模擬降雨條件下紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙水動力學特征

林慶明, 丁文峰, 張長偉, 徐金鑫, 方 程, 張平倉

(1.長江水利委員會長江科學院, 湖北 武漢430010;2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430010; 3.河海大學, 江蘇 南京 210093)

土壤侵蝕過程是降雨徑流和土壤共同作用下的侵蝕—搬運—輸移—再搬運的過程[1]。雨滴濺蝕和徑流沖刷是土壤發(fā)生坡面侵蝕的主要動力源，坡面流流態(tài)、流速等水動力學參數(shù)的變化會對侵蝕過程產(chǎn)生重要影響。已有研究[2-4]表明，一旦坡面產(chǎn)流，因雨滴打擊而分離的泥沙輸移可以用徑流的水動力學特征解釋，如流速，徑流深，雷諾數(shù)，弗洛德數(shù)，曼寧糙率系數(shù)和達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)等。因此開展土壤侵蝕水動力學特征的研究將有助于揭示土壤侵蝕水動力過程的內(nèi)在機制。以往研究中，國內(nèi)外學者[5-7]已經(jīng)就坡面侵蝕產(chǎn)沙機制進行過一些研究，并且在坡面侵蝕動力過程、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙等方面取得了很多進展。但總體而言，大部分研究主要集中在黃土高原地區(qū)[8-11]，其土壤呈粉砂質(zhì)，結(jié)構(gòu)孔隙大，透水性強，土壤抗蝕性較差，坡面侵蝕過程呈片蝕、細溝侵蝕、淺溝侵蝕等特點。對于南方紅壤而言，氣候條件與植被覆蓋等與黃土區(qū)差異明顯，土壤黏性較強，抗徑流剪切能力和抗徑流沖刷能力強，其坡面細溝侵蝕并不明顯[12]，侵蝕特點與黃土有明顯差異。以往對紅壤的研究主要是在土壤養(yǎng)分流失和侵蝕效應(yīng)評價等方面[13-14]，對侵蝕機理的研究往往注重探討降雨特征、坡度、植被覆蓋、土地利用類型和土壤水分物理性質(zhì)等對坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的影響，而較少涉及坡面侵蝕過程中的水動力學機理。因此，本研究在實驗室條件下利用不同坡度、不同雨強組合的人工模擬降雨試驗，對我國南方紅壤坡面侵蝕過程中的產(chǎn)流、產(chǎn)沙以及坡面徑流水動力學參數(shù)進行研究,以期為進一步深入研究紅壤坡面侵蝕過程和水土流失治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗取土于湖北省武漢市長江科學院沌口基地，試驗土樣屬中國土壤系統(tǒng)分類(2001年)中的紅壤，將土樣風干后用吸管法測其土壤結(jié)構(gòu)組成。試驗紅壤的基本結(jié)構(gòu)性質(zhì)見表1。試驗前將土樣自然風干后過篩(10 mm)，以避免存在雜草與石塊對試驗的干擾。填土前先在土槽底層鋪15 cm厚的細沙，以保證試驗土層的透水性與天然坡面相接近。試驗土樣分層裝填于鋼制土槽內(nèi)，每層填土5 cm，邊填土邊壓實，填土總厚度為30 cm。填土容重保持為1.25 g/cm3左右，以便與取土區(qū)土壤的容重相一致。

表1 試驗土壤的基本性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用長江科學院水土流失模擬實驗室降雨大廳的下噴式模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度為9 m，降雨覆蓋面積為20 m×20 m。試驗使用固定式可調(diào)坡鋼制土槽，土槽尾端設(shè)有不銹鋼集水口，并接有一段不銹鋼管引流。土槽規(guī)格為8 m×1 m×1 m。以往多數(shù)學者對紅壤坡面侵蝕研究選取的降雨強度主要集中于50，90，120 mm/h[15-16]，對雨強大于120 mm/h的極端降雨研究相對較少，而在全球氣候變化背景下，極端降雨事件頻發(fā)。因此，探究在大雨強下的坡面侵蝕機理并與以往研究結(jié)果對比分析，對了解紅壤區(qū)土壤侵蝕特點有重要意義。根據(jù)已有的降雨資料結(jié)合暴雨強度公式[17-18]，本試驗設(shè)計3個大雨強(120，180，240 mm/h)。選取坡度為6°，10°，15°，降雨時間40 min。在試驗開始時，對雨強進行反復率定，以確保降雨均勻系數(shù)大于75%。當土槽下方集水口出現(xiàn)攜沙水流時記錄產(chǎn)流時間，當細溝出現(xiàn)時記錄其產(chǎn)流后時間。產(chǎn)流后的坡面徑流用60 L的桶不間斷接流，并記錄每個桶的接流時間，即可得各時間段的總徑流量。另取1 000 ml集水瓶，試驗前稱量空瓶和裝清水后的重量。試驗結(jié)束后，先稱量每個桶的重量，之后將桶中的水攪拌均勻，用集水瓶裝滿并稱量，然后用于計算桶中的含沙量。當水流穩(wěn)定后，在土槽上、中、下三個位置用染色劑(KMnO4)法測量坡面徑流速。測定區(qū)長度為0.5 m，每處測量多次取得流速值。本次試驗取土于2017年7月，試驗時間為7—8月份。

