洪 斌， 張祖蓮， 黃 英， 梁諫杰， 邱觀貴

(昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院， 云南 昆明650500)

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人工降雨條件下云南紅土坡面土壤侵蝕特性

洪 斌， 張祖蓮， 黃 英， 梁諫杰， 邱觀貴

(昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院， 云南 昆明650500)

[目的] 揭示降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)與云南紅土坡面土壤侵蝕之間的關(guān)系，為云南紅土地區(qū)土壤侵蝕的防治提供依據(jù)。[方法] 采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)及理論分析相結(jié)合的方法。[結(jié)果] (1) 紅土坡面侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)的相關(guān)關(guān)系顯著(R2>0.95)。 (2) 在相同坡度、坡長(zhǎng)條件下，紅土坡面侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系； (3) 在相同降雨強(qiáng)度、坡長(zhǎng)條件下，紅土坡面侵蝕模數(shù)與坡度呈二次多項(xiàng)式關(guān)系； (4) 在相同降雨強(qiáng)度、坡度條件下，紅土坡面侵蝕模數(shù)與坡長(zhǎng)呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。 [結(jié)論] 云南紅土坡面侵蝕模數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而增大；當(dāng)坡度小于臨界坡度21.4°時(shí)，坡面侵蝕模數(shù)隨坡度的增大而增大，當(dāng)坡度大于臨界坡度21.4°時(shí)，坡面侵蝕模數(shù)隨坡度的增大而減小；坡面侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)的增大而增大。

云南紅土； 土壤侵蝕模數(shù)； 降雨強(qiáng)度； 坡長(zhǎng)； 坡度

文獻(xiàn)參數(shù)： 洪斌， 張祖蓮， 黃英， 等.人工降雨條件下云南紅土坡面土壤侵蝕特性[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：118-123.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.021

云南省地處紅土高原，90%以上屬紅土地區(qū)。分布于地表淺部的紅土土質(zhì)疏松，穩(wěn)定性較差，易散落或被水侵蝕。作為一種區(qū)域性特殊土，紅土特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)對(duì)土壤的侵蝕特性有著顯著影響。云南地區(qū)屬于低緯高原，橫斷山脈深度切割，海拔高差懸殊，地形地貌復(fù)雜，干濕季節(jié)分明，降雨的時(shí)空分布極不均勻，而近幾年的連續(xù)干旱使得旱季降雨更是稀缺，雨季暴雨強(qiáng)度更大，導(dǎo)致紅土地區(qū)土壤侵蝕日益加劇，極大地破壞了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，成為云南紅土地區(qū)嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。關(guān)于土壤侵蝕特性，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同性質(zhì)的土壤，結(jié)合影響土壤侵蝕的降雨特性和地形特征，已開展了較多的研究。在降雨強(qiáng)度方面，不少學(xué)者對(duì)降雨強(qiáng)度與入滲產(chǎn)流規(guī)律進(jìn)行研究[1-2]，在穩(wěn)滲率變化規(guī)律上有所分歧；對(duì)降雨強(qiáng)度變化與侵蝕模數(shù)的定量關(guān)系研究上，主要集中在降雨侵蝕力因子的研究[3-5]，缺乏降雨強(qiáng)度作為單一變量與侵蝕模數(shù)的影響關(guān)系研究。在坡度、坡長(zhǎng)方面，不少學(xué)者對(duì)該問題進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究[6-12]，由于研究的角度、試驗(yàn)土料和試驗(yàn)手段不同，得到的結(jié)果相差很大，其差異可歸納為二點(diǎn)：一是侵蝕模數(shù)隨坡度、坡長(zhǎng)增加的變化規(guī)律不同；二是建立的土壤侵蝕模數(shù)與坡度、坡長(zhǎng)的關(guān)系式也存在差異。鑒于土壤侵蝕問題的復(fù)雜性和多樣性，各家提出的觀點(diǎn)都有自己的適用范圍。就土壤性質(zhì)而言，以往研究土壤以黃土居多，已取得了不少成果，而關(guān)于云南紅土侵蝕特性的研究成果卻鮮有報(bào)道。為此，本研究選用云南紅土作為邊坡模型材料，在室內(nèi)人工模擬降雨條件下，開展了云南紅土坡面侵蝕特性研究，一是為了揭示降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)對(duì)云南紅土坡面侵蝕特性的影響，二是得出侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)的量化關(guān)系，其研究成果可為云南紅土區(qū)的水土流失預(yù)測(cè)和防治提供參考。

