砒砂巖區(qū)小流域場(chǎng)次洪水產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

謝夢(mèng)瑤,任宗萍,2,李占斌,2,李 鵬,2,馬勇勇,蔣凱鑫

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,西安 710048;2.西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)

我國(guó)砒砂巖主要分布在黃河流域的晉陜蒙接壤地區(qū)，東至黃河，西達(dá)杭錦旗境內(nèi)的毛布拉孔兌，從西北向東南沿毛烏素沙地西北緣分布，南抵陜西省神木縣城，北到庫(kù)布齊沙漠南緣，總面積1.67萬(wàn)km2[1-2]。該區(qū)成巖程度低、沙粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低[3-4]。受風(fēng)力、水力、凍融作用，區(qū)域侵蝕劇烈，為黃河粗泥沙的集中來(lái)源區(qū)，許炯心[5]研究了“十大孔兌”侵蝕產(chǎn)沙與風(fēng)水兩相作用及高含沙水流的關(guān)系，結(jié)果表明十大孔兌流域上游為薄層黃土覆蓋的“砒砂巖”、中下游為風(fēng)成沙。這種地表物質(zhì)組成物質(zhì)分布的配合，使得這一地區(qū)的風(fēng)水兩相作用最為典型，并在侵蝕產(chǎn)沙中起到主導(dǎo)作用，成為黃河治理的重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)[6]。淤地壩建設(shè)和植被恢復(fù)是該區(qū)主要的生態(tài)治理措施，使得該區(qū)水沙情勢(shì)也發(fā)生了變化;對(duì)該區(qū)主要流域?yàn)跆m木倫河流域和皇甫川流域徑流泥沙影響因素分析得到，20世紀(jì)50年代以來(lái)水利水保措施的實(shí)施是流域水沙變化的驅(qū)動(dòng)因素[7-8];同時(shí)對(duì)不同植被覆蓋類(lèi)型的砒砂巖自然邊坡坡面侵蝕的減流減沙效益研究表明[9]植被覆蓋可明顯增加砒砂巖自然邊坡水流沖刷的穩(wěn)定性。進(jìn)而對(duì)沙棘柔性壩的研究發(fā)現(xiàn)，沙棘能夠增加影響土壤含水量，攔沙固沙作用導(dǎo)致溝床產(chǎn)生了泥沙篩分效應(yīng)[10-11];由于砒砂巖區(qū)位于我國(guó)干旱半干旱區(qū)，雨熱同期，汛期，暴雨形成的場(chǎng)次洪水?dāng)y帶高含沙水流，是侵蝕物質(zhì)運(yùn)移的主要載體，對(duì)黃河輸沙量具有重要影響。因此，在生態(tài)條件發(fā)生改變的條件下，流域泥沙顯著減少的趨勢(shì)下，次洪過(guò)程特征以及侵蝕粒徑分布對(duì)次暴雨的響應(yīng)特征是該區(qū)進(jìn)一步治理的依據(jù)。

因此，本研究選取位于裸露砒砂巖劇烈侵蝕區(qū)的二老虎溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，細(xì)化典型流域場(chǎng)次洪水的降水徑流關(guān)系、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征、流域地表覆土及裸露砒砂巖(源)和壩地泥沙(匯)的粒徑分布，探討砒砂巖區(qū)小流域場(chǎng)次洪水的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

二老虎溝小流域位于39°46′—39°48′N(xiāo),110°35′—111°38′E，是黃河位于晉陜峽谷北部的四級(jí)支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗，流域面積3.23 km2(圖1)[12]。流域位于溫帶大陸性氣候帶，降水多集中于6—9月。該區(qū)多年平均降水量為400 mm，多年平均溫度為7.3℃，多年平均蒸發(fā)量為2 000 mm。小流域?qū)俾懵杜皫r劇烈侵蝕區(qū)，主要土壤為砂巖及泥巖土，溝坡基巖裸露，成巖程度低、沙粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，梁峁坡零星分布有黃土和栗鈣土[13]。流域以水力侵蝕為主，同時(shí)存在著強(qiáng)烈的重力侵蝕和凍融侵蝕。各種侵蝕營(yíng)力在空間、時(shí)間上交替進(jìn)行，形成該區(qū)復(fù)雜的土壤侵蝕特征，流域汛期暴雨形成的高含沙水流，是泥沙運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?。一、二支溝溝口分別建有砒砂巖改性淤地壩、卡口站一座(圖1)，各控制面積0.2 km2,0.1 km2。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 土壤及河道沉積物粒徑數(shù)據(jù)

