變流量對淺溝侵蝕產(chǎn)沙和水動力參數(shù)的影響

郭軍權(quán)，王文龍

(1.延安職業(yè)技術(shù)學院,716000,陜西延安;2.中國科學院 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,712100,陜西楊凌)

淺溝是黃土高原坡面上一種特殊的微地貌。淺溝不僅是坡面侵蝕的主要沙源地，也是上方水沙及點、面源污染物進入永久性溝道及河流的運輸通道[1]?？岛榱恋萚2]研究黃土丘陵區(qū)典型坡耕地淺溝在不同坡度及放水流量條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕形態(tài)特征。徐錫蒙等[3]研究了秸稈覆蓋等因素對淺溝侵蝕產(chǎn)沙的影響，秸稈覆蓋有效減少坡面侵蝕量。吳桐嘉等[4]研究了降雨和匯流條件下淺溝侵蝕影響。李宏偉等[5]研究14°淺溝中非恒定流對淺溝產(chǎn)沙和水動力學參數(shù)影響。國外對淺溝侵蝕發(fā)生的地形臨界[6]、淺溝過程及其影響因素[7]開展了研究。Capra等[8]對意大利西西里地區(qū)某流域進行12 a野外觀測，淺溝形成的最大3 d降雨量臨界值為51 mm。Nachtergaele等[9]使用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜏\溝侵蝕模型 EGEM(ephemeral gully erosion model)對淺溝侵蝕進行預(yù)測發(fā)現(xiàn)，EGEM 模型的預(yù)測效果極差，經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測結(jié)果有較高的可信度。以上國內(nèi)外學者對坡面淺溝侵蝕產(chǎn)沙機理及影響因素進行了研究，并取得一定的成果[10-11]，但對易發(fā)生淺溝侵蝕產(chǎn)沙的坡面上放水沖刷試驗研究較少，而對在該坡面上變流量的淺溝徑流侵蝕產(chǎn)沙研究鮮有報道?？岛榱恋萚2]研究發(fā)現(xiàn)26°左右是黃土高原淺溝發(fā)生最快，侵蝕最嚴重的坡度，因此筆者選擇26°坡面淺溝進行研究，擬通過研究變流量對坡面淺溝侵蝕產(chǎn)沙及水動力學參數(shù)的影響，為黃土高原坡面淺溝侵蝕的水土流失治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于延安市燕溝小流域，海拔900 m左右，地處E 109°21′～110°05′、N 36°12′～37°10′，之間，屬大陸性氣候，雨熱同期，四季分明，年降水量550 mm，多暴雨，且集中在夏季。地形多丘陵梁卯結(jié)構(gòu)，土壤為黃綿土，砂粒(0.020～2.000 mm)、粉粒(0.002～0.020 mm)和黏粒(<0.002 mm)質(zhì)量分數(shù)均值分別為8.1%、68.2%和23.7%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)1.1%,土壤密度在1.14～1.25 g/m3之間，上層土質(zhì)松軟，易受降雨沖刷侵蝕，屬我國典型水土流失區(qū)。

2 材料與方法

2.1 試驗布設(shè)

試驗小區(qū)位于燕兒溝流域具有淺溝發(fā)育的陽坡坡面。選取坡度為26°寬1.2 m、長10 m，土壤含水量、密度、下墊面等性質(zhì)均相同的3個試驗小區(qū)做重復(fù)試驗。小區(qū)兩側(cè)用高40 cm、厚度1 mm的薄鋼板插入地面以下20 cm圍擋。水源為山上水窖，通過水泵抽水到小區(qū)上方儲水箱，為確保水流均勻流入試驗小區(qū)，在小區(qū)上方安裝與小區(qū)寬度相等、頂部緊貼地面、嵌入地面以下的穩(wěn)流槽裝置，穩(wěn)流槽長1.0 m、寬1.2 m、深0.5 m。穩(wěn)流槽出口接觸的小區(qū)上方用紗布平鋪，防止水流對小區(qū)上方?jīng)_刷影響試驗水流速度，小區(qū)末端安裝集流槽，集流槽下方放置標準徑流桶采集小區(qū)泥沙樣品。儲水箱與穩(wěn)流槽之間安裝手動閥門用以控制流量的大小，試驗前對流量標定3次取均值。試驗開始后，當徑流泥沙到達集流槽時，開始記時，并用標準徑流桶采集徑流泥沙樣，前3 min內(nèi)每1 min采樣1次，每次采樣時間為1 min；3 min后每隔3 min采樣1次，每次采樣時間為3 min，試驗進行20 min后，流量從5、10、15和20 L/min變?yōu)?0、15、20和25 L/min，分別用5～10、10～15、15～20和20～25 L/min 4個流量級表示，設(shè)計產(chǎn)流時間40 min。沖刷試驗重復(fù)3次，所有測量指標數(shù)據(jù)取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

