坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

汤珊珊，高海东，李占斌,2，任宗萍，张 辉，苏远逸，支再兴



坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

汤珊珊1，高海东1，李占斌1,2※，任宗萍1，张 辉1，苏远逸1，支再兴1

（1. 西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安 710048；2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100）

侵蚀泥沙颗粒大小的分布在一定程度上影响着侵蚀泥沙的搬运和沉积，了解侵蚀泥沙的分选作用将有助于解释泥沙的侵蚀和沉积过程。该文以覆沙坡面为研究对象，采用室内模拟降雨的方法，选取坡度12°、雨强1.5 mm/min的黄土坡面上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙层进行试验。结果表明：坡面覆沙后，坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0～10 min内便被冲刷带走；侵蚀泥沙颗粒主要以粉粒为主；坡面覆沙后，在细沟间侵蚀阶段，径流优先搬运大于0.054 mm的颗粒，在细沟侵蚀阶段和细沟侵蚀及细沟间侵蚀的组合阶段，径流搬运的泥沙颗粒以小于0.054 mm的颗粒为主；同时，在产流前期（0～10 min）侵蚀泥沙颗粒主要以大于0.054 mm的颗粒为主；而在产流后期（10 min以后）侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。坡面覆沙后，黏粒以团聚体的形式存在，粉粒以单粒的形式存在，而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在。该文为进一步研究泥沙沉积后风蚀对水蚀的影响提供数据支撑。

侵蚀；颗粒大小；降雨；覆沙坡面；颗粒分选

0 引 言

坡面侵蚀过程包括雨滴击溅和径流冲刷引起的土壤颗粒分离、泥沙输移和沉积三大过程[1]。侵蚀泥沙颗粒的分布特征在一定程度上可以反映侵蚀过程中泥沙的积蚀性，这将有助于建立土壤侵蚀预报模型[2]。在侵蚀过程中，侵蚀泥沙可以作为养分和污染物的载体，不同粒径的泥沙颗粒的养分分布是不统一的，颗粒越细则吸附的养分越多[3]。同时，沉积物分选和搬运机制是建立坡面面源污染模型的基础[4]。

坡面径流冲刷过程一般分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀两部分[5-6]。侵蚀沉积物主要由原始土壤颗粒（黏粒、粉粒和沙粒）的聚集体和团聚体组成的[7]。总得来说，细沟间侵蚀主要选择搬运细颗粒，而细沟侵蚀在其径流剪切力大于临界剪切力之后基本不发生泥沙颗粒的搬运[8-11]。细沟间侵蚀选择优先搬运细颗粒主要是因为其选择优先沉积细颗粒或者说其搬运粗颗粒的挟沙能力不足[12-13]。细沟间侵蚀搬运的沉积物比原状土和细沟侵蚀搬运的颗粒都粗[14-15]。在整个降雨过程中，侵蚀泥沙颗粒的大小分布是不断变化的[16]。以往的研究表明，侵蚀泥沙中黏粒和粉粒的富集和刚发生侵蚀时的原状土相比较，随着降雨时间的延长，侵蚀泥沙颗粒变粗，并趋于稳定，且其颗粒组成和原状土相似[17-18]。和Asadi等[3]发现不同粒径大小的沉积物质量百分比呈双峰分布，进而推断出沉积物呈双峰分布主要是由于沉积物的悬移、跳跃和滚动所需的搬运动能不同，且在不同粒级下分别占主导优势。侵蚀过程中的沉积物分选仍然有一些矛盾的和解释不清楚的问题。沉积物大小分布由许多因素共同决定比如降雨特性、植被覆盖、水流类型（薄层水流和细沟流），土壤属性、坡度[19-21]。

在对泥沙颗粒分布的影响因素研究方面，众多学者的关注点多在雨强、坡度、产沙强度、产流强度以及降雨量等[22-27]，并从不同角度探讨了径流泥沙颗粒与侵蚀的关系，但针对粗泥沙颗粒含量高的疏松土壤的颗粒分选特征的研究较少。因此本文以覆沙坡面为研究对象，模拟降雨条件下坡面覆沙对侵蚀泥沙分选特性的影响，以期为揭示侵蚀过程中各因素的性能和相互关系奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在西安理工大学雨洪侵蚀大厅进行，试验采用侧喷式降雨系统，有效降雨高度为4 m。试验土槽为长13.2 m、宽1 m的可移动式钢制土槽（图1）。每场试验以裸坡作为对照，降雨坡度为12°。每次降雨前进行雨强率定，降雨均匀度达到85%以上，并对整套降雨系统配以稳压器，以确保在整个降雨过程中雨强的稳定性。以黄土作为供试土壤，并将其过10 mm筛后分层填入土槽中，表层覆盖沙物质，其土壤颗粒组成如表1所示。

