黃土坡面水蝕因子對(duì)坡面侵蝕量的影響研究

趙海濱

黃土坡面水蝕因子對(duì)坡面侵蝕量的影響研究

趙海濱1，2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003；
2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475003）

以黃土坡面為研究對(duì)象，建立土壤侵蝕評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)模型，通過室內(nèi)徑流沖刷模擬試驗(yàn)，研究了坡面徑流水深及流速的變化規(guī)律，分析了坡面徑流水動(dòng)力要素對(duì)坡面侵蝕量的影響。結(jié)果表明：在土壤侵蝕過程中，坡面徑流水深和流速的變化極為復(fù)雜，具有時(shí)空分布多樣性特點(diǎn)，但總體上隨徑流沖刷流量的增加而增大。通過分析坡面侵蝕量與水蝕因子的關(guān)系，建立了坡面侵蝕模型多元回歸方程。

黃土坡面；坡面徑流；坡面侵蝕；徑流沖刷；回歸方程

0 引言

我國黃土高原地區(qū)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，水土流失面積達(dá)總面積的70.9%。其中，侵蝕模數(shù)大于8 000 t／（km2·a）的極強(qiáng)度水蝕面積達(dá)8.5萬km2。土壤侵蝕所造成的環(huán)境問題已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為改善人類生存環(huán)境，建設(shè)和諧社會(huì)，防止土壤侵蝕，控制水土流失已是當(dāng)務(wù)之急。

坡面是侵蝕發(fā)生的基本單元，坡面徑流是坡面侵蝕發(fā)育的主要?jiǎng)恿?。近年來，國?nèi)外許多學(xué)者對(duì)于坡面水蝕動(dòng)力過程進(jìn)行了大量研究，并取得了大量的研究成果。如，李占斌、李鵬、雷廷武、Gover等就坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙動(dòng)力及泥沙輸移特征開展了試驗(yàn)研究［1～4］；鄭良勇、李占斌等就黃土區(qū)陡坡徑流水動(dòng)力學(xué)特性開展了試驗(yàn)研究［5］；丁文峰［6］等研究了黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界條件；申震洲、姚文藝等對(duì)不同條件下徑流沖刷能耗關(guān)系進(jìn)行研究［7～8］。

土壤坡面侵蝕過程取決于引起侵蝕的徑流侵蝕力與土壤抵抗侵蝕能力的相互作用。因?yàn)樵谄旅嫦聣|面組成不變的條件下，坡面徑流水動(dòng)力作用越強(qiáng)，坡面侵蝕越劇烈。所以，針對(duì)坡面水蝕的動(dòng)力學(xué)因子與土壤侵蝕量之間關(guān)系的研究，對(duì)土壤侵蝕預(yù)報(bào)與水土保持具有十分重要的意義。黃土高原的平坦耕地不到總面積的1／10，絕大部分耕地分布在10°～ 35°的斜坡上。本研究以黃土坡面為研究對(duì)象，通過室內(nèi)徑流沖刷模擬試驗(yàn)，在水動(dòng)力學(xué)及泥沙運(yùn)動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，分析坡面流水動(dòng)力因子與坡面侵蝕量之間關(guān)系，為建立合理坡面侵蝕產(chǎn)沙模型提供理論支撐。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

