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黄土区陡坡侵蚀过程试验研究

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黄土区陡坡侵蚀过程试验研究

土壤与环境2002,114356359HTTP//WWWENVIRONMENTSOILGDCNSOILANDENVIRONMENTALSCIENCESEMAILSESSOILGDCN基金项目中国科学院知识创新重大项目(KZCX11004)作者简介郑良勇(1977-),男,硕士,从事坡面侵蚀水动力学等方面的研究。EMAILZZLLYYSW163COM收稿日期20020410黄土区陡坡侵蚀过程试验研究郑良勇,李占斌,李鹏中国科学院、教育部、西北农林科技大学水土保持与生态环境研究中心,陕西杨凌712100摘要通过室内放水冲刷试验,结果表明,陡坡单宽径流能耗与单宽径流产沙率之间存在以下线性关系DR18672(ΔE0751),说明土壤的可蚀性参数为18672G/J,发生坡面细沟侵蚀的临界径流能耗为0751J/MS。坡面单宽径流能耗随流量增大而增加,随坡度变化呈抛物线趋势,临界坡度出现在21和24之间。坡面上各段面单宽径流能耗均随流量的增大而增加,随着坡度逐渐增加,坡面上部段面能耗渐增,中部段面渐减,下部较稳定。坡面各段面侵蚀产沙也有类似特征。此研究对于深入了解黄土高原陡坡土壤侵蚀过程和机理具有重要意义。关键词径流能耗;陡坡;产沙率中图分类号S157文献标识码A文章编号1008181X(2002)04035604黄土高原坡陡沟深,水土流失严重,尤其近年来陡坡开荒严重,更加剧了坡耕地侵蚀。细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要形式,其侵蚀量约占坡面总侵蚀量的701。因此研究陡坡细沟侵蚀对于防治坡耕地水土流失具有重要意义。细沟是在坡面径流差异性侵蚀条件下,在坡面上产生的一种小沟槽地形,其纵剖面与所在斜坡面一致,并能为当年犁耕所平复2。细沟侵蚀是降雨形成的坡面漫流在顺坡向下流动的过程中逐渐汇集成坡面股流并对坡面进行下切侵蚀,溯源侵蚀和侧蚀的过程。只有当坡面径流达到一定的水力临界后才可能发生细沟侵蚀,水力临界主要用径流量,佛汝德数,径流水流功率,径流剪切力等来描述。RAUWS和GOVERS研究发现,细沟侵蚀的临界条件可用有效剪切流速与土壤饱和粘滞力之间的线性关系表示,且试验结果表明,35CM/S的切应流速是细沟发生的水力学临界3。张科利则用佛汝德数FR≥1作为细沟发生的水动力临界。细沟水流对土壤的冲刷作用是几种作用的综合。ELLIOTANDLAFLEN把细沟水流的分散能力分为水流冲刷、沟头冲刷、水流淘刷崩塌和沟壁脱落四部分4。NEARING等认为细沟侵蚀是在水流的切应力大于土壤临界切应力且输沙能力大雨实际输沙率的条件下发生的,并提出以下模型DRDC1GS/TC1DCKΤΤC2其中,DR为径流分离率;DC为径流分离能力;GS为输移率;TC为输移能力;K为与土壤性能有关的土壤可蚀性参数;Τ为径流切应力;ΤC为临界切应力5。尽管目前对坡面细沟侵蚀的研究较多且取得丰硕成果,但上述研究一方面大多是在缓坡进行,难以直接适用于我国坡陡沟深的黄土高原,另一方面细沟发育是一个动态变化过程,细沟水流的水深、流速、切应力等水力要素时空变化很大,以往研究多用整个坡面的平均值来计算,这将不能确切反映细沟发育的实际过程,因此本文通过室内放水冲刷模拟试验利用径流能耗理论对坡面细沟侵蚀过程作一新的探讨。1材料与方法试验在中科院水土保持研究所降雨大厅利用可调坡度钢制土槽进行,土槽长5M、宽033M、深05M。试验流量按黄土高原暴雨发生频率在野外标准径流小区上产生的单宽流量换算到试验土槽上的流量得到,分别为25L/MIN、35L/MIN、45L/MIN、55L/MIN、65L/MIN五个流量,坡度采用15、18、21、24、27、30六级变化。试验土壤体积质量控制在125G/CM3左右,试验前土槽洒水使土壤表层达到饱和。