黃土高原地區(qū)魚(yú)鱗坑坡面侵蝕演化過(guò)程及水力學(xué)特征*

郭慧莉 孫立全 吳淑芳? 李宜坪 張永東

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 重慶市萬(wàn)盛經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)水務(wù)局，重慶萬(wàn)盛 400800）

黃土高原地區(qū)魚(yú)鱗坑坡面侵蝕演化過(guò)程及水力學(xué)特征*

郭慧莉1孫立全1吳淑芳1?李宜坪1張永東2

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 重慶市萬(wàn)盛經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)水務(wù)局，重慶萬(wàn)盛 400800）

為明確魚(yú)鱗坑坡面抗侵蝕演化過(guò)程及其水流水力學(xué)特性，采用間歇性人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)，對(duì)魚(yú)鱗坑坡面水流水力學(xué)特性以及阻力規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：（1）魚(yú)鱗坑坡面侵蝕演化過(guò)程表現(xiàn)為：雨滴濺蝕—片蝕—股流沖刷—跌坑—細(xì)溝侵蝕—下切侵蝕—溯源侵蝕—崩塌。（2）隨著降雨歷時(shí)的增加，由于魚(yú)鱗坑的層層攔截與蓄滿，其下方的坡面徑流流速、水深均呈波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)，坑內(nèi)出現(xiàn)旋渦，坡面徑流呈現(xiàn)斷續(xù)股流。降雨累積歷時(shí)為58 min左右，總降雨量達(dá)到87 mm時(shí)，魚(yú)鱗坑侵蝕量急劇增加，攔蓄徑流作用失效。（3）五場(chǎng)降雨過(guò)程中，上坡和中坡水流流態(tài)為層流，下坡由于魚(yú)鱗坑蓄滿后徑流出現(xiàn)波動(dòng)，水流流態(tài)由層流變?yōu)槲闪髑視r(shí)而為緩流時(shí)而為急流。（4）魚(yú)鱗坑坡面水流阻力來(lái)源于降雨阻力、顆粒阻力、形態(tài)阻力疊加，在整個(gè)降雨過(guò)程中阻力總和呈下降趨勢(shì)；其中，受地形高低起伏、地表糙度的影響，形態(tài)阻力一直居于主導(dǎo)地位。

魚(yú)鱗坑坡面；間歇性降雨；侵蝕演化過(guò)程；水力學(xué)特性

在黃土高原干旱半干旱地區(qū)，降水是維持植物生長(zhǎng)的唯一水分來(lái)源，土壤水分不足已成為林木正常生長(zhǎng)發(fā)育及水土保持效益發(fā)揮的主要限制因子［1］。如何有效地保護(hù)和利用水土資源，提高水分利用效率，因地制宜地采用合適的造林整地措施，并做到生態(tài)環(huán)境改善，對(duì)于黃土高原來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要且急需解決的問(wèn)題。

魚(yú)鱗坑措施是通過(guò)改變微地形縮短徑流線，加強(qiáng)降水的就地?cái)r蓄和入滲來(lái)使土壤含水量顯著提高［2］。坡面上采取魚(yú)鱗坑措施，可以有效地?cái)r截地表徑流，減少坡面水土流失，同時(shí)也起到改善坡面上壤水分的作用，從而為植被生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的水分條件［3］。因此，眾多學(xué)者對(duì)半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)不同立地類型不同規(guī)格的魚(yú)鱗坑的集水效果以及魚(yú)鱗坑的土壤含水量、侵蝕量等進(jìn)行了大量研究［4-5］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大魚(yú)鱗坑整地的林地土壤含水量較高，土壤侵蝕量較少，適宜在黃土溝壑區(qū)的造林過(guò)程中應(yīng)用和推廣，在布設(shè)魚(yú)鱗坑時(shí)，要根據(jù)不同立地類型配置不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的魚(yú)鱗坑，在實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也得以有效改善。孫軍［6］對(duì)黃土高原延河流域不同水土保持措施及土壤水文生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出魚(yú)鱗坑措施在中小降雨量時(shí)，蓄水保水效應(yīng)較佳，是較適合于黃土高原的土地利用方式；但在次降雨量較大時(shí)，魚(yú)鱗坑措施的減流效果不穩(wěn)定，變化在5.56%～33.90%之間。王青寧等［7］研究了黃土坡面植被重建魚(yú)鱗坑整地的土壤水分特征，結(jié)果表明：魚(yú)鱗坑的雨季蓄水過(guò)程明顯，春季陽(yáng)坡魚(yú)鱗坑較原狀荒坡的含水量增幅均值可達(dá)18.18%，其改善土壤水分狀況的程度高于陰坡（增幅均值為9.93%）；李虹辰［8］研究了黃土丘陵區(qū)旱作棗園魚(yú)鱗坑與覆蓋措施土壤水分動(dòng)態(tài)效應(yīng)，研究得出生長(zhǎng)季內(nèi)魚(yú)鱗坑+樹(shù)枝覆蓋、魚(yú)鱗坑+秸稈覆蓋、魚(yú)鱗坑無(wú)覆蓋處理0～180 cm土層平均土壤含水量較對(duì)照均有提高，其中以魚(yú)鱗坑+樹(shù)枝覆蓋效果最好，平均含水量較對(duì)照提高14.2%。不同魚(yú)鱗坑和覆蓋組合措施，次降雨量對(duì)土壤水分的影響主要集中在100 cm以內(nèi)，對(duì)深層土壤水分影響不顯著。吳淑芳等［9］對(duì)魚(yú)鱗坑坡面薄層水流剝離土壤顆粒的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨放水流量增加，坡面流速迅速增大，導(dǎo)致水流切應(yīng)力、單位水流功率、徑流動(dòng)能增大，進(jìn)而水流對(duì)土壤顆粒的剝離能力增強(qiáng)，最終土壤侵蝕加劇。