2018年8月對(duì)二老虎小流域進(jìn)行坡溝系統(tǒng)及河道淤積層采樣，選取2個(gè)有代表性的大斷面采集小流域坡溝系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該區(qū)主要的侵蝕運(yùn)移物質(zhì)包含地表覆土及裸露砒砂巖，該系統(tǒng)土壤粒徑代表流域易流失區(qū)的本底值，表層5 cm深的土樣使用環(huán)刀取樣，由于流域特殊的地質(zhì)構(gòu)造，溝坡原巖使用榔頭取樣，其中表土采樣共計(jì)31個(gè)，原巖采樣共計(jì)4個(gè);根據(jù)Stokes定理將細(xì)粗交替的淤積判定為1層沉積旋回，在淤地壩近壩地處采集兩層泥沙沉積旋回，作為兩場(chǎng)次洪條件下流域的泥沙淤積狀況。在剔除樣品明顯雜質(zhì)、風(fēng)干、人工磨細(xì)分散過(guò)2 mm篩后，對(duì)樣品進(jìn)行上機(jī)前期處理，使用Mastersizer 2000對(duì)樣品粒度進(jìn)行測(cè)定，得到二老虎溝小流域泥沙的粒徑源匯數(shù)據(jù)。

1.3 水文氣象數(shù)據(jù)

與沉積旋回樣對(duì)應(yīng)的降水、徑流、泥沙數(shù)據(jù)摘自二老虎站2018年的實(shí)測(cè)徑流泥沙過(guò)程表和降水過(guò)程摘錄表。洪量采用下式計(jì)算[14]:

(1)

式中:W表示洪量(萬(wàn)m3);t1表示時(shí)段初(s);t2表示時(shí)段末(s);Q(t)表示t時(shí)刻的流量(m3/s)。

次洪輸沙量采用積分法計(jì)算[14]:

(2)

式中:S表示輸沙量(萬(wàn)t);q1表示時(shí)段初流量(m3);CS1表示時(shí)段初含沙量(kg/m3);Δt表示時(shí)段間隔(s);k2表示含沙量變化率[kg/(m3·s)];k1表示流量變化率(m3/s2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

選用Weibull分布對(duì)單峰泥沙粒度分布(源)進(jìn)行擬合，分析研究區(qū)沉積旋回樣的物質(zhì)來(lái)源特征。兩參數(shù)的Weibull分布函數(shù)[15]表達(dá)式如下:

(4)

式中:F(x) 表示分布函數(shù);x表示粒徑;η表示比例系數(shù);β表示形狀系數(shù)。

河道淤積層作為小流域泥沙的匯，認(rèn)為其由不同的源按比例組合，即源匯關(guān)系符合:

f(x)=a1f1(x)+a2f2(x)

(5)

式中:f(x) 表示理論級(jí)配曲線函數(shù);f1(x) 表示物質(zhì)來(lái)源1的理論級(jí)配曲線函數(shù);f2(x) 表示物質(zhì)來(lái)源2的理論級(jí)配曲線函數(shù);a1表示比例系數(shù);a2表示比例系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水徑流過(guò)程

對(duì)沉積旋回樣對(duì)應(yīng)的二老虎溝小流域洪水事件進(jìn)行分析，以洪峰所在時(shí)間將兩次洪水事件命名為20180716(1號(hào))和20180719(2號(hào))。洪水事件對(duì)應(yīng)的累積降水顯示，盡管該區(qū)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但產(chǎn)流段與降水歷時(shí)僅存在部分重疊，1號(hào)洪水產(chǎn)流時(shí)間占降水歷時(shí)的6.44%,2號(hào)洪水產(chǎn)流時(shí)間占降水歷時(shí)的25.64%(圖2)。

