非恒定流細(xì)溝斷面形態(tài)影響因素研究

任 涓，張寬地,2，楊明義

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊陵 712100)

0 引 言

黃土高原地區(qū)地表支離破碎、地貌形態(tài)千溝萬壑，細(xì)溝侵蝕是黃土高原坡耕土壤侵蝕的主要方式之一，細(xì)溝侵蝕量占總侵蝕量的45.3%，占坡面侵蝕量的70%[1]。細(xì)溝發(fā)育過程復(fù)雜[2,3]，形態(tài)變化復(fù)雜多變[4,5]。細(xì)溝形態(tài)特征研究是認(rèn)識細(xì)溝侵蝕機(jī)理的前提[6,7]。而目前關(guān)于細(xì)溝形態(tài)的研究主要集中在恒定水流條件下其與侵蝕因子的響應(yīng)關(guān)系上。和繼軍等[8]在恒定降雨強(qiáng)度和坡度的組合試驗中選用寬深比等指標(biāo)表征楊凌塿土和安塞黃綿土的細(xì)溝侵蝕特征。不僅如此，在坡面侵蝕溝形成演化過程中，跌坑的形成是至關(guān)重要的一環(huán)，是細(xì)溝縱斷面形態(tài)的一個宏觀表現(xiàn)。已有的認(rèn)識關(guān)于跌坑的形成機(jī)理大致分為2種：一是外在條件的差異性造成的，如土壤微地形差異及土壤空間抗侵蝕的差異等；二是水流動力機(jī)制形成，如水流波動等因素[9-12]。為了提供理論支撐，董旭等[13]采用下切型階梯-深潭耗能理論探討細(xì)溝水流跌坑的形態(tài)發(fā)育規(guī)律。由此可見，關(guān)于細(xì)溝形態(tài)的研究目前已取得較多成果，且研究多集中在恒定流量或恒定降雨強(qiáng)度條件下探究的，對于非恒定流量沖刷條件下的細(xì)溝橫縱斷面形態(tài)研究較為缺乏。

黃土高原地區(qū)的降雨特點主要以歷時短的侵蝕性暴雨為主，加上該地區(qū)河流眾多，天然河流中的水流條件是非恒定的，徑流作為細(xì)溝侵蝕的源動力，又是細(xì)溝形態(tài)的“塑造者”[14,15]。因此，為了能夠更加準(zhǔn)確地模擬該地區(qū)徑流的時空分布特征，本文擬采用室內(nèi)放水沖刷試驗，根據(jù)野外實際降雨情況、匯流面積及雨強(qiáng)特征，設(shè)計凹陷型、峰值型、均勻型、增加型4種流量組合類型，研究變流量組合沖刷條件下細(xì)溝形態(tài)演變過程，并應(yīng)用相應(yīng)形態(tài)特征指標(biāo)描述坡面細(xì)溝形態(tài)，為構(gòu)建坡面侵蝕預(yù)報模型，深化細(xì)溝侵蝕過程的機(jī)理研究，以及黃土地區(qū)坡耕地土壤侵蝕防治提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

本試驗所用黃綿土取自中國科學(xué)院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗站(109°19′23″E，36°51′30″N)。土壤顆粒組成：沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(>0.05 mm)占22.34%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.005～0.05 mm)占61.35%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(<0.005 mm)占16.31%，質(zhì)地為粉質(zhì)壤土。

1.2 試驗設(shè)計

(1)裝土前在試驗土槽底部裝填20 cm厚的細(xì)沙，細(xì)沙上層鋪設(shè)土工布2層。土槽底部采用梅花形布置打孔，用于模擬天然土壤透水狀況。填土采用分層裝填的方法，每層10 cm，共30 cm，根據(jù)實際野外土壤狀況，土壤平均干密度控制在1.09 g/cm3。

(2)試驗小區(qū)設(shè)計為可調(diào)坡度鋼制土槽，結(jié)構(gòu)尺度長×寬×深=6.0 m×0.4 m×0.5 m，試驗段有效長度為5.8 m。

