全 文 ：第 34 卷第 19 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.19
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41271299);水利部公益性行业科研专项资助项目(201201083)
收稿日期:2013鄄09鄄17; 摇 摇 修订日期:2014鄄01鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: flzh@ ms.iswc.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201309172298
沈海鸥,郑粉莉,温磊磊,卢嘉,韩勇.黄土坡面细沟侵蚀形态试验.生态学报,2014,34(19):5514鄄5521.
Shen H O, Zheng F L, Wen L L, Lu J, Han Y.An experimental study on rill morphology at loess hillslope.Acta Ecologica Sinica,2014,34(19):5514鄄5521.
黄土坡面细沟侵蚀形态试验
沈海鸥1,郑粉莉1,2,*,温磊磊1,卢摇 嘉3,韩摇 勇2
(1. 西北农林科技大学 资源环境学院,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌摇 712100;
2. 中国科学院 水利部 水土保持研究所, 杨凌摇 712100;3. 西北农林科技大学 水土保持研究所,杨凌摇 712100)
摘要:基于同一降雨强度下的室内连续模拟降雨试验,研究了典型坡度条件下黄土坡面细沟侵蚀形态,分析了细沟的空间分布
特征、发育状况及距细沟沟头长度、细沟宽度和深度关系。 结果表明:第 1次降雨坡面以断续细沟为主,侵蚀方式主要为溯源侵
蚀,细沟累积长度为 39.3 m,坡面细沟总面积占试验土槽面积的 14.2%;第 2次降雨坡面以连续细沟为主,细沟沟壁崩塌增强,
坡面的破碎程度增加,细沟累积长度增加 32.1%,坡面细沟总面积增加 115.6%。 与第 1次降雨相比,第 2次降雨后细沟平均宽
度、深度和坡面细沟侵蚀平均深度均增加,且在 4—7 m坡段内增加幅度最大。 单位斜坡长上细沟平均宽度和深度随斜坡长度
的增加呈现先增加后减小的趋势,表明径流能量的消长对坡面细沟侵蚀发育过程及形态特征有明显影响。 第 1次降雨单条细
沟长度均小于 3 m,细沟宽度随距细沟沟头长度的增大而增大,第 2次降雨则呈现先增大后减小的趋势,细沟深度随距细沟沟
头长度的增加一直呈现先增大后减小的趋势,细沟宽度与深度的拟合关系最好,细沟深度随宽度的增加而增大,后趋于稳定。
关键词:细沟;形态特征;空间分布;黄土坡面
An experimental study on rill morphology at loess hillslope
SHEN Haiou1, ZHENG Fenli1,2,*, WEN Leilei1, LU Jia3, HAN Yong2
1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry
University, Yangling 712100, China
2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China
3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
Abstract: Rill erosion is known as the most important form of water erosion on agricultural land. Rill morphology plays a
significant role in determining the runoff and soil loss from sloping farmland. However, few attempts have been done on the
accurate description of rill throughout the study area for that eroding rill evolves morphologically in time and space. The
objective of this study was to quantify the natural rill morphology under controlled laboratory conditions, aimed to provide
more insight and detail information for later experiments. The soil used in this study was the loess soil with 28.3% sand,
58郾 1% silt, and 13.6% clay content from Ansai, Shaanxi province, China. It was collected from the top 20 cm in the A
horizon of a well-drained site. The loess soil was packed in a soil box which is 10 m long, 3 m wide and 0.5 m deep, and
performed to two sequent simulated rainfalls at an interval of 24 h. The slope was set as 15毅. Each simulated rainfall lasted
65 minutes and the rainfall intensity was 60 mm / h. Rainfall intensity, rainfall uniformity and raindrop diameter were
calibrated and reached the experimental requirements. In this study, the spatial distribution of rill erosion, rill development
situation and relationships between the length away from rill head, rill width and depth were analyzed systematically.
