2.1 工程堆积体坡面细沟形态指标特征
堆积体坡面细沟形成不仅为泥沙的输移提供了通道,而且细沟本身也是侵蚀泥沙的重要“物质源”,坡面细沟侵蚀沿流程方向(距坡顶不同距离处)发育不尽相同,研究坡面细沟形态指标(沟长、沟宽及沟深)沿流程方向的变化特征,对于揭示细沟侵蚀形态空间变化具有重要意义。因此,不同坡度和流量条件下工程堆积体坡面细沟形态沿流程方向变化特征分析如下。
2.1.1 沟长随产流时间变化特征
将所有试验坡度(24°,28°,32°)和放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下不同时刻实测细沟长度绘制成图(图2),因为试验小区坡长(10 m)限制,所有试验处理下细沟沟长发育的最终长度基本接近坡长。
从图2A可以看出,在24°堆积体坡面,所有放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下细沟沟长最终发育长度接近10 m,放水流量为13,17 L/min时,细沟沟长发育稳定(接近10 m)所需产流时间为3 min,放水流量为5,9 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为6 min。相比之下,随着放水流量的增大,细沟沟长发育稳定所需时间缩短。从图2B可以看出,在28°堆积体坡面,放水流量为5,9,17 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为6 min,放水流量为13 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为9 min,所有放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下细沟沟长最终发育长度接近10 m。从图2C可以看出,在32°堆积体坡面,放水流量为5 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为24 min,放水流量为9 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为18 min,放水流量为13 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为12 min,放水流量为17 L/min时,细沟沟长发育稳定所需产流时间为3 min,所有放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下细沟沟长最终发育长度接近10 m。
当放水流量为5 L/min时,随着坡度由24°增大到32°,细沟沟长发育稳定时间有6 min延长到24 min,当放水流量为9 L/min时,随着坡度由24°增大到32°,细沟沟长发育稳定时间有6 min延长到18 min,当放水流量为13 L/min时,随着坡度由24°增大到32°,细沟沟长发育稳定时间有3 min延长到12 min,当放水流量为17 L/min时,随着坡度由24°增大到32°,细沟沟长发育稳定时间有3 min延长到6 min,因此,在相同放水流量条件下,随着坡度的增大,细沟沟长发育稳定所需时间变长,究其原因,可能是用于分离土壤颗粒和搬运土壤颗粒的水流比例发生变化,随着坡度增大,坡面水流流速也相应增大,从而使更多一部分水流用于搬运土壤颗粒,相比之下分离土壤颗粒的水流减弱,最终导致土壤颗粒的分离速率减小,相应细沟沟长最终发育稳定所需时间变长。
总之,在24°和32°和堆积体坡面,放水流量最大(17 L/min)时,细沟沟长发育最快,在32°堆积体坡面,放水流量最小(5 L/min)时,细沟沟长发育最慢。在相同放水流量条件下,随着坡度的增大,细沟沟长发育稳定所需时间变长,细沟沟长发育变缓。
2.1.2 沟宽空间变化特征
将所有处理条件下连续测量所得沟宽在9个观测断面(共11个观测断面,为了消除边界扰动效应,数据分析选取除去两端的9个断面)进行求均值,并绘制得到每个坡度所有放水流量条件下沟宽随坡顶距离的变化图,见图3。
从图3A可以看出,在24°堆积体坡面,所有放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下沟宽发育在坡面不同位置不同,其中剧烈波动主要集中坡面1~6 m,在6 m后,所有流量条件下不同位置沟宽基本持平。这表明,24°堆积体坡面,所有放水流量条件下,沟宽在坡面不同位置呈现差异化发育。究其原因,可能是径流路径在坡面细沟尚未形成阶段及其细沟形成初始阶段尚不稳定,加上下垫面的非均质性,从而导致对坡面上部出现差异化侵蚀,随着细沟发育逐渐稳定,坡下部沟宽大小基本一致。
从图3B可以看出,在28°堆积体坡面,放水流量为5,9,13 L/min时,沟宽大小在坡面3~9 m发育基本一致,其中放水流量为13 L/min时,在坡面6~8 m沟宽较大。放水流量为17 L/min时,不同位置沟宽大小剧烈波动,在坡面1~3 m较大、4~7 m较小、8~9 m增大。这表明28°堆积体坡面,放水流量为5,9,13 L/min时,沟宽大小在坡面3~9 m发育相对一致。当放水流量为17 L/min时,沟宽在坡面不同位置呈现差异化发育。究其原因,可能是随着坡度增大,侵蚀动能增强,在28°堆积体坡面,细沟侵蚀在坡面不同位置相对一致。
