降雨和上方來水條件下工程堆積體坡面土壤侵蝕特征

牛耀彬，吳 旭，高照良，李永紅

降雨和上方來水條件下工程堆積體坡面土壤侵蝕特征

牛耀彬1,2，吳 旭1,3，高照良2,3※，李永紅2,3

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太谷 030801；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

定量分析降雨和上方來水共同作用下堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，對于完善多驅(qū)動力條件下堆積體坡面土壤侵蝕特征具有重要意義。該研究運用人工模擬降雨和沖刷試驗，在野外徑流小區(qū)（7 m×1 m×0.5 m，坡度36°）上分別開展5個降雨強度（40、50、70、100、120 mm/h）、4個上方來水強度（10、15、20、25 L/min）單獨作用及共同作用下坡面土壤侵蝕過程試驗，比較2種驅(qū)動力單獨作用及共同下堆積體坡面土壤侵蝕與形態(tài)特征。結(jié)果表明：1）降雨條件下，堆積體坡面侵蝕過程呈現(xiàn)階段性差異發(fā)育，中小雨強（40、50和70 mm/h）條件下，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨歷時延續(xù)呈現(xiàn)2個不同階段（波動、平穩(wěn)），侵蝕形態(tài)為不連續(xù)跌坎，大雨強（100和120 mm/h）條件下，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)3個不同階段（波動、平穩(wěn)、劇烈），坡面侵蝕形態(tài)為細(xì)溝。2）上方來水條件下，堆積體坡面侵蝕過程呈現(xiàn)相對平穩(wěn)發(fā)育，坡面侵蝕形態(tài)均為細(xì)溝。3）上方來水與降雨共同作用下，堆積體坡面侵蝕過程呈現(xiàn)劇烈波動發(fā)育，產(chǎn)沙率隨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)“多峰多谷”變化態(tài)勢，隨著時間延續(xù)，產(chǎn)沙率波動振幅逐漸增大，堆積體坡面侵蝕形態(tài)均為侵蝕溝，且發(fā)育劇烈。4）上方來水和降雨共同作用下，坡面徑流量和泥沙量均增大，且泥沙量的增大幅度大于徑流量，相比單獨降雨，徑流量和泥沙量分別增大86%～629%和86%～4914%，相比單獨上方來水，徑流量和泥沙量分別增大12%～175%和15%～505%。上方來水和降雨共同作用下，匯流與降雨之間存在交互作用，兩者對徑流和泥沙的影響均顯著。研究結(jié)果對于完善堆積坡面土壤侵蝕特征及揭示復(fù)雜水動力條件下的侵蝕機理具有重要意義。

土壤；侵蝕；降雨；匯流強度；坡面；水流；工程堆積體

0 引 言

工程堆積體作為生產(chǎn)建設(shè)活動過程中形成的人為堆積地貌，具有多級“平臺－陡坡”且連續(xù)的獨特構(gòu)造，這種構(gòu)造導(dǎo)致堆積體土壤侵蝕具有“水沙異源”的特性，堆積體平臺成為徑流匯集的主要區(qū)域，而坡面成為侵蝕泥沙的主要來源[1]。其次，工程堆積體物質(zhì)組成極其復(fù)雜，原有土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，土壤層次混亂，土壤母質(zhì)與礫石、工業(yè)廢渣、建筑廢棄物、生活垃圾等混合，這種混合導(dǎo)致工程堆積體表面縫隙較多。由于堆積體表面縫隙的存在，降雨和上方來水沿堆積體表面的裂縫入滲，在堆積體-原地貌接觸面上匯流貫通，形成滯水，降低了土體的力學(xué)性質(zhì)，同時雨水不斷充填裂縫和軟弱結(jié)構(gòu)面，使張裂縫擴大，加劇堆積體的變形[2]，對于堆積體的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大隱患。此外，由于多數(shù)堆積體平臺并未設(shè)置分散和攔擋措施，不能有效調(diào)控平臺的匯流過程，其匯集的上方來水造成陡坡強烈侵蝕。對于初始含水量很低的土壤，上方來水導(dǎo)致降雨的入滲率反而降低[3]，進(jìn)一步加劇了徑流的匯集。上方來水作為坡面徑流侵蝕動力和水流能量的傳遞紐帶參與土壤侵蝕的各個環(huán)節(jié)，加速了坡面侵蝕的發(fā)展。因此，上方來水是影響堆積體坡面侵蝕產(chǎn)沙及穩(wěn)定性的重要原因[4-5]。更加嚴(yán)重的是，在極端降雨條件下，上方來水（平臺匯流）和降雨的共同作用異常突顯，在堆積體陡坡引發(fā)嚴(yán)重的土壤侵蝕，甚至是崩塌、滑坡、泥石流等嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害，威脅下游生產(chǎn)生活安全。因此，工程堆積體已成為生產(chǎn)建設(shè)項目新增水土流失的主要來源之一[6-7]，也成為人為加速侵蝕過程研究的熱點[8]。

眾多學(xué)者圍繞堆積體坡面土壤侵蝕開展了大量研究，取得了豐碩的研究成果，主要涉及堆積體基本特性概化[9]、堆積體侵蝕過程描述[10-11]、堆積體影響因素評價[12-14]、堆積體坡面細(xì)溝侵蝕量化[15]、堆積體侵蝕水動力學(xué)參數(shù)選擇[16-18]、堆積體坡面侵蝕措施調(diào)控[19-21]。然而，現(xiàn)有研究缺乏關(guān)于降雨和上方來水2種侵蝕驅(qū)動力共同作用下堆積體坡面土壤侵蝕過程的研究，2種驅(qū)動力對堆積坡面土壤侵蝕過程的作用機制尚不清楚。因此，開展2種侵蝕驅(qū)動力條件下堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，量化2種驅(qū)動力的作用效果，對于揭示堆積體坡面侵蝕特性和完善堆積坡面土壤侵蝕水動力學(xué)機理具有重要意義。