盡管魚(yú)鱗坑工程措施在黃土高原地區(qū)有著顯著的蓄水?dāng)r沙功能，但當(dāng)遇到強(qiáng)降雨時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生破壞性的土壤侵蝕。吳淑芳［3］研究得出：當(dāng)在15°左右的坡面上，上方匯水流量超過(guò)3.0 m3h-1，魚(yú)鱗坑內(nèi)水流形成漩渦，坑內(nèi)壁逐漸被徑流剝蝕、沖擊直至嚴(yán)重破壞，進(jìn)而下方的魚(yú)鱗坑攔蓄徑流作用失效。唐小娟［10］對(duì)魚(yú)鱗坑的蓄水?dāng)r沙作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)魚(yú)鱗坑在開(kāi)始有一些攔蓄作用，但是一旦魚(yú)鱗坑蓄滿后被大雨沖垮，則失去蓄水?dāng)r沙的功能，反而對(duì)坡面有破壞作用。

綜上諸多學(xué)者對(duì)魚(yú)鱗坑的水土保持效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，在研究過(guò)程中仍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。第一，以往大多研究集中于魚(yú)鱗坑的土壤水分狀況、不同規(guī)格魚(yú)鱗坑集水效果、魚(yú)鱗坑與覆蓋措施結(jié)合的土壤水分動(dòng)態(tài)效應(yīng)以及魚(yú)鱗坑對(duì)植被生長(zhǎng)影響研究，對(duì)同一地表采用間歇性降雨，觀測(cè)魚(yú)鱗坑坡面的圖形化的動(dòng)態(tài)侵蝕演化過(guò)程、侵蝕發(fā)生的重點(diǎn)部位及侵蝕參數(shù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程還未見(jiàn)報(bào)道。近年來(lái)，越來(lái)越多的高新技術(shù)被應(yīng)用于侵蝕研究，例如計(jì)算機(jī)軟件［11］、高清晰攝像設(shè)備［12］和微地形掃描技術(shù)［13-14］等，這些技術(shù)的使用使得坡面侵蝕現(xiàn)象能夠被更加精確地監(jiān)測(cè)和更加全方位地揭示。第二，近年來(lái)，對(duì)于坡面流水力學(xué)特性的研究，眾多學(xué)者主要集中對(duì)整個(gè)坡面在平均狀態(tài)條件下進(jìn)行研究，然而類似魚(yú)鱗坑這種復(fù)雜地形的坡面，其坡面流作為三維非恒定、非均勻沿程變量流，隨地形高低起伏變化，其流動(dòng)形態(tài)千變?nèi)f化，均勻流理論很難揭示水力學(xué)特性在非均勻坡面上的變化情況，尤其是坡面流速的獲取、水深的計(jì)算，水流阻力的計(jì)算。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究擬采用三維激光掃描儀，借助ArcGIS 軟件，對(duì)魚(yú)鱗坑典型坡面進(jìn)行了五場(chǎng)降雨的侵蝕演化過(guò)程分析，試圖實(shí)現(xiàn)此過(guò)程的圖形化與數(shù)字化，并分析魚(yú)鱗坑坡面流的水力學(xué)特性以及其所受的阻力規(guī)律，以期對(duì)黃土高原魚(yú)鱗坑工程措施合理布設(shè)提供理論依據(jù)與決策支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土為黃綿土，用Mastersize2000激光粒度儀測(cè)定其機(jī)械組成，其中砂粒（2～0.02 mm），粉粒（0.02～0.002 mm），黏粒（＜0.002 mm）分別占35.25%、54.54%和10.21%，以上均為體積分?jǐn)?shù)，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。土樣風(fēng)干后過(guò)10 mm篩，并將其填裝于長(zhǎng)5 m、寬1 m、高0.5 m，坡度為15°的土槽中。裝土之前先在土槽底部鋪15 cm厚天然沙，細(xì)沙上鋪透水紗布，以保證試驗(yàn)土的透水性接近于天然坡面，土壤容重控制在1.1～1.3 g cm-3。

