伊犁河流域裸露緩坡地放水試驗研究

馬萍,宋鋒惠,史彥江,王健,朱首軍?

(1.西北農林科技大學資環(huán)學院,712100,陜西楊凌;2.新疆林業(yè)科學研究院治沙所,830000,烏魯木齊)

伊犁河流域裸露緩坡地放水試驗研究

馬萍1,宋鋒惠2,史彥江2,王健1,朱首軍1?

(1.西北農林科技大學資環(huán)學院,712100,陜西楊凌;2.新疆林業(yè)科學研究院治沙所,830000,烏魯木齊)

通過野外徑流小區(qū)實地放水沖刷試驗,研究伊犁河流域裸露緩坡地在不同放水條件下土壤水分變化、徑流泥沙特征,并運用水力學理論分析坡面徑流水力學參數(shù)特征。結果表明:1)土壤入滲率隨著放水流量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢,隨著放水量的增加,土壤表層含水量增大,入滲率隨之減少,坡下部土壤水分變化量高于坡上;2)隨著放水流量的增加,輸沙率呈現(xiàn)遞增的趨勢,含沙量呈先增后減的趨勢,含沙量與放水流量存在較好的冪函數(shù)關系,隨著沖刷時間的延長,含沙量、輸沙率均呈現(xiàn)遞減的趨勢;3)隨著放水流量的增加,徑流平均流速、雷諾數(shù)、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)逐漸增大,弗勞德數(shù)逐漸減小,流速與流量、弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)均呈良好的冪函數(shù)關系,水流為層流、急流狀態(tài)。

裸露緩坡地;放水沖刷;土壤水分;徑流泥沙;水力學參數(shù)

伊犁河流域的水土資源十分豐富,是全疆最具 有開發(fā)潛力的區(qū)域,在新疆經濟發(fā)展和西部大開發(fā)中居于重要的戰(zhàn)略地位[1];但流域內由于人為不合理的灌溉方式造成嚴重的水土流失,尤其是流域內的新墾區(qū),土層厚薄不均勻,自然坡降較大,若延續(xù)采用傳統(tǒng)的灌溉方式,勢必會在水土開發(fā)中產生水土流失問題[2]。

土壤侵蝕是水流和土壤相互作用的復雜物理過程[3],徑流和土壤是水土流失的 2個基本因子[4]。據(jù)多年研究[5-6],坡面徑流是造成水土流失的主導因子,同時坡面徑流的沖刷力是土壤侵蝕的主要動力。對坡面徑流水力學特性的研究一直受到國內外學者的普遍重視,并取得了一些研究成果[7-13]。由于坡面徑流水力學特性的復雜性和試驗技術的限制,對其理論分析、野外觀測和試驗研究都存在一定困難,在沒有成熟坡面徑流理論的情況下,仍在借鑒水力學、河流動力學的原理和方法[14-18]。探索坡面徑流水力學特性有助于從動力學角度認識坡面水蝕過程及機制,也為坡面水蝕過程物理模型的建立奠定基礎,具有重要的理論和實踐意義。

對伊犁河流域水土流失的現(xiàn)狀調查顯示,除突發(fā)性暴雨型和融雪型水土流失外,伊犁河流域最普遍、最重要的水土流失來源于該區(qū)不合理的灌溉方式——大水漫灌所造成的水土流失;因此,通過野外徑流小區(qū)實地放水沖刷試驗,深入研究不同放水量、不同放水流量條件下土壤水分變化、徑流泥沙特征及坡面徑流水力學特性,從而揭示該區(qū)坡面流侵蝕動力機制,為伊犁河流域新墾區(qū)水土資源開發(fā)提供理論支撐和實踐指導。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆伊犁哈薩克自治州林業(yè)科學研究所科技示范基地,地理坐標為 E 80°31′～81°43′、N 43°17′～43°57′,海拔約 690m,屬于山前洪積 -沖積傾斜平原。氣候屬大陸性北溫帶溫和干旱氣侯,具有熱量豐富、光照充足、四季分明、夏季炎熱、冬季寒冷,晝夜溫差較大等特點。年降水量 150～250mm,年平均氣溫7.9℃,野生植被以蒿類多年生荒漠植物為主。

