Page 115 - 2022年第53卷第1期

蚀的时空变化与分布 ［26-27］ 、风水交互侵蚀特征 ［28-29］ 、动力交互过程中的泥沙搬运与堆积等方面 ［30-32］ 。
但目前的研究主要关注于复合侵蚀发生过程、侵蚀类型及侵蚀产沙量等方面 ［33］ ，而在多动力交互侵
蚀的叠加效应方面却是研究的薄弱环节。复合侵蚀不是多种单一侵蚀过程的简单线性相加，而是一
个多动力侵蚀相互耦合的复杂体系，其耦合效应表现为：①通过下垫面特征的改变而产生耦合作
用；②通过形成高含沙水（风）流产生耦合作用 ［34］ 。因此，通过量化侵蚀边界和侵蚀过程的变化，研
究多动力因子耦合作用机制，实现对复合侵蚀系统叠加效应的揭示，是深入认识这一地区土壤侵蚀
产沙机理的关键。
为此，本文利用人工降雨-室内风洞-冻融过程循环试验等方法，模拟多动力复合侵蚀营力交互
作用，以单一侵蚀营力作用下的产沙过程模拟作为参照试验，研究水蚀、风蚀、冻融的复合侵蚀机
制及其关系，分析不同侵蚀营力组合对产沙过程的影响，进而明晰风蚀、冻融与水蚀过程耦合的叠
加效应，深化认识复杂侵蚀环境下砒砂岩区水土流失规律。

2 材料与方法

2.1 试验装置与材料 利用水利部黄土高原水土保持重点实验室在郑州“模型黄河试验基地”建造的
人工降雨-风洞-冻融循环实体模型开展复合侵蚀试验。该模型由封闭式制冷系统、紧凑回流式低紊
流风洞、人工模拟降雨系统、试验土槽和轨道等 5 部分组成（图 1）。其中，人工模拟降雨系统由下喷
式模拟降雨器、压力管道、计算机控制系统和蓄水池构成，每组降雨器上配备 5 个不同大小的喷头，
其喷洒雨滴的直径在 0～3 mm，可模拟 30～180 mm/h 的降雨强度，喷头距地面 22 m，使 95%以上的
雨滴终速达到天然降雨终速，并通过计算机控制系统界面可以设定降雨强度和降雨历时；紧凑回流
式低紊流风洞系根据空气动力学原理设计，有效试验段直径 4 m，全长 30 m，风洞内安装风机、导风
板和自动风速采集器，风速风向可自动交替变换，模拟风速范围为 0～30 m/s，可模拟外界自然风，
并通过自动风速采集器直接读取模拟风速；封闭式制冷系统主要由 7.5 m×3 m×4 m（长×宽×高）的冷冻
箱、制冷设备构成，箱体系采用彩钢聚氨酯硬泡夹芯保温板制成，内置两台工业空调设备，模拟温
度 0～-30℃，可模拟自然条件下土壤冻融循环过程；试验土槽为 5 m×1 m×0.6 m（长×宽×高）的标准可
调坡度土槽，坡度变化范围在 0～35°，土槽底设有直径为 5 mm 的透水孔，以保证土壤水自由入渗，
土槽底架上装有 4 个轮子，可在轨道上来回滑动，在试验土槽内埋设全自动水分-地温采集系统，配
置 5 通道水分-地温传感器，测点位置按沿土层纵向埋深 10、20、30、40、50 cm 布设，实时获取 5 个
层面土壤水分和温度变化过程。试验用土为取自于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗（北纬 39°47′39″，东经
110°36′3″）二老虎沟小流域的砒砂岩表层风化土壤，其密度为1.2～1.4 g/cm（表 1）。
3
模拟降雨装置
分区自动控制
雨强 30~180mm/h
风洞实验装置
紧凑回流式低紊流风洞
风速 0~30m/s
低温驱动装置
封闭式制冷实验室
试验土槽
气温 0~-30℃
可变坡度
尺寸 5m×1m×0.6m

图 1 室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型
2.2 试验设计 首先在试验土槽底部装填 10 cm 厚的粗砂，以模拟土壤水自然下渗环境。然后将砒

砂岩土壤采用分层装填的方式置入试验土槽中，参考取土处砒砂岩风化层平均厚度，装土厚度为 50 cm，
3
填土时以每 10 cm 为一层进行分层夯实，控制土壤容重为 1.3g /cm 左右，以消除下垫面差异的影响。

— 110 —