受平台径流影响的废料堆上沟壑形态及侵蚀过程的机理研究

《CATENA》：Mechanistic insights into rill morphology and erosion processes on spoil heaps influenced by platform runoff

平台侵蚀过程中径流冲刷的影响及预测模型研究，通过模拟降雨与降雨-径流冲刷组合实验，揭示了平台径流对边坡侵蚀的主导作用（贡献率66.32%），发现复合条件下侵蚀沟网络呈现树状分形特征，并建立包含降雨强度、径流率、坡度、水力剪切应力及形态熵的预测模型（R2=0.96）。

　　本研究聚焦于生产与建设过程中产生的废料堆（即弃渣堆）的土壤侵蚀问题，旨在深入探讨平台集中径流对坡面侵蚀的影响机制，并通过实验手段量化其作用。弃渣堆作为一种典型的人工沉积地貌，通常呈现出“平台—陡坡”的结构特征，这种结构使得坡面径流能够有效地汇聚于平台区域，进而对陡坡区域的侵蚀产生显著影响。然而，长期以来，人们在研究坡面侵蚀时往往忽视了平台集中径流的关键作用，特别是在人工环境中，平台集中径流对土壤流失的贡献率被低估。因此，本研究通过一系列模拟降雨实验以及结合降雨与径流的冲刷实验，系统地分析了平台集中径流对弃渣堆侵蚀的影响，并探索了如何通过有效的参数来表征侵蚀过程。

实验设置在陕西省杨凌区的“高陡坡水力侵蚀观测站”进行，实验区域为5米×1米的坡面，坡度分别为32°和36°，并模拟了三种降雨强度（1.5、2和2.5毫米/分钟）以及三种不同的入流速率（8、10和12升/分钟）。这些参数的选择基于对实际弃渣堆环境的典型模拟，旨在反映不同条件下平台集中径流对侵蚀过程的影响。实验过程中，采用结构从运动（Structure-from-Motion, SfM）摄影测量技术对沟壑的形态进行详细记录，以获取高精度的形态数据。SfM技术是一种基于多角度图像重建三维地形的方法，能够有效捕捉沟壑的微小变化，从而为后续分析提供可靠的数据支持。

研究结果表明，入流速率是控制土壤流失的主导因素，其对侵蚀的贡献率高达66.32%，这一数值与Lou等人（2022a）的研究结果相似，进一步验证了平台集中径流在弃渣堆侵蚀中的重要性。实验还发现，在结合降雨与入流的条件下，沟壑侵蚀成为主要的侵蚀形式，形成了以树状（dendritic）和V型为主的沟壑网络。这种侵蚀模式的形成，主要归因于平台集中径流带来的强烈冲刷作用，使得水力侵蚀能力显著增强，从而加速了土壤的剥蚀与搬运过程。

在研究过程中，研究人员识别了两个关键参数，即地貌信息熵（geomorphological comentropy）和沟壑深度（rill depth），用于表征坡面侵蚀的形态尺度和几何特征。这两个参数均表现出与土壤流失量之间显著的对数关系，表明它们在描述侵蚀过程中的形态变化方面具有较高的准确性。此外，研究还发现，水动力参数中的径流剪切应力（runoff shear stress）是预测沟壑侵蚀的最有效指标，其临界阈值为1.536 N/m2。这一结果对于理解沟壑侵蚀的触发机制具有重要意义，同时也为制定有效的水土保持措施提供了理论依据。

基于上述研究发现，研究人员还构建了一个预测模型，该模型综合考虑了降雨强度、入流速率、坡度、水动力参数以及沟壑形态指标。模型的预测性能表现出色，相关系数（R2）达到0.960，均方误差（ME）为0.936，相对均方根误差（RRMSE）为0.055，显示出较高的可靠性和适用性。这一模型的建立不仅为弃渣堆土壤侵蚀的定量预测提供了新的工具，也为区域性的水土保持工作提供了科学支撑。

弃渣堆的形成通常与大规模的土方工程密切相关，如开挖、运输和堆积等，这些活动在推动社会经济发展的同时，也带来了严重的环境问题。弃渣堆的结构通常较为松散，且其组成成分复杂，这使得它们在自然降雨作用下极易发生土壤流失。特别是在陡坡区域，由于地表坡度大，雨水难以迅速下渗，导致地表径流迅速汇集，进而加剧了侵蚀过程。研究表明，平台集中径流对坡面侵蚀的影响尤为显著，其在土壤流失总量中的贡献率远高于降雨强度和坡度的影响。因此，理解平台集中径流的作用机制，对于有效控制弃渣堆的侵蚀至关重要。

在实验过程中，研究人员还观察到，不同条件下的侵蚀模式存在明显差异。在单一降雨条件下，坡面侵蚀主要表现为片状侵蚀（sheet erosion），这种侵蚀形式通常发生在地表水流较为均匀的情况下，侵蚀速度相对缓慢。而在结合降雨与入流的条件下，沟壑侵蚀成为主导形式，其侵蚀能力显著增强，导致土壤流失量大幅增加。沟壑的形成不仅改变了坡面的形态结构，还影响了水土资源的分布和流动路径。研究发现，沟壑网络呈现出树状或V型的特征，这表明其在侵蚀过程中具有高度的分形性和复杂性。

