1、第 卷 第 期 年 月中 国 水 土 保 持 科 学 解冻期覆沙黄土坡面侵蚀及泥沙分选特性苏远逸，张 洋，杨 志，李 鹏，李占斌，王 添，张乃畅（西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安；旱区生态水文与侵蚀灾害防治国家林业局重点实验室，西安；西安国际港务区农业农村和水务局，西安；宁夏回族自治区水土保持监测总站，银川；中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安）摘要：为了探究解冻期融水侵蚀对覆沙黄土坡面的影响，选取未冻裸坡（）、未冻覆沙（）、冻土裸坡（）和冻土覆沙（）种坡面（覆沙厚度为）为研究对象，设计 长的坡面和 的流量进行室内放水冲刷试验，对坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特性进
2、行研究。结果表明：）冻土坡面（和）的初始产流时间明显小于未冻坡面（和），并且覆沙坡面（和）的初始产流时间较裸坡坡面（和）明显滞后；）各坡面平均产流速率表现为 ，平均产沙速率表现为 ，的平均产流和平均产沙速率与、和 均差异显著（.）；）各坡面泥沙颗粒平均质量直径（）平均值表现为黄土本底物 风沙土本底物。在试验过程中裸坡坡面的 随产流时间的延长波动程度较小，覆沙坡面的 在试验过程中有 个明显增大和减小的过程。在冲刷条件下砂粒和粗粉粒更容易被坡面径流带走，并且覆沙坡面更容易侵蚀砂粒，而裸坡坡面更容易侵蚀粗粉粒。关键词：放水冲刷试验；解冻期；覆沙黄土；侵蚀过程；泥沙颗粒分选中图分类号：.文献标志码：文
3、章编号：（）：收稿日期：修回日期：项目名称：国家自然科学基金“基于能量过程的沟道工程侵蚀阻控机理研究”（）；陕西省水利科技计划项目“窟野河流域水沙关系变化趋势与水土保持治理布局研究”（）；陕西省创新人才推进计划项目科技（水土资源环境演变与调控）创新团队项目（）；清洁能源与生态水利工程研究中心项目（）；榆林市科技计划项目（）第一作者简介：苏远逸（），男，博士生。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。：通信作者简介：李鹏（），男，博士，教授。主要研究方向：生态水文过程和土壤侵蚀。：，（，；，；，；，；，）：，第 期苏远逸等：解冻期覆沙黄土坡面侵蚀及泥沙分选特性 ，（），（），（），（）（）（）（），（
4、）（），（.）（）：，：；季节性冻融过程主要发生在中高纬度地区，通常以冬季冻结和夏季消融为特征。黄土高原北部气温每年在 以下有 ，其多年平均降水量为 左右，该地区是我国发生冻融侵蚀的主要地区之一。在冻融侵蚀区，由于春季地表温度升高，表层土壤中的不完全解冻层是发生严重土壤侵蚀的关键因素。冻结的土壤会阻碍径流的入渗，径流迅速汇集下切形成细沟，大量泥沙沿细沟被剥离，使侵蚀量增大。并且冻融作用改变土壤的物理特性。李占斌等研究发现，土壤冻结使土壤孔隙中的水体凝结成冰，冻融作用使孔隙度增大，土壤密度降低。因此在土壤解冻过程中土壤稳定性降低，导致土壤可蚀性增大。与此同时，黄土高原风水侵蚀交错带夏秋多雨、冬春
5、干旱，受风力侵蚀的影响，该地区分布着广泛的片沙覆盖地貌区，由于其独特的沙土二元结构，覆沙坡面的土壤侵蚀特征不同于单一黄土坡面。由于风沙土泥沙颗粒较粗，在坡面产流前沙层贮存大量的水分，当坡面开始产流后，径流中的含沙量很大，导致严重的水土流失。在黄土高原北部，受冻融作用影响的区域与覆沙区域重叠，重叠区域受水蚀、风蚀和冻融等多种侵蚀力的影响，水土流失现象异常严重。径流是搬运泥沙颗粒的主要驱动力，在土壤侵蚀过程中侵蚀泥沙颗粒的分布特征可较好地反映坡面侵蚀的变化过程，因此侵蚀泥沙颗粒分布特征也成为研究土壤侵蚀过程的一个重要指标。侵蚀泥沙颗粒的分布特征受侵蚀类型、原始土壤颗粒的大小、各泥沙粒径的沉降速度等
6、多种因素的影响。张辉等通过室内模拟降雨试验研究得出，冻土坡面的黏粒和细粉粒容易被坡面径流搬运与输移。在冻融作用的影响下，土壤冻结使土壤孔隙中的水体凝结膨胀，改变土壤颗粒的大小，破坏土壤颗粒之间的结合。在春季解冻期，较小的降雨或积雪融化形成坡面径流使经过冻融作用的土壤颗粒更容易发生分离。一般来说较细的土壤颗粒结合聚合力较强，等认为当土壤颗粒中的黏粒体积分数在 之间时，土壤聚合力较大，容易形成稳定性较好的土壤结构体。汤珊珊等以覆沙坡面为研究对象，对粗泥沙颗粒含量较高土壤的侵蚀中国水土保持科学 年泥沙颗粒分布特征进行研究，指出覆沙坡面的侵蚀泥沙颗粒在 以粗颗粒为主，随着降雨的继续细颗粒逐渐增多。黄土