Results showed that discontinuous rills were widely distributed on the slope and headward erosion was the pre鄄dominant
erosion manners in the first simulated rainfall. The accumulated length of all rills was 39.3 m and the total surface area
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reached up to 14.2% of the total soil box. However, the second simulated rainfall was mainly dominated by continuous rills,
and the side鄄wall collapse of rills and fragmentation degrees of the slope strengthened. Meanwhile, the accumulated length
increased by 32.1% and total surface area rose by 115.6%.Compared with the first simulated rainfall, average rill width,
depth and rill erosion average depth all increased during the second run. And the increases occurred principally in the 4—7
m slope. The average rill width and depth of unit slope length increased firstly and decreased afterwards along with the
increase of slope length. This indicated the growth and decline of runoff energy could affect the development processes and
morphological characteristics of rill erosion. The length of each rill was less than 3 m and rill width increased with the length
away from rill head for the first simulated rainfall. But the trend increased first and then decreased for the second simulated
rainfall. Moreover, similar trends of rill depth developments were found for the two simulated rainfalls. The best regression
relationship was found between rill width and depth. Rill depth increased with rill width at first, and then kept stable.
Key Words: rill; morphological characteristics; spatial distribution; loess hillslope
摇 摇 细沟侵蚀是造成坡耕地严重土壤侵蚀的主要方
式,也是坡耕地表土和养分流失的重要原因[1]。 细
沟在坡面上的分叉、合并及连通现象促进了细沟侵
蚀的发展,形成了复杂的侵蚀形态。 而细沟侵蚀形
态在坡面上具有明显的时空变异特征[2鄄3],显著地影
响了坡面侵蚀产沙特性[4鄄5]。 但是,由于细沟形态不
规则,且雨季期间演化迅速[6],使得野外细沟的动态
监测比较困难。 因此,多数研究者[7鄄8]采用模拟降雨