試驗(yàn)?zāi)M了黃土高原普遍采取的水土保持措施魚(yú)鱗坑。魚(yú)鱗坑是在填充好的土槽內(nèi)沿坡面方向挖半圓形坑，呈“品”字形排列，深度10 cm，半圓直徑30 cm（如圖1，圖2為5場(chǎng)降雨結(jié)束后的坡面形態(tài)）。土槽下端安裝集流裝置，用來(lái)收集徑流、采集泥沙樣。

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室模擬降雨大廳進(jìn)行，試驗(yàn)采用降雨設(shè)備為下噴式自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng)，噴頭高度16 m，降雨強(qiáng)度設(shè)定為90 mm h-1左右，進(jìn)行5場(chǎng)間歇性降雨，每場(chǎng)降雨間隔3～5 d，待表面無(wú)積水、較干燥時(shí)，進(jìn)行下一場(chǎng)降雨。降雨歷時(shí)依據(jù)坡面出現(xiàn)明顯的微地形變化特征來(lái)確定。待坡面產(chǎn)流后每隔 2 min接取徑流泥沙樣，降雨結(jié)束后用量筒測(cè)量并計(jì)算獲取瞬時(shí)徑流量，用烘干法得到徑流含沙量。細(xì)溝內(nèi)流速用QYLS－303型坡面薄層水流流速測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，采用高錳酸鉀染色法測(cè)定距坡頂1 m、3 m、5 m的坡面水流流速，間隔4 min，測(cè)距1 m，同時(shí)用水位測(cè)針測(cè)量上、中、下坡面及細(xì)溝內(nèi)水深。

為驗(yàn)證坡面薄層水流流速自動(dòng)測(cè)量?jī)x與高錳酸鉀染色法之間所測(cè)流速的差異性，試驗(yàn)開(kāi)始前，在裝好土的3 m土槽內(nèi)，地表面人工形成具有一定溝網(wǎng)形態(tài)的細(xì)溝，對(duì)細(xì)溝內(nèi)的流速分別采用這兩種方法進(jìn)行測(cè)量，且兩種方法的誤差均在10%以內(nèi)，最大為9.7%，最小為0.5%，因此，本試驗(yàn)利用這兩種方法的測(cè)定值確定了修正系數(shù)（0.96），盡量保證數(shù)據(jù)的一致性。

圖1 魚(yú)鱗坑初始地形Fig. 1 Initial form of fish-scale pits

1.2 細(xì)溝侵蝕參數(shù)計(jì)算

首先采用大型三維激光掃描儀獲取地表高程數(shù)據(jù)。具體測(cè)量前要對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察，按照小區(qū)坡面的實(shí)際情況設(shè)定激光掃描儀的安裝位置和靶點(diǎn)的架設(shè)位置。試驗(yàn)中由于魚(yú)鱗坑坡面變化較大，同時(shí)侵蝕溝道發(fā)育深淺不一，而激光掃描儀的掃描角度又受到限制（上下270°、左右360°）。為此，本研究將測(cè)量區(qū)域劃分為4個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，各個(gè)測(cè)量站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)靠標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行拼接，然后開(kāi)始體表的掃描。掃描時(shí)，除第一場(chǎng)降雨外，其后每場(chǎng)降雨初始地形均為前一場(chǎng)的終極地形，獲取精度為1 mm的DEM數(shù)據(jù)，第一場(chǎng)降雨前掃描地形DEM數(shù)據(jù)記作A0。降雨一定時(shí)間后地表形態(tài)發(fā)生微小變化時(shí)停止降雨，靜置至土槽表面水充分入滲，再次掃描地表所得DEM數(shù)據(jù)記作A1。待降雨后的土槽表面（A1）無(wú)積水時(shí)，且放置若干天（待室外天氣而定），在A1的基礎(chǔ)上可繼續(xù)進(jìn)行第二次降雨，降雨后再次掃描地表所得DEM數(shù)據(jù)記作A2。依此類推，分別記作A3、A4、A5，直至最后一場(chǎng)降雨坡面有較大細(xì)溝出現(xiàn)，坡面大體形態(tài)沒(méi)有太大變化時(shí)，停止該處理的降雨試驗(yàn)。采用ScanMaster軟件對(duì)三維激光掃描儀所得土槽地形高程DEM（A1、A2、A3、A4、A5）進(jìn)行去噪、拼接等初始處理，從而得到去除無(wú)效點(diǎn)后同一坐標(biāo)系下的完整坡面高程數(shù)據(jù)。

之后，將高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 軟件中，得到坡面細(xì)溝侵蝕動(dòng)態(tài)演化過(guò)程圖，同時(shí)以溝深≥1cm侵蝕深度作為確定侵蝕溝的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)細(xì)溝溝網(wǎng)和細(xì)溝面積進(jìn)行提取并量取細(xì)溝溝寬，在此基礎(chǔ)上計(jì)算細(xì)溝平面密度和平均深度［15］。

1.3 水力學(xué)參數(shù)計(jì)算

借鑒河流動(dòng)力學(xué)原理和方法，用相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)坡面流水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，包括無(wú)量綱參數(shù)雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr。各水力學(xué)參數(shù)計(jì)算公式如下：

