细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要方式之一,其侵蚀泥沙量可达到坡面总侵蚀量的70%以上,是导致土地退化、面源污染等环境问题的重要原因[1,2,3]。研究细沟演化的过程与机理对保护土地资源、维持生态环境高质量发展具有重要意义。

细沟侵蚀受降雨、地形、土壤质地与地表状况等因素的综合影响,这些因素均是通过增强或削弱降雨径流侵蚀能力和土壤抗侵蚀能力来影响细沟发育[4,5,6,7]。黄土区关于细沟侵蚀主要集中于细沟演变、产流产沙及其动力学机制等方面的研究[3,4,5,6,7,8,9]。裴冠博等[7]发现,晋西黄绵土坡面细沟从坡面的中下部开始发育,相继表现为跌坎-细沟-细沟网-细沟崩塌。在一定的坡度、坡长与下垫面条件下,降雨是坡面细沟侵蚀的关键因素,影响着坡面产流产沙和细沟形态演化[8,9,10,11]。目前在关于水土保持领域的研究中,人工降雨模拟试验已经成为了一种重要的研究方法[12,13]。已有学者[13,14]对人工降雨模拟试验的方法进行了相似性研究,柯奇画等[13]通过文献数据和观测数据,分析了人工降雨模拟试验与天然降雨小区观测在径流、泥沙方面的差异发现,在雨强较小时,人工降雨模拟试验的水沙结果较差。除此之外,基于人工降雨试验的细沟侵蚀研究在连续降雨条件下也难以观测细沟形态变化特征。目前在连续降雨中采用人工尺测手段的误差较大,也难以获取详细的DEM,而采用三维激光扫描仪和摄影测量技术等非接触式测量方法,虽消除了雨滴影响,但也难以观测被径流覆盖的细沟区域。为解决上述问题,已有研究[15,16,17,18]采用了间歇性降雨方法,即在一定时间间隔暂停降雨,采用三维激光扫描或摄影测量技术获取高精度地形资料。吴淑芳等[16]采用3场间歇性降雨,详细观测了土壤侵蚀演变过程中的地形参数;郭慧莉等[17]在5场间歇性降雨之间,使用大型三维激光扫描仪获取地表高程数据。这种概化处理,增加了坡面细沟演化过程中的地形数据采集频率,反映了细沟形态的变化过程。但是,间歇性降雨的试验方法打断了天然降雨的连续性,而其对坡面产流产沙和细沟形态演化的影响还鲜有研究,试验误差亟需科学评估。

为此,本文采用室内降雨试验的方法,比较了间歇性降雨与连续性降雨对坡面产流产沙及细沟形态的影响,量化间歇性降雨的试验误差,评估该试验方法的适宜性,以期为黄土区坡面细沟侵蚀的过程与机理研究提供技术支撑。

1、材料与方法

1.1供试材料

试验于2018年9月29日至11月15日在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。降雨由下喷式降雨设备提供,降雨覆盖面积为27m×18m,降雨高度18m,满足使所有雨滴达到终点速度的要求。模型设备为变坡土槽,长10m,宽1m,深0.5m,坡度调节范围为0～30°(图1)。模型用土取自黄土高原丘陵沟壑区延安市安塞区的耕层黄绵土,容重1.25g/cm3。

图1试验装置示意

1.2试验设计

短历时、高强度暴雨是造成黄土区水土流失的主要降雨特征[19],根据侵蚀性降雨特征,降雨强度选为60,90,120mm/h。由于细沟侵蚀在10°～30°的裸露坡耕地上表现最明显[20],而25°是坡耕地研究的上限,据此,设计坡度定为20°。对不同降雨强度分别设置连续性降雨与间歇性降雨试验,共进行6次试验。连续性降雨试验和间歇性降雨试验的降雨历时设置为60min;对于间歇性降雨试验,将降雨历时划分为4个15min的降雨阶段(P1～P4阶段),每相邻2个阶段之间作为间歇期,停止降雨15min,以满足测量的时间要求。

1.3试验方法

为减小下垫面平面差异对试验结果的影响,试验统一采用平面均匀的概化下垫面,所有试验土样自然风干并过10mm筛,以除去杂草和石块。在装土之前,先在土槽底部填10cm厚天然细沙,并铺上透水纱布,土槽底部采用梅花形打孔来模拟天然土壤透水状况,以保持试验土层的透水性接近天然坡面。填土时将40cm厚土层分层填装,每次填土厚度为5cm,容重控制在1.3g/cm3。由于黄绵土的细沟发育随机性大[8],且人工布置的土槽表面难以达到理论上的平整,造成初始地貌上的跌坎、洼地随机分布,对细沟的走向及发育均有显著影响。为此,本试验考虑沿坡长方向在土槽中央布置一条宽3cm、深1cm,坡上坡下均匀的“V”形凹槽,引导水流汇集形成主细沟,以减小坡面初始形态引起的随机误差,保障上下游下垫面的均一性。