伊犁河流域的農業(yè)耕作土地大多為近年來大面積新開墾的土地,土壤為灰鈣土,密度為 1.29 g/cm3,有機質質量分數(shù)為 2.37%,土壤 pH值為8.02,含鹽量 1.18%。按照當?shù)剞r耕地實際情況,徑流小區(qū)布設的坡向、坡度與當?shù)剞r業(yè)耕作土地一致,坡長依實際坡面長度而定。根據(jù)坡面實際面積布設 9個試驗小區(qū),每個小區(qū)面積均 42m2(21m×2m),南北坡向,坡度 2°。小區(qū)內無雜草,為裸地小區(qū)。

試驗裝置由供水系統(tǒng)、試驗沖刷區(qū)、集流系統(tǒng)組成。坡面上方的供水系統(tǒng)由容積為 9m3的水箱、流量調節(jié)閥門和出水管等幾部分組成。試驗開始時用水泵將水抽到水箱里,水箱設有溢流孔,使水箱水位水壓恒定,從而保證流量穩(wěn)定。流量按照試驗設計流量通過閥門進行調節(jié),水箱里的水通過出水管供給坡面穩(wěn)流槽,穩(wěn)定后的水流流入試驗沖刷區(qū),小區(qū)下方設有集流桶,用來收集徑流泥沙。試驗裝置如圖 1所示。

圖 1 試驗裝置示意圖Fig.1 Experiment system mode

本試驗模擬當?shù)剞r業(yè)灌溉制度,設計 2.25、3.38、4.50m33個放水量,0.45、1.26和 1.80 L/s 3個放水流量,重復 2次,共進行 18組試驗。放水試驗前用噴壺對小區(qū)進行均勻灑水,使各小區(qū)放水前期土壤含水量(質量含水量)基本一致,均為 15%。每次試驗前都對表土進行翻耕,使地表平整,放水后將坡面沖刷出的細溝用耙子耙平,保持各次試驗地表狀況一致。

1.2 測定內容及方法

1.2.1 土壤含水量 放水試驗前后,在小區(qū)坡面上、中、下各設 3個斷面,在每個斷面上分別取 3個水分觀測點,取其平均值作為該斷面土壤含水量。用土鉆取土,取土深度為 0～20 cm,采用烘干法測定,取土后將取土坑填平。

1.2.2 坡面徑流流速 待坡面產流穩(wěn)定后,用染色法測定坡面徑流流速。將坡面從坡頂至坡底每隔 5 m用紅油漆在小區(qū)左右側圍梗處做標記,待坡面產流穩(wěn)定后,用染色法分別測定 0～5、5～10、10～15、15～20m各斷面的徑流流速,最后取平均值作為小區(qū)全坡面的流速。考慮到用染色法測定的徑流流速為坡面優(yōu)勢流流速,實測流速乘以修正系數(shù) 0.75作為坡面水流的平均流速[19]。

1.2.3 徑流泥沙 放水結束后將集流桶中收集的渾水充分攪勻,立即采取水樣 1 000m L,在室內經靜置,過濾之后,采用烘干法測定水樣中的泥沙含量,采用體積法確定泥水總量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計算方法

根據(jù)水分平衡公式可知,放水量為徑流量、入滲量與蒸發(fā)量之和,由于水分蒸發(fā)量與徑流量和入滲量相比很小,故忽略水分蒸發(fā)量。土壤入滲率 i為單位時間單位面積上土壤水分下滲量,單位為 mm/min,由上述分析可知,土壤入滲率