圖2 魚(yú)鱗坑的最終地形Fig. 2 Ultima form of fish-scale pits

式中，U為流速，m s-1；h為水深，m；ν為水運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，取值為 7. 0 ×10-5m2s-1。

式中，g為重力加速度，m s-2。

1.4 阻力參數(shù)計(jì)算

利用Abrahams等［16］提出的坡面水流阻力分類方法，根據(jù)不同地表處理的阻力來(lái)源，坡面流阻力分為顆粒阻力fg、形態(tài)阻力ff、波阻力fw和降雨阻力fr，并且四種阻力可以疊加，疊加后的阻力為坡面流總阻力f。

由于本研究所有處理均未涉及地表覆蓋物、植被、礫石等粗糙源，所以波阻力為零，各地表的疊加阻力f=fg+ff+fr。

2 結(jié) 果

2.1 魚(yú)鱗坑坡面侵蝕發(fā)育演化過(guò)程研究

通過(guò)應(yīng)用 Scan Master 以及 ArcGIS 軟件對(duì)5 場(chǎng)間歇性降雨坡面侵蝕形態(tài)發(fā)育過(guò)程實(shí)現(xiàn)了圖像化和侵蝕參數(shù)的數(shù)字化提取，如圖5所示。從圖中可以看出，在前兩場(chǎng)降雨過(guò)程中，魚(yú)鱗坑坡面并無(wú)明顯變化，降雨初期，坡面土壤含水量比較低，降雨大多就地入滲，加之魚(yú)鱗坑橫向切斷徑流，層層攔截，使得徑流的產(chǎn)、匯流過(guò)程重新分布，并將一部分降雨蓄納在魚(yú)鱗坑內(nèi)；隨著降雨歷時(shí)的增加，土壤含水量增大，14.23 min后，部分魚(yú)鱗坑被填滿，整個(gè)過(guò)程中魚(yú)鱗坑坡面以雨滴濺蝕和片蝕為主，部分出現(xiàn)小股流及較小跌坎。最大跌坑長(zhǎng)3.3 cm，寬2.7 cm，深1.4 cm。第3場(chǎng)降雨開(kāi)始前，坡面表層土壤含水量已達(dá)20.23 %，在降雨0.87 min后坡面開(kāi)始產(chǎn)流，且在降雨4.60 min后魚(yú)鱗坑被填滿，此時(shí)坡面股流增加，徑流沖刷作用加大，魚(yú)鱗坑初始形態(tài)開(kāi)始被破壞，坡面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕，在坡面中部魚(yú)鱗坑內(nèi)產(chǎn)生一條長(zhǎng)28 cm的小細(xì)溝。至第4場(chǎng)降雨，魚(yú)鱗坑形態(tài)進(jìn)一步遭到破壞，且發(fā)生下切侵蝕，坡面上新形成兩條細(xì)溝流路，一條出現(xiàn)在魚(yú)鱗坑內(nèi)，一條在中下部坡面上。此時(shí)最長(zhǎng)溝長(zhǎng)達(dá)53 cm，溝寬11.8 cm，溝深5.5 cm。至第5場(chǎng)降雨，坡面中部細(xì)溝變化緩慢，而上部和下部?jī)蓷l細(xì)溝繼續(xù)發(fā)育，出現(xiàn)溯源侵蝕現(xiàn)象，溝長(zhǎng)分別較第4場(chǎng)降雨增加了28.6 cm和27 cm。此時(shí)最長(zhǎng)溝長(zhǎng)、溝寬、溝深較細(xì)溝出現(xiàn)初期增加至80 cm、22 cm和7.8 cm，如表2所示。

圖3 魚(yú)鱗坑坡面細(xì)溝形態(tài)發(fā)育過(guò)程Fig. 3 Rill morphological development process of fish scale pits