降雨系统将水喷射至空中,水流在空气阻力作用下破碎形成不同大小的雨滴,与天然降雨的雨滴相似[19],降雨高度为18m,满足所有雨滴达到终点速度,且室内降雨试验消除了风的影响。试验前1天,对土槽进行雨强为30mm/h的预降雨,降雨历时为坡面出现产流为止,使得各组试验有相同的土壤含水量,并使孤立分散的土壤颗粒湿润固结。降雨后静置24h,以减小下垫面的空间变异性。为保证模拟降雨的准确性和均匀性,降雨前先将土槽覆盖塑料布,在其上方均匀布设6个雨量筒,反复率定雨强,在降雨强度和均匀度均满足要求后开始正式降雨,降雨均匀度需>90%,实际降雨强度和目标降雨强度误差需<5%。

1.4指标观测与计算

从降雨开始时刻起,在降雨过程中,每隔1min用标有刻度的塑料白瓶和径流桶采集1次泥沙径流样品。试验结束后,将塑料白瓶带回试验室静置24h,采用烘干法计算得出含沙量,再根据径流桶和塑料白瓶中水深计算出径流量。

降雨开始前后与间歇期采用三维激光扫描仪(莱卡HDS6100)扫描坡面,获得不同时段的坡面扫描数据。采用Cyclone软件进行去噪、拼接、坐标系统一等初始处理,从而得到去除无效点后同一坐标系下的多时相坡面DEM,用于细沟形态的分析。

本文以连续性降雨的试验结果为标准值,计算间歇性降雨的试验结果误差。误差为正值表明间歇性降雨试验的各指标值大于连续性降雨试验的各指标值,反之为小于连续性降雨试验各指标的值。分析参数包括径流率、产流量、产沙率、产沙量与细沟形态参数。其中细沟形态参数包括沟宽、沟深及细沟割裂度,计算公式为:

细沟沟宽(D¯¯¯,m)(D¯,m)是指坡面所有细沟侵蚀宽度的加权平均值:

D¯¯¯=∑i=1nSiDi∑i=1nSiD¯=∑i=1nSiDi∑i=1nSi(1)

式中:Di为坡面每条细沟的沟宽(m);Si为坡面每条细沟的平面面积(m2)。

细沟沟深(H¯¯¯,m)(Η¯,m)是坡面所有细沟侵蚀深度的加权平均值:

H¯¯¯=∑i=1nSihi∑i=1nSiΗ¯=∑i=1nSihi∑i=1nSi(2)

式中:hi为坡面每条细沟的沟深(m)。

细沟割裂度(μ)是指坡面单位面积内所有细沟平面面积之和,能客观反映坡面的破碎程度和细沟侵蚀强度:

μ=∑i=1nSiAμ=∑i=1nSiA(3)

式中:A为坡面面积(m2)。

2、结果与分析

2.1产流对比

由图2可知,在3种雨强条件下,间歇性降雨试验各个阶段的产流规律基本相似,即在每一阶段的初期,径流率迅速增大并达到相对稳定。在间歇性和连续性降雨试验中,产流率在某些时段都略有降低。相对于连续性降雨试验,间歇性降雨试验P1阶段的产流误差在2%以内,而P2～P4阶段的误差介于-6.7%～12.3%,各阶段产流误差和雨强大小、降雨阶段顺序无明显关系。

从累积产流量曲线来看,3种雨强下的累积产流量误差都不大(图3)。雨强为60,90,120mm/h时,误差分别为0.4%,6.8%,7.7%,均在10%以内。雨强为60mm/h时,间歇性降雨与连续性降雨条件下的累积产流量过程无明显差别。而当雨强为90,120mm/h时,累积曲线从P3阶段开始出现差异。3种雨强条件下,间歇性降雨试验的总产流量误差均较小。

