作为维持河流生态系统健康、连接陆地生态系统和水生生态系统的重要生态交错带^[1-2]，河岸带既可以通过过滤河流悬浮沉积物与水体污染物从而减少地表物质的河道内传输，又可以滞留高地沉积物与农业面源污染物、为生物提供多样的栖息地、增强坡岸稳定性和调节高地至低地的坡面径流等，对流域生态系统服务的形成过程与维持具有重要作用^[3-5]；然而，河岸带是开放型系统，极易受人为活动的干扰，随流域人为活动加剧，河岸带多种生态功能受到不同程度的威胁，尤其是水土保持功能，受河道形态(平面与地形)、岸滩结构(基质类型与植被)、河流水动力特征(局部河流水动力与泥沙)和人为干扰(农业种植、放牧、淘沙、水利水电开发等)的交互影响^[3-5]，退化严重。因此，对河岸带坡面侵蚀过程开展研究十分必要。

有关坡面侵蚀研究，前人从侵蚀过程的发生、演变及动力学角度开展了诸多探讨，其中，对坡面侵蚀动力机制的探讨^[6-7]是近年来研究热点，但结论不一。例如：流速作为表征坡面流水动力学特性的重要参数，受地形坡度、径流量及边界条件等多种因素的控制，但精确的流速值的获取方法却众说纷纭；坡面流流态方面，有研究指出坡面流是一种由层流和紊流相互混合、共同存在的水流，亦有研究表明坡面流流态复杂，既有层流特性，又与紊流相似；除此之外，阻力、能量以及剪切应力方面，不同研究所得结论同样存在不一致的论调^[7-8]。由此推断，在更为复杂的河岸原生坡面，坡面流水动力特征将更复杂。针对土壤剥蚀率与坡面流水动力特征关系的研究，已有不少探讨。张乐涛等^[9]发现水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数，是坡面侵蚀的动力根源；杨春霞等^[10]表明土壤剥蚀率与各径流剪切力单因子呈幂函数或指数函数相关，随径流剪切力的增加呈增加趋势。鉴于坡面流的复杂性，关于坡面侵蚀的动力学机制研究尚不完善，有待进一步探讨。

华南红壤区受降水丰富但时空分布不均匀、地形以山地丘陵为主、不合理的开发利用等影响，坡地水土流失现象较为严重，是我国发生潜在水土流失危害的重点区域之一^{[6-7, 11]}；因此，河岸带作为阻滞红壤坡地泥沙进入河流的最后一道屏障，意义重大，但相关研究较为匮乏，放水冲刷下的红壤坡面侵蚀水动力机制方面的研究更为匮乏。笔者通过在北江干流河岸带设置径流小区开展原位放水冲刷试验，尝试从水动力学角度揭示北江河岸坡面侵蚀机理，对探讨华南红壤区河岸坡面侵蚀过程、水动力特征、水土保持有着重要的现实意义。

本研究野外试验于2015年5—6月在广东省韶关市仁化县周田镇进行，试验小区地处北江上游，年平均降雨量为1665mm左右，年降雨时间为172d，主要集中在雨季(4—9月)，占全年降水量的70%，旱季(10—3月)降雨较少^{[2, 6]}。其中，雨季分为2个汛期：第1个汛期，受锋面降雨影响，发生在4—6月，雨量、降雨强度和持续时间较长，往往造成洪涝灾害；第2个汛期，受热带气旋影响，发生在7—9月^{[2, 7]}。北江水资源十分丰富，是广东省重要的饮用水源，为满足流域工业、农业和市政用水以及水电开发和洪水控制需要，沿江建设有多个水利水电工程；但受河岸周边经济发展所带来的农业/农村区域和工业/城市区域的潜在污染源影响，北江沿岸水质恶化明显^[2]。研究区河岸带植被主要是马尾松次生林、桉树林和稀树草坡以及农作物。地貌以山地和丘陵为主，岩石主要为花岗岩、石灰岩、紫色砂页岩等，土壤主要以地理发生分类的黄壤和红壤为主，夹杂水稻土、紫色土和石灰土等^[7]，受复杂天气影响，上游泥石流、大暴雨等自然灾害发生频率较高，加之地形地势较陡和植被破坏的原因，使得北江区域水土流失比较严重^{[2, 6, 11]}。

