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摘要：本文用人工模拟降雨法，针对江苏省长江冲积平原地区的高沙土，研究了在不同坡度条件下扰动高沙土的侵蚀强度和侵蚀规律，得出了径流量和土壤侵蚀量随坡度（小于临界坡度）的增加而产生的增加量，为建设项目堆土的堆放方式及水土流失防治措施提供依据。
关键词：人工模拟降雨;开发建设项目;水土流失;侵蚀规律
随着经济社会日益发展，各类开发建设项目造成的人为水土流失现象日益突出，加强开发建设项目水土流失的预测工作已经迫在眉睫。开发建设项目水土流失预测是水土保持措施布局和水土保持措施数量、标准的确定及措施优化配置的基础，是对主体设计提出修正意见的重要依据。预测的方法是否科学、分区是否合理、内容是否全面等直接关系到预测结果的客观性和准确性，也就直接影响方案质量的高低和水土流失防治的成败[1]。本文模拟江苏高沙土地区地貌，对高沙土的流失状况和减轻水土流失的技术进行了研究。
1 试验材料
试验土壤为江苏南通地区高沙土，取自如皋市的搬经镇，有机质含量为0.56%，土壤各粒级组成见表1-1。
表1-1 试验高沙土机械组成分析
粒径大小（mm）
>0.05
0.01～0.05
0.001～0.01
<0.001
含量（%）
74.2
5.42
16.23
4.15
2 测试装置和观测项目
2.1 试验仪器与设备
2.1.1人工模拟降雨器
试验所用的降雨设备为下喷式人工模拟降雨器，由动力系统、控制系统和管路系统三个部分组成，降雨器的有效降雨区间面积为5×6m，降雨高度为6m，雨强连续变化范围为20～150mm/h，降雨均匀度85%以上，雨滴大小的调控范围为1.7～2.8mm，降雨时间0～9999秒任意调节，雨强大小调节精度为7mm/h，降雨测量精度为0.01mm/h。所有降雨参数的调节都通过控制系统操作完成，降雨所需用水通过动力系统提供。
2.1.2移动变坡式钢槽
为了便于研究不同坡度的坡面在不同降雨情况下土壤侵蚀汇流产沙规律过程，试验采用了自动变坡式钢槽，包括钢槽体、槽体机架两大部件。钢槽电动压力调坡，调节范围0°～45°，钢槽尺寸为2×3×0.3m。钢槽底部留有5mm的小孔，用以消除槽底封闭对土壤入渗的影响。
2.2坡度对扰动高沙土水土流失的影响试验设计
每次试验前将钢槽装上土，然后将变坡钢槽调至需要的坡度，考虑到试验土壤内摩擦角、行走式推土、装卸设备、施工机械安全性等因素，本试验选择了5°、10°、15°、20°、1：2（26.5°）五个坡面坡度。每个坡度下的降雨试验顺序遵循随机化原则，每个处理重复2次，取平均值进行分析计算。
2.3观测项目及方法
2.3.1 降雨均匀度
降雨均匀度是人工模拟降雨的一个重要参数，降雨时在降雨有效范围内均匀放置七个量雨筒，降雨结束后根据各个量雨筒的降雨量计算均匀度，计算公式为：
式中 为均匀度， 为各个量雨筒的降雨量， 为所有量雨筒降雨量的平均值。
2.3.2降雨量测定
试验过程中将量雨筒均匀放置在钢槽周围，试验结束后量取各量雨筒降雨量，取平均值作为此次模拟降雨的降雨量。
2.3.3降雨时间的确定
根据降雨强度和降雨量计算出每次的降雨时间。
降雨时间=降雨量/降雨强度
2.3.4总径流量和泥沙侵蚀量的测定
每次降雨结束后，将径流产物和水桶一块称重，然后减去水桶的重量即得出总径流量。将径流产物充分搅匀，立即取500ml径流装入烧杯中称重，得出500ml径流产物的质量，如此取3个样品求平均值。根据径流产物的总质量算出径流产物体积。取得3个样品分别倒入3个烧杯中静置至澄清后，缓慢倒出上部清水，将装有泥沙的烧杯放入恒温干燥箱中，在105℃下烘干至恒重，将烧杯移入干燥皿中冷却至常温后称重，除去烧杯的重量，即得到样品中泥沙的重量，取3个样品的平均值，得出泥沙浓度，然后计算出桶中径流泥沙侵蚀量。
