模擬降雨條件下坡面細(xì)溝侵蝕形態(tài)特征試驗(yàn)研究

模擬降雨條件下坡面細(xì)溝侵蝕形態(tài)特征試驗(yàn)研究

細(xì)溝侵蝕是嚴(yán)重的土壤侵蝕的主要方式，也是坡耕地表面土壤和養(yǎng)分流失的重要原因。細(xì)溝在坡面上的分叉、合并及連通現(xiàn)象促進(jìn)了細(xì)溝侵蝕的發(fā)展,形成了復(fù)雜的侵蝕形態(tài)。而細(xì)溝侵蝕形態(tài)在坡面上具有明顯的時(shí)空變異特征,顯著地影響了坡面侵蝕產(chǎn)沙特性。但是,由于細(xì)溝形態(tài)不規(guī)則,且雨季期間演化迅速,使得野外細(xì)溝的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)比較困難。因此,多數(shù)研究者采用模擬降雨試驗(yàn)研究細(xì)溝侵蝕特征。細(xì)溝侵蝕的發(fā)生演變過(guò)程及水沙關(guān)系研究一直土壤侵蝕領(lǐng)域的重要研究方向,其中多以細(xì)溝形態(tài)特征作為支撐。鄭粉莉等通過(guò)野外觀測(cè)和室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)相結(jié)合的方法統(tǒng)計(jì)了黃土高原坡耕地細(xì)溝寬度和深度分布范圍,指出大多數(shù)細(xì)溝深度小于20cm,寬度小于30cm?；粼圃频韧ㄟ^(guò)室內(nèi)連續(xù)降雨分析了坡面細(xì)溝侵蝕的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程,表明細(xì)溝平均寬度、平均深度、溝長(zhǎng)最大值分別從第一場(chǎng)降雨的0.025、0.029和0.111m發(fā)展到第7場(chǎng)降雨的0.098、0.044和1.379m,說(shuō)明細(xì)溝侵蝕具有穩(wěn)定發(fā)展和不斷加強(qiáng)的過(guò)程。Bruno等利用細(xì)溝長(zhǎng)度和橫斷面描述細(xì)溝形態(tài),得出細(xì)溝長(zhǎng)度與細(xì)溝體積呈冪函數(shù)關(guān)系,并通過(guò)剖面形態(tài)變化推斷細(xì)溝侵蝕沉積情況。和繼軍等選用細(xì)溝密度和細(xì)溝寬深比等指標(biāo)從宏觀上表征楊凌塿土和安塞黃綿土的細(xì)溝侵蝕特征差異。隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展,高精度攝影測(cè)量法和三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用到土壤侵蝕研究中,通過(guò)獲取高精度DEM,進(jìn)而提取溝道整體形態(tài)。綜上可見(jiàn),以往研究中專門針對(duì)細(xì)溝形態(tài)進(jìn)行的探討較少,或者僅以細(xì)溝長(zhǎng)寬深作為描述指標(biāo),未對(duì)三者之間的關(guān)系進(jìn)行討論;盡管應(yīng)用高新技術(shù)能夠獲取坡面細(xì)溝形態(tài)數(shù)據(jù),但是已有的研究多側(cè)重于對(duì)坡面細(xì)溝網(wǎng)整體的描述,對(duì)于單條細(xì)溝及細(xì)溝間形態(tài)指標(biāo)關(guān)系的研究較少。鑒于此,本文通過(guò)室內(nèi)連續(xù)人工模擬降雨,定量研究坡面細(xì)溝的發(fā)育狀況、空間分布及各形態(tài)要素之間的關(guān)系,旨在進(jìn)一步揭示黃土高原細(xì)溝侵蝕變化規(guī)律,為坡面侵蝕防治提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)土槽試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所人工模擬降雨大廳進(jìn)行,降雨設(shè)備采用下噴式降雨機(jī),降雨覆蓋面積為27m×18m,降雨高度18m,能夠滿足所有雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度。為了確保模擬降雨的均勻性和準(zhǔn)確性,試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定,當(dāng)降雨均勻度達(dá)90%以上,實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度與設(shè)計(jì)目標(biāo)雨強(qiáng)的差值小于5%時(shí)方可進(jìn)行正式降雨。