1、黃土坡面細(xì)溝發(fā)育過程中的重力侵蝕實(shí)驗(yàn)研究摘要：利用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)典型坡度條件下黃土坡面細(xì)溝發(fā)育過程中的重力侵蝕規(guī)律進(jìn)展了研究。通過對(duì)水沙測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)中對(duì)重力侵蝕現(xiàn)象的觀測(cè)，給出了實(shí)驗(yàn)條件下的臨界重力侵蝕含沙量，以此為根據(jù)計(jì)算了重力侵蝕產(chǎn)沙量及重力侵蝕量到達(dá)總侵蝕量50%時(shí)對(duì)應(yīng)的“中值時(shí)間。結(jié)果說明，在細(xì)溝發(fā)育過程中，重力侵蝕產(chǎn)沙量存在著由增大到減小再到波動(dòng)的變化趨勢(shì)，這一趨勢(shì)對(duì)坡面產(chǎn)沙變化具有重要的影響。重力侵蝕發(fā)生的中值時(shí)間那么由小變大，反映了細(xì)溝發(fā)育的不同階段重力侵蝕由以溝頭坍塌為主向以溝壁崩塌為主的轉(zhuǎn)化過程。關(guān)鍵詞：黃土坡面細(xì)溝重力侵蝕中值時(shí)間表1各場(chǎng)降雨前坡面

2、土壤含水量及雨強(qiáng)率定降雨場(chǎng)次土壤含水量(%)雨強(qiáng)/(/in)B坡面B坡面B坡面B坡面12345678911.122.622.622.624.425.626.825.826.316.228.026.927.025.624.525.627.040.21.511.541.581.601.481.441.481.531.491.521.471.521.541.571.494.501.481.53為理解各場(chǎng)降雨雨強(qiáng)的穩(wěn)定性及坡面土壤含水量變化，各場(chǎng)降雨開場(chǎng)前分別采用雨量計(jì)法和環(huán)刀法測(cè)量降雨雨強(qiáng)與坡面土壤含水量，結(jié)果見表1。可以看出除第一場(chǎng)降雨外，各場(chǎng)降雨前坡面土壤含水量差異不大，各場(chǎng)降雨的雨強(qiáng)也根本一致

3、，誤差在10%以內(nèi)。由于重力侵蝕在發(fā)生時(shí)間上具有一定的隨機(jī)性，目前尚缺乏有效的方法與儀器測(cè)量重力侵蝕的產(chǎn)沙量，本文嘗試采用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象與水沙測(cè)量相結(jié)合的方法，將重力侵蝕產(chǎn)沙局部從坡面侵蝕泥沙的總量中區(qū)分出來。因此，實(shí)驗(yàn)中除利用采樣法對(duì)坡面出口處的流量、輸沙率和含沙量進(jìn)展測(cè)量外，還對(duì)細(xì)溝發(fā)育過程中的重力侵蝕現(xiàn)象進(jìn)展了觀測(cè)記錄，并全程對(duì)A坡面細(xì)溝發(fā)育過程進(jìn)展了錄像。這樣便可將坡面上發(fā)生的重力侵蝕現(xiàn)象與水槽出口處的水沙變化進(jìn)展比照，以此來幫助識(shí)別重力侵蝕的影響。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮到伴隨坡面細(xì)溝發(fā)育過程中的流量、輸沙率與含沙量變化及其三者之間的關(guān)系，本文只給出各場(chǎng)降雨流量與含沙量的觀

4、測(cè)結(jié)果，見表25。坡面產(chǎn)流主要受降雨及入滲等因素的影響。已有的研究說明9，坡面入滲主要遵循霍頓公式，入滲量隨時(shí)間遞減。在降雨初期，由于坡面初始含水量較小，入滲量較大，產(chǎn)流量較小，其后隨著坡面土壤含水量的增大，入滲量減少，產(chǎn)流量增大。除入滲變化外，受實(shí)驗(yàn)條件限制，控制雨強(qiáng)的水壓在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)也是造成產(chǎn)流量波動(dòng)的一個(gè)原因。采用方差分析對(duì)各場(chǎng)降雨過程中的產(chǎn)流量進(jìn)展比擬，結(jié)果說明各場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)流量在0.05顯著程度不存在明顯差異，應(yīng)該說各場(chǎng)降雨的徑流量波動(dòng)控制在合理的范圍內(nèi)。與產(chǎn)流量相比，產(chǎn)沙量的波動(dòng)要?jiǎng)×液芏?。?shí)驗(yàn)中含沙量最小為0.01g/l，最大為0.47g/l,相差近50倍。侵蝕動(dòng)力不同是

