排土场平台-边坡系统沟蚀形态演变与产沙特征

白 芸24，康宏亮，王文龙26，速 欢，李建明248，马春艳

排土场平台-边坡系统沟蚀形态演变与产沙特征

白 芸1,2,3,4，康宏亮5，王文龙1,2,6※，速 欢7，李建明1,2,4,8，马春艳3

（1. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3. 榆林学院陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，榆林 719000；4. 中国科学院大学，北京 100049；5. 长安大学土地工程学院，西安 710054；6. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；7. 南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210000；8. 长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

排土场是露天采矿区主要泥沙来源的人造地貌之一，控制排土场土壤侵蚀对矿区高质量发展具有重要意义。该研究采用野外放水冲刷试验，研究排土场平台-边坡系统沟蚀演变及产沙特征。结果表明：1）沟蚀演变中的主导侵蚀方式存在阶段性转变，侵蚀沟形态发育特征也呈阶段性差异，平台侵蚀沟分为沟头形成阶段，溯源-拓宽阶段和稳定阶段3个发育演变阶段；边坡侵蚀沟依次经历覆土层下切阶段，覆土层拓宽阶段，红土层下切阶段和侵蚀减缓阶段。2）边坡是平台-边坡系统主要沙源，其累积产沙量占平台-边坡系统的88.15%～90.16%；覆土层下切阶段和红土层下切阶段是边坡的主要产沙阶段，其累积产沙量分别占边坡的29.72%～53.36%和19.06%～48.88%。3）平台和边坡侵蚀速率均与径流功率的响应关系较优，在平台沟蚀的溯源-拓宽阶段和稳定阶段为线性响应；在边坡沟蚀的覆土层下切阶段和红土层下切阶段为指数响应，拓宽阶段和侵蚀减缓阶段为线性响应。模型建立中需进一步考虑此种响应规律随沟蚀发育演变产生的变化，研究结果可为排土场水土保持措施布设和科学认识沟蚀过程与特征提供参考。

土壤；冲刷试验；沟蚀；径流功率；侵蚀演变；排土场

0 引 言

露天开采是晋陕蒙能源基地一种重要的煤炭开采形式，形成了一种大型人工重塑地貌——排土场，其以“平台-边坡”为基本地貌单元，单座排土场呈一级至多级地貌单元叠置的形态。排土场平台是平台-边坡系统主要的汇水区域[1]，在平台汇水作用下，平台-边坡系统往往遭受强烈的沟蚀[2-3]，使得排土场成为露天矿区主要的泥沙策源地。有研究显示排土场平台-边坡系统土壤侵蚀是水力和重力共同作用的结果[4]，在暴雨条件下直接威胁边坡稳定和安全[5]，严重影响矿区生态安全和地区经济的绿色发展。

侵蚀沟是在集中股流侵蚀形成的线状延伸凹地，其发生发展具有明显的阶段性特征。朱显谟[6]根据沟蚀的发展阶段、演变时期和侵蚀强度将其分为细沟侵蚀、浅沟侵蚀和切沟侵蚀，其中浅沟的发育经历不连续沟头形成、不连续跌坑形成、连续跌坑、沟道连通等发育阶段[7]；浅沟发育的不同阶段产沙特征也不相同，郭军权等[8]的研究结果表明浅沟系统产沙率、含沙量和总产沙量随时间均出现先增大—波动减小—稳定趋势。坡面在经历片蚀向细沟演变阶段、细沟发育阶段、细沟向切沟演变阶段和切沟发育阶段后，发育形成切沟；坡度的增加和上方含沙水流的汇入增加侵蚀沟内径流剪切力、水流功率、单位水流功率、过水断面单位能量，加快坡面侵蚀方式演变的速度与进程[9]；沟头形成、沟头溯源、沟底下切和沟岸扩张各个子过程相继发生[10]，坡面侵蚀产沙强度变化的实质是侵蚀方式的演变。沟蚀的发育演化过程和特征研究已获得坚实的基础，为进一步认识沟蚀机制与布设沟蚀防治战略提供强有力的理论支撑。排土场平台的巨大汇水进入边坡后[11]，势必加快边坡侵蚀沟的发育演变。速欢等[12]认为排土场平台-边坡系统经历片蚀、细沟侵蚀和切沟侵蚀3个侵蚀阶段；Bai等[13]按照侵蚀沟形态特征和主导侵蚀方式进一步将平台和边坡沟蚀阶段进行划分，并建立了不同侵蚀阶段沟深和沟宽与水动力学参数间关系。但排土场平台-边坡系统侵蚀演变的不同阶段内侵蚀产沙过程及特征的变化尚不清晰，仍需进一步深入探索。

