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近年来，随着国家对交通基础设施建设投入的不断提高，区域交通运输条件和经济发展得到了显著提高[1].然而西南高山-亚高山地区在交通建设过程中形成了大量的工程边坡，原有山体的植被、土壤和坡体结构被破坏，边坡生态环境受到严重影响.在研究区裸露坡面土壤受到的侵蚀问题更为突出，地质灾害频发，对生态环境的恢复和沿线公路的正常运行产生了巨大的影响[2-3].西南高山-亚高山地区土壤中含有大量砾石，工程坡面坡度较大、坡体裸露、气候条件复杂，从而该地区的水土流失问题较为严重且难以恢复[4].因此，对工程边坡土壤侵蚀的影响因素进行分析，辨识工程边坡土壤侵蚀机制对工程边坡土壤重建和生态恢复具有重要的意义.
雨强和坡度是裸露工程边坡土壤侵蚀的两大关键影响因素[5-6]，降雨是影响坡面土壤侵蚀最主要的驱动力，影响降雨的因素中，尤其以降雨强度对坡面土壤侵蚀的影响最为明显[7].专家学者们对影响黄壤、紫色土、黑土等土壤坡面土壤侵蚀的相关研究表明[8-10]，坡面产流率和土壤侵蚀力随雨强的增加而增加.坡度作为主要的地貌形态因素，直接影响着径流冲刷力的大小[11-12]，同时对土壤剪切力也具有重要作用.由于各区域土壤和地质地貌的状况不同，目前对边坡坡度和土壤侵蚀状况的研究结果存在一定差异性[13-18].坡面砾石覆盖对于减轻坡面土壤侵蚀具有一定的作用，坡面产沙、侵蚀率随坡面砾石覆盖度增大而减少；曼宁糙率、Dracy-weisbach阻力系数、坡面径流剪切力和径流功率均与坡面砾石覆盖度呈线性正相关[19-21].前人关于雨强和坡度对边坡土壤的侵蚀研究极大地丰富了人们对土壤侵蚀影响因素的认知，推动了边坡创面人工土壤研究的发展.然而，目前对于降雨条件复杂、坡度较大、砾石含量较多的高山-亚高山工程边坡土壤侵蚀过程研究较少.因此研究雨强和坡度对工程边坡土壤侵蚀特征的影响，保持工程创面人工土壤稳定性，对维护西南高山亚高山地区的生态环境具有重要的意义.本研究通过室内模拟降雨实验和人工配置土壤等方法，对不同雨强和坡度下，工程边坡的产沙产流状况、土壤侵蚀方式及其特点进行分析，可为西南高山-亚高山地区工程创面土壤重建提供部分基础理论依据.
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供试验土壤为山地棕壤，采自四川省泸定县二郎山西坡G318国道工程边坡(102°14′36.00″E，29°49′08.65″N)，海拔2 145 m，是西南高山-亚高山地区工程边坡主要土壤之一.结合研究区工程坡面土壤理化性质调查分析配置土壤，每层土壤进行过筛、分选、混合等处理，分别通过0.2，0.5，1，2，4，6 cm共6种样品筛，制备＜0.2 cm土壤和[0.2，0.5)，[0.5，1)，[1，2)，[2，4)，[4，6) cm共5种粒径砾石并按照体积比2.2:3:2.3:1.7:0.8比例混合砾石，土壤与砾石比例为4:6.
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研究通过室内人工模拟降雨试验的途径予以实施，试验在中国科学院万州典型区生态环境监测重点站人工模拟降雨大厅进行，采用4m高下喷式降雨装置，降雨强度通过压力表调节，雨强可调至20~150 mm/h.试验在自主设计的可移动式聚丙烯土槽内进行，土槽长×宽×高为100 cm×40 cm×25 cm，底部打孔，下端分别安装收集地表径流和溅蚀泥沙的收集槽，坡度可以在0°~75°范围内连续调节.通过结合研究区工程边坡地形、气候条件，设置35°，40°，45°，50°，60°5种典型坡度，雨强设置为25，40，45，65，85 mm/h 5种典型雨强.实验根据二郎山工程边坡具体土壤状况，将不同粒径的实验土壤、砾石按照一定的比例混合，并用喷壶喷雾及Delta-T便携式水分测试仪HH2将土壤相对含水率控制在7.8%~8.5%范围内.为使土壤透水状况接近天然坡面，底层铺设粒径2~4 cm砾石及少量土壤.土壤采取分层填土的方式进行装填，每层5 cm，填充后压实并通过称质量法使土壤容质量控制在1.21~1.32 g/cm3范围内.土壤装填完成后调节其坡度.试验前用雨量筒对雨强进行15 min率定，以保证降雨强度的准确性与一致性.每天进行2场降雨，每场降雨1~2 h，为避免降雨对土壤理化性质的影响，每次试验结束后取出已试验土壤并重新配比土壤.