1.3 數(shù)據(jù)處理

徑流率(qr)計算公式為：

(1)

式中：qr——徑流率〔L/(m2·min)〕；Q——t時段內(nèi)的總徑流量(L)；S——產(chǎn)流面積，即試驗土槽的表面積(m2)；T——產(chǎn)流時間(min)。

計算公式為

(2)

式中：Sr——侵蝕產(chǎn)沙率〔g/(m2·min)〕；Ms——產(chǎn)沙量(g)。

弗洛德數(shù)Fr可用Fr<1和Fr>1分別表示緩流和急流。雷諾數(shù)Re臨界值為500，用來確定試驗條件下水流是層流還是紊流。弗洛德數(shù)Fr和雷諾數(shù)Re數(shù)據(jù)根據(jù)下式計算。

(3)

(4)

(5)

U=αVs

(6)

式中：Fr——弗洛德數(shù)；Re——雷諾數(shù)；U——徑流平均流速(m/s)；v——運動黏滯系數(shù)(m2/s)；g——重力加速度(m/s2)；h——徑流深(cm)；Vs——徑流表層流速(m/s)；α——修正系數(shù)，取0.75。

達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)f反映了由降雨，土壤顆粒等作用下的阻力值。用于量化表面粗糙程度的曼寧糙率系數(shù)n取決于地形和植被因子。f，n可以用來描述流動的阻力，計算公式為：

(7)

(8)

式中：f——達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)；n——曼寧糙率系數(shù)；J——水力坡度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度和雨強組合對坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程的影響

坡面徑流主要受雨強和坡度的共同影響，經(jīng)過降雨試驗后計算得到每次降雨的累積產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量，以及產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率。試驗結(jié)果如表2—3和圖1—2所示。相同坡度下，雨強的增大導致坡面承雨量的增加，累積徑流量隨雨強的增大而增加，累積徑流量和雨強之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。而在雨強一致下，累積徑流量隨坡度的增大而增加。

表2 坡面累積產(chǎn)流量與雨強的回歸分析

坡面產(chǎn)沙過程主要受徑流量的影響，但隨著降雨的進行，坡面產(chǎn)沙量與坡面徑流量的變化過程呈現(xiàn)不同的趨勢，試驗結(jié)果詳見表3。坡度相同時，累積產(chǎn)沙量隨雨強的增大而增加，這與累積徑流量的規(guī)律一致，雨強與累積產(chǎn)沙量也具有顯著的相關(guān)關(guān)系。坡面侵蝕產(chǎn)沙過程受雨強和坡面的共同影響，不同雨強條件下的坡面侵蝕的臨界坡度不同，造成侵蝕產(chǎn)沙量的差異。以往的研究中，Assouline[19]等認為在雨強大于180 mm/h時，坡度大于25°的產(chǎn)沙量隨著降雨強度的增加而下降，表明坡面的泥沙輸移能力低于泥沙分離能力。耿曉東[20]等研究表明紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙量在雨強75，100 mm/h時隨坡度增大呈增加趨勢，而在小雨強50 mm/h時，則存在一個臨界坡度20°。說明雨強的大小會影響坡面的侵蝕產(chǎn)沙量。本試驗的降雨強度下，最大產(chǎn)沙量發(fā)生在15°坡面，最小產(chǎn)沙量在6°坡面上產(chǎn)生。這可能是因為試驗土壤存在理化性質(zhì)差異或者試驗條件下坡度未達到臨界坡度所致。

表3 坡面累積產(chǎn)沙量與雨強的回歸方程

從圖1可以看出，坡面在3種坡度下均表現(xiàn)為隨著降雨時間的持續(xù)，徑流率先波動增加，而后在5～15 min達到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。然而，每次試驗達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間點并不一致，較大的雨強或較小的坡度會增加徑流率達到穩(wěn)定的時間。相同雨強下，不同坡度的徑流率差異不明顯。相同坡度下，徑流率則隨著雨強的增大而增大。本試驗的結(jié)果與勒長興[21]的研究結(jié)果認為15°為臨界坡度類似，當坡度小于臨界坡度，徑流率隨著坡度的增大而增大。