坡面侵蚀产沙与水力条件关系紧密。已有研究表明，输沙速率与径流率、雷诺数、弗汝德数、单位径流功率、过水断面单位能量等参数均存在显著相关关系[14-17]，其中针对基于WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型的径流剪切力和基于GUEST（Griffith University Erosion System Template）模型的径流功率在侵蚀产沙预测的研究较为深入。径流剪切力可以较好地预测不同尺度侵蚀沟的泥沙输移特征，在小区或坡面的细沟尺度上，输沙速率与径流剪切力间关系多为线性关系和幂函数关系，在不同研究区域间均取得较为一致的研究结果[17-19]。部分学者针对浅沟侵蚀的研究结果也发现，径流剪切力与浅沟系统的输沙量间存在最佳的相关性[20-21]。Istanbulluoglu等[22]利用基于径流剪切力的模型，验证了模型在切沟尺度上输沙率的空间变化，结果表明模型可以反映83%的输沙率空间变异性；Vanwalleghem等[23]建立了侵蚀产沙与径流剪切力间关系，野外观测数据的验证结果显示关系式在从细沟到切沟尺度的线性侵蚀面上均有较好的预测结果。径流功率在细沟和浅沟侵蚀的侵蚀输沙量预测方面也得到广泛应用[24-25]。不同尺度上针对径流剪切力和径流功率的研究结果对深度认识土壤侵蚀的水动力机制和实践侵蚀产沙预测具有重要意义。排土场平台-边坡系统作为露天矿开采中的主要泥沙来源地，其侵蚀水动力学机制尚不清晰，侵蚀产沙对水动力学参数变化的响应在沟蚀演变过程中的转变特征仍需进一步深入研究。

综上，排土场平台-边坡系统的径流条件和产沙特征对沟蚀演变存在怎样的响应，产沙水动力过程是否对侵蚀沟发育演变存在某种响应特征是关键科学问题。为此，本文以排土场平台-边坡系统为研究对象，基于野外调查数据，构建排土场平台-边坡系统径流小区，采用人工放水冲刷试验，研究平台汇水条件下平台-边坡系统沟蚀的发生发展过程，厘清平台-边坡系统侵蚀沟发育演变的过程性特征，分析侵蚀沟发育演变过程中的径流特征和产沙响应，探索侵蚀沟发育演变过程中的产沙水动力学规律，以期为能源区排土场土壤侵蚀防治提供研究支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在陕西省榆林市花园沟水土流失监测站进行，该试验站位于中国陕西省榆林市。野外放水冲刷试验前，共调查神府-东胜煤田范围内27个露天煤矿的80座排土场，调查区位于晋陕蒙三省交界区，地处毛乌素沙地与黄土高原过渡带，为干旱半干旱大陆性季风气候，年平均降水量约为348～400 mm，主要发生在7－9月，多为短历时高强度暴雨。排土场由“平台+边坡”地形单元组成，经调查边坡坡度23.5°～45.0°（平均35°），边坡坡长10.0～40.0 m（平均22.5 m），大面积平台汇水倾泻进入边坡后，平台与边坡转折处向下3～8 m的边坡段沟蚀最为严重，因此将此坡段作为边坡段研究对象。排土场土层分为表层覆土层和下伏土层，覆土层厚20～30 cm，下伏土层主要为第三纪红土（又名三趾马红土或保德红土），该下伏土层类型占被调查排土场的62.5%，其主要矿物为石英和粘土矿物，伴有少量长石、方解石和重矿物，主要植被有藜（L.）和紫花苜蓿（L.）。

1.2 试验设计与装置

试验流量设计依据张汉雄等[26]对1 710个典型强降水事件的统计分析，得到黄土高原平均降雨强度与降雨持续时间的方程为依据，以5年一遇暴雨在120、145、170 m2平台汇水面积上汇集的径流量，径流系数取0.7，经计算后数值取整，对应的放水流量分别为60、72和84 L/min。依据前期调查中排土场“平台+边坡”的地形和侵蚀特征，平台-边坡系统径流小区由平台和边坡两部分组成，边坡坡度和坡长为35°和6 m，平台坡度和坡长为2°和2 m，宽1.5 m（图1）。

图1 径流小区及试验设备示意图

径流小区用高60 cm和厚2 mm的钢板插入地下50 cm作为边界，以防止水分的侧向交换。试验中所用覆土层和第三纪红土层土样均采自西湾露天矿排土场（38°37′N，109°57′E），使用Mastersizer 3000 激光粒度分析仪（Malvern, UK, ±1%）测定的覆土层土样的砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为67.81%、17.55%和14.64%，根据国际土壤分类属于砂壤土，第三纪红土土样的砂粒、粉粒和黏粒含量分别为42.72%、33.09%和24.19%，为黏壤土。共分8层装填试验用土，每层10 cm，底部6层装填黏壤土，上部2层装填砂壤土。覆土层和红土层的平台容重控制在1.40～1.45和1.50～1.60 g/cm3，边坡容重控制在1.25～1.35和1.40～1.50 g/cm3，填土时覆土层和红土层的土壤含水量分别控制在11.00%～14.00%和16.00%～19.00%；装填过程中用工具扒松两层土间接触面以保证土层间土壤颗粒的自然接触，装填完成后自然沉降2周。试验前将表层土修整为微内凹，以保证侵蚀沟从小区中间开始发育。