1　研究方法

1.1試驗(yàn)用土

試驗(yàn)選取云南昆明世博生態(tài)城無(wú)污染的典型紅土作為試驗(yàn)土料，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]測(cè)得其機(jī)械組成為黏粒50.2%，粉粒42.0%，砂粒7.8%，土壤類型為紅黏土。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的人工模擬降雨試驗(yàn)裝置主要由人工降雨系統(tǒng)、模型土槽、泥水收集系統(tǒng)3部分組成。人工降雨系統(tǒng)為雙噴頭下噴式降雨裝置，噴頭距離地面高度8.5 m，使大部分雨滴能夠達(dá)到雨滴終速，能較好的模擬天然降雨，且試驗(yàn)區(qū)域的雨滴均勻度達(dá)到80%以上。模型土槽的尺寸為1.2 m×0.4 m×0.35 m(長(zhǎng)×寬×高)，土槽底部有10×5個(gè)直徑5 mm的小孔，使得土壤的重力水能夠自然下滲。泥水收集系統(tǒng)主要由集流槽、徑流收集量筒組成。本試驗(yàn)考慮了降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)這3個(gè)因素對(duì)云南紅土坡面侵蝕特性的影響。其中，降雨強(qiáng)度與坡面侵蝕特性研究采用大中型降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度范圍控制在0.8 ～2.0 mm/min，坡度、坡長(zhǎng)與坡面侵蝕特性的研究均在相同降雨條件下進(jìn)行，坡度控制在10°～30°，坡長(zhǎng)采用5個(gè)不同坡長(zhǎng)。具體試驗(yàn)工況詳見表1。

表1　人工橫擬降雨試驗(yàn)方案

1.3試驗(yàn)過程

將野外取回的紅土進(jìn)行風(fēng)干，剔除樹根、草根、石塊等雜物，過10 mm篩，按照擬定的干密度、含水率制備好試驗(yàn)土樣。填土前在模型土槽底部鋪一層紗布和2 cm厚細(xì)沙，這樣既能防止紅土從底部開孔處過多流失，又能保證模型邊坡的透水性。在模型槽壁上用記號(hào)筆按每5 cm為1層標(biāo)出每層填筑厚度，共分成5層，計(jì)算出每層需攤鋪的紅土量，把試驗(yàn)土樣倒入土槽，用墊板、木棰等擊實(shí)工具輕輕的擊打到填筑高度，層與層之間的接觸面用刮土刀進(jìn)行刨毛處理，以便土層之間結(jié)合緊密。每次試驗(yàn)前24 h都進(jìn)行一次降雨強(qiáng)度為30 mm/h的預(yù)降雨，降雨到坡面產(chǎn)流就停止。預(yù)降雨使坡體含水在重力作用下進(jìn)行重新分布，且使邊坡土體更接近土壤的自然含水分布。次日降雨試驗(yàn)前進(jìn)行降雨強(qiáng)度率定，當(dāng)實(shí)際降雨強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定降雨強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。從產(chǎn)流開始計(jì)時(shí)，每3 min用量筒收集一次泥水樣，每次收集時(shí)間為1 min，同時(shí)記錄徑流量，待量筒內(nèi)懸濁液澄清后，倒去上層清液，用烘干法把剩余泥水樣進(jìn)行烘干，稱取侵蝕土的質(zhì)量。

1.4數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水量平衡原理，把坡面降雨量分成產(chǎn)流、入滲和蒸發(fā)3個(gè)過程，由于室內(nèi)模擬降雨時(shí)間較短，忽略蒸發(fā)損失，則坡面平均產(chǎn)流率就是每分鐘收集的徑流量與坡面實(shí)際承雨面積之比，坡面平均入滲率利用公式(1)計(jì)算：

i=(Ptcosθ-10R/S)/t

(1)