圖2 二老虎溝小流域產(chǎn)流降水的累積降水過(guò)程

以產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間(tR)為切點(diǎn)，分析降水開(kāi)始時(shí)刻(t0)至tR時(shí)段內(nèi)小流域的降水徑流關(guān)系(圖3)。將產(chǎn)流前降水定義為流域產(chǎn)流初損量，該段降水量用于流域初期下滲、植物截留、填洼、蒸散發(fā)等耗散過(guò)程。據(jù)計(jì)算，1號(hào)洪水初損量為6.0 mm,2號(hào)洪水初損量為2.6 mm,2場(chǎng)降水初損持續(xù)時(shí)間分別為50 min和5 min。這種差異的形成一方面與流域雨前土壤含水量相關(guān)，另一方面與降水雨型相關(guān)。產(chǎn)生1號(hào)洪水的次降水在產(chǎn)流結(jié)束后仍持續(xù)了43 h，該段降水對(duì)土壤含水量有一定的補(bǔ)給，該降水結(jié)束后兩天，第二場(chǎng)產(chǎn)流降水開(kāi)始，2號(hào)洪水實(shí)測(cè)流域雨前土壤含水量與1號(hào)洪水相比增加7.6%，初損量相對(duì)減少;此外該區(qū)產(chǎn)流方式屬于超滲產(chǎn)流，即雨強(qiáng)大于下滲強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生地面徑流，2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水主峰與1號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水峰值相比偏前(圖3)，產(chǎn)流降水的相關(guān)參數(shù)(表1)顯示，1號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水在次降水量、最大30 min雨強(qiáng)、降雨侵蝕力上大于2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水，但由于降水歷時(shí)過(guò)長(zhǎng)，該場(chǎng)降水的平均雨強(qiáng)小于2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水，雨型差異導(dǎo)致2號(hào)洪水初損持續(xù)時(shí)間短于1號(hào)洪水，流域產(chǎn)流提前。

表1 二老虎溝小流域產(chǎn)流降水參數(shù)

2.2 徑流輸沙特征

二老虎溝沉積旋回樣對(duì)應(yīng)的場(chǎng)次洪水徑流泥沙過(guò)程(圖3)顯示，場(chǎng)次洪水的徑流泥沙過(guò)程為單峰過(guò)程，峰現(xiàn)時(shí)間一致，流域場(chǎng)次洪水的徑流泥沙過(guò)程在時(shí)間上具有協(xié)同性。

圖3 二老虎溝小流域降水—徑流—泥沙關(guān)系

1號(hào)洪水的洪峰流量為0.65 m3/s，洪水歷時(shí)為75 min，最大含沙量為318.9 kg/m3;2號(hào)洪水的洪峰流量為0.408 m3/s，洪水歷時(shí)為50 min，最大含沙量為195.3 kg/m3。徑流作為小流域泥沙運(yùn)移的主要載體，影響流域輸沙過(guò)程，根據(jù)兩場(chǎng)洪水的流量過(guò)程線和含沙量過(guò)程線推求了兩次洪水的徑流量和輸沙量，計(jì)算結(jié)果顯示1號(hào)洪水為主要產(chǎn)流產(chǎn)沙洪水，該場(chǎng)洪水對(duì)應(yīng)的徑流量為826.1 m3，輸沙量為2.7 t;2號(hào)洪水產(chǎn)生的徑流量為308.9 m3，輸沙量為0.8 t。

2.3 泥沙源匯粒徑分布

二老虎溝小流域的壩地沉積旋回樣的粒徑分布顯示，兩場(chǎng)次洪條件下小流域泥沙淤積狀況存在差異，沉積旋回粒徑分級(jí)參照美國(guó)制土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分級(jí)結(jié)果(表2)顯示，二老虎溝小流域1,2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的沉積旋回層的主要粒徑為粉粒、中砂粒、細(xì)砂粒，上述3種粒徑占比達(dá)70%。

表2 二老虎溝小流域壩地泥沙沉積旋回顆粒分級(jí)

不同場(chǎng)次對(duì)應(yīng)的粒徑分布存在差異，2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的沉積旋回層的黏粒、粉粒、極細(xì)砂粒占比與1號(hào)洪水相比分別減少2.4%,9.5%,2.9%，與此同時(shí)細(xì)砂粒、中砂粒、粗砂粒的含量增加3.4%,8%,3.3%。2號(hào)洪水的沉積旋回樣與1號(hào)洪水的沉積旋回樣相比粒徑粗化。