试验装置由供水设备、溢流槽、集流槽、摄像系统等组成（图1）。蓄水池（长×宽×高为3 m×3 m×1 m）和潜水泵位于小区上方的平台，通过水阀和电磁流量计调节流量。溢流槽（长×宽×高为1.5 m×0.5 m×0.3 m）安装在小区平台段顶部，通过一块与小区同宽，长15 cm的防水布与小区连接。小区边坡段出口处安装集流槽，采集径流和泥沙样品。在垂直于径流小区平台和边坡正上方安装两个摄像机，记录平台和边坡侵蚀沟的实时形态变化，平台处架设荣耀V20，视频录制像素为4 K（3 840× 2 160像素，30帧/s），边坡处架设罗技C920 PRO摄像头，视频录制像素为720 P（1 280×720像素，30帧/s）。

试验前，校准电磁流量计，调节水阀将流量调节至设计流量，试验流量与设计流量的相对误差低于5%。试验开始后，采用自制接样装置在平台和边坡转折处接取平台段径流泥沙样，用于测定平台径流含沙量，同时在集流槽出口接取径流泥沙样，前5 min每1 min接一次样品，5 min后每2 min接一次。接取径流泥沙样的同时测定径流宽和径流流速，边坡上每隔2 m设置一个观测断面，共3个断面，平台上在距离溢流口1～2 m处设置一个观测断面，流速采用颜色踪法（KMnO4）测定，重复2次；流宽在各个观测断面的三等分点上定点观测，重复2次。3 min后每2 min测量一次侵蚀沟深度，平台每间隔0.25 m设置一个沟深观测断面，边坡每隔0.5m设置一个，共计19个断面，试验时长45 min。试验结束后，截取录制视频中沟深测量时刻的图片，将截图导入Digimizer 2.0，利用放置在小区内边界的彩色软尺确定1.0 m标尺，量取各沟深观测断面上对应的沟宽，将连通沟道中部的平滑曲线长度作为沟长。

1.3 数据计算与处理

平台剥蚀速率为平台段单位时间单位面积径流剥蚀土壤的质量，计算式为

式中M为平台侵蚀速率，g/(m2·s)；S为平台产沙率，g/s，如式（2）；D为平台沟长，m；W为平台侵蚀沟平均宽度，m。

式中为试验中实际平均流量（每5～10 min记录一次），L/min；m为平台和边坡转折处径流泥沙样的泥沙量，g；V为平台和边坡转折处径流泥沙样的浑水体积，mL。

边坡侵蚀速率为边坡段单位时间单位面积径流剥蚀土壤的质量，计算式为

式中M为边坡侵蚀速率，g/(m2·s)；为集流槽出口处接样时间内的泥沙量，为径流泥沙量烘干后称量数值，g；为接样时间，s；D为边坡各断面的侵蚀沟长度，m；W为边坡各断面侵蚀沟平均宽度，m。

径流剪切力，用于表征水流作用于土壤颗粒的剪切应力，计算式为式（4）～（7）[27]：

其中

式中为径流剪切力，N/m2；γ为浑水密度，kg/m3；为水力半径，m；为水力坡度，约为坡度的正弦值；为径流含沙量，kg/m3；为清水密度，kg/m3；γ为泥沙颗粒密度，kg/m3；为水流宽度，m；为水流深度，m；为接样时间内的径流体积，m3；为径流流速，m/s。

径流功率是单位面积水体势能随时间的变化率，用于表征作用于单位面积的水流所消耗的功率，N/(m·s)，计算式为[28]

2 结果与分析

2.1 平台-边坡侵蚀沟发育演变过程

图2为平台和边坡侵蚀沟发育演变的形态变化过程。0～2 min平台-边坡系统的侵蚀经历短暂的层状面蚀-不连续跌坎-连续跌坎的发育过程，在3 min时形成较为清晰的沟沿形态，满足通过垂直于小区上方的摄像资料进行后期沟宽和沟长参数的提取条件，因此侵蚀沟形态变化的过程分析从3 min开始。60、72、84 L/min流量下的3～45 min平台沟长为0.13～3.30、0.15～3.18和0.12～3.26 m，随试验历时呈现缓慢增大、快速增大和趋于稳定的变化过程；平台沟宽为0.11～0.26、0.13～0.25和0.15～0.32 m，随试验历时均呈现波动增大、快速增大和趋于稳定的变化；平台沟深为0.13～0.20、0.07～0.20和0.16～0.20 m，随试验历时在3～5 min内迅速增大到0.2 m，之后保持稳定。根据平台侵蚀沟在长、宽、深变化过程，将平台侵蚀划分为3个阶段：第一阶段（3～5 min）沟深和沟宽迅速增大，沟长缓慢增大，此阶段内平台末端（平台和边坡转折处）上层砂壤质覆土层被不断下切，形成沟头，沟头跌水高度与覆土层厚度相同，称为沟头形成阶段（图3a）；第二阶段在沟头形成后，平台沟长经历2～4 min的缓慢增长后进入快速增长时段，沟宽呈波动增大趋势，该阶段内沟长和沟宽增量占总增长值的91.84%～95.92%和68.31%～83.21%，侵蚀沟同时向长和向宽发展，沟深不再变化，称为溯源-拓宽阶段；第三阶段沟长、沟宽和沟深均不在发生变化，侵蚀沟沟头到达平台顶端与溢流槽相接处，平台侵蚀沟形态发育趋于稳定，称为稳定阶段。放水流量对平台侵蚀沟的发育演变影响较小，不同流量下各个发育阶段的持续时长无显著性差异。

