土壤剥蚀率与水流剪切力关系试验研究
水对抗剪强度的影响
水对抗剪强度的影响主要表现在以下几个方面：
含水率增加会使土壤的体积重量降低，因为水比土轻。
这将导致土壤的承载能力降低。
当含水率增加时，土壤的抗剪强度降低。
这是因为水的存在阻碍了土颗粒之间的摩擦，从而减弱了土壤的抗剪强度。
含水率越高，土壤就越可压缩。
这是因为水分可以使土壤颗粒之间的距离增加，从而使土壤体积缩小，导致沉降或振动。
当土壤含水率增加时，内部水分含量增加，从而增加了土壤中的孔隙水压力。
这可能导致土壤液化现象，从而降低了土壤的稳定性。
在地下水中，岩体及其裂隙的摩擦系数和黏结力会减小，地下水会使填充物、岩石软化，从而降低岩体的抗剪强度。
综上所述，水对土壤和岩体的抗剪强度均存在影响，具体表现和机制可能因物质种类和状态而异。
土壤侵蚀研究进展
影响机理研究尚不充分ꎬ 而且研究方法的不一致导致了研究结论存在一定差异ꎮ 本文通过分析各学者研究结果ꎬ
归纳总结目前土壤理化性质中重要因子对土壤侵蚀、 抗蚀性产生的影响以及在侵蚀过程中水动力学特征ꎬ 旨在为
收稿日期: ２０２１－０２－０１
作者简介: 刘争光 (１９８６－) ꎬ 男ꎬ 硕士ꎮ 研究方向: 含沙水流动机理ꎮ
实验得出在不同降雨强度情况下ꎬ 土壤侵蚀与土壤含
※资源环境
农业与技术 ２０２１ꎬ Ｖｏｌ ４１ꎬ Ｎｏ ０４ ９ ３
土壤抗侵蚀能力ꎮ 谢贤健等 [２９] 采用静水崩解法对内
土流失程度和强度则取决于土壤化学性质ꎮ 土壤中的
江市丘陵区测验得出ꎬ 土壤有机质分解后可以提高土
ｐＨ、 有机质和速效养分是土壤中重要组成元素ꎬ 三者
壤中速效养分的含量ꎬ 而速效养分对土壤结构起直接
含量的高低也是反应土壤养分的重要指标ꎮ
影响作用ꎬ 能有效提高土壤抗蚀性ꎮ 李渊等 [３０] 通过
渐降低并且耕地和草地最容易受土壤侵蚀ꎬ 导致土壤
土壤大多数为<０ ２５ｍｍ 的土壤颗粒ꎬ 而这样的颗粒极
肥力下降ꎮ 王文正等 [２７] 通过实地调查得出ꎬ 土壤有
易堵塞土壤孔隙ꎬ 造成水分难以下渗ꎬ 从而增加土壤
机质含量高ꎬ 水稳性指数越大ꎬ 土壤结构愈加稳定ꎬ
通过 Ｌｅ Ｂｉｓｓｏｎａｉｓ 方法得出ꎬ 黄
侵蚀力重要参数之一ꎮ 径流冲刷引起的土壤分离过程
研究成果不仅可以深化对土壤侵蚀过程的认识ꎬ 促进
主要通过土壤侵蚀阻力来定量表征 [４２] ꎬ 受土壤理化
立侵蚀预报模型
黄土抗侵蚀能力与抗剪强度关系研究
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｒ ｌｖ ｎ ｅｄ ｅ ｐ ｒ ｎ ｎ ｅ ｔｃ ｎ ｃ ｌｔｓ ｎ ｌｂ ｒ ｔ ｒ ｓ ｒ ｃ ： ａ ｅ ｎ ｔ ｅｅ ａ ｔｆ ｌ ｘ ｅ ｉ ｈ ｉ ｍｅ ｔ ｄ ｇ ｏｅ ｈ ｉａ ｅ ｔｉ ａ ｏａ ｏｙ，ｔ ｅ ｃ ｒｅａ ｉｎ ｂ ｔ ｅ ｒ ｓｏ ｅ ｉ ａ ｃ ａ ｈ ｏ ｒ ｌｔ ｅｗｅ ｎ ｅ ｏ ｉ ｎ ｒ ｓｓ ｎ ｅ ｏ ｔ
Ｓｔ ｕｄｙ ｏ ｏ ｒ ｌ ｔｏ ｔ ｅ ｎ ｅ ｏ ｉ ｎ ｅ ｉｔ ｎｃ ｎ ｓ ｅ ｒ ｓｒ ｎｇ ｈ ｏｆｌ ｅ ｓ ｕ ｃ ｒ ｅ ａ ｉ ｎ ｂｅ ｗ ｅ ｒ ｓｏ ｒ ｓｓ ａ ｅ ａ ｄ ｈ ａ ｔ ｅ ｔ ｏ ｓ ＸＩ Ｙａ ｈ ａ Ａ ｎ ｕ
ｌｓ ｈ ｎ ２ ｋ ａ，Ｋ ｉ ｅ ｒ ．Ｍｏ ｅ ｖ ｒ ｈ ｏ ｅ ｉｎ ｏｈ ｔｅ ｕ ｄ ｓｕ ｂ ｄ ｓ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｔｒ ｔ ｄ ｄ ｓｕ ｂ ｄ ｓ ｉ ｈ ｖ ｏ ｏ ｖ — ｅ ｓ ｔａ Ｐ ｓｎ ａ ０ ｒ ｏ ｅ ，ｔ ｅｃ ｈ ｓｏ ｓ ｏ ｂ ｔ ｈ ｎ ｉｔ ｒ ｅ ｏｌ ｎ ａｕ ａｅ ｉｔ ｒ ｅ ｏ ｌ ａ ｅ ｎ ｂ ｉ ｆ ｈ Ｏ Ｓ ｅ ｒ ｌ ｔ ｉ ｔ ． ｕ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｈ ｒ ｓｌ ｓ ｈ ｎ ｅ ｏ ｅ ｉ ｔｒ ａ ｃｉ ｎ ａ ｇｅ ｏ ｅ ｔ ｓｅ ｏ ｓ ｎ ｈ ｎ ｎ ｉｅ ｔｉ Ｕ ｏｒ ａｉ ｔ ｗｉ ｅ ｖｙ ｈ Ｆ ｒｈ ｒ ｒ ，ｔ ｅ ｅ ｉ ｅ ｓｃ ａ ｇ ｔ ｎ ｅ ｌｆ ｔ ｎ ｌ ｆｔ ｅ ｔｄ ｌｅ ｓａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｄ ｒｃ ｍ— ｆ ｈ ｎ ｉ ｒ ｏ ｈ
水 利水电技术
第４ ３卷
２１ ０ ２年 第 ９期
黄 土 抗 侵 蚀 能 力 与 抗 剪 强 度 关 系研 究
水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征
第42卷第1期2022年2月水土保持通报B u l l e t i no f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .42,N o .1F e b .,2022收稿日期:2021-07-23 修回日期:2021-09-29资助项目:贵州科技计划支撑计划项目 喀斯特山区坡耕地作物套种模式的水土保持机理研究 ([2019]1231);贵州省教育厅学科建设经费 环境科学与工程学术学位点建设资金 (2021) 第一作者:徐蝶(1999 ),女(汉族),贵州省毕节市人,硕士研究生,研究方向为土壤侵蚀与水土保持㊂E m a i l :w a n g ji @g z n u .e d u .c n ㊂ 通信作者:蔡雄飞(1982 ),男(汉族),贵州省盘县人,博士,副教授,研究生导师,主要从事土壤侵蚀与水土保持教学与研究㊂E m a i l :w a n g ji @g z n u .e d u .c n㊂水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征徐蝶1,2,赵士杰1,2,蔡雄飞1,2,王济1,2,谢刚3,郁鑫杰1,2,赵帅1,2(1.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州贵阳550025;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵州贵阳550001;3.贵州省山地资源研究所,贵州贵阳550001)摘 要:[目的]探索水蚀过程坡耕地表层土壤重金属元素迁移特征,为中国喀斯特水土侵蚀地区的土壤质量保护和防控重金属元素迁移扩散研究提供指导㊂[方法]用人工模拟降雨试验,研究不同雨强(50,70,90,120mm /h ),不同坡度(10ʎ,15ʎ,20ʎ和25ʎ)下坡耕地表层土壤重金属元素(C u ,N i ,C d 和C r )随径流及侵蚀过程中的迁移特征㊂[结果]①产流产沙量随降雨强度㊁坡度的增加而增加并逐渐趋于稳定,不同降雨强度和坡度下产沙量临界坡度为20ʎ㊂②表层土壤重金属在侵蚀过程中主要以颗粒态形式存在,且迁移量与降雨强度成正比㊂在雨强120mm /h 和坡度20ʎ下,颗粒态重金属最先达到流失量峰值;溶解态重金属随降雨强度呈波动变化,除溶解态N i 在50mm /h 下达到最大变化范围0.0044m g/L ,C u ,C d 和C r 均在70mm /h 达到流失最大变化范围,其中C r 变化范围最大(为0.0098m g /L )㊂溶解态重金属流失量随坡度变化无明显规律㊂③颗粒态重金属流失量与产沙量拟合结果显示C r (R 2=0.99)的拟合度好,因此产沙量可以较好地预测颗粒态C r 的流失量㊂[结论]20ʎ是产沙量的临界坡度,重金属迁移主要以颗粒态形式迁移且产沙量与重金属元素(C u ,N i ,C d 和C r )拟合效果好,说明重金属元素(C u ,N i ,C d 和C r )与产沙量之间存在较强的相关性㊂关键词:坡耕地;水土侵蚀;模拟降雨;重金属迁移文献标识码:A 文章编号:1000-288X (2022)01-0083-10中图分类号:S 157.2,X 53文献参数:徐蝶,赵士杰,蔡雄飞,等.