试验研究细沟侵蚀特征。
细沟侵蚀的发生演变过程及水沙关系研究一直
土壤侵蚀领域的重要研究方向[9鄄11],其中多以细沟
形态特征作为支撑。 郑粉莉等[12]通过野外观测和
室内人工模拟降雨试验相结合的方法统计了黄土高
原坡耕地细沟宽度和深度分布范围,指出大多数细
沟深度小于 20 cm,宽度小于 30 cm。 霍云云等[13]通
过室内连续降雨分析了坡面细沟侵蚀的动态发育过
程,表明细沟平均宽度、平均深度、沟长最大值分别
从第一场降雨的 0.025、0.029和 0.111 m发展到第 7
场降雨的 0.098、0.044 和 1.379 m,说明细沟侵蚀具
有稳定发展和不断加强的过程。 Bruno 等[14]利用细
沟长度和横断面描述细沟形态,得出细沟长度与细
沟体积呈幂函数关系,并通过剖面形态变化推断细
沟侵蚀沉积情况。 和继军等[15]选用细沟密度和细
沟宽深比等指标从宏观上表征杨凌塿土和安塞黄绵
土的细沟侵蚀特征差异。 随着高新技术的快速发
展,高精度摄影测量法和三维激光扫描技术被应用
到土壤侵蚀研究中,通过获取高精度 DEM,进而提取
沟道整体形态[16鄄18]。 综上可见,以往研究中专门针
对细沟形态进行的探讨较少,或者仅以细沟长宽深
作为描述指标,未对三者之间的关系进行讨论;尽管
应用高新技术能够获取坡面细沟形态数据,但是已
有的研究多侧重于对坡面细沟网整体的描述,对于
单条细沟及细沟间形态指标关系的研究较少。 鉴于
此,本文通过室内连续人工模拟降雨,定量研究坡面
细沟的发育状况、空间分布及各形态要素之间的关
系,旨在进一步揭示黄土高原细沟侵蚀变化规律,为
坡面侵蚀防治提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验方法
试验在西北农林科技大学水土保持研究所人工
模拟降雨大厅进行,降雨设备采用下喷式降雨机,降
雨覆盖面积为 27 m伊18 m,降雨高度 18 m,能够满足
所有雨滴达到终点速度。 为了确保模拟降雨的均匀
性和准确性,试验开始前对降雨强度进行率定,当降
雨均匀度达 90%以上,实测降雨强度与设计目标雨
强的差值小于 5%时方可进行正式降雨。 依据黄土
高原侵蚀性降雨的瞬时雨强标准[19] (即 I10 = 1.055
mm / min),设计试验降雨强度为 60 mm / h。 为了使
细沟充分发育,在试验土槽上连续进行两次降雨,这
样两次试验之间试验土槽上的细沟侵蚀既有独立性
又有继承性,第 2 次降雨是在第 1 次降雨的基础上
进行,每一次降雨历时为 65 min,两次降雨间隔
24 h,设计两次降雨时间间隔的依据是基于李毅等
研究结果[20]。
试验土槽为 10 m(长)伊3 m(宽) 伊0.5 m(深)的
液压式可调坡度钢槽(图 1),试验土槽底部每 1 m
长排列 4 个孔径为 2 cm 的排水孔保证降雨试验过
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程中排水良好。 由于细沟流现象在 10毅—30毅的裸露
坡耕地上表现最明显[21],而 15毅是坡耕地土壤侵蚀
强度的相对质变点[22],因此本研究坡度选为 15毅。
供试土壤为黄土高原丘陵沟壑区安塞县的耕层黄绵
土,砂粒含量为 28. 3%,粉粒为 58. 1%,粘粒为
13郾 6%,有机质含量 5.9 g / kg。 装填土槽时,用纱布
填充试验土槽底部的排水孔,并在土槽底部填 5 cm
厚天然细沙作为透水层,保障试验过程中试验土槽
排水良好;然后在细沙层之上覆盖纱布,再装填试验
土壤。 填土时将土层分为耕作层和犁底层,耕作层
深度为 20 cm,土壤容重控制在 1.10 g / cm3;犁底层
深度为 15 cm,土壤容重控制在 1.25 g / cm3。 为保证
装土的均匀性,采用分层填土,每层土厚度为 5 cm,
填土时边填土边压实;每填完一层土后,将土层表面
用齿耙耙松,再填装下一层土壤,以保证两个土层能
够很好地接触;同时,将试验土槽四周边壁尽量压
实,以尽可能减小边界效应的影响。
将试验土槽翻耕 20 cm,并用齿耙耙平,模拟当
地坡耕地耕层状况。 翻耕完毕后,自沉降 1 d。 为了
保证试验前期土壤条件的一致性,采用 30 mm / h雨
