雨洪綜合作用下細(xì)溝斷面沿程沖刷及溯源侵蝕特征試驗分析

胡曉松

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

受降雨侵蝕和洪水沖刷作用，許多水土流失區(qū)產(chǎn)生較為明顯的細(xì)溝斷面，細(xì)溝斷面是水土流失區(qū)水沙運行的主要方式[1]。通過對細(xì)溝斷面形態(tài)及侵蝕特征進(jìn)行分析，利于有針對性的制定相應(yīng)治理和保護(hù)措施[2]。有學(xué)者采用試驗方式[3- 6]，對細(xì)溝斷面形態(tài)與流量及降水之間變化關(guān)系進(jìn)行分析，確定其呈現(xiàn)指數(shù)變化，并定量化其指數(shù)關(guān)系。但由于指數(shù)存在明顯的地域差異性，無通用性。雖然對細(xì)溝斷面變化取得一定研究成果[7- 13]，但對細(xì)溝斷面整體沿程沖刷以及溯源侵蝕特征變化的研究還較少，尤其在遼寧地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，而遼寧尤其是西部地區(qū)，屬于全國水土流失治理的典型示范區(qū)，遼西為山丘型地貌，受到降雨和洪水沖刷，較易產(chǎn)生細(xì)溝斷面。為此本文以遼寧為研究實例，針對水土保持區(qū)細(xì)溝斷面，采用試驗方式，對細(xì)溝斷面整體沿程沖刷以及溯源侵蝕特征的整體變化特征進(jìn)行分析，研究成果對于遼寧地區(qū)細(xì)溝斷面侵蝕及生態(tài)修復(fù)具有參考價值。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)計

本文采用室外試驗方式，選取遼寧西部某水土流失區(qū)作為研究區(qū)域，區(qū)域細(xì)溝斷面形態(tài)如圖1所示?？紤]到坡度對細(xì)溝斷面侵蝕形態(tài)特征的影響，分別選取4種試驗坡度，各試驗坡度分別為5°、10°、15°、20°，由于試驗區(qū)降雨較少，因此結(jié)合人工降雨的方式，進(jìn)行野外觀測試驗，設(shè)計4種降雨強(qiáng)度，四種降雨強(qiáng)度分別為5、10、15、20L/min。為滿足細(xì)溝匯水總有，在各細(xì)溝斷面安置一條15m長度的匯水坡面，坡面土槽的寬度設(shè)置為2m，分別設(shè)計不同坡度及雨強(qiáng)下4組降雨徑流試驗，取各組試驗條件下的平均值，各組試驗持續(xù)的時間長度為1h。

圖1 試驗細(xì)溝斷面

1.2 試驗方案

試驗前，對試驗細(xì)溝斷面的雜草及較大的石塊進(jìn)行清除，并在各試驗斷面鋪設(shè)天然細(xì)砂。為保障沿程沖刷效果，進(jìn)行土層的回填，每次試驗回填土層的厚度為60cm，并結(jié)合試驗斷面土質(zhì)參數(shù)，見表1，將回填土層的干容重控制在1.30g/cm3，試驗前對降雨強(qiáng)度及徑流量進(jìn)行檢驗。當(dāng)試驗降雨強(qiáng)度大于80%時，測定的降雨強(qiáng)度與試驗要求的降雨強(qiáng)度的差值小于10%時可進(jìn)行重復(fù)的降雨徑流試驗。在細(xì)溝斷面沿程設(shè)置5個監(jiān)測斷面，各斷面坡長0.2、0.4、0.6、1.0、1.5m，利用鋼尺對各試驗細(xì)溝斷面進(jìn)行溝寬及溝深的測定。在各試驗斷面進(jìn)口鋪設(shè)天然細(xì)砂并結(jié)合石塊對其進(jìn)水口的水流進(jìn)行消能處理。

表1 試驗細(xì)溝斷面土質(zhì)參數(shù)