(3)根據(jù)天然耕地坡度選取4°、6°、8°、10°、12° 5個坡度進(jìn)行研究；根據(jù)野外實際降雨及徑流情況，設(shè)計凹陷型、峰值型、均勻型、增加型4種降雨強(qiáng)度變化趨勢(見圖1)，分別對應(yīng)4種徑流沖刷流量變化趨勢；流量變化分3級，相應(yīng)的徑流沖刷流量為2.5、5.0、7.5 L/min，每級流量放水沖刷20 min，定為一個階段，共3個階段(第1階段、第2階段、第3階段)總計60 min；各組次試驗條件下，細(xì)溝水流中的泥沙含量基本穩(wěn)定時，即認(rèn)為細(xì)溝發(fā)育較為成熟。例如，凹陷性流量組合類型為第1階段放水流量為5.0 L/min，第2階段放水流量為2.5 L/min，第3階段放水流量為7. 5 L/min。土壤前期含水量為8.32%～12.54%，試驗重復(fù)1次。

圖1 試驗設(shè)計Fig.1 Experimental design

(4)考慮到細(xì)溝流發(fā)育迅速，流道左右擺動，過水?dāng)嗝鏄O不規(guī)則，因此為促使細(xì)溝有規(guī)律地發(fā)育，可在試驗進(jìn)行前在土槽中部構(gòu)造一個縱剖面為等腰梯形的細(xì)溝雛形，底寬為8 cm，頂寬為10 cm，深度為2 cm(見圖2)，引導(dǎo)細(xì)溝發(fā)育。

圖2 細(xì)溝雛形Fig.2 Rill shape

(5)開始進(jìn)行不同流量變化趨勢和坡度組合沖刷試驗，共20場，每場試驗每隔10 min停止放水，沿試驗小區(qū)土槽下部設(shè)置觀測斷面5個，分別為0+0.5 m、0+1.5 m、0+2.5 m、0+3.5 m、0+4.5 m。通過測針架測量細(xì)溝橫斷面變化(見圖3)，坡面侵蝕劇烈的部位進(jìn)行加測。并測量跌坑長度(土槽邊沿鋪設(shè)精度為mm的米尺)以及跌坑深度(量測跌坑最大深度和上游結(jié)皮段高度之差)。

圖3 測針架測量橫斷面Fig. 3 Cross section of a stylus holder

2 分析與討論

2.1 各流量組合類型下細(xì)溝橫斷面形態(tài)指標(biāo)變化規(guī)律

細(xì)溝寬深比和斷面形態(tài)指數(shù)是表征細(xì)溝形態(tài)特征的關(guān)鍵參數(shù)，其變化特征反映了水流強(qiáng)度對細(xì)溝底部和邊壁土壤沖刷的塑造能力。沈海鷗等[16]通過研究降雨與坡度的組合試驗，得到細(xì)溝寬深比為1.93～2.35，且隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增大而減小。張科利等[17]用斷面面積與等寬等深的矩形面積之比η來表征細(xì)溝斷面形態(tài)。η值越接近1，細(xì)溝斷面形狀越接近矩形；η值越接近0.5，橫斷面形狀越近似于等寬同高的“V 形三角形”；η值越接近0，橫斷面形態(tài)越接近“深V形”。為分析細(xì)溝橫斷面形態(tài)變化規(guī)律，本試驗列出各流量類型下細(xì)溝寬深比與細(xì)溝斷面形態(tài)指數(shù)隨坡度的變化關(guān)系，具體見表1。

細(xì)溝寬深比能夠反映細(xì)溝溝槽形狀的變化，寬深比值越大，細(xì)溝橫斷面形態(tài)越接近“寬淺型”，寬深比值越小，細(xì)溝橫斷面形態(tài)越接近“窄深型”[18]。由表1可知，各流量組合類型下細(xì)溝寬深比為1.97～5.32，且同一流量組合類型情況下，隨坡度的增加呈減小的趨勢；同一坡度下，流量類型對其無明顯影響。這表明隨著坡度增加細(xì)溝橫斷面形狀由“寬淺式”向“窄深式”調(diào)整轉(zhuǎn)變，究其原因主要為坡度越大，單位水流勢能越大，水流流速越大，單位水流攜帶泥沙顆粒能力越強(qiáng)，水流勢必會逐步下切侵蝕土壤，宏觀上表現(xiàn)為細(xì)溝斷面由“寬淺型”向“窄深型”變化。以峰值型流量類型為例，細(xì)溝寬深比隨著坡度的增加，其值由5.32逐步減少為2.31，由此可見，細(xì)溝斷面形態(tài)逐步向“窄深型”變化。