式中:W為放水量,m3;R為徑流量,m3;S為小區(qū)面積,m2;t為放水時間,min;1000為單位換算系數(shù)。

徑流深 h是反映水力學特征的重要因子。由于坡面水流水層極薄,且土壤下墊面條件不斷發(fā)生變化,采用實測法難以準確測定;因此,假定水流沿坡面均勻分布,用下式[20]計算。

式中:q為單寬流量,m3/(m?min);v為斷面平均流速,m/min;B為過水斷面寬度,m。

雷諾數(shù)Re是水流型態(tài)的重要判據(jù),其計算公式為

式中:νm為含沙水流的運動黏滯系數(shù),m2/s;由于本試驗區(qū)含沙水流運動黏滯系數(shù)尚無研究,若按清水進行計算勢必會產生大的誤差,故此處借鑒沙玉清[21]公式進行計算。

式中:ν0為同溫清水的運動黏滯系數(shù),ν0=1.0×10-6m2/s;Sv為體積含沙率,%;d50為土壤中值粒徑,mm,取 0.075 mm,數(shù)據(jù)來源于試驗地察布查爾縣土壤調查。

弗勞德數(shù) Fr作為判別明渠水流流態(tài)的標準,其公式為

式中 g為重力加速度,m/s2。

Darcy-Weisbach阻力系數(shù) f主要由顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力 4部分組成,最終反映坡面薄層水流受阻情況。

式中:J為水流坡降,可近似取為 sinθ,θ為小區(qū)坡度。

2 結果與分析

2.1 不同放水處理對坡面土壤水分入滲的影響

試驗設計通過坡面放水來完成徑流沖刷過程,設計流量較大,與當?shù)卮笏喾绞奖３忠恢?可引起超滲產流。試驗結果見表 1,可看出,在各放水處理下土壤入滲率在 0.372～1.847 mm/min之間變化,平均值為 0.999mm/min。放水流量為 1.80 L/s時,平均入滲率最大,為 1.591mm/min,比放水流量為 1.26 L/s的高 0.578mm/min。放水流量為 0.45 L/s時,其平均入滲率最低。入滲率隨著放水流量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢。其原因主要是:放水強度超過土壤入滲能力后產生超滲產流,土壤在蓄水未達到飽和之前,放水流量增加,入滲率隨之增加;隨著放水量的增加,土壤表層含水量增大,其入滲率隨之減少。

表 1 不同放水處理坡面土壤水分入滲特征Tab.1 Characteristics of soil infiltration under different treatments

在同一放水量及前期土壤含水量相當?shù)臈l件下,同一坡面不同坡位放水試驗前、后土壤水分變化量存在一定差異。圖 2顯示了 3種放水流量處理下各小區(qū)放水試驗前、后表層(0～20 cm)土壤土壤水分變化量,可見相同放水流量下,坡面下部土壤水分變化量高于坡上。這是因為,對于裸地,放水流量達到一定程度,坡面水分來不及向下滲透,產生超滲徑流;但相對坡面上部而言,坡面下部受水體重力作用影響,水分下滲的總量高于坡上。

圖 2 不同坡位試驗前、后土壤水分變化量Fig.2 Changes of soil water content before and after experiment on slope

2.2 不同放水處理對坡面徑流、泥沙的影響

表 2顯示了不同放水處理坡面徑流、泥沙的特征,可以看出,隨著放水流量的增加,輸沙率呈現(xiàn)遞增的趨勢,放水流量 1.26 L/s是一個轉折點。當流量小于 1.26 L/s時,輸沙率隨流量增加增長迅速;當流量大于 1.26 L/s時,輸沙率隨流量增加增長緩慢。輸沙率增長是因為當流量由 0.45 L/s增加到1.80 L/s時,徑流流速增大,因而徑流具有的動能也增大,其攜沙能力增強,沿細溝流走的徑流下蝕和側蝕作用加強,大量泥沙被攜走,所以輸沙率會呈現(xiàn)增加趨勢。

表2 不同放水處理坡面徑流和泥沙的特征Tab.2 Characteristics of runoff and sediment under different treatments