水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征[J ].水土保持通报,2022,42(1):83-92.D O I :10.13961/j .c n k i .s t b c t b .2022.01.012;X uD i e ,Z h a oS h i j i e ,C a iX i o n g f e i ,e t a l .M i gr a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f h e a v y m e t a l s i ns o i l d u r i n g wa t e r l o s s p r o c e s s [J ].B u l l e t i no fS o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2022,42(1):83-92.M i g r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o fH e a v y M e t a l s i nS o i lD u r i n g Wa t e rL o s sP r o c e s s X uD i e 1,2,Z h a oS h i j i e 1,2,C a iX i o n g f e i 1,2,W a n g J i 1,2,X i eG a n g 3,Y uX i n ji e 1,2,Z h a oS h u a i 1,2(1.S c h o o l o f G e o g r a p h i c a n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e ,G u i z h o uN o r m a lU n i v e r s i t y ,G u i y a n g ,G u i z h o u 550025,C h i n a ;2.T h eS t a t eK e y L a b o r a t o r y I n c u b a t i o nB a s e f o rK a r s tM o u n t a i nE c o l o g y E n v i r o n m e n t o fG u i z h o uP r o v i n c e ,G u i y a n g ,G u i z h o u 550001,C h i n a ;3.G u i z h o u I n s t i t u t e o f M o u n t a i nR e s o u r c e s ,G u i y a n g ,G u i z h u 550001,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]T h em i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v y m e t a l s i nt h es u r f a c es o i l o f s l o p i n g fa r m l a n d d u r i n g w a t e r e r o s i o n p r o c e s sw e r ea n a l y z e d i no r d e r t o p r o v i d e g u i d a n c e f o rs o i l q u a l i t ypr o t e c t i o na n df o r d e f e n s e s t r a t e g i e s a g a i n s t h e a v y m e t a lm i gr a t i o n a n d d i f f u s i o n i nk a r s t s o i l e r o s i o n a r e a s i nC h i n a .[M e t h o d s ]As i m u l a t e d r a i ne x p e r i m e n tw a su s e dt os t u d y l o s s c h a r a c t e r i s t i c so fh e a v y me t a l s (C u ,N i ,C d ,a n dC r )f r o mr u n o f f a n de r o s i o n i nf a r m l a n du n d e rd i f f e r e n t s l o p ec o n d i t i o n s (10ʎ,15ʎ,20ʎ,a n d25ʎ)a n dr a i n f a l l i n t e n s i t i e s (50,70,90,a n d120mm /h ).[R e s u l t s ]①I n i t i a lr u n o f fa n ds e d i m e n t y i e l di n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n g o fr a i n f a l l i n t e n s i t y a n ds l o p e ,t h e nt e n d e dt o g r a d u a l l y b e c o m es t a b l e .T h ec r i t i c a ls l o p ef o r s e d i m e n t y i e l d w a s20ʎu n d e rd i f f e r e n tr a i n f a l l i n t e n s i t i e sa n ds l o p e s ;②H e a v y m e t a l s m a i n l y ex i s t e di n g r a n u l a r f o r mi n t h e e r o s i o n p r o c e s s o f t o p s o i l ,a n dm i g r a t i o na m o u n tw a s p r o p o r t i o n a l t o r a i n f a l l i n t e n s i t y.H e a v y m e t a l l o s s i n g r a n u l a r f o r mf i r s t r e a c h e da p e a kv a l u eu n d e rar a i n f a l l i n t e n s i t y of 120mm /ha n da s l o p e o f 20ʎ.D i s s o l v e dh e a v y m e t a l sv a r i e d w i t hr a i n f a l l i n t e n s i t y ,e x c e pt f o rd i s s o l v e d N i t h a tr e a c h e dam a x i m u mv a r i a t i o n r a n g eo f0.0044m g/La t50mm/h.C u,C d,a n dC ra l l r e a c h e da m a x i m u m v a r i a t i o n r a n g e o f l o s s a t70mm/h,a n d t h em a x i m u mv a r i a t i o nr a n g eo fC rw a s0.0098m g/L.T h e l o s so f d i s s o l v e d h e a v y m e t a l s h a dn oo b v i o u s r e l a t i o n s h i p w i t hs l o p e c h a n g e.