式中：i——坡面平均入滲率(mm/min)；P——降雨強(qiáng)度(mm/min)；θ——坡度(°)；R——降雨時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(ml)；S——坡面實(shí)際承雨面積(cm2)；t——降雨時(shí)間(min)。

坡面紅土顆粒流失量用侵蝕模數(shù)表示，把1 min收集的泥水樣的烘干土質(zhì)量與坡面實(shí)際承雨面積之比當(dāng)作坡面每分鐘產(chǎn)生的侵蝕模數(shù)，累計(jì)1 h內(nèi)每1 min的侵蝕模數(shù)就得到每小時(shí)侵蝕模數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行分析、制圖處理。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1降雨強(qiáng)度對(duì)紅土坡面侵蝕的影響

2.1.1降雨強(qiáng)度對(duì)紅土坡面入滲和產(chǎn)流的影響在5種降雨強(qiáng)度下開展紅土坡面侵蝕試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪坡面平均入滲率與產(chǎn)流歷時(shí)的過程曲線以及坡面平均產(chǎn)流率與產(chǎn)流歷時(shí)的過程曲線(圖1)。從圖1中可以看出，在入滲初期，入滲率隨時(shí)間變化整體上呈減小的趨勢(shì)，降雨強(qiáng)度為2.0 mm/min時(shí)的入滲率下降幅度最大，在第9 min坡面已進(jìn)入穩(wěn)滲狀態(tài)，而降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min的入滲率曲線變化趨勢(shì)較緩，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)需要24 min以上，這說明降雨強(qiáng)度大小對(duì)坡面入滲率變化幅度和達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)的時(shí)間有很大影響。在穩(wěn)滲時(shí)期，5種降雨強(qiáng)度在坡面表現(xiàn)出不同的穩(wěn)滲率，測(cè)得產(chǎn)流第60 min時(shí)的坡面入滲率大小關(guān)系為：1.1 mm/min>1.4 mm/min>0.8 mm/min>1.7 mm/min>2.0 mm/min，其中降雨強(qiáng)度為1.1 mm/min、1.4 mm/min的入滲率比0.8 mm/min的入滲率大0.038和0.021 mm/min，說明在一定降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)雨滴對(duì)坡面雨水入滲具有促進(jìn)作用，即坡面處于穩(wěn)滲狀態(tài)時(shí)，入滲雨水主要受到重力、地表水壓力和雨滴沖擊力作用，雨滴沖擊地表加速雨水入滲，使部分靜止的毛管水也成為入滲水流。當(dāng)降雨強(qiáng)度超出這個(gè)范圍，地表結(jié)皮增厚，土顆粒間大孔隙數(shù)目減少，降雨促進(jìn)作用被削弱，入滲率隨降雨強(qiáng)度增大而減小。由圖1可知，紅土坡面的平均產(chǎn)流率隨產(chǎn)流歷時(shí)迅速增加并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且降雨強(qiáng)度越大坡面平均產(chǎn)流率變化幅度越大，到達(dá)穩(wěn)流時(shí)間就越短。在穩(wěn)流時(shí)期，坡面穩(wěn)定產(chǎn)流率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，且產(chǎn)流率增加的幅度比較均勻，對(duì)比穩(wěn)定入滲率，降雨強(qiáng)度從0.8 mm/min增加到2.0 mm/min時(shí)，穩(wěn)定入滲率的變化量?jī)H為0.09 mm/min，而穩(wěn)定產(chǎn)流率的變化量達(dá)到1.19 mm/min，這主要原因是云南紅土的顆粒組成以粒徑小于0.005 mm的黏粒含量居多，土壤大孔隙容易被入滲雨水?dāng)y帶的黏粒堵塞，使土壤滲透性變差，表現(xiàn)為穩(wěn)定入滲率較小。根據(jù)水量平衡原理，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，坡面穩(wěn)定入滲率變化幅度不大，大部分降水量轉(zhuǎn)換成坡面徑流量，因此坡面穩(wěn)定產(chǎn)流率大小主要是由降雨強(qiáng)度所決定的。