从图3C可以看出,在32°堆积体坡面,放水流量为5,9,13 L/min时,不同位置沟宽大小不同,在坡面1~3 m,沟宽较大,3 ~9 m沟宽较小且在坡面分布基本一致。放水流量为17 L/min时,不同位置沟宽变化剧烈,在坡面4 m较小,4~9 m增大。这表明放水流量为5,9,13 L/min时,在坡面3~9 m沟宽均匀发育。
总之,在24°堆积体坡面,所有放水流量条件下,沟宽在坡面不同位置呈现差异化发育,1~6 m剧烈发育,6~9 m发育相对平缓; 在28°和32°堆积体坡面,放水流量为5,9,13 L/min时,沟宽在坡面3~9 m发育相对平缓,究其原因,可能是随着坡度的增大细沟更容易形成稳定的径流路径。
2.1.3 沟深空间变化特征
将所有处理条件下连续测量所得沟深在9个观测断面(共11个观测断面,为了消除边界扰动效应,数据分析选取除去两端的9个断面)进行求均值,并绘制得到每个坡度所有放水流量条件下沟深随坡顶距离的变化图,见图4。
从图4A可以看出,在24°堆积体坡面,所有放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下沟深发育在坡面不同位置不同,但总体在坡面随着距坡顶距离增大呈现减小趋势,其中1~5 m变化波动幅度最大,当放水流量为5 L/min时,5 m后沟深变小。从图4B可以看出,在28°堆积体坡面,放水流量为5,9,13 L/min时,沟深在坡面不同位置大小呈现明显减小趋势,总体而言沟深1~5 m减小幅度最大,沟深在特别是当放水流量为17 L/min时,沟深大小沿坡面流程减小趋势更加明显。图4C可以看出,在32°堆积体坡面,放水流量为13,17 L/min时,沟深大小随距坡顶距离增大呈现明显减小趋势,1~6 m变化波动幅度最大,但在8 m处出现增大,放水流量为5,9 L/min时,沟深在1~2 m迅速减小,随后基本保持恒定。
总之,在试验坡度范围内,所有放水流量(5,9,13,17 L/min)条件下,沟深发育随距坡顶距离增大呈现减小趋势,沟深波动变化主要集中在1~5 m。
2.1.4 平均沟宽和沟深特征
分析表1可以得到,在同一坡度条件下,沟宽平均值随着放水流量的增大而增大,相比5 L/min,当放水流量增大到13,17 L/min时对应沟宽显著(p<0.05)增大; 在同一流量条件下,除放水流量为5 L/min之外,沟宽平均值随坡度变化无显著差异(p>0.05)。在5,17 L/min时,平均沟宽随坡度的增大先増后减,在9,13 L/min时,平均沟宽随坡度的增大而减小,可以看出,流量和坡度对沟宽的影响存在交互作用,在5,17 L/min时,沟宽的发育尺寸与坡度之间存在临界坡度,即28°时沟宽发育尺寸最大,但在9,13 L/min时,沟宽的发育尺寸随坡度增大而减小,这表明,在小流量(5 L/min)和大流量(17 L/min)条件下,沟宽发育随坡度的增大存在临界值,但在中间流量(9,13 L/min)条件下,沟宽的发育随坡度增大而减弱。这表明在中间放水流量(9,13 L/min)条件下,侵蚀沟最宽的坡面不是32°坡面也不是24°坡面,而是中间28°坡面。
在同一坡度条件下,沟深平均值随着放水流量的增大而增大,相比5 L/min,当放水流量增大到17 L/min时对应沟深显著(p<0.05)增大; 在同一流量条件下,所有沟深平均值随坡度变化无显著差异(p>0.05)。
在5 L/min时,平均沟深随坡度的增大而减小,在9 L/min时,平均沟深随坡度的增大先增后减,在13 L/min时,平均沟深随坡度的增大先减后増,在17 L/min时,平均沟深随坡度的增大而增大,这表明,在小流量(5 L/min)条件下,沟深在24°堆积体坡面发育剧烈,而在大流量(17 L/min)条件下,沟深在32°堆积体坡面发育剧烈,在9,13 L/min时,沟深剧烈发育坡度不确定。结果表明在放水流量为5,17 L/min条件下,侵蚀沟最深的坡面分别是在24°和32°堆积体坡面。
总之,随着坡度的增大,平均沟宽和沟深有增有减,但随着流量的增大,平均沟宽和沟深均增大,这表明,流量对细沟形态指标的影响大于坡度。
2.2 坡度和流量对细沟形态指标的影响
细沟形态指标沟宽和沟深在距坡顶不同位置而不同,在试验条件下,坡度和流量是控制变量,为了探究坡度对细沟形态指标沟宽和沟深的影响,所有试验场次细沟形态指标沟宽和沟深在不同坡度求取均值,并以细沟发育距坡顶距离为横坐标进行绘制见图5。
为了探究流量对细沟形态指标沟宽和沟深的影响,所有试验场次细沟形态指标沟宽和沟深在不同放水流量求取均值,并以细沟发育距坡顶距离为横坐标进行绘制柱状图见图6。
由图5,6可以看出,综合来看,无论是在不同坡度还是不同放水流量条件下,沟宽随距坡顶距离的增大呈现轻微波动变化,各处理下沟宽在坡面不同位置大小没有明显差异,沟深却随坡顶距离的增加呈现明显减小趋势,各处理下沟深在坡面不同位置大小有明显差异。这表明细沟沟宽在坡面发育基本一致,沟深由坡顶到坡脚却逐渐变小,即沟宽的发育与位置关系不显著,而沟深与位置关系显著,可以把细沟在坡面发育的总体形态为概化为“楔形”。