表1 模拟降雨试验用土的颗粒组成

土槽填土之前先铺设5 cm厚的细沙，在沙层上覆盖一层纱布，确保试验土层的透水状况接近供试土壤，然后在沙层上填25 cm厚的试验用土，然后在土层上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙。填土过程中为了保证试验土层容重均匀，按5 cm分层填装，每次在装下一层土前将表土打毛，以消除2层土之间的垂直层理，平均容重约控制在1.3 g/cm3，土壤前期含水量约为20%。土槽装填完成后在土壤表面均匀洒水，24 h后开始降雨。降雨产流后开始计时，记录时间间隔为1 min，产流历时30 min。每种处理重复3次即重新装土进行降雨试验，并以裸坡（黄土不覆沙坡面）作为对照。

通过对位于内蒙古达拉特旗境内的东柳沟流域不同时期风蚀沉积的沙层厚度以及侵蚀沟长度和坡度进行实地调查，本文从雨强（1.5 mm/min）和覆沙厚度（0.5、1.0、1.5 cm）2个方面进行设计（表2）。

表2 降雨试验设计方案

注：BS2：裸坡，1.5 mm·min-1；ST1：覆沙厚度0.5 cm，1.5 mm·min-1；ST2：覆沙厚度1.0 cm，1.5 mm·min-1；ST3：覆沙厚度1.5 cm，1.5 mm·min-1。下同。

Note: BS2: Bare Slope, 1.5 mm·min-1; ST1: Depth of sand is 0.5 cm, 1.5 mm·min-1; ST2: Depth of sand is 1.0 cm, 1.5 mm·min-1; ST3: Depth of sand is 1.5 cm, 1.5 mm·min-1. The same below.

1.2 测量指标

每一场降雨均待坡面开始产流后，每1 min用事先率定过体积的锥形瓶和20 L的塑料桶分别收集1次含泥沙水样和径流泥沙样。每一场降雨试验结束后，测量样品中的含泥沙水深，利用体积-水深关系式计算径流量，并将锥形瓶中的泥沙样沉淀并倒去上层清水，转移至已事先称重过的饭盒中，放置于105 ℃的烘箱中烘干，用烘干后的泥沙质量计算含沙量和产沙量，并将烘干后泥沙样过2 mm筛备用，选用马尔文2000激光粒度仪对其泥沙颗粒组成进行测定。采用染色剂示踪法（K2MnO4）测定坡面水流流速，测定时间与采集径流泥沙样的时间同步，并结合三维激光扫描仪对降雨前后坡面形态进行扫描。

1.3 指标计算

坡面径流侵蚀一般划分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀。为了更好地理解这个过程，将径流泥沙样品划分为10个粒级，每个粒级体积百分比均为10%，依据Asadi等[4]的定义则表示任何体积百分数大于10%的颗粒都会优先被搬运。本文则根据试验观测数据及现象将产流后0～5 min定义为面蚀和细沟间侵蚀，6～10 min为细沟发育期，而11～30 min则为细沟侵蚀和细沟间侵蚀的组合。

侵蚀泥沙颗粒大小的分布用平均重量直径（mean weighted diameter，MWD）表示，计算公式

Marínez-Mena等[27]提出相同粒径下，泥沙有效颗粒（effective particles）含量和原始颗粒（ultimate particles）含量的比值（）能指示不同粒级泥沙颗粒在被径流搬运时的状态。当等于1时，说明泥沙以单粒的形式被搬运；当不等于1时，表示泥沙以团聚体的形式被搬运。

数据处理采用SPSS18.0进行ANOVA和相关分析，采用Origin8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同降雨时期泥沙颗粒分布规律