表1 魚(yú)鱗坑處理細(xì)溝侵蝕參數(shù)Table 1 Parameters of rill erosion of fish-scale pit

2.2 魚(yú)鱗坑坡面流流速

坡面徑流的流速直接關(guān)系到坡面水蝕的土壤分離、泥沙輸移和沉積過(guò)程，是計(jì)算其他水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)。因此對(duì)坡面徑流流速及其分布的研究至關(guān)重要［17-18］。圖4是魚(yú)鱗坑處理坡面流速時(shí)空分布圖，由圖可以看出：坡面流速總體上隨降雨場(chǎng)次增加而增加，就單次降雨而言，由于魚(yú)鱗坑高低起伏特征，不同坡位的流速呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)且由于下坡匯流面積大，下坡流速明顯大于中坡和上坡流速。產(chǎn)流初期，隨著降雨歷時(shí)的增加，徑流量增加，流速增大，但是從20 min左右開(kāi)始，下坡流速開(kāi)始下降而至25 min左右又開(kāi)始上升，這是由于坡面徑流在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)攜帶泥沙，當(dāng)攜帶泥沙量較大時(shí)，來(lái)沙量超過(guò)徑流的輸移能力，流速減小，泥沙便會(huì)沉積，填平小坑洼地，坡面粗糙度降低，徑流含沙量減少，流速又開(kāi)始上升。在第2場(chǎng)降雨過(guò)程中，由于第1場(chǎng)降雨作用，減小了坡面粗糙度，坡面流速呈現(xiàn)大幅增加的趨勢(shì)。由于從第3場(chǎng)降雨開(kāi)始，坡面出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕且魚(yú)鱗坑遭到破壞，地表起伏變化大，流速在后3場(chǎng)降雨過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)變化。第4場(chǎng)降雨末期，下坡流速增大至峰值后至第5場(chǎng)降雨又有所降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谶@期間，中下部魚(yú)鱗坑被填埋，地表粗糙度顯著降低，水流流速增加，之后，由于水流繞過(guò)魚(yú)鱗坑形成溝道，各溝道貫通后侵蝕加劇，徑流泥沙迅速增大，導(dǎo)致流速減小。

圖4 魚(yú)鱗坑處理流速時(shí)空分布圖Fig. 4 The temporal and spatial distribution of velocity of fish scale pits

2.3 魚(yú)鱗坑坡面流水深

由圖5可以看出，坡面水深與坡面流速有相同的變化趨勢(shì)，總體上是逐漸增長(zhǎng)的。在第1場(chǎng)降雨過(guò)程中，由于水流下沖力，隨著流量的增加一部分水流來(lái)不及下滲，使得坡面徑流深隨時(shí)間累積歷時(shí)的增加而增大，此外，魚(yú)鱗坑對(duì)水流的層層攔蓄使得上坡和中坡水深大于下坡水深，且波動(dòng)變化。在第2、3場(chǎng)降雨過(guò)程中，由于土壤含水量增大以及坡上方魚(yú)鱗坑逐漸被水流填滿，隨著降雨歷時(shí)和流量的增加，坡面徑流深也逐漸增加，并且坡度作用使得下坡水深最大。之后，由于細(xì)溝侵蝕和魚(yú)鱗坑破壞加劇，增加了坡面徑流的隨機(jī)性和不確定性，從而增加了坡面徑流深的波動(dòng)變化和不確定性。在第4場(chǎng)降雨過(guò)程中，坡面水深的變化幅度明顯增大，這是因?yàn)殡S著大多數(shù)魚(yú)鱗坑被沖垮，整個(gè)坡面地表形態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致了坡面徑流深隨降雨歷時(shí)的增加而忽增忽減。由于，坡上方溝道流路加深加寬，大量水流由細(xì)溝流向下坡，使得在第5場(chǎng)降雨中，下坡水深明顯大于上坡和中坡水深。

2.4 魚(yú)鱗坑坡面層流與紊流

雷諾數(shù)是判別層流和紊流的定量準(zhǔn)則，表征水流慣性力與黏性力比值的無(wú)量綱參數(shù)。由圖6可以看出，坡面雷諾數(shù)隨降雨歷時(shí)的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，在整個(gè)降雨過(guò)程中，上坡和中坡雷諾數(shù)均小于500，水流流態(tài)為層流，下坡雷諾數(shù)在前4場(chǎng)降雨過(guò)程中小于500至第5場(chǎng)降雨時(shí)超過(guò)500，水流流態(tài)由層流變?yōu)槲闪?。上坡雷諾數(shù)變化范圍在23.87～241.2，中坡雷諾數(shù)變化范圍在28.64～289.4，下坡雷諾數(shù)變化范圍在32.98～613. 4，且變化幅度隨降雨歷時(shí)的增加而增大。結(jié)合試驗(yàn)的觀測(cè)記錄分析可知，在徑流沖刷初期，跌坎細(xì)溝尚未出現(xiàn)，徑流在從坡上向坡下流動(dòng)的過(guò)程中，流速逐漸增大，在慣性力和粘滯力的對(duì)比關(guān)系中，徑流慣性力占比越來(lái)越大，所以雷諾數(shù)逐漸增大，水流紊動(dòng)性增加。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，坡面開(kāi)始出現(xiàn)跌坎且魚(yú)鱗坑被破壞，水流含沙量增大，雷諾數(shù)減小，這與趙春紅［19］的研究結(jié)果一致。圖中還顯示出在第3、4場(chǎng)降雨過(guò)程中，雷諾數(shù)變化幅度明顯增強(qiáng)，這是由于從第3場(chǎng)降雨開(kāi)始，發(fā)生細(xì)溝侵蝕且侵蝕進(jìn)一步加劇，出現(xiàn)溯源侵蝕，魚(yú)鱗坑也進(jìn)一步遭到破壞，使得雷諾數(shù)出現(xiàn)變化幅度更大的波動(dòng)性增長(zhǎng)。在整個(gè)降雨試驗(yàn)過(guò)程中，下坡雷諾數(shù)最大，上坡和中坡的雷諾數(shù)較為接近，這是因?yàn)橄缕聟R流面積大，而匯流會(huì)增加水流紊動(dòng)性［20］。