鑒于此，本研究開展單獨降雨驅(qū)動、單獨匯流驅(qū)動、降雨+匯流2種驅(qū)動力共同作用下堆積體坡面土壤侵蝕過程，以期明確降雨和上方來水條件下堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性，量化上方來水和降雨共同作用對坡面侵蝕徑流和泥沙量的貢獻(xiàn)，為堆積體土壤侵蝕預(yù)報模型的建立提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所楊凌水土保持野外科學(xué)試驗站（34°19′24″N，107°59′36″ E）進(jìn)行，試驗站位于楊凌區(qū)五泉鎮(zhèn)嶺后小韋河右岸黃土塬面上，地貌類型屬于典型河谷地貌，為渭河第三級階地。海拔516～540 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱區(qū)，多年平均降雨量635.1 mm，全年主要降雨集中在7~9月，最大積雪厚度23 cm，最大凍土厚度24 cm，主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)和西風(fēng)，最大風(fēng)速21.7 m/s。土壤類型為塿土。試驗堆積體土壤源自于試驗站擴建工程開挖產(chǎn)生的棄土，堆積體在試驗站堆積時間為2 a，因為工程開挖深度到鈣質(zhì)結(jié)核層以下，因此，堆積體土壤結(jié)構(gòu)混亂，少量混有原始表層農(nóng)田土壤，大多數(shù)為深層土壤母質(zhì)層，含有料姜石，土石比含量小于9:1，土壤容重變化范圍1.12～1.50 g /cm3，陽離子交換量6.24 cmol/kg，土壤有機質(zhì)含量為1.16%，試驗開始前清除表層雜草，無枯落物。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計5個降雨強度（40、50、70、100、120 mm/h）和4個匯流強度（10、15、20、25 L/min），分別進(jìn)行單獨降雨、單獨上方來水和降雨加上方來水組合試驗，每場試驗重復(fù)2次。降雨強度設(shè)計依據(jù)黃土高原侵蝕性降雨的瞬時降雨強度標(biāo)準(zhǔn)（15 min最大降雨強度15≥0.852 mm/min和5 min最大降雨強度5≥1.520 mm/min）并結(jié)合楊凌嶺后試驗站多年監(jiān)測結(jié)果30 min最大雨強（102.4 mm/h）而設(shè)定[22]。匯流強度設(shè)計依據(jù)堆積體平臺大小（0.4～3 hm2）和下墊面穩(wěn)定入滲速率（0.4～1.7 mm/min）并結(jié)合極端降雨強度（2.0 mm/min）而得到[23]。降雨和上方來水組合試驗全正交設(shè)計，每場試驗時間60 min。

1.3 試驗方法

試驗采用人工模擬降雨和上方來水沖刷試驗，降雨試驗用SR-型野外人工模擬降雨裝置。SR-型降雨機使用振蕩式原理人工模擬產(chǎn)生降雨，由于采用帶壓力垂直下噴式模擬降雨，雨滴能量較大，既有較強的抗風(fēng)能力，又可接近自然降雨能量。噴嘴間距1.37 m，離地面高度2.5 m，雨強由壓力和噴嘴尺寸決定，最小雨強9.65 mm/h，最大雨強120.24 mm/h，降雨覆蓋面積為2 m×7 m，雨滴直徑0.1～3 mm，少數(shù)大于4 mm，雨滴中數(shù)直徑為天然降雨的80%，基本上能獲得相應(yīng)的終點速度，滿足試驗降雨要求[24]。上方來水沖刷試驗采用自制的放水沖刷裝置進(jìn)行，放水裝置包括蓄水桶、恒壓桶、穩(wěn)流槽和開關(guān)閥門、水表和管道等。裝置可調(diào)節(jié)的放水流量范圍為0.6～30 L/min（圖1）。試驗在一個原位固定小區(qū)上開展，試驗小區(qū)用鋼板圍成（鋼板厚10 mm，鋼板埋深0.5 m，露出地面0.15 m），小區(qū)規(guī)格長×寬×深為7 m×1 m×0.5 m，依據(jù)前提野外調(diào)查結(jié)果[1]，試驗坡度選擇36°，試驗小區(qū)所填土為試驗站建設(shè)開挖產(chǎn)生的人為堆積土，土壤類型為塿土，土壤顆粒組見表1。每場試驗結(jié)束后重新填裝土，采用分層法填裝，用木抹子拍實，每層測量土壤容重，確保容重與調(diào)查結(jié)果保持一直，填裝后進(jìn)行30 mm/h降雨1 h，然后用塑料紙苫蓋12 h，保證試驗前土壤含水量基本一致。

表1 土壤機械組成

1.儲水桶 2.水閥 3.恒壓桶 4.水閥 5.流量計 6.穩(wěn)流槽 7.試驗小區(qū) 8.集流槽 9.集流桶

1.4 試驗過程

試驗開始前測定土壤容重和含水量，試驗條件下所有場次土壤容重變化范圍介于1.28～1.34 g/cm3，平均值1.31 g/cm3；土壤含水率變化范圍介于18%～25%，平均值23%。試驗前準(zhǔn)備工作還包括率定降雨機降雨強度，保證均勻度大于90%，誤差小于5%，此外，率定放水試驗裝置出水流量，保證誤差小于5%。無論是單獨降雨、單獨上方來水還是降雨加上方來水組合試驗，出流后計時開始，產(chǎn)流后前3 min每隔1 min收集1次徑流泥沙樣，并記錄徑流量，之后每隔3 min采集1次，泥沙樣品用500 mL集流瓶接取。并用秒表記錄取樣時間；同時用溫度計測量徑流溫度，所有試驗條件下水流平均溫度23.4 ℃。在整個試驗過程中，與采集泥樣時間同步用染色劑法測定坡長0、3和6 m處的坡面徑流最大流速（測距1.5 m），將水流表面最大速度乘以相應(yīng)的校正系數(shù)（層流和過渡流為0.67），獲得水流平均流速[25]，同時用鋼尺測量徑流寬，用精度為0.01 mm的水位針測定水層厚度。試驗結(jié)束后，稱取徑流泥沙的總質(zhì)量，并將其靜置 6～8 h，倒掉其上清液后轉(zhuǎn)移到已知質(zhì)量的鋁盒中，后將其放入設(shè)置恒溫為105 ℃的烘箱烘干，稱取其質(zhì)量，計算每個徑流泥沙樣的含沙量及其對應(yīng)采樣間隔的侵蝕量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