根據(jù)不同放水量條件下含沙量和放水流量數(shù)據(jù),繪出它們的散點圖(圖 3),發(fā)現(xiàn)含沙量與放水流量之間存在明顯的關系。通過回歸模擬,得出含沙量與放水流量的冪函數(shù)關系式為

式中:Ws為含沙量,g/L;Q為放水流量,L/s。

圖3 含沙量和放水流量的關系Fig.3 Relationship between the sediment concentration and the scouring water discharge

不同放水量沖刷時間不同,由表 2可以看出,隨著沖刷時間的延長,含沙量、輸沙率均呈現(xiàn)遞減的趨勢。主要是因為:在放水過程中會有細溝產生,當細溝發(fā)育穩(wěn)定時,水流會沿溝道流走。隨著沖刷時間的延長,沿穩(wěn)定細溝流走的徑流增加,徑流系數(shù)由0.354增大至 0.425。表層土壤在水的浸泡下抗沖性會降低,但隨著沖刷時間的延長,抗沖性降低至一定程度便會相對穩(wěn)定。沿細溝流走的徑流不斷增加而土壤抗沖性相對穩(wěn)定,所以含沙量、輸沙率呈降低趨勢。

2.3 不同放水處理坡面徑流水力學參數(shù)特征

在坡面侵蝕過程中,水流水力學參數(shù)及其流態(tài)變化將對侵蝕過程產生重要影響。徑流流速、徑流深、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)及阻力系數(shù)等水力要素是反映水流動力學特征的主要參數(shù)[22]。通過了解坡面徑流的水力學參數(shù)變化特征可以從一定程度上了解坡面土壤侵蝕狀況。坡面徑流水力學參數(shù)試驗與計算結果見表 3。

表 3 不同放水處理坡面流水力學特性試驗結果Tab. Hydraulic characteristics of surface runoffunder different scouring water discharge

2.3.1 徑流平均流速 根據(jù)坡面水流平均流速和放水流量數(shù)據(jù),繪出它們的關系曲線(圖 4),可以看出,徑流平均流速隨流量的增加而增大。對曲線進行擬合可知,徑流平均流速與放水流量可表示為

圖4 徑流平均流速與放水流量的關系Fig.4 Relationship between the average velocity and the scouring water discharge

這一結果表明對于本試驗而言,坡面徑流的平均流速可以用放水流量的簡單冪函數(shù)關系式來表示,這與 G.Govers[23](v=3.52Q0.294)、M.Nearing等[24](v=9.802Q0.459)的試驗結果基本一致。

2.3.2 坡面水流流態(tài) 雷諾數(shù) Re是水流運動狀況(層流和紊流)的重要判別依據(jù),反映了水流的慣性力與粘滯力之比,量綱為 1。根據(jù)明渠均勻流的基本理論,對于矩形斷面的明渠水流層流和紊流的臨界雷諾數(shù)為 500,在雷諾數(shù) 500左右則屬于過渡流。而本試驗各放水處理下的雷諾數(shù)為 102.822～436.102,流態(tài)均屬于層流的范疇。不同處理下雷諾數(shù)隨著放水流量的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢,反映出水力侵蝕能力和搬運能力的增大。

在水力學研究中除了雷諾數(shù)之外,弗勞德數(shù) Fr是表征水流流態(tài)的又一重要參數(shù),它綜合反映了流速和水深的對比關系。在徑流流量相同的條件下,弗勞德數(shù)越大,說明坡面徑流的流速越大,徑流挾沙能力越強,水深越淺,坡面的徑流侵蝕力越小。根據(jù)明渠水流的判別標準,本試驗各放水處理的弗勞德數(shù)均大于 1,均屬于急流狀態(tài),且隨著放水流量的增大而逐漸減小。

現(xiàn)將各放水流量下坡面水流的雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)的值點繪于圖 5,可知不同放水流量條件下,坡面水流的弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)之間呈較好的冪函數(shù)關系,對圖中的曲線進行擬和可得