每次实验用颜料示踪法分四个段面每分钟测量一次流速,沿土槽纵向依次确定12个点,每分钟在这些固定点位置用直尺测量水宽,水深由流量、流速和水宽计算获得。每次实验前后用温度计在稳流槽中测水温。在土槽出水口每隔一分钟接取泥沙样以烘干获得含沙量,接取全部径流泥沙样以计算侵蚀量。试验进行两个重复。试郑良勇等黄土区陡坡侵蚀过程试验研究357验填土为杨凌当地娄土,其粒径组成如表1所示。2结果与讨论21陡坡细沟发生的能量分析土壤侵蚀是降雨及降雨汇集的坡面水流对土壤作功的过程,因此必然遵循能量守恒定律。坡面径流在顺坡向下流动的过程中需要克服坡面摩擦力、水流内摩擦力作功,水流剪切分离土壤和携带输移土粒的过程实质上就是一个作功消耗能量的过程,对于一定的土壤来说,消耗相同的能量就会剥离相同的土粒。因此,我们可以通过分析坡面径流的能量变化运用径流能耗理论来研究坡面土壤侵蚀过程。设单宽径流在坡面顶端所具有的势能为E势ΡQGLSINΘ,动能为E动1/2ΡQV12,其总能量为EE势E动ΡQGLSINΘ1/2ΡQV123如果在理想状态下,径流到达坡面任何部位其总能量应该不变。但由于水流沿程要克服水土界面摩擦力和水流内摩擦力作功,一部分能量转化为热能散发掉,因此在坡面某一段面处径流实际的总能量与理想状态下有很大差异。设在坡面任一段面X处的动能为EX动,势能为EX势,总能量为EX,则EXEX动EX势ΡQXGLXSINΘ1/2ΡQXVX24其中Q为单宽流量(M2/S);Θ为坡度();L为坡长(M);LX为坡面任一段面X到坡脚的距离(M);V为坡面顶端流速(M/S);VX为段面处流速(M/S);G为重力加速度常数(98M/S2)。如设径流从坡面顶端到坡面上的任意段面X处消耗的能量为E耗,则E耗EEX5径流所消耗的能量一部分用于剥蚀分离土壤,另一部分消耗于携带输移土粒。因此坡面侵蚀产沙率与坡面径流能耗之间必然存在一定关系。如果我们假设单宽径流在单位长度坡面上的产沙率为DRG/MS,单宽径流在坡面上流过单位长度距离消耗的能量为ΔEJ/MS,点绘试验中DR与ΔE的关系得到图1。从图1中可以看出,不同坡度下单宽径流在单位长度坡面上的产沙率与单宽径流在坡面上流过单位长度距离消耗的能量之间存在很好的线性关系。我们用下式表示这种关系DRKRΔEE06其中KR为与土壤性质有关的可蚀性参数,不随坡度和流量变化;E0为发生细沟侵蚀的临界径流能耗;(ΔEE0)代表有效径流能耗,即实际作用于剥离输移土壤的能耗。该式表明只有当径流的能耗大于临界径流能耗时,坡面才会产沙,且产沙率与有效径流能耗呈正比。对上图各点趋势进行拟合,可得以下关系式DR18672ΔE0751R209327上式表明在试验范围内,所选用土壤的可蚀性参数为18672G/J,即在试验条件下单宽径流消耗1J的能量在单位长度坡面上产沙为18672G。发生坡面细沟侵蚀的临界径流能耗为0751J/MS。利用(7)式我们可以在已知坡面径流能耗的情况下推算出坡面的产沙率,这对我们了解细沟发生的时空变异特征具有重要意义。从图2中可以看出,在相同的坡度下,流量越大,径流能耗越大,产沙率也愈大。这是由于在相同的坡度下,流量越大,径流总能量越大,对坡面的侵蚀加剧,消耗的能量也越多。在相同的流量下,径流能耗随坡度呈先增后减的抛物线趋势,其最大临界值出现在21和24之间。当流量相同时,坡度越陡,径流总能量越大,对坡面的侵蚀越剧烈,消耗的能量应该越多。但是另一方面,坡度越大,土壤沿坡面方向的重力分力越大,土粒稳定性越差,消耗较少的能量就可以剥离起动土粒,因此径流能耗反而减少。由图中可知,当坡度由15增加到21时,径流能耗随之增加;当坡度大于24时,径流能耗则随坡度呈递减趋势,即径流能耗变化的临界坡度在21和24之间。此临界坡度随着流量的变化略有差异,这种现象可能与坡度和流量对坡面径流能量的影响以及土壤抗冲性的综合作用有关。