③T h eh e a v y m e t a l p a r t i c l e l o s sw a s r e l a t e d t o s e d i m e n t y i e l d,a n dt h eh i g hc o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o nf o rC r(R2=0.99)i n d i c a t e dt h a ts e d i m e n t y i e l d c o u l dw e l l p r e d i c t C r p a r t i c l el o s s.[C o n c l u s i o n]20ʎi st h ec r i t i c a ls l o p ef o rs e d i m e n t y i e l d,a n dt h a t m i g r a t i o no f h e a v y m e t a l s i sm a i n l y i n g r a n u l a r f o r m.T h e f i t t i n g e f f e c tb e t w e e ns e d i m e n t y i e l da n dh e a v y m e t a l e l e m e n t s(C u,N i,C D,a n dC r)i s g o o d,i n d i c a t i n g t h a t t h e r e i sas t r o n g c o r r e l a t i o nb e t w e e nh e a v y m e t a l e l e m e n t s(C u,N i,C D,a n dC r)a n d s e d i m e n t y i e l d.K e y w o r d s:s l o p i n g f a r m l a n d;s o i l a n dw a t e r e r o s i o n;s i m u l a t e d r a i n f a l l;h e a v y m e t a lm i g r a t i o n水土流失问题是影响人类社会经济可持续发展的全球性环境问题之一,世界上大约90%的农业土地受到轻微或严重的侵蚀[1]㊂根据2018年贵州省水土保持公报,全省水土流失面积为48268.16k m2,占土地面积27.40%㊂云贵高原区是中国六大水蚀区之一[2],山地丘陵在云贵高原区水蚀区广泛分布,使得坡耕地成为重要的耕地资源㊂由于中国水蚀区重金属矿藏丰富,人类开采重金属行为频繁,重金属开采和冶炼过程中,废气㊁废水㊁废渣排放易造成坡耕地土壤重金属污染[3-4];此外,重金属还会通过径流或降雨进入土壤中可能造成土壤重金属污染且其在土壤中移动性差㊁滞留时间长㊁不能被微生物降解[5]㊂因此,坡耕地一旦发生重金属污染,径流和坡度都会成为重金属污染物运移的主要动力不仅会造成土壤质量下降同时也增加了重金属污染风险㊂土壤水蚀是世界范围广泛分布的土壤侵蚀类型㊂土壤水蚀包括在雨滴击溅㊁地表径流冲刷等作用下发生的土壤矿物质和有机土壤颗粒的剥蚀㊁运移和沉积等方式[6]㊂中国西南喀斯特地区是著名的重金属元素地球化学异常区[4,7],有关喀斯特重金属可能带来的问题受到广泛学者的关注㊂近年来,科研工作者对喀斯特重金属污染特征及风险评价[8],重金属含量特征[9],重金属污染物来源解析[10],土壤重金属富集特征[11]和土地利用方式对土壤重金属的影响等[12]领域开展了研究㊂在喀斯特地区,人类活动及自然降雨可能造成土壤侵蚀情况严重,重金属会随土壤侵蚀发生迁移㊂L i u等[13]对雨强㊁产流产沙与重金属元素的迁移进行研究,得到重金属元素往往在雨滴打击和径流冲刷作用下伴随着径流和泥沙进行迁移,且侵蚀量和元素迁移量与降雨强度成正比;杨洋等[14],王衡等[15]采用模拟降雨研究的土壤重金属流失规律发现颗粒态重金属流失量占到重金属流失总量的80%以上并被认为是重金属流失的主要途径㊂综合已有研究发现[16-19],针对不同雨强和不同坡度情景下喀斯特地区的重金属迁移效应研究较少㊂因此,本研究选择典型的喀斯特地区坡耕地为研究对象,进行一系列人工降雨模拟试验,探究不同坡度和雨强下水蚀过程中坡耕地土壤重金属迁移特征,以期为中国喀斯特水土侵蚀地区的土壤质量保护和防控重金属元素迁移扩散指导㊂1材料与方法1.1研究区概况研究区域位于贵州省贵阳市白云区某坡耕地(106ʎ39'18ᵡE,26ʎ42'26ᵡN),属于亚热带湿润季风气候,年降雨量可达(800~1500m m),位于某铝厂附近㊂供试土壤,0 20c m的表层土壤作为模拟降雨试验土壤㊂供试土壤类型为贵州省主要耕地土壤类型[20],黄壤土,p H值为7.38,砂粒㊁粉粒和黏粒含量分别为40.10%,34.85%和25.05%㊂表层土壤重金属含量及重金属背景值见表1㊂表1样品重金属含量及贵州省重金属背景值m g/k g项目N i C r C u C d 样品重金属含量12.5197.3118.660.28贵州省重金属背景值33.7086.6025.700.13 1.2室内模拟降雨试验1.2.1试验装置模拟降雨试验模拟降雨装置为上海城市规划设计总院设计的大型人工模拟降雨系统(N L J Y-10),主要由降雨器和试验钢槽构成,包括6组喷嘴㊂喷嘴降雨高度为2~6m,有效降雨面积为6.0mˑ9.0m,降雨均匀度高于86%㊂降雨设备调节精度为0.1mm/h,调节变化时间低于30s,所模拟雨滴粒径㊁降雨过程等与自然降雨十分接近㊂模拟降雨试验土槽为手动变坡土槽,规格为长1.2mˑ宽0.8mˑ高0.40m,坡度在5ʎ~40ʎ可调,土槽下端设有集流槽,用于收集径流泥沙㊂1.2.2试验设计在本试验中,模拟降雨事件持续时间为60m i n且降雨模拟器中产生的风暴的性质与相应强度的自然风暴相似㊂基于气象统计资料㊁结合贵州省不同暴雨频率[21]再根据水土保持综合治理规48水土保持通报第42卷划通则(G B15772-2008),结合岩溶地区地形地貌特征[22]分别设计相应的降雨强度和坡度(详见表2)㊂试验于2020年8月4日至2020年10月11日进行降雨试验与分析,坡面土地利用方式为裸坡㊂供试土壤风干后,剔除石块㊁植物根茎等杂物,过筛后按照1.22g/c m3的田间土壤容重标准填装土槽将土层分为20c m和10c m,填土过程中保证容重均一性,土槽边缘土壤用手指反复按压处理,防止在试验过程中土槽周围出现裂隙影响试验结果,初始含水量设定在15%左右,装填完成后,整平土壤表面,调试管路系统和模拟降雨系统,进行降雨预试验㊂本研究中所使用的土壤于2020年7月9日采集于贵阳市白云区位于某铝厂的某坡耕地㊂将试验土槽底端填3c m厚的粗砂,参考坡耕地容重进行模拟土壤的填装填土厚度30c m㊂根据设计的5个雨强分别对10ʎ,15ʎ,20ʎ以及25ʎ坡面进行模拟,进行交叉模拟降雨试验,每次试验更换表层10 12c m厚度新土㊂同一雨强每个坡度处理连续降雨3场,每场降雨间隔24h即每场降雨设置3场平行试验,共计60场降雨,具体试验见表3㊂每次降雨,观察坡面记录初始产流时间t