7、高原北部属多动力综合作用区，冬春季节以风蚀为主，并且部分地区存在冻融侵蚀，多种侵蚀力叠加使该区域土壤侵蚀过程复杂，侵蚀量加剧。目前针对该区域的研究多集中在单一侵蚀力或风水复合侵蚀力作用下的侵蚀特征，对多种外营力复合侵蚀的过程侵蚀泥沙颗粒规律的研究较少；因此本研究将在前人研究的基础上，结合黄土高原冻融侵蚀的特点，采用室内模拟冷冻和放水冲刷试验，分析覆沙黄土坡面的侵蚀过程及泥沙颗粒分选特性，为进一步揭示其侵蚀过程机理提供参考。材料与方法.试验材料与装置试验用土为黄土和风沙土，根据 年中国制粒级分级标准，采用 激光粒度仪测量泥沙样品的粒径大小（），测得黄土的颗粒组成为黏粒（.）.、细粉粒（.）.、粗
8、粉粒（.）.和砂粒.（.），风沙土的颗粒组成为黏粒（.）.、细粉粒（.）.、粗 粉 粒（.）.和砂粒.（.）。经测定黄土的干密度约为.，风沙土的干密度约为.。图 为冲刷试验装置示意图。土槽（长 、深.和宽.）为木质土槽，设置为 的斜坡。在土槽顶部连接一个长 、宽.、深.的水槽，形成稳定的集中水流，即试验坡长 。稳流槽采用带孔的有机玻璃板分为 部分，稳流槽中的水来自装有流量控制器的水箱，水箱设上有排水孔，以保持水压稳定。冷冻土壤系统的装置内部尺寸为长.、宽.和高.，可调温度范围在 之间，满足试验需求。图 冲刷试验装置示意图 .试验设计与方法冲刷试验在西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实
9、验室进行，于 年 月 日开始，至 月 日结束。试验设计为未冻裸坡（）、未冻覆沙（）、冻土裸坡（）、和冻土覆沙（）种坡面，覆沙坡面（和）的覆沙厚度为 。根据黄土丘陵区解冻期的平均降水量（.），设计放水强度为 （相当于在长.和宽.的条件下发生降雨强度为 的降雨）。根据野外现场调研结果和已有研究成果，目前黄土高原 以上坡耕地的坡度在 和 之间，因此该试验的坡度设计为。将野外采回的土样称量并烘干，根据计算结果设定土壤前期含水量为 ，土壤干密度为.。填土 过 程：）土 壤 风 干 并 过 筛（），除去植物根、小石块等杂质；）取适量土样测量其含水率，用喷壶洒水混合均匀使含水量达到左右，并用塑料膜覆盖防止水
10、分蒸发；）根据测定野外黄土的干密度（.）计算得出需要的用土量，将配置好的黄土每 装入土槽中，一共 层，每层黄土装填压实后在表面进行浅锄，保证土壤紧密结合；）根据试验设计要求在需要覆沙的坡面覆盖 的风沙土，覆沙坡面在装土时表层预 第 期苏远逸等：解冻期覆沙黄土坡面侵蚀及泥沙分选特性留 位置，保证每场试验填土厚度一致；）用喷壶在覆沙坡面喷洒适量的水，让沙层的含水量接近野外；）将需要冷冻的土槽放入冷冻土壤系统，温度设定为 ，待土壤完全冻结后取出进行试验。试验开始前先率定冲刷流量，在率定值连续 次与设计流量之间的误差 时进行冲刷试验。水流进入土槽后到径流收集装置出现径流的时间为初始产流时间，径流收集装
11、置出现径流开始记录产流时间，产流持续 后关水，每场试验重复 次。试验过程中用带刻度的塑料桶（）收集每 的径流泥沙样品，并且将部分样品收集在事先定容过得广口瓶中。试验结束后记录塑料桶中浑水的体积，将广口瓶中的泥沙样品静置，倒去部分上层清液并转移至事先称量过的钢制饭盒中，放在 的烘箱中，烘干后用电子秤称量得到广口瓶中的泥沙质量，数据保留小数点后 位。用广口瓶中的泥沙质量与广口瓶的容积相比得到含沙量，用含沙量乘以塑料桶中浑水的体积得到塑料桶中的产沙量，随后得到侵蚀过程中每分钟的产沙量。产流量的值为每分钟塑料桶和广口瓶的总体积减去每分钟产沙量的体积。试验期间的水温始终保持在 左右，并保持相对恒定。.数
12、据处理与分析试验后取适量烘干的泥沙样品过 的筛，根据 年中国制粒级分级标准将泥沙样品进行分级。在试验结果中用平均质量直径（，）来表示泥沙颗粒分选特性，其计算公式为。式中：为平均质量直径，；为第 级颗粒的平均值，；为第 级颗粒所占的体积分数，。采用 绘制了冲刷试验装置示意图，用 .软件进行绘图，用 和.进行试验数据分析，采用 .软件对相关数据进行统计分析。结果与分析.坡面产流产沙特征试验结果表明，在冲刷条件下，各坡面的初始产流时间、产流特征和产沙特征显著不同（表）。以 的初始产流时间为基础，计算各坡面初始产流时间的变化特征。的初始产流时间明显长于，的初始产流时间较 滞后.。的初始产流时间比 早.