表1试验土壤的粒径组成粒径/MM1025025005001000500500100050001<0001百分比/012270688411312893628图1单宽径流产沙率与单宽径流能耗关系02040608010012001234567△E/JM1S1DR/GM1S1151821242730358土壤与环境第11卷第4期(2002年11月)22坡面侵蚀分异布特征分析径流顺着坡面向坡下方流动的过程,对坡面土壤产生剪切分离作用,剥离输移土壤并消耗能量。在坡面不同位置由于径流对土壤的侵蚀作用各异,因此径流能耗在坡面上不同段面具有空间分异特征。另一方面,随着试验时间的延续,在坡面上形成不同的侵蚀阶段,土壤侵蚀形态各异,消耗的能量也不同,所以坡面径流能耗也具时间分异特征。在试验中将整个坡面平均分为4个段面,每个段面每一分钟分别量测其流速和水宽,由此我们可以分别计算各个段面的径流能耗。图3是不同坡度和流量条件下各段面径流能耗的变化图。在图中横坐标为流量和坡度的综合指标,即25/15代表坡度为15流量为25L/MIN,依次类推;段面1在坡面下部与出水口相连,向坡上方依次为段面2、段面3,坡面最上部为段面4。从图中可以看出在相同的坡度下,随着流量的增加,各段面径流能耗也增大。这是因为随着流量的增加,在相同的坡度下径流总能量也增大,对坡面的侵蚀力加剧,侵蚀量增大,消耗的能量越多。坡度为15时,段面3的能耗最大,段面1段面2其次,面4能耗最小。随着坡度的增加,段面4的能耗逐渐增大,段面的能耗3则逐渐减小。当坡度增加到21时,段面1段面2和段面3的能耗基本相同。坡度大于24时,段面3的能耗继续降低。这说明坡度较小时,径流在第四段面初始能量较小,须经过一段距离加速到达段面3时,能量才达到最大值,此时对坡面的冲刷力最大,径流能耗也最大。随着坡度的增加,径流能量在段面4便达到最大,对坡面上部土壤产生剧烈侵蚀,消耗大量能量,产生大量泥沙;因此当径流到达段面3时,主要以输移泥沙为主,对坡面的剥蚀分离作用减弱,消耗的能量减少。坡度越陡,这种情况越明显。在坡面下部的1、2段面,径流对土壤的分离输移作用比较稳定,随坡度变化不大。根据上面所述的理论,在已知各段面径流能耗的情况下,可以根据拟合的公式来推算各段面产沙率,由此可以了解坡面产沙的时空分布特征、细沟的发生发育过程以及坡面剥蚀、输移和沉积的相互转化规律。图4是根据各段面能耗利用拟合公式求算的坡面各段面产沙随坡度流量的变化图。由图中可以看出,在不同坡度下,随着流量的增大,各段面的产沙率均增大。这是因为坡度相同时,流量越大,径流总能量越多,对坡面的剪切分力作用越强,产沙率也越大。在坡度为15时,段面3产沙率最大,随着坡度的增加,段面3的产沙率逐渐降低,段面4的产沙率则渐增。另外,当坡度15由增加到18时,段面1和段面2的产沙率出现负值,说明此处泥沙沉积量大于剥蚀量,出现泥沙净沉积。当坡度为24流量为25L/MIN时,段面3也开始出现净沉积。随着坡度的继续增大,段面3的净沉积逐渐增多。由图中可知,坡面下部净沉积一般发生在每个坡度的较小流量时,并且坡度越大,发生净沉积的坡面越多。究其原因是因为流量较小时,径流能量较小,没有足够的能量将在坡面图3各段面径流能耗随坡度流量变化图图2单宽径流能耗随坡度变化图4各段面侵蚀产沙变化图0510152025303525/1555/1535/1865/1845/2125/2455/2435/2765/2745/30流量/坡度能耗△E/JM1S1段面4段面3段面2段面1200100010020030040050060025/1565/1555/1845/2135/2425/2765/2755/30流量/坡度产沙率/(GM1S1断面4断面3断面2断面101234567151821242730坡度/O△E/JM1S125L/MIN35L/MIN45L/MIN55L/MIN65L/MIN郑良勇等黄土区陡坡侵蚀过程试验研究359上部剥蚀的土壤带出出水口,因此在坡面下部出现净沉积。随着坡度的增加,一方面径流在坡面上方具有的能量越多,对段面4的侵蚀越大,消耗的能量越多,产生的泥沙越多;另一方面要把这些泥沙都带走需要更多的能量,这是一个矛盾统一的过程。在坡面上部产生的泥沙越多,消耗的能量就越多,因此径流用于输移泥沙和在下部段面剥蚀土壤的能量就越少,在下部段面出现泥沙净沉积。