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模拟降雨开始后计时，收集溅蚀泥沙并记录初始产流时间.坡面产流后进行历时65 min的人工模拟降雨，收集地表径流且继续收集溅蚀泥沙.地表径流样品在1~10 min时间段每2 min采集一次，之后每5 min收集一次；溅蚀泥沙样品在1~20 min时间段内每2min采集一次，之后每5min收集一次，试验样品采集用秒表记录采样时间.坡面产流后每间隔5 min将集流桶中径流及泥沙全部取出并放入瓶中.试验样品静置24 h，用量筒测量地表径流，将试验样品冲入铝盒并放入105 °烘箱中烘干，称量(溅蚀泥沙用筛分法处理).通过将集流桶样品求和得到累积径流量和累积侵蚀量随产流历时的变化过程.
产流率：坡面在降雨条件下单位时间内所产生地表径流的体积，计算公式为：
$E=\frac{{{D}_{i}}}{t}$ 式中：E为产流率(mL·min-1)；t为接样时间(min)；Dt为接样时间t内的径流含量(mL).
侵蚀率：坡面径流在单位时间内带走的泥沙质量，计算公式为：
$R=\frac{{{W}_{t}}}{t}$ 式中：R为侵蚀率/(g·s-1)；t为接样时间(min)；Wt为接样时间t内的泥沙含量(g).
溅蚀率：单位时间内坡面土壤受雨滴击溅运移的泥沙质量，计算公式为：
$G=\frac{{{F}_{t}}}{t}$ 式中：G为溅蚀率/(g·s-1)；t为接样时间(min)；Ft为接样时间t内的溅蚀泥沙含量(g).
1.1. 供试土壤
1.2. 试验设计
1.3. 样品收集与分析
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由表 1可知，当坡度为50°，随着雨强的增加，同一坡面的初始产流时间减少了5.78，9.25，6.43 min；边坡产流率随雨强的增加以对数函数的形式增加.当雨强从65 mm/h增加到85 mm/h时，坡面平均产流率增速减缓.从图 1可以看出，降雨开始后，当雨强为25 mm/h时，坡面产流率随降雨历时呈现缓慢增加的趋势.当雨强为45，65，85 mm/h时，坡面产流率随产流历时而迅速增大之后趋于稳定.由于雨强增大，加强了雨滴动能，加速破坏了坡面土壤结构，随着土壤颗粒间的空隙被逐渐填满，水份下渗量大大降低，使大部分降雨形成了径流，产流率随之增加.土壤中嵌入砾石能增加土壤坡面的粗糙度，防止土壤表层结皮，增加土壤空隙，从而促进水分入渗[22-23].土壤入渗率的增加和较低前期含水量导致坡面初始产流时间较长，坡面产流率较低[24].在高雨强下，土壤持水量大幅度增加，土壤剪切力较大，在土壤中流运动和重力的双重作用下，土体结构被破坏，坡面产生较多的细沟和裂缝，土石紧密度低，导致坡面土壤入渗率增加，土壤产流率增速降低.
当雨强为40 mm/h时，随着坡度的增加，同一坡面平均产流率变化不明显.当坡度由35°增至40°时，坡面的初始产流时间提前了4.95 min；当坡度由40°增至45°时，坡面初始产流时间变化较少；当坡度由45°增至60°时，坡度初始产流时间增加了6.15~7.27 min.雨强为65 mm/h时，随着坡度的增加坡面产流率随之降低，初始产流时间提前了0.87~2.88 min.从图 1可知，在雨强为40 mm/h时，坡度对工程坡面产流率变化影响较小，坡面产流率较低且随着降雨历时而呈现缓慢增长的趋势.裸坡坡面径流量随坡度的变化并不明显[25].当雨强为65 mm/h时，坡面产流率呈现出迅速增长后缓慢增加的趋势，随着坡度的增加产流率越低且越早达到稳定值.这是由于在相同的降雨强度下，随着坡度的增加，坡体的实际承雨面积减少；坡面的地表径流动能增加，坡面产流过程受两者因素共同影响.西南高山-亚高山工程边坡土壤长年受流水侵蚀，土壤结构较为松散，粘聚力较差，同时高坡度导致土壤剪切力较大使地表产生裂缝，土壤容质量降低，土壤层具有较高的渗透性，水分大量入渗难以形成地表径流.由于坡面土壤存在砾石，土体内土石界面使得土壤下渗性较强，在不同的雨强下，坡度对边坡产流率的影响存在差异性.