圖1　試驗(yàn)坡面平均入滲率和平均產(chǎn)流率隨時(shí)間變化

2.1.2降雨強(qiáng)度對(duì)紅土坡面侵蝕模數(shù)的影響降雨強(qiáng)度是影響土壤侵蝕的主要外因之一。由坡面每分鐘產(chǎn)生的侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(圖2)可以看出，在不同的降雨強(qiáng)度下，侵蝕模數(shù)隨降雨歷時(shí)變化的趨勢(shì)整體相同，呈先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。在產(chǎn)流初期，隨著徑流量的增大，侵蝕模數(shù)急劇上升，且降雨強(qiáng)度越大，曲線上升趨勢(shì)越陡，這是因?yàn)楫a(chǎn)流初期雨滴擊濺坡面堆積了大量散顆粒，隨著徑流的逐漸增大，松散顆粒首先被帶離坡面，使侵蝕模數(shù)急劇上升，而降雨強(qiáng)度的大小既決定了雨滴打擊表土的破壞能力，同時(shí)也決定了坡面徑流量的大小，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，更多的松散顆粒被徑流帶走，使曲線上升趨勢(shì)更陡，因此這階段在雨滴濺蝕和徑流沖刷的聯(lián)合作用下，坡面表現(xiàn)為侵蝕模數(shù)的迅速增加。在產(chǎn)流穩(wěn)定期，坡面的侵蝕模數(shù)逐漸減小，此時(shí)坡面的徑流量基本穩(wěn)定，坡面經(jīng)雨滴長(zhǎng)時(shí)間打擊后形成結(jié)皮，結(jié)皮隨降雨時(shí)間的持續(xù)不斷增厚，使土壤抵抗侵蝕的能力有所增強(qiáng)，雨滴擊打坡面的濺蝕作用被削弱，減少了坡面松散顆粒的來源，另一方面，徑流穩(wěn)定后對(duì)坡面的沖刷作用表現(xiàn)較為穩(wěn)定，這也是降雨后期侵蝕模數(shù)趨向于穩(wěn)定的原因。

圖2　侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化的過程

圖3為在20°坡條件下1小時(shí)侵蝕模數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化的關(guān)系圖。從圖4可以看出，隨著降雨強(qiáng)度的增加，坡面侵蝕模數(shù)也隨著增加，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度越大，雨滴濺蝕和徑流沖刷作用越強(qiáng)。將20°坡的1 h侵蝕模數(shù)與平均降雨強(qiáng)度進(jìn)行擬合。

圖3　試驗(yàn)坡面侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度的關(guān)系

(2)

式中：M——土壤侵蝕模數(shù)〔g/(m2·h)〕；P——平均降雨強(qiáng)度(mm/min)。

從擬合結(jié)果來看，紅土坡面侵蝕模數(shù)與平均降雨強(qiáng)度具有很好的冪函數(shù)關(guān)系。Wischmeier[14-15]通過對(duì)降雨特性與土壤侵蝕量的回歸分析，提出用一次降雨的總動(dòng)能(E)與該次降雨的最大30 min雨強(qiáng)I30的乘積作為降雨侵蝕力的定量指標(biāo)R，R指標(biāo)能夠很好地反映降雨特性對(duì)侵蝕模數(shù)的影響，被各國(guó)廣泛采用；周佩華、尚佰曉等[16-17]對(duì)降雨特性研究得出降雨動(dòng)能與平均降雨強(qiáng)度具有冪函數(shù)關(guān)系。由此可見，降雨侵蝕力可用平均降雨強(qiáng)度的冪函數(shù)表示，從而土壤侵蝕模數(shù)與平均降雨強(qiáng)度也存在冪函數(shù)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.2坡度對(duì)紅土坡面侵蝕模數(shù)的影響