笔者采用野外原位放水冲刷试验分析红壤河岸坡面侵蚀水动力学参数变化特征及其与侵蚀产沙的关系。首先，根据预设坡度，利用反三角函数法对试验下垫面进行坡度取量，共布设4个试验小区。每个试验小区长3m，宽1m，两侧用6块长1m、高0.3m、厚1mm的钢板围合，地下和地上部分各为0.15m。其次，紧靠小区顶端，为使放水经缓冲能徐徐地、均匀地、以薄层水流的形式流入小区，放置1个与小区等宽、紧贴地面、与两侧密封连接的稳流槽，通过水平仪确保稳流槽水平。然后，紧靠小区底端，放置与小区等宽、紧贴地面、与两侧密封连接的集流槽。最后，在集流槽下方，挖1个与小区等宽的圆形土坑，用以放置收集泥沙样品的集流桶。在小区1、2和3m处设置观测断面，用于观测流速、流宽和流深。

试验中坡度选择为7°、9°、11°和15°共4个级别，试验流量按北江地区暴雨发生频率在野外标准径流小区上产生的单宽流设置为9、12和15L/min共3个强度^[7]，试验供水采用附近农田机井用水泵抽取的地下水。

为了保证每次试验的初始条件基本一致，试验开始前先用撒水器在试验小区内均匀撒水，撒水量控制在土壤表面达到充分饱和又没有发生产流的程度。试验准备工作完成后，开启水泵电源开关，向试验水箱供水至满；然后打开水箱阀门率定放水量，通过微调阀门来调节放水量，至预设放水量，误差控制在≤2%，为降低水箱水压变化对放水量的影响，试验过程中始终保持水箱为满载状态；试验开始后，记录初始产流时间，观察产流的过程。当集流槽有明显的股流流出时，再用秒表记录产流时间；从产流开始计时，历时30min，前5min每隔1min取径流泥沙样，后25min每隔5min取径流泥沙样，共收集10次样品，测定径流量与径流含沙量；并测量流速、流宽、流深；试验结束后用秒表记录退流时间。

流速：采用高锰酸钾染色法进行测定，由于测得的仅是水流表层流速，所以将测得的水流表层流速乘以修正系数(层流、过渡流和紊流的流速修正系数一般为0.67、0.7和0.8^[4]，本试验中坡面流多为层流和紊流2种流态，因此在流速计算中，层流取0.67，紊流取0.8)。雷诺数、弗劳德数、阻力系数、水流剪切力、水流功率的计算见参考文献[7, 12-14]。

由图 1可见，随坡度的增大，平均流速增大，二者呈现出显著的线性关系(P < 0.05)。水流流速随坡面坡度的增加呈递增趋势，表明坡度增大导致水流的重力顺坡分力就越大，冲刷过程中消耗水流动能减小，最终导致随着坡度的增大平均流速就越大。

图 1(Figure 1)

图 1 坡度与平均流速的关系 Figure 1 Relationship between slope and mean velocity

雷诺数Re是表征水流运动型态的参数，定义为径流惯性力与黏滞力的比值。当Re≤500时明渠水流的运动型态为层流，而当Re＞500时为紊流^[15]。雷诺数的变化规律如图 2所示(由于本研究的4个坡面雷诺数变化规律基本一致，故仅选择15°坡面的雷诺数作为代表进行图示)，雷诺数随放水历时的增加总体呈增大趋势，但增幅较小。当坡度一定时，雷诺数随放水量的增大而增大，这与流量增加导致径流的侵蚀力增强、径流逐渐集中冲刷土壤有关。本研究坡面流雷诺数变化范围为108.74~886.38，涵盖坡面流的3种流态。当放水量为9L/min时，4个坡面的Re均＜500，说明放水量在9L/min时4个坡面上的坡面流流态均为层流；当放水量为12L/min时，只有7°坡的Re＜500，9°、11°、15°的Re均＞500以上，说明只有7°坡的坡面流流态是层流，其他3个坡度是紊流。当放水量为15L/min的时候，4个坡面的Re均＞500，坡面流流态均处于紊流状态。

图 2(Figure 2)

图 2 15°坡面的雷诺数随放水历时的变化过程 Figure 2 Changes of Reynolds numbers (Re) with scouring time at slope 15°

如图 3所示，坡度与雷诺数之间的相关性不显著(P>0.05)，说明坡度的变化对雷诺数的影响无明显规律，其原因可能与雷诺数同时受流速和径流深的影响有关。本研究中，随坡度的增加水流流速增大，而径流深却呈减小趋势，说明在一定坡度范围内，原生坡面上雷诺数的变化规律较为复杂。

图 3(Figure 3)

图 3 坡度与雷诺数的关系 Figure 3 Relationship between slope and Reynolds numbers (Re)