圖5 魚(yú)鱗坑處理水深時(shí)空分布圖Fig. 5 The temporal and spatial distribution of runoff depth of fish scale pits

圖6 魚(yú)鱗坑處理雷諾數(shù)時(shí)空分布圖Fig. 6 The temporal and spatial distribution of Reynolds number of fish scale pits

2.5 魚(yú)鱗坑坡面急流與緩流

弗勞德數(shù) Fr是表征水流流態(tài)的無(wú)量綱水力參數(shù)之一，它是水流慣性力與重力的比值。由圖7可以看出，無(wú)論是上坡還是中坡與下坡，弗勞德數(shù)均呈現(xiàn)大幅度的波動(dòng)式變化，沒(méi)有明顯的規(guī)律性。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，上坡弗勞德數(shù)的變化范圍在0.430～1.849，中坡弗勞德數(shù)的變化范圍在0.456～1.761，下坡弗勞德數(shù)的變化范圍在0.521～2.186。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，從第2場(chǎng)降雨開(kāi)始，各坡位弗勞德數(shù)的變化頻率和變化幅度均明顯增大，結(jié)合試驗(yàn)觀測(cè)記錄分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可知，從第2場(chǎng)降雨開(kāi)始，魚(yú)鱗坑坡面的原始性狀開(kāi)始遭到破壞，坡面上從出現(xiàn)小跌坑到細(xì)溝產(chǎn)生再到細(xì)溝侵蝕加劇出現(xiàn)溯源侵蝕，魚(yú)鱗坑從遭到輕微破壞到更大面積的嚴(yán)重破壞，這些現(xiàn)象共同導(dǎo)致了坡面弗勞德數(shù)的大幅波動(dòng)式變化。

圖7 魚(yú)鱗坑處理弗勞德數(shù)時(shí)空分布圖Fig. 7 The temporal and spatial distribution of Froude number of fish scale pits

2.6 魚(yú)鱗坑水流阻力分布規(guī)律

圖8顯示的是魚(yú)鱗坑處理坡面水流阻力隨降雨累積時(shí)間的變化過(guò)程圖。由圖可以看出，顆粒阻力、降雨阻力有著相同的波動(dòng)變化特征，總體上均呈波動(dòng)式減小的趨勢(shì)。其中，坡下方顆粒阻力、降雨阻力和疊加阻力的波動(dòng)幅度明顯大于坡上方。結(jié)合試驗(yàn)觀測(cè)記錄進(jìn)一步分析可知，隨著降雨的進(jìn)行，坡面表層的松散土壤顆粒一方面會(huì)由于雨滴的擊濺作用變緊實(shí)，另一方面，雨滴會(huì)攜帶疏松土壤，對(duì)坡面土壤顆粒產(chǎn)生分散作用，松散的土壤顆粒逐漸被降雨帶走，此外，濺起的土壤顆粒會(huì)落在小洼地，減小坡面粗糙度，顆粒阻力隨之減小。同時(shí)，隨著降雨的進(jìn)行，坡面土壤含水量逐漸增加，使得雨滴打擊造成水流延遲產(chǎn)生的相應(yīng)附加阻力減小。27 min后，顆粒阻力、降雨阻力和疊加阻力開(kāi)始增大，對(duì)比此時(shí)雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在顆粒阻力和降雨阻力增大的同時(shí)雷諾數(shù)減小，這可能是由于27 min后，隨著被水流填滿的魚(yú)鱗坑開(kāi)裂和小跌坎的出現(xiàn)，坡面粗糙度增大，含沙量增大，雷諾數(shù)減小，阻力增大，這與張寬地等［21-22］在裸地和植被覆蓋度較小的情況下的研究結(jié)果一致。從第2場(chǎng)降雨至第4場(chǎng)降雨，各坡位阻力的大幅波動(dòng)變化是由于從第2場(chǎng)降雨開(kāi)始，坡面出現(xiàn)股流沖刷，產(chǎn)生跌坑和細(xì)溝，至第4場(chǎng)降雨開(kāi)始魚(yú)鱗坑被進(jìn)一步破壞，增加了阻力變化的波動(dòng)性。之后，由于細(xì)溝的發(fā)育和魚(yú)鱗坑的破壞已經(jīng)基本穩(wěn)定，能被水流帶走的泥沙顆粒逐漸減少并趨于穩(wěn)定，所以阻力也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由于魚(yú)鱗坑坡面微地形的特殊性，整個(gè)降雨過(guò)程中形態(tài)阻力均占主導(dǎo)地位，并隨著魚(yú)鱗坑的逐漸破壞而呈減小趨勢(shì)。