图 1摇 试验所用土槽
Fig.1摇 The test soil box (10 m鄄long, 3 m鄄wide and 0.5 m鄄deep)
强进行预降雨至坡面产流为止。 预降雨结束后,为
了防止试验土槽土壤水分蒸发和减缓结皮的形成,
用塑料布将试验土槽覆盖,静置 24 h 待正式模拟降
雨试验。 每场降雨试验开始前,利用小型土钻在试
验土槽上、中、下 3个断面按照 0—5、5—10、10—15、
15—20、20—25、25—30 cm 6 个土层深度采集土壤
样品,测定土壤含水量,降雨试验前坡面土壤含水量
如表 1所示。
表 1摇 降雨试验前坡面土壤含水量
Table 1摇 Soil moisture content before the first and second simulated rainfall
取样时间 Time
土壤含水量(SD)Soil moisture content (Standard Deviation) / %
0—5 cm 5—10 cm 10—15 cm 15—20 cm 20—25 cm 25—30 cm 平均值 Mean
第 1次降雨前
Before the first rainfall 24.33(0.01) 23.87(0.01) 25.15(0.01) 26.23(0.02) 28.02(0.03) 29.25(0.01) 26.14(0.02)
第 2次降雨前
Before the second rainfall 27.65(0.03) 26.99(0.01) 27.64(0.02) 29.69(0.02) 28.57(0.01) 28.90(0.01) 28.24(0.01)
摇 摇 次降雨结束后,采用直尺测量坡面细沟基本形
态,具体方法是沿着细沟沟道每隔 5 或 10 cm 详细
测量细沟的位置坐标(x,y)及细沟的宽度和深度,在
特殊沟道位置进行加密测量[23鄄24],即将每一条细沟
划分为多个小段进行测量,以此来减小因细沟形态
不规则而造成的测量误差。
1.2摇 参数描述
细沟累积长度是指坡面上出现的所有细沟的长
度之和,其值大小能够反映细沟侵蚀对坡面的切割
程度。
细沟侵蚀平均深度(RED),是指次降雨条件下
细沟对表层土壤剥蚀的平均深度,其值大小可以客
观反映细沟侵蚀强度( cm);其计算方法为:坡面上
的细沟侵蚀总体积(容积法[25] )除以试验土槽斜坡
表面积所得的数值。
距细沟沟头长度是指单条细沟上每一个测点距
该条细沟沟头的距离,其最大值就是细沟的总长,该
参数能够在一定程度上反映细沟在坡面上的分布
状况。
1.3摇 参数测定与计算
1.3.1摇 坡面细沟总面积
指坡面上所有细沟面积的总和,在试验土槽坡
面上,自上而下每隔 5 或 10 cm 量测每条细沟的宽
度,根据测量段的划分,把每一条细沟每一个测量段
的细沟面积简化为梯形计算,计算过程为:
RSj =移
n-1
i = 1
RWi + RWi+( )1 ·RLié
ë
êê
ù
û
úú2
(1)
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式中, RSj 为第 j 条细沟面积;n 为量测一条细沟宽、
深的次数; RWi , RWi+1 分别代表第 i次和第 i+1 次量
测的细沟宽,单位为 cm; RLi 为量测间距,为 5 或
10 cm;
RS =移
m
j = 1
RSj (2)
式中, RS 为坡面细沟总面积(cm2);m为坡面细沟总
条数。
1.3.2摇 细沟溯源侵蚀速率
指降雨过程中细沟沟头溯源侵蚀前进速度,其
监测方法为:降雨过程中,在细沟发育初期,在细沟
沟头插上指示牌标记细沟,同时记录每条细沟沟头
所在的坡长位置;由于细沟溯源侵蚀使细沟的沟头
向坡上发展,因此在试验过程中每间隔 5 或 10 min
动态监测每条细沟沟头所在坡长的位置。 依次类
推,实时监测细沟沟头所在位置的坡长并记录对应
的降雨历时;据此就可以计算降雨过程中不同时段
每条细沟的溯源侵蚀速率,也可估算平均细沟溯源
侵蚀速率。
2摇 结果与讨论
2.1摇 坡面细沟侵蚀空间分布
图 2为第 1次和第 2次降雨后坡面细沟的空间
分布。 第 1次模拟降雨坡面细沟呈断续状,大致分