對于坡面侵蝕率而言，不同坡度相同雨強或不同雨強相同坡度情況下表現(xiàn)出較明顯差異，結(jié)果如圖2所示。隨著雨強的增大，侵蝕率達到的峰值就越大。在各坡度間，坡度15°時侵蝕率總是明顯高于其他坡度，這與梁志權(quán)[22]認為在大雨強下，累積產(chǎn)沙量和侵蝕產(chǎn)沙率的極值均在15°時發(fā)生的研究結(jié)果一致。具體來說，雨強120 mm/h時，6°和10°坡面的侵蝕率在降雨中后期迅速趨于穩(wěn)定；坡度15°的侵蝕產(chǎn)沙率波動較大，且其明顯高于6°和10°，說明該坡度15°時的徑流侵蝕能力最強。在雨強240 mm/h時，侵蝕產(chǎn)沙率與坡度的關(guān)系比較復雜，坡度15°坡面侵蝕產(chǎn)沙率在降雨后期呈上升趨勢，這是因為坡面開始有細溝發(fā)育。張會茹等[16]研究發(fā)現(xiàn)在雨強50 mm/h和75 mm/h下坡度為5°～25°時，侵蝕率在到達最大值之前都呈上升趨勢，隨后呈指數(shù)函數(shù)下降。本次試驗中，在大雨強條件下觀測到了同樣的趨勢。

在初期紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙率呈急劇上升階段，到達極值后開始下降，隨后保持相對的平穩(wěn)狀態(tài)，特別是在大雨強下更為明顯。這主要是因為降雨初期紅壤坡面存在松散泥沙顆粒物，易被徑流所攜帶，因此初期的產(chǎn)沙率快速上升；隨著降雨的繼續(xù)，松散顆粒物基本被帶走，再加上坡面受雨滴打擊的影響，結(jié)皮開始產(chǎn)生，徑流剝蝕下降，造成侵蝕率的持續(xù)下降。

圖1 不同雨強和坡度下徑流率變化過程

圖2 不同雨強和坡度下產(chǎn)沙率變化過程

2.2 水動力學參數(shù)特征

通過試驗實測坡面流水力要素值計算的雷諾數(shù)，弗洛德數(shù)，達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)，分析它們在3個坡度和3個降雨強度條件下的變化(表4)。表4結(jié)果顯示，徑流雷諾數(shù)在不同雨強和坡度組合下差異明顯，介于83.44～132.79之間。雷諾數(shù)在雨強一致時均隨著坡度的增大而增加。在坡度相同時又都隨著雨強的增大而增加。根據(jù)明渠水流的劃分標準，在本試驗雨強和坡度組合下，雷諾數(shù)都小于500，屬層流狀態(tài)。在本試驗中，坡面流弗洛德數(shù)均小于1，說明坡面徑流屬緩流狀態(tài)。雨強一致下，弗洛德數(shù)有隨坡度增大而增加的趨勢。潘成忠等[23]在試驗條件下也得到了類似的結(jié)論。這是因為坡度增大，流速相應(yīng)增大，造成徑流深減小，導致弗洛德數(shù)增加。而弗洛德數(shù)與雨強之間的變化較為復雜，并且隨著坡度的增加，其變化趨勢也越大。這是由雨強與坡度對徑流深和徑流速共同作用的結(jié)果。

表4 不同雨強條件下各坡度的水力參數(shù)

注：U為徑流平均流速(m/s);Re為雷諾數(shù);Fr為弗洛德數(shù);f為達西—韋斯巴赫阻力系數(shù);n為曼寧糙率系數(shù)。下同。

達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)是用于反映河渠水流阻力特征的水力參數(shù)。坡度相同時糙率系數(shù)n隨雨強的增大呈現(xiàn)出減小趨勢。而隨著坡度的增加，糙率系數(shù)變?yōu)橹饕苤亓Ψ至Φ挠绊懀沟醚仄旅娴膹搅鞣至υ黾?，坡面流速增大，加劇坡面的侵蝕，坡面產(chǎn)沙量增加，再加上跌坎出現(xiàn)，造成坡面表面形態(tài)更加復雜。這些都將使糙率增加。阻力系數(shù)f在120 mm/h是隨坡度增大而減小，在另外兩個坡度時表現(xiàn)的較為復雜。以往的研究中，Gilly[24]對坡度為2.0°～5.6°的坡度范圍內(nèi)進行了研究，結(jié)果表明達西—韋斯巴赫阻力系數(shù)的變化范圍較大；Foster[25]通過模擬天然形成的細溝形態(tài)所做出的定床試驗表明，坡度為1.70°～5.16°的范圍內(nèi)，阻力系數(shù)不超過0.5，阻力系數(shù)f與水流雷諾數(shù)Re存在f=a(Re)-b關(guān)系。本試驗數(shù)據(jù)表明，紅壤坡面的阻力系數(shù)f范圍為2.005～4.869，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，但在同一坡度下阻力系數(shù)f隨弗洛德數(shù)Fr呈明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。其回歸方程式可表達為y=0.948 6e-0.416 3x，R2=0.869，(p<0.01)。