p,产流开始后每5m i n接一次样,用专用集流瓶收集每个时间段的径流样品,直至降雨结束㊂将每个时间段收集到的径流量分别转移至1L 量筒中,测定该时间段产流量㊂泥沙量的测定按照‘水土保持试验规范“执行,即测定接取水沙样总质量后澄清,沉淀物经过24h以上的沉淀后沉淀在瓶中,过滤上层清液将泥沙烘干并称重㊂表2室内模拟降雨试验参数设计项目模拟降雨场次12345坡度(ʎ)10152025 降雨强度/(mm㊃h-1)30507090120表3室内模拟降雨试验设计降雨场次降雨强度/(mm㊃h-1)坡度/(ʎ)进行重金属过程监测降雨场次降雨强度/(mm㊃h-1)坡度/(ʎ)进行重金属过程监测130********ɿ23015127025ɿ33020139010ɿ43025149015ɿ55010ɿ159020ɿ65015ɿ169025ɿ75020ɿ1712010ɿ85025ɿ1812015ɿ97010ɿ1912020ɿ107015ɿ2012025ɿ1.2.3重金属采集与测定根据‘水和废水监测分析方法“[23],污水中的悬浮物或固体颗粒物,是污水样的一个组成部分,可能会吸附污染物,分析前必须摇匀样品㊂故降雨结束后将收集到的径流样品充分摇匀,一部分用于溶解态重金属测定,具体方法为:用注射器吸取10m l径流样品,安装注射式0.45μm 滤膜,将抽滤过后的水样置于10m l离心管中测定;另取10m l径流样品用于重金属全量分析测定,具体方法为四酸熔样法 H C l(G R),H N O3(G R),H F (G R),H C l O4(G R) 参照中华人民共和国国家环境保护标准(H J491-2019)[24]㊂颗粒态重金属用差减法计算得出,即颗粒态重金属含量=重金属全量 溶解态重金属含量,并收集降雨过程中的雨水作为空白对照㊂1.3数据处理与统计分析所有试验数据使用E x c e l2016进行计算整理,相关分析采用S P S S22.0进行处理,相关图件绘制运用O r i g i n2017完成㊂本研究采用以下公式[25]计算:根据水动力学原理,将过水断面视为矩形,得到径流剪切应力公式:τ=r R J(1)式中:τ为水流剪切力(P a);r为水比重,取值9800 N/m3;R为水力半径,近似等于径流深(m);J为水力坡度,取值s i n(α)㊂水流功率按下列公式计算:ω=τv(2)式中:ω为水流功率(W/m);τ为水流剪切力(P a); v为水流流速(m/s)㊂坡面径流阻力其计算公式为:f=8g R Jv2(3)式中:f为阻力系数;g为重力加速度,一般用9.8 N/m3;R为水力半径,近似等于径流深(m);J为水面能坡,其值为坡度的正弦值;v为水流流速(m/s)㊂58第1期徐蝶等:水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征2结果与分析2.1不同雨强和坡度下产流产沙特征分析降雨强度为30m m/h时面不产生径流,而是下渗到土壤深层,故只分析4个雨强(50,70,90,120m m/h)和4个坡度(10ʎ,15ʎ,20ʎ,25ʎ)下产流产沙过程㊂试验过程中坡面产流量随降雨历时变化的过程如图1所示㊂总体上看,降雨强度和坡度对坡面产流量具有显著的影响㊂坡面产流的时间变化趋势在不同雨强和坡度条件下基本一致,径流量均随降雨历时延长增大而趋于稳定,在雨强为50mm/h条件下, 20ʎ和25ʎ坡面下的径流量非常稳定;在坡度为25ʎ,雨强为70mm/h的条件下,径流量在试验后期依然有增大趋势㊂对比分析可知,在坡度较缓㊁雨强较小的条件下,径流量相对稳定;而在坡度较陡㊁雨强较大的条件下,径流量相对波动较大;但当坡度增加至25ʎ时,有效降雨面积相对减少,其产生的径流量较20ʎ坡度下产生的径流量增加不明显㊂图1不同雨强和坡度下产流过程及特征不同雨强下坡面产沙量随坡度变化的过程如图2所示,各雨强下坡面产沙量均有先增加然后减少最后达到稳定的变化趋势㊂同一坡度下产沙量随雨强增大呈现增加变化规律,同一雨强下产沙量随坡度增加呈显著增加趋势,但在坡度为20ʎ和25ʎ时,含沙量的增加不显著,甚至随着雨强的增加,含沙量会出现减少的现象㊂这是因为,当坡度高于20ʎ时,虽然沿坡面向下分力增加,但坡度的增加导致有效降雨面积相应减少,其产生的效果与沿坡面的分力对雨滴的效果相互抵消,故含沙量随坡度增加而减少,即存在一个临界坡度,本文中的临界坡度为20ʎ[26]㊂2.2不同雨强和坡度条件下不同形态重金属含量及迁移特征如图3 6所示,在整个产流过程中,颗粒态重金属含量明显大于溶解态重金属含量;雨强和坡度对4种溶解态重金属含量的影响的变化规律并不明显,均呈一定程度波动变化趋势;其中溶解态C r波动变化最大,随这降雨强度的增加,溶解态C r含量变化的范围分别在0.0035~0.0094,0.0029~0.0127, 0.0031~0.010,0.0027~0.0099m g/L之间㊂在雨强(50,70,90,120mm/h)和坡度(10ʎ,15ʎ, 20ʎ,25ʎ)下,径流中颗粒态C u,N i,C d和C r的含量呈现出大致相同的变化趋势:随降雨历时增加而增加而后减缓并趋于稳定的变化趋势;对于颗粒态C r,当雨强为70mm/h和120mm/h时,颗粒态C r含量随降雨历时呈先减小后增加再减小的变化趋势并在产流初期出现一个峰值,说明颗粒态C r含量随降雨强度增大出现初期冲刷效应㊂观察各条件下4种颗粒态重金属含量峰值,得出随着降雨强度增大,达到含量峰值的时间会提前且降68水土保持通报第42卷雨强度越大,颗粒态重金属含量越高㊂对比分析不同坡度下4种颗粒态重金属流失情况,坡度明显影响颗粒态重金属含量峰值,随着坡度增加,4种颗粒态重金属含量到达峰值的时间会均会提前至15~20m i n;同时,随着坡度增加,4种颗粒态重金属含量变化趋势一致:先增大后缓慢减小,达到临界坡度20ʎ后,颗粒态重金属含量不再随坡度增大而增加,而是呈稳定或者减小的变化趋势㊂图2不同雨强和坡度下产沙过程及特征图3不同雨强和坡度下C u含量随降雨历时的变化78第1期徐蝶等:水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征图4不同雨强和坡度下C r 含量随降雨历时的变化图5不同雨强和坡度下N i含量随降雨历时的变化2.3降雨过程重金属迁移相关分析由表4和图7可知,整体而言,不同颗粒态重金属含量与雨强㊁坡度㊁产流量㊁产沙量,τ,ω和均呈显著正相关关系(p<0.01),与f呈显著负相关关系(p<0.01);不同颗粒态重金属含量随着雨强㊁坡度㊁产流量㊁产沙量,τ和ω增大而增加,径流中颗粒态重金属含量随着坡面阻力系数增加而减小,径流在迁移过程中克服坡面阻力的作用来携带泥沙,阻力越大,消耗能量越多,用于分散和携带泥沙的能量就会相应减小,土壤侵蚀量就越小从而导致径流中颗粒态重金属含量也减小㊂88水土保持通报第42卷图6不同雨强和坡度下C d含量随降雨历时的变化表4不同雨强和坡度条件下的坡面径流水力学参数雨强/(mm㊃h-1)坡度/(ʎ)产流量/(L㊃m i n-1)产沙量/(g㊃L-1)径流剪切应力(τ)水流功率(ω)阻力(f)溶解C u溶解N i溶解C d溶解C r颗粒C u颗粒N i颗粒C d颗粒C r10ʎ0.3026.0411.0510.0562.9600.0020.00400.0070.0940.1050.0020.618 5015ʎ0.4974.2430.8510.0571.5290.0020.00200.0070.1500.1990.0040.981 20ʎ0.5684.7271.0510.0951.0380.0020.00300.0080.1630.2770.0041.04325ʎ0.6253.9120.9510.0890.8740.0020.00300.0070.1380.1590.0040.903 