為了量化上方來水與降雨共同作用對流量和泥沙量的貢獻(xiàn)程度，引入?yún)?shù)徑流增率和泥沙增率，計算公式如下：

式中I表示徑流增率，R表示上方來水加降雨組合條件下徑流量，L，R表示單獨條件下徑流量，L；I表示泥沙增率，S表示上方來水加降雨組合條件下泥沙量，kg，S表示單獨條件下泥沙量，kg。運用Excel 2003、SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用雙因素方差分析檢驗匯流強度和降雨強度與徑流和泥沙之間的交互作用，用逐步回歸分析建立匯流強度和降雨強度與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量之間的函數(shù)關(guān)系。

2 結(jié)果及分析

2.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕形態(tài)特征

2.1.1 降雨條件下堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕形態(tài)特征

研究坡面產(chǎn)流速率的動態(tài)變化過程，歸納和概括其一般變化規(guī)律是土壤侵蝕過程研究的基礎(chǔ)，降雨條件下堆積體坡面產(chǎn)流率隨時間變化見圖2a。由圖可知，降雨條件下堆積體坡面產(chǎn)流率變化過程具有以下特征：在小、中雨強（40、50和70 mm/h）條件下，產(chǎn)流率隨著降雨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)2個不同發(fā)展階段，即0～3 min波動增大，3～60 min平穩(wěn)變化。但在大雨強（100和120 mm/h）條件下，產(chǎn)流率隨著降雨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)3個不同發(fā)展階段，即產(chǎn)流率0～3 min波動增大，3～33 min平穩(wěn)變化，33～60 min開始劇烈變化。這主要是因為不同降雨強度條件下坡面侵蝕形態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致產(chǎn)流速率呈現(xiàn)不同階段的變化。在小、中雨強（40、50和70 mm/h）條件下，0～3 min坡面侵蝕方式主要是面蝕和雨滴擊濺侵蝕，而在3 min以后坡面侵蝕逐漸轉(zhuǎn)化為溝蝕為主，其后細(xì)溝在坡面發(fā)育相對穩(wěn)定，從而使產(chǎn)流速率變化過程相對平穩(wěn)。然而，在大雨強（100和120 mm/h）條件下，從33 min以后坡面溝蝕開始迅速發(fā)育，伴隨著細(xì)溝溝壁坍塌，局部徑流出現(xiàn)壅水，從而引發(fā)細(xì)溝溝壁滑塌，從而使產(chǎn)流速率呈現(xiàn)劇烈波動變化。

徑流在流動過程中既能不斷分離土壤顆粒，同時又能搬運泥沙顆粒。當(dāng)坡面徑流含沙量較小時，水流具有較大分離土壤顆粒的能力，隨著含沙量逐漸增大，最終達(dá)到或者超過水流的挾沙能力，多余的泥沙顆粒沿程開始沉積，因此，徑流搬運的泥沙顆粒出現(xiàn)波動性，最終體現(xiàn)為產(chǎn)沙率的劇烈變化過程。降雨條件下產(chǎn)沙率隨時間的變化過程見圖2b，由圖2b可知，降雨條件下堆積體坡面產(chǎn)沙率變化過程具以下特征：在小、中雨強（40、50和70 mm/h）條件下，產(chǎn)沙率隨著降雨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)兩個不同發(fā)展階段，即0～3 min波動減小階段，3～60 min保持平穩(wěn)階段。而在大雨強（100和120 mm/h）條件下，產(chǎn)沙率隨著降雨歷時的變化呈現(xiàn)為3個不同的發(fā)展階段，即0～3 min波動減少階段，3～30 min保持平穩(wěn)階段，30～60 min劇烈變化階段。這是因為0～3 min產(chǎn)沙率波動減小主要是因為試驗剛剛開始，小區(qū)表層存在大量浮土，浮土很快被徑流裹挾全部搬運，但進(jìn)一步對表層土壤顆粒的剝蝕就相對困難了，因此在產(chǎn)流0～3 min出現(xiàn)產(chǎn)沙率減小現(xiàn)象。產(chǎn)流后3～30 min，坡面侵蝕方式基本維持在是面蝕范疇，徑流剝蝕土壤的過程比較緩慢，產(chǎn)沙率變化相對穩(wěn)定，而在產(chǎn)流30～60 min期間，小、中雨強（40、50和70 mm/h）由于侵蝕動能不足，侵蝕方式未能轉(zhuǎn)變，所以產(chǎn)沙率一直保持平穩(wěn)，然而大雨強（100和120 mm/h）具有較大的侵蝕能量，致使侵蝕方式發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變，由面蝕為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詼衔g為主，甚至引發(fā)局部滑塌，從而導(dǎo)致產(chǎn)沙率成倍陡增，最終導(dǎo)致產(chǎn)沙率劇烈波動變化，不同降雨強度條件下產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化最終體現(xiàn)坡面侵蝕形態(tài)特征（圖3）。從圖3可以看出，在小、中雨強（40、50和70 mm/h）條件下，坡面侵蝕形態(tài)為零星分布的濺蝕坑和不連續(xù)的跌坎，而在大雨強（100和120 mm/h）條件下，坡面侵蝕形態(tài)為強烈發(fā)育的侵蝕細(xì)溝，且局部細(xì)溝溝壁發(fā)生坍塌，侵蝕形態(tài)明顯。

車國平[12]通過大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院的空氣源熱泵系統(tǒng)全年運行參數(shù)分析了寒冷地區(qū)空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用的可行性、環(huán)保性和經(jīng)濟性。結(jié)果表明，寒冷地區(qū)合理選擇空氣源熱泵制熱系統(tǒng)是可行的、環(huán)保的和經(jīng)濟的。