3 討 論

3.1 魚(yú)鱗坑保蓄水效用

針對(duì)黃土高原魚(yú)鱗坑措施攔蓄徑流減少土壤侵蝕的問(wèn)題，魚(yú)鱗坑措施是通過(guò)對(duì)坡面徑流進(jìn)行攔蓄和重新分配，增加坡面土壤水分入滲，在一定程度上促進(jìn)林木生長(zhǎng)發(fā)育。但是，在不同的坡度、降雨強(qiáng)度和流量條件下，魚(yú)鱗坑的保蓄水效果不同。唐小娟［10］研究表明，在10°坡面徑流小區(qū)上，當(dāng)降雨總量為52.5 mm時(shí)，柿子樹(shù)+魚(yú)鱗坑措施蓄水效果明顯優(yōu)于無(wú)魚(yú)鱗坑措施的柿子樹(shù)，當(dāng)降雨總量達(dá)到88.9 mm時(shí)，魚(yú)鱗坑被大雨沖垮，徑流調(diào)控作用失效。在20°坡面徑流小區(qū)上，當(dāng)降雨總量達(dá)到104.4 mm時(shí)，魚(yú)鱗坑徑流系數(shù)和侵蝕量均高于對(duì)照，同樣，在強(qiáng)降雨下魚(yú)鱗坑被大雨所沖垮，無(wú)法起到保水蓄水的作用，且加劇了下方坡面的土壤侵蝕。本研究是在15°坡面上，雨強(qiáng)為1.50 mm min-1左右條件下，研究得出從第3場(chǎng)降雨開(kāi)始，即降雨累積歷時(shí)為58 min，總降雨量達(dá)到87 mm時(shí)，坡上方的細(xì)溝逐漸發(fā)育，水流匯集流速加大，增大下方魚(yú)鱗坑內(nèi)水流的紊動(dòng)性，出現(xiàn)魚(yú)鱗坑邊壁被掏蝕、下切、崩塌等一系列過(guò)程，侵蝕量顯著增加，無(wú)法起到蓄水作用。

由此可見(jiàn)，坡度、雨強(qiáng)和降雨量均對(duì)魚(yú)鱗坑的保水作用均有著重要的影響，在坡度不同的坡面上，強(qiáng)度與流量不同的降雨，對(duì)不同規(guī)格魚(yú)鱗坑的沖刷效果不同，故應(yīng)因地制宜，綜合考慮當(dāng)?shù)氐匦?、降雨特性等多方面影響因素，合理?guī)劃布設(shè)魚(yú)鱗坑，也可以結(jié)合覆蓋及其他工程措施來(lái)增加魚(yú)鱗坑的保水蓄水效果，使魚(yú)鱗坑效益最大化。

圖8 魚(yú)鱗坑處理水流阻力時(shí)空分布圖Fig. 8 The temporal and spatial distribution with flow resistances of fish-scale pits

3.2 魚(yú)鱗坑水力學(xué)特性

針對(duì)復(fù)雜地表的水流動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方面，以往在復(fù)雜地形包括魚(yú)鱗坑坡面，諸多學(xué)者均借鑒的是明渠均勻流理論，按照各水力參數(shù)沿程不變、流速為平均流速、水深多為流量與流速的函數(shù)計(jì)算，阻力系數(shù)也是借鑒明渠均勻流Darcy-Weisbach公式、Chezy公式和Manning公式等進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算與分析，計(jì)算值均是反映坡面平均狀況，與地形起伏無(wú)關(guān)。本研究則在前人基礎(chǔ)上，認(rèn)真系統(tǒng)地分析了微地形的非均勻性和凹凸不平的魚(yú)鱗坑坡面，通過(guò)測(cè)定魚(yú)鱗坑內(nèi)、坡面細(xì)溝內(nèi)、細(xì)溝間以及不同坡位處的流速、水深，發(fā)現(xiàn)坡面水流各水力要素隨時(shí)空是不斷變化的，此過(guò)程中的水流屬于非均勻流，前人均勻流理論很難解釋其水力學(xué)特性變化特征。本研究按照魚(yú)鱗坑坡面阻力來(lái)源，將阻力細(xì)分為顆粒阻力、降雨阻力、波阻力和形態(tài)阻力，凝練了一套與前人不同的阻力參數(shù)計(jì)算方法。在整個(gè)降雨過(guò)程因魚(yú)鱗坑地形起伏引起的形態(tài)阻力始終占主導(dǎo)位置，揭示了魚(yú)鱗坑坡面起到攔截徑流蓄水保土的主要原因。魚(yú)鱗坑坡面的特殊地表形態(tài)對(duì)阻力來(lái)源、阻力變化以及流速、水深和水流流態(tài)的波動(dòng)變化起決定性作用，由于坡面薄層水流極淺，水流極易受到降雨和地表形態(tài)的影響，因此更加突出了魚(yú)鱗坑微地形對(duì)水力學(xué)特性變化的顯著影響。本研究對(duì)魚(yú)鱗坑坡面水力學(xué)特性的研究，有助于從水動(dòng)力學(xué)角度深入揭示坡面侵蝕演化過(guò)程的本質(zhì)。