13、，的初始产流时间是 的.，但是 的初始产流时间大约是 的 。由表 可见，对于未冻坡面，坡面覆沙后初始产流时间明显滞后。在相同覆沙条件下，冻土坡面的初始产流时间明显小于未冻坡面。表 坡面产流产沙特征值 土壤处理初始产流时间 产流特征 产沙特征 均值（）范围（）均值（）范围（）未冻裸坡 .未冻覆沙 .冻土裸坡 .冻土覆沙 .注：不同小写字母表示各坡面的均值在.的水平有显著差异（.），相同小写字母表示各坡面的均值在.的水平无显著差异（.）；为变异系数。：.（.），.（.）坡面产流速率分别在未冻和冻结 种状态下随产流时间的变化趋势相似（图）。未冻坡面的初始产流速率分别是.（）和.（），产流速率呈“增大
14、 稳定”的变化趋势；冻土坡面的初始产流速率相比于未冻坡面较大，分别是.（）和.（），冻土坡面产流速率随产流时间的变化趋势较为稳定。由表 可见，各坡面平均产流速率表现为：，、和 的平均产流速率分别是 的.、.和.倍。经方差分析，的平均产流中国水土保持科学 年速率与、和 差异显著（.），而冻土坡面在裸坡和覆沙条件下的产流速率无显著差异（.）。对于未冻坡面，坡面覆沙对坡面产流过程有显著的影响。在产流过程中，和 的 值分别是.和.，波动范围较大；和 在产流过程中 值分别是.和.，波动范围较小。未冻坡面和冻土坡面的产沙过程表现出明显的差异（图）。在相同覆沙条件下，冻土坡面在整个试验过程中的产沙速率始终明
15、显大于未冻坡面。和 的产沙速率随产流时间的延长变化趋势较为平稳，和 的产沙速率随产流时间的变化波动范围较大，分别在.和.之间（表），覆沙坡面的产沙速率随产流时间的延长呈先减小后增大再减小的趋势。各坡面的平均产沙速率差异较大，平均产沙速率表现为：，、和 的平均产流速率分别是 的.、.和.倍。经方差分析，的平均产沙速率与、和 差异显著（.），而冻土坡面在裸坡和覆沙条件下的产沙速率无显著差异（.）。由此可以看出，坡面产沙过程受土壤冻结的影响较大，并且在裸坡条件下土壤冻结对产沙过程的影响大于覆沙条件下土壤冻结对产沙过程的影响。在 产 沙 过 程 中，各 坡 面 的 值 分 别 是.（）、.（）、.（）
16、和.（）。的 值是 的.倍，的 值是 的.倍，说明不论是未冻坡面还是冻土坡面，覆沙对坡面产沙过程的影响较大。图 坡面产流产沙过程 图 坡面泥沙颗粒平均质量直径随产流时间的变化特征及其平均值 （）.坡面泥沙颗粒分选特征.泥沙颗粒平均质量直径的变化规律图 为黄土本底物、风沙土本底物和各坡面泥沙颗粒 的试验结果。由图 可见，在试验过程中 和 的 随产流时间的延长波动程度较小。的 在坡面开始产流的 降低并保持稳定，在 的 大小接近黄土本底物，在产流末期上下波动最终保持相对稳定。和 第 期苏远逸等：解冻期覆沙黄土坡面侵蚀及泥沙分选特性 的 变化规律较为相似，的 在 保持稳定并且始终大于 的。和 的 随产流时间的延长波动程度较大，并且变化规律大致相同。和 的 在试验过程中均有 个明显增大和减小的过程，在产流末期均逐渐减小并且趋于稳定。由图 可以看出，黄土本底物和风沙 土 本 底 物 的 分 别 是.和.，并且裸坡坡面的 明显小于覆沙坡面的（.）。为了进一步揭示各坡面泥沙颗粒 的变化规律，将黄土本底物、风沙土本底物和各坡面泥沙颗粒 的平均值、最大值和最小值进行统计并绘制成表。如表 所示，的平均值大小