10ʎ0.5373.1011.9030.1273.4230.0020.00300.0080.1090.1680.0030.7137015ʎ0.5564.6542.0880.1812.2220.0020.00300.0100.1650.2320.0041.073 20ʎ0.6105.0532.2720.2042.2440.0030.00400.0090.1840.2330.0041.168 25ʎ0.6844.7481.9340.2131.2790.0020.00300.0080.1680.1970.0051.097 10ʎ0.6204.4993.0380.2832.7920.0020.00400.0060.1600.2480.0041.0799015ʎ0.6465.9772.2860.2511.5120.0030.00300.0060.2120.3380.0061.458 20ʎ0.7416.6994.8020.5442.9930.0020.00300.0070.2390.3620.0061.552 25ʎ0.7416.2442.5160.3101.3240.0030.00300.0060.2210.3500.0061.490 10ʎ0.9285.8463.5370.4361.8610.0010.00200.0070.2290.2930.0051.39512015ʎ1.0567.7164.4700.6261.8250.0030.00200.0060.2790.3840.0071.822 20ʎ1.0827.8554.8380.7261.7200.0020.00200.0070.3130.4250.0071.821 25ʎ1.0677.3063.7910.6361.0780.0020.00300.0060.2940.4070.0071.737由表5可知,总体上溶解态重金属含量与雨强㊁坡度和坡面径流动力学参数呈负相关关系,但相关系数均不高,说明坡面溶解态重金属迁移过程较为复杂,这可能与土壤性质及径流过程中的冲刷作用有关㊂根据拟合R2系数得出:C r>C d>C u>N i;可以认为本试验条件下,产沙量与颗粒态C r的拟合效果最好,产沙量可以更好地预测颗粒态C r含量的大小㊂98第1期徐蝶等:水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征图7产沙量与颗粒态金属拟合关系表5降雨过程重金属迁移相关分析项目溶解C u溶解N i溶解C d溶解C r颗粒C u颗粒N i颗粒C d颗粒C r 雨强/(mm㊃h-1)-0.204**-0.134-0.257**0.268**0.559**0.561**0.576**0.584**坡度/(ʎ)0.171*-0.0130.099-0.1050.226**0.213**0.236**0.234**产流量/(L㊃m i n-1)-0.164**-0.158*-0.136-0.1360.498**0.450**0.514**0.481**产沙量/(g㊃L-1)0.0110.063-0.0390.224**0.811**0.823**0.902**0.885**ω-0.243**-0.120-0.201**0.239**0.601**0.599**0.620**0.619**τ-0.254**-0.080-0.209**0.185*0.545**0.557**0.574**0.573** f-0.153*0.134-0.0580.195**-0.210**-0.192**0.212**-0.220**注:**在0.01水平(双侧)上显著相关;*在0.05水平(双侧)上显著相关㊂3讨论本研究通过模拟降雨试验对不同雨强和坡度条件下重金属元素迁移规律,并得出在整个降雨过程中重金属元素含量与产沙量呈现极显著相关关系㊂本研究将水土侵蚀过程与重金属元素迁移相结合,以期掌握重金属元素进入土壤的生物化学行为,为土壤重金属元素污染修复提供理论基础㊂本试验设计中研究区域为喀斯特坡耕地,喀斯特区具有二元三维结构特征及以此耦合的地表地下水系,针对喀斯特这一特性不少研究团队开展了喀斯特区土壤地下漏失的相关研究,并取得丰富的研究成果[27-29]㊂本研究在探究重金属元素迁移规律时仅考虑喀斯特区域地表流失,这是因为通过落水洞或者地下河入口转入地下水系的径流泥沙是喀斯特区土壤地下漏失的主要途径,部分有效的岩溶管道㊁孔隙和裂隙也能够造成地表土壤漏失,但所占比例小㊂如黔南荔波自然保护区的石上森林由于地表坡面的大量溶沟㊁岩溶管道㊁裂隙是盲管,内部储存了大量土壤成为石上森林生长的基础㊂另外,落水洞或者地下河漏失形式其尺度一般为一个封闭洼地或者一个小流域,就坡面尺度(地块)而言,地表流失依然是土壤流失的主要部分;因此,本研究在讨论不同雨强和坡度下重金属元素迁移规律时,只对地表流失进行分析讨论,试验设计未考虑地下漏失处理;但在后面的研究中我们拟尝试针对漏失污染评价及治理展开相关研究㊂3.1不同雨强和坡度下产流产沙特征由不同雨强和坡度下产流产沙过程及特征可知,09水土保持通报第42卷降雨强度对产流产沙过程具有明显影响㊂随雨强增大,初始产流时间明显提早,这与张会茹等[30]的研究结果一致;降雨强度试验结果表明随降雨强度的增大,累积径流量及泥沙流失量均显著增加,这与陈晓燕等[31]的研究结论相一致,这是因为当雨强不断增大时,降雨速度加快,在相同降雨时间内降雨量增大,逐渐超过土壤的实际入渗能力,导致土壤透水能力下降,同时土壤逐渐达到饱和,更多的降雨形成地表径流,累积径流量增加;降雨强度越大,雨滴动能越大,对土壤颗粒的分散作用及冲刷搬运能力越强,对土壤表层稳定性破坏越大,因此土壤累积泥沙流失量也越大㊂产沙量总体呈先增加后减少至稳定的趋势,其原因是存在影响产沙量的临界坡度㊂本试验中的临界坡度为20ʎ,即当坡度小于临界坡度时,坡面累积产沙量随坡度增加而增加,当地面坡度大于临界坡度时,累积产沙量随坡度的增加呈减小趋势㊂然而,有研究表明大雨强下临界坡度为25ʎ[32];也有学者基于坡面流理论得出了坡面侵蚀的临界坡度57ʎ[33]㊂得出不同结果的原因可能是供试材料,研究区域以及试验所设置不同所导致㊂梁志权等[34]所得到的研究结果是在雨强为50mm/h时,在20ʎ附近存在一个侵蚀产沙量的临界坡度,并且以此论证了不同的雨强大小会影响侵蚀的临界坡度值㊂这与本试验的结果得到的临界坡度20ʎ相吻合,这可能是由于雨强和坡度设置相差不大的原因㊂3.2不同雨强和坡度条件下重金属(C u,N i,C d和C r)迁移特征在降雨过程中,土壤重金属随地表径流迁移主要表现为两种方式:①溶解态迁移,即污染物以分子态和离子态形式随地表径流一起迁移;②颗粒态迁移,即污染物以无机态和有机态形式吸附和结合于泥沙颗粒表面随泥沙迁移[35]㊂颗粒态重金属流失量整体变化趋势与产沙量变化趋势一致,这是因为本试验中得出地表径流中重金属主要以颗粒态迁移为主,随着降雨强度增大,径流中夹带㊁冲刷的土颗粒增多,泥沙迁移量增大,因此呈现出大体一致的变化趋势;这与陶权等[36]研究得到的结论一致㊂溶解态C u,N i,C d 和C r流失量随坡度变化不明显,原因可能是因为降雨径流中溶解态重金属主要来源于土壤的交换态(包括水溶态)重金属[36],再加上供试土壤理化性质㊁重金属背景值等原因也可能导致溶解态重金属流失不明显;观察不同坡度条件下颗粒态C u,N i,C d和C r,发现4种重金属均在20ʎ坡度处理下缩短达到含量峰值时间(15~20m i n),再次在不同坡度处理条件下论证本文试验得出的临界坡度为20ʎ[34]㊂3.3模拟降雨过程重金属迁移相关性和拟合结果虽然部分溶解态重金属含量与近地表水文条件存在相关关系,但相关系数绝对值均小于0.3,说明溶解态重金属迁移过程较为复杂[37]㊂颗粒态重金属与雨强㊁坡度㊁产流量㊁产沙量,τ,ω和f在0.01水平上显著相关;颗粒态重金属(C