總之，魚(yú)鱗坑坡面土壤侵蝕過(guò)程極其復(fù)雜，在降雨條件下測(cè)量難度較大，本文只是對(duì)其水力學(xué)特性進(jìn)行了初步研究，對(duì)于揭示復(fù)雜非均勻坡面上水力學(xué)特性變化具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義，今后還需在提高測(cè)量方法和測(cè)量技術(shù)的同時(shí)對(duì)魚(yú)鱗坑坡面水流各水力要素進(jìn)行更精準(zhǔn)全面的分析研究，此外魚(yú)鱗坑坡面的動(dòng)態(tài)侵蝕演化過(guò)程也需要更多更深入的探究，以期為黃土高原魚(yú)鱗坑坡面的侵蝕研究提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

魚(yú)鱗坑坡面侵蝕演化發(fā)育過(guò)程表現(xiàn)為：雨滴濺蝕—片蝕—股流沖刷—跌坑—細(xì)溝侵蝕——下切侵蝕—溯源侵蝕—崩塌。隨著降雨歷時(shí)的增加，坡面流速、水深和雷諾數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)并伴有一定的波動(dòng)性。坡下方流速、水深和雷諾數(shù)的大小和波動(dòng)范圍均大于坡面中上方。隨著降雨歷時(shí)的增加，坡面和細(xì)溝內(nèi)的顆粒阻力、降雨阻力和疊加阻力均呈波動(dòng)式減小的趨勢(shì)，坡上方阻力大于坡下方阻力。魚(yú)鱗坑雖然有一定的蓄水作用，但是會(huì)受到較多因素的影響，尚需進(jìn)行更加深入的研究，旨在為黃土高原的水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

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Erosion Evolution Processes and Hydraulic Characteristics Analysis of Fishscale Pit Slop on Loess Plateau Region

GUO Huili1SUN Liquan1WU Shufang1?LI Yiping1ZHANG Yongdong2
（1Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas，Ministry of Education，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi712100，China；）
（2Bureau of Water Resources，Economic & Technological Development Zones，Wansheng，Chongqing400800，China）

【Objective】Fish-scale pits measure is a widespread and typical soil and water conservation engineering measure in Loess Plateau that can be used to impound runoff and reduce the soil erosion mass and create a good water condition for vegetation growth. In order to clarify erosion evolution processes and flow hydraulic characteristics of fish-scale pies measure under the condition of continuous rainfall. 【Method】In this paper，we analysed the erosion evolution with 3D laser scanner and realized graphical and digital process of erosion evolution on fish-scale pies slope by laboratory five rainfalls simulation. 【Result】The results showed that：（1）Dynamic process of fish-scale pits erosion could be presented as splash erosion-sheet erosion-drop pit-rill erosion-longitudinal erosion-headward erosion-collapse. By the end of the 5th rainfall，the largest rill length、width and depth respectively increased to 80 cm、22 cm and 7.8 cm. During the first two rainfalls，fish-scale pits played a significant role in water storage and silt detention，sheet erosion and rill erosion occurred at some parts of slope；Later，due to excessive water of pits and high moisture content of side slope，leading to collapse phenomenon in pits and longitudinal erosion，rill headward erosion at down-slope，also increased erosion.（2）As the rainfall duration increases，the down-slope velocity and runoff depth were increased with fluctuation because the rainfall could be hold up in pits. What’s more，vortex accurred in pits and streams scour accurred in slope surface.The order of the average flow velocity and the average water depth is：the up-slope＞mid-slope＞down-slope. The velocity and depth in rill were significantly larger the slope. The Reynolds number of up-slope and mid-slope was less than 500，and for down-slope，it was over 500 at the end of 5th rainfall. When rainfall accumulated duration reached 58 min and rainfall increased to 87 mm，erosion increased dramatically. Fish-scale pits unable to played a positive effect.（3）During five rainfalls，the upslope and mid-slope flow regime was laminar flow. With the down-slope pits being filled，slope runoff fluctuated greatly，down-slope flow became turbulent flow from laminar flow and changed between subcritical flow and supercritical flow.（4）Resistance mainly comes from rain，grain and form resistance，and form resistance that orginated from the rugged slope was the dominant resistance. Due to the callapse、scour and fluctuant change of terrain，resistance decreased with rainfall accumulation duration accompanied by minor fluctuations. The order of resistance was form resistance＞ grain resistance＞ rain resistance.【Conclusion】The study was of momentous significance to clarify the fish-scale pit slope erosion and its mechanism，also provides theory basis and decision support for loess plateau area to layout fish-scale pits reasonably. Only if we layout fish-scale pits reasonably in Loess Plateau area can we improve and keep soil moisture greatly.

Fish-scale pits slope；Laboratory continuous rainfall simulation；Dynamic evolution processes；Hydraulic characteristics

S157.1

A

10.11766/trxb201702210617

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41671276）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（ No. 41671276）

? 通訊作者 Corresponding author， E-mail：wsfjs@163.com

郭慧莉（1993—），女，陜西延安人，碩士研究生，主要從事坡面土壤侵蝕過(guò)程研究。E-mail：15191851961@163.com

2017-02-21；

2017-04-11；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-05-25

（責(zé)任編輯：檀滿枝）