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从表 1可以看出，当坡度为50 °时，随着雨强的增加，同一坡面侵蚀率明显增多，平均侵蚀率分别增加了0.018~0.028 g/s，工程边坡侵蚀率随雨强的增大而增大.当雨强由45mm/h增至65 mm/h时，侵蚀率增量较大；当雨强由65 mm/h增至85 mm/h时，侵蚀率增量较小.如图 2所示，当雨强为25 mm/h时，坡面产沙过程较为均匀.当雨强为45 mm/h时，坡面侵蚀率迅速增长后保持稳定.当雨强为65，85 mm/h时，坡面侵蚀率先急速至峰值后下降，85 mm/h雨强时侵蚀率下降点早于65 mm/h时.坡面径流产生后不仅会破坏土体结构，还会使表层土壤逐渐剥离导致砾石出露，不同粒径的砾石具有一定的抗侵蚀作用[26].随着降雨的进行，坡面土壤逐渐被剥离，坡面砾石出露，雨强越大剥蚀速度越快，坡面砾石的覆盖量就越大，随之抗侵蚀性也就越大.砾石的存在对于径流变化具有重要影响，流过砾石的径流具有更大的水力粗糙度，同时被分成较多细流，径流冲刷搬运能力进一步降低.
当雨强为40 mm/h时，工程坡面整体侵蚀率较低，且随坡度变化较小0.015 g/s.坡面侵蚀率缓慢增加后趋于稳定.如表 1所示，当雨强为65 mm/h时，同一坡面的侵蚀率随着坡度的增加减少了0.003~0.05 g/s.随着降雨的进行，同一坡面土壤产流量迅速增加趋于稳定随之降低，随着坡度的增加，坡面趋于达到稳定值和开始下降的时间就越靠前.这是由于雨强的增加使土壤侵蚀增加，坡度的增加使坡面径流剪切力增加.降雨初期，土壤的侵蚀率随着地表产流状况的变化而变化；随着坡面砾石抗侵蚀作用的增强，侵蚀泥沙量越来越少，坡面侵蚀率也就越来越低.高坡度边坡试验过程中由于水分的入渗土壤剪切力加大，使得有重力侵蚀发生，土壤侵蚀率波动变化.随着坡体水分逐渐饱和，水分下渗量趋于稳定，坡面侵蚀率也随着稳定.
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溅蚀是水蚀的初始阶段，是雨滴对地表击打直接作用的结果，是一个动能减少，地表土壤颗粒发生位移的过程[27].溅蚀主要发生在坡面产生径流之前和刚产生径流时，是水蚀的主要形式之一[28].由于地表枯落物和植被覆盖对溅蚀具有很好的抑制作用，所以溅蚀主要发生在裸露的边坡中，坡度和降雨是土壤溅蚀的主要原因[29-30].
由图 3可知，在50°边坡上，同一坡面溅蚀泥沙率随降雨历时呈现出先迅速增加至峰值后缓慢下降的趋势，泥沙溅蚀率随着雨强的增加达到峰值时间就越靠前，且坡面击溅侵蚀率在产流前和产流时都有明显的增加，其中大于1 mm粒径砾石溅蚀量增速较快，而＜1 mm的沙粒、粉粒、黏粒的溅蚀量增速较小.雨强为25，45 mm/h时，产流前后溅蚀速率变化较小；当雨强为65，85 mm/h时，产流前溅蚀速率明显低于产流时.溅蚀泥沙中粒径>2 mm的砾石占比达到28%~38%，粒径(1，2] mm的砾石为26%~32%，粒径(0.25，1] mm的沙粒为20%~22%，粒径≤0.25 mm的粉粒、黏粒为11%~21%.同一坡面溅蚀土壤粒径占比也随雨强和降雨历时而变化，粒径＞1 mm砾石占比随雨强增大而增加，粒径小于1 mm的沙粒、粉粒、黏粒占比随雨强增大而减少，且坡面产流时粒径＞1 mm溅蚀泥沙占比明显大于产流前.产生以上结果的原因是多方面的，随着雨强的增加，雨滴的动能也增强，导致坡面溅蚀量随之增强，但径流坡面水深的增加会减低作用在坡面土壤的雨滴动能[30]，雨强在25，45 mm/h时，土壤渗透性较好，径流较少，溅蚀泥沙受径流影响较小；雨强为65，85 mm/h时，坡面产流量较大，溅蚀泥沙量受地表径流影响较大.其次，由于随着降雨的进行，坡面砾石覆盖面积增多，随着坡面抗侵蚀力的增加，坡面溅蚀量减少[31].