u,N i,C d和C r)除了与f 呈显著负相关关系之外,与其余6个参数均呈显著正相关关系,表明颗粒态重金属流失量与f成反比关系㊂根据产沙量与4种不同颗粒态金属(C u,N i,C d 和C r)的拟合,R2(C r)=0.99,R2(C d)=0.98,R2 (C u)=0.97,R2(N i)=0.91,可认为在本试验条件下,产沙量可以更好的预测颗粒态C r的流失量,拟合结果与以上分析的雨强对坡面产沙量的影响分析结果相一致[38],表明产沙量对颗粒态重金属(C u,N i,C d 和C r)迁移量有极显著影响㊂选择产沙量与颗粒态金属拟合的原因是由于试验结果显示不同雨强和坡度下4种重金属元素在整个流失过程中均主要以颗粒态形态进行迁移流失[14]且从总体来看产沙量与颗粒态重金属相关系数均高于其他条件㊂因此,选择与产沙量进行拟合,进一步探索产沙量对4种颗粒态金属的影响㊂4结论(1)降雨过程中,产流量随降雨历时的延长呈先快速增长后渐趋稳定的趋势,且在15~20m i n的区间内会有小范围的波动;各雨强下产沙量随坡度增加而增加至临界坡度20ʎ后缓慢趋于稳定㊂(2)不同雨强和坡度下4种重金属元素在整个流失过程中均主要以颗粒态迁移;颗粒态重金属流失量均在120m m/h下达到含量峰值且时间均为15~20m i n 并在20ʎ坡度以后缓慢减小至稳定状态㊂70mm/h 对溶解态重金属流失量影响最大,其中最为明显的是C r流失量变化范围可达0.0098m g/L;坡度对溶解态重金属含量变化不明显㊂(3)产沙量和不同颗粒态重金属(C u,N i,C d和C r)拟合方程表明,产沙量可以较好地预测颗粒态C r 的流失量㊂[参考文献][1] X i o n g M u q i,S u nR a n h a o,C h e nL i d i n g.A g l o b a l c o m-p a r i s o no f s o i l e r o s i o na s s o c i a t e d w i t hl a n du s ea n dc l i-m a t e t y p e[J].G e o d e r m a,2019,343:31-39. 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近10年土壤侵蚀与水土保持研究进展
近10年土壤侵蚀与水土保持研究进展本期期刊速读内容来自《土壤学报》杂志2020年6月的文章《近十年土壤侵蚀与水土保持研究进展与展望》，作者史志华，刘前进，张含玉，王玲，黄萱，方怒放，岳紫健。
史志华，男，博士，教授，主要从事土壤侵蚀与水土保持教学和研究工作。
摘要在当今生态文明背景下，土壤侵蚀与水土保持研究迎来了新的发展机遇和挑战。
本文首先采用文献计量学方法，定量分析了近10年来国内外土壤侵蚀与水土保持学科发展现状。
在此基础上，结合社会需求的变化，阐明了学科发展需求与存在问题。
最后，提出了本学科研究的重点领域与方向：水文过程与侵蚀产沙机理，土壤侵蚀过程及其定量模拟，全球变化下土壤侵蚀演变及其灾变机理，社会经济系统—水土流失的互馈过程，以生态功能提升为主的土壤侵蚀防治，以及土壤侵蚀研究新技术与新方法等。
正文土壤侵蚀是土壤及其母质在外营力作用下，被破坏、分离、搬运和沉积的过程；水土保持指对外营力造成的土壤侵蚀所采取的预防和治理措施，以保护水土资源、维持土地生产力，并建立良好生态环境的综合性科学技术。
土壤侵蚀与水土保持学科以土壤侵蚀过程为研究对象，揭示其发生发展规律，提出水土保持措施及相关对策。
随着认识的深入和社会需求的变化，本学科从对土壤侵蚀现象与影响因子的描述，拓展到对土壤侵蚀过程、预报模型、水保措施防蚀机理及其适应性的研究，并逐步延伸至面源污染、物质循环与全球变化等科学问题。
坡面是土壤侵蚀发生的基本单元，流域是水土保持的基本单元，因此，本学科目标是通过主控要素识别和关键过程剖析，揭示坡面和流域尺度上土壤侵蚀过程的发生发展规律并建立预报模型，阐明水土保持措施的防侵蚀机理与其适应性，提出适用于不同区域的水土保持范式，为土壤侵蚀评价与防治提供科学依据，服务于生态文明建设和绿色发展。
本文利用文献计量法，总结分析了坡面和流域尺度上土壤侵蚀与水土保持学科近10年研究的核心方向与热点，明确了我国取得的主要成就及国际地位，探讨了未来研究的重点领域与方向，为有针对性开展土壤侵蚀过程与机理研究、解决水土保持关键技术与瓶颈问题提供参考。
含水量对土石混合介质剪切波传播速度的影响分析
含水量对土石混合介质剪切波传播速度的影响分析摘要：本文采取试验方法对在含水量不同情况下的土石混合介质剪切波传播速度的影响进行分析，并对在一定条件下的纯土试件剪切波速的含水率的变化规律以及影响机理进行探讨。
试验结果也表明，土体的含水量会直接影响土石混合介质的剪切波传播速度，呈负相关。
而且根据研究结果可以更好地进行土石混合料压实质量剪切波速测试。
关键词：含水量；土石混合介质；剪切波传播速度Abstract:this article adopts the method of experiment on the water content of earth-rock mixture medium under different conditions is analyzed the influence of shear wave velocity, and the pure soil specimen under certain conditions of moisture content change rule and influence mechanism of the shear wave velocity were discussed. Test results show that the soil water content will directly affect the shear wave velocity of earth-rock mixture medium, a negative correlation. And according to the research results can be better on earth-rock mixture compaction quality of shear wave velocity test.key words ：water content; Earth-rock mixture medium; Shear wave velocity 引言随着建筑工程的快速发展，施工队伍在进行建筑物施工过程中，为了评定地基压实质量，就采用剪切波速测试方法。
土壤侵蚀影响因素研究进展
总754期第二十期2021年7月河南科技Henan Science and Technology土壤侵蚀影响因素研究进展郭岩松毕曼（陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，陕西西安710075）摘要：土壤侵蚀是影响陆地生态系统的最重要的环境问题，也是国际社会普遍关注的重大环境问题。
该问题已经严重制约和威胁人类生存环境的安全和可持续发展，是当前土壤环境治理研究工作的热点所在。
通过总结土壤侵蚀的影响因素体系，旨在梳理各影响因素对土壤侵蚀过程的响应与作用机理，为后续的研究提供可靠的理论分析依据。
本文将土壤侵蚀的影响因素体系归纳为土壤内在因素、植被覆盖因素、地形因素和降雨特征因素四方面。
土壤内在因素包括土壤质地、容重、盐分含量和土壤团聚体稳定性；植被覆盖因素包括植被类型、植被形态、根系发育和空间格局分布；地形因素主要包括坡度、工程措施；降水特征因素主要通过降雨强度来体现。
