细沟形态演变对坡面水沙过程的影响_张攀
2.1《滑坡、泥石流》教学设计(湘教版2019高中地理必修第一册第二章第一节第三课时)
2.1《滑坡、泥石流》教学设计一、课程标准：野外观察或运用视频、图像，识别3~4种地貌，说明其景观的主要特点，结合实例，解释内、外力因素对地表形态的变化的影响。
二、教材内容：本节课选自高中地理湘教版（2019）第二章第一节流水地貌，教材中对滑坡、泥石流的特点和成因做了简单介绍，着重通过“浙江丽水滑坡”和“甘肃舟曲泥石流”两个案例，展开对滑坡、泥石流防灾减灾措施的探讨，本节课的重点是通过对地质灾害的简单分析，教会学生防灾减灾的具体策略，培养学生的人地协调观。
三、学情分析：学生在日常生活中，通过新闻、短视频、网络等途径对滑坡泥石流自然灾害有所了解，但对他们的形成条件及防护措施认识的不够全面；高一的同学对图片的观察、分析、解释能力还有所欠缺，教材中通过具体的案例和活动探究培养学生的综合分析能力，了解地理环境的总体性，教会学生防灾减灾的措施，建立良好的人地关系。
四、教学目标：知识与技能：滑坡、泥石流地质灾害的形成条件及防灾减灾措施。
过程与方法：学生利用探究案例方法理解滑坡、泥石流的成因。
学会针对滑坡和泥石流等地质灾害的基本防灾减灾措施。
情感态度与价值观：通过本节课的学习，教学学生防灾减灾的具体策略，培养学生的人地协调观。
五、教学重难点：重点：1、滑坡、泥石流形成条件，2、学会针对滑坡和泥石流等地质灾害的基本防灾减灾措施。
难点：学会针对滑坡和泥石流等地质灾害的基本防灾减灾措施。
六、教学准备：教材，ppt，视频课件，有关本节课的学习资料与素材。
七、教学过程：浙江丽水滑坡灾害1、图中滑坡发生后，对当地环境会产生哪些重大危害？参考答案：滑坡会掩埋农田和村庄，阻断道路,淤塞河道,导致人员伤亡和财产损失。
2、滑坡多发地区具有怎样的自然环境特征？自然环境特征：①地质不稳定，岩石易破碎，有软弱结构面。
②地形陡峻。
③降水多且强度大等。
3、在滑坡多发地区，人们应采取哪些防范措施？参考答案：①通过一定的工程技术措施，改善边坡岩土体的力学强度，提高其抗滑力，如削坡减载，边坡人工加固等；在野外活动时，人们应怎样应对泥石流威胁？活动:1.阅读下列材料,完成相关任务。
第五章 第一节流水地貌
坡面流水是雨水或冰雪融水在地表形成的薄
层片流或细流，随地表起伏而流动，没有固定 的流路，因而面状而均匀地冲刷地表松散物质。 如果植被稀疏、地表物质疏松、降水量多且强 度大、坡面形态有利于加快径流流速和增多流 水，那么坡面流水的侵蚀就强烈。坡面流水冲 刷下来的物质或汇入沟谷与河流，是江河泥沙 的主要来源；或在缓坡、坡麓和洼地堆积，成 为坡积物。 当坡面流水和细流增大到一定程度时，会自动 汇集为线状集流，再进一步汇集成沟谷水流。 沟谷流水比较集中，有较固定的流路，其侵蚀 能力比坡面流水显著增强，是形成沟谷地貌的 主要营力。 沟谷进一步发展，或得到地下水补给，就形 成有常流水的河谷，河谷中的常流水就是河流。
（一）、河谷地貌 河流是一种经常性的线状流水，它有固定的流路，较稳定的流量和流 速，作用力比较强大，由它所造成的槽形谷地，称为河谷。 河谷是由河流长期侵蚀而成的线状延伸的凹地，它的底部有着经常性 的水流，至于其他成因如构造运动所成的谷地如果没有河流出现，都 不能称为河谷。河谷的长短不一，大的河谷长达数千公里，如亚马逊 河为6516千米，尼罗河为6484千米，长江为6380千米。 1. 河谷的形态
（二）沟谷流水地貌 沟谷流水在不同的部 位其作用方式和强度都不 同，因而产生三种地貌： 即上游集水盆、中游沟谷 和下游扇形地。 （1）沟谷 它是沟谷 流水侵蚀所成的槽形洼地， 小的仅长10余米，大的可 达数十公里。按其发育程 度又可分为四种类型： 1）细沟：它是最初 发育的小沟，深、宽度不 及0.5m，沟的两坡没有明 显的沟缘（图6．18A）， 纵剖面与坡面形态大致相 同。