流速采用電解質(zhì)離子電導(dǎo)示蹤法測量[12]：在離淺溝上方距溝頭2 m處放置KCl溶液自動注入裝置，在距離電解質(zhì)注入點0.5 m處放置第1組電導(dǎo)傳感器，以后每隔1 m放置1組，放置總組數(shù)為6組，流速每5 min測1次。用測針法測量斷面水深，用卡尺直接測量水面寬度，溫度計測量水溫。取樣后，采用烘干質(zhì)量法測含沙量、產(chǎn)沙率——將所取徑流泥沙樣在105 ℃烘箱內(nèi)烘干，用精度為0.01 g電子稱稱取干泥沙質(zhì)量，用標準徑流桶體積法測流量。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010與SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析和繪圖處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 變流量對淺溝徑流產(chǎn)沙率的影響

變流量下產(chǎn)沙率隨時間的變化見圖1?？梢?， 在5～10、10～15、15～20和20～25 L/min 4種流量下，除5～10 L/min產(chǎn)沙率一直平穩(wěn)外，其他變流量下，產(chǎn)沙率存在相同規(guī)律，變流量前：產(chǎn)沙率先增大—到達最大值—減小—趨于穩(wěn)定，變流量后，產(chǎn)沙率小幅度回升—減小—趨于穩(wěn)定，變流量前后產(chǎn)沙率大小不同但趨勢相似，均表現(xiàn)為先增大-減小-穩(wěn)定。主要是因為當流量5～10 L/min時，水流的侵蝕、剝離、搬運能力有限，水流的動能不足以把侵蝕、剝離的泥沙輸送到下游，導(dǎo)致產(chǎn)沙率增加不明顯；當10～15、15～20和20～25 L/min，水流動能增加，滿足侵蝕、剝離和搬運所需的能量，這時較多的泥沙被侵蝕、剝離、搬運到下游，產(chǎn)沙率增大。隨者易侵蝕表層土壤被侵蝕、搬運，淺溝溝槽逐漸向縱深發(fā)展，向下逐漸到達堅硬的犁底層土壤，土壤顆粒剝離困難，侵蝕減小，左右兩側(cè)使淺溝溝槽不斷加寬，即使流量增大，水流的侵蝕力和動能增大，也會被溝槽的縱深發(fā)展的坑穴所阻擋緩沖而減弱，變流量后產(chǎn)沙率不會出現(xiàn)較大增加。由表1可見試驗4種變流量情況下，最大產(chǎn)沙率規(guī)律：變流量前>變流量后，變流量后產(chǎn)沙率并沒有隨著流量的增大而發(fā)生較大增加，與變流量前相比，變流量后平均產(chǎn)沙率和最大產(chǎn)沙率分別減小8.8%～53.5%和4.8%～66.5%；變流量前各流量產(chǎn)沙率最大值分別出現(xiàn)在試驗6、6、3和2 min，其值分別為894.32、2 914.36、4 453.71和5 348.28 g/min，變流量后出現(xiàn)在24、27、24和22 min，其值分別為：851.68、1 187.45、1 493.49和1 854.92 g/min，各流量變流量前產(chǎn)沙率最大值均大于變流量后。

圖1 不同變流量下產(chǎn)沙率與時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between sediment yield and time under different variable flow

