黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究
摘要：利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。
关键词：黄土坡面 细沟 重力侵蚀 中值时间
重力侵蚀是指地表物质在重力作用下，分散地或成块地、急速地或缓慢地向下移动的过程，主要表现形式有土的蠕动、松散物的滑动、松散物的流动和崩塌等[1]。重力侵蚀直接或间接地向河道输送了大量的泥沙，是流域土壤侵蚀和河流泥沙来源的主要物理过程之一，并在区域地貌演化中扮演了一个十分活跃的角色[2～4]。由于重力侵蚀的发生具有很大的随机性，其产沙量也较难测定，相对水力侵蚀来说，对于重力侵蚀的认识还很不够。早期的研究成果多集中在重力侵蚀与地形、地表物质组成、植被、气候等因素间的定性关系上??[5]，定量的研究结果较少。近年来，随着人们认识的不断加深及相关研究方法与技术的应用，重力侵蚀的研究取得了很大的进展。例如，在地理信息系统的支持下，采用一定的研究指标分别得出了黄土高原1:400万重力侵蚀分区图及黄河中游重力侵蚀最小图斑等[2,6]；结合14C法测量的阶地年龄，通过判读遥感影像提取不同发育阶段的沟谷形态，得到了第四纪以来谷坡后退所反映出的以重力侵蚀为主的侵蚀模数和侵蚀强度增强的加速度[7]。此外，一些其它方法(如模糊聚类等)也在流域重力侵蚀区划研究中得到了广泛应用[8]。在有关重力侵蚀研究中，对于较小尺度下的重力侵蚀过程(如细沟发育过程中沟岸及沟头的崩塌滑塌的变化规律等)的研究较少。深入开展这方面的研究有助于加深了解坡面形态变化过程和细沟侵蚀产沙机理，为在不同坡面发育阶段有针对性地采用相应的措施和减少坡面水土流失提供的依据。为此，本文采用实验方法对黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行探索。
1 实验概况
实验在科学院水利部西北水保所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。实验中人工模拟降雨方式为侧喷，雨滴降落高度为16m，雨强为1.5mm/min。为检测实验结果的稳定性，采用两组独立进行的平行实验，每组实验分为9个场次。第一场实验的初始地形为水平投影长度为5m，宽度为1.5m，坡度为20度的直形坡，其后每一场的初始地形均为前一场的终极地形，这样可使坡面细沟得到充分发育，并便于观测不同细沟发育阶段下重力侵蚀的特点及其变化过程。实验中各场降雨历时均为90min，降雨场次间隔为1天。为了分析雨滴击溅在整个坡面发育过程中的作用，对其中一组实验采用纱网覆盖法来消减雨滴击溅的影响。纱网网眼为2mm，覆盖高度为垂直坡面高10cm处。在文中的以后部分将有雨滴击溅直接影响的一组实验称为A组实验；将有纱网覆盖的一组实验称为B组实验。
表1 各场降雨前坡面土壤含水量及雨强率定 | |||||
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降雨场次 | 土壤含水量(%) |
| 雨强/(mm/min) | ||
B坡面 | B坡面 |
| B坡面 | B坡面 | |
1 | 11.1 | 16.2 |
| 1.51 | 1.52 |
为了解各场降雨雨强的稳定性及坡面土壤含水量变化，各场降雨开始前分别采用雨量计法和环刀法测量降雨雨强与坡面土壤含水量，结果见表1。可以看出除第一场降雨外，各场降雨前坡面土壤含水量差别不大，各场降雨的雨强也基本一致，误差在10%以内。