二老虎溝小流域主要的侵蝕運(yùn)移物質(zhì)包含地表覆土及裸露砒砂巖，為探究壩地泥沙沉積旋回物質(zhì)來(lái)源，使用Weibull分布對(duì)二老虎溝小流域的地表覆土及裸露砒砂巖的粒徑分布曲線進(jìn)行擬合，粒徑經(jīng)驗(yàn)分布曲線采用各實(shí)測(cè)曲線均值，根據(jù)最小二乘準(zhǔn)采用差分進(jìn)化算法求得Weibull分布的最優(yōu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上擬合了二老虎壩地泥沙沉積旋回物質(zhì)來(lái)源的理論分布曲線(圖4)。擬合結(jié)果顯示實(shí)際分布與理論分布的均方誤差(MSE)均小于0.000 5，實(shí)際分布與理論分布的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均大于0.99，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果p<0.01，實(shí)際分布與理論分布顯著相關(guān)。裸露砒砂巖粒徑數(shù)據(jù)的理論分布曲線形狀系數(shù)β值為1.29，比例系數(shù)η均值為280.02;地表覆土粒徑數(shù)據(jù)的理論分布曲線形狀系數(shù)β值為0.95，比例系數(shù)η均值為118.48。

圖4 二老虎溝小流域主要的侵蝕運(yùn)移物質(zhì)顆粒分布函數(shù)擬合

河道淤積層作為小流域泥沙的匯，認(rèn)為其由不同的源按比例組合，以次洪條件下河道淤積層的顆粒區(qū)間分布函數(shù)作為待擬合函數(shù)，使用小流域地表覆土及裸露砒砂巖對(duì)應(yīng)的理論區(qū)間分布函數(shù)進(jìn)行線性擬合，根據(jù)最小二乘準(zhǔn)采用差分進(jìn)化算法求得沉積旋回層的物質(zhì)來(lái)源比例(圖5)。計(jì)算結(jié)果顯示，1號(hào)洪水與2號(hào)洪水的沉積旋回樣中侵蝕運(yùn)移物質(zhì)占比最高的為砒砂巖，但1號(hào)洪水與2號(hào)洪水的沉積旋回樣的侵蝕運(yùn)移物質(zhì)的占比存在差異，與1號(hào)洪水相比，2號(hào)洪水的砒砂巖占比增長(zhǎng)40.6%(表3)。

圖5 壩地泥沙沉積旋回粒徑區(qū)間占比擬合

表3 二老虎溝小流域沉積旋回層的物質(zhì)來(lái)源比例

3 結(jié) 論

降水作為二老虎溝小流域洪水事件的主要驅(qū)動(dòng)力，為流域產(chǎn)流產(chǎn)沙提供了初始動(dòng)力來(lái)源，選用次降水量、最大30 min雨強(qiáng)、降雨侵蝕力、平均雨強(qiáng)量化流域產(chǎn)流降水過(guò)程。分析結(jié)果表明1號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的次降水量、最大30 min雨強(qiáng)、降雨侵蝕力上大于2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水過(guò)程值，但由于降水歷時(shí)過(guò)長(zhǎng)，該場(chǎng)降水的平均雨強(qiáng)小于2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降水。2號(hào)洪水實(shí)測(cè)流域雨前土壤含水量與1號(hào)洪水相比增加7.6%，初損量相對(duì)減少，流域雨前土壤含水量及雨型差異是決定流域產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間和初損量的主因。徑流作為小流域泥沙運(yùn)移的主要載體，對(duì)流域輸沙過(guò)程具有影響，1號(hào)洪水徑流量、輸沙量分別為2號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的該值的2.7倍及3.4倍。

二老虎溝小流域的壩地沉積旋回樣的分析結(jié)果顯示，粉粒、中砂粒、細(xì)砂粒為二老虎溝小流域壩地沉積旋回樣的主要粒徑，占比達(dá)70%。兩場(chǎng)次洪條件下小流域泥沙淤積狀況存在差異，與1號(hào)洪水的沉積旋回樣相比，2號(hào)洪水的沉積旋回樣粒徑粗化。二老虎溝小流域主要的侵蝕運(yùn)移物質(zhì)包含地表覆土及裸露砒砂巖，分析結(jié)果顯示砒砂巖為1號(hào)洪水與2號(hào)洪水的沉積旋回樣中的主要侵蝕運(yùn)移物質(zhì)，但與1號(hào)洪水相比，2號(hào)洪水沉積旋回樣中的砒砂巖占比增長(zhǎng)，地表覆土占比減少。