表1 試驗流量改變前后的產(chǎn)沙率Tab.1 Sediment yield before and after change of test flow

3.2 變流量含沙量與時間的關(guān)系

點繪變流量含沙量隨時間變化如圖2，可見，除5～10 L/min改變流量前后含沙量變化值不大外，10～15、15～20和20～25 L/min流量下，變流量前后，含沙量趨勢一致，均表現(xiàn)為：開始增大—達到最大值—波動減小—趨于穩(wěn)定。從表2可知，變流量前后含沙量也存在不同的地方，5～10、10～15、15～20和20～25 L/min流量下，變流量前含沙量均大于變流量后含沙量，且平均含沙量、最大含沙量較變流量前分別減小31.9%～55.7%和42.6%～69.0%，最大含沙量出現(xiàn)的時間為：變流量前第1、6、3和2 min，其最大值在0.068～0.39 g/mL之間，變流量后第21、21、24和24 min，最大值在0.039～0.168 g/mL之間。分析原因主要是試驗初期土壤表面光滑泥沙運輸阻力小，易被侵蝕、搬運，且可供侵蝕的泥沙多，徑流泥沙含量大；變流量后，流量增大，徑流動能和剝蝕力增加，含沙量出現(xiàn)短暫增大現(xiàn)象，但由于淺溝表面被侵蝕和剝離，出現(xiàn)較多跌坑，部分泥沙被搬運至跌坑或坑穴中沉積，加之坑穴的存在延長坡長，使徑流動能逐漸減弱，同時流量增大單位體積中的泥沙量相對減小，最終結(jié)果雖然流量增大也未給含沙量帶來較大貢獻。

圖2 不同變流量下含沙量與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between sediment concentration and time under different variable flow

表2 試驗流量改變前后的含沙量Tab.2 Sediment concentration before and after change of test flow

3.3 變流量對淺溝徑流流速的影響

圖3是變流量流速隨時間的變化關(guān)系圖?？梢?，變流量前后，流速均隨時間變化波動減少，變流量后流速雖有增加，但又迅速減小，最后趨于穩(wěn)定，變流量后最大流速和平均流速小于變流量前，變流量前流速的減小量大于變流量后的流速的減小量。具體表現(xiàn)為：變流量前0～20 min內(nèi),流量為5、10、15和20 L/min時，流速隨時間的變化，從0.445、0.529、0.643和0.721 m/s減小到0.248、0.354、0.409、和0.525 m/s，分別減小44.2%、33.1%、36.4%和27.3%；變流量后21～40 min內(nèi),流量為10、15、20和25 L/min時，流速從0.353、0.460、0.493和0.559 m/s分別減小到0.259、0.330、0.401和0.465 m/s，分別減小26.7%、28.4%、18.6%和16.7%；與變流量前相比，變流量后的平均流速分別減少6.8%～18.1%。流速在變流量前后主要變化的原因是試驗初期淺溝表面平滑，流速較快，隨著淺溝內(nèi)徑流侵蝕的發(fā)生，溝槽內(nèi)會出現(xiàn)沖蝕坑，表面變得不平整， 溝槽被沖刷侵蝕向縱深發(fā)展，徑流水流能量被溝底小坑和溝壁阻擋而衰減，并且相同時間內(nèi)水流經(jīng)過路程變長，阻力增大，流速變慢；另外開始時水流入滲較多，經(jīng)過淺溝表面的徑流減少，水流的動能主要用來搬運侵蝕的泥沙，導(dǎo)致流速變慢；變流量后，流量增大，徑流動能增大，流速出現(xiàn)短暫增大，但由于淺溝邊坡和溝底侵蝕加劇，導(dǎo)致淺溝深寬增加，同一截面水層變薄，易受粗糙不平下墊面阻擋，流速不斷降低。

圖3 不同變流量下流速與時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between velocity and time under different variable flow

3.4 變流量對淺溝徑流阻力系數(shù)的影響

點繪的阻力系數(shù)隨時間的關(guān)系如圖4， 在5～10 、10～15、15～20和20～25 L/min流量前后，阻力系數(shù)在試驗整個過程波動增大(圖4)，除40 min時，10～15 L/min的阻力系數(shù)超過5～10 L/min外，其余各時間點阻力系數(shù)大小順序是：5～10 L/min>10～15 L/min>15～20 L/min>20～25 L/min。變流量前各流量0～20 min內(nèi)，阻力系數(shù)變換規(guī)律為先增大，15 min達到最大，最大值分別為0.86、0.77、0.50和0.34，隨后減??；變流量后，阻力系數(shù)從21 min后又不斷增大，40 min達到最大值，分別為1.19、1.29、0.97和0.62，變流量后較變流量前阻力系數(shù)增加1.55～2.55倍，整個試驗時間變流量前后阻力系數(shù)持續(xù)波動增大。