当雨强为40 mm/h时，同一坡面坡度变化对于击溅泥沙的影响也是显著的，根据图 3可以看出，随着坡度的增加，在两者的共同作用下平均溅蚀率呈现出抛物线的趋势，在＜40°时，随着坡度增加而增加，40°~45°时，平均溅蚀率变化较少，当坡度＞45°时，平均溅蚀率随坡度的增加而降低.随着坡度的增加，不同粒径土壤占比越来越接近，其中溅蚀泥沙中>1 mm的砾石占比随着坡度的增大而增大，(0.25，1] mm沙粒和 < 0.25 mm粉粒及黏粒占比随着坡度增加而减少.产流前溅蚀率整体少于产流时.不同粒径的泥沙和土壤受到雨滴冲击的击溅高度和受重力的运动轨迹具有明显的区别，随着坡度的增加，溅蚀泥沙运移距离增加.低坡度下，粒径＞1 mm砾石由于重力作用运移较少，随着坡度增加，被雨滴溅起泥沙运移能力增加，导致溅蚀粒径泥沙占比趋同.
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通过对坡面初始产流时间、侵蚀率、产流率、溅蚀率、总侵蚀量、总溅蚀量、总径流量、总产沙量进行相关性分析，可以对坡度和雨强对坡面侵蚀过程的综合影响有清晰的认识.由表 2可知，降雨强度与侵蚀率、总侵蚀量、总产沙量正相关关系均极有统计学意义，与初始产流时间的负相关关系极有统计学意义，与产流率、溅蚀率、总径流量和总溅蚀量的正相关关系有统计学意义.在40 mm/h雨强下，坡度与产流率与总径流量的负相关关系有统计学意义，与其他坡面侵蚀过程相关关系无统计学意义；在60 mm/h雨强下，坡度与初始产流时间负相关关系极有统计学意义，与侵蚀率、产流率、总侵蚀量、总径流量的负相关关系均极有统计学意义.降雨强度对工程坡面侵蚀过程和径流过程影响较大，不同雨强下坡度对坡面侵蚀过程和径流过程影响差异性有统计学意义，40 mm/h雨强下坡度对侵蚀过程影响较小；60 mm/h雨强下坡度对侵蚀过程和径流过程均具有显著影响.
由表 3可知，随着雨强和坡度的变化，累积侵蚀量和累计径流量呈幂函数关系，由于坡面砾石的抗侵蚀作用和坡面产生裂缝和变形，当坡度一定时，工程坡面累积侵蚀量和累计径流量拟合的幂函数值由大到小为65，45，25，85 mm/h.当雨强一定时，工程坡面累积侵蚀量和累计径流量拟合的幂函数由大到小为35°，45°，50°，40°.
2.1. 雨强和坡度对工程边坡产流过程的影响
2.2. 雨强和坡度对工程边坡产沙过程的影响
2.3. 雨强和坡度对边坡土壤溅蚀的影响
2.4. 坡面侵蚀过程相关性分析
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(1) 工程坡面产流率整体偏低，随着雨强的增加，工程边坡初始产流时间显著减少，坡面产流过程呈现出迅速增长后趋于稳定的趋势.在不同的雨强下，坡度对径流过程影响具有差异性，当雨强为40 mm/h时，坡面产流率变化不明显；雨强为65 mm/h时，坡面径流强度过程随坡度增加而降低.
(2) 雨强相对较低时，工程坡面土壤侵蚀率呈现缓慢波动上升的趋势；雨强相对较大时，工程坡面土壤侵蚀率变化过程历经快速上升，趋于平稳，波动下降3个趋势.坡面侵蚀率随雨强的增加而增加，随坡度的增加而减少，不同雨强下坡度对侵蚀率的变化与产流率相似.
(3) 工程坡面土壤溅蚀整体呈现出迅速增长后缓慢下降的趋势，且产流后仍有溅蚀发生但溅蚀率明显低于产流前.随着雨强的增加，同一坡面溅蚀率随着增加，其中以＞1 mm粒径的砾石含量增加为主.随着坡度的增加，不同粒径的溅蚀泥沙占比趋同但溅蚀泥沙具有临界值效应(40°~45°).
(4) 降雨强度与土壤径流过程和侵蚀过程相关性强于坡度，不同雨强下坡度与径流过程和侵蚀过程的相关性具有明显差异性.随着雨强和坡度的变化，累积侵蚀量和累计径流量呈幂函数关系.
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