坡度是重要的地形特征參數(shù)之一，坡度的陡緩反映了重力作用增加或減少的趨勢(shì)。在降雨強(qiáng)度為1.4 mm/min的條件下，開展5種坡度的侵蝕模型試驗(yàn)，點(diǎn)繪每次測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖4可以看出，不同坡度的坡面侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化的曲線形狀基本相同，都是在產(chǎn)流初期坡面侵蝕模數(shù)急劇上升，到徑流穩(wěn)定后侵蝕模數(shù)逐漸減少，然后慢慢趨向于穩(wěn)定。不同的是20°和25°的坡面侵蝕模數(shù)曲線變化幅度最大，達(dá)到侵蝕模數(shù)峰值的時(shí)間也較短，說明隨著坡度的改變，坡面的徑流量大小、徑流速度和徑流動(dòng)能等徑流特性產(chǎn)生了顯著變化，使坡面土顆粒的流失量變化幅度加大。在固定坡長(zhǎng)下，就坡度增加而言，徑流位置勢(shì)能轉(zhuǎn)換成徑流動(dòng)能后，徑流流速沿程不斷增加，使雨滴在坡面滯留時(shí)間縮短，大部分雨滴還未入滲就迅速匯入徑流，表現(xiàn)為入滲率減小，徑流量略有增加，且坡面松散顆粒隨坡度增加后穩(wěn)定性變差，更容易被徑流剝離和輸送。而在10°和15°坡度時(shí)，降雨作用使坡面產(chǎn)生徑流的時(shí)間通常較晚，20 min后才出現(xiàn)最大侵蝕模數(shù)，說明徑流能量較小，土顆粒的輸移能力不足，雖然理論上10°和15°承雨面積比20°坡面承雨面積大0.045和0.026倍，具有更大的徑流量，但剝離、輸移土顆粒的徑流總動(dòng)能是由徑流量和徑流流速共同決定的，20°坡位置勢(shì)能的增加產(chǎn)生更大的徑流動(dòng)能，導(dǎo)致坡面土壤產(chǎn)生更大的侵蝕模數(shù)。從30°坡的侵蝕模數(shù)曲線來看，從侵蝕發(fā)生到出現(xiàn)最大侵蝕模數(shù)時(shí)間比較短，說明坡面濺蝕產(chǎn)生的松散顆粒極不穩(wěn)定，在較高的坡面流速下非常容易被沖刷，提前出現(xiàn)了峰值現(xiàn)象。相比較20°和25°坡，30°坡的侵蝕模數(shù)反而下降，其主要原因是30°坡的承雨面積有了顯著的減小，擊打坡面的降雨總動(dòng)能減小，相對(duì)應(yīng)由濺蝕分散的土顆粒就減少。

圖4　試驗(yàn)坡面侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化的過程

圖5為在降雨強(qiáng)度為1.4 mm/min的條件下，1 h內(nèi)的侵蝕模數(shù)與坡度變化的關(guān)系曲線。從圖5可以看出，侵蝕模數(shù)隨坡度在10°～20°范圍內(nèi)呈遞增趨勢(shì)，坡度從25°～30°又呈減小趨勢(shì)，坡度為20°和25°的侵蝕模數(shù)大小非常接近。在試驗(yàn)的坡度范圍內(nèi)侵蝕模數(shù)與坡度可以很好地?cái)M合為二次多項(xiàng)式。

圖5　試驗(yàn)坡面侵蝕模數(shù)隨坡度變化的關(guān)系

M=-0.393S2+16.84S-53.64R2=0.991

(3)

式中：M——土壤侵蝕模數(shù)〔g/(m2·h)〕；S——坡度(°)。

把將公式(3)進(jìn)行求導(dǎo)，得到極值21.4°，即紅土坡面侵蝕的臨界坡度為21.4°。該試驗(yàn)結(jié)果與諸多學(xué)者提出的臨界坡度略有差異，曹文洪、劉青泉、李全勝等[6-8]通過理論計(jì)算得出臨界坡度范圍基本在40°～50°之間，但理論計(jì)算的公式往往忽略雨滴作用力項(xiàng)，得出的結(jié)果是以坡面徑流沖刷作用為主導(dǎo)的臨界坡度值，顯然理論計(jì)算的結(jié)果偏大；張會(huì)茹、張怡、王占禮等[9-11]通過試驗(yàn)測(cè)得臨界坡度值基本在20°～30°之間，產(chǎn)生差異的主要原因是研究角度的不同和土壤性質(zhì)的不同。因此，每個(gè)臨界坡度的提出都有其適用范圍，適用范圍應(yīng)該明確處于濺蝕、面蝕和溝蝕等哪個(gè)侵蝕階段和適用于黃土、紅壤和紫土等哪種土壤。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，本試驗(yàn)處于面蝕階段，由此可知，降雨作用下云南紅土發(fā)生坡面侵蝕的臨界坡度值在21.4°左右。