2.4 数据处理与分析
用Excel和SPSS对数据进行统计分析和作图。
3 结果与讨论
3.1 坡度对径流量的影响
坡度影响着坡面径流流速和降雨入渗速率，进而影响坡面径流量，坡面径流量的多少又影响着坡面侵蚀量的大小。为了直观说明坡度对径流量的影響，同时减少土壤性状等外界因素对试验的影响，本文以降雨量为65mm时坡度对径流量的影响为分析对象，分析中将径流量换算成径流深（即径流量与承雨面积的比值）。
由图3-1可以看出，在不同雨强下，径流量随着坡度变化趋势一致，呈正相关，且变化趋势较为平缓，这与前人的研究结果[2]一致。坡度为5°时，50mm/h、65 mm/h、80 mm/h雨强对应的径流深分别为40.02、44.59和46.82mm，26.5°时三种雨强对应的径流深分别为48.95、55.24和60.28mm，分别增加了22.30%、23.88%和28.76%。其原因是：（1）坡度增加，坡面径流流速增加[3]，在坡面上的停留时间缩短，入渗时间减少，累积入渗量减少[4]，径流量增加。（2）坡度增加，单位面积承雨量变小，坡面上的水层变浅，导致水压力变小，入渗速率变小，径流量增加。
图3-1 径流量随坡度的变化规律
3.2 坡度与泥沙侵蚀量的关系 地形地貌决定着地面物质与能量的形成和再分配，是影响水土流失的重要因素之一[5]。根据侵蚀动力的不同，土壤侵蚀可分为多种侵蚀方式，其中最普通的一种侵蚀方式是降雨产生的坡面薄层水流对坡面土壤的冲蚀，即坡面层状侵蚀。其中地形地貌中的坡度因子是影响坡面流侵蚀的重要因素之一，在其它因素相同的条件下，不同的坡度形成的坡面薄层水流有很大的差别，同时不同坡度下土壤的抗水力侵蚀能力也存在着很大的差别[6]，因此产生的土壤流失也有较大差别。
3.2.1 相同雨强下坡度与泥沙侵蚀量的变化
由图3-2可以看出，在50mm/h雨强下不同的降雨量产生的侵蚀量随着坡度的变化趋势基本一致。在20°以下的坡度下，随着坡度的增加总泥沙侵蚀量增加。坡度由5°变化到15°，在5、15、25、45、65mm降雨量下对应的泥沙侵蚀增分别增加154.1、423.6、1079.4、1807.5、2507.0g/m2，而坡度由15°变化到20°时，5个雨强下对应的泥沙侵蚀量分别增加909.7、1381.7、1434.6、2226.2、2511.6g/m2。因此在降雨量为5～45mm，5°～15°的范围内，泥沙侵蚀量增加缓慢，15°～20°随着坡度的增加总侵蚀量迅速增加。20°后，随着坡度的增加，总侵蚀量没有增加，反而出现了略微的降低，表明高沙土在50mm/h的雨强下的临界坡度在20°～26.5°之间，这与前人的研究结论[7，8]相一致。进一步分析得出，坡度为10°时，5、15、25、45mm降雨量产生的泥沙侵蚀量分别大于坡度为5°时，15、25、45、65mm降雨量造成的泥沙侵蚀量;坡度为20°时，5、15、25、45mm降雨量产生的泥沙侵蚀量分别大于坡度为15°时，15、25、45、65mm降雨量造成的泥沙侵蚀量。因此，由以上可以得出坡度对土壤侵蚀的影响大于降雨量对土壤侵蚀的影响，因此，在工程施工过程中适当控制堆土坡度尤其重要。
图3-2 50mm/h雨强下侵蚀量随坡度的变化关系
3.2.2 不同雨强下坡度对泥沙侵蚀量的影响