2.2产沙对比

由图4可知,在3种雨强条件下,产沙过程有一定的相似性。即在间歇处理后的每次降雨初始时刻,产沙率都接近零,经过5min的迅速增加后,产沙率增速逐渐放缓。在6场试验中,产沙率过程波动均较为频繁,其中间歇性降雨试验的产沙率波动更大。当雨强为60mm/h时,间歇性降雨试验P3～P4阶段的平均产沙率误差分别达到-71.0%,-55.0%;雨强为90,120mm/h雨强时,各阶段平均产沙率误差介于-20.6%～18.9%,且各阶段的产沙误差有正有负,与雨强大小和阶段顺序无明显关系。

图2间歇性与连续性降雨的径流率变化过程

由图5可知,当雨强为90,120mm/h时,间歇性与连续性降雨试验的产沙量累积过程差别不大,总产沙量误差分别为10.5%,9.1%,间歇性降雨试验P2～P4阶段的累积产沙量增速明显变大,且在每阶段后期增速大于连续性降雨试验的累积产沙量增速。而当雨强为60mm/h时,间歇性降雨试验的累积产沙量从P3阶段开始明显降低,总产沙量误差达到-40.8%。因此,间歇处理后,总产沙量在高雨强条件下变化不大,而在低雨强时明显减少。

2.3细沟形态对比

由图6可知,雨强为60,90,120mm/h时,沟宽误差分别为-45%,12%,9%;沟深误差-33%,8%,3%;割裂度误差-37%,4%,7%。可见在60mm/h雨强下,间歇处理后的沟宽、沟深和割裂度均明显减小,误差均大于-33%;而在90,120mm/h雨强下,间歇处理后各项形态指标均略有增大,误差较小,为3%～12%。表明间歇处理后,细沟侵蚀在低雨强时被明显抑制,而在高雨强时有小幅加剧。

图3间歇性与连续性降雨的累积产流量曲线

3、讨论

本研究表明,当雨强为60mm/h时,总产流量误差不大,为0.4%,而总产沙量误差较大,为-40.8%,尤其在试验后期的P3～P4阶段,达到了-71.0%,-55.0%;且沟宽、沟深和割裂度等形态指标明显减小,介于-33%～-45%,细沟侵蚀被抑制。而当雨强为90,120mm/h时,间歇处理对坡面产流产沙、细沟形态影响均较小,各项指标误差均在3%～12%,细沟侵蚀小幅加剧。间歇性降雨试验P2～P4阶段的累积产沙量增速持续变大并超过连续性降雨的累积产沙量增速。

图4间歇性与连续性降雨的产沙过程

从坡面产流产沙机制来看,在降雨强度和汇水面积一定时,黄土坡面产流主要取决于土壤本身的入渗条件[8],而产沙主要来自沟壁崩塌和径流冲刷;预降雨和间歇期形成的物理结皮可阻碍水分入渗并保护土壤[21],同时加强径流冲刷作用、导致产沙增加。而雨滴打击作用会破坏结皮,使保护作用被削弱。细沟侵蚀过程中会偶发沟壁崩塌,短时间内阻碍水流运移,并且受试验误差影响,导致产流率在某些时段会降低,但不影响整体的变化规律。雨强为60mm/h时,受预降雨结皮的影响,间歇、连续性降雨试验的下渗能力均被充分抑制,从而使第1阶段的产流误差较小;间歇处理后,预降雨结皮和间歇期结皮的共同作用,使径流冲刷和沟壁崩塌均被抑制,细沟各形态指标减小,也导致P3,P4阶段产沙显著减少,总产沙量也相应的大幅降低。当雨强为90,120mm/h时,对于间歇性降雨试验,虽有间歇期物理结皮形成,但雨滴打击作用增强并破坏结皮,削弱了结皮对坡面的保护作用,导致其坡面条件与连续性降雨试验的坡面条件相近,产流率和产流量只有小幅增加,又由于黄绵土崩塌频繁且具有随机性[8],各阶段产沙率相较于连续性降雨试验有增有减,而产流增加,径流冲刷作用加强,导致总产沙量增速在每阶段不断变大且总产沙量有小幅增加,细沟侵蚀略有加剧,细沟各形态指标均小幅增加。印证了结皮会阻碍入渗,促进径流,加剧细沟侵蚀的观点[22,23],但在低雨强时,细沟侵蚀可能会被明显抑制,这与吴发启等[24]的研究结论一致。

图5间歇性与连续性降雨产沙量累积曲线

根据上述分析,间歇性与连续性降雨试验在产流方面差异均不大。但在低雨强下(≤60mm/h),受间歇期物理结皮影响,细沟侵蚀被明显抑制,产沙量明显减小。而在高雨强时(≥90mm/h)与天然降雨的细沟侵蚀过程较为接近,产沙误差较小。值得注意的是,在高雨强时,间歇处理后的每阶段累积产沙量增速都不断变大,如果每阶段的降雨历时加长,可能会导致细沟侵蚀明显加剧。