弗劳德数Fr定义为水流惯性力与重力之比。根据弗劳德数大小可以判断水流的流态，当Fr＜1时为缓流，Fr＝1为临界流，而Fr＞1时为急流^[13]。如图 4所示，弗劳德数基本上随着放水历时的增加呈先减小后趋于稳定趋势，在试验进行的前2min，弗劳德数减小比较明显，在随后的时间内波动较小。本研究坡面流弗劳德数变化范围为0.9~1.86，总体来看本研究各处理的平均弗劳德数均＞1，说明坡面流均处于急流状态。相同流量下，弗劳德数随着坡度的增大而增大；相同坡度下，5°坡面的弗劳德数表现为：12>9>15L/min，其他3个坡面的弗劳德数均表现为：15>12>9L/min。

图 4(Figure 4)

图 4 弗劳德数Fr随放水历时的变化过程 Figure 4 Changes of Froude numbers (Fr) with scouring time

图 5表明坡面流弗劳德数与坡度具有极显著的正线性相关性(P=0.000)，这与坡度增大，径流深减小、径流沿坡面方向的重力分力增大、流速增大有关^[16]。

图 5(Figure 5)

图 5 坡度与弗劳德数Fr的关系 Figure 5 Relationship between slope and Froude numbers (Fr)

如图 6所示，阻力系数随着放水历时增加总体呈增大趋势，总体变化范围为0.48~1.57。放水强度为9L/min时阻力系数的增幅大于12和15L/min的增幅，放水强度为12和15L/min的变化趋势基本呈一条直线变化。

图 6(Figure 6)

图 6 阻力系数随放水历时的变化过程 Figure 6 Changes of friction coefficient (f) with scouring time

当坡度一定时，阻力系数随着放水量的增大而减小，即9>12>15L/min。放水流量为9L/min时，径流深大于12和15L/min，径流深引起粗糙率减小的程度大于平均流速的增加引起含沙量及细沟形态变化的作用，所以导致阻力系数随着放水量的增大而减小。

如图 7所示，侵蚀产沙量随着放水历时的增加呈先减小后稳定的趋势，即在放水初期，侵蚀量呈显著的递减趋势，随后趋于相对稳定。在试验前5min内，在坡度一定、放水流量不同时，侵蚀产沙量随放水时间的持续而减小，且变化幅度相对较大，这是由于冲刷前期表层土壤疏松，含有较多的细颗粒，在径流作用下易被搬运。5min后，侵蚀量趋于平稳，这与易被冲刷的部分表土被冲走、坡面径流趋于稳定、土壤抗蚀性能增加有关。同时，当坡度一定时，侵蚀产沙量随放水强度的增加而增加，即放水强度15>12>9L/min。

图 7(Figure 7)

图 7 侵蚀产沙量随放水历时的变化过程 Figure 7 Changes of sediment yield with scouring time

回归分析表明(图 8)，侵蚀产沙量与坡度之间存在显著的正线性相关(P < 0.05)，说明随坡度增加，重力作用凸显，加之坡面侵蚀力与坡面径流量和坡面径流流速成正比而坡面流速又与坡面糙率成反比，造成坡度越大，坡面径流量增大，在抵消坡面糙率影响后，坡面径流流速仍呈明显增大之势。

图 8(Figure 8)

图 8 坡度与侵蚀产沙量的关系 Figure 8 Relationship between slope and sediment yield

如图 9所示，随着水流剪切力的增大，侵蚀产沙量增大，二者之间存在极显著线性关系(R²= 0.803，P=0.000)。水流功率与侵蚀产沙量也存在极显著线性关系(R²=0.816，P=0.000)。可见，侵蚀产沙量与水流剪切力、水流功率之间存在良好的线性关系，故采用水流剪切力和水流功率预测侵蚀产沙量是可行的。

图 9(Figure 9)

图 9 水动力参数与侵蚀产沙量的关系 Figure 9 Relationship between hydrodynamic parameters and sediment yields

坡度与平均流速呈现出极显著的正相关性。雷诺数随着放水时间的进行总体呈增大趋势，当坡度一定时，雷诺数随着放水量的增大而增大，但坡度的变化对雷诺数的影响无明显的规律性。弗劳德数基本上随放水历时越长呈现先减小然后趋于稳定的趋势，且平均弗劳德数全部＞1，说明坡面流均处于急流状态。弗劳德数与坡度具有极显著的线性关系。阻力系数随着放水时间的进行总体呈增大趋势，当坡度一定时，阻力系数随着放水量的增大而减小，随坡度的增大呈先增后减的趋势，两者之间没有显著的相关性。

侵蚀产沙量随着放水历时的持续，前5min内呈减小趋势，之后趋于平稳。侵蚀产沙量随坡度的增大而增大，二者之间存在显著的线性关系。侵蚀产沙量与水流剪切力、水流功率之间存在显著的线性关系，可以采用水流剪切力和水流功率来预测侵蚀产沙量。