由图2可知，以0.054 mm的土壤颗粒作为分界，在其前后粒级的颗粒含量出现较明显的差异（<0.05）。降雨初期（0～5 min），不同覆沙厚度下的侵蚀泥沙中大于0.054 mm的颗粒体积分数侵蚀泥沙总量的47%～70%，而小于0.054 mm的土壤颗粒的体积分数小于53%（图2a）；细沟发育期（6～11 min），不同覆沙厚度下的侵蚀泥沙中小于0.054 mm的颗粒体积分数占侵蚀泥沙总量的60%～90%，而大于0.054 mm的土壤颗粒的体积分数小于40%（图2b）；降雨中后期（11～30 min），不同覆沙厚度下的侵蚀泥沙中小于0.054 mm的颗粒体积分数占侵蚀泥沙总量的85%～95%，而大于0.054 mm的土壤颗粒的体积分数小于15%（图2c）；进一步分析产流开始0～10 min可以发现，不同覆沙厚度下的侵蚀泥沙中小于0.054 mm的颗粒体积分数占侵蚀泥沙总量的48%～71%，而大于0.054 mm的土壤颗粒的体积分数则在29%～52%（图2d）。综上所述，可以初步说明坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0～10 min内便被冲刷带走，这与作者本人通过分形维数和D50分析径流泥沙中粗颗粒物质的时间来源基本保持一致[34]。同时从图中可以看出，在产流后6～10、0～10 min，小于0.054 mm的泥沙颗粒含量均随着覆沙厚度的增加而减小，而大于0.054 mm的泥沙颗粒含量则随着覆沙厚度的增加而增大；然后在产流后0～5 min内并没有表现出相似的规律，而是小于0.054 mm的泥沙颗粒含量表现为ST2

从不同时间的侵蚀泥沙的MWD（表2）可以看出，不同覆沙厚度下侵蚀泥沙的MWD显著不同（<0.05）。0～5 min时段，不同覆沙厚度下侵蚀泥沙颗粒的MWD是裸坡的13.8（ST1）、21.22（ST2）、20.39（ST3）倍；6～10 min时段，不同覆沙厚度下侵蚀泥沙颗粒的MWD是裸坡的2.7（ST1）、5.6（ST2）、9.9（ST3）倍；11～30 min时段，不同覆沙厚度下侵蚀泥沙颗粒的MWD是裸坡的1.35（ST1）、3.30（ST2）、3.25（ST3）倍；而0～10 min时段，不同覆沙厚度和裸坡下侵蚀泥沙颗粒的MWD比值分别为7.95（ST1）、13.00（ST2）、14.89（ST3）。方差分析表明，不同采样时间侵蚀泥沙的MWD差异显著（<0.05），泥沙颗粒随着细沟的发展逐渐变细，在细沟发育期（6～10 min）和细沟侵蚀与细沟间侵蚀交替期（11～30 min），MWD随着覆沙厚度的增加而增大。

表2 不同覆沙厚度下侵蚀泥沙颗粒的平均重量直径MWD

注：同列数据后标*表示差异显著（<0.05）

Note: * means significant difference in same column (<0.05).

2.2 各级泥沙颗粒含量的变化规律

图3表示不同覆沙厚度下侵蚀泥沙颗粒分布随降雨时间的变化情况。将泥沙颗粒分为5个粒级：黏粒（<0.002 mm）、细粉粒（>0.002～0.02 mm）、粗粉粒（>0.02～0.05 mm）、细沙（>0.05～0.25 mm）、粗沙（>0.25 mm）。在整个降雨过程中，在0～10 min内不同覆沙厚度下的不同粒级泥沙颗粒的分布均发生了剧烈的变化（CV>100），这个变化趋势随着覆沙厚度的增加越来越明显。

侵蚀泥沙颗粒主要由粉粒组成，大约占侵蚀泥沙总量的66%～88%。在整个降雨过程中，粉粒含量随着时间的延长有所升高，在发生产流10 min之后基本达到稳定，且随着覆沙厚度的增加粉粒含量越低；不同覆沙厚度条件下，侵蚀泥沙中细沙的含量在一个很小的范围内变化，一般在5%～18%；而粗沙含量随着覆沙厚度的增加有小幅度的增加，增加了3%～8%，且在产流10 min之后便开始降低，其值基本维持在5%～15%之间，而在产流0～10 min内，粗沙的变化剧烈，覆沙厚度0.5、1.0、1.5 cm和1.5 mm/min雨强下，对应的变异系数分别为0.86%、0.76%、0.67%。

2.3 泥沙颗粒有效粒径与原始粒径的对比分析

从不同覆沙厚度下侵蚀泥沙中各粒级的/（表3）可以看出，不同覆沙厚度下各粒级/值显著不同（<0.05）。对比裸坡发现，在0～5 min，覆沙厚度为0.5、1.0、1.5 cm时侵蚀泥沙颗粒中黏粒的值分别显著下降了36%、64%、58%，粉粒则分别下降了48%、69%、63%；6～10 min，黏粒则在覆沙厚度为0.5 cm增加了7%，1.0、1.5 cm则分别下降了7%、21%，粉粒则分别下降了9%（ST1）、23%（ST2）、38%（ST3）；11～30 min，黏粒在覆沙厚度为0.5和1.5 cm分别增加了3%、5%，1.0 cm厚度下降低了9%，粉粒分别降低了9%（ST1）、23%（ST2）、38%（ST3）。综上所述，覆沙厚度1.5 cm时的平均/值分别是裸坡的20.30（黏粒）、9.22（粉粒）、3.24（沙粒）倍。