图6间歇性降雨与连续性降雨的细沟形态对比

4、结论

(1)低雨强(≤60mm/h)时,对于间歇性降雨试验,受预降雨和间歇期物理结皮的影响,径流冲刷和沟壁崩塌均被抑制,细沟各形态指标减小,误差介于-33%～-45%,且总产沙量大幅降低,误差达-40.8%。总产流量误差较小,为0.4%。

(2)高雨强(≥90mm/h)时,虽然间歇期也有物理结皮形成,但受雨滴打击破坏,坡面条件与连续性降雨接近,产流产沙、细沟形态的各项指标误差均较小,为3%～12%,对试验结果的影响较小。

(3)在采用间歇性降雨试验方法时,建议采用高雨强试验条件(≥90mm/h),才能准确模拟天然降雨下黄土坡面的细沟侵蚀过程。且在高雨强时应控制间歇性降雨试验每一阶段的降雨历时,避免累积产沙量的持续快速增长及细沟侵蚀剧烈发展,误差进一步增大。

参考文献：

[1]盛贺伟,孙莉英,蔡强国.黄土坡面细沟发育形态对侵蚀特征的影响[J].应用基础与工程科学学报,2017,25(4):679-688.

[7]裴冠博,龚冬琴,付兴涛.晋西黄绵土坡面细沟形态及其对产流产沙的影响[J].水土保持学报,2017,31(6):79-84,182.

[8]和继军,宫辉力,李小娟,等.细沟形成对坡面产流产沙过程的影响[J].水科学进展,2014,25(1):90-97.

[9]陈俊杰,孙莉英,蔡崇法,等.不同土壤坡面细沟侵蚀差异与其影响因素[J].土壤学报,2013,50(2):281-288.

[10]沈海鸥,郑粉莉,温磊磊,等.雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响[J].农业机械学报,2015,46(8):104-112,89.

[11]沈海鸥,郑粉莉,温磊磊,等.降雨强度和坡度对细沟形态特征的综合影响[J].农业机械学报,2015,46(7):162-170.

[12]王洁,胡少伟,周跃.人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用[J].水土保持研究,2005,12(4):188-190,194.

[13]柯奇画,张科利.人工降雨模拟试验的相似性和应用性探究[J].水土保持学报,2018,32(3):16-20.

[14]赵玉丽,牛健植.人工模拟降雨试验降雨特性及问题分析[J].水土保持研究,2012,19(4):278-283.

[15]吴淑芳,张永东,卜崇峰.黄土细沟侵蚀演化过程及其水力学特性试验研究[J].泥沙研究,2015,40(6):72-80.

[16]吴淑芳,刘政鸿,霍云云,等.黄土坡面细沟侵蚀发育过程与模拟[J].土壤学报,2015,52(1):48-56.

[17]郭慧莉,孙立全,吴淑芳,等.黄土高原地区鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程及水力学特征[J].土壤学报,2017,54(5):1125-1135.

[18]孙立全,吴淑芳,郭慧莉,等.人工掏挖坡面侵蚀微地貌演化及其水力学特性分析[J].水科学进展,2017,28(5):720-728.

[19]张光辉,刘宝元,李平康.槽式人工模拟降雨机的工作原理与特性[J].水土保持通报,2007,27(6):56-60.

[20]白清俊,马树升.细沟侵蚀过程中水流跌坑的发生机理探讨[J].水土保持学报,2001,15(6):62-65.

[21]乔宇,徐先英.干旱荒漠区物理结皮的土壤水文效应[J].中国农学通报,2015,31(7):206-211.

[22]晏清洪,原翠萍,雷廷武,等.降雨类型和水土保持对黄土区小流域水土流失的影响[J].农业机械学报,2014,45(2):169-175.

[23]程琴娟,蔡强国,李家永.表土结皮发育过程及其侵蚀响应研究进展[J].地理科学进展,2005,24(4):114-122.

[24]吴发启,范文波.土壤结皮对降雨入渗和产流产沙的影响[J].中国水土保持科学,2005,3(2):97-101.

何育聪,郑浩杰,韩剑桥.间歇性与连续性降雨对黄土坡面细沟侵蚀影响的比较[J].水土保持学报,2020,34(06):8-13.

基金:国家自然科学基金项目(41807067,41907061).