径流量随着雨强的增大而增大，径流量的增加导致了对土壤冲刷力的增加。雨强越大，雨滴的终点速度也越大，动能增加，对土壤的击溅侵蚀表现也更加强烈。同时使坡面水流紊动程度增强，水流的携沙力加强，使土壤的侵蚀方式也发生了改变。侵蚀方式的改变导致坡度对土壤侵蚀的规律发生变化。
由图3-3可以看出，在5°～20°的范围内，三种雨强下侵蚀量的变化趋势基本一致，都随着坡度的增加而相应增加。值得注意的是20°～26.5°时，50mm/h和65 mm/h 雨强下的侵蚀量反而有所下降，分别下降了318.2g/m2和138.1g/m2，降幅分别为6.13%和2.29%;雨强为80 mm/h时，随着坡度增加侵蚀量增加了503.46g，增幅达7.45%。可以看出，50mm/h和65 mm/h的雨强下，高沙土的临界坡度在20°～26.5°之间，而雨强为80mm/h时，临界坡度大于26.5°。
图 3-3 不同雨强下土壤侵蚀随坡度的变化规律（P=65mm降雨量）
关于土壤侵蚀临界坡度的存在原因很复杂，相关学者对此进行了很多研究[9，10]。本文在雨强为80mm/h时，土壤侵蚀的临界坡度变大，可能是由于出现了细沟侵蚀导致了临界坡度的变大[10，11]。
4 讨论
本试验模拟研究了不同坡度条件下扰动高沙土的侵蚀强度和侵蚀规律，所获得的各项数据在一定程度上可以反映高沙土的水土流失情况。
根据本实验观察，径流量随着坡度的增加而增加，坡面径流是搬运泥沙的主要动力。因此，通过技术措施控制径流量坡面径流量显得十分重要，如采用铺盖防水、设置排水溝等，是减少扰动土坡面土壤侵蚀量的有效手段。
通过分析得出，土壤流失量随坡度的变化有一个临界坡度，当小于临界坡度时，侵蚀量随着坡度的增加而增加，当超过临界坡度时，侵蚀量随着坡度的增加反而减少。对于建设项目堆土而言，通过降低坡面坡度来控制土壤流失量的作用是明显的，但是坡度过小会占用大量的土地。虽然坡度大于临界坡度时土壤侵蚀量有下降的趋势，但对于绝大部分行走式推土、装卸设备而言，施工机械无法安全上行。而且，由于高沙土的内摩擦角小，坡度过大容易引发重力侵蚀（坍塌、滑坡等），危及施工和周围地区安全。因此，高沙土扰动坡面的堆放坡度，应尽量控制在26.5°以内。
参考文献：
[1]李智广，曾大林.开发建设项目土壤流失量预测方法初探[J]，中国水土保持，2001（4）：24-26.
[2]何绍兰，邓烈，雷霆，等.不同坡度及牧草种植对紫色土幼龄柑桔园水土流失的影响[J].中国南方果树，2004，33（6）：1-4.
[3]张志玲，范昊明，郭成久等.模拟降雨条件下坡面水流流速与径流输出特征研究[J].水土保持研究，2008，15（6）：32-34.
[4]陈浩.坡度对坡面径流深、入渗量影响的试验研究.晋西黄土高原土壤侵蚀规律实验研究文集[C].水利电力出版社，1990.
[5]辛树帜，蒋德麒.中国水土保持概论[M].北京：农业出版社，1982.
[6]刘青泉，陈力，李家春.坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析[J].应用数学和力学，2001，22（5）：449-457.
[7]王秀英，曹文洪，陈东.土壤侵蚀与地表坡度关系研究[J].泥沙研究，1998（2）：36-41.
[8]陈法扬.不同坡度对土壤冲刷量影响试验[J].中国水土保持，1985（2）：18-19.
[9]吴普特，周佩华.地表坡度与薄层水流侵蚀关系的研究[J].水土保持通报，1993，13（3）：1-5.
[10]胡世雄，靳长兴.坡面土壤侵蚀临界坡度问题的理论与实验研究[J].地理学报，1995（4）.
