降雨强度和砾石含量对弃渣堆土壤侵蚀水力特性及参数的影响：模拟降雨实验研究

为探究弃渣堆边坡径流水力特性与侵蚀动力机制，研究人员开展不同降雨强度（30-120 mm?h-1）和砾石含量（0%-40%）的模拟降雨实验。发现水力参数受多因素影响，砾石含量影响显著，径流呈急流层流，Re 是表征土壤侵蚀的最佳指标。成果为侵蚀防治提供理论依据。

　　

在自然环境中，弃渣堆作为人类活动产生的特殊地貌，因结构松散、缺乏植被覆盖，成为土壤退化的严重形式，也是诱发滑坡、泥石流等地质灾害的重要隐患。目前，针对弃渣堆边坡在降雨作用下的侵蚀机制尚不明确，尤其是径流的水力特性如何随环境因素变化，以及这些变化如何驱动土壤流失，缺乏系统性研究。开展相关研究，对于揭示弃渣堆侵蚀规律、制定科学的防治措施具有重要的现实意义。

中国科学院水利部水土保持研究所的研究人员围绕这一科学问题，开展了 “降雨强度和砾石含量对弃渣堆土壤侵蚀水力特性及参数的影响” 研究。通过模拟不同降雨强度（30、60、90、120 mm?h^-1）和砾石含量（0%、10%、20%、30%、40%）条件下的降雨过程，分析了弃渣堆边坡的水力参数（雷诺数 Re、弗劳德数 Fr、达西 - 魏斯巴赫阻力系数 f、曼宁粗糙度系数 n）变化规律，及其与径流率、土壤流失率的关系。研究成果发表在《International Soil and Water Conservation Research》，为弃渣堆侵蚀防治提供了关键理论支撑。

研究主要采用模拟降雨实验系统，该系统可精确控制降雨强度和雨滴能量，模拟自然降雨条件。实验装置基于弃渣堆 “平台 - 陡坡” 典型结构设计，通过测定不同时段的径流样本和泥沙含量，计算径流率、土壤流失率及各项水力参数。数据处理采用方差分析（ANOVA）、线性回归、非线性回归、皮尔逊相关分析和结构方程模型（SEM）等统计方法，探究各因素对水力参数的影响及作用路径。

3.1 水力参数特征

• 雷诺数（Re）：表征径流湍流强度，随降雨强度、砾石含量和冲刷时间增加而增大，与三者呈线性正相关（R²=0.817），砾石含量影响最显著。径流过程中因细沟侧壁坍塌出现多次波动。
• 弗劳德数（Fr）：反映径流流态，所有条件下 Fr>1，表明为急流状态。其与降雨强度呈负指数关系，与砾石含量呈二次函数关系，高砾石含量下径流速度受抑制。
• 阻力系数（f）和粗糙度系数（n）：两者 temporal 演变趋势一致，与降雨强度呈正指数关系，与砾石含量呈二次函数关系。n 与 f 呈对数正相关（R²=0.980），表面粗糙度随细沟发育先增后减。

3.2 降雨强度和砾石含量的影响

方差分析表明，砾石含量对水力参数的贡献度最高（45.80%-72.29%），其次为降雨强度，两者交互作用影响较小。水力参数与降雨强度呈指数关系，Re、f、n 随强度增大而显著增加，Fr 则减小。与砾石含量呈二次函数关系，当砾石含量在 20%-30% 时，水力特性变化出现临界阈值。

3.3 水力参数间的关系

Re 与 Fr 呈负对数关系（R²=0.472），f、n 与 Re 呈指数正相关，与 Fr 呈幂函数负相关。Fr 与 f、n 的幂函数关系拟合度极高（R²=0.999 和 0.979），表明流态与阻力特性密切关联。

3.4 对土壤流失率和径流率的影响

Re 是预测土壤流失率的最佳指标（R²=0.817），与径流率呈线性正相关（R²=1.0）。Fr、f、n 与径流率呈幂函数关系，高砾石含量通过增加径流阻力降低侵蚀强度。结构方程模型显示，水力参数主要通过影响径流率间接作用于土壤侵蚀，路径为 “降雨→水力参数→径流→土壤侵蚀”。

研究明确了弃渣堆边坡水力特性的主要影响因素及作用机制，发现砾石含量是调控侵蚀过程的关键因子，20%-30% 为其影响临界阈值。雷诺数作为核心水力参数，可有效表征土壤侵蚀动态，为建立弃渣堆侵蚀预测模型提供了科学依据。研究结果对于指导工程建设中的弃渣堆生态修复、优化边坡防护措施具有重要意义，有助于降低地质灾害风险，推动水土保持领域的科学管理和技术创新。