由于重力侵蚀在发生时间上具有一定的随机性，目前尚缺乏有效的方法与仪器测量重力侵蚀的产沙量，本文尝试采用实验观测现象与水沙测量相结合的方法，将重力侵蚀产沙部分从坡面侵蚀泥沙的总量中区分出来。因此，实验中除利用采样法对坡面出口处的流量、输沙率和含沙量进行测量外，还对细沟发育过程中的重力侵蚀现象进行了观测记录，并全程对A坡面细沟发育过程进行了录像。这样便可将坡面上发生的重力侵蚀现象与水槽出口处的水沙变化进行对比，以此来帮助识别重力侵蚀的影响。
考虑到伴随坡面细沟发育过程中的流量、输沙率与含沙量变化及其三者之间的关系，本文只给出各场降雨流量与含沙量的观测结果，见表2～5。
坡面产流主要受降雨及入渗等因素的影响。已有的研究表明[9]，坡面入渗主要遵循霍顿公式，入渗量随时间递减。在降雨初期，由于坡面初始含水量较小，入渗量较大，产流量较小，其后随着坡面土壤含水量的增大，入渗量减少，产流量增大。除入渗变化外，受实验条件限制，控制雨强的水压在一定范围内的随机波动也是造成产流量波动的一个原因。采用方差分析对各场降雨过程中的产流量进行比较，结果表明各场实验的产流量在0.05显著水平不存在明显差异，应该说各场降雨的径流量波动控制在合理的范围内。
与产流量相比，产沙量的波动要剧烈很多。实验中含沙量最小为0.01g/ml，最大为0.47g/ml,相差近50倍。侵蚀动力不同是造成含沙量差别如此之大的主要原因，而其中重力侵蚀又是导致坡面高含沙水流的主要原因。
表2?A坡面各场实验流量变化 (ml/s)
| 表3?B坡面各场实验流量变化(ml/s)
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表4?A坡面各场实验含沙量变化(g/ml)
| 表5?B坡面各场实验含沙量变化(ml/s)
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详细记录细沟发育过程中发生的各种现象，尤其是崩塌、滑塌等重力侵蚀现象，有助于解释产沙过程中的波动，确定重力侵蚀产沙量及其变化。结合实验观测及录像资料，表6给出了部分场次明显的重力侵蚀现象及其对应的发生时刻。
3.1 重力侵蚀产沙量的确定 确定重力侵蚀产沙量是定量分析重力侵蚀变化的基础。由于坡面出口处测得的沙量是由各种不同动力共同侵蚀产生的总量，因此需要将其中重力侵蚀产沙区分出来。 通常在一定的地形条件和径流条件下，水力侵蚀所形成的含沙量应基本稳定，而重力侵蚀则具有很大的偶然性，其产沙量与崩塌体的大小、发生的频率等有关，在整个产沙过程中是一个随机变化的过程。从表4中含沙量的变化过程与表6中记录的重力侵蚀现象也可看出，当实验中未有重力侵蚀发生时，坡面出口的含沙量基本保持稳定；而当大块崩塌等重力侵蚀现象发生时，相应时刻坡面出口测量的含沙量也较高。因此，确定重力侵蚀产沙量及其变化的原则可以概括为：(1) 水动力条件不变时，水力侵蚀量基本保持稳定；(2) 实验过程中产沙量的波动主要与重力侵蚀有关；(3) 超出水力侵蚀量的部分应为重力侵蚀产沙量。
表6?A坡面部分场次重力侵蚀现象记录
降雨场次 | 时间/min | 实验现象 |
| 25 | 3号沟有小规模的崩塌，3号沟的抑制了1、2号沟的发展 |
| 32 | 4号沟不断溯源前进，并伴有崩塌发生 |
3 | 49 | 3号沟头发生崩塌 |
| 65 | 3、4号沟头不断发生崩塌 |
| 85 | 1号沟头发生大块崩塌 |
| 22 | 沟头出现少量泥流 |
5 | 48 | 沟头发生大面积崩塌 |
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| 本实验中重力侵蚀自发生起一直持续到降雨结束 |
6 |
| 本次实验细沟基本未发育，无明显的重力侵蚀发生 |
| 74 | 4号沟沟壁发生大面积崩塌 |
9 | 80 | 4号沟沟壁发生大面积崩塌 |