本徑流沖刷試驗(yàn)在黃河水利科學(xué)研究院 “模型黃河”試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由可變坡土槽和供水系統(tǒng)組成（如圖1所示）。試驗(yàn)土槽長5m、寬3m、深0.6m，底部為厚5mm的鋼板。試驗(yàn)時(shí)，用PVC隔板將土槽分成3個(gè)大小相同的試驗(yàn)小區(qū)（長5m、寬1 m）。然后，在同樣邊界條件下，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。土槽坡度用液壓千斤頂調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)坡度的范圍為5°～45°。試驗(yàn)采用循環(huán)供水系統(tǒng)，用水泵從蓄水池內(nèi)抽水至槽上方的恒壓水箱，多余的水通過回流管道回到蓄水池內(nèi)。恒壓水箱流量可通過閥門控制，調(diào)節(jié)范圍為0～15 L／min。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)對(duì)不同坡度 （10°、20°、30°）和流量（1.0 L／min、2.0 L／min、3.0 L／min、4.0 L／min、5.0 L／min、7.5 L／min、10 L／min）進(jìn)行組合，分析坡面徑流水動(dòng)力因子與坡面侵蝕量之間的關(guān)系。試驗(yàn)用土為鄭州邙山附近表層黃土，其顆粒組成如表1所示，土壤干容重控制在1.2～1.3 g／cm3。開始放水時(shí)，記錄下產(chǎn)流的時(shí)刻，并在試驗(yàn)小區(qū)出口處用水桶接樣，每2min換一次桶，持續(xù)時(shí)間約為30～40min。沿水槽縱向?qū)⑿^(qū)坡面分為5個(gè)斷面，每部分面積為1m×1m，用顏料示蹤法測(cè)相臨兩斷面間流速，每2min沿坡面從上到下測(cè)2～3次。同時(shí)，用鋼尺測(cè)量各斷面水流寬度和水深。每種工況重復(fù)做3次。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，選取其中比較接近的2場(chǎng)試驗(yàn)的平均值。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Testing apparatus

2 理論分析

引起坡面水蝕的侵蝕動(dòng)力主要是坡面徑流。當(dāng)坡面開始產(chǎn)生徑流時(shí)，坡面徑流是一種薄層水流。在薄層水流順著坡面向下流動(dòng)的過程中，由于坡面下墊面不均勻，逐漸匯集，水深和流速逐漸增大，侵蝕力也增強(qiáng)。當(dāng)坡面徑流的侵蝕能力超過土壤的抗侵蝕能力時(shí)，坡面上便會(huì)出現(xiàn)小的侵蝕穴，一般稱之為跌坎。跌坎的出現(xiàn)標(biāo)志著坡面侵蝕逐漸向劇烈方向轉(zhuǎn)化。坡面出現(xiàn)跌坎后，跌坎處的水流流態(tài)會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生明顯的侵蝕現(xiàn)象，使跌坎逐漸延長和加深。最后，各個(gè)跌坎逐漸貫通，形成細(xì)溝。細(xì)溝產(chǎn)生后，坡面的侵蝕顯著加強(qiáng)，并且細(xì)溝不斷發(fā)生溯源侵蝕、下切侵蝕和側(cè)蝕。細(xì)溝逐漸加深加大，侵蝕量也大大增加。整個(gè)坡面的侵蝕過程其實(shí)就是上述各過程的綜合反映。

坡面侵蝕產(chǎn)生的根本原因在于徑流具有能量。因此，坡面侵蝕過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量不斷消耗的過程。當(dāng)液體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，除了垂直于其表面的壓力外，還有沿接觸面方向的剪切力。水土界面的徑流剪切力是分離土壤的主要?jiǎng)恿?，它?huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，分散土粒，將土壤卷入水流中并攜帶出坡面。通過分析發(fā)現(xiàn)，坡面上的土粒之間具有黏聚力，徑流要分離挾帶土粒，必須要克服土粒之間的相互作用力。徑流恰好克服土粒間作用力時(shí)的剪切力稱之為臨界剪切力。徑流的分離能力大于臨界剪切力部分的水流切應(yīng)力稱之為有效剪切力。目前，許多學(xué)者的研究認(rèn)為，坡面徑流對(duì)土粒的分離能力和輸移能力均與徑流的有效剪切力成正比。

坡面徑流的運(yùn)動(dòng)過程是一種復(fù)雜的三維非均勻變量流。在實(shí)際研究中，為了方便，常將其簡(jiǎn)化認(rèn)為是一維均勻流。于是，徑流的剪切力的物理表達(dá)式可表示為式（1）。同時(shí)，坡面徑流對(duì)土壤侵蝕是一個(gè)做功消耗能量的過程，所以坡面單位面積上水流功率的表達(dá)式為式（2）。