注：平台系列中P1、P2、P3分别代表沟头形成阶段、溯源-拓宽阶段和稳定阶段；边坡系列图中S1、S2、S3、S4分别代表覆土层下切阶段、覆土层拓宽阶段、红土层下切阶段和侵蚀减缓阶段，下同。

图3 排土场平台和边坡侵蚀沟发育阶段图

60、72、84 L/min流量下3～45 min的边坡沟宽为0.09～0.25、0.10～0.31和0.09～0.27 m，随试验历时均呈现快速增大、阶梯式增大和趋于稳定的变化；3～45 min的边坡沟深为0.09～0.37、0.11～0.39和0.15～0.44 m，随试验历时呈快速增大、缓慢增大、二次快速增大、趋于稳定的趋势（图2）。在试验历时内，边坡沟宽和沟深的发展不同步，侵蚀沟演变的主导发展方向呈阶段性变化：不同流量下第一阶段的沟深为0.20～0.23 m，沟宽为0.14～0.15 m，侵蚀沟宽深比小于1，侵蚀沟以向深发展为主要特点，且主要发生在上层砂壤质覆土，称为覆土层下切阶段（图3b）；第二阶段侵蚀沟深度为0.22～0.25 m，沟宽为0.20～0.22 m，与覆土层下切阶段相比沟深增大9.00%～24.47%，沟宽增大38.47%～46.90%，侵蚀沟以向宽发展为主，且沟壁拓宽主要发生在覆土层，称为覆土层拓宽阶段；第三阶段沟深再次快速增大，沟宽呈小幅阶梯式增大并趋于稳定，较覆土层拓宽阶段的沟深增大47.05%～75.10%，沟宽增大10.51%～40.26%，侵蚀沟以向深发展为主，且主要发生在第三纪红土层，称为红土层下切阶段；第四阶段沟深和沟宽均缓慢增大，较红土层下切阶段沟深和沟宽分别增大2.75%～12.42%和2.60%～9.13%，沟蚀速度减缓，称为侵蚀减缓阶段。侵蚀沟演变速率受流量影响较大，随流量增大，侵蚀阶段的转变时间提前（图2），侵蚀沟在更短的时间内发育形成较大的沟深和沟宽。

2.2 平台-边坡侵蚀产沙的阶段性特征

图4为平台和边坡侵蚀速率随试验历时的变化过程。

图4 不同流量下平台和边坡侵蚀速率随试验历时的变化

在平台侵蚀沟3个不同发育阶段，各试验流量的平台侵蚀速率分别呈稳定、上升和下降的变化过程，各个发育阶段内的变异系数分别为0.07～0.12、0.17～0.51和0.29～0.48，阶段平均侵蚀速率随侵蚀沟发育演化先增大后减小（表1）。3个阶段的累积产沙贡献比为6.95%～8.21%、39.98%～74.38%和18.67%～52.15%。溯源-拓宽阶段是主要的侵蚀产沙阶段，侵蚀速率和累计产沙量贡献比均最大，分别为104.14～175.69 g/(m2·s)和39.98%～74.38%。

在边坡4个侵蚀沟发育演变阶段，边坡侵蚀速率分别呈现急剧上升后出现拐点、急剧下降、波动持平、基本持平的变化特征（图4）。不同流量下，阶段平均侵蚀速率随侵蚀沟发育演化存在下降趋势（表1），以第一阶段为基准，后3个发育阶段的平均侵蚀速率分别减小42.25%～68.32%、39.98%～74.61%和79.91%～83.46%。4个发育阶段的累积产沙量逐渐减小，累积产沙量贡献比分别为29.72%～53.36%、11.41%～21.60%、19.06%～48.88%和2.64%～20.04%（表1），覆土层下切阶段和红土层下切阶段是边坡主要的产沙阶段。边坡侵蚀速率分别是平台的0.21～67.20倍，试验结束时边坡累积产沙量占平台-边坡系统的88.15%～90.16%，是平台的7.44～9.16倍，单位坡长边坡累积产沙量是平台的2.48～3.05倍，边坡是平台-边坡系统的主要产沙来源。