| 85 | 4号沟沟壁发生大面积崩塌 |
在统计分析中，变异系数是反映一组数据相对波动大小的一个常用参数，即：
| (1) |
式中：V为变异系数；μ与σ分别代表该组数据的均值与方差。
变异系数越小则说明数据波动越小，即在降雨过程中越稳定。表7给出了两组实验各场降雨含沙量的变异系数，由表中可以看出，A坡面含沙量变异系数在第六场最小，而B坡 面则在第九场，即这两场实验含沙量基本稳定，可以认为整组实验中这两场降雨过程中重力侵蚀较少或没有发生，侵蚀方式以水力侵蚀为主。这与表6中的观测记录相吻合。
表7 含沙量、产流量变异系数及重力侵蚀对坡面总产沙量的贡献
降雨场次 | 含沙量变异系数 |
| 产流量变异系数 |
| 重力侵蚀产沙贡献 | |||
A坡面 | B坡面 |
| A坡面 | B坡面 |
| A坡面 | B坡面 | |
1 | 108 | 42 |
| 0.12 | 0.09 |
| 43% | 0% |
一般而言，无论是雨滴击溅、薄层水流侵蚀还是细沟流冲刷，其产沙量均与降雨、径流条件及地形有明确的函数关系[10]。当以上条件一定时，水力侵蚀产沙量也应基本稳定。实验中各场降雨的雨强均为1.5mm/min，相应产流变化也不大，各场降雨实验中差别最大的主要是地形。因此各场降雨过程中水力侵蚀造成的含沙量差异主要受地形的控制。一般来说，相同降雨和径流条件下，沟道密度越大，相应的侵蚀产沙量也就越高，即含沙量越大。在坡面发育过程中，坡面发育早期由于沟道密度较小，水流冲刷的产沙量会略低于坡面发育后期。由于坡面细沟形态在第六场降雨后已基本稳定，各种沟道形态参数变化不大，因此A组第六场实验与B组第九场实验中含沙量基本反映了实验条件下细沟发育成熟后的单纯水力侵蚀的临界产沙能力，略高于细沟发育初期的水力侵蚀含沙量。由于在坡面发育早期，沟道的溯源侵蚀强烈，重力侵蚀时有发生，较难观察到单纯水力侵蚀下的临界产沙量，选用沟道已基本发育停止后所观测到的水力侵蚀临界侵蚀量来代表该时期水力侵蚀的产沙情况会低估重力侵蚀产沙量，但考虑到与重力侵蚀产沙量相比，细沟发育早期单纯水力侵蚀的产沙远远偏小，在没有其它定量手段测量重力侵蚀产沙量的情况下，本文采用细沟发育成熟后的稳定含沙量作为实验条件下水力侵蚀含沙量的上限与重力侵蚀产沙量的下限，即对于A坡面选用0.04g/ml，B坡面选用0.01g/ml作为水力侵蚀的临界含沙量，超出部分即为由重力侵蚀引起。据此，可各场降雨不同时刻坡面出口含沙量中的重力侵蚀部分，结合相应的流量测量数据即可确定各场降雨中的重力侵蚀产沙量。类似的，采用坡面出口含沙量与流量测量数据也可确定各场降雨的侵蚀产沙量。表7中给出了A、B两坡面各场降雨过程中重力侵蚀占总侵蚀量的百分比。
可以看出重力侵蚀是影响坡面产沙的一个重要因子，在整个坡面发育过程中产沙量占到了坡面总产沙量的60%以上，部分场次甚至超过90%。从各场实验重力侵蚀产沙量变化过程来看(图1)，两组实验中各场降雨的重力侵蚀产沙量差别不大，并且其变化过程均存在着增大-减小-波动的过程。这一过程与坡面细沟发育在不同阶段的变化密切相关。在第一阶段，上坡来水量大，细沟处于发育阶段，溯源侵蚀较为活跃，加之由于沟道不断下切造成沟壁与沟头不稳定而引起的崩塌时有发生，使这一阶段内重力侵蚀产沙量较大；在第二阶段，随着细沟不断的溯源侵蚀，沟头来水面积逐步缩小，溯源侵蚀逐渐减缓，从而导致了这一阶段内重力侵蚀发生概率的降低；在第三阶段，细沟已停止发育，沟道两侧的沟壁也已基本稳定，这时一些偶然性的因素控制重力侵蚀的发生，因此重力侵蚀产沙量在一个较低的水平上进行波动。