坡面徑流切應(yīng)力及坡面單位面積水流功率越大，坡面流對(duì)坡面的侵蝕作用越強(qiáng)。通過公式（1）和（2）可以發(fā)現(xiàn)，坡面侵蝕過程中，徑流侵蝕能力的大小與坡面徑流的平均水深、坡面流速及水面比降等因素有關(guān)。因?yàn)榧僭O(shè)坡面徑流為一維均勻流，所以水面比降近似等于坡面坡度。于是，可以通過分析坡面徑流水深、流速和坡面坡度等因素變化，研究其與坡面侵蝕量大小關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 坡面徑流水深、流速隨徑流沖刷流量的變化特征

坡面徑流的侵蝕及輸沙力學(xué)機(jī)理取決于坡面流的水力學(xué)特性。坡面流水動(dòng)力特性的研究是坡面輸沙能力研究的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于室內(nèi)徑流沖刷模型，由于采用概化模型（下墊面條件一致條件下），能夠反映坡面水動(dòng)力因子隨徑流沖刷量變化的主要因素是坡面徑流水深和流速。坡面徑流不同于一般明渠水流，它的流速較快，水深較淺，且隨著侵蝕過程的進(jìn)行，坡面侵蝕形態(tài)的改變，水流邊界條件復(fù)雜多變。因此，坡面徑流水動(dòng)力因子伴隨侵蝕過程的發(fā)生與演化在時(shí)空變化一般也較大，具有許多獨(dú)特的特性。目前，試驗(yàn)中多通過研究其平均值變化發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在不同的坡度情況下，整個(gè)坡面、整個(gè)試驗(yàn)過程的平均水深和坡面平均流速隨著徑流沖刷量的增大而增大，如圖2和圖3所示。

表1 試驗(yàn)土樣各級(jí)粒徑比例組成Table 1 Various grain size ratio of test soil sam ples

圖2 坡面流平均水深與流量之間的關(guān)系Fig.2 Relations between slope runoff average water depth and flow amount

圖3 坡面平均流速與流量之間的關(guān)系Fig.3 Relations between slope runoff average flow rate and amount

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，總體上，坡面徑流的流速和徑流總量大小成正比例，僅在部分小流量情況下，由于侵蝕形態(tài)的變化使得坡面徑流阻力增加，徑流流速降低。另外，徑流沖刷初期，水流以薄層漫流的方式沿坡面向下流動(dòng)，此時(shí)，土槽坡面比較平整，坡面尚無跌坎形成，水流阻力較小，水流流速主要受坡面微地形和流量大小的影響，水流在重力和坡面阻力的作用下沿坡面加速流動(dòng)，坡面流為分散薄層狀淺流，侵蝕方式則以面蝕為主。但是，隨著侵蝕過程的不斷發(fā)育，坡面會(huì)接連出現(xiàn)不連續(xù)的跌坎，坡面漫流以股流的形式向下流動(dòng)，即細(xì)溝侵蝕發(fā)生，侵蝕形態(tài)由前期的面蝕發(fā)展成為細(xì)溝侵蝕。在此過程中，坡面徑流水深也發(fā)生相應(yīng)波動(dòng)變化，但總體隨徑流沖刷量的增大而增大。

3.2 坡面徑流侵蝕量與水動(dòng)因子相關(guān)分析

目前，較多的國內(nèi)外學(xué)者對(duì)坡面侵蝕的動(dòng)力研究是，利用剪切力、水流功率等水動(dòng)力指標(biāo)來對(duì)侵蝕過程進(jìn)行描述。坡面的侵蝕產(chǎn)沙過程包含了分離土壤、泥沙輸移和泥沙沉積3個(gè)子過程。其中，坡面土壤分離是指，當(dāng)徑流作用于土壤顆粒上的力大于土壤顆粒間的阻力時(shí)，土壤顆粒離開原來位置的過程。泥沙輸移是指，被分離的土壤顆粒被徑流帶走的過程。當(dāng)上游的來沙量和徑流的泥沙含量大于徑流的輸移能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生泥沙沉積現(xiàn)象。這3個(gè)過程是相互影響、相互制約、相互聯(lián)系的。侵蝕過程中，水動(dòng)力指標(biāo)與坡面侵蝕量之間具有很好的相關(guān)性。通過分析發(fā)現(xiàn)，徑流水深、坡面流速、坡面比降是組成其他水動(dòng)力侵蝕指標(biāo)的基礎(chǔ)。因此，可以構(gòu)造出一個(gè)更一般的水流侵蝕強(qiáng)度函數(shù)，如公式（3）所示。