2）切沟：由细沟发展而成，宽、 深度达到1～2m，长数十米以上， 横剖面是“V”形，沟缘明显， 纵剖面与坡面不一致，其下部 成为下凹形（图6．18B）。 3）冲沟：由切沟进一步侵 蚀而成，是沟谷发育的最盛期 的形态，下切作用强烈，深数 米至百米不等，长可达数公里 至数十公里，横剖面呈峡谷状， 纵剖面崎岖起伏，多陡坎和瓯 穴（图6．18C）。 4）坳沟：沟谷发育晚期的 形态，以侧蚀作用为主，谷坡 迅速扩宽，谷底堆积物增厚， 纵剖面比较平缓，横剖面呈宽 槽形。在我国南方的坳沟多开 辟成“坑田”（图6．18D）。
基于地貌特征的泥石流类型划分
基于地貌特征的泥石流类型划分倪化勇【摘要】科学分类是泥石流研究的重要内容,也是科学认识泥石流这一自然现象的重要基础.地貌位置或流域形态是目前泥石流类型划分的重要依据之一,在泥石流按地貌特征、流域形态类型分类研究现状分析的基础上,讨论了目前基于地貌特征的泥石流分类方案在泥石流识别方面存在的差异,包括坡面型泥石流的定性识别方法、坡面型泥石流与沟谷型泥石流的判定指标以及形成机理等;进而从科学性和实践性出发,提出可结合斜坡地貌与沟谷侵蚀演化过程,将泥石流划分为坡面型泥石流、冲沟型泥石流和沟谷型泥石流的划分方案.【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2015(013)001【总页数】5页(P78-82)【关键词】泥石流分类;地貌特征;坡面型泥石流;冲沟型泥石流;沟谷型泥石流【作者】倪化勇【作者单位】成都地质矿产研究所,成都610081【正文语种】中文【中图分类】P642.23泥石流分类既是对泥石流内在规律和外部特征的概括，更是泥石流基础理论研究和灾害防治的重要依据。
在我国，泥石流类型多样，形成机理复杂，系统科学的分类构成了泥石流基础理论研究和防灾减灾实践的重要基础［1］。
目前，从事泥石流基础理论研究的专家学者分别依据泥石流的形成条件（基于地貌、基于水源、基于物源）与起动机理（基于力学）、运动过程与动力特征（基于流速、流量和总量）、物质组成与流体特性（基于颗粒组成、容重和黏度）、地貌演化与发展阶段（基于发生历史和频率）、堆积规模（基于体积）与成灾危害（基于灾情和损失）等方面建立起了分类体系［2－4］，并在每个分类体系中进行了细分。
因此，根据不同的分类依据，泥石流具有多种分类方法。
在众多的泥石流分类依据中，地貌是目前泥石流分类常用的依据之一。
无论是在个例研究还是区域特征研究，较多的专家学者都依据泥石流所处的地貌位置或沟谷地貌形态确定泥石流的类型［5］，且多数采用了二分法，将泥石流分为了沟谷型泥石流和坡面型泥石流［1，3，4，6］；少数对沟谷泥石流进行了进一步的划分［5］。
土壤侵蚀原理第三章
❖雨滴速度与能量
雨滴降落时，重力与空气浮力二力趋于平 衡时，即以固定速度下降，此时的速度即为终点 速度(terminal velocity)。
终点速度的大小，主要取决于雨滴直径的 大小和形状。雨滴的终点速度越大，其对地表的 冲击力也越大，即对地表土壤的溅蚀能力也随之 加大（E=0.5mv2）。
第 3 章 水力侵蚀
3.1 水流作用 3.2 溅蚀 3.3 面蚀 3.4 沟蚀 3.5 山洪侵蚀 3.6 海岸、湖岸及库岸浪蚀
重点： １击溅侵蚀的表现方面； 2 溅蚀过程的四个阶段； 难点： １击溅侵蚀的表现及其危害； 要点： １ 坡面产流的两个阶段； ２ 侵蚀沟的发育的四个时期．
3.1 水流作用
❖地形
流域形状对山洪也有着很大的影响。 狭长形流域，其沟系单一，主沟较长，支 沟少，等流时线短，产生径流历时长，洪峰流 量小。 圆形、扇形、辐射形流域，主沟较短，支 沟多，等流时线长，汇流快，洪峰流量大。
