Page 116 - 2022年第53卷第1期

表 1 供试土壤的主要物理特性

物理特征参数 粒径/mm 砒砂岩质地土壤
0.005～0.01 2.96
土壤组成/% 0.01～0.05 15.03
＞0.05 78.58
质地 砂岩、砂页岩和泥岩组成的互层
有机质含量/% 0.106

为实时监测土壤的温度、水分变化过程，填土过程中每填一层，就埋设一枚温湿度仪探头，沿土体
剖面共埋设 5 枚探头。装填完成后，将土槽坡度调至 35°，用于模拟自然状态下砒砂岩区陡坡，用
30 mm/h 的雨强对坡面进行前期降雨，控制土壤含水率在 35％～40％，并静置 24 h 使土槽内土体自然
沉降。
在室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型上，将装填好的试验土槽沿轨道在模型的各区间来回
移动，通过多种试验装置的联合运用，实现对水蚀、风蚀、冻融侵蚀不同复合模式的模拟试验。根
据砒砂岩区的侵蚀动力交互模式，设定以水蚀过程为主的 3 种侵蚀组合工况：水蚀、冻融+水蚀、风
蚀+冻融+水蚀。根据砒砂岩区野外气象观测资料，该地区降水集中出现在 7—8 月，且侵蚀性降雨强
度在 90 mm/h 以上。每年的春季 3—5 月是平均风速较大的时期，其峰值出现在 4 月，平均风速 2.4 m/s，
最大风速可达 15～16 m/s。土体春季解冻期的冻融循环次数约为 6～10 次，完成一次冻融循环的持续
［2］
时间基本维持在 24 h 左右 。据此设置降雨、温度、风速等控制参数见表 2。

表 2 主要试验设计参数
试验组次 设定条件及试验方法 场次
降雨强度设置为 110mm/h，坡面产流开始后记录产流时间，每隔 2min 用径流桶收集径
1 水蚀 1 场重复
流和产沙，每场降雨持续 60min，试验完成后用烘干法 （105℃） 得到侵蚀泥沙样。
先做冻融再降雨。冻融阶段在低温驱动装置内进行，每 2min 通过土壤温湿度仪读取土
壤温度、水分 1 次，监测土壤表层温度至-10℃时关闭冻融装置，然后在常温环境内升
2 冻融+水蚀 1 场重复
温至 10℃，以此为 1 个冻融循环，并冻融循环 6 次，冻融完成后按照第 1 组水蚀试验条
件进行人工模拟降雨。

试验依次分为冻融、风蚀与水蚀 3个阶段。冻融过程与第 2组设置一致，冻融完成后，
风蚀阶段在风力驱动装置内进行，为充分模拟野外风场与风速条件，设将风速设置为
3 冻融+风蚀+水蚀 1 场重复
6m/h，进行 3 场风蚀试验，每次时长约 8h。冻融、风蚀过程完成后按照第 1 组水蚀试
验条件进行人工模拟降雨。

同时，为便于与野外自然冻融、风力侵蚀的情况对比，在准格尔旗砒砂岩区二老虎沟小流域沟
道内选取了 6 块天然砒砂岩块体进行野外自然状态下的观测，将其置于砒砂岩坡顶上，并采取全裸
露、遮雨棚遮雨、全遮挡遮雨挡风等措施，定期观测在冻融、风力作用下砒砂岩块体的重量、形态
变化。
2.3 分析方法 通过对不同动力交互过程的关联组合对比分析，分离复合侵蚀中水力、风力、冻融
的耦合叠加效应。
设 D 、D 、D 分别为风力、水力和冻融侵蚀因子变量集，则复合侵蚀 f（D）可以表示为
1 2 3
f ( ) = f (D ，D ，D ) （1）
D
1 2 3
因为复合侵蚀具有在时间上交替的特征，那么在某一时段内，必然存在 2 个或 3 个侵蚀动力因子
的交集，在此时段内除了主导侵蚀动力作用外，还有其他动力的联合作用。因此在某一时段内侵蚀
动力因子存在有以下几种交集关系：

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