5、造成含沙量差異如此之大的主要原因，而其中重力侵蝕又是導(dǎo)致坡面高含沙水流的主要原因。時(shí)間/in實(shí)驗(yàn)場(chǎng)次123456789102030405060708090113.1124.4139.0128.9134.3142.9151.1151.2123.3130.0148.6133.3141.7130.0130.6133.3137.8141.9129.4144.1153.8140.3151.3137.1151.6145.7136.8117.6148.7169.6138.6202.9132.4132.5129.7126.6121.2109.7120.0131.3132.4134.2129.3129.4125

6、.0121.1110.3111.8127.3119.5130.0115.6117.5130.0128.6131.0133.3141.4142.6146.0138.2150.0159.3135.0132.3137.5127.1135.9136.2148.7171.4148.6104.0113.0128.6105.6141.5135.1153.9180.0161.8時(shí)間/in實(shí)驗(yàn)場(chǎng)次123456789102030405060708090142.9123.9135.1127.0140.5132.8142.9135.1148.7159.7134.4141.1156.3159.4167.7145.320

7、7.4167.9142.2156.3166.1148.3150.0146.7146.7183.9187.0140.6160.6174.2150.0145.0182.8156.7154.8165.6111.1135.5145.2140.6140.0151.5151.4158.1158.8122.6110.8110.3121.9125.0118.2114.5131.3122.7153.3166.7154.8169.1164.5166.7185.0173.2185.7137.1151.7162.5136.7156.7161.1161.3160.0164.1158.1158.6174.2166.717

8、3.3156.5183.3165.6164.5時(shí)間/in實(shí)驗(yàn)場(chǎng)次1234567891020304050607080900.010.010.010.010.020.040.080.110.080.100.110.080.080.040.100.130.140.180.130.110.140.160.250.250.260.210.200.090.200.300.090.340.070.060.070.070.060.040.050.060.130.130.130.070.050.030.030.030.030.030.040.040.040.040.020.030.030.030.050.030

9、.030.040.210.070.070.080.050.050.030.100.180.070.060.040.040.040.040.110.090.240.13時(shí)間/in實(shí)驗(yàn)場(chǎng)次1234567891020304050607080900.010.010.010.010.010.010.010.010.010.010.010.020.040.200.180.160.370.470.050.080.170.120.120.080.240.240.260.090.130.170.100.080.160.050.070.050.010.020.050.030.020.030.030.020.050

10、.020.010.010.010.020.040.030.060.020.010.030.010.010.030.110.190.170.170.020.090.070.030.040.020.050.0500.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01詳細(xì)記錄細(xì)溝發(fā)育過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，尤其是崩塌、滑塌等重力侵蝕現(xiàn)象，有助于解釋產(chǎn)沙過程中的波動(dòng)，確定重力侵蝕產(chǎn)沙量及其變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)及錄像資料，表6給出了局部場(chǎng)次明顯的重力侵蝕現(xiàn)象及其對(duì)應(yīng)的發(fā)生時(shí)刻。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3重力侵蝕變化分析3.1重力侵蝕產(chǎn)沙量確實(shí)定確定重力侵蝕產(chǎn)沙量是定量分析重力侵蝕變化

11、規(guī)律的基矗由于坡面出口處測(cè)得的沙量是由各種不同動(dòng)力共同侵蝕產(chǎn)生的總量，因此需要將其中重力侵蝕產(chǎn)沙區(qū)分出來。通常在一定的地形條件和徑流條件下，水力侵蝕所形成的含沙量應(yīng)根本穩(wěn)定，而重力侵蝕那么具有很大的偶爾性，其產(chǎn)沙量與崩塌體的大孝發(fā)生的頻率等有關(guān)，在整個(gè)產(chǎn)沙過程中是一個(gè)隨機(jī)變化的過程。從表4中含沙量的變化過程與表6中記錄的重力侵蝕現(xiàn)象也可看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中未有重力侵蝕發(fā)生時(shí)，坡面出口的含沙量根本保持穩(wěn)定；而當(dāng)大塊崩塌等重力侵蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，相應(yīng)時(shí)刻坡面出口測(cè)量的含沙量也較高。因此，確定重力侵蝕產(chǎn)沙量及其變化的原那么可以概括為：(1)水動(dòng)力條件不變時(shí)，水力侵蝕量根本保持穩(wěn)定；(2)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)沙量的波動(dòng)