等流时线: 流域上径流能同时到达出口的所有地点的连线。
按一定的流速，在流域地图上可作出许多条汇流时间的等 值线，使得在同一条等值线上的水质点能在该汇流时间同 时集中到流域出口。
❖雨滴侵蚀力
降雨雨滴的侵蚀力是降雨引起土壤侵 蚀的潜在能力。它是降雨物理特征的函数， 降雨雨滴侵蚀力的大小完全取决于降雨性质， 即该次降雨的雨量、雨强、雨滴大小等，而 与土壤性质无关。
3.2.2 溅蚀过程及溅蚀量
❖溅蚀过程
降雨雨滴动能作用于地表土
壤而作功，导致土粒分散，溅起和增强地表薄层
径流紊动等现象称为雨滴溅蚀作用（rain drop
不同规格鱼鳞坑坡面侵蚀过程及特征研究
1.00～1.22 倍和 1.39～3.53 倍，其平均径流强度和输沙速率分别为鱼鳞坑冲垮前的 4.60～7.46 倍和 13.70～16.75 倍。
鱼鳞坑坡面径流含沙率在措施冲垮前后的差异较大，水沙关系线性拟合的斜率在措施被冲垮前为 0.020 和 0.035，而冲
垮后斜率为 0.205 和 0.231，同时坡面总产沙量和峰值产流产沙量与细沟形态显著相关。因此，鱼鳞坑措施对坡面产流
收稿日期：2020-01-17 修订日期：2020-04-01 基金项目：国家自然科学基金“黄土坡耕地作物覆盖与管理的防蚀作用研究” （41977065） 作者简介：侯雷，博士生，主要从事土壤侵蚀过程研究。 Email：houleizd@ ※通信作者：吴发启，教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持研 究。Email：wufaqi@
过程，并探讨鱼鳞坑坡面水沙特征及其与细沟形态之间的关系。结果表明，鱼鳞坑的径流泥沙调控作用明显但也存在阈
值，在措施被冲垮前，各处理减流效益和减沙效益分别为 66.02%～82.20%和 85.77%～91.91%；平均径流强度和输沙速
率分别为平整坡面的 18.87%～33.21%和 10.04%～15.38%；当鱼鳞坑被冲垮后，坡面产流量和产沙量分别为平整坡面的
表2不同降雨条件下鱼鳞坑坡面和平整坡面的径流量和泥沙量table2runoffandsedimentfromfishscalepitandsmoothslopeunderdifferentrainfallintensities雨强rainfallintensitymmh1鱼鳞坑状态fishscalepitmorphology坡面处理slopetreatment侵蚀量sedimentkg减沙量sedimentreductionkg减沙效益benefitofsedimentreduction径流量runoffl减流量runoffreductionl减流效益benefitofrunoffreduction大鱼鳞坑07700446385775084412117406978小鱼鳞坑0610054798865403150612793760440未被冲垮平整坡面54002016824584大鱼鳞坑2440261579866195531569201896788平整坡面1823077297421810小鱼鳞坑115020130591913736637172548220被冲垮前平整坡面1420081209911985大鱼鳞坑1219304873252789226461116072109平整坡面34514576193114小鱼鳞坑1417265669893916397292202601670被冲垮后平整坡面748149163713289大鱼鳞坑2590491657864991902047178586602平整坡面1915294270484222小鱼鳞坑156016127389084522417143637606