布在 4 个径流流路上,此时坡面细沟网形态已基本
形成,细沟在坡面上的分布可以分为 3 个坡段:第一
坡段为 0—4 m,位于试验土槽上部,汇水面积小且坡
面平整,水流相对均匀,径流侵蚀力较弱,坡面以小
细沟为主;细沟分布密集且均匀,分布密度为 1.7 条 /
m2,细沟平均宽度和深度分别为 9.5 和 6.8 cm,坡面
细沟侵蚀平均深度(RED)为 1.0 cm(表 2)。 第二坡
段为 4—7 m,由于第一坡段细沟汇流作用及细沟间
横向溢流使径流集中,造成该坡段细沟数量减少,分
布密度减小为 1.3 条 / m2;但是细沟平均宽度和深度
分别较第一坡段增加 30.5%和 38.2%,RED 增加到
1.6 cm,较第一坡段增加 64.3%。 第三坡段为 7—10
m,细沟形态与第二坡段相似,细沟分叉较少,径流集
中作用继续加强,细沟分布密度为 1.0 条 / m2,细沟
平均宽度在此坡段达到最大值 14.0 cm,较第一坡段
增加 47.4%,较第二坡段增加 12.9%;该坡段细沟平
均深度为 9.1 cm,较第一坡段增加 33.8%,但较第二
坡段减少 3.2%;RED 达到 2.0 cm,分别较第一坡段
和第二坡段增加 102.0%和 23.0%。 第 1次降雨结束
后统计发现,细沟累积长度为 39.3 m;细沟间距离约
为 0.4—1.0 m;坡面细沟总面积为 4.27 m2,占试验土
槽总面积的 14.2%。
图 2摇 坡面细沟空间分布
Fig.2摇 The spatial distribution of rills
第 2次降雨坡面细沟基本为连续细沟(图 2),
中间两个流路上的细沟几乎全部连通,虚线表示该
处细沟发生潜蚀。 潜蚀是指由于坡耕地前期翻耕作
用,使部分坡位表层土壤以下由于土块的存在形成
相对较大的空隙,降雨过程中会在这些部位形成潜
流而发生侵蚀。 在细沟发育过程中,一旦径流汇入
这些潜蚀部位,会经过一段时间在某一坡位涌出,随
着降雨过程的进行,当这些潜蚀部位的土体全部塌
陷,潜蚀现象随即演变为细沟侵蚀。 靠近土槽左右
边壁的两个流路上的细沟与第 1 次降雨相比,同一
条流路上,上部细沟沟尾与下部细沟沟头的距离变
短。 第 2次降雨后第一坡段内细沟分布更为密集,
分布密度较第 1次降雨增加 47.1%(表 2),而第二与
第三坡段内细沟分布密度与第 1 次降雨基本相同。
细沟平均宽度、深度和 RED分别较第 1次降雨增加,
并在第二坡段内增加幅度最大。 第 2 次降雨后细沟
平均宽度、深度和 RED在 3个坡段内的大小变化为:
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第二坡段>第三坡段>第一坡段。 第 2次降雨结束后
坡面细沟累积长度为 51. 8 m,较第 1 次降雨增加
32郾 1%。 细沟间距离由第 1 次降雨的 0.4—1.0 m 减
小为 0.3—0.8 m。 坡面细沟总面积为 9.21 m2,占试
验土槽总面积的 30.7%,坡面细沟总面积与第 1 次
降雨相比增加了 115.6%。
表 2摇 两次降雨各坡段细沟的分布密度、平均宽度、平均深度和细沟侵蚀平均深度的对比
Table 2摇 Distribution density, average rill width and depth and rill erosion average depth on different slope sections for two simulated rainfalls
指标
Indicators
坡段 Slope section玉
(0—4 m)
第 1次
降雨后
第 2次
降雨后 变化率 / %
坡段 Slope section 域
(4—7 m)
第 1次
降雨后
第 2次
降雨后 变化率 / %
坡段 Slope section 芋
(7—10 m)
第 1次
降雨后
第 2次
降雨后 变化率 / %
分布密度
Distribution density / (细沟 / m2)
1.7 2.5 47.1 1.3 1.2 -7.7 1.0 1.0 0
平均宽度
Average width / cm 9.5 13.7 44.2 12.4 24.6 98.4 14.0 19.2 37.1
平均深度