圖4 不同變流量下阻力系數(shù)與時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between resistance coefficient and time under different variable flow

4 討論

筆者選擇26°淺溝進行研究，主要是因為張科利等[13]、龔家國等[14]、康宏亮等[2]和郭軍權(quán)等[15]的研究發(fā)現(xiàn)26°左右是黃土高原淺溝發(fā)生最快，侵蝕最嚴重的坡度，因此對坡面為26°淺溝進行產(chǎn)沙規(guī)律研究對黃土高原水土流失具有現(xiàn)實意義。在變流量條件下，系統(tǒng)研究變流量對淺溝產(chǎn)沙率、含沙量、流速和阻力系數(shù)等產(chǎn)沙和水動力學參數(shù)的影響。結(jié)果表明變流量前后淺溝侵蝕的產(chǎn)沙率、含沙量隨時間的變化規(guī)律均表現(xiàn)為增大—波動減小—趨于穩(wěn)定，研究結(jié)果與康宏亮等[2]研究結(jié)果中2種趨勢“波動遞減—穩(wěn)定”和“增大—波動減小—穩(wěn)定”后一種趨勢的結(jié)果相同。變流量前的產(chǎn)沙率、含沙量均大于變流量后，主要是因為淺溝表層土壤疏松，易侵蝕，可供侵蝕的土壤量大，開始時產(chǎn)沙率和含沙量均較大，試驗發(fā)生一段時間后，表層易侵蝕土壤基本被消耗掉，侵蝕已經(jīng)達到犁底層，土層密實，較難侵蝕和搬運，即使增大流量對產(chǎn)沙率和含沙量的影響較小，說明淺溝徑流產(chǎn)沙率、含沙量的大小主要取決于坡面淺溝內(nèi)容易被侵蝕的土壤量。出現(xiàn)以上規(guī)律也有可能是試驗采用的放水流量較小，未達到引起溝底和溝邊發(fā)生侵蝕所需的剝蝕力和能量的臨界流量值，因此即使試驗后期增大流量值也未出現(xiàn)2次較大侵蝕量，由于條件限制，這一點還需要以后進一步研究。變流量前后流速和阻力系數(shù)的變化正好相反，說明流速越小阻力系數(shù)越大，研究結(jié)果與李宏偉等[5]的研究結(jié)果一致，李宏偉研究條件坡度為14°，將非恒定流和恒定流兩個試驗數(shù)據(jù)進行比較，本研究是26°條件下，變流量前后阻力系數(shù)和流量的變化，從同一試驗變化流量前后進行研究，不存在不同試驗之間的各種影響因素干擾，比李宏偉研究在試驗設(shè)計方面更進了一步。當侵蝕發(fā)生一段時間后，變大流量,產(chǎn)沙率、含沙量、流速和阻力系數(shù)所受影響均有共同點：改變流量前放水量對產(chǎn)沙率、含沙量、流速和阻力系數(shù)的改變均大于變流量后放水流量對其的影響。

5 結(jié)論

1)變流量對產(chǎn)沙率、含沙量的影響。當流量為5～10 L/min時，變流量前后產(chǎn)沙率、含沙量隨時間變化不大，流量為10～15、15～20和20～25 L/min時，產(chǎn)沙率、含沙量隨時間變化在變流量前后存在相同規(guī)律：增大—到達最大值—減小—穩(wěn)定。產(chǎn)沙率、含沙量隨著變流量后流量的增大而未發(fā)生較大增加，與變流量前相比，變流量后平均產(chǎn)沙率和最大產(chǎn)沙率分別減小8.8%～53.5%和4.8%～66.5%；平均含沙量和最大含沙量較變流量前分別減小31.9%～55.7%和42.6%～69.0%。整個試驗時間內(nèi)產(chǎn)沙率和含沙量總趨勢先增大后波動減小。

2)變流量對流速、阻力系數(shù)的影響。整個試驗時間內(nèi)流速波動減少，變流量前流速的減小量大于變流量后的流速的減小量，變流量后流速雖有增加，但最大流速和平均流速均小于變流量前，與變流量前相比，變流量后的平均流速分別減少6.8%～18.1%。變流量前后，阻力系數(shù)在試驗整個過程波動增大，變流量后較變流量前阻力系數(shù)增加了1.55～2.55倍。