陡坡砂质坡面降雨与上坡来水条件下细沟微地貌—泥沙响应的三维耦合研究

《Hydrology》：Sediment Response to Rill Micromorphology Developed Under Rainfall and Inflow Simulations on Steep Sandy Slopes

　　

细沟侵蚀（rill erosion）是陡坡扰动坡面泥沙的重要来源，但径流累积、细沟微地貌演化（rill micromorphological evolution）与泥沙响应（sediment response）之间的相互作用仍认识不足。该研究在15°和20°砂质坡面开展仅降雨与降雨-来水（rainfall–inflow）控制试验，采用直接量测和LiDAR（light detection and ranging）衍生三维地形（three-dimensional topography）研究细沟发育。仅降雨条件下，细沟约在降雨开始后3 min萌发并向坡上扩展；附加来水在约30 s内诱发快速下切，促进向坡下延伸和网络连通性。附加来水在两个坡度均显著增强细沟发育，但主导模式不同：15°坡细沟网络长度和密度增加约2.9倍，20°坡侧向扩展增强，平均细沟宽度增加67%。人工估算与LiDAR衍生细沟体积（rill volume）强相关。实测细沟体积与输出泥沙体积当量（volume-equivalent of exported sediment）之比在15°和20°分别为0.62和0.73。产沙量（sediment yield）与平均细沟流速（mean rill flow velocity）、几何估算细沟体积及LiDAR衍生细沟体积强相关，而径流量（runoff discharge）和单一细沟尺寸关系较弱。结果表明，产沙量更紧密关联于集中流水力学（concentrated-flow hydraulics）和综合细沟发育，而非仅径流规模。三维形态变化（3D morphological changes）意味着细沟体积可作为泥沙响应的关键结构指标（structural indicator），捕捉陡坡扰动坡面集中流的累积效应。

研究背景与目的：扰动坡面（disturbed hillslopes）细沟侵蚀（rill erosion，坡面集中水流冲刷形成的小沟侵蚀）是陡坡产沙的重要来源，但径流累积、细沟微地貌（rill micromorphology，细沟尺度地表形态）演化与泥沙响应（sediment response，侵蚀泥沙产出与输移响应）的耦合仍认识不足。韩国山地约占64%，砂壤土和壤质砂土分别约占全国土壤面积41%和34%，砾质、易蚀土壤在强降雨下易快速形成径流集中，因此需评估综合细沟特征以提高产沙预测和过程模型参数化。该研究旨在量化陡砂坡在仅降雨与降雨加上坡来水条件下集中流水力学、细沟形态发育和泥沙响应的耦合，区分网络扩展、垂向下切和侧向拓宽的相对贡献，并检验综合三维细沟指标是否比单一几何尺寸更能指示泥沙响应。研究表明附加来水增强细沟发育但主导模式随坡度变化，细沟体积（V_rill）与产沙强相关，可作为综合结构指标；结果适用于试验土壤、坡度和20 min试验条件。

关键技术与方法（≤250字）：采用户外中型降雨模拟系统，土槽为1.2 m×5.5 m×0.45 m，设左、中、右三个土槽，坡度0—20°可控；选取15°和20°，设仅降雨与降雨加上坡来水两种供水条件，雨强约42—138 mm/h，每次20 min，共12次独立试验。上坡来水按Rational Method（Q=CIA）估算，径流系数0.8，清水流量107—128 mL/s。试验土以砂质为主，底部铺0.10 m砾石层、上部0.30 m砂质土层。用染料示踪测流速，径流—泥沙采样称重，人工按0.1 m间隔测细沟宽深，按Strahler级序（Strahler ordering，细沟网络分级方法）分级，并用LiDAR（Trimble X7）扫描重建三维地形与体积；相关分析基于12次试验的run-level值。

