第一作者: 史倩华博士
通讯作者: 王文龙研究员
作者单位: 太原科技大学环境科学与工程学院
DOI：https://doi.org/10.2489/jswc.2022.00152
亮点
沟头前进长度变化特征：沟头前进长度随试验时间呈指数增长，沟头前进到与集水区沟道相连或者侵蚀至临界状态后，沟头不再继续前进。
泥沙颗粒的粒径分布特征：当粒径大于0.0326 mm时，泥沙富集，当粒径小于0.0326 mm时，泥沙沉积。
颗粒大小对分形维数的影响：侵蚀泥沙颗粒分形维数为2.61~2.67，与黏土体积分数拟合效果较好。
研究进展
溯源侵蚀是侵蚀泥沙的主要来源，这一侵蚀过程往往伴随着沟头前进、沟底下切和沟岸扩张等过程。在降雨产流期间，上游地区水流的射流冲刷，是造成溯源侵蚀的主要原因。在集中流到达沟头顶部后，集中流动转化为射流，导致了沟头形态的演化。上游的集中流动决定了沟头边缘处的流动条件，进而决定了射流的运动轨迹，进而决定沟头前进速率等溯源侵蚀特征值。因此，研究沟头侵蚀特征，如沟头形态演化和泥沙颗粒输运规律，对厘清溯源侵蚀机制有重要作用。因此，本研究选取黄土高塬沟壑区的董志塬为研究区域（图1），通过建造溯源侵蚀小区（图2），进行了一系列恒定降雨强度（0.8 mm/min）和变流量（3.6、4.8、6.0和7.2 m3/h）的“模拟降雨+放水冲刷”试验，研究沟壑区的溯源侵蚀过程。
图1 研究区概况
图2 溯源侵蚀模型简图
图3 不同放水流量下沟头前进长度变化
图3为沟头前进长度在不同放水流量下随时间的变化情况。由图可知，沟头前进长度随试验时间呈现由快速增加转为缓慢增加的变化过程，二者呈指数函数相关（L=Alnt-B；A=6.38~52.95；B=0.64~117.12；R²=0.57~0.96，P<0.01，N=9~28)。其中，沟头前进长度的突增是由沟头土体崩塌造成的。对于一级沟头而言，沟头前进速率最大值出现在0~24 min，且溯源侵蚀长度小于101 cm。当沟头溯源向上与塬面发育的沟道相连或者发育至临界值时，会产生二级沟头甚至三级沟头。
将不同放水流量下各粒级的泥沙富集率取平均值（图4），可知泥沙颗粒富集率随粒径的增加而减小，泥沙颗粒富集率在粒径0.005~0.01 mm时达到最小值，为0.82~0.91；在粒径0.1~0.2 mm时候达到最大值，为1.58~1.88。当纵坐标轴即泥沙颗粒富集率取1时，可在图上看出粒径对应范围为0.02~0.05 mm之间，故采用0.01~0.02 mm和0.02~0.05 mm的富集率均分得出不同放水流量条件下沟头溯源侵蚀泥沙颗粒富集存在0.0326 mm这一临界。表明当粒径大于0.0326 mm时，泥沙颗粒富集，而当粒径小于0.0326 mm时，泥沙颗粒沉积。
图4 不同放水流量下泥沙颗粒富集率变化
将分形维数与颗粒组成进行回归分析，分析结果表明，原始土壤的分形维数与粘粒含量呈极显著相关（P<0.01），而粉粒和粘粒含量对分形维数的影响不显著。至于泥沙颗粒，砂粒、粉粒、黏粒含量显著影响泥沙分形维数（P<0.01，N=24），按照皮尔森相关系数排列顺序为黏粒>砂粒>粉粒，其中分形维数与砂粒含量呈负相关，分形维数与黏粒含量和粉粒含量呈正相关。总体而言，黏粒含量可用于估算分形维数（R2=0.98，P<0.01，N=24），二者呈幂函数相关。
表1 分形维数与粒径间的关系
作者介绍
史倩华，博士，讲师，太原科技大学环境科学与工程学院，研究方向为土壤侵蚀、开发建设项目水土保持等，以第一作者发表学术论文6篇，其中SCI二区及以上3篇，EI收录2篇，一级学报1篇。
通讯邮箱：sqianhua@163.com