12、主要與重力侵蝕有關(guān)；(3)超出水力侵蝕量的局部應(yīng)為重力侵蝕產(chǎn)沙量。降雨場(chǎng)次時(shí)間/in實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象253號(hào)溝有小規(guī)模的崩塌，3號(hào)溝的開展抑制了1、2號(hào)溝的開展324號(hào)溝不斷溯源前進(jìn)，并伴有崩塌發(fā)生3493號(hào)溝頭發(fā)生崩塌653、4號(hào)溝頭不斷發(fā)生崩塌851號(hào)溝頭發(fā)生大塊崩塌22溝頭出現(xiàn)少量泥流548溝頭發(fā)生大面積崩塌本實(shí)驗(yàn)中重力侵蝕自發(fā)生起一直持續(xù)到降雨完畢6本次實(shí)驗(yàn)細(xì)溝根本未發(fā)育，無明顯的重力侵蝕發(fā)生744號(hào)溝溝壁發(fā)生大面積崩塌9804號(hào)溝溝壁發(fā)生大面積崩塌854號(hào)溝溝壁發(fā)生大面積崩塌在統(tǒng)計(jì)分析中，變異系數(shù)是反映一組數(shù)據(jù)相對(duì)波動(dòng)大小的一個(gè)常用參數(shù)，即：(1)式中：V為變異系數(shù)；與分別代表該組數(shù)據(jù)的均值

13、與方差。變異系數(shù)越小那么說明數(shù)據(jù)波動(dòng)越小，即在降雨過程中越穩(wěn)定。表7給出了兩組實(shí)驗(yàn)各場(chǎng)降雨含沙量的變異系數(shù)，由表中可以看出，A坡面含沙量變異系數(shù)在第六場(chǎng)最小，而B坡面那么在第九場(chǎng)，即這兩場(chǎng)實(shí)驗(yàn)含沙量根本穩(wěn)定，可以認(rèn)為整組實(shí)驗(yàn)中這兩場(chǎng)降雨過程中重力侵蝕較少或沒有發(fā)生，侵蝕方式以水力侵蝕為主。這與表6中的觀測(cè)記錄相吻合。表7含沙量、產(chǎn)流量變異系數(shù)及重力侵蝕對(duì)坡面總產(chǎn)沙量的奉獻(xiàn)降雨場(chǎng)次含沙量變異系數(shù)產(chǎn)流量變異系數(shù)重力侵蝕產(chǎn)沙奉獻(xiàn)A坡面B坡面A坡面B坡面A坡面B坡面12345678910835296551131085181421155337457011571120.120.060.080.190.09

14、0.070.070.100.190.090.110.110.120.120.070.090.100.0643%64%80%74%49%0%40%54%59%0%81%86%93%55%61%80%79%0%一般而言，無論是雨滴擊濺、薄層水流侵蝕還是細(xì)溝流沖刷，其產(chǎn)沙量均與降雨、徑流條件及地形有明確的函數(shù)關(guān)系10。當(dāng)以上條件一定時(shí)，水力侵蝕產(chǎn)沙量也應(yīng)根本穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中各場(chǎng)降雨的雨強(qiáng)均為1.5/in，相應(yīng)產(chǎn)流變化也不大，各場(chǎng)降雨實(shí)驗(yàn)中差異最大的主要是地形。因此各場(chǎng)降雨過程中水力侵蝕造成的含沙量差異主要受地形的控制。一般來說，一樣降雨和徑流條件下，溝道密度越大，相應(yīng)的侵蝕產(chǎn)沙量也就越高，即含沙量越大。