Average depth / cm 6.8 10.6 55.9 9.4 17.4 85.1 9.1 11.5 26.4
侵蚀深度
Rill erosion depth / cm 1.0 3.8 291.8 1.6 7.5 363.4 2.0 5.0 152.5
摇 摇 第 1次降雨后 After the first rainfall; 第 2次降雨后 After the second rainfall; 变化率 Change rate
摇 摇 通过对比两次降雨的细沟溯源侵蚀速率、细沟
平均宽度的变化率及面积发现,第 1 次降雨以溯源
侵蚀为主,平均溯源侵蚀速率为 4.6 cm / min,沟长增
加较快。 第 2 次降雨细沟累积长度增加 32.1%,坡
面细沟总面积却增加 115.6%,细沟平均宽度较第 1
次降雨增加 60.1%,而平均溯源侵蚀速率减小为 1.1
cm / min,由此推断细沟溯源侵蚀逐渐减弱,沟壁崩塌
明显增强,坡面的破碎程度增加。
2.2摇 坡面细沟几何形态分析
2.2.1摇 细沟平均宽度和深度随单位斜坡长的变化
分别对第 1次降雨与第 2 次降雨单位斜坡长上
细沟平均宽度、深度随斜坡长的变化进行分析,结果
显示(图 3 和图 4)两次降雨后细沟平均宽度、深度
随斜坡长度的增加均呈现先增大后减小的趋势,这
与降雨过程中径流能量变化有关。 在次降雨过程
中,随着斜坡长的增加,径流量增加,侵蚀能量增加,
进而径流含沙量也增加;径流搬运泥沙所消耗的能
量加大,侵蚀减弱,两者相互消长,导致径流能量沿
程呈现先增后减的变化。 第 1 次降雨细沟平均宽度
和深度均在斜坡长 8 m 处达到最大值,其后逐渐减
小,而第 2次降雨二者在斜坡长 7 m处达到最大值,
后开始减小,分析原因是,随着降雨历时的延长,土
壤含水量逐渐增大,上坡细沟分布密度增加,细沟汇
流能力增大及细沟间横向溢流使径流集中,造成坡
面径流量增加;而径流含沙浓度也显著增加,与之相
应径流搬运泥沙所消耗的能量显著增加,导致径流
能量沿程增长较快、消耗也较快,进而影响坡面细沟
侵蚀发育过程及细沟形态。
第 2次降雨细沟平均宽度均大于相应的第 1 次
降雨细沟平均宽度,且在斜坡长 4—8 m 处增幅较
大,增幅为 6.9—14.5 cm(图 3),这与第 2 次降雨中
细沟沟壁崩塌增强有关。 随着降雨历时的延长,试
验土槽土壤含水量增大,导致细沟沟壁土体稳定性
降低,易于发生崩塌侵蚀。 而斜坡长小于 4 m 和大
于 8 m的坡段分别是径流能量积蓄增长和消耗减小
阶段,因此第 2 次降雨细沟平均宽度与第 1 次降雨
相比增幅较小。 两次降雨后细沟最大宽度主要位于
6—8 m处,尤其是第 2次降雨更为明显。
图 3摇 细沟平均宽度随单位斜坡长的变化
Fig.3摇 Changes of average rill width with unit slope length
与第 1次降雨相比,第 2 次降雨细沟平均深度
增幅较大处位于斜坡长 4—7 m坡段,增幅从 5.9 cm
逐渐递增到 10.6 cm(图 4)。 当斜坡长大于 7 m 时,
第 2次降雨细沟平均深度开始减小,至 9 m 后,细沟
平均深度甚至小于第 1次降雨,分析原因有两点:一
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是随着汇水坡长的增加并超过一定范围时,径流搬
运能力相对减弱;二是随着降雨历时的延长,由于累
积沉积的影响,试验土槽底部坡度发生变化,导致细
沟平均深度减小。
图 4摇 细沟平均深度随单位斜坡长的变化
Fig.4摇 Changes of average rill depth with unit slope length
图 5摇 细沟宽度随距细沟沟头长度的变化
Fig.5摇 Changes of rill width with length away from rill head
2.2.2摇 细沟长宽深的关系拟合
为了进一步探讨细沟各要素之间的关系,对距
细沟沟头长度、细沟宽度和深度的关系进行分析。
第 1次降雨结束后(图 5)细沟宽度随距细沟沟头长
度的增大而增大,但是增加的趋势不明显。 此时样
本总数的 98.8%位于外包线内,细沟长度均小于 3