表1 各流量組合類型下的細(xì)溝橫斷面寬深比與斷面形態(tài)指數(shù)Tab.1 Cross-sectional width-depth ratio and cross-sectional morphology coefficient under each flow combination type

本試驗條件下，細(xì)溝斷面形態(tài)指數(shù)η為0.29～0.54，根據(jù)細(xì)溝橫斷面形態(tài)變化可以將斷面形態(tài)指數(shù)η分為4個區(qū)間段：在0.25～0.35區(qū)間，細(xì)溝斷面形態(tài)接近“深V形”；在0.35～0.40區(qū)間，細(xì)溝橫斷面的“V形”內(nèi)壁向外凸，形態(tài)上表現(xiàn)為溝壁隨深度向內(nèi)側(cè)下切；在0.40～0.50區(qū)間，細(xì)溝橫斷面接近“U形三角形”；在0.50～0.55區(qū)間，橫斷面形態(tài)表現(xiàn)為“倒梯形”。在坡度為4°和6°時，4種流量組合類型下細(xì)溝斷面形態(tài)指數(shù)η值均為0.40～0.55，這表明坡度較小時，細(xì)溝斷面形態(tài)主要表現(xiàn)為“U形三角形”和“倒梯形”，表明坡度較小時，水流流速較低，土體穩(wěn)定性較好，水流下切侵蝕能力較弱，宏觀上細(xì)溝斷面形態(tài)表現(xiàn)為“寬淺型”。

2.2 各流量組合類型下細(xì)溝橫斷面形態(tài)隨坡度變化

坡度是細(xì)溝侵蝕研究中不可忽視的重要因素?？傮w來說，增加坡度能夠加劇細(xì)溝侵蝕，增加細(xì)溝深度，從而導(dǎo)致細(xì)溝寬深比減小[19-23]。為研究細(xì)溝斷面形態(tài)隨坡度的變化關(guān)系，圖4繪出不同流量組合類型下細(xì)溝橫斷面形態(tài)隨坡度的變化輪廓圖。由圖4可見，橫斷面輪廓呈現(xiàn)出不同幾何形態(tài)，主要包括：“深V形”、“倒梯形”、“U形三角形”等。增加型和峰值型斷面形態(tài)以 “U形三角形”為主；均勻型斷面形態(tài)以“V形”內(nèi)壁外凸為主；凹陷型斷面形態(tài)以“深V形”為主。且各流量組合類型下，隨著坡度增加，細(xì)溝橫斷面也隨之加深或拓寬，且發(fā)展隨機(jī)性愈加不規(guī)則。原因在于坡度增大時徑流的位能較大，細(xì)溝水流的紊動性增強(qiáng)，溝床在徑流的作用下通過加寬加深增大與水流接觸面積，調(diào)整塑造細(xì)溝斷面形態(tài)消殺水流能量，從而使自身發(fā)育穩(wěn)定，水流輸沙趨于動態(tài)穩(wěn)定。細(xì)溝橫斷面的加深與拓寬，使得土壤坡面千溝萬壑，植被遭到破壞，對水土保持極為不利。

2.3 各流量組合類型下細(xì)溝縱斷面形態(tài)指標(biāo)研究

試驗過程中，細(xì)溝內(nèi)會形成一系列近似等間距的跌坑，消殺能量。為了更好地描述細(xì)溝縱斷面方向上跌坑的發(fā)育程度，借鑒階梯-深譚理論研究，引入跌坑發(fā)育系數(shù)SP，其定義為河床形態(tài)穩(wěn)定后, 其輪廓外沿的曲線長度與河段首尾連線的直線長度的比值[24-26]。表2為不同流量組合類型及坡度下跌坑發(fā)育系數(shù)SP值。