表3 不同覆沙厚度下侵蚀泥沙中各粒级的Effective/Ultimate particles变化

图4显示了不同覆沙厚度下黏粒、粉粒、沙粒的有效粒径含量与原始粒径含量的比值/。从图中可以看出，不同覆沙厚度下黏粒的/值在0～10 min表现出先减小后增大的趋势，到10 min基本维持在0.4～0.8之间，始终小于1，且与覆沙厚度的关系不显著，粉粒的/值在0～10 min表现出先减小后增大的趋势，到10 min后基本维持在1.0附近，且与覆沙厚度表现出显著负相关（<0.05）；沙粒的/值在0～10 min表现出先增大后减小的趋势，到10 min后基本维持在1.0～4.0之间，且与覆沙厚度表现出显著正相关（<0.05）；同时，进一步说明，黏粒在整个降雨过程中都以团聚体的形式存在，粉粒在0～10 min内以团聚体的形式存在，10 min后则主要以单粒的形式存在，而沙粒在整个过程中始终以细颗粒的聚集体的形式存在。侵蚀泥沙中黏粒的/值小于1是由于在泥沙沉积过程中，黏粒是以团聚体的形式存在于土体中，而团聚体是作为一个独立个体与粉粒和沙粒组成“点棱接触多孔结构”的土体，在坡面径流较小的情况下，水流只能搬运粉粒和细沙粒，而不能搬运团聚体或粗沙粒。但是随着细沟的出现，坡面的径流输沙能力增强，一些黏粒或沙粒便被径流搬运到出水口，导致侵蚀泥沙中黏粒的富集[28-29]。同时，在产流初期（0～10 min），黏粒和粉粒的/值均表现出先减小后增大的趋势，而沙粒则一直处在减小趋势，导致这种现象的原因是在产流初期，由于坡面表层覆沙使得降雨径流优先搬运粗颗粒，随着降雨的进行及坡面细沟的出现，坡面的细颗粒也开始被径流冲刷带走，且逐渐取代粗颗粒成为侵蚀泥沙中的主要被径流带走的物质。

3 讨 论

侵蚀泥沙颗粒大小分布受以下因素影响：1）原状土土壤颗粒大小的分布；2）侵蚀过程中团聚体的破碎情况；3）各粒级颗粒的沉降速度[29]。

土壤颗粒组成状况是影响土壤抗蚀性的重要因素。颗粒组成越细的土壤，黏结力越强，在一定程度上使土壤形成团状结构体，其抗打击的能力也越高[30-31]。湿土层的抗分散能力明显随黏粒含量的增大而加强。黏粒含量超过30%～50%的土壤，凝聚力较大，并形成稳定的土壤团粒结构，这种团粒结构对雨滴打击溅蚀的阻力较大[32]，不易被打散和搬运。当土壤中粉粒含量超过33%时，侵蚀泥沙颗粒中也以粉粒居多（粒径大小在20～35m）；粒径在20～200m的颗粒不管是单粒还是团聚体均容易受到侵蚀，粒径大于200m的颗粒因受到自身重力的限制不易被搬运，而粒径小于20m的颗粒由于颗粒间粘结力较大也难以被分离搬运[15]。由此可知，土壤质地是影响侵蚀颗粒大小分布的主要因素。降雨过程中，黏粒含量随时间几乎没有变化，即细沟形成前后黏粒含量并未发生太大的改变。团聚体的破碎主要发生在细沟间，该部分径流深较浅，雨滴可以穿透薄层水流将团聚体破坏，进而释放黏粒，黏粒含量增加。

在水蚀过程中，团聚体的主要破碎机制是消散作用和机械破碎作用[17,33]。由于本试验中，土壤在降雨之前进行水分饱和处理，因此消散作用可以忽略不计。因此，本试验中团聚体的主要破碎机制是由雨滴打击引起的机械破碎，这是影响侵蚀泥沙颗粒大小分布的主要因素。细沟间侵蚀易受雨滴击溅作用，而由于坡面表层沙物质的存在，坡面粗糙度增大，坡面摩擦力增大，进而使得雨滴的击溅作用被削弱，加之沙物质本身的粘结力比较小，团聚体含量相对较小[24]，并且坡面覆沙后使得坡面土壤的质地变粗，坡面的透水性增强，坡面的渗透能力增强，因此在产流之前坡面中存储了大量的水分，使得径流冲刷能力增强[23]，因而在侵蚀泥沙中大颗粒含量多（图2a）；细沟侵蚀阶段由于坡面表层的沙物质大部分被径流冲刷带走，且随着降雨的进行，坡面逐渐达到稳定入渗，大部分的降雨变成了径流，坡面开始出现结皮，摩擦力减小，雨滴的击溅作用增强，同时，细沟产生之后，细沟流的侵蚀动力更强[17]，挟沙能力增强，可挟带更多的细颗粒，因而在降雨中后期侵蚀泥沙中细颗粒增多（图2b、图2c）。