[11]张岩，袁建平.土壤侵蚀预报模型中的植被覆盖与管理因子研究进展[J].应用生态学报，2002，13（8）：1033-1036.
关键词：人工模拟降雨;开发建设项目;水土流失;侵蚀规律
随着经济社会日益发展，各类开发建设项目造成的人为水土流失现象日益突出，加强开发建设项目水土流失的预测工作已经迫在眉睫。开发建设项目水土流失预测是水土保持措施布局和水土保持措施数量、标准的确定及措施优化配置的基础，是对主体设计提出修正意见的重要依据。预测的方法是否科学、分区是否合理、内容是否全面等直接关系到预测结果的客观性和准确性，也就直接影响方案质量的高低和水土流失防治的成败[1]。本文模拟江苏高沙土地区地貌，对高沙土的流失状况和减轻水土流失的技术进行了研究。
1 试验材料
试验土壤为江苏南通地区高沙土，取自如皋市的搬经镇，有机质含量为0.56%，土壤各粒级组成见表1-1。
表1-1 试验高沙土机械组成分析
粒径大小（mm）
>0.05
0.01～0.05
0.001～0.01
<0.001
含量（%）
74.2
5.42
16.23
4.15
2 测试装置和观测项目
2.1 试验仪器与设备
2.1.1人工模拟降雨器
试验所用的降雨设备为下喷式人工模拟降雨器，由动力系统、控制系统和管路系统三个部分组成，降雨器的有效降雨区间面积为5×6m，降雨高度为6m，雨强连续变化范围为20～150mm/h，降雨均匀度85%以上，雨滴大小的调控范围为1.7～2.8mm，降雨时间0～9999秒任意调节，雨强大小调节精度为7mm/h，降雨测量精度为0.01mm/h。所有降雨参数的调节都通过控制系统操作完成，降雨所需用水通过动力系统提供。
2.1.2移动变坡式钢槽
为了便于研究不同坡度的坡面在不同降雨情况下土壤侵蚀汇流产沙规律过程，试验采用了自动变坡式钢槽，包括钢槽体、槽体机架两大部件。钢槽电动压力调坡，调节范围0°～45°，钢槽尺寸为2×3×0.3m。钢槽底部留有5mm的小孔，用以消除槽底封闭对土壤入渗的影响。
2.2坡度对扰动高沙土水土流失的影响试验设计
每次试验前将钢槽装上土，然后将变坡钢槽调至需要的坡度，考虑到试验土壤内摩擦角、行走式推土、装卸设备、施工机械安全性等因素，本试验选择了5°、10°、15°、20°、1：2（26.5°）五个坡面坡度。每个坡度下的降雨试验顺序遵循随机化原则，每个处理重复2次，取平均值进行分析计算。
2.3观测项目及方法
2.3.1 降雨均匀度
降雨均匀度是人工模拟降雨的一个重要参数，降雨时在降雨有效范围内均匀放置七个量雨筒，降雨结束后根据各个量雨筒的降雨量计算均匀度，计算公式为：
式中 为均匀度， 为各个量雨筒的降雨量， 为所有量雨筒降雨量的平均值。
2.3.2降雨量测定
试验过程中将量雨筒均匀放置在钢槽周围，试验结束后量取各量雨筒降雨量，取平均值作为此次模拟降雨的降雨量。
2.3.3降雨时间的确定
根据降雨强度和降雨量计算出每次的降雨时间。
降雨时间=降雨量/降雨强度
2.3.4总径流量和泥沙侵蚀量的测定
每次降雨结束后，将径流产物和水桶一块称重，然后减去水桶的重量即得出总径流量。将径流产物充分搅匀，立即取500ml径流装入烧杯中称重，得出500ml径流产物的质量，如此取3个样品求平均值。根据径流产物的总质量算出径流产物体积。取得3个样品分别倒入3个烧杯中静置至澄清后，缓慢倒出上部清水，将装有泥沙的烧杯放入恒温干燥箱中，在105℃下烘干至恒重，将烧杯移入干燥皿中冷却至常温后称重，除去烧杯的重量，即得到样品中泥沙的重量，取3个样品的平均值，得出泥沙浓度，然后计算出桶中径流泥沙侵蚀量。