15、在坡面發(fā)育過程中，坡面發(fā)育早期由于溝道密度較小，水流沖刷的產(chǎn)沙量會(huì)略低于坡面發(fā)育后期。由于坡面細(xì)溝形態(tài)在第六場(chǎng)降雨后已根本穩(wěn)定，各種溝道形態(tài)參數(shù)變化不大，因此A組第六場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與B組第九場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中含沙量根本反映了實(shí)驗(yàn)條件下細(xì)溝發(fā)育成熟后的單純水力侵蝕的臨界產(chǎn)沙才能，略高于細(xì)溝發(fā)育初期的水力侵蝕含沙量。由于在坡面發(fā)育早期，溝道的溯源侵蝕強(qiáng)烈，重力侵蝕時(shí)有發(fā)生，較難觀察到單純水力侵蝕下的臨界產(chǎn)沙量，選用溝道已根本發(fā)育停頓后所觀測(cè)到的水力侵蝕臨界侵蝕量來代表該時(shí)期水力侵蝕的產(chǎn)沙情況會(huì)低估重力侵蝕產(chǎn)沙量，但考慮到與重力侵蝕產(chǎn)沙量相比，細(xì)溝發(fā)育早期單純水力侵蝕的產(chǎn)沙遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏小，在沒有其它定量手段測(cè)量重力侵蝕產(chǎn)沙

16、量的情況下，本文采用細(xì)溝發(fā)育成熟后的穩(wěn)定含沙量作為實(shí)驗(yàn)條件下水力侵蝕含沙量的上限與重力侵蝕產(chǎn)沙量的下限，即對(duì)于A坡面選用0.04g/l，B坡面選用0.01g/l作為水力侵蝕的臨界含沙量，超出局部即為由重力侵蝕引起。據(jù)此，可計(jì)算各場(chǎng)降雨不同時(shí)刻坡面出口含沙量中的重力侵蝕局部，結(jié)合相應(yīng)的流量測(cè)量數(shù)據(jù)即可確定各場(chǎng)降雨中的重力侵蝕產(chǎn)沙量。類似的，采用坡面出口含沙量與流量測(cè)量數(shù)據(jù)也可確定各場(chǎng)降雨的侵蝕產(chǎn)沙量。表7中給出了A、B兩坡面各場(chǎng)降雨過程中重力侵蝕占總侵蝕量的百分比。可以看出重力侵蝕是影響坡面產(chǎn)沙的一個(gè)重要因子，在整個(gè)坡面發(fā)育過程中產(chǎn)沙量占到了坡面總產(chǎn)沙量的60%以上，局部場(chǎng)次甚至超過90%。從各

17、場(chǎng)實(shí)驗(yàn)重力侵蝕產(chǎn)沙量變化過程來看(圖1)，兩組實(shí)驗(yàn)中各場(chǎng)降雨的重力侵蝕產(chǎn)沙量差異不大，并且其變化過程均存在著增大-減小-波動(dòng)的過程。這一過程與坡面細(xì)溝發(fā)育在不同階段的變化親密相關(guān)。在第一階段，上坡來水量大，細(xì)溝處于發(fā)育階段，溯源侵蝕較為活潑，加之由于溝道不斷下切造成溝壁與溝頭不穩(wěn)定而引起的崩塌時(shí)有發(fā)生，使這一階段內(nèi)重力侵蝕產(chǎn)沙量較大；在第二階段，隨著細(xì)溝不斷的溯源侵蝕，溝頭來水面積逐步縮小，溯源侵蝕逐漸減緩，從而導(dǎo)致了這一階段內(nèi)重力侵蝕發(fā)生概率的降低；在第三階段，細(xì)溝已停頓發(fā)育，溝道兩側(cè)的溝壁也已根本穩(wěn)定，這時(shí)一些偶爾性的因素控制重力侵蝕的發(fā)生，因此重力侵蝕產(chǎn)沙量在一個(gè)較低的程度上進(jìn)展波動(dòng)。圖

18、1重力侵蝕產(chǎn)沙量變化過程3.2重力侵蝕發(fā)生時(shí)間變化重力侵蝕的發(fā)生時(shí)間也是表征重力侵蝕變化的一個(gè)重要參數(shù)，然而由于重力侵蝕具有隨機(jī)發(fā)生的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)詳細(xì)的重力侵蝕發(fā)生時(shí)刻幾乎是不可能的，較為可行的方法是采用某種統(tǒng)計(jì)參數(shù)來反映重力侵蝕發(fā)生的早晚，這里采用次降雨過程中累積重力侵蝕量到達(dá)總侵蝕量50%的時(shí)刻(以下計(jì)為T50)。詳細(xì)計(jì)算方法為利用降雨過程中重力侵蝕輸沙率隨時(shí)間的分布，計(jì)算自降雨開場(chǎng)至某一特定時(shí)刻的累積重力侵蝕產(chǎn)沙量，當(dāng)其到達(dá)次降雨過程重力侵蝕總侵蝕量50%的時(shí)刻計(jì)為T50。T50較小說明重力侵蝕多發(fā)生在降雨早期，反之那么認(rèn)為以降雨后期發(fā)生的重力侵蝕為主。圖2反映了A、B兩組實(shí)驗(yàn)中T50的變