中图分类号：S157.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）20-0136-05 Research Progress on Influencing Factors of Soil ErosionGUO Yansong BI Man（Land Surveying,Planning and Design Institute of Shaanxi Provincial Land Engineering,Construction Group Co.,Ltd.，Xi'anShaanxi710075）Abstract:Soil erosion is the most important environmental problem affecting terrestrial ecosystems,and it is also a major environmental problem that the international community is generally concerned about.The problem has severe⁃ly restricted and threatened the safety and sustainable development of the human living environment.It is a hot spot in the current research on soil environmental governance.By summarizing the system of influencing factors of soil ero⁃sion,it aims to sort out the response and mechanism of each influencing factor to the process of soil erosion,and pro⁃vide a reliable theoretical analysis basis for subsequent research.This paper summarizes the influencing factor sys⁃tem of soil erosion into four aspects:soil intrinsic factors,vegetation coverage factors,topographic factors and rainfall characteristic factors.The intrinsic factors of soil include soil texture,bulk density,salt content and stability of soil aggregates;Vegetation coverage includes vegetation type,vegetation morphology,root system development and spa⁃tial pattern distribution;Topographic factors mainly include slope and engineering measures;Rainfall characteristics are mainly reflected by rainfall intensity.Keywords:soil erosion；influencing factors；slope erosion土壤侵蚀不仅是影响陆地生态系统的重要环境问题，也是国际社会普遍关注的重大环境问题。
水对粘性土抗剪强度的影响研究
关系曲线
样具有较大的抗剪强度， 且随着含水量的增加抗剪强度降低� ( 2) 粘聚力随含水量变化关系�抗剪强度受含水量 变化影 粘聚力 C 和 内摩
= 21. 46 % = 23. 39%
� 响主要由于含水量对抗 剪强度 的 2 个 参数
� 擦角
含水量 / % 4. 35 垂直压力 含 水量 17 . 2 8 19. 32 8 0 . 85 2 1. 46 110 . 2 10 0 .0 5 7 6 .5 61 . 2 5 118 . 83 16 6 .6 147 50 9 8. 49 10 0 115.15 2 00 2 0 0 .0 1 40 0 2 8 6. 65 2 45 191
18
内蒙古水利
2 0 13 年第 2 期 ( 总第 144 期 )
�分析研究 � 水 对 粘 性 土 抗 剪 强 度 的 影 响 研 究
1 �� ,
�
2
( 1. 呼和浩特市赛罕区水土保持工作站 ， 内蒙古 呼和浩特 0 10 0 40 ; 2.内蒙古机电职业技术学院， 内蒙古 呼和浩特 0 10 0 7 0 ) � � � � � �摘 要� � � � � � � � � � � � � � � ��, �� � � � � �� � ��� � �关键词� �; � �; ��� ; ���� 文章编号: 10 0 9 - 0 0 88( 20 13 ) 0 2 - 0 0 18 - 0 2 再而成为固体( 固态) ， 土能 承受较大 的剪切 应力， 在外力 作用 下不再具有塑性体特征， 而呈现具有脆性的固体特征� 3. 1 试验设备和试验参数设置 本次试验 采 用 的 是由 南 京 电 力自 动 化 设备 总 厂 生 产 的 BZ J- 2 型 应变控制直剪仪， 仪器 编号为 0 2818� 试验剪切 速率 为 0 .8 m m / m in ， 垂 直 压力 设置 为 4 个 等级: 5 0, 10 0 , 20 0 , 40 0 KPa� 3. 2 直剪试样制备 为了减少试验的误差， 不同含水量的直 剪试样采用 的是对 应的击实试样�同一水分 状态， 打制 4 个平 行试 样( 对应 于直 剪仪的 4 个垂直压力) �之后， 开始不固结不排水 直剪试验， 将 试样装入直剪仪的剪力盒内， 试样上下两面 均依次为湿 滤纸和 透水石�对于非饱和土试样， 湿滤纸含水量 尽可能接近 试样含 水量， 直剪盒上的 活塞 周 围用 与试 样 含水 量相 近 的湿 棉花 围 住， 以防止试样水分 发生较 大的 变化�试 样装 好后开 始试 验， 0, 10 0 , 20 0 , 40 0 KPa 的垂直 压力下 剪切， 分别在 5 以 0 . 8 mm / � ��
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沈阳农业大学学报,2004-10,35(5～6):592-594
Journal of Shenyang Agricultural University,2004-10,35(5～6):592-594
土壤剥蚀率与水流剪切力关系试验研究
王 1,2,李占斌1,丁文峰3,刘 峰2
(1西安理工大学水资源研究所,陕西西安 710048;2沈阳农业大学水利学院,辽宁沈阳 110161;
3南京大学城市与资源学系,江苏南京 210093)
摘要:利用稀土元素示踪技术及土槽径流冲刷试验,系统研究了不同坡度、不同流量下各断面的土壤剥蚀率和水流剪切力之间的关系。
试验结果表明,土壤剥蚀率随着水流剪切力的增加其对数呈线性关系。
关键词:土壤剥蚀率;水流剪切力;稀土元素示踪法
中图分类号:S15119 文献标识码:A 文章编号:1000-1700(2004)05～06-0592-03
R elationship of Soil Detachment R ate and Flow Shear Stress
W ANG Xuan1,2,LI Zhan-bin1,et al.