2.4 数据处理与分析
用Excel和SPSS对数据进行统计分析和作图。
3 结果与讨论
3.1 坡度对径流量的影响
坡度影响着坡面径流流速和降雨入渗速率，进而影响坡面径流量，坡面径流量的多少又影响着坡面侵蚀量的大小。为了直观说明坡度对径流量的影響，同时减少土壤性状等外界因素对试验的影响，本文以降雨量为65mm时坡度对径流量的影响为分析对象，分析中将径流量换算成径流深（即径流量与承雨面积的比值）。
由图3-1可以看出，在不同雨强下，径流量随着坡度变化趋势一致，呈正相关，且变化趋势较为平缓，这与前人的研究结果[2]一致。坡度为5°时，50mm/h、65 mm/h、80 mm/h雨强对应的径流深分别为40.02、44.59和46.82mm，26.5°时三种雨强对应的径流深分别为48.95、55.24和60.28mm，分别增加了22.30%、23.88%和28.76%。其原因是：（1）坡度增加，坡面径流流速增加[3]，在坡面上的停留时间缩短，入渗时间减少，累积入渗量减少[4]，径流量增加。（2）坡度增加，单位面积承雨量变小，坡面上的水层变浅，导致水压力变小，入渗速率变小，径流量增加。
图3-1 径流量随坡度的变化规律
3.2 坡度与泥沙侵蚀量的关系 地形地貌决定着地面物质与能量的形成和再分配，是影响水土流失的重要因素之一[5]。根据侵蚀动力的不同，土壤侵蚀可分为多种侵蚀方式，其中最普通的一种侵蚀方式是降雨产生的坡面薄层水流对坡面土壤的冲蚀，即坡面层状侵蚀。其中地形地貌中的坡度因子是影响坡面流侵蚀的重要因素之一，在其它因素相同的条件下，不同的坡度形成的坡面薄层水流有很大的差别，同时不同坡度下土壤的抗水力侵蚀能力也存在着很大的差别[6]，因此产生的土壤流失也有较大差别。
3.2.1 相同雨强下坡度与泥沙侵蚀量的变化
由图3-2可以看出，在50mm/h雨强下不同的降雨量产生的侵蚀量随着坡度的变化趋势基本一致。在20°以下的坡度下，随着坡度的增加总泥沙侵蚀量增加。坡度由5°变化到15°，在5、15、25、45、65mm降雨量下对应的泥沙侵蚀增分别增加154.1、423.6、1079.4、1807.5、2507.0g/m2，而坡度由15°变化到20°时，5个雨强下对应的泥沙侵蚀量分别增加909.7、1381.7、1434.6、2226.2、2511.6g/m2。因此在降雨量为5～45mm，5°～15°的范围内，泥沙侵蚀量增加缓慢，15°～20°随着坡度的增加总侵蚀量迅速增加。20°后，随着坡度的增加，总侵蚀量没有增加，反而出现了略微的降低，表明高沙土在50mm/h的雨强下的临界坡度在20°～26.5°之间，这与前人的研究结论[7，8]相一致。进一步分析得出，坡度为10°时，5、15、25、45mm降雨量产生的泥沙侵蚀量分别大于坡度为5°时，15、25、45、65mm降雨量造成的泥沙侵蚀量;坡度为20°时，5、15、25、45mm降雨量产生的泥沙侵蚀量分别大于坡度为15°时，15、25、45、65mm降雨量造成的泥沙侵蚀量。因此，由以上可以得出坡度对土壤侵蚀的影响大于降雨量对土壤侵蚀的影响，因此，在工程施工过程中适当控制堆土坡度尤其重要。
图3-2 50mm/h雨强下侵蚀量随坡度的变化关系
3.2.2 不同雨强下坡度对泥沙侵蚀量的影响
径流量随着雨强的增大而增大，径流量的增加导致了对土壤冲刷力的增加。雨强越大，雨滴的终点速度也越大，动能增加，对土壤的击溅侵蚀表现也更加强烈。同时使坡面水流紊动程度增强，水流的携沙力加强，使土壤的侵蚀方式也发生了改变。侵蚀方式的改变导致坡度对土壤侵蚀的规律发生变化。