2.3坡長(zhǎng)對(duì)紅土坡面侵蝕模數(shù)的影響

坡長(zhǎng)是地形特征的另一重要參數(shù)，坡長(zhǎng)的長(zhǎng)短與坡面入滲、產(chǎn)流特性密切相關(guān)。試驗(yàn)在20°坡和1.4 mm/min降雨強(qiáng)度下進(jìn)行，把試驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成降雨過程中侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(圖6)。從圖6可以看出，在產(chǎn)流初期，隨著坡長(zhǎng)的增加，坡長(zhǎng)為1.0 m的坡面侵蝕模數(shù)隨產(chǎn)流歷時(shí)增長(zhǎng)較快，而坡長(zhǎng)為0.2 m的坡面侵蝕模數(shù)隨產(chǎn)流歷時(shí)增長(zhǎng)相對(duì)慢些，其主要原因在于：隨著坡長(zhǎng)增加，一方面，由徑流位能引起的徑流流速的增加，使坡面徑流具有更強(qiáng)的剝離、輸移土顆粒的能力；另一方面，坡面徑流流速增加就會(huì)減少坡面沿程的下滲量，從而使產(chǎn)流量增加，可以攜帶更多的顆粒。在徑流穩(wěn)定期，1.0 m坡長(zhǎng)的侵蝕過程中出現(xiàn)了峰值侵蝕模數(shù)3.6 g/(m2·min)，而0.2 m坡長(zhǎng)的峰值侵蝕模數(shù)只有1.2 g/(m2·min)，說明了坡長(zhǎng)對(duì)坡面侵蝕模數(shù)具有非常大的影響，這主要還是體現(xiàn)在徑流量、徑流流速、徑流動(dòng)能、徑流水深等徑流特性的變化對(duì)坡面侵蝕模數(shù)的影響上，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)對(duì)徑流特性的影響越大，雨滴在坡面匯聚成徑流后，徑流沿程動(dòng)能隨坡長(zhǎng)增加不斷增大，且徑流在途中再次受降雨雨滴的紊動(dòng)作用，促使徑流對(duì)坡面的沖刷和攜沙能力進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖6　試驗(yàn)坡面侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化的過程

在20°坡和1.4 mm/min降雨強(qiáng)度下，1 h侵蝕模數(shù)與坡長(zhǎng)的關(guān)系如圖7所示。圖7表明，在一定的坡長(zhǎng)范圍內(nèi)，隨著坡長(zhǎng)的增加，侵蝕模數(shù)呈上升趨勢(shì)，用二次多項(xiàng)式能很好地?cái)M合侵蝕模數(shù)和坡長(zhǎng)的關(guān)系，R2值達(dá)到0.9以上。

圖7　試驗(yàn)坡面侵蝕模數(shù)與坡長(zhǎng)的關(guān)系

M=93.15λ2-39.99λ+72.79(R2=0.999)

(4)

式中：M——侵蝕模數(shù)〔g/(m2·h)〕；λ——坡長(zhǎng)(m)。

比較以往的研究成果，劉和平[18]通過室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)、Lal[19]通過徑流小區(qū)天然降雨資料分析都證明了坡面侵蝕模數(shù)與坡長(zhǎng)存在二次多項(xiàng)式的關(guān)系，本研究在降雨試驗(yàn)條件下亦得出相似結(jié)論，只是式中的系數(shù)因試驗(yàn)降雨強(qiáng)度、坡長(zhǎng)和土壤性質(zhì)等條件的不同有所不同。