圖2 不同降雨條件下產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨降雨歷時的變化

圖3 不同雨強RI條件下坡面侵蝕形態(tài)特征

總之，降雨條件下，堆積體坡面土壤侵蝕過程呈現(xiàn)階段性差異發(fā)育特征，其中，小、中雨強（40、50和70 mm/h）條件下，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨著降雨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)2個不同發(fā)展階段（波動、平穩(wěn)），坡面侵蝕形態(tài)為零星分布的濺蝕坑和不連續(xù)跌坎，而大雨強（100和120 mm/h）條件下，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)3個不同發(fā)展階段（波動、平穩(wěn)、劇烈變化），坡面侵蝕形態(tài)為強烈發(fā)育的細(xì)溝。

2.1.2 上方來水條件下堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕形態(tài)特征

不同匯流強度條件下產(chǎn)流率隨歷時變化見圖4a。由圖可知，匯流條件下堆積體坡面產(chǎn)流率變化過程具有以下特征：產(chǎn)流率隨時間的延續(xù)呈現(xiàn)相對穩(wěn)定變化過程。其中0～30 min的產(chǎn)流率隨時間的變化呈現(xiàn)小幅波動變化，而30～60 min的產(chǎn)流率隨時間的變化呈現(xiàn)相對平穩(wěn)變化。這是因為在產(chǎn)流前30 min之內(nèi)，堆積體坡面侵蝕形態(tài)尚未穩(wěn)定，細(xì)溝發(fā)育隨時改道合并，加上細(xì)溝溝壁坍塌，徑流量時大時小，產(chǎn)流率微小波動。而在30 min以后，坡面侵蝕形態(tài)基本穩(wěn)定，沒有較大的改變，徑流變化過程相對平穩(wěn)。

圖4 不同上方來水條件產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨匯流歷時的變化

上方來水與降雨條件下坡面產(chǎn)沙過程之間存在侵蝕動能輸入的差異，其中降雨條件下侵蝕動能是點狀輸入，并且在坡面中下部匯集增強；然而，在匯流條件下，侵蝕動能是面狀輸入，在小區(qū)頂端徑流動能最大，隨著剝蝕土壤顆粒不斷消耗能量，侵蝕動能逐漸減小，與此同時，泥沙顆粒的輸移過程存在動能的損耗和轉(zhuǎn)化，最終收集的泥沙是侵蝕動能綜合效應(yīng)的體現(xiàn)，所以分析匯流條件下產(chǎn)沙率的動態(tài)變化過程可以明確坡面侵蝕動能的變化規(guī)律。根據(jù)圖4b不同匯流強度條件下產(chǎn)沙率隨歷時變化可知，在匯流條件下堆積體坡面產(chǎn)沙率變化過程具以下特征：匯流條件下產(chǎn)沙率隨著沖刷歷時的延續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢。在產(chǎn)流初期，侵蝕能量大，坡面容易被剝蝕，細(xì)溝迅速擴展，但隨著侵蝕細(xì)溝的形成，侵蝕微地貌對徑流的能量消耗增大，加上徑流搬運已經(jīng)剝蝕的土壤顆粒需要消耗能量，從而使得侵蝕能量隨著歷時的延續(xù)逐漸減小，總體侵蝕產(chǎn)沙率呈現(xiàn)減小趨勢。不同匯流強度條件下產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化最終體現(xiàn)坡面侵蝕形態(tài)特征（圖5）。從圖5可以看出，在不同匯流強度條件下，坡面侵蝕形態(tài)均為細(xì)溝。

圖5 不同匯流強度I條件下坡面侵蝕形態(tài)特征

總之，上方來水條件下堆積體坡面土壤侵蝕過程呈現(xiàn)相對穩(wěn)定發(fā)育特征，產(chǎn)流率隨時間的延續(xù)呈現(xiàn)相對穩(wěn)定變化過程。其中，0～30 min的產(chǎn)流率隨時間的變化呈現(xiàn)小幅波動過程，30～60 min的產(chǎn)流率隨時間的變化呈現(xiàn)相對平穩(wěn)過程，產(chǎn)沙率隨著沖刷歷時的延續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢。不同匯流強度條件下，坡面侵蝕形態(tài)均為細(xì)溝。

2.1.3 上方來水與降雨組合條件下堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕形態(tài)特征

工程堆積體坡面侵蝕驅(qū)動力存在上方來水和降雨共同作用的情況，其坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化特征有別與單獨降雨和單獨匯流條件下，本小節(jié)選取具有代表性的匯流強度20 L/min，以20 L/min匯流強度與所有降雨強度組合條件下的產(chǎn)流率變化過程為例進(jìn)行分析，以期明確匯流加降雨組合對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程影響。

20 L/min匯流強度與所有降雨強度組合條件下堆積體坡面產(chǎn)流率隨時間變化見圖6a，由圖可知，上方來水與降雨組合條件下坡面產(chǎn)流率變化過程具以下特征：所有降雨強度條件下，產(chǎn)流率隨歷時的延續(xù)均呈現(xiàn)劇烈波動變化。相比單獨降雨，20 L/min匯流強度與降雨組合條件下的產(chǎn)流率的變化過程波動性更加劇烈，其中陡增點和突變點呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，原有的平穩(wěn)階段基本被破壞，這表明，當(dāng)上方來水與降雨組合作用時，坡面水流更加紊亂，水流以間歇性波動性向坡面推進(jìn)，出現(xiàn)陡增點。此外，隨著匯流強度的增大，降雨對坡面侵蝕影響作用變?nèi)?，匯流強度對坡面侵蝕起到主導(dǎo)作用。