19、化過程。可以看出，兩組實(shí)驗(yàn)中T50在坡面發(fā)育早期存在著減小的趨勢(shì)，而在第五場(chǎng)以后重力侵蝕發(fā)生的時(shí)間那么較晚，T50在80in左右開場(chǎng)波動(dòng)。T50的這種變化趨勢(shì)主要是由于坡面發(fā)育不同階段主導(dǎo)重力侵蝕類型的變化而造成的。實(shí)驗(yàn)中的重力侵蝕產(chǎn)沙量主要由溯源侵蝕和溝壁崩塌產(chǎn)沙兩局部構(gòu)成。這兩種重力侵蝕產(chǎn)沙的機(jī)理不同，溯源侵蝕產(chǎn)沙量的大小主要受上坡來水量的控制，坡面上坡來水量大，在溝頭下方的掏蝕越深，溝頭坍塌越嚴(yán)重，溯源侵蝕量也就越大；溝壁崩塌那么可能與溝道下切、側(cè)蝕和土壤含水量增大造成土壤膨脹等原因有關(guān)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察來看，在坡面發(fā)育早期，溯源侵蝕在降雨開場(chǎng)后不久就開場(chǎng)活潑，而溝壁崩塌那么發(fā)生時(shí)間較晚

20、。坡面發(fā)育早期階段50的減小主要是由細(xì)溝溯源侵蝕的變化所引起。第一場(chǎng)降雨中，細(xì)溝一般在降雨50in以后形成，其后溯源侵蝕等類型的重力侵蝕才會(huì)發(fā)生，50較大；細(xì)溝形成后的其后幾場(chǎng)降雨中，上坡來水量較大，細(xì)溝也有著充分的延伸空間，自降雨后不久就開場(chǎng)溯源侵蝕，因此50較校隨著細(xì)溝的發(fā)育，溝頭以上的來水面積逐漸減小，相應(yīng)的來水量也逐漸減校當(dāng)溝頭以上來水量已缺乏以使溝頭進(jìn)一步向坡頂延伸，溯源侵蝕就根本停頓，此時(shí)重力侵蝕的主要類型轉(zhuǎn)化為溝壁崩塌。在這一階段中，溝道發(fā)育已非常緩慢，由于溝道下切和側(cè)蝕造成溝壁失穩(wěn)形成的崩塌已根本停頓，土壤含水量增大導(dǎo)致土體松軟成為引起溝壁崩塌的一個(gè)重要因素，而降雨量幾乎是實(shí)驗(yàn)

21、中唯一的影響土壤含水量的因素。降雨時(shí)間越長(zhǎng)，降雨量越大，土壤含水量就越大，發(fā)生重力侵蝕的可能就越大。因此，重力侵蝕往往發(fā)生在降雨的后期，而實(shí)驗(yàn)中降雨強(qiáng)度在所有場(chǎng)次中保持恒定，所以50大致在降雨后期進(jìn)展波動(dòng)。4結(jié)論本文通過將黃土坡面細(xì)溝發(fā)育過程中的重力侵蝕觀測(cè)現(xiàn)象與整個(gè)坡面發(fā)育過程中產(chǎn)沙量變化進(jìn)展比照，提出了重力侵蝕量到達(dá)總侵蝕量50%時(shí)對(duì)應(yīng)的“中值時(shí)間的概念，初步提醒了重力侵蝕的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：(1)重力侵蝕是影響坡面產(chǎn)沙波動(dòng)的主要因素，通過分析降雨過程中坡面產(chǎn)沙量的變異系數(shù)可確定無重力侵蝕發(fā)生時(shí)單純水力侵蝕的含沙量，并可以此作為重力侵蝕產(chǎn)沙量的下限。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，有雨滴直接擊濺坡面的情況下對(duì)應(yīng)于重力侵蝕發(fā)生時(shí)的最小含沙量為0.04g/l，有紗網(wǎng)覆蓋消減雨滴擊濺影響的情況下對(duì)應(yīng)的最