m。 第 2次降雨结束后(图 5),有 93.8%的样本分布
在外包线内,细沟宽度随着距细沟沟头长度的增加
呈先增大后减小的趋势,通过对拟合方程求导可知,
细沟宽度的最大值出现在距细沟沟头长度 490.5 cm
处。 分析原因是在一定的长度范围内,细沟流的能
量足以剥蚀并携带搬运细沟边壁土壤[26],但是细沟
流沿沟槽流动时,必然受到阻力的影响,阻力主要来
自含沙水流中沙粒本身对水流的阻碍作用、沟槽形
态对水流的约束和细沟流携沙过程所造成的能量消
耗[27鄄28]。 当超过一定的细沟长度范围,细沟流的能
量不足以支持剥蚀土壤耗能,细沟宽度随沟长的继
续增加而呈现减小趋势。
细沟深度随距细沟沟头长度的增加先增大后减
小(图 6),且第 2次降雨的这种趋势较第 1次降雨更
明显。 由图 6 可知,第 1 次降雨距细沟沟头长度约
为 1.5 m时,细沟深度发生转折,此后细沟深度随距
细沟沟头长度的增加呈现微弱的减小趋势,此时
91郾 0%的样本位于细沟深度小于 20 cm,且距细沟沟
头长度小于 2 m的区间内。 第 2 次降雨有 90.8%的
样本分布于细沟深度小于 30 cm,且距细沟沟头长度
小于 4 m的区间内,通过对拟合方程求导可知,细沟
深度的最大值出现在距细沟沟头长度 402.5 cm 处,
细沟深度随距细沟沟头长度的变化也与细沟流的能
量转换有关。
图 6摇 细沟深度随距细沟沟头长度的变化
Fig.6摇 Changes of rill depth with length away from rill head
细沟宽度与深度的拟合关系最好(图 7),两次
降雨细沟深度均随宽度的增加而增大,后趋于平稳。
第 1次降雨 98.5%的样本位于外包线以内,绝大部
分细沟深度小于 15 cm,宽度小于 20 cm;第 2次降雨
96.1%的样本分布在外包线以内,大部分细沟深度小
于 20 cm,宽度小于 30 cm,这与郑粉莉等[12]的野外
研究结果相同,且经过第 2 次模拟降雨,由于坡面细
9155摇 19期 摇 摇 摇 沈海鸥摇 等:黄土坡面细沟侵蚀形态试验 摇
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沟继续发育及汇流作用的存在,使得坡面细沟发育
表现出一定的空间差异性,坡面中下部部分细沟深
度超过 20 cm,由图 7可以看出,当细沟深度超过 20
cm后,细沟宽度显著增加,原因是耕作层的厚度为
20 cm,其下为犁底层,犁底层的存在一方面可以降
低入渗率,从而导致坡面径流侵蚀力的增加;另一方
面犁底层比耕作层具有更高的抗蚀性,当细沟下切
遇到犁底层就会横向发展[29],引起细沟沟壁的崩
塌,而细沟下切侵蚀减弱。
图 7摇 细沟深度随宽度的变化
Fig.7摇 Changes of rill depth with width
3摇 结论
利用室内人工模拟降雨试验研究了黄土坡面细
沟侵蚀形态特征,通过对细沟的空间分布及形态要
素进行分析,得到如下研究结论:
(1)第 1次降雨坡面以断续细沟为主,侵蚀方式
主要为溯源侵蚀,细沟累积长度为 39.3 m,坡面细沟
总面积占试验土槽面积的 14.2%,第 2 次降雨坡面
以连续细沟为主,细沟沟壁崩塌增强,坡面的破碎程
度增加,细沟累积长度增加 32.1%,坡面细沟总面积
占试验土槽面积的 30.7%。
(2)与第 1次降雨相比,第 2次降雨细沟平均宽
度、深度和坡面细沟侵蚀平均深度均增加,并在 4—7
m坡段内增加幅度最大;单位斜坡长上细沟平均宽
度、深度随斜坡长度的增加均呈现先增加后减小的
趋势,且第 1次降雨在斜坡长 8 m处达到最大值,其
后逐渐减小,而第 2 次降雨二者在斜坡长 7 m 处达
到最大值,后开始减小。 表明径流能量的消长对坡
面细沟侵蚀发育过程及形态特征有明显影响。
(3)距细沟沟头长度、细沟宽度和深度的关系分
析表明,第 1次降雨细沟长度均小于 3 m,细沟宽度
随距细沟沟头长度的增大而增大,第 2 次降雨则呈
现先增大后减小的趋势;细沟深度随距细沟沟头长
度的增加一直呈现先增大后减小的趋势;细沟宽度
与深度的拟合关系最好,细沟深度随宽度的增加而
增大,后趋于稳定。
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