20 L/min匯流強度與所有降雨強度組合條件下堆積體坡面產(chǎn)沙率隨時間變化見圖6b，由圖可知，匯流強度20 L/min時，所有降雨強度條件下，產(chǎn)沙率隨著降雨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)劇烈波動變化狀態(tài)，其變化曲線呈現(xiàn)“多峰多谷”態(tài)勢，且隨著產(chǎn)流時間的延續(xù)，變化曲線波動振幅逐漸增大，不同降雨強度條件下產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流歷時曲線變化形態(tài)趨于一致，且隨著降雨強度的增大，波動幅度也增大。這表明，在降雨和匯流共同作用下，隨著坡面侵蝕歷時的延續(xù)，坡面侵蝕波動越來越劇烈，而不同降雨強度條件下曲線變化趨于一致，說明匯流強度對坡面侵蝕的影響已超過降雨。20 L/min匯流強度與所有降雨強度組合條件下產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化最終體現(xiàn)坡面侵蝕形態(tài)特征（圖 7）。從圖7可以看出，在上方來水與降雨組合條件下，堆積體坡面侵蝕形態(tài)均為侵蝕溝，且侵蝕溝發(fā)育劇烈，上方來水與降雨共同作用下的坡面侵蝕形態(tài)更加符合野外調(diào)查的實際情況。

圖6 匯流強度20 L·min-1與不同雨強組合條件下產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨歷時變化

圖7 匯流強度20 L·min-1與不同雨強組合條件下坡面侵蝕形態(tài)特征

總之，上方來水與降雨組合條件下堆積體坡面土壤侵蝕過程呈劇烈波動發(fā)育特征，產(chǎn)流率隨歷時的延續(xù)均呈現(xiàn)劇烈波動變化。產(chǎn)沙率隨時間的延續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)“多峰多谷”變化態(tài)勢，且隨著產(chǎn)流時間的延續(xù)，變化曲線波動振幅逐漸增大。在上方來水與降雨組合條件下，堆積體坡面侵蝕形態(tài)均為侵蝕溝，且侵蝕溝發(fā)育劇烈。

2.2 徑流量和泥沙量大小及其增率

表2列出了不同降雨強度和上方來水條件下堆積體坡面總徑流量和總泥沙量，由表可知，單獨降雨條件下，徑流量和泥沙量變化范圍為280.27～735.17 L和9.36～87.48 kg；單獨上方來水條件下，徑流量和泥沙量變化范圍為496.30～1 560.66 L和72.51～114.51 kg。

上方來水和降雨共同作用條件下，相比單獨降雨，徑流量和泥沙量分別增大86%～629%和86%～4914%，相比單獨上方來水，徑流量和泥沙量分別增大12%～175%和15%～505%。這表明，上方來水和降雨共同作用下，堆積體坡面徑流量和泥沙量均增大，且泥沙量的增大幅度大于徑流量。

2.3 流速和水深大小

為了進(jìn)一步分析上方來水與降雨組合作用對堆積體坡面流速和水深的影響程度，試驗條件下流速與水深的匯總見表3，由表可知，單獨降雨條件下，流速與水深的變化范圍分別為0.14～0.17 m/s和1.00～4.16 mm；單獨匯流條件下，流速與水深的變化范圍分別為0.28～0.41 m/s和12.23～27.88 mm；上方來水與降雨共同作用下，流速與水深的變化范圍分別為0.30～0.41 m/s和5.12～13.53 mm。表明相比單獨降雨，上方來水與降雨共同作用下坡面流流速與水深均增加，相對單獨上方來水，上方來水與降雨共同作用下流速整體增大，而水深卻減小。

表2 降雨和上方來水組合條件下徑流量和泥沙量增率

表3 單獨降雨和單獨上方來水及其組合條件下流速和水深

2.4 徑流量和泥沙量與匯流強度和降雨強度之間關(guān)系

為了進(jìn)一步分析上方來水強度和降雨強度與徑流量和產(chǎn)沙量之間的相互作用，雙因素方差分析結(jié)果見表4。由表可知，匯流強度對徑流量和產(chǎn)沙量的影響均極顯著（<0.01）；降雨強度對徑流量的影響極顯著（<0.01），對泥沙量的影響顯著（<0.05）。匯流強度和降雨強度對徑流量的交互作用顯著（<0.05），匯流強度和降雨強度對產(chǎn)沙量的交互作用極顯著（<0.01）。表明在上方來水與降雨組合條件下，匯流和降雨之間存在交互作用，兩者對徑流和泥沙的影響均顯著。

表4 匯流強度和雨強與徑流和泥沙之間方差分析

對試驗所有場次的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，運用SPSS16.0進(jìn)行逐步回歸分析，擬合得到回歸方程如下：

R=73.040.74R0.242=0.85<0.01 （3）

S=1.181.51R0.292=0.73<0.01 （4）

式中R表示產(chǎn)流量，L，S表示產(chǎn)沙量，kg，表示匯流強度，L/min，R表示雨強，mm/h。

由公式（3）到（4）可以得到，匯流強度和降雨強度與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量之間存在良好的非線性函數(shù)關(guān)系，該公式可以用于計算坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。

總之，在上方來水與降雨組合條件下，匯流和降雨之間存在交互效應(yīng)，兩者對徑流和泥沙的影響均顯著。另外，通過逐步回歸，建立了匯流強度和降雨強度與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量之間的擬合關(guān)系。

3 討 論

上方來水與降雨之間交互作用，首先體現(xiàn)為降雨對坡面水流和阻力的影響，降雨不但通過雨滴擊濺作用于地表土壤而做功，導(dǎo)致土壤顆粒分散，搬運和沉淀，而且通過打擊坡面薄層水流影響坡面徑流運動，雨滴擊濺會增強水流的紊亂性而消耗更多動能。