依據(jù)黃土高原侵蝕性降雨的瞬時(shí)雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)(即I10=1.055mm/min),設(shè)計(jì)試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為60mm/h。為了使細(xì)溝充分發(fā)育,在試驗(yàn)土槽上連續(xù)進(jìn)行兩次降雨,這樣兩次試驗(yàn)之間試驗(yàn)土槽上的細(xì)溝侵蝕既有獨(dú)立性又有繼承性,第2次降雨是在第1次降雨的基礎(chǔ)上進(jìn)行,每一次降雨歷時(shí)為65min,兩次降雨間隔24h,設(shè)計(jì)兩次降雨時(shí)間間隔的依據(jù)是基于李毅等研究結(jié)果。試驗(yàn)土槽為10m(長(zhǎng))×3m(寬)×0.5m(深)的液壓式可調(diào)坡度鋼槽(圖1),試驗(yàn)土槽底部每1m長(zhǎng)排列4個(gè)孔徑為2cm的排水孔保證降雨試驗(yàn)過(guò)程中排水良好。由于細(xì)溝流現(xiàn)象在10°—30°的裸露坡耕地上表現(xiàn)最明顯,而15°是坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度的相對(duì)質(zhì)變點(diǎn),因此本研究坡度選為15°。供試土壤為黃土高原丘陵溝壑區(qū)安塞縣的耕層黃綿土,砂粒含量為28.3%,粉粒為58.1%,粘粒為13.6%,有機(jī)質(zhì)含量5.9g/kg。裝填土槽時(shí),用紗布填充試驗(yàn)土槽底部的排水孔,并在土槽底部填5cm厚天然細(xì)沙作為透水層,保障試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)土槽排水良好;然后在細(xì)沙層之上覆蓋紗布,再裝填試驗(yàn)土壤。填土?xí)r將土層分為耕作層和犁底層,耕作層深度為20cm,土壤容重控制在1.10g/cm3;犁底層深度為15cm,土壤容重控制在1.25g/cm3。為保證裝土的均勻性,采用分層填土,每層土厚度為5cm,填土?xí)r邊填土邊壓實(shí);每填完一層土后,將土層表面用齒耙耙松,再填裝下一層土壤,以保證兩個(gè)土層能夠很好地接觸;同時(shí),將試驗(yàn)土槽四周邊壁盡量壓實(shí),以盡可能減小邊界效應(yīng)的影響。將試驗(yàn)土槽翻耕20cm,并用齒耙耙平,模擬當(dāng)?shù)仄赂馗麑訝顩r。翻耕完畢后,自沉降1d。為了保證試驗(yàn)前期土壤條件的一致性,采用30mm/h雨強(qiáng)進(jìn)行預(yù)降雨至坡面產(chǎn)流為止。預(yù)降雨結(jié)束后,為了防止試驗(yàn)土槽土壤水分蒸發(fā)和減緩結(jié)皮的形成,用塑料布將試驗(yàn)土槽覆蓋,靜置24h待正式模擬降雨試驗(yàn)。每場(chǎng)降雨試驗(yàn)開(kāi)始前,利用小型土鉆在試驗(yàn)土槽上、中、下3個(gè)斷面按照0—5、5—10、10—15、15—20、20—25、25—30cm6個(gè)土層深度采集土壤樣品,測(cè)定土壤含水量,降雨試驗(yàn)前坡面土壤含水量如表1所示。次降雨結(jié)束后,采用直尺測(cè)量坡面細(xì)溝基本形態(tài),具體方法是沿著細(xì)溝溝道每隔5或10cm詳細(xì)測(cè)量細(xì)溝的位置坐標(biāo)(x,y)及細(xì)溝的寬度和深度,在特殊溝道位置進(jìn)行加密測(cè)量,即將每一條細(xì)溝劃分為多個(gè)小段進(jìn)行測(cè)量,以此來(lái)減小因細(xì)溝形態(tài)不規(guī)則而造成的測(cè)量誤差。1.2侵蝕土壤環(huán)境質(zhì)量ro的確定細(xì)溝累積長(zhǎng)度是指坡面上出現(xiàn)的所有細(xì)溝的長(zhǎng)度之和,其值大小能夠反映細(xì)溝侵蝕對(duì)坡面的切割程度。細(xì)溝侵蝕平均深度(RED),是指次降雨條件下細(xì)溝對(duì)表層土壤剝蝕的平均深度,其值大小可以客觀反映細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度(cm);其計(jì)算方法為:坡面上的細(xì)溝侵蝕總體積(容積法)除以試驗(yàn)土槽斜坡表面積所得的數(shù)值。距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度是指單條細(xì)溝上每一個(gè)測(cè)點(diǎn)距該條細(xì)溝溝頭的距離,其最大值就是細(xì)溝的總長(zhǎng),該參數(shù)能夠在一定程度上反映細(xì)溝在坡面上的分布狀況。