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不同形态工程堆积体产流产沙对比研究：实验方法与结果解析

作者及发表信息
本研究由张文博（第一作者，西北农林科技大学水土保持研究所）、吕佼容、谢永生（通信作者，中国科学院水利部水土保持研究所）、骆汉等合作完成，发表于《水土保持学报》(Journal of Soil and Water Conservation)2020年第34卷第3期，系国家自然科学基金项目（41601300）资助成果。

学术背景与目标

科学领域与研究动机
工程堆积体（engineering accumulations）是生产建设活动中形成的松散土石混合体，具有抗冲性差、结构分散等特点，易成为新增水土流失的主要来源。其侵蚀特性受堆积形态（如二维平面与三维锥状）及砾石含量的显著影响，但现有研究多基于二维土槽模拟，而实际工程中的三维锥状堆积体侵蚀机制尚不明确。

研究目标
通过室内模拟降雨试验，对比二维平面与三维锥状堆积体坡面在不同砾石含量下的产流产沙特征，揭示形态差异对侵蚀动力学过程的影响，为工程堆积体水土流失防控提供理论依据。

实验方法与流程

1. 试验装置与材料
- 坡面模拟：
- 二维平面坡面：采用长4.2 m、宽1 m的矩形钢槽装填红壤（黏土），分层夯实（底层1.5 g/cm³，表层1.04–1.10 g/cm³），坡度固定为33°。
- 三维锥状坡面：通过3.5 m×3.5 m的方形平台构建1/4锥体（坡长4.2 m，坡度33±1°），土石自由落体形成自然堆积。
- 材料处理：土壤过10 mm筛，含水率控制在13–15%；砾石（2–3 cm硅质石灰岩）按质量百分比设置0%、10%、20%、30%、40%五组，每组重复2次。

2. 模拟降雨设计
- 雨强：1.5 mm/min（基于江西省降雨特征），误差%。
- 观测流程：
1. 产流后前3分钟每分钟采集径流泥沙样，之后每3分钟采样一次，总时长60分钟。
2. 流速测定：在坡顶至坡底设3个1 m观测段，高锰酸钾染色法测定平均流速。
3. 数据处理：烘干称重法获取泥沙量，计算剥蚀率（DR）、径流剪切力（τ）、径流功率（W）等参数。

3. 数据分析方法
- 关键参数计算公式：
- 剥蚀率（DR）= 泥沙量 /（坡面面积×时间）
- 径流剪切力（τ）= 浑水密度×重力加速度×水力半径×能坡
- 径流功率（W）= τ×流速
- 统计分析：单因素方差分析评价形态与砾石含量对剥蚀率的贡献率。

主要实验结果

1. 径流特征
- 流速与径流率动态：均随产流时间呈“快速增大—缓慢增大—稳定波动”趋势。
- 二维平面坡面流速稳定时间较三维锥状延迟（30–48 min vs. 15–21 min），且均值高1.35–1.48倍。
- 单位面积径流率随砾石含量增加递减，二维平面坡面径流率为三维锥状的1.25–1.42倍（如1.69 vs. 1.20 L/(min·m²)）。

2. 产沙特征
- 剥蚀率差异：
- 二维平面坡面：呈现“稳定—减小—稳定波动”模式，峰值出现在产流初期（3–6 min）。
- 三维锥状坡面：表现为“增大—稳定波动”，稳定时间较二维坡面推迟（12–30 min）。
- 侵蚀量阈值效应：
- 单位面积侵蚀量随砾石含量先增后减，二维平面在30%砾石含量时达峰值（为纯土坡面的1.66倍），三维锥状在20%时峰值（2.27倍）。
- 方差分析表明，堆积体形态对剥蚀率贡献率达63.83%，显著高于砾石含量（36.17%）。

3. 水动力学机制
- 侵蚀动力参数：剥蚀率与径流剪切力、径流功率、过水断面单位能均呈线性关系，其中径流功率拟合最优（R²最高）。
- 三维锥状坡面的临界剪切力（5.85×10⁻³ Pa）和临界径流功率（1.08×10⁻³ N/(m·s)）均高于二维平面，表明其抗冲刷能力更强。

结论与价值

科学意义
1. 揭示了三维锥状堆积体因径流路径分散、动能减弱而侵蚀量低于二维平面的机制。
2. 明确了砾石含量通过影响结皮形成与土壤可蚀性，产生“促进—抑制”侵蚀的双重效应。

应用价值
为工程堆积体设计（如优化砾石掺配比例、优先采用锥状堆置形态）提供了理论支持，可针对性降低水土流失风险。

研究亮点

1. 方法创新：首次系统对比二维与三维堆积体形态的侵蚀差异，模拟更接近真实工程场景。
   
2. 阈值发现：提出砾石含量对侵蚀量的非线性影响规律（二维阈值30%，三维阈值20%）。
   
3. 动力参数优选：验证径流功率是描述红壤堆积体侵蚀的最佳水动力学指标。
   

补充价值
试验中红壤的高黏粒特性（黏土占比19.66%）与砾石互作机制的发现，为南方红壤区工程弃土治理提供了区域适配性依据。