降雨与汇流耦合作用下黄土高原沟头侵蚀的水动力阈值与机制研究

《Geoderma》：Experimental study of rainfall and inflow characteristics effects on gully head erosion on the Loess Plateau

本研究针对黄土高原沟头侵蚀在降雨和汇流共同作用下的触发机制尚不明确的问题，通过野外模拟实验，系统揭示了降雨强度和汇流速率对土壤流失量的协同增强效应，并确定了以水流功率（2.33 N m-1s-1）为最优预测参数的侵蚀临界阈值。研究构建了集成地形与水动力参数的无量纲模型（R2=0.843, NSE=0.788），为预测沟头侵蚀发生及制定黄土高原水土保持工程措施提供了新的科学依据。

　　

黄土高原是世界上水土流失最严重的地区之一，其中沟头侵蚀被认为是导致土地退化的主要形式。这种侵蚀过程受到多种环境因素的影响，包括降雨强度、坡度、土壤质地、植被覆盖和人类活动等。然而，在降雨和汇流的共同作用下，沟头侵蚀发生的系统监测方法和缓解机制仍未被充分理解。由于全球气候变化，极端降雨事件变得更加频繁和强烈，显著增加了沟蚀的风险。因此，研究极端降雨下沟头侵蚀的启动条件和过程，对于预防和控制黄土高原的沟蚀具有关键的科学意义。

为了揭示降雨和汇流驱动沟头侵蚀的协同机制，并建立控制沟头侵蚀的水动力临界阈值，研究人员在黄土高原的东子塬（DLT）进行了系统的野外实验。该地区主要由剥蚀的山坡和河流阶地组成，属于大陆性半干旱气候，年降水量约为557.7毫米，且75-85%集中在5月至9月，多以暴雨形式出现。实验设计了27场降雨事件，变量包括坡度（30°、45°、60°）、降雨强度（35、65、90 mm h^-1）和汇流流量（2、4、8 L min^-1m^-1）。研究人员使用BX-1便携式人工降雨系统模拟降雨，并通过人工汇流装置模拟来自上游集水区的汇流。实验过程中，监测了径流、坡度变形、流速、泥沙侵蚀速率、体积含水量（VWC）和水势等参数。

研究发现，土壤流失量随降雨强度和汇流速率的增加而按比例增加。集水区特征是影响沟头侵蚀动态的主导因素，其中汇流在引发沟壁扩张和坍塌方面比降雨起着更重要的作用。具体而言，水流功率（ω）是预测侵蚀速率的最佳水动力参数，其临界阈值为2.33 N m^-1s^-1，可用于区分稳定和侵蚀条件。基于这些发现，研究建立了一个结合地形和水动力参数的无量纲模型来预测降雨和汇流共同作用下的沟头侵蚀，该模型具有较高的预测精度。

研究的关键技术方法包括：使用便携式人工降雨系统（BX-1）进行野外模拟实验，控制降雨强度和汇流流量；布设水分和温度传感器（CS-655）及水势传感器（253-L）监测不同坡位和深度的土壤体积含水量（VWC）和水势动态；通过三维激光扫描和摄影测量记录沟头形态变化和侵蚀体积；利用钾高锰酸钾示踪法测量地表径流流速；并采用相关分析、方差分析和回归分析等统计方法处理数据，最终构建了基于水流功率的侵蚀预测模型。

3.1. 不同降雨和汇流下的入渗和径流特征

体积含水量（VWC）和入渗相互影响，并共同作用于黄土沟头的后退过程。在仅降雨以及降雨结合汇流的条件下，VWC均呈现先增加后稳定的模式，在20厘米深度处变化显著。与仅降雨条件相比，降雨结合汇流条件下的入渗率下降更快，约在40-50分钟达到稳定。汇流显著增加了径流速率，其贡献率在14.1%至68.47%之间，交互作用对径流有正向影响。

3.2. 不同雨量和汇流下沟头侵蚀的特征

沟头侵蚀的发展表现为横向和纵向的扩张。在仅降雨条件下，沟头缓慢扩展；而在降雨结合汇流条件下，洞穴扩张导致侧壁凹陷，易引发沟头坍塌。侵蚀量在降雨结合汇流条件下是仅降雨条件的20.3至107.1倍。在横截面上，沟头中部首先前进，随后沟壁发生向前侵蚀，此过程重复导致沟头前进。在纵截面上，仅降雨时，沟头前后发生平行于向后侵蚀的垂直侵蚀；而降雨结合汇流时，沟头前部快速演化，后部几乎不动。

3.3. 降雨和汇流共同作用下沟头侵蚀的临界阈值

水流功率（ω）被确定为预测降雨和汇流条件下沟头侵蚀的最佳水动力参数。根据拟合曲线和野外试验结果，沟头侵蚀的临界水流功率为2.33 N m^-1s^-1。降雨强度与初始水流功率之间存在幂指数函数关系（R²= 0.91），表明降雨与汇流协同作用，影响着沟头侵蚀的临界水流功率。

3.4. 结合降雨和汇流的沟头无量纲侵蚀模型构建

通过皮尔逊相关性分析，确定汇流速率（IR）、径流（RF）、降雨强度（RI）、坡度（Sl）、水流剪切应力（τ）和水流功率（ω）与沟头侵蚀高度显著相关。基于量纲分析和Π定理，构建了包含四个无量纲组（Π₁至 Π₄）的预测模型。最终模型的确定系数（R²）为0.843，纳什-苏特克利夫效率系数（N_SE）为0.788，表明该模型能较好地预测沟头侵蚀。

研究的结论部分强调，沟头侵蚀是一个由降雨和汇流共同驱动的阈值过程。水流功率是预测侵蚀发生的关键参数，其临界值为2.33 N m^-1s^-1。所建立的无量纲模型成功整合了地形和水动力参数，为预测黄土高原沟头侵蚀提供了一种简单有效的方法。这些进展不仅深化了对侵蚀驱动机制的理解，而且为黄土高原的合理工程管理和生态建设提供了宝贵的科学见解。该研究发表于《Geoderma》期刊，其成果对于在气候变化背景下制定有效的水土保持策略具有重要意义。