1.3參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算1.3.1量段劃分的計(jì)算指坡面上所有細(xì)溝面積的總和,在試驗(yàn)土槽坡面上,自上而下每隔5或10cm量測(cè)每條細(xì)溝的寬度,根據(jù)測(cè)量段的劃分,把每一條細(xì)溝每一個(gè)測(cè)量段的細(xì)溝面積簡(jiǎn)化為梯形計(jì)算,計(jì)算過(guò)程為:式中,RSj為第j條細(xì)溝面積;n為量測(cè)一條細(xì)溝寬、深的次數(shù);RWi,RWi+1分別代表第i次和第i+1次量測(cè)的細(xì)溝寬,單位為cm;RLi為量測(cè)間距,為5或10cm;式中,RS為坡面細(xì)溝總面積(cm2);m為坡面細(xì)溝總條數(shù)。1.3.2動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)坡長(zhǎng)位置指降雨過(guò)程中細(xì)溝溝頭溯源侵蝕前進(jìn)速度,其監(jiān)測(cè)方法為:降雨過(guò)程中,在細(xì)溝發(fā)育初期,在細(xì)溝溝頭插上指示牌標(biāo)記細(xì)溝,同時(shí)記錄每條細(xì)溝溝頭所在的坡長(zhǎng)位置;由于細(xì)溝溯源侵蝕使細(xì)溝的溝頭向坡上發(fā)展,因此在試驗(yàn)過(guò)程中每間隔5或10min動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)每條細(xì)溝溝頭所在坡長(zhǎng)的位置。依次類推,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)溝溝頭所在位置的坡長(zhǎng)并記錄對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí);據(jù)此就可以計(jì)算降雨過(guò)程中不同時(shí)段每條細(xì)溝的溯源侵蝕速率,也可估算平均細(xì)溝溯源侵蝕速率。2結(jié)果與討論2.1不同坡段的細(xì)溝分布及形態(tài)特征圖2為第1次和第2次降雨后坡面細(xì)溝的空間分布。第1次模擬降雨坡面細(xì)溝呈斷續(xù)狀,大致分布在4個(gè)徑流流路上,此時(shí)坡面細(xì)溝網(wǎng)形態(tài)已基本形成,細(xì)溝在坡面上的分布可以分為3個(gè)坡段:第一坡段為0—4m,位于試驗(yàn)土槽上部,匯水面積小且坡面平整,水流相對(duì)均勻,徑流侵蝕力較弱,坡面以小細(xì)溝為主;細(xì)溝分布密集且均勻,分布密度為1.7條/m2,細(xì)溝平均寬度和深度分別為9.5和6.8cm,坡面細(xì)溝侵蝕平均深度(RED)為1.0cm(表2)。第二坡段為4—7m,由于第一坡段細(xì)溝匯流作用及細(xì)溝間橫向溢流使徑流集中,造成該坡段細(xì)溝數(shù)量減少,分布密度減小為1.3條/m2;但是細(xì)溝平均寬度和深度分別較第一坡段增加30.5%和38.2%,RED增加到1.6cm,較第一坡段增加64.3%。第三坡段為7—10m,細(xì)溝形態(tài)與第二坡段相似,細(xì)溝分叉較少,徑流集中作用繼續(xù)加強(qiáng),細(xì)溝分布密度為1.0條/m2,細(xì)溝平均寬度在此坡段達(dá)到最大值14.0cm,較第一坡段增加47.4%,較第二坡段增加12.9%;該坡段細(xì)溝平均深度為9.1cm,較第一坡段增加33.8%,但較第二坡段減少3.2%;RED達(dá)到2.0cm,分別較第一坡段和第二坡段增加102.0%和23.0%。第1次降雨結(jié)束后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),細(xì)溝累積長(zhǎng)度為39.3m;細(xì)溝間距離約為0.4—1.0m;坡面細(xì)溝總面積為4.27m2,占試驗(yàn)土槽總面積的14.2%。第2次降雨坡面細(xì)溝基本為連續(xù)細(xì)溝(圖2),中間兩個(gè)流路上的細(xì)溝幾乎全部連通,虛線表示該處細(xì)溝發(fā)生潛蝕。潛蝕是指由于坡耕地前期翻耕作用,使部分坡位表層土壤以下由于土塊的存在形成相對(duì)較大的空隙,降雨過(guò)程中會(huì)在這些部位形成潛流而發(fā)生侵蝕。