被冲垮前平整坡面1429192188852651大鱼鳞坑37744131798910039327349671512222平整坡面1976367321765548小鱼鳞坑343012896739274396119873622898100被冲垮后平整坡面246326540339397622鱼鳞坑措施对坡面水土流失过程的影响221径流强度鱼鳞坑措施坡面和平整坡坡面的径流强度随着坡度和降雨强度增加而逐渐增大平整坡面的径流强度呈现先增大后稳定的趋势而鱼鳞坑坡面的径流强度因措施被冲垮前后而存在较大差异图3
黄土坡面侵蚀方式演变过程中汇水坡长的侵蚀产沙作用分析
对 侵蚀 产 沙 的作 斥 。 结 果 表 明 ， 土坡 面 片蚀 一细 沟侵 蚀 一切 沟 侵 蚀 方 式 演 变 过 程 中汇 水 坡 长 对 侵 蚀 产 沙 具 有 重 ｒ 黄 要 作 用 ， 受 降 雨 强度 、 度 和 侵蚀 方 式演 变过 程 的综 合 影 响 。 汇 水坡 长增 加 ， 坡 面 片 蚀 一细 沟侵 蚀 一切 沟侵 蚀 且 坡 使 发 育 速 度 明显 加 快 ， 蚀 产 沙 量 明 显增 加 。在 坡 面 侵 蚀 不 同发 育 阶 段 ， 侵 汇水 坡 长 对 坡 面 侵 蚀 的 产 沙 作 用 也 不 尽 相 同 。 当坡 面 以切 沟 侵 蚀 为 主 时 ， 水坡 长对 坡 面 侵 蚀 产 沙 的作 用 最 大 ， 次 是 以 细 沟 侵 蚀 为 主 时 。 而 以坡 面 片 蚀 汇 其 为主时， 汇水 坡 长对 坡 面 侵 蚀 产 沙 的作 用最 小。 通 过 对 坡 面 侵 蚀 产 沙 量 与 汇水 坡 长 的 相 关 分 析 表 明 ， 们 呈 正 线 它
沙量 随坡长 呈先增 加趋 势 ， 当坡长超过 一定 值时 ， 但
２。 ５ 。汇 水坡 长 的变 化 是 通 过 改 变 坡 面 上 方 汇 水 流 量 来实现 的 。试 验 开 始前 ， 根据 降雨 强 度 大 小 及 坡
面 汇水坡 长 为 ０ １ ２ ４ ６ ８ １ 、 ２ ｍ 时 的对 应 坡 、 、 、 、 、 、 ０ １
面 汇水 流量率定 各 控 制 阀 门 的放 水 流 量 ， 个 设 定 每 的放 水流 量分别 率 定 ２次 ， ２次 的误 差 不 超过 ５ ％。 具 体 的汇 水坡长 与坡 面 上方汇 水 流量对 应关 系 如表 １ 。试验 开始后 ， 根据 试验设 计 需要 的不 同汇 水坡 长 打 开相应 的上方 汇 水 流量 控 制 阀 门开 关 ， 软 管 放 将
土壤侵蚀原理
土壤侵蚀原理2.挟沙力：在一定的水流条件下，能够携运泥沙的数量。
3.雨滴的中数直径：一次降雨的雨滴分布，用该次降雨雨滴累计体积百分曲线表示，其中累积体积为50%所对应的雨滴直径称为中数直径，用D50表示。
4.溅蚀量：击溅侵蚀引起土粒下移的数量。
5.侵蚀沟：是在水流不断下切、侧蚀，包括由切实引起的溯源侵蚀，以及侵蚀物质随水流悬疑推移搬运作用下形成的。
6.起沙风：一切大于使沙粒脱离静止状态开始运动的最小临界风速的风。
7.风沙流：风与其所搬运的固体颗粒共同组成复杂的二相流，称为风沙流。
8.风蚀作用：风和风沙流对地表物质的吹蚀和磨蚀作用。
9.风积作用：风沙流运行过程中，由于风力减缓地面障碍等原因，使风沙流中沙粒发生沉降堆积现象。
10.风沙流的饱和度：在一定风力条件下气流可能搬运的沙量称为容量，实际搬运的沙量称为强度，强度与容量之比。
11.重力侵蚀：重力侵蚀是以单个落石、碎屑流或整块土体、岩体沿坡向下运动的一系列现象。
由于坡地重力所移动的物质多系块体形式，故也称为块体运动。
12.错落:是指陡崖、陡坎、陡坡沿一些近似垂直的破裂面发生整体下坐位移。
13.蠕动：主要指土层、岩层和它们的风化碎屑物质在重力作用控制下，顺坡向下发生的十分缓慢的移动现象。