表1 平台和边坡不同侵蚀沟发育阶段平均侵蚀速率和累积产沙量

2.3 平台-边坡径流的阶段性特征

表2为不同侵蚀沟发育阶段平台径流指标值。分析中将前2 min的各径流指标的平均值作为初始值，以更清晰的说明侵蚀沟发育演化中径流的阶段性变化特征。平台不同发育阶段平均径流流速随侵蚀沟发育演化呈先减小后增大的变化过程，最小值较初始值减小−0.51%～21.12%，稳定阶段的平均流速较初始值增大−15.75%～58.31%。径流剪切力和径流功率随侵蚀沟发育演化变逐渐增大，与初始值相比，3个发育阶段的径流剪切力分别增大0.11～0.31倍、1.10～1.94倍和1.86～3.21倍，径流功率分别增大−0.04～0.14倍、1.15～3.25倍和1.47～6.15倍，表明在平台沟蚀发育的后两个阶段，径流对土壤颗粒的分离和搬运能力增加。平台径流一旦进入边坡，流速、径流剪切力和水流功率均增大，不同流量下边坡径流剪切力较平台分别增大7.11～96.93倍、7.55～120.86倍和12.21～83.03倍，边坡水流功率较平台增大14.69～116.70倍、7.59～239.59倍和21.30～130.91倍，径流对土壤颗粒的剥离和输移能力急剧增大。

表2 不同侵蚀沟发育阶段平台径流指标值

注：表中P0代表平台径流指标的初始值。

Note: P0represents the initial values of runoff index on the platform.

表3为不同侵蚀沟发育阶段边坡径流指标值。不同流量下，阶段平均边坡径流流速随侵蚀沟发育演化呈下降趋势，四个发育阶段的流速分别较初始值减小7.92%～17.50%、26.66%～32.18%、31.03%～62.38%和43.68%～60.00%，四个阶段的流速下降幅度占比分别为14.28%～31.58%、15.28%～42.11%、0～60.71%和0～29.17%。整体上，径流剪切力随侵蚀沟发育演化呈波动增大的变化，径流功率呈先增大后减小的变化特点。在覆土层下切阶段，径流剪切力和径流功率较初始值的增大显著，不同流量下径流剪切力分别较初始值增大4.57倍、1.05倍和1.54倍，径流功率分别增大3.12倍、1.19倍和0.86倍，增大幅度随流量增大而减小；覆土层下切阶段之后，径流剪切力呈波动式增大，稳定阶段的值较覆土层下切阶段增大3.22%～38.38%。径流功率则逐渐减小，稳定阶段的径流功率较覆土层下切阶段减小19.07%～48.84%；说明在沟蚀发育后期径流分离土壤颗粒能力并无显著减小，但单位面积径流的能量消耗明显减小。分析显示不同阶段间径流剪切力和水流功率均值无显著性差异。随放水流量增加，径流剪切力和径流功率随之增大（<0.05），径流流速在前两发育阶段也随之增大，但在后两发育阶段无增大趋势。

表3 不同侵蚀沟发育阶段边坡径流指标值

注：表中S0代表边坡径流指标的初始值。

Note: S0represents the initial values of runoff index on the steep slope.

2.4 平台和边坡侵蚀速率与水动力参数关系

图5为平台侵蚀速率与径流剪切力和径流功率的关系分析图。平台侵蚀速率与径流剪切力和径流功率在溯源-拓宽阶段（P2）和稳定阶段（P3）存在显著线性正相关（<0.01），而在沟头形成阶段相关性差。由回归关系获得的可蚀性参数在溯源-拓宽阶段到稳定阶段呈增大趋势。溯源拓宽阶段和稳定阶段的临界径流剪切力为-1.43和1.31 N/m2，临界径流功率为-0.74和0.78 N/(m·s)。

图5 平台侵蚀速率与径流剪切力和径流功率关系

图6为边坡侵蚀速率与径流剪切力和径流功率的关系分析图。覆土层下切阶段（S1）和红土层下切阶段（S3）的侵蚀速率与径流剪切力和径流功率间指数关系显著（<0.01），覆土层拓宽阶段和侵蚀减缓阶段的侵蚀速率与径流剪切力和径流功率存在显著线性关系，且侵蚀速率与径流功率间相关性优于径流剪切力。与覆土层下切阶段相比，红土层下切阶段的指数函数前因子和指数前常数均减小，表明覆土层下切阶段的侵蚀速率对径流剪切力和径流功率的响应更敏感，单位径流剪切力和径流功率的变化导致更大幅度的侵蚀速率变化。与覆土层拓宽阶段相比，侵蚀减缓阶段的可蚀性参数减小，临界径流剪切力和临界径流功率增大，同样表明覆土层拓宽阶段的侵蚀速率对径流剪切力和径流功率的响应更敏感。