那么，坡面徑流侵蝕量可以表示為式（4）。

如果假定式（3）和式（4）的函數(shù)關(guān)系可以用冪指函數(shù)表示，那么坡面徑流侵蝕量與水流強(qiáng)度之間的關(guān)系式可以表示為

式中：Gs為徑流輸沙率，kg／min；h為徑流深，mm；v為流速，m／s；J為能坡，取tanα，α為坡角；a1、a2、a3、a4均為方程回歸系數(shù)。

用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式（5）進(jìn)行回歸分析得：a1＝6.61、a2＝0.963、a3＝1.745、a4＝0.879，相關(guān)系數(shù)R＝0.8928。另外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速的冪指數(shù)大于其他兩個(gè)參數(shù)時(shí)，說明坡面徑流流速對(duì)坡面侵蝕量的影響大于徑流深度和坡面坡度。

4 結(jié)語

（1）通過坡面徑流沖刷試驗(yàn)，分析坡面徑流水深及徑流流速的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，受坡面侵蝕形態(tài)變化的影響，坡面徑流流速和水深變化極為復(fù)雜?？傮w上，其統(tǒng)計(jì)平均值均隨徑流沖刷流量的增加而增加。

（2）利用多元統(tǒng)計(jì)回歸分析法建立坡面徑流侵蝕量與水蝕動(dòng)力因子之間的回歸方程，該方程具有較好的相關(guān)性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)條件下，坡面徑流流速對(duì)坡面侵蝕量的影響大于徑流深度和坡面坡度。

［1］李占斌，魯克新.黃土坡面土壤侵蝕動(dòng)力過程試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（2）：5-8.

［2］李鵬，李占斌，鄭良勇.黃土坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙動(dòng)力過程模擬與研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006（7）：444-449.

［3］雷廷武，張晴雯.細(xì)溝侵蝕動(dòng)力過程輸沙能力試驗(yàn)研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2007，39（4）：446-482.

［4］Govers G.Evaluation of transport capacity formula for overland flow ［J］.in Parsons，J.and Abrahams，A.D.（eds），Overland Flow，1992，189：243-274.

［5］鄭良勇，李占斌，李鵬.黃土區(qū)陡坡徑流水動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（5）：46-51.

［6］丁文峰，李占斌，等.黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界條件［J］.山地學(xué)報(bào)，2001（6）：551-555.

［7］申震洲，姚文藝，李勉，等.黃土坡面徑流能耗與土壤剝蝕率影響因子［J］.中國水土保持科學(xué)，2009，7（6）：9-13.

［8］申震洲，姚文藝，李勉，等.不同下墊面對(duì)坡面侵蝕特征的影響［J］.水土保持研究，2010，17（1）：6-9.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Research on Influences of Loess Slope W ater Erosion Factors to Erosion Amount

ZHAO Hai-bin1,2
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Henan Higher Education Engineering Research Center of Water Conservancy for Small Watershed, Kaifeng 475004,Henan,China)

It takes loess slope as research object,establishes soil erosion assessment and prediction model, through indoor runoff scour simulation test,studies the change rule of water depth and velocity of slope runoff,and also analyzes the slope runoff hydrodynamic factor’s influence on the slope surface erosion amount.The research result shows that:In the process of soil erosion,with a diversity of time and space distribution characteristics,the change of water depth and velocity of slope runoff is extremely complex. But on the whole,it increases with the increase of runoff scouring flow.Through the analysis of slope surface erosion amount and water erosion of slope factor correlation,multiple regression equation of slope erosion model is established.

Loess slope;slope runoff;slope erosion;runoff erosion;regression equation

TV121

A

1008-486X（2015）02-0020-04

2014-12-01

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目：黃土坡面侵蝕過程對(duì)坡面徑流水動(dòng)力因子的響應(yīng)研究（2012KXJS004）。

趙海濱（1983-），男，河南鄭州人，碩士，講師，主要從事水利工程教學(xué)與研究工作。