4 结 论

通过人工模拟降雨试验，研究1.5 mm/min下不同覆沙厚度下的坡面侵蚀过程中泥沙颗粒大小的分布特征及搬运特性。得出以下结论：

1）坡面发生侵蚀后，裸坡和覆沙坡面的径流泥沙颗粒的大小分选特征均以0.054 mm为界按不同时期发生分选。

2）坡面覆沙后改变了侵蚀泥沙的分选特性：裸坡的径流泥沙的分选始终以侵蚀细颗粒为主，而覆沙后径流泥沙颗粒在降雨初期以粗颗粒为主，后又随着降雨的进行细颗粒逐渐增多；坡面覆沙后，表层沙物质大部分在0～10 min内便被大量的侵蚀。

3）黄土坡面覆沙对侵蚀泥沙中黏粒含量没有影响，仅对粉粒和砂粒的含量有影响，二者颗粒含量变化表现出“此消彼长”的趋势。

4）坡面覆沙后，黏粒以团聚体的形式存在，粉粒以单粒的形式存在，而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在，且坡面覆沙对黏粒和沙粒的存在形式没有影响，仅对粉粒的存在形式有影响。

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第五个支出是社会保障支出，关于社会保障支出的主要有以下几个问题：社会保障支出总量不足；社会保障支出增长缓慢；社会保障支出结构不合理、地区差异显著；社会保障基金增值困难、安全隐患。这个具体的数据大概说一下：2010年的时候我们国家社会保障支出占GDP的2.28%。这个与同期国家比较，比如说以中等发达国家为例，中等发达国家社会保障支出比重是30%，我们是2.28%，社会保障构建上严重投入不足，今天我们所讲的全民享有的、能够覆盖13亿人口的社会保障体系尚未完全建立起来。

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Characteristics of particle separation of erosion sediment in slop surface covered with sand

Tang Shanshan1, Gao Haidong1, Li Zhanbin1,2※, Ren Zongping1, Zhang Hui1, Su Yuanyi1, Zhi Zaixing1

(1.,,710048,; 2.,,,712100,)

Sediment size distribution greatly affects sediment transport and deposition. A better understanding of sediment sorting will improve the understanding of erosion and sedimentation processes, which in turn will improve erosion modeling. In this paper, using artificially simulated rainfall experiment, the sieved sand slope erosion and sediment grain size distribution and the change process were analyzed under the condition of 1.5 mm/min rainfall intensity, and the sieved sand slope erosion and sediment particle characteristics were explored, which aimed to further clarify the sieved sand slope erosion and sediment yield process. This paper studied the characteristics of sediment particles under different sand thickness, and there were 3 treatments, i.e. ST1 (sand thickness of 0.5 cm), ST2 (sand thickness of 1.0 cm), and ST3 (sand thickness of 1.5 cm). Malvern 2 000 laser particle size analyzer was used to measure the sediment particle composition, which was expressed by the mean weighted diameter (MWD). The results showed that most of coarse particulate matter was washed away within 0-10 min after the runoff production began; the sediment particle content of less than 0.054 mm was ST2

erosion; particle size; rain; sand-covered slope; sediment sorting

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.017

S157.1

A

1002-6819(2017)-02-0125-06

2016-05-05

2016-11-18

国家自然科学基金青年项目(41401305); 国家自然科学基金重点项目（41330858）;西安理工大学博士创新基金（310-252071505）

汤珊珊，博士生，主要从事土壤侵蚀动力学等方面的研究。西安 西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048。 Email：military1205@163.com

李占斌，博士，研究员，博导，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面的研究。杨凌 中国科学院水利部水土保持研究所，712100。 Email：zhanbinli@126.com

汤珊珊，高海东，李占斌，任宗萍，张 辉，苏远逸，支再兴. 坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性 [J]. 农业工程学报，2017，33(2)：125－130. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.017 http://www.tcsae.org

Tang Shanshan, Gao Haidong, Li Zhanbin, Ren Zongping, Zhang Hui, Su Yuanyi, Zhi Zaixing. Characteristics of particle separation of erosion sediment in slop surface covered with sand[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 125－130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.017 http://www.tcsae.org