图6 边坡侵蚀速率与径流剪切力和径流功率关系

3 讨 论

3.1 排土场平台-边坡系统侵蚀沟发育的阶段性差异

平台侵蚀沟发育分为沟头形成阶段，溯源-拓宽阶段和稳定阶段3个演变阶段，边坡沟蚀演变过程依次为覆土层下切阶段，覆土层拓宽阶段，红土层下切阶段和侵蚀减缓阶段，由于平台段和边坡段地形、土壤抗蚀性等因素的差异，沟蚀发育演变特征不同步。与平台相比，边坡土壤抗蚀性较小，坡度较陡，径流在紧临地形转折点的边坡段迅速形成侵蚀凹地。一方面，侵蚀凹地向平台段发展，下切形成沟头，当下切侵蚀至红土层时土壤抗蚀性增大，限制沟头继续下切[29]，一旦形成沟头，则在沟头流的作用下溯源侵蚀[7]，并与侧向侵蚀耦合[30]，侵蚀沟进入溯源-拓宽阶段，当沟头溯源至溢流槽与平台段连接处时，侵蚀沟进入稳定阶段（图3a）。另一方面，侵蚀凹地加速了边坡径流的汇聚，加之边坡径流沿程加速，在覆土层上形成以下切侵蚀为主导的侵蚀阶段，即覆土层下切阶段；当下切侵蚀至红土层时，红土层的抗蚀性较覆土层增大，侵蚀沟深度增长较慢，延长了径流对覆土层底部的淘蚀时间，形成利于沟壁崩塌的临空面进而促进沟壁的拓宽[31]，侵蚀沟呈现以侧向侵蚀为主导侵蚀方式的发育演变特征（图3b），即为覆土层拓宽阶段；当径流完全集中于红土层床面后，在次级沟头的不断溯源侵蚀和跌水冲淘作用下[32]，表现出沟深重新迅速增大，在红土层形成以下切侵蚀为主导侵蚀方式的侵蚀阶段，为红土层下切阶段；最后，侵蚀沟形态和径流能量间通过互馈作用达到均衡，沟蚀发育速度减缓甚至达到稳定阶段。平台-边坡系统侵蚀沟是在溯源侵蚀、下切侵蚀和侧向侵蚀的共同作用下完成的，但主导侵蚀方式的阶段性转变致使侵蚀沟发育演变呈现阶段性差异，其中平台和边坡转折处的地形条件、土壤条件显著不同，转折处侵蚀凹地成为平台段和边坡段沟蚀发育的分隔点，吕刚等[4]基于平台与边坡转折处裂隙优先流的研究也表明平台-边坡系统地形的特殊性。试验开始阶段在转折处形成的侵蚀凹地逐渐发育形成跌水，跌水的冲淘和侵蚀是边坡侵蚀沟发育演变的重要特征之一，在本试验放水条件下促进了边坡沟底的下切侵蚀，最终形成坡面切沟[33]，与工程堆积体的细沟侵蚀[27,34]相比，造成的侵蚀强度更大。因此做好转折处水土保持措施十分重要，在不均匀沉降和机械施工产生的地势低凹处和具有多级平台-边坡地貌单元的排土场的道路连接处应重点防护，通过配备合理的工程措施和林草措施，以减缓和防止排土场平台-边坡系统的侵蚀沟发育。

3.2 排土场平台-边坡系统侵蚀产沙的阶段性演变

在平台和边坡侵蚀沟发育演变的不同阶段，侵蚀速率具有阶段性变化特征，边坡作为平台-边坡系统主要的泥沙来源，其侵蚀速率随侵蚀沟发育演变呈减小趋势，这与前人针对浅沟侵蚀产沙特征[8]和工程堆积体陡坡的侵蚀产沙特征的研究结果一致[34]。侵蚀速率随沟蚀发育演变的阶段性变化与土壤性质、主导侵蚀方式转变、径流条件等因素密切相关[35]。在覆土层下切阶段，侵蚀沟深度和宽度变化最为迅速，此阶段主要发生在砂壤质的表层覆土，土壤抗侵蚀能力差；同时，此阶段内径流剪切力和水流功率较初始值迅速增大，径流迅速集中成股流，对土壤颗粒的分离和输移能力加剧，导致此阶段内边坡侵蚀速率呈增大趋势（图4），该阶段的侵蚀速率均值在4个发育阶段中最大（表1）。在覆土层拓宽阶段，随着沟底床面的粗糙化，径流流速较前一阶段减小，但径流剪切力和径流功率较覆土层下切阶段无显著减小（表2），径流对土壤颗粒的分离和输移能力无显著减弱，侵蚀速率逐渐减小主要归因于主导侵蚀方式的转变和土壤抗蚀性的差异，此阶段的主导侵蚀方式是侧向侵蚀，伴有红土层的下切侵蚀，沟底股流对沟壁的侧向侵蚀作用随着下切侵蚀中径流的进一步集中逐渐弱减，此外受黏壤质红土层较大的抗蚀性和容重的影响，土壤侵蚀速率逐渐减小。红土层下切阶段的泥沙主要来源于红土层沟床的下切侵蚀，由于黏壤质土层较强的抗侵蚀能力导致下切速率减缓，同时沟底二级沟头的发育[36]，在沟底形成跌水-深潭结构（图3b），跌水坑能耗消耗增大，径流流速和径流功率大幅减小（表2），土壤侵蚀速率持续减小。侵蚀减缓阶段的侵蚀速率维持在较低水平，此时侵蚀沟发育十分缓慢，侵蚀沟形态无明显变化，但床面形态更趋复杂，径流能量持续消耗，此阶段流速和径流功率是试验过程中的最低值，径流剪切力并无显著减小，与红土层下切阶段相比，径流剥蚀能力无显著下降，但径流携带的泥沙颗粒在跌水潭中受射流冲淘和能量消散后，部分泥沙颗粒沉积在跌水潭，输移的泥沙颗粒被沉积过程抵消后，剩余泥沙颗粒方可输移出小区，因此泥沙输移量急剧减小。从平台-边坡系统沟蚀发育演变的全过程来看，其发育演变速度极快，在初始阶段即表现为高产沙、高径流能量的特点，相较于边坡，平台在大流量条件下仍表现为低侵蚀速率，但平台径流一旦进入边坡，径流剪切力和径流功率均急剧增大，边坡沟蚀的防控就较为困难，做好平台径流的分控是控制排土场平台-边坡系统沟蚀的重要方向。