在細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中,一旦徑流匯入這些潛蝕部位,會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在某一坡位涌出,隨著降雨過(guò)程的進(jìn)行,當(dāng)這些潛蝕部位的土體全部塌陷,潛蝕現(xiàn)象隨即演變?yōu)榧?xì)溝侵蝕?？拷敛圩笥疫叡诘膬蓚€(gè)流路上的細(xì)溝與第1次降雨相比,同一條流路上,上部細(xì)溝溝尾與下部細(xì)溝溝頭的距離變短。第2次降雨后第一坡段內(nèi)細(xì)溝分布更為密集,分布密度較第1次降雨增加47.1%(表2),而第二與第三坡段內(nèi)細(xì)溝分布密度與第1次降雨基本相同。細(xì)溝平均寬度、深度和RED分別較第1次降雨增加,并在第二坡段內(nèi)增加幅度最大。第2次降雨后細(xì)溝平均寬度、深度和RED在3個(gè)坡段內(nèi)的大小變化為:第二坡段>第三坡段>第一坡段。第2次降雨結(jié)束后坡面細(xì)溝累積長(zhǎng)度為51.8m,較第1次降雨增加32.1%。細(xì)溝間距離由第1次降雨的0.4—1.0m減小為0.3—0.8m。坡面細(xì)溝總面積為9.21m2,占試驗(yàn)土槽總面積的30.7%,坡面細(xì)溝總面積與第1次降雨相比增加了115.6%。通過(guò)對(duì)比兩次降雨的細(xì)溝溯源侵蝕速率、細(xì)溝平均寬度的變化率及面積發(fā)現(xiàn),第1次降雨以溯源侵蝕為主,平均溯源侵蝕速率為4.6cm/min,溝長(zhǎng)增加較快。第2次降雨細(xì)溝累積長(zhǎng)度增加32.1%,坡面細(xì)溝總面積卻增加115.6%,細(xì)溝平均寬度較第1次降雨增加60.1%,而平均溯源侵蝕速率減小為1.1cm/min,由此推斷細(xì)溝溯源侵蝕逐漸減弱,溝壁崩塌明顯增強(qiáng),坡面的破碎程度增加。2.2梯度-橫向流的幾何結(jié)構(gòu)分析2.2.1坡面徑流分布密度和細(xì)溝范圍分別對(duì)第1次降雨與第2次降雨單位斜坡長(zhǎng)上細(xì)溝平均寬度、深度隨斜坡長(zhǎng)的變化進(jìn)行分析,結(jié)果顯示(圖3和圖4)兩次降雨后細(xì)溝平均寬度、深度隨斜坡長(zhǎng)度的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),這與降雨過(guò)程中徑流能量變化有關(guān)。在次降雨過(guò)程中,隨著斜坡長(zhǎng)的增加,徑流量增加,侵蝕能量增加,進(jìn)而徑流含沙量也增加;徑流搬運(yùn)泥沙所消耗的能量加大,侵蝕減弱,兩者相互消長(zhǎng),導(dǎo)致徑流能量沿程呈現(xiàn)先增后減的變化。第1次降雨細(xì)溝平均寬度和深度均在斜坡長(zhǎng)8m處達(dá)到最大值,其后逐漸減小,而第2次降雨二者在斜坡長(zhǎng)7m處達(dá)到最大值,后開(kāi)始減小,分析原因是,隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),土壤含水量逐漸增大,上坡細(xì)溝分布密度增加,細(xì)溝匯流能力增大及細(xì)溝間橫向溢流使徑流集中,造成坡面徑流量增加;而徑流含沙濃度也顯著增加,與之相應(yīng)徑流搬運(yùn)泥沙所消耗的能量顯著增加,導(dǎo)致徑流能量沿程增長(zhǎng)較快、消耗也較快,進(jìn)而影響坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過(guò)程及細(xì)溝形態(tài)。第2次降雨細(xì)溝平均寬度均大于相應(yīng)的第1次降雨細(xì)溝平均寬度,且在斜坡長(zhǎng)4—8m處增幅較大,增幅為6.9—14.5cm(圖3),這與第2次降雨中細(xì)溝溝壁崩塌增強(qiáng)有關(guān)。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),試驗(yàn)土槽土壤含水量增大,導(dǎo)致細(xì)溝溝壁土體穩(wěn)定性降低,易于發(fā)生崩塌侵蝕。而斜坡長(zhǎng)小于4m和大于8m的坡段分別是徑流能量積蓄增長(zhǎng)和消耗減小階段,因此第2次降雨細(xì)溝平均寬度與第1次降雨相比增幅較小。兩次降雨后細(xì)溝最大寬度主要位于6—8m處,尤其是第2次降雨更為明顯。與第1次降雨相比,第2次降雨細(xì)溝平均深度增幅較大處位于斜坡長(zhǎng)4—7m坡段,增幅從5.9cm逐漸遞增到10.6cm(圖4)。