研究结果：
3.1 细沟演化（Rill Evolution）：通过连续视频观测，仅降雨下约3 min在下坡端出现跌坎并向坡上溯源，约10 min孤立细沟连通；来水条件下约30 s出现下切并向坡下快速延伸，网络连通更快，汇流处下切增强、下坡出现沉积。
3.2 细沟微地形特征（Characteristic of Rill Microtopography）
3.2.1 细沟网络萌发与发育（Rill Network Initiation and Development）：按Strahler级序统计，来水处理有4—9条一级、1—5条二级、至多2条三级细沟，仅降雨为2—5条一级、1—3条二级；约15 min后级序和网络构型变化减小。LiDAR显示20°仅降雨细沟更窄深；来水时15°网络扩展占优，20°侧向拓宽更明显。
3.2.2 细沟网络空间扩展（Spatial Expansion of the Rill Network）：通过0.1 m间隔人工量测与LiDAR，来水使宽深均增加；15°平均宽由0.085增至0.098 m（16%）、深由0.075增至0.097 m（30%），总长由4.53增至13.13 m、密度由0.687增至1.990 m^?1（约2.9倍）；20°平均宽由0.066增至0.11 m（67%）、深由0.098增至0.124 m（26%），总长由5.13增至9.40 m、密度由0.778增至1.424 m^?1（约1.8倍）。结论为15°以网络扩展为主，20°以单沟侧向扩大为主。
3.2.3 与LiDAR测量的体积比较（Volumetric Comparison with LiDAR Measurements）：几何估算V_rill与LiDAR衍生V_{rill_Li}随来水显著增加，二者强线性相关；仅降雨回归斜率1.065、R²=0.935，来水斜率0.929、R²=0.942。窄深V形细沟因激光遮挡易低估LiDAR体积，宽U形细沟因几何法形状系数假设而可能低估几何体积。
3.2.4 细沟横断面形态演化（Evolution of Rill Cross-Sectional Shape）：以细沟锐度（rill sharpness，S_p，深度/宽度比）分析，20°总体高于15°，最高2.9出现在20°中位二级细沟，15°多处低于1.0；来水后两坡差异减小，20°因拓宽使S_p降低；级序与S_p无一致关系。S_p可区分下切主导与拓宽主导。
3.2.5 坡下变异与形态稳定（Downslope Variation and Morphological Stabilization）：15°初始下切距上边界约1.5—2.0 m，20°约0.7—3.3 m；活跃发育主要在中段，约4—6 m处形态变化明显；约8.0—9.5 m处出现沉积充填，降低局部起伏并限制进一步下切拓宽，反映供沙与输沙能力平衡。
3.3 地表径流与产沙量（Surface Runoff and Sediment Yield）：供水量由75.7±22.4增至164.1±33.8 mm/h（2.2倍），径流由90.5±29.6增至203.7±52.5 mL/s（约2.3倍）；径流系数为0.68±0.05和0.72±0.08。20°径流低于15°但产沙高1.38倍；仅降雨平均产沙44.18±30.54 t/ha，来水为371.3±298.4 t/ha（8.4倍），最大在20°的Plot C。平均流速由15°的0.236增至20°的0.274 m/s；仅降雨0.144±0.028 m/s，来水0.367±0.066 m/s（约2.55倍），最高0.46 m/s。产沙与流速的相关强于与径流量的相关。
3.4 泥沙对细沟微地形的响应（Sediment Response to Rill Microtopography）：细沟体积与总输沙体积呈强线性关系，直测体积回归斜率约0.70和0.72，LiDAR体积约0.65和0.72，R²>0.93；实测V_rill与输出泥沙体积当量之比为15°约0.62、20°约0.73。n=12相关分析中，供水量（P+Q_in）与径流（Q_out）、平均流速（V_mean）、总细沟长度（L_tot）、产沙量（Q_s）均约r=0.91—0.97；Q_out与Q_s r=0.82，V_mean与Q_s r=0.97；V_rill与Q_s r=0.99，V_{rill_Li} r=0.97，细沟面积比（R_rillA）r=0.94，平均宽、深分别r=0.68和0.77；V_rill与V_{rill_Li} r=0.98；S_p与坡度r=0.63（p<0.05）。结论为产沙更关联集中流流速和综合细沟体积，而非仅径流量或单一横断面尺寸。

讨论总结：讨论指出附加来水增强细沟发育，但15°以网络扩展、20°以侧向拓宽为主；与Qin et al.、Shen et al.、Zhang et al.、Shin et al.等黄土或其他陡坡试验的差异反映下切、侧蚀、网络扩展和汇流的平衡不同，砂质含砾土壤及控制上坡来水亦不同；土壤黏结、粗糙度和入渗未独立测量，相关机制仅为可能解释。流速与产沙强相关，20°产沙较高而径流较低，说明不能仅用流量解释。采用形状系数k=0.523，LiDAR估算均值0.457并与S_p呈反向关系，需进一步测试。体积比宽、深更能综合网络扩展、下切和拓宽；但体积比不等于细沟侵蚀占总损失比例，受细沟间侵蚀、内部沉积和再搬运影响。几何法与LiDAR法强相关但不等于可互换，窄深沟遮挡和宽U形沟形状假设造成形态相关误差；二者宜互补，管理应用需田间验证。局限包括无独立重复、20 min试验、上坡来水为清水无泥沙、测量与重建不确定性。

研究结论翻译：该研究考察了砾质砂质坡面在仅降雨和降雨加上坡来水条件下细沟发育与泥沙响应。仅降雨时，细沟约在3 min经跌坎发育萌发并向上坡扩展；附加来水时，下切约在30 s内开始并向坡下延伸。响应随坡度变化：15°细沟长度和密度增加约2.9倍，网络扩展主导；20°平均细沟宽度增加约67%，侧向拓宽更明显。细沟体积整合网络范围和横断面几何变化，与产沙量强相关（几何估算r=0.99；LiDAR估算r=0.97）。产沙量也与平均细沟流速强相关（r=0.97），表明泥沙响应与局地水力学和细沟网络累积发育有关。细沟体积与输出泥沙体积当量之比在15°和20°分别约0.62和0.73；这些值不代表细沟侵蚀造成的总泥沙损失比例。几何估算与LiDAR衍生体积虽强相关，但不说明可互换，其形态相关误差未量化。上述结果适用于试验土壤、坡度和20 min试验；研究缺乏独立重复，上坡来水为清水无泥沙；需重复试验和田间验证以量化测量不确定性并评估细沟体积调查在产沙评价和侵蚀管理中的应用。