土壤颗粒的组成显著影响含沉积物的细沟流中的流速修正系数

《Soil and Tillage Research》：Soil-particle composition significantly affects the velocity correction factor in sediment-laden rill flow

准确测定地表径流平均流速是研究雨蚀沟侵蚀与水力特性关键。本文通过室内水槽实验，探究不同土壤质地（粘粒含量、颗粒级配）与泥沙负荷对流速校正系数α的影响机制，结果表明α范围为0.40-0.95，其均值在过渡流（0.61）和湍流（0.67）条件下显著低于清流条件（0.7-0.8），最终塑性粘土含量是影响α的核心指标，泥沙负荷通过抑制水流湍动能使α降低8.6%-31.8%。建立了包含泥沙负荷和最终塑性粘土含量的预测方程（R2=0.858），为侵蚀动力学研究与模型优化提供依据。

　　

周春红|沈楠|张凤宝|李东源|兰旭阳|焦峰

中国西北农林科技大学水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，陕西省杨陵市712100

摘要

准确测量平均流速对于研究沟蚀过程及沟流的水力特性至关重要。在染料示踪方法中，速度修正系数（α）是获得准确平均流速的关键。在含沙沟流中，泥沙负荷及其性质可能会影响α，但这种影响尚不明确。本研究通过室内沟槽实验，在五种不同土壤类型、泥沙负荷、坡度梯度及流量组合条件下，探讨了α的变化机制。实验结果表明，在所研究的条件下，α的取值范围为0.40至0.95；过渡流和湍流状态下的平均值分别为0.61和0.67。在土壤性质中，最终粘粒含量是显著影响α的核心指标。泥沙负荷和最终粘粒含量对α的负面影响主要是通过抑制流动的湍流强度实现的，其贡献程度在不同水动力条件下分别为0%至31.8%和8.6%至83.1%。随着坡度梯度和流量的增加，泥沙负荷对α的影响减弱。在低坡度梯度和高流量条件下，最终粘粒含量对α的影响相对较弱。本研究构建了一个α的估算公式，该公式包含了泥沙负荷和最终粘粒含量等独立变量（R2 = 0.858），该公式在α的预测方面表现出较高的准确性。这些结果为沟蚀动态研究提供了可靠的基础，从而有助于提高沟蚀模型的精度。

引言

沟蚀包括土壤的剥离、输送和沉积过程，是坡地农田土壤侵蚀的重要组成部分（Sun等，2013；Xu等，2024；Zhang等，2024）。沟流的水力特性是引发、发展和演变这一系列侵蚀过程的核心驱动力，其强度与侵蚀过程的规模和效率直接相关（Fan等，2023；Ma等，2022；Zhuang等，2018）。沟流的平均流速是用于估算其他水力参数（如摩擦系数、弗劳德数Fr和流功率）的基本变量（Abrantes等，2018；Li等，2022；Shi等，2024；Yang等，2020；Zhang等，2010）。因此，这些水力参数的准确性直接取决于平均流速的测量精度。此外，平均流速还被用于基于过程的土壤侵蚀模型中，以模拟土壤剥离和泥沙输送过程（Polyakov等，2021；Takken和Govers，2000）。这些模型在土壤剥离率和泥沙输送能力方面的模拟精度在很大程度上取决于平均流速的可靠性。因此，准确获取沟流的平均流速对于土壤侵蚀研究至关重要。

沟流是一种典型的浅层地表径流，其平均流速通常通过以下方法获得（Carollo等，2023；Di Stefano等，2021；Zhang等，2010）：首先直接测量表面流速并确定流动状态；然后根据不同的流动状态选择相应的修正系数α，并将其乘以表面流速得到平均流速。一般来说，对于层流、过渡流和湍流，α的理论值分别为0.67、0.7和0.8（Abrahams等，1986）。这些α的理论值是在无泥沙流动条件下获得的。然而，在实际侵蚀过程中，由于侵蚀物的输送，流动会变成含沙流动。在含沙流动的不同发展阶段，流经河床表面的粗糙度、流中的泥沙负荷以及流深都会发生变化（Wu等，2019）。这些因素可能导致含沙沟流的α与清水（无泥沙流动）条件下的α存在差异。因此，探索含沙沟流条件下α的变化规律至关重要。

关于含沙流动条件下α变化规律的研究表明，现有研究表明坡度梯度（Abrantes等，2018；Di Stefano等，2021；Tao等，2023；Yang等，2020；Zhang等，2010）和泥沙负荷（Di Stefano等，2020；Li和Abrahams，1997；Pan等，2015；Zhang等，2010）对α有影响。然而，坡度梯度对α的影响尚不明确，关于泥沙负荷对α影响的报道结果往往相互矛盾。例如，Li等（1996）在含沙流动条件下的研究显示α与坡度梯度呈负相关。Li和Abrahams（1997）在沟槽中进行了不同泥沙负荷下的模拟冲刷实验，结果表明坡度梯度对α的影响是泥沙输送的结果，α与泥沙负荷呈负相关。与前述结论相反，Xia等（2003）的研究表明，随着泥沙负荷的增加，流动的摩擦系数也增加，从而导致α增加。此外，Zhang等（2010）研究了不同坡度梯度和流量组合下泥沙负荷与α的关系，发现α随坡度梯度和泥沙负荷的增加而减小。进一步的研究表明，α与泥沙负荷的相关性受坡度梯度的影响：在低坡度梯度（5.2%）下，两者呈显著负相关；随着坡度梯度的增加，这种负相关性逐渐减弱（Pan等，2015）。Di Stefano等（2020）对光滑床面上运动中的含沙流动的速度剖面测量结果完全支持Li和Abrahams（1997）、Pan等（2015）以及Zhang等（2010）的发现，即泥沙负荷与α呈负相关。