本研究結(jié)果表明，上方來水和降雨共同作用下坡面徑流量和泥沙量大多數(shù)大于兩者單獨作用之和，雙因素方差分析結(jié)果也顯示（表4），降雨和匯流共同作用對坡面徑流和泥沙均存在交互作用，究其原因，首先，可能與上方來水與降雨共同作用對坡面阻力的影響相關(guān)，本研究條件下，相比單獨降雨和上方來水，上方來水與降雨共同作用下坡面流速增大（表3），這表明降雨有減緩坡面阻力的作用。張寬地等[26-27]研究結(jié)果表明降雨能減少坡面流阻力，從而導(dǎo)致坡面流速變大，進(jìn)而導(dǎo)致侵蝕動能增大，對坡面產(chǎn)生更大的侵蝕。但也存在不同的觀點，陳國祥等[28]認(rèn)為在較小坡度下，降雨能增加坡面流阻力，此外，潘成忠等[29]研究得出降雨對坡面流阻力的影響甚微。

其次，當(dāng)上方來水流量不斷增大時，即水層厚度增加，降雨的影響變?nèi)酰欢?，目前尚不清楚是否存在降雨對坡面影響的臨界水層厚度，即小于某一水層厚度時，降雨對坡面侵蝕影響正效應(yīng)，反之，降雨對坡面侵蝕的影響是負(fù)效應(yīng)。已有研究表明隨著水深的增加，降雨對坡面流施加的影響逐漸減小，類似的結(jié)論有，隨著水深的增加，降雨對坡面流施加的影響逐漸減小[30]，雨滴擊濺時，泥沙濺蝕量隨水層厚度的增加而減少[31]。此外，當(dāng)水層厚度一定，且坡度較大時（10°～12°），隨著降雨強度的增加，雨滴擊濺侵蝕的作用也存在減弱趨勢[32]，另一個影響因素是坡面微地形或者坡度，已有研究表明，坡面的微地形對雨滴擊濺侵蝕也存在抑制作用[33]?？傊?，降雨和上方來水共同作用對坡面侵蝕的影響比較復(fù)雜，與坡面水層厚度、坡度、微地形、降雨強度均存在復(fù)雜關(guān)系，對于研究結(jié)果與已有土壤侵蝕預(yù)測模型的結(jié)合和向外拓展的限制，本研究后續(xù)將進(jìn)一步深入分析和量化其相互關(guān)系。

本研究由于試驗設(shè)計降雨強度梯度和放水流量梯度較大，試驗總徑流量和泥沙量（表2）未能體現(xiàn)薄層水流對雨滴擊濺的緩沖效果，但是，總體徑流量和泥沙量表明，上方來水和降雨共同作用下，坡面徑流量和泥沙量均增大，且泥沙量的增大幅度大于徑流量，這說明當(dāng)上方來水和降雨共同作用下，堆積體坡面泥沙量成數(shù)十倍增加，本試驗條件下，泥沙量最大增加幅度高達(dá)49倍，這表明，堆積體坡面防護(hù)措施的設(shè)計更應(yīng)該考慮極端降雨條件下，上方來水和降雨組合條件下的最大侵蝕量，以確保堆積體生態(tài)治理的長期安全穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1）降雨條件下，堆積體坡面侵蝕過程呈現(xiàn)階段性差異發(fā)育特征，中、小雨強（40、50和70 mm/h）條件下，侵蝕形態(tài)為零星分布的濺蝕坑和不連續(xù)跌坎，而大雨強（100和120 mm/h）條件下，侵蝕形態(tài)為細(xì)溝；上方來水條件下，堆積體坡面土壤侵蝕過程呈現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)育特性，侵蝕形態(tài)均為細(xì)溝。

2）上方來水與降雨共同作用下，堆積體坡面侵蝕過程呈現(xiàn)劇烈波動發(fā)育特征，產(chǎn)沙率隨歷時的延續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)“多峰多谷”變化態(tài)勢，侵蝕形態(tài)均為侵蝕溝，且發(fā)育劇烈。

3）上方來水和降雨共同作用下，坡面徑流量和泥沙量均增大，且泥沙量的增大幅度大于徑流量；此外，匯流與降雨之間存在交互作用，兩者對徑流和泥沙的影響均顯著。

[1] 牛耀彬，高照良，齊星圓，等. 不同工程堆積體坡面治理措施對土壤抗沖刷侵蝕能力的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(2)：134-143. Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Qi Xingyuan, et al. Effects of treatment measures on soil anti-scourerodibility in engineering accumulation slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 134-143. (in Chinese with English abstract)

[2] 吳火珍，馮美果，焦玉勇，等. 降雨條件下堆積層滑坡體滑動機制分析[J]. 巖土力學(xué)，2010，31(S1)：324-329.

Wu Huozhen, Feng Meiguo, Jiao Yuyong, et al. Analysis of sliding mechanism of accumulation horizon landslide under rainfall condition[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(S1): 324-329. (in Chinese with English abstract)

[3] 陳洪松，邵明安，王克林. 上方來水對坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2005，16(2)：233-237.

Chen Hongsong, Shao Mingan, Wang Kelin. Effects of runoff from upslope on rainfall infiltration and soil water redistribution at a planar slope [J]. Advances in Water Science, 2005, 16(2): 233-237. (in Chinese with English abstract)

[4] 孔亞平，張科利. 黃土坡面侵蝕產(chǎn)沙沿程變化的模擬試驗研究[J]. 泥沙研究，2003(1)：33-38.

Kong Yaping, Zhang Keli. The distribution of soil loss on the surface of loess slope[J]. Journal of Sediment Research, 2003(1): 33-38. (in Chinese with English abstract)

[5] Zheng F L, Huang C H, Norton L D. Vertical hydraulic gradient and run-on water and sediment effects on erosion processes and sediment regimes[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64: 4-11.

[6] Shi D M, Wang S S, Jiang D, et al. Effects of disturbed landforms on the soil water retention function during urbanization process in the three gorges reservoir region, China[J]. Catena, 2016, 144: 84-93.

[7] 郭建英，何京麗，李錦榮，等. 典型草原大型露天煤礦排土場邊坡水蝕控制效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(3)：296-303.

Guo Jianying, He Jingli, Li Jinrong, et al. Effects of different measures on water erosion control of dump slope at opencast coal mine in typical steppe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 296-303. (in Chinese with English abstract)

[8] Peng X D, Shi D M, Jiang D, et al. Runoff erosion process on different underlying surfaces from disturbed soils in the Three Gorges Reservoir Area, China[J]. Catena, 2014, 123(123): 215-224.