为了更准确地描述沟壑侵蚀的形态特征，研究人员采用了多种参数进行分析。其中，几何参数如沟壑长度、宽度和深度，以及衍生的形态参数如沟壑密度、分形维数、地貌信息熵等，都被认为是表征沟壑形态的重要指标。然而，目前对于哪些参数最能有效表征沟壑侵蚀及其网络发展，尚无统一结论。本研究通过实验数据的分析，发现沟壑深度和地貌信息熵在不同侵蚀条件下均表现出较高的预测能力，能够较为准确地反映侵蚀的强度和形态变化。此外，沟壑密度、分形维数等参数也对侵蚀过程具有一定的指示作用，但其在不同条件下的适用性可能受到其他因素的影响。

本研究的意义不仅在于揭示了平台集中径流在弃渣堆侵蚀中的主导作用，还在于提出了一个能够有效预测土壤流失的模型。该模型的建立，为弃渣堆的水土保持管理提供了科学依据。通过该模型，管理者可以更好地评估不同降雨强度和入流速率下的土壤流失风险，从而制定更加精准的水土保持措施。此外，研究结果还表明，平台集中径流的控制对于减少弃渣堆的侵蚀具有重要作用，因此在工程建设过程中，应充分考虑平台的结构设计，以降低其对周边环境的潜在影响。

弃渣堆的侵蚀问题不仅影响了局部生态环境，还对居民的生活条件和区域经济发展带来了挑战。土壤流失会导致土地退化，降低土壤的肥力和生产力，进而影响农业和生态系统的稳定性。同时，侵蚀过程中产生的大量泥沙可能进入水体，造成水污染和河道淤积，影响水资源的安全与可持续利用。此外，侵蚀还可能引发滑坡、泥石流等次生灾害，威胁人类居住环境和基础设施的安全。因此，研究弃渣堆的侵蚀机制，并探索有效的控制措施，对于实现区域生态安全和可持续发展具有重要意义。

在实验设计和数据分析过程中，研究人员还发现，不同因素之间的相互作用对侵蚀过程产生了重要影响。例如，降雨强度和入流速率的协同作用，能够显著提高土壤流失量。同时，坡度的高低也对侵蚀模式产生了显著影响，较高的坡度通常会导致更强烈的径流汇集和更严重的侵蚀现象。这些发现进一步表明，弃渣堆的侵蚀是一个复杂的多因素过程，其机制受到多种自然和人为因素的共同作用。因此，在制定水土保持措施时，应综合考虑这些因素，以实现更全面和有效的管理。

为了更深入地理解沟壑侵蚀的形成与发展，研究人员还分析了沟壑形态的变化趋势。实验数据显示，随着入流速率的增加，沟壑的深度和密度均呈现出显著增长的趋势，表明平台集中径流对沟壑的发育具有直接的促进作用。同时，沟壑的分形维数和地貌信息熵也随着侵蚀的加剧而增加，显示出侵蚀过程对沟壑形态的复杂影响。这些参数的变化趋势为研究沟壑侵蚀的动态过程提供了重要的线索，同时也为评估侵蚀程度和预测侵蚀发展提供了有效的工具。

本研究的另一个重要发现是，沟壑侵蚀的形成与水流的力学特性密切相关。径流剪切应力作为水动力参数中的关键指标，其临界阈值的确定对于预测沟壑侵蚀的启动和发展具有重要意义。实验表明，当径流剪切应力超过1.536 N/m2时，沟壑侵蚀开始显著增强，这一阈值为工程实践中评估侵蚀风险提供了参考依据。此外，研究人员还发现，沟壑侵蚀的强度与水流的流速、流量以及土壤的物理性质密切相关，因此在实际应用中，应结合具体条件进行综合分析。

通过本研究的实验与分析，研究人员不仅揭示了平台集中径流在弃渣堆侵蚀中的核心作用，还提出了一个能够有效预测土壤流失的模型。该模型的建立，有助于提高对弃渣堆侵蚀过程的理解，并为制定科学的水土保持策略提供支持。同时，研究结果也为进一步探索人工地貌的侵蚀机制奠定了基础，为相关领域的科学研究提供了新的视角和方法。

总体而言，本研究通过系统的实验设计和数据分析，深入探讨了平台集中径流对弃渣堆侵蚀的影响，揭示了沟壑侵蚀的形成机制及其与水动力参数之间的关系。研究结果表明，入流速率是控制土壤流失的关键因素，而沟壑深度和地貌信息熵则是有效表征侵蚀过程的重要参数。这些发现不仅具有重要的理论价值，也为实际工程中的水土保持工作提供了科学依据和技术支持。在未来的研究中，可以进一步探讨不同地质条件和气候因素对侵蚀过程的影响，以实现更加精准和全面的侵蚀预测与控制。