由图3-3可以看出，在5°～20°的范围内，三种雨强下侵蚀量的变化趋势基本一致，都随着坡度的增加而相应增加。值得注意的是20°～26.5°时，50mm/h和65 mm/h 雨强下的侵蚀量反而有所下降，分别下降了318.2g/m2和138.1g/m2，降幅分别为6.13%和2.29%;雨强为80 mm/h时，随着坡度增加侵蚀量增加了503.46g，增幅达7.45%。可以看出，50mm/h和65 mm/h的雨强下，高沙土的临界坡度在20°～26.5°之间，而雨强为80mm/h时，临界坡度大于26.5°。
图 3-3 不同雨强下土壤侵蚀随坡度的变化规律（P=65mm降雨量）
关于土壤侵蚀临界坡度的存在原因很复杂，相关学者对此进行了很多研究[9，10]。本文在雨强为80mm/h时，土壤侵蚀的临界坡度变大，可能是由于出现了细沟侵蚀导致了临界坡度的变大[10，11]。
4 讨论
本试验模拟研究了不同坡度条件下扰动高沙土的侵蚀强度和侵蚀规律，所获得的各项数据在一定程度上可以反映高沙土的水土流失情况。
根据本实验观察，径流量随着坡度的增加而增加，坡面径流是搬运泥沙的主要动力。因此，通过技术措施控制径流量坡面径流量显得十分重要，如采用铺盖防水、设置排水溝等，是减少扰动土坡面土壤侵蚀量的有效手段。
通过分析得出，土壤流失量随坡度的变化有一个临界坡度，当小于临界坡度时，侵蚀量随着坡度的增加而增加，当超过临界坡度时，侵蚀量随着坡度的增加反而减少。对于建设项目堆土而言，通过降低坡面坡度来控制土壤流失量的作用是明显的，但是坡度过小会占用大量的土地。虽然坡度大于临界坡度时土壤侵蚀量有下降的趋势，但对于绝大部分行走式推土、装卸设备而言，施工机械无法安全上行。而且，由于高沙土的内摩擦角小，坡度过大容易引发重力侵蚀（坍塌、滑坡等），危及施工和周围地区安全。因此，高沙土扰动坡面的堆放坡度，应尽量控制在26.5°以内。
参考文献：
[1]李智广，曾大林.开发建设项目土壤流失量预测方法初探[J]，中国水土保持，2001（4）：24-26.
[2]何绍兰，邓烈，雷霆，等.不同坡度及牧草种植对紫色土幼龄柑桔园水土流失的影响[J].中国南方果树，2004，33（6）：1-4.
[3]张志玲，范昊明，郭成久等.模拟降雨条件下坡面水流流速与径流输出特征研究[J].水土保持研究，2008，15（6）：32-34.
[4]陈浩.坡度对坡面径流深、入渗量影响的试验研究.晋西黄土高原土壤侵蚀规律实验研究文集[C].水利电力出版社，1990.
[5]辛树帜，蒋德麒.中国水土保持概论[M].北京：农业出版社，1982.
[6]刘青泉，陈力，李家春.坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析[J].应用数学和力学，2001，22（5）：449-457.
[7]王秀英，曹文洪，陈东.土壤侵蚀与地表坡度关系研究[J].泥沙研究，1998（2）：36-41.
[8]陈法扬.不同坡度对土壤冲刷量影响试验[J].中国水土保持，1985（2）：18-19.
[9]吴普特，周佩华.地表坡度与薄层水流侵蚀关系的研究[J].水土保持通报，1993，13（3）：1-5.
[10]胡世雄，靳长兴.坡面土壤侵蚀临界坡度问题的理论与实验研究[J].地理学报，1995（4）.
[11]张岩，袁建平.土壤侵蚀预报模型中的植被覆盖与管理因子研究进展[J].应用生态学报，2002，13（8）：1033-1036.