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3.2 重力侵蚀发生时间变化 重力侵蚀的发生时间也是表征重力侵蚀变化的一个重要参数，然而由于重力侵蚀具有随机发生的特点，预测具体的重力侵蚀发生时刻几乎是不可能的，较为可行的方法是采用某种统计参数来反映重力侵蚀发生的早晚，这里采用次降雨过程中累积重力侵蚀量达到总侵蚀量50%的时刻(以下计为T50)。具体计算方法为利用降雨过程中重力侵蚀输沙率随时间的分布，计算自降雨开始至某一特定时刻的累积重力侵蚀产沙量，当其达到次降雨过程重力侵蚀总侵蚀量50%的时刻计为T50。T50较小说明重力侵蚀多发生在降雨早期，反之则认为以降雨后期发生的重力侵蚀为主。
图2反映了A、B两组实验中T50的变化过程。可以看出，两组实验中T50在坡面发育早期存在着减小的趋势，而在第五场以后重力侵蚀发生的时间则较晚，T50在80min左右开始波动。T50的这种变化趋势主要是由于坡面发育不同阶段主导重力侵蚀类型的变化而造成的。实验中的重力侵蚀产沙量主要由溯源侵蚀和沟壁崩塌产沙两部分构成。这两种重力侵蚀产沙的机理不同，溯源侵蚀产沙量的大小主要受上坡来水量的控制，坡面上坡来水量大，在沟头下方的掏蚀越深，沟头坍塌越严重，溯源侵蚀量也就越大；沟壁崩塌则可能与沟道下切、侧蚀和土壤含水量增大造成土壤膨胀等原因有关。从实验现象的观察来看，在坡面发育早期，溯源侵蚀在降雨开始后不久就开始活跃，而沟壁崩塌则发生时间较晚。坡面发育早期阶段Ｔ50的减小主要是由细沟溯源侵蚀的变化所引起。第一场降雨中，细沟一般在降雨50min以后形成，其后溯源侵蚀等类型的重力侵蚀才会发生，Ｔ50较大；细沟形成后的其后几场降雨中，上坡来水量较大，细沟也有着充分的延伸空间，自降雨后不久就开始溯源侵蚀，因此Ｔ50较小。随着细沟的发育，沟头以上的来水面积逐渐减小，相应的来水量也逐渐减小。当沟头以上来水量已不足以使沟头进一步向坡顶延伸，溯源侵蚀就基本停止，此时重力侵蚀的主要类型转化为沟壁崩塌。在这一阶段中，沟道发育已十分缓慢，由于沟道下切和侧蚀造成沟壁失稳形成的崩塌已基本停止，土壤含水量增大导致土体松软成为引起沟壁崩塌的一个重要因素，而降雨量几乎是实验中唯一的影响土壤含水量的因素。降雨时间越长，降雨量越大，土壤含水量就越大，发生重力侵蚀的可能就越大。因此，重力侵蚀往往发生在降雨的后期，而实验中降雨强度在所有场次中保持恒定，所以Ｔ50大致在降雨后期进行波动。
4 结论
本文通过将黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀观测现象与整个坡面发育过程中产沙量变化进行对比，提出了重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”的概念，初步揭示了重力侵蚀的变化规律，主要结论如下：(1)重力侵蚀是影响坡面产沙波动的主要因素，通过分析降雨过程中坡面产沙量的变异系数可确定无重力侵蚀发生时单纯水力侵蚀的含沙量，并可以此作为重力侵蚀产沙量的下限。在本文的实验条件下，有雨滴直接击溅坡面的情况下对应于重力侵蚀发生时的最小含沙量为0.04g/ml，有纱网覆盖消减雨滴击溅影响的情况下对应的最小含沙量为0.01g/ml。(2) 重力侵蚀是影响坡面产沙的重要因素，其产沙量在整个坡面发育过程中产沙量可占到坡面总产沙量的一半以上；在坡面发育过程中，受细沟发育阶段不同的控制，重力侵蚀产沙量存在着增大-减小-波动的变化趋势。(3) 细沟发育不同阶段下主导重力侵蚀类型不同，发育早期主要由掏蚀造成的沟头坍塌为主，后期则以沟壁崩塌为主。主导侵蚀类型在细沟发育过程中的转化在重力侵蚀发生时间上表现为细沟发育初期重力侵蚀发生较早，而后期较晚。
参 考 文 献：
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