1.3 試驗斷面形態(tài)差異程度分析

每組試驗后，對各監(jiān)測斷面不同雨洪綜合作用下的細(xì)溝寬度、深度以及寬深比進(jìn)行形態(tài)差異性的分析，并對各形態(tài)指數(shù)進(jìn)行擬合方程的分析，確定其各形態(tài)擬合方程，通過指數(shù)變化分析細(xì)溝斷面的形態(tài)變化，各形態(tài)指數(shù)的擬合計算方程分別為：

B=aQbSc

(1)

H=dQeSf

(2)

B/H=gQhSj

(3)

式中，B—細(xì)溝斷面的寬度，m；H—細(xì)溝斷面沖刷深度，m；B/H—細(xì)溝斷面寬深比；Q—沖刷流量，cm3/s；a、b、c、d、e、f、g、h、j—方程的擬合指數(shù)。

在這些指數(shù)中，b、e、h指數(shù)越大，表明其徑流對細(xì)溝斷面形態(tài)影響程度越高，c、f、j越大，則表明坡度對細(xì)溝斷面形態(tài)影響程度越大。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溝寬沿程斷面形態(tài)特征試驗結(jié)果

結(jié)合各組試驗，對不同坡度及雨洪綜合條件下的溝寬沿程斷面的形態(tài)特征進(jìn)行試驗分析，分析結(jié)果如圖2所示。

由試驗結(jié)果可看出，在不同坡度條件下，各雨洪綜合作用使細(xì)溝斷面沿程寬度變化具有較為明顯的規(guī)律性，即隨著坡長的增加，呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢，曲線上下部的間距要大于中部的間距，且基本在坡長為1.0m左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，隨著坡度和雨洪強(qiáng)度的增加，其溝寬也呈現(xiàn)較為明顯的變化趨勢，溝寬變化與坡度及雨洪強(qiáng)度具有較好的相關(guān)性。溝寬變化最小的區(qū)域主要位于細(xì)溝斷面的中部位置，距離坡度的長度在0.5m左右。隨著坡度的增加，溝寬后期變化逐步穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在沿程沖刷和溯源侵蝕的力度逐步減小。

圖2 不同雨洪條件下各坡度溝寬沿程形態(tài)分布結(jié)果

圖3 不同雨洪條件下各坡度溝深沿程形態(tài)分布結(jié)果

2.2 溝深沿程斷面形態(tài)特征試驗結(jié)果

結(jié)合各組試驗，對不同坡度及雨洪綜合條件下的溝深沿程斷面的形態(tài)特征進(jìn)行試驗分析，分析結(jié)果如圖3所示。

由試驗結(jié)果可看出，不同坡度和雨洪強(qiáng)度條件下，各溝寬深度隨著坡長的增加，呈現(xiàn)總體遞減變化的規(guī)律，從上到下，細(xì)溝被沖刷的深度有所減小，但是存在一定的溯源侵蝕特征變化，溯源侵蝕主要集中在坡長為2.0～2.5m之間，隨著坡度及雨洪強(qiáng)度的增加，溝深呈現(xiàn)明顯的遞增變化。當(dāng)坡度為10°和15°時，雨洪強(qiáng)度分別達(dá)到10、15L/min時，溝深沿程變化逐步趨于平穩(wěn)變化，這主要是因為在一定的坡度和雨洪條件下，細(xì)溝沿程沖刷的效應(yīng)有所減弱，使得其各細(xì)溝斷面的溝深出現(xiàn)平穩(wěn)變化。