(1Institute o f Water Resources,Xi’an Univer sity o f Technology,Xi’an710048,China;
2College o f Water Conservancy,Shenyang Agricultural Univer sity,Shenyang110161,China)
Abstract:Based on runoff scouring experiments by means of flume s oil and rare earth elements tracer method,the relationship of s oil detachment rate and flow shear stress during different stages under different slope gradients and runoff discharges was researched.The results showed that s oil detachment rate increased with the increase of flow shear stress,their logarithm was linear.
K ey w ords:s oil detachment rate;flow shear stress;rare earth element tracer method
1 材料与方法
本试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室模拟降雨侵蚀试验大厅内进行,试验方法采用放水冲刷法进行。
试验由5个放水流量(214,315,415,515,615L・min-1)和3个坡度(6°,9°,12°)相互交叉的15个试验构成,2次重复。
试验土样为陕西杨陵当地娄土,土壤粒径以0105～0110mm和小于01001mm为主,分别占41113%和36128%。
土壤干容重控制在1125～113g・cm-2。
试验前土样风干并过1cm×1cm粗筛,剔除植物根系等杂物。
试验用的REE有Ce,Sm,Nd,Dy共4种元素,为粉末状的氧化物。
采用逐步稀释的方法分别将4个REE 与试验用土充分混合制成富含REE的实验示踪用土,并取样测定REE的含量。
试验程序:选定试验坡度和流量,每次放水试验前进行流量标定。
试验在宽33cm,长500cm,深50cm的可调坡钢制冲刷槽内进行。
先在试验槽内部铺填20cm厚的天然砂,以保持试验土的透水状况接近天然坡面,在天然砂上面铺设细纱布。
试验中为了减少稳流槽与冲刷槽结合处因边壁作用导致的土壤下陷,试验小区最顶端1m长的坡段上用塑料将其与径流分开,以下的坡面按试验设计要求从上至下等分为4段,每一段长约1m,分别为第一断面、第二断面、第三断面、第四断面。
试验中稀土元素布设方法采用断面施放法,即将已经拌和好的含有稀土元素Ce,Sm,Nd,Dy的试验土填入事先标记好的坡段内,填土过程中边填土边压实,填土完成后使试验槽内的土壤干容重控制在1125～113g・cm-3之间。
为了保证每次试验的初始条件基本一致,试验开始前先用撒水器在试验土表面均匀撒水,撒水量控制在土壤表面达到充分饱和但又没有发生产流的程度。
供水设备采用定水头控制流量,从试验槽上端按设计要求通过阀门控制流量。
试验开始后,仔细观察径流冲刷过程并
收稿日期:2004206207
基金项目:国家自然科学基金项目(40371075)
作者简介:王 (1965-),女,沈阳农业大学副教授,博士研究生,从事农业节水和土壤侵蚀的教学及研究。
记录产流发生时间。
产流初期每1min 取1次径流泥沙样,3min 后每2min 取1次径流泥沙样。
取样的同时采用染料示踪法测定坡面径流流速,用薄钢尺量测坡面径流宽度,整个试验过程持续15min 。
每次试验后,用量筒测定各个样品的体积,用置换法测定各个样品的泥沙量。
REE 样品的分析是在中国原子能科学研究所原型微反应堆上采用中子活化分析方法进行的。
中子活化分析是以核反应为基础的核分析方法,待测样品在反应堆中受一定能量和强流的中子轰击后,测定由反应堆生成的放射性核素衰变时放出的射线能量和射线强度,完成REE 的定性和定量分析。
采集的泥沙样经烘干称重后,称取约60mg 的样品封装于1∶1硫酸浸泡处理后的高压聚乙烯薄膜内,然后热封于同样1∶1硫酸浸泡处理后的高压聚乙烯辐照管内,使用多功能气动传输系统送入微型反应堆中辐照。
2 结果与分析
坡面流是沿着坡面梯度方向运动,必将在其运动方向上产生一个作用力,这种作用力就是径流剪切力。
该力的主要作用是冲刷土壤,破坏土壤原有结构,引起土壤颗粒分散,进而将分散土壤颗粒或土壤颗粒团携带在水流本身之中,伴随着水流的运动一起输出坡面。
F oster 等(1984)提出水流剪切力为:
τ=γRS f
(1)式中:γ为水流容重;R 为水力半径;S f 为能坡。
土壤剥蚀率是土壤侵蚀量化研究,尤其是土壤侵蚀预报模型中的一个非常重要的参数。
土壤剥蚀率通常定义为单位时间(s ),单位面积(m 2)上被剥蚀掉的土壤颗粒的量(kg )。
本试验采用稀土元素示踪法观测了各断面的土壤剥蚀量,进而计算出各断面的土壤剥蚀率。
图1给出了不同坡度不同流量下的土壤剥蚀率与水流剪切力之间的关系图,从图1中可以看出,土壤剥蚀率随着水流剪切力的增加而增加,土壤剥蚀率的对数与水流剪切力的对数呈线性关系。
其形式如下:
log Dr =A log τ-B
(2)式中:Dr 为土壤剥蚀率(g ・m -2・s -1);τ为水流剪切力(Pa );A ,B 为系数。
395第5～6期王 等:土壤剥蚀率与水流剪切力关系试验研究
◆第一断面First section
■第二断面Second section
▲第三断面Third section
×第四断面F orth section
图1 土壤剥蚀率与水流剪切力关系图
Figure 1The relationship of soil detachment rate and flow shear stress
3 结论
本研究采用土槽径流冲刷试验结合稀土元素示踪法系统研究了土壤剥蚀率和水流剪切力之间的关系,试验结果表明,不同坡度、不同流量下各断面的土壤剥蚀率随着水流剪切力的增加其对数呈线性关系;试验结果是在12°以下的坡度情况下得到的,同时仅用了一种试验土壤,要得到更一般的研究结论,尚需开展一系列相关实验研究。
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[责任编辑 亓 国]
495沈阳农业大学学报第35卷。