大多数关于含沙流动的研究考虑了泥沙负荷对α的影响，但忽略了泥沙固有性质对α的影响。土壤性质通常通过两种方式影响α。首先，不同土壤类型导致的表面粗糙度变化会影响α。目前，大多数研究通过将人工均匀颗粒附着在刚性床面上或使用由不同粒径的无粘性粗砂组成的可侵蚀床面来研究表面粗糙度对α的影响。关于表面粗糙度对α的影响存在两种截然相反的观点：一种认为表面粗糙度与α呈正相关（Ali等，2012；Di Stefano等，2020），另一种认为呈负相关（Carollo等，2023；Li等，2022；Pan等，2015）。其次，可以合理假设在径流中输送的泥沙的固有性质也会影响α。泥沙的固有性质（如粘度、湍流性和阻力）会影响含沙流动的水力特性，这一点已在先前的研究中得到证实（Di Stefano等，2021；Li和Gust，2000；Luo等，2020；Wang等，1998；Wang和Larsen，1994）。此外，研究表明，含沙流动中α的变化主要归因于流动粘度、湍流性的变化以及流动阻力特性的改变（Zhang等，2010）。因此，可以合理假设含沙流动中泥沙的特性通过影响流动的湍流性和阻力等水力特性来影响α。然而，关于输送在流动中的泥沙的性质对α的影响研究较少。

此外，在实际的土壤侵蚀过程中，沟流大多发生在含有沙子、粉砂和粘粒的土壤表面（Polyakov等，2021；Shih和Yang，2009）。在有机质和粘粒含量较高的土壤中，侵蚀物还包括由土壤颗粒组成的聚集体（Beuselinck等，2000；Liu等，2020；Wang等，2015）。研究表明，细颗粒，特别是粘粒，具有显著的絮凝作用，这会影响流动的粘度和水力特性（Li和Gust，2000；Wang等，1998）。因此，使用无粘性砂作为模拟和研究α变化机制的试验材料存在一定的局限性。然而，现有相关研究尚未完全解决这一问题——目前大多数关于含沙流动α的研究都采用无粘性砂作为试验材料（Zhang等，2010；Li和Abrahams，1997）。尽管这些研究证实α可能与泥沙负荷和土壤性质存在某种响应关系，但泥沙负荷和土壤性质影响α的内在机制仍不清楚。更重要的是，天然土壤与无粘性砂或人工均匀颗粒在颗粒组成、聚集特性等方面存在本质差异，这使得现有研究的结论难以直接应用于实际土壤侵蚀场景。因此，使用天然土壤作为试验材料，系统探讨泥沙负荷和土壤性质对α的影响机制至关重要，从而为准确获取含沙沟流的平均流速提供科学依据。

本研究选择了五种具有不同土壤性质的天然土壤作为试验材料，并在广泛的水力条件下进行室内模拟实验，以探讨α随土壤类型和泥沙负荷的变化机制。本研究的主要目标是：（1）探讨泥沙负荷和土壤性质对含沙沟流α的影响；（2）揭示泥沙负荷和土壤性质对α的影响机制；（3）建立含沙沟流α的估算公式。

实验部分

实验处理

选择黄土高原上五种质地差异显著的土壤作为试验材料。根据泥沙输送能力（Tc）生成了不同的泥沙负荷。具体来说，Tc被分为10%、25%、50%、75%和90%五个比例，分别形成五种泥沙负荷：10%、25%、50%、75%和90%Tc。Tc是指在特定水力和泥沙特性条件下流动所能输送的最大泥沙量。

α理论值的适用性验证

表S1提供了每种实验组合的详细表面流速、平均流速和雷诺数（Re）数据。含沙沟流的平均流速、表面流速和Re随泥沙负荷和土壤类型的变化范围分别为0.48–1.39 m?1、0.79–1.98 m?1和766–4597。这表明实验成功模拟了过渡流和湍流条件。

泥沙负荷对α的影响

本研究表明泥沙负荷与α呈负相关，这与Di Stefano等（2020）、Li和Abrahams（1997）、Pan等（2015）以及Zhang等（2010）的研究结果一致。然而，Xia等（2003）使用盐示踪技术测得的α随泥沙负荷的增加而增加，这与本研究的结果不同。这可能是由于高浓度含沙径流中盐溶液的扩散速率降低，从而导致α增加。

结论

本研究探讨了不同水力条件下泥沙负荷和土壤性质对α的影响。结果表明，实验成功模拟了过渡流和湍流状态，且α是一个动态变量。过渡流和湍流状态下α的平均值分别为0.61和0.67，明显低于光滑表面上无泥沙流动时的0.7和0.8。最终粘粒含量是影响α的关键因素。

作者贡献声明

沈楠：撰写 – 审稿与编辑、数据整理、概念构建。张凤宝：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。周春红：撰写 – 初稿撰写、可视化、软件处理。焦峰：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。李东源：可视化、软件处理。兰旭阳：可视化处理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42477369、42361144707、U22A20613）、陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-YBQN-0296）、中国博士后科学基金（2021M702681）以及中央高校基本科研业务费（2023HHZX001）的支持。