Fr=14.654Re-0.2914R2=0.999

2.3.3 阻力系數(shù)變化特征 Darcy-Weisbach阻力系數(shù)反映了坡面流在流動過程中所受的阻力大小[25]。在流量條件相同的情況下,阻力系數(shù)越大,水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大,則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就越小,土壤侵蝕就越微弱,反之則土壤侵蝕劇烈。從表 3中可以看出,阻力系數(shù)隨著放水流量的增加而增大,其原因為:流量增加意味著徑流深增大,使相對糙率變小;然而流量的增加促使侵蝕強度增強,對細溝微地貌的塑造更加復雜化。對于本試驗而言,流量增加對微地貌變化的影響較糙率的影響程度更大,因此,阻力系數(shù)隨流量的增加而增大。

圖5 弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)的關系Fig.5 Relationship between the Froude number and the Reynolds number

3 結論與討論

1)土壤入滲率隨著放水流量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢,隨著放水量的增加,土壤表層含水量增大,入滲率隨之減少。試驗前、后不同坡位土壤水分變化量存在一定差異,坡下土壤水分變化量高于坡上。

2)隨著放水流量的增加,輸沙率呈現(xiàn)遞增的趨勢,含沙量呈先增后減的趨勢,含沙量與放水流量存在較好的冪函數(shù)關系:Ws=25.773Q1.1441,決定系數(shù)R2=0.884 7。隨著沖刷時間的延長,含沙量、輸沙率均呈現(xiàn)遞減的趨勢。

3)隨著放水流量的增加,徑流平均流速、雷諾數(shù)、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)逐漸增大,弗勞德數(shù)逐漸減小。徑流平均流速與放水流量、弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)之間均存在良好的冪函數(shù)關系,決定系數(shù) R2=0.999。坡面水流在放水流量變化范圍內為層流、急流狀態(tài)。

以上結論是在下墊面為裸地的基礎上得到的,要得到更為一般性的研究結論,尚需開展一系列不同下墊面條件下的相關試驗研究。

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Scouring erosion experiment on bare slight slope in Ili River Basin

Ma Ping1,Song Fenghui2,Shi Yanjiang2,Wang Jian1,Zhu Shoujun1

(1.Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry,712100,Yangling,Shaanxi;2.Xinjiang Forest-Science Academy,830000,Urumqi:China)

Based on the scouring erosion experiment on bare slight slope in Ili River Basin,water infiltration and the characteristics of runoff and sediment were studied,and the hydraulic parameters characteristics of surface runoff were analyzed.The results showed:1)Soil infiltration rate took on the trend of increasing as the scouring water discharge increased;however,it had a trend of decreasing with the scouringwater amount increasing.A higher variation of soilwater had on the lower slope compared to the upper slope.2)The process of sediment discharge went up as the scouring water discharge increased,and the sediment concentration had a trend from high to low.The relation between the sediment concentration and the scouring water discharge presented a power function.W ith the scouring time continuing the sediment concentration and the sedimentdischarge both went down.3)The average flow velocity,the Reynolds number and the Darcy-Weisbach resistance coefficient increased as the scouring water discharge increased,the Froude number decreased as the scouring water discharge increased.The relation between the average flow velocity and the scouringwater discharge,the Froude number and the Reynolds number both p resented power functions.The water flow p resented a laminar,supercritical flow state.

bare slight slope;water scouring;soilwater;runoff and sediment;hydraulic parameters

2009-06-14

2009-11-20

項目名稱:國家科技支撐計劃項目“伊犁河谷水土流失綜合治理關鍵技術開發(fā)與示范”(2007BAC15B07)

馬萍(1985—),女,碩士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:ping.ma.nwsuaf@gmail.com

?責任作者簡介:朱首軍(1965—),男,博士,副教授,碩士研究生導師。主要研究方向:水土保持。E-mail:zhushoujun@nwsuaf.edu.cn

(責任編輯:程 云)