3　結(jié) 論

(1) 坡面入滲率隨著降雨強(qiáng)度的增加，總體呈減小趨勢(shì)，在一定降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)，坡面穩(wěn)滲率有微小的變化；坡面產(chǎn)流率隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加，因紅土入滲率對(duì)產(chǎn)流率的影響較小，降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流率起了主導(dǎo)作用；坡面侵蝕模數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，坡面侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度呈冪函數(shù)增加。

(2) 不同坡度的坡面侵蝕模數(shù)隨降雨時(shí)間變化都表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)坡度從10°增加到30°時(shí)，坡面侵蝕模數(shù)隨坡度增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，在21.4°存在臨界坡度。

(3) 坡長(zhǎng)對(duì)紅土坡面侵蝕模數(shù)的影響主要表現(xiàn)為坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，坡面侵蝕模數(shù)就越大，且坡面侵蝕模數(shù)與坡長(zhǎng)呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。

(4) 試驗(yàn)得到了坡面侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度具有冪函數(shù)關(guān)系，簡(jiǎn)化了以往計(jì)算降雨動(dòng)能、降雨侵蝕力來預(yù)測(cè)侵蝕模數(shù)；試驗(yàn)得到了紅土坡面在面蝕階段的臨界坡度值，該值與前人研究的臨界坡度值有差異，但更適用于云南紅土邊坡；試驗(yàn)得到了坡面侵蝕模數(shù)與坡長(zhǎng)的關(guān)系，這與部分學(xué)者的結(jié)論相似，但試驗(yàn)坡長(zhǎng)條件受到模型尺寸的約束，因此該結(jié)論適用于短坡條件。

(5) 本試驗(yàn)考慮了降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)作為單一變量來研究紅土坡面的侵蝕特性變化，并沒有模擬自然環(huán)境中降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)等因素隨機(jī)組合影響坡面侵蝕的情況，故尚需進(jìn)一步開展不同降雨特性、地形因子相互組合的試驗(yàn)研究。

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Erosion Characteristics of Yunnan Laterite Under Artificial Rainfall Conditions

HONG Bin， ZHANG Zulian， HUANG Ying， LIANG Jianjie， QIU Guangui

(FacultyofElectricPowerEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming，Yunnan650500,China)

[Objective] Revealing the slope erosion of Yunnan laterite as dependent variable caused by independent variables of rainfall intensity, slope gradient, slope length in order to provide bases for the prevention and control of soil erosion in Yunnan laterite area. [Methods] Artificial rainfall erosion was simulated indoor and analyzed theoretically. [Results] (1) The slope erosion of Yunnan laterite could be regressed significantly with rainfall intensity, slope gradient, slope length(R2>0.95). (2) Under certain slope gradient and length, the slope erosion modulus of laterite had power function relationship with rainfall intensity as independent variable. (3) Under certain rainfall intensity and slope length, the slope erosion modulus of laterite had a quadratic polynomial relationship with slope gradient. (4) Under certain rainfall intensity and slope gradient, the slope erosion modulus of laterite had a quadratic polynomial relationship with slope length. [Conclusion] The slope erosion modulus of Yunnan laterite increased with the increase of rainfall intensity. When the slope was less than the critical slope 21.4°, slope erosion modulus increased with the increase of slope. When the slope is greater than the critical slope 21.4°, slope erosion modulus decreased with the increase of slope. The slope erosion modulus increased with the increase of the slope length.

Yunnan laterite； erosion modulus； rainfall intensity； slope length； slope gradient

2015-10-20

2015-11-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“云南紅土型水庫(kù)庫(kù)岸侵蝕失穩(wěn)機(jī)理研究”(51269006)， “污染紅土宏微觀響應(yīng)及污染物的遷移機(jī)制研究”(51168022)， “云南紅土型大壩的干濕循環(huán)效應(yīng)研究”(51568031)

洪斌(1986—)，男(漢族)，浙江省紹興市人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥狼治g和水土保持。E-mail：200602926@163.com。

張祖蓮(1964—)，女(漢族)，云南省昆明市人，副教授，主要從事巖土工程及水利水電工程方面的研究。E-mail：zhangzulian@2008.sina.com。

試驗(yàn)研究

A

1000-288X(2016)04-0118-06

S157.1