當(dāng)斜坡長(zhǎng)大于7m時(shí),第2次降雨細(xì)溝平均深度開(kāi)始減小,至9m后,細(xì)溝平均深度甚至小于第1次降雨,分析原因有兩點(diǎn):一是隨著匯水坡長(zhǎng)的增加并超過(guò)一定范圍時(shí),徑流搬運(yùn)能力相對(duì)減弱;二是隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),由于累積沉積的影響,試驗(yàn)土槽底部坡度發(fā)生變化,導(dǎo)致細(xì)溝平均深度減小。2.2.2坡面細(xì)溝寬度隨距細(xì)溝長(zhǎng)度的變化為了進(jìn)一步探討細(xì)溝各要素之間的關(guān)系,對(duì)距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度、細(xì)溝寬度和深度的關(guān)系進(jìn)行分析。第1次降雨結(jié)束后(圖5)細(xì)溝寬度隨距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度的增大而增大,但是增加的趨勢(shì)不明顯。此時(shí)樣本總數(shù)的98.8%位于外包線內(nèi),細(xì)溝長(zhǎng)度均小于3m。第2次降雨結(jié)束后(圖5),有93.8%的樣本分布在外包線內(nèi),細(xì)溝寬度隨著距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),通過(guò)對(duì)擬合方程求導(dǎo)可知,細(xì)溝寬度的最大值出現(xiàn)在距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度490.5cm處。分析原因是在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi),細(xì)溝流的能量足以剝蝕并攜帶搬運(yùn)細(xì)溝邊壁土壤,但是細(xì)溝流沿溝槽流動(dòng)時(shí),必然受到阻力的影響,阻力主要來(lái)自含沙水流中沙粒本身對(duì)水流的阻礙作用、溝槽形態(tài)對(duì)水流的約束和細(xì)溝流攜沙過(guò)程所造成的能量消耗。當(dāng)超過(guò)一定的細(xì)溝長(zhǎng)度范圍,細(xì)溝流的能量不足以支持剝蝕土壤耗能,細(xì)溝寬度隨溝長(zhǎng)的繼續(xù)增加而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。細(xì)溝深度隨距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度的增加先增大后減小(圖6),且第2次降雨的這種趨勢(shì)較第1次降雨更明顯。由圖6可知,第1次降雨距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度約為1.5m時(shí),細(xì)溝深度發(fā)生轉(zhuǎn)折,此后細(xì)溝深度隨距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)微弱的減小趨勢(shì),此時(shí)91.0%的樣本位于細(xì)溝深度小于20cm,且距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度小于2m的區(qū)間內(nèi)。第2次降雨有90.8%的樣本分布于細(xì)溝深度小于30cm,且距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度小于4m的區(qū)間內(nèi),通過(guò)對(duì)擬合方程求導(dǎo)可知,細(xì)溝深度的最大值出現(xiàn)在距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度402.5cm處,細(xì)溝深度隨距細(xì)溝溝頭長(zhǎng)度的變化也與細(xì)溝流的能量轉(zhuǎn)換有關(guān)。細(xì)溝寬度與深度的擬合關(guān)系最好(圖7),兩次降雨細(xì)溝深度均隨寬度的增加而增大,后趨于平穩(wěn)。第1次降雨98.5%的樣本位于外包線以內(nèi),絕大部分細(xì)溝深度小于15cm,寬度小于20cm;第2次降雨96.1%的樣本分布在外包線以內(nèi),大部分細(xì)溝深度小于20cm,寬度小于30cm,這與鄭粉莉等的野外研究結(jié)果相同,且經(jīng)過(guò)第2次模擬降雨,由于坡面細(xì)溝繼續(xù)發(fā)育及匯流作用的存在,使得坡面細(xì)溝發(fā)育表現(xiàn)出一定的空間差異性,坡面中下部部分細(xì)溝深度超過(guò)20cm,由圖7可以看出,當(dāng)細(xì)溝深度超過(guò)20cm后