2.3 坡面流水動力學參數(shù)與坡面侵蝕量間的關(guān)系

坡面侵蝕過程中，有降雨量轉(zhuǎn)化成的徑流具有能量，對坡面的侵蝕—搬運—輸移—再搬運過程產(chǎn)生影響，而在這個過程中基于此的水動力學參數(shù)發(fā)揮重要作用。因此坡面侵蝕過程可以用坡面流的水動力學參數(shù)解釋，討論水動力學參數(shù)與坡面侵蝕量之間的關(guān)系將有助于理解坡面侵蝕過程。根據(jù)降雨試驗中每5 min為一時段計算各個時段內(nèi)的累積坡面侵蝕產(chǎn)沙量和水動力學參數(shù)，得出各坡面侵蝕總量與各參數(shù)之間的關(guān)系。當雨強分別處于120，180和240 mm/h條件下，產(chǎn)沙量與各參數(shù)間的擬合函數(shù)關(guān)系詳見表5。分析表5可知，在120 mm/h雨強下，累積坡面侵蝕產(chǎn)沙量隨雷諾數(shù)，弗洛德數(shù)增大而增大，呈正相關(guān)關(guān)系。在其他雨強下也有同樣的趨勢。這一規(guī)律與張銳波等[26]的研究認為在雨強小于120 mm/h下，累積產(chǎn)沙量隨雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)出冪函數(shù)上升的趨勢的結(jié)果相似。累積產(chǎn)沙量與阻力系數(shù)和糙率系數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，阻力系數(shù)越大，徑流克服阻力消耗的能量就越大，用于侵蝕和搬運泥沙的能量就減少，坡面產(chǎn)沙量就越少。就擬合效果R2而言，累積產(chǎn)沙量：Re>f>Fr>n(表4)。其中雷諾數(shù)與累積產(chǎn)沙量間存在冪函數(shù)關(guān)系，且其決定系數(shù)均大于0.905(p<0.01)，這一點與郭太龍[27]的研究結(jié)果接近。雷諾數(shù)是坡面徑流流速與水力半徑的函數(shù)，雷諾數(shù)的增大表示著徑流侵蝕能力和泥沙輸移能力的增大，將會導致坡面侵蝕量的增加?；诶鄯e產(chǎn)沙量與雷諾數(shù)之間呈現(xiàn)出良好的擬合關(guān)系，可以認為雷諾數(shù)能夠較好地判別坡面累積土壤侵蝕量的大小。

表5 累積坡面侵蝕產(chǎn)沙量(S)與水動力學參數(shù)的擬合關(guān)系

注：*,**分別表示在p<0.01和p<0.05水平上的顯著性。

3 結(jié) 論

(1) 不同坡度和雨強組合下，累積徑流量隨雨強增大而線性增加，隨坡度增大而增大。徑流率在降雨初期呈上升趨勢，在5～15 min達到峰值后保持相對平穩(wěn)狀態(tài)，直到降雨事件結(jié)束。坡度是影響徑流率的主要因子，在相同雨強下，坡度較陡時徑流率始終高于坡度較緩的坡面，即隨著坡度的增大而增大。但本研究未能進一步證明是否存在臨界坡度。

(2) 坡度相同時，累計產(chǎn)沙量隨著雨強的增大呈增大趨勢。隨著雨強的增大，侵蝕率的峰值就越大；坡度15°時侵蝕率總是明顯高于其他坡度。侵蝕產(chǎn)沙率大多呈現(xiàn)初期的急劇上升，隨后迅速下降并逐漸趨于平穩(wěn)，在大雨強中更為明顯。

(3) 試驗中徑流流速均表現(xiàn)為隨雨強和坡度的增加而增大的趨勢，試驗條件下，坡面徑流流態(tài)屬于層流，緩流。阻力系數(shù)f與雷諾數(shù)Re無明顯的相關(guān)關(guān)系，但其與弗洛德數(shù)Fr存在顯著的指數(shù)關(guān)系。在對累積坡面侵蝕產(chǎn)沙量與水動力學參數(shù)進行相關(guān)性分析后，雷諾數(shù)與產(chǎn)沙量之間具有顯著的冪函數(shù)關(guān)系，表明坡面徑流雷諾數(shù)Re可以較好地表征坡面侵蝕量。