[9] 孫虎，唐克麗. 城鎮(zhèn)建設(shè)中人為棄土降雨侵蝕實驗研究[J]. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1998，12(2)：29-35.

Sun Hu, Tang Keli. Study on erosion and sediment yield of Man-Dumped soil by field simulated rainfall in urban construction area[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 12(2): 29-35. (in Chinese with English abstract)

[10] Zhang L T, Gao Z L, Yang S W, et al. Dynamic processes of soil erosion by runoff on engineered landforms derived from expressway construction: A case study of typical steep spoil heap[J]. Catena, 2015, 128: 108-121.

[11] 丁文斌，史東梅，何文健，等. 放水沖刷條件下工程堆積體邊坡徑流侵蝕水動力學(xué)特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(18)：153-161.

Ding Wenbin, Shi Dongmei, He Wenjian, et al. Hydrodynamic characteristics of engineering accumulation erosion under side slope runoff erosion process in field scouring experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 153-161. (in Chinese with English abstract)

[12] Niu Y B, Gao Z L, Li Y H, et al. Effect of rock fragment content on erosion processes of disturbed soil accumulation under field scouring conditions[J]. Journal of Soils and Sediments, 2019, 19(4): 1708-1723.

[13] 康宏亮，王文龍，薛智德，等. 北方風(fēng)沙區(qū)礫石對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(3)：125-134.

Kang Hongliang, Wang Wenlong, Xue Zhide, et al. Effect of gravel on runoff and erosion characteristics on engineering accumulation slope in windy and sandy area, northern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 125-134. (in Chinese with English abstract)

[14] 李建明，?？?，王文龍，等.不同土質(zhì)工程堆積體徑流產(chǎn)沙差異[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(14)：187-194.

Li Jianming, Niu Jun, Wang Wenlong, et al. Differences in characteristics of runoff and sediment yielding from engineering accumulations with different soil textures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(14): 187-194. (in Chinese with English abstract)

[15] 牛耀彬，高照良，李永紅，等. 工程堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)發(fā)育及其與產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(19)：154-161.

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Rill morphology development of engineering accumulation and its relationship with runoff and sediment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 154-161. (in Chinese with English abstract)

[16] Zhang L T, Gao Z L, Li Z B, et al. Downslope runoff and erosion response of typical engineered landform to variable inflow rate patterns from upslope[J]. Natural Hazards, 2016, 80(2): 775-796.

[17] 李永紅，牛耀彬，王正中，等. 工程堆積體坡面徑流水動力學(xué)參數(shù)及其相互關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(22)：83-88.

Li Yonghong, Niu Yaobin, Wang Zhengzhong, et al. Hydrodynamic parameters and their relationships of runoff over engineering accumulation slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 83-88. (in Chinese with English abstract)

[18] 張樂濤，高照良，田紅衛(wèi). 工程堆積體陡坡坡面土壤侵蝕水動力學(xué)過程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(24)：94-102.

Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Tian Hongwei. Hydrodynamic process of soil erosion in steep slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 94-102. (in Chinese with English abstract)

[19] 楊帥，高照良，李永紅，等. 工程堆積體坡面植物籬的控蝕效果及其機制研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(15)：147-154.

Yang Shuai, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Erosion resistance effects and mechanism of hedgerows in slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 147-154. (in Chinese with English abstract)

[20] 牛耀彬，高照良，劉子壯，等. 工程措施條件下堆積體坡面土壤侵蝕水動力學(xué)特性[J]. 中國水土保持科學(xué)，2015，13(6)：105-111.

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Liu Zizhuang, et al. Hydrodynamic characteristics of soil erosion on deposit slope under engineering measures[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(6): 105-111. (in Chinese with English abstract)

[21] 張樂濤，董俊武，袁琳，等. 黃土區(qū)工程堆積體陡坡坡面徑流調(diào)控工程措施的減沙效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(15)：101-109.

Zhang Letao, Dong Junwu, Yuan Lin, et al. Sediment-reducing benefits by runoff regulation under engineering measures in steep slope of abandoned soil deposits in Chinese loessial region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 101-109. (in Chinese with English abstract)

[22] 周佩華，王占禮. 黃土高原土壤侵蝕暴雨的研究[J]. 水土保持學(xué)報，1992，6(3)：1-5.

Zhou Peihua, Wang Zhanli. A study on rainstorm causing soil erosion in the Loess Plateau[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1992, 6(3): 1-5. (in Chinese with English abstract)

[23] 丁文斌，李葉鑫，史東梅，等. 兩種工程堆積體邊坡模擬徑流侵蝕對比研究[J]. 土壤學(xué)報，2017，54(3)：558-569.

Ding Wenbin, Li Yexin, Shi Dongmei, et al. Contrast study on simulated runoff erosion of two engineering accumulation slopes[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(3): 558-569. (in Chinese with English abstract)

[24] 陳文亮，唐克麗. SR型野外人工模擬降雨裝置[J]. 水土保持研究，2000，7(4)：106-110.

Chen Wenliang, Tang Keli. A new SR style field artificial rainfall simulator[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2000, 7(4): 106-110. (in Chinese with English abstract)

[25] Luk S H, Merz W. Use of the salt tracing technique to determine the velocity of overland-flow[J]. Soil Technology, 1992, 5: 289-301.

[26] 張寬地，王光謙，呂宏興，等. 模擬降雨條件下坡面流水動力學(xué)特性研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2012，23(2)：229-235.

Zhang Kuandi, Wang Guangqian, Lü Hongxing, et al. Experimental study of shallow flow hydraulics on a hillslope under artificial rainfall conditions[J]. Advances in Water Science, 2012, 23(2): 229-235. (in Chinese with English abstract)

[27] 王俊杰，張寬地，楊苗，等. 雨強和糙度對坡面薄層流水動力學(xué)特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(9)：147-154.