当泥沙部分沉积后,径流用于输移泥沙消耗的能量减少,从而有更多的能量用于剥离土粒,段面产沙率便相应增大。因此在坡度为27和30时,段面3的产沙率小于段面1和段面2。3结论(1)试验的研究结果表明坡面单宽径流能耗与单宽径流输沙率之间存在良好的线性关系,表达式为DR18672(ΔE0751),所选用土壤的可蚀性参数为18672G/J,发生坡面细沟侵蚀的临界径流能耗为0751J/MS。(2)面单宽径流能耗随流量增大而增加,随坡度的变化抛物线趋势,临界极值坡度出现在21和24之间。(3)坡面上各段面单宽径流能耗均随流量的增大而增加,随着坡度逐渐增加,坡面上部段面能耗渐增,中部段面渐减,下部较稳定。由此反映坡面各段面侵蚀产沙也有类似特征。参考文献1朱显谟黄土高原水蚀的主要类型及其有关因素J水土保持通报,1981413182郑粉莉,高学田黄土坡面土壤侵蚀过程与模拟M陕西人民出版社,2000893RAUWSG,GOVERSGHYDRAULICANDSOILMECHANICALASPECTSOFRILLGENERATIONONAGRICULTURALSOILSJSOILSCIENCES,1988,391111244ELLIOTWJ,LAFLENJMAPROCESSBASEDRILLEROSIONMODELJTRANSOFTHEASAE,1993,3665725NEARINGMA,FOSTERGR,LANELJAPROCESSBASEDSOILEROSIONMODELFORUSDAWATEREROSIONPREDICTIONPROJECTTECHNOLOGYJTRANSOFASAE,1989,32515871593STUDYONTHEEROSIONPROCESSINSTEEPSLOPEONLOESSSLOPEZHENGLIANGYONG,LIZHANBIN,LIPENGRESEARCHCENTEROFSOILANDWATERCONSERVATIONANDECOLOGICALCONSTRUCTION,CHINESEACADEMYOFSCIENCES,EDUCATIONMINISTRY;NORTHWESTSCITECHUNIVERSITYOFAGRICULTUREFORESTRY,YANGLING,SHAANXI712100,CHINAABSTRACTTHERESULTSOFRUNOFFSCOURINGEXPERIMENTSSHOWTHATTHERELATIONSHIPBETWEENUNITWIDTHRUNOFFENERGYCONSUMPTIONANDUINTWIDTHSEDIMENTPRODUCTIONISDR18672ΔE0751THEPARAMETEROFSOILANTIERODIBILITYIS18672G/JANDTHECRITICALENERGYCONSUMPTIONIS0751J/MSTHEUNITWIDTHRUNOFFENERGYCONSUMPTIONINCREASEDWITHTHEFLOWDISCHARGEINCREASINGBUTCHANGEDINPARABOLAFORMTHECRITICALSLOPEISBETWEEN21AND24THEENERGYCONSUMPTIONINTHEUPPERSECTIONOFTHESTEEPSLOPEINCREASEDWITHTHEDISCHARGEOFFLOWANDSLOPEANDDECREASEDINTHEMIDDLESECTIONOFTHESLOPEBUTSTABLEINLOWSECTIONTHESEDIMENTPRODUCTIONRATIOHASTHESAMECHARACTERISTICTHISRESEARCHMAYBEUSEFULTOUNDERSTANDTHEEROSIONPROCESSANDMECHANICINSTEEPSLOPEONLOESSSLOPEKEYWORDSRUNOFFENERGYCONSUMPTION;STEEPSLOPE;SEDIMENTPRODUCTIONRATIO

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