3.3 排土场平台-边坡系统侵蚀产沙水动力学特征

在平台和边坡的不同侵蚀沟发育演变阶段，侵蚀速率和径流剪切力与径流功率均存在显著相关关系，其中径流功率是预测各阶段侵蚀速率的较优参数，Kang等[7,20]针对浅沟的研究结果显示最优预测参数为径流剪切力，且侵蚀速率与水动力学参数间呈线性正相关，这可能与文献中采用单场次试验的侵蚀速率与径流指标的平均值作为分析基础有关[25]，也可能与试验不同坡度有关[37]。试验所得的边坡覆土层拓宽阶段的临界径流剪切力和临界径流功率与郭明明等[21]获得的未耕作浅沟的临界剪切力（17.58 N/m2）和临界径流功率（5.03 N/(m·s)）较为接近，但大于Xu等[20]在浅沟中的获得的值，远大于细沟和层状面蚀阶段的临界值，这可能是因为创建浅沟水流通道所需的径流剪切力、径流功率和能量比细沟或层状径流的更大[20]。

边坡侵蚀速率对径流剪切力和径流功率的响应随侵蚀沟发育演变呈现阶段性差异，覆土层下切阶段和红土层下切阶段的边坡侵蚀速率与径流剪切力和径流功率间呈指数正相关，覆土层拓宽阶段和侵蚀减缓阶段的边坡侵蚀速率与径流剪切力和径流功率间呈线性正相关。侵蚀产沙对水动力学参数的响应差异在由层状面蚀向细沟侵蚀和由细沟侵蚀向浅沟侵蚀转变中也存在，有研究表明层状面蚀阶段侵蚀速率与径流动能间呈线性相关，而在细沟侵蚀阶段则存在对数相关[27]，不同侵蚀阶段侵蚀速率与水动力学参数的相关关系一致但关键参数也存在不同，细沟侵蚀阶段的临界径流剪切力和临界径流功率大于片蚀阶段[38]，浅沟侵蚀的临界径流剪切力和临界径流功率高于层状面蚀和细沟侵蚀[39]。这种响应特征差异与不同主导侵蚀方式作用下的下垫面条件变化有关。在覆土层下切阶段和红土层下切阶段，侵蚀泥沙主要来源于侵蚀沟向深发展，泥沙来源充足（边坡的2个主要产沙阶段），侵蚀速率随径流侵蚀动力增大呈指数函数增大，说明当径流剪切力和径流功率超过某一阈值后，相较于线性相关，侵蚀产沙的增幅更急剧，侧面反映出在以下切侵蚀为主导的侵蚀阶段沟蚀发育更加剧烈；红土层下切阶段的侵蚀速率与径流剪切力和径流功率的相关性较覆土层下切阶段减小，这与跌水-深潭结构对剪切应力的分配和径流动能消耗有关，跌水-深潭结构会使深潭颗粒粗化，粒径较大不移动的颗粒承担了总剪切应力的很大一部分，并减少了可用于运输较细颗粒的应力[40]。在覆土层拓宽阶段，沟壁崩塌较集中（图3b），崩积体坠落对沟底含沙水流的扰动和拥堵会形成阻力，且径流冲刷床面已抵达红土层，土壤颗粒间黏结力大[41]，致使土壤可蚀性减小，坡面泥沙供应量减小；而在侵蚀减缓阶段由于沟底跌水-深潭结构更加发育，有效剪切应力减小，径流流速和径流动能减小，径流的剥蚀和输移能力减弱，同时侵蚀沟形态（沟长、宽和深）趋于稳定，供沙能力进一步减小，因此侵蚀速率对径流剪切力和径流功率呈较平缓的线性响应，且侵蚀减缓阶段线性拟合式的斜率远小于覆土层拓宽阶段（图6）。由此可见，沟蚀输沙模型的建立需考虑侵蚀产沙与水动力学参数间响应关系随主导侵蚀方式和侵蚀演变阶段的转变，以进一步提高模型的预测能力和适用性。

4 结 论

采用野外放水冲刷试验，以排土场平台-边坡系统为研究对象，分析平台汇流条件下系统的侵蚀沟发育演变过程及过程中径流和产沙特征，揭示了侵蚀演变过程中侵蚀速率对水动力学参数间响应规律，得出以下结论：