14.崩岗：指的是发育于红土丘陵地区冲沟沟头因不断地崩塌和陷落作用而形成的一种围椅状侵蚀。
15.陷穴：地表水沿黄土中的裂隙或孔隙下渗，对黄土产生溶蚀和侵蚀，并把可溶性盐类带走，致使下边掏空，当上边的土体失去顶托时，引起黄土的陷落。
16.冻土：是指温度在0摄氏度以下，含有冰的土层。
17.石海：在平坦而排水较好的山顶或山坡上，经冰冻风化形成的大小石块，直接覆盖在基岩面上的地形。
18.石川：在不太陡的山坡或凹地中，大量的风化产物在重力作用下沿着下伏的湿润细粒土层表面整体地或部分地向下滑动的石块群体。
19.热融作用：热融作用是冻土中的冰融化后土体发生收缩、沉陷的过程。
20.冻融泥流：指冻结的饱水松散土层和风化层解冻后，在重力作用下沿斜坡发生缓慢流动或蠕动的现象。
黄土坡面汇沙对细沟侵蚀的影响与贡献
关键词 ：黄土坡面 ； 细沟侵蚀 ； 组合小区 ； 汇 沙； 径流剪切力
中 图 分 类 号 ：Ｓ １ ５ ７ 文 献标 志 码 ：Ａ
细沟侵 蚀 是黄 土高 原坡 面极 其重要 的侵 蚀过 程 之一 ， 它 的 发 生 发 展 加 剧 了 黄 土 坡 面 土 壤 侵 蚀 强 度 】 － ２ ］ 。坡 面任 何空 间位 置 的细沟侵 蚀都 是 由该 部
沟侵蚀 的影 响与 贡 献 ， 对 于 深 入认 识 坡 面 细 沟侵 蚀
收 稿 日期 （ Ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｄ（ １ ａ ｔ ｅ ）： ２ ０ １ ２— ０ １—１ ６ ； 改 回 日期 （ Ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｅ ｄ）： ２ （ Ｉ １ ２—０ ２— ０ ４ 。
基金项 目（ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｔ ｅ ｍ） ： 国家 自然科学基金项 目（ ４ １ １ ７ １ ２ ２ ７ ， ４ ０ ９ ７ １ １ ７ ２ ） ， 中国科学院重点项 口（ Ｋ Ｚ Ｚ Ｄ—Ｅ Ｗ 一０ ４—０ ３） 。＿ １ 、 ｈ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ
６ １ ． ２ ％及 ８ ． ２ ６ ％， 在不 同坡 度 下 分 别 为 ４ ． ７ ３ ％ 、 １ ． １ ９ ％、 ７ ３ ． ６ ５ ％及 ５ ． ４ ％， 在 不 同 降 雨 强 度 及 坡 度 下 分 别 为
ｌ ０ ． ８ ４ ％ 、 ０ ． ４ ４ ％、 ６ ５ ． ２ ２ ％及 ６ ． ９ ７ ％。
沟侵 蚀 的影 响 与 贡献 ， 呵 以揭 示 坡 面 细 沟 侵 蚀 过 程 机 理 ， 并 为 治 理 坡 面水 土 流 失 提 供 科 学 依 据 。采 用 定 流 量 人 ＿ 【 放 水 的组 合 小 Ⅸ模 拟 降 雨 的 方 法 ， 对 不 同降 雨 强 度 小 同坡 度 下 黄 土 坡 面 汇 沙 对 细 沟 侵 蚀 的 影 响 及 贡献 进 行 了研 究， 结 果表明 ： 细 沟 Ｉ 二 方 汇沙 、 细沟间ｔ 【 ： 沙、 细沟 径 流 剪切 力 对 细沟 侵 蚀 的影 响 ， 在 不 同 降雨 强 度 、 不同坡度 、 不 同 降
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第27卷第4期2016年7月水科学进展ADVANCES IN WATEＲSCIENCE Vol．27，No．4Jul．，2016DOI ：10.14042/ki.32.1309.2016.04.007细沟形态演变对坡面水沙过程的影响张攀1，2，唐洪武2，姚文艺1，孙维营1（1．黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南郑州450003；2．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098）摘要：为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用，采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。
试验分析了黄土在不同雨强（66mm /h 、94mm /h 和127mm /h ）条件下，不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。
结果表明，黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大，而对产流的影响较弱。
径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式，坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势；产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系，尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916，细沟的出现会加剧侵蚀，使含沙量明显增加；不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同，细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。
关键词：土壤侵蚀；模拟降雨；细沟形态；水沙变化特性中图分类号：S157．1文献标志码：A 文章编号：1001-6791（2016）04-0535-07收稿日期：2015-05-27；网络出版时间：2016-06-22网络出版地址：http ：// /kcms /detail /32.1309.P.20160622.2215.012.html基金项目：国家自然科学基金资助项目（51409110）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（HKY-JBYW-2014-2）作者简介：张攀（1982—），女，河南洛阳人，高级工程师，博士研究生，主要从事土壤侵蚀研究。
E-mail ：zpyrcc@通信作者：姚文艺，E-mail ：wyyao@ 坡面是流域地貌的基本组成单元，也是土壤侵蚀的主要策源地，尤其在中国北方黄土高原地区，细沟侵蚀是黄土坡面的主要侵蚀方式之一［1］，对流域地貌的发育和演化过程具有重要的潜在影响。
降雨径流的产生会使坡面发生水沙运移和能量消耗，引起坡面细沟的产生和发展，导致土壤侵蚀量的迅速增加，从而引起细沟中水流水力学特性的改变，因此，细沟形态的演变过程是一个降雨、侵蚀、水流水力学特性、沟床形态变化间相互影响的动态耦合系统。
在国内外土壤侵蚀研究中，将水文学和地貌学相结合研究坡面流形成和水沙运移过程已成为研究的热点，从坡面微地貌演变的角度来分析坡面水沙运移过程，是坡地侵蚀研究的新趋势之一。
在细沟的形成和发展过程中，坡面产流产沙过程也随之发生改变。
一方面，细沟形成后，为径流和侵蚀产物提供了输送通道，坡面水流由面流转变为沟内股流，水流性质的转变引起侵蚀量的急剧增加，必将使坡面水沙关系发生变化［2-3］；另一方面，细沟形态在演变过程中，通过分叉、分级、密度、频度、数目以及长度等因素，影响着沟内水流结构，从而影响坡面侵蚀过程中的径流、入渗、泥沙输移和汇流等，尤其对于黏粒含量低的土壤，侵蚀过程中易发生细沟边壁坍塌，引起水沙过程发生显著变化。
因此，坡面细沟形态是一个能够综合反映坡面侵蚀动力学各要素及其相互作用的地貌因素，它的形成与发展也将对坡面产流产沙过程产生深刻影响。
目前国内外关于侵蚀动力过程对细沟发育过程的影响关注较多，尤其是关于降雨、坡度和土壤对细沟发育过程的影响取得了丰富的研究成果［4-6］，而对于细沟形态演变对坡面产流产沙过程的影响关注较少。
雷廷武和Nearing ［7］、和继军等［8］、Shen 等［9］对细沟形态和侵蚀水沙关系做过相关试验研究，但由于试验条件、土壤性质不同，研究结果存在较大差异。
基于此，本研究采用室内人工降雨模拟试验，通过3种雨强（66mm /h 、94mm /h 和127mm /h ）的对比研究，分析细沟形成和演变过程中坡面产流产沙过程的变化规536水科学进展第27卷律，探讨细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用，明确降雨强度对细沟侵蚀产沙过程的影响，从侵蚀形态入手将降雨和产沙联系起来阐明坡面降雨侵蚀产沙机制，以期为土壤侵蚀数学模型提供坡面地形的发育演化信息，为治理坡面水土流失提供理论依据。
1材料与方法1.1试验材料试验在黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室人工降雨大厅内进行，试验图1试验装置示意Fig.1Experimental apparatus装置如图1所示。
采用规格为5m ˑ1m ˑ0.6m 的可调坡试验土槽，土槽底部钢板钻有直径5mm 的透水孔，以保证土壤水自由入渗。
试验土槽的坡度可以在0 30ʎ之间调节，可模拟从缓坡到陡坡等不同角度坡面，本次试验模拟将坡面设定为20ʎ陡坡坡面。
降雨模拟采用下喷式人工模拟降雨装置，每组降雨器配备有5个大小不同的喷头，通过选择不同的喷头尺寸和调节管道压力，可以模拟30 180mm /h 的降雨强度。
喷头距地面22m ，可以使95%以上的雨滴终速达到天然降雨终速。
试验用土取自黄土高原地貌类型区第Ⅴ副区的河南省巩义市邙山表层黄土，粒径在0.005 0.01mm 的颗粒占43.4%，粒径在0.01 0.05mm 的颗粒占35.45%，其他粒径的颗粒占21.15%。
1.2试验设计填土之前，首先在土槽底部铺一层10cm 厚的粗沙，以保证土壤的透水性。
为保证下垫面条件的一致性，试验用土先过10mm 的筛，以保证供试土壤的均一性。
填土过程中采取分层填土，分层压实和随机测容重的方法将土壤容重控制在1.25g /cm 3，每层填土不超过10cm ，每填一层用环刀法随机测量5个不同部位的土壤容重，并用分齿耙将每层填土表面耙松，以加强层与层之间的结合。
试验前一天，用30mm /h 的雨强对土槽进行前期降雨，直至坡面开始产流为止，以保证土壤前期含水量的一致，湿润巩固松散的土粒，并减少土壤的空间变异性。
前期降雨完成后在土槽表面覆盖塑料布以防止土壤水分蒸发，静置24h 以备试验。
试验开始之前，为保证降雨强度达到方案设定值，先进行雨强率定。
试验中设定的3个雨强分别为60mm /h 、90mm /h 和120mm /h ，分别用于模拟黄土高原地区侵蚀性降雨中的中雨、大雨和暴雨。
在试验土槽周围均匀放置4个雨量筒测定雨强，经测定，实际降雨强度分别为66mm /h 、94mm /h 和127mm /h ，雨强均匀性＞90%。
根据细沟形态演变情况的不同，66mm /h 雨强下共进行5场降雨，每场降雨历时分别为16min 、12min 、15min 、15min 和14min ；94mm /h 雨强下共进行4场降雨，每场降雨历时均为14min ；127mm /h 雨强下共进行3场降雨，每场降雨历时分别为28min 、20min 和30min 。