圖4 各流量組合類型下細(xì)溝橫斷面形態(tài)隨坡度的變化Fig.4 Change of rill cross-sectional shape with slope under each flow combination type

表2 各流量組合類型下跌坑發(fā)育系數(shù)SP值Tab.2 Each flow combination type of drop pit development coefficient SP

由表2可知，各流量組合類型下的跌坑發(fā)育系數(shù)SP值均比較接近，SP為1.014～1.10，且根據(jù)試驗觀察發(fā)現(xiàn)各組次細(xì)溝河床都發(fā)育有連續(xù)的跌坑、結(jié)皮段。這與徐江等研究當(dāng)水槽河床中有連續(xù)的階梯-深潭段發(fā)育時SP≥1.1有所差異。為了能夠更加直觀地反映跌坑發(fā)育系數(shù)SP隨坡度的變化規(guī)律，點繪出SP隨坡度變化的關(guān)系(見圖5)。

圖5 跌坑發(fā)育系數(shù)SP隨坡度的關(guān)系Fig.5 Relationship between drop pit development coefficient and slope

由圖5分析可知，均勻型的跌坑發(fā)育系數(shù)SP隨坡度的增加呈增加趨勢，這與董旭等的研究結(jié)果一致。這說明隨著坡度的增加，為保持河床穩(wěn)定，需要更多的跌坑、結(jié)皮系列消耗水流能量，故跌坑發(fā)育得更加顯著[13]。且在各個坡度下，峰值型的跌坑發(fā)育系數(shù)SP值均最大，與均勻型相比，峰值型這種非恒定水流條件下階梯-深潭更容易形成[25]。值得一提的是，在坡度為12°時，4種流量組合類型的點距明顯比較分散，說明大坡度下，流量對跌坑發(fā)育的效應(yīng)就會容易凸顯出來，究其原因是坡度較大時，跌坑發(fā)育愈加顯著，受到水流強(qiáng)度與細(xì)溝斷面形態(tài)的互相影響，流量對跌坑的影響作用就會逐漸表現(xiàn)出來。

3 結(jié) 論

細(xì)溝橫斷面形態(tài)是細(xì)溝水流與細(xì)溝壁土壤沖刷塑造的結(jié)果，徑流侵蝕造就了不同的斷面形態(tài)。基于恒定流量或降雨條件下細(xì)溝形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育理論討論了非恒定流量放水沖刷條件下細(xì)溝橫縱斷面形態(tài)的發(fā)育規(guī)律，并對細(xì)溝形態(tài)演變的影響因素進(jìn)行分析。

(1)各流量組合類型下細(xì)溝寬深比位于1.97～5.32之間，且同一流量組合類型情況下，隨坡度的增加呈減小的趨勢；細(xì)溝斷面形態(tài)指數(shù)η在0.29～0.54之間，且坡度較小時，細(xì)溝斷面形態(tài)主要表現(xiàn)為“V形三角形”和“倒梯形”。隨著坡度增加細(xì)溝橫斷面形狀由“寬淺式”向“窄深式”的調(diào)整轉(zhuǎn)變過程，而流量變化對其影響無明顯規(guī)律。

(2)各流量組合類型下，隨著坡度增加，細(xì)溝橫斷面也隨之加深或拓寬，且發(fā)展隨機(jī)性大愈加不規(guī)則。增加型和峰值型的細(xì)溝橫斷面形態(tài)主要以“U形三角形”為主；均勻型的細(xì)溝橫斷面形態(tài)主要以“V形”內(nèi)壁外凸為主；凹陷型的細(xì)溝橫斷面形態(tài)主要以“深V形”為主。

(3)跌坑發(fā)育系數(shù)隨坡度的增加而增加；各個坡度下，峰值型的跌坑發(fā)育系數(shù)SP值均最大，這種非恒定水流條件下階梯-深潭更容易形成。

本文試驗研究了4種不同流量類型下的細(xì)溝斷面形態(tài)影響因素，試驗結(jié)果適用于黃土高原受季風(fēng)氣候的影響，降水年內(nèi)分配不均的水文特征區(qū)域。