2.3 寬深比沿程斷面形態(tài)特征試驗結(jié)果

結(jié)合各組試驗，對不同坡度及雨洪綜合條件下的寬深比沿程斷面的形態(tài)特征進(jìn)行試驗分析，分析結(jié)果如圖4所示。

從寬深比沿程試驗分析結(jié)果可看出，隨著坡度和雨洪強(qiáng)度的增加，細(xì)溝試驗斷面下的寬深比呈現(xiàn)先遞減后遞增再逐步趨于穩(wěn)定的變化，且不同坡度條件均存在一定的規(guī)律性變化。當(dāng)坡長在1.0～1.5m之間時，寬深比達(dá)到最低點，從寬深比變化初期可看出，坡長在0～0.5m時，其寬深比變化較為明顯，這主要是因為在雨洪作用初期，細(xì)溝斷面的沿程沖刷和溯源侵蝕的力度較大，使得其寬深變化較為顯著。而隨著坡長的增加，細(xì)溝斷面消能作用加大，使得其程沖刷和溯源侵蝕的力度有所減少，因此其寬深比變幅逐步減小。當(dāng)坡長增加到1.5m后，逐步趨于穩(wěn)定變化。

2.4 細(xì)溝斷面形態(tài)指數(shù)擬合結(jié)果

結(jié)合以上試驗結(jié)果，對不同坡度及雨洪綜合條件下斷面的形態(tài)指數(shù)進(jìn)行擬合分析，分析結(jié)果如圖5所示。

從各指數(shù)的擬合方程可看出，其擬合系數(shù)均在0.45以上，具有較好的相關(guān)性，表明試驗結(jié)果達(dá)到試驗?zāi)繕?biāo)。從溝寬指數(shù)B和C的擬合方程可看出，當(dāng)坡長較低是其擬合效果更佳，表明在坡長較低的區(qū)域，細(xì)溝斷面寬度與流量和坡度的相關(guān)性較好，而隨著坡長的減少，擬合關(guān)系有所減弱，這主要是因為隨著坡長的增加，細(xì)溝斷面與流量和坡度的相關(guān)性有所減低。而對于溝深指數(shù)而言，由于沿程溝深測量較多，使得其擬合散點較溝寬指數(shù)要多，但擬合效果低于溝寬指數(shù)。從其擬合效果可看出，和溝寬擬合較為相似，底部擬合效果好于頂部的擬合效果，隨著坡長的增加，其擬合效果影響因素增多，使得其溝深與流量及坡度的變化有所減緩，降低擬合效果。寬深比指數(shù)的擬合變化和溝深及溝寬變化較為類似，但總體擬合效果不如溝深和溝寬的變化，其寬深比指數(shù)隨著坡長的增加，呈現(xiàn)遞增變化，這主要是因為隨著坡度和雨洪強(qiáng)度的增加，底部徑流快速的流向坡地，并在坡度進(jìn)行集聚，隨著細(xì)溝斷面寬深比指數(shù)的增加，其土層的侵蝕率有所遞增，水流沿程沖刷和溯源侵蝕的能力逐步加強(qiáng)，使得細(xì)溝下切現(xiàn)象明顯，寬深比指數(shù)逐步加大。

圖4 不同雨洪條件下各坡度寬深比沿程形態(tài)分布結(jié)果

圖5 細(xì)溝試驗斷面各形態(tài)指數(shù)沿程擬合結(jié)果

3 結(jié)論

(1)通過試驗結(jié)果可以在細(xì)溝侵蝕區(qū)域，坡長為0.5～1.5m的匯水區(qū)域范圍內(nèi)沿程布設(shè)截排水設(shè)施，可有效降低較強(qiáng)股流沿程沖刷及溯源侵蝕。

(2)沿程沖刷及溯源侵蝕在空間上存在一定疊加效應(yīng)，這種效應(yīng)是造成溝蝕斷面差異特征的主因，因此在溝蝕治理過程中應(yīng)盡量降低作用強(qiáng)度逆坡長。

(3)細(xì)溝上方和下方是沖刷和侵蝕效應(yīng)最強(qiáng)的區(qū)域，因此應(yīng)注重這兩個區(qū)域的溝蝕治理，可設(shè)置相應(yīng)的引水設(shè)施，降低侵蝕和沖刷量。

由于人工降雨試驗強(qiáng)度不能完全達(dá)到天然暴雨強(qiáng)度，在以后的研究中還應(yīng)結(jié)合大量級暴雨場次野外觀測數(shù)據(jù)，增加大雨量級下的試驗分析數(shù)據(jù)。