试验正式开始时，用设定的雨强对试验土槽进行降雨，待坡面产流后每隔1min 或2min 接取一个径流泥沙样，为保证产流产沙过程的连续性，每场降雨结束后立即进行地形扫描，扫描用时约1min ，扫描结束后开始下一场次降雨。
径流体积采用自制铁皮量桶测量，坡面产沙量用烘干法推求。
整个试验过程用高清晰摄像设备进行全程监测，并辅助人工记录，结合试验过程中采集的径流泥沙数据，分析坡面侵蚀过程中的水沙过程。
1.3地形测量采用美国法如科技有限公司生产的FAＲO Focus 3D 三维激光扫描仪测量坡面地形，扫描速度976000bit /s ，50m 距离实测精度达2.0mm ，扫描一个标准坡面用时约1min 。
为了使坡面建模精准、无死角，将三维激光扫描仪安装于试验土槽正上方的降雨系统压力管道上（图1），数据采集分雨前雨后分别进第4期张攀，等：细沟形态演变对坡面水沙过程的影响!537行：降雨前进行一次地形扫描，获得初始地形点云数据；每场降雨结束后，待坡面水下渗完全，再次进行坡面地形扫描，获得完整的坡面形态演变数据。
2结果与分析2.1细沟形态发育过程图2所示为试验中用相机拍摄的66mm /h 雨强下黄土裸坡坡面细沟形态演变过程。
图中依次为降雨开始8min 、12min 、16min 、24min 、29min 、34min 、39min 、45min 和52min 时的坡面地形。
从细沟演变过程来看，黄土细沟的发育经历了从跌坎，到连续跌坎，再到断续细沟，最终形成连续沟网的发展过程。
跌坎出现的位置通常是从坡面的中下部开始，随着侵蚀的加剧，跌坎逐渐发育成下切沟头，在溯源侵蚀作用下，沟头前进、沟道下切、沟壁坍塌，沟网逐渐联通并向上延伸，发育成完整的细沟网络。
由于试验之前进行了预降雨，导致土壤入渗能力减弱，降雨开始3min 后坡面开始产流，此时的坡面侵蚀以雨滴溅蚀为主；当降雨持续到5min ，坡面面流形成，面流降低了雨滴对坡面的击溅作用，此时坡面的侵蚀方式开始从溅蚀向面蚀转换；降雨10min 后，由于坡面能量分布不均，面蚀的不平衡加剧，坡面面流逐渐汇聚形成集中径流，当集中径流增加到足以冲刷土体时，被带走的土体在坡面上形成跌坎，这一现象标志着细沟侵蚀的开始；降雨进行到约20min ，许多小的细沟和跌坎链沿坡面形成，细沟网络雏形逐渐显现；此后，在沟内水流的冲刷掏蚀作用下，沟头溯源和下切加剧，细沟边壁不断崩塌，形成断续细沟；随着侵蚀的进一步发展，降雨约40min 后，在水流的继续冲刷之下，断续细沟间的分水岭被逐渐侵蚀，断续细沟逐渐贯通形成树枝状连续沟网，至此细沟网络发育基本成熟。
在这一过程中，降雨影响着细沟的发育进程，细沟形态的不断演变影响着坡面水沙关系，为了揭示降雨、细沟形态演变和产流产沙过程三者之间的关系，将雨强、地形、水沙分别对应起来进行研究。
图2试验中拍摄的66mm /h 雨强下细沟形态演变过程Fig.2Ｒill evolution at 66mm /h rainfall intensity taken during the experiment2.2细沟形态参数的变化根据细沟形态的网络状分布特点，本文选取了若干有代表性［10］的细沟形态参数作为描述细沟形态演变的特征参数，用分形维数和密度描述细沟沟网的复杂程度，用坡面地貌信息熵表示坡面地形的发育程度，用合并结点数和分叉比表示沟网的拓扑结构。
其数学表达式为分形维数N =Cr －D f （1）式中：r 为尺度；N 为与r 有关的物体数目；D f 为分形盒维数；C 为常数。
细沟密度ρ=∑nj =1L t ，j /A 0（2）式中：A 0为试验小区的面积，m 2；L t ，j 为细沟的总长度，m ，j =1，…，n 代表研究区域中的细沟数目。