1）平台-边坡系统沟蚀发育演变是在溯源侵蚀、下切侵蚀、侧向侵蚀三种侵蚀方式共同作用下完成的，但主导侵蚀方式存在阶段性转变，侵蚀沟形态发育特征也呈阶段性差异。平台侵蚀沟发育分为沟头形成阶段，溯源-拓宽阶段和稳定阶段等3个发育演变阶段；边坡侵蚀沟依次经历覆土层下切阶段，覆土层拓宽阶段，红土层下切阶段和侵蚀减缓阶段。

2）平台和边坡的产沙特征在不同沟蚀发育演变阶段呈现差异，溯源-拓宽阶段是平台主要的产沙阶段，占总产沙量的39.98%～74.38%；覆土层下切阶段和红土层下切阶段是边坡主要产沙阶段，其累积产沙量贡献比分别为29.72%～53.36%和19.06%～48.88%。边坡是平台-边坡系统主要沙源，其累积产沙量占平台-边坡系统的88.15%～90.16%。

3）边坡侵蚀速率对径流剪切力和径流功率的响应在不同沟蚀演变阶段间呈现差异，在覆土层下切阶段和红土层下切阶段为指数响应关系，在覆土层拓宽阶段和侵蚀减缓阶段为线性关系，模型建立中应进一步考虑此种响应规律随沟蚀发育演变产生的变化。

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Characteristics of gully topography and sediment on the platform-steep slope system of spoil dump

Bai Yun1,2,3,4, Kang Hongliang5, Wang Wenlong1,2,6※, Su Huan7, Li Jianming1,2,4,8, Ma Chunyan3

(1.712100,; 2.,,712100,; 3.,,719000,; 4.,100049,; 5.,,710054,; 6.,,712100,; 7.210000; 8.,,430010,)

The spoil dumps are the main sediment sources in the open-pit mining area. The erosion control is of great significance to the high-quality development of the energy zone. This article aims to analyze the gully development and sediment process of spoil dumps. The plot construction of platform-steep slope system and field scouring experiments were also carried out, where the flow rate was ranged from 60 to 84 L/min, and the duration was 45 mins each run. The results showed that: 1) The gully was developed by the combination of different erosion progresses, including the headcut migration, bed incision, and lateral erosion on the platform-steep slope system. Notably, there were the stage differences in the topographic characteristics of gully, due to the variation of dominant process. A three-stage development was experienced for the gully on the platform, including the headcut formation, migration-expansion, and stable stage. In the gully on the steep slope, four developmental processes were divided into the incision of sandy loam layer, expansion of sandy loam layer, incision of clay loam layer, and deceleration of erosion. No significant differences were found between the various flow rates of gully development speed on the platform. Whereas, the transformed time increased with the flow rate between adjacent gully development stages on the steep slope. 2) In terms of sediment process, the migration - expansion stage was the main erosion period on the platform. The incision of sandy and clay loam layer were the main erosion stages on the steep slope, particularly with the accumulated sediment yields accounting for 29.72%-53.36% and 19.06%-48.88%, respectively. Spatially, the runoff shear force and stream power increased by 7.11-120.86 times, and 7.59-239.59 times after the runoff flowed from the platform into the steep slope. Correspondingly, the steep slope was the main sediment source of the platform and steep slope system. The cumulative sediment yield was accounted for 88.15%-90.16% of the total amount of platform and steep slope system. Hence, the separation and control of runoff on the platform was a vital way to control the gully erosion in the platform-steep slope system of spoil dumps. 3) In terms of the flow hydraulics, the platform velocity decreased first and then increased with the gully development. Conversely, the slope velocity decreased gradually. Meanwhile, the runoff shear stress and the runoff stream power increased gradually with the gully development on the platform, but increased first, finally decreased on the steep slope. 4) Comparatively, the erosion rate presented a more sensitive response to the stream power than the runoff shear force, where the response regularity was different among the gully development stages. The erosion rate was linearly responded to the stream power in the migration-expansion stage and stable stage of platform. On the steep slope, the responses were still linear in the expansion of sandy loam layer and deceleration of erosion, but the exponential in the incision of sandy and clay loam layer. Therefore, it is necessary to consider the difference of responses in the various gully development stages, in order to improve the applicability of sediment transport model for the gully erosion. As such, the results revealed the staged development of gully and sediment process on the platform-steep slope system of spoil dumps. The finding can also offer the strong reference for the gully process, further to implement the soil and water conservation measures in the spoil dump.

soils; scouring test; gully erosion; stream power; erosion development; spoil dump

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.009

S157.1

A

1002-6819(2022)-23-0081-10

白芸，康宏亮，王文龙，等. 排土场平台-边坡系统沟蚀形态演变与产沙特征[J]. 农业工程学报，2022，38(23)：81-90.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.009 http://www.tcsae.org

Bai Yun, Kang Hongliang, Wang Wenlong, et al. Characteristics of gully topography and sediment on the platform-steep slope system of spoil dump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 81-90. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.009 http://www.tcsae.org

2022-07-25

2022-11-22

国家自然科学基金资助项目（41761062，41867015，41701316）

白芸，博士生，讲师，研究方向为矿区土壤侵蚀与水土保持。Email：baiyun21@mails.ucas.ac.cn

王文龙，博士，研究员，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn