)沙強(qiáng)度越大；在徑流能耗一定的條件下，坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度隨坡度的增大而增大。

（2）分析紅壤坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度與徑流能耗的關(guān)系，并擬合出了一般形式。在放水沖刷試驗(yàn)條件下分析得出了紅壤、紫色土、黑土及黃土坡面侵蝕發(fā)生的臨界平均徑流能耗，分別為：5.34J/min、11.50J/min、5.28J/min、5.23J/min。

（3）在放水沖刷試驗(yàn)條件下分析得出了紅壤坡面侵蝕發(fā)生的臨界平均徑流能耗為5.34J/min。