Wang Junjie, Zhang Kuandi, Yang Miao, et al. Influence of rainfall and roughness on hydrodynamics characteristics of overland flow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 147-154. (in Chinese with English abstract)

[28] 陳國祥，姚文藝. 降雨對淺層水流阻力的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，1996，7(1)：42-46.

Chen Guoxiang, Yao Wenyi. Effect of rainfall on hydraulic resistance of shallow flow[J]. Advances in Water Science, 1996, 7(1): 42-46. (in Chinese with English abstract)

[29] 潘成忠，上官周平. 降雨和坡度對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的影響[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，6(6)：843-851.

Pan Chengzhong, Shangguan Zhouping. Experimental study on influence of rainfall and slope gradient on overland shallow flow hydraulics[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2009, 6(6): 843-851. (in Chinese with English abstract)

[30] 楊坪坪，王云琦，張會蘭，等. 降雨強度和單寬流量與地表粗糙度交互作用下坡面流阻力特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(6)：145-151.

Yang Pingping, Wang Yunqi, Zhang Huilan, et al. Characteristics of overland flow resistance under interaction of rainfall intensity and unit discharge and surface roughness[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 145-151. (in Chinese with English abstract)

[31] 鄭騰輝，邢媛媛，何凱旋，等. 雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕的輸沙機理[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版2016，44(3)：211-218.

Zheng Tenghui, Xing Yuanyuan, He Kaixuan, et al. Rain splash and sheet flow mixed sediment transport mechanism[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat. Sci. Ed, 2016, 44(3): 211-218. (in Chinese with English abstract)

[32] 徐震，高建恩，趙春紅，等. 雨滴擊濺對坡面徑流輸沙的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24(6)：20-23.

Xu Zhen, Gao Jianen, Zhao Chunhong, et al. Effects of raindrop impact on runoff and sediment transport of the slope[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(6): 20-23. (in Chinese with English abstract)

[33] 趙龍山，梁心藍(lán)，張青峰，等. 裸地雨滴濺蝕對坡面微地形的影響與變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(19)：71-77.

Zhao Longshan, Liang Xinlan, Zhang Qingfeng, et al. Variation characteristics and effects of splash erosion on slope micro-reliefinbare fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(19): 71-77. (in Chinese with English abstract)

Characteristics of soil erosion on engineering accumulation slope under the rainfall and inflow conditions

Niu Yaobin1,2, Wu Xu1,3, Gao Zhaoliang2,3※, Li Yonghong2,3

(1.,030801,; 2.,,712100,; 3,,712100,)

The soil and water loss caused by construction activities are increasing rapidly over the past few years. Soil erosion on new engineered landforms severely threatens the ecological security of construction sites and their surrounding areas. On the slope of the engineering accumulation, the soil erosion significantly depends on the platform inflow. It is necessary to quantitative analysis of the process of runoff and sediment production on the slope of engineering accumulation under the rainfall and inflow conditions. This can be helpful to clarify the characteristics of soil erosion on the slope of engineering accumulation under multiple driving forces. The purpose of this study is to examine the effects of three driving forces (rainfall, inflow and their interactions) on the characteristics of soil erosion and morphological on the slope of engineering accumulation. The rainfall and inflow experiments were conducted on a field runoff plot (in 7 m long, 1 m wide and 0.5 m deep, and with the slope gradient of 36°) under five rainfall intensities (40, 50, 70, 100, 120 mm/h) and four inflow intensities (10, 15, 20, 25 L/min) conditions. The results showed that under the rainfall condition, the stage differential development was observed in the process of soil erosion on the slope of engineering accumulation. Specifically, the runoff and sediment yield presented two different stages (fluctuation, stability) with time under the small and moderate rainfall conditions (40、50 and 70 mm/h), and the erosion morphology was discontinuous falling-sill, whereas, three different stages (fluctuation, stability, and violently) were observed under the heavy rainfall conditions (100 and 120 mm/h), and the erosion morphology was the rill. Under the inflow condition, there was a relatively stable development in the process of soil erosion on the slope of engineering accumulation, and the erosion morphology was the rill. In contrast, under the combined effect of rainfall and inflow, a violent development was observed in the process of soil erosion on the slope of engineering accumulation. Specifically, the runoff yield presented “multi-peak and valley” with time, and the fluctuation of sediment yield gradually increased with time. The erosion morphology was all erosion gullies, and developed violently. Furthermore, under the combined effect of rainfall and inflow, both the runoff and sediment volume on the slope increased, and the increment in sediment was greater than that in runoff. Compared with the rainfall condition, the runoff and sediment volume increased by 86%-629% and 86%-4914%, respectively, while compared with the inflow conditions, these two indicators increased by 12%-175% and 15%-505%, respectively. This finding demonstrates that the inflow, rainfall and a coupled effect between them have significant effects on the process of soil erosion on the slope of engineering accumulation. This study can provide insightful implications to understand the characteristics and dynamic mechanism of soil erosion on the slope of engineering accumulation under complex hydrodynamic conditions.

soil; erosion; rainfall; inflow intensity; slope; flow; engineering accumulation

牛耀彬，吳旭，高照良，等. 降雨和上方來水條件下工程堆積體坡面土壤侵蝕特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(8)：69-77.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.009 http://www.tcsae.org

Niu Yaobin, Wu Xu, Gao Zhaoliang, et al. Characteristics of soil erosion on engineering accumulation slope under the rainfall and inflow conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 69-77. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.009 http://www.tcsae.org

2019-10-22

2020-03-19

國家自然科學(xué)基金（41671283，41807066）；十三五國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0501706-02）；山西省優(yōu)秀博士來晉工作獎勵（SXYBKY2019029）

牛耀彬，博士，講師，主要從事工礦區(qū)人為侵蝕過程和土地整治研究。Email：15529021275@163.com

高照良，博士，研究員，主要研究方向為農(nóng)業(yè)水土工程和荒漠化防治。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.009

S157.1

A

1002-6819(2020)-08-0069-09