水利工程论文-黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究.doc

水利工程论文-黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究摘要：利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据计算了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。关键词：黄土坡面细沟重力侵蚀中值时间重力侵蚀是指地表物质在重力作用下，分散地或成块地、急速地或缓慢地向下移动的过程，主要表现形式有土的蠕动、松散物的滑动、松散物的流动和崩塌等1。重力侵蚀直接或间接地向河道输送了大量的泥沙，是流域土壤侵蚀和河流泥沙来源的主要物理过程之一，并在区域地貌演化中扮演了一个十分活跃的角色24。由于重力侵蚀的发生具有很大的随机性，其产沙量也较难测定，相对水力侵蚀来说，对于重力侵蚀的认识还很不够。早期的研究成果多集中在重力侵蚀与地形、地表物质组成、植被、气候等因素间的5，定量的研究结果较少。近年来，随着人们认识的不断加深及相关研究方法与技术的应用，重力侵蚀的研究取得了很大的进展。例如，在地理信息系统的支持下，采用一定的研究指标分别得出了黄土高原1:400万重力侵蚀分区图及黄河中游重力侵蚀最小图斑等2,6；结合14C法测量的阶地年龄，通过判读遥感影像提取不同发育阶段的沟谷形态，得到了第四纪以来谷坡后退所反映出的以重力侵蚀为主的侵蚀模数和侵蚀强度增强的加速度7。此外，一些其它方法(如模糊聚类等)也在流域重力侵蚀区划研究中得到了广泛应用8。在有关重力侵蚀研究中，对于较小尺度下的重力侵蚀过程(如细沟发育过程中沟岸及沟头的崩塌滑塌的变化规律等)的研究较少。深入开展这方面的研究有助于加深了解坡面形态变化过程和细沟侵蚀产沙机理，为在不同坡面发育阶段有针对性地采用相应的水土保持措施和减少坡面水土流失提供科学的依据。为此，本文采用实验方法对黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行探索。1实验概况实验在中国科学院水利部西北水保所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。实验中人工模拟降雨方式为侧喷，雨滴降落高度为16m，雨强为1.5mm/min。为检测实验结果的稳定性，采用两组独立进行的平行实验，每组实验分为9个场次。第一场实验的初始地形为水平投影长度为5m，宽度为1.5m，坡度为20度的直形坡，其后每一场的初始地形均为前一场的终极地形，这样可使坡面细沟得到充分发育，并便于观测不同细沟发育阶段下重力侵蚀的特点及其变化过程。实验中各场降雨历时均为90min，降雨场次间隔为1天。为了分析雨滴击溅在整个坡面发育过程中的作用，对其中一组实验采用纱网覆盖法来消减雨滴击溅的影响。纱网网眼为2mm，覆盖高度为垂直坡面高10cm处。在文中的以后部分将有雨滴击溅直接影响的一组实验称为A组实验；将有纱网覆盖的一组实验称为B组实验。表1各场降雨前坡面土壤含水量及雨强率定降雨场次土壤含水量(%)雨强/(mm/min)B坡面B坡面B坡面B坡面12345678911.122.622.622.624.425.626.825.826.316.228.026.927.025.624.525.627.040.21.511.541.581.601.481.441.481.531.491.521.471.521.541.571.494.501.481.53为了解各场降雨雨强的稳定性及坡面土壤含水量变化，各场降雨开始前分别采用雨量计法和环刀法测量降雨雨强与坡面土壤含水量，结果见表1。可以看出除第一场降雨外，各场降雨前坡面土壤含水量差别不大，各场降雨的雨强也基本一致，误差在10%以内。由于重力侵蚀在发生时间上具有一定的随机性，目前尚缺乏有效的方法与仪器测量重力侵蚀的产沙量，本文尝试采用实验观测现象与水沙测量相结合的方法，将重力侵蚀产沙部分从坡面侵蚀泥沙的总量中区分出来。因此，实验中除利用采样法对坡面出口处的流量、输沙率和含沙量进行测量外，还对细沟发育过程中的重力侵蚀现象进行了观测记录，并全程对A坡面细沟发育过程进行了录像。这样便可将坡面上发生的重力侵蚀现象与水槽出口处的水沙变化进行对比，以此来帮助识别重力侵蚀的影响。2实验结果考虑到伴随坡面细沟发育过程中的流量、输沙率与含沙量变化及其三者之间的关系，本文只给出各场降雨流量与含沙量的观测结果，见表25。坡面产流主要受降雨及入渗等因素的影响。已有的研究表明9，坡面入渗主要遵循霍顿公式，入渗量随时间递减。在降雨初期，由于坡面初始含水量较小，入渗量较大，产流量较小，其后随着坡面土壤含水量的增大，入渗量减少，产流量增大。除入渗变化外，受实验条件限制，控制雨强的水压在一定范围内的随机波动也是造成产流量波动的一个原因。采用方差分析对各场降雨过程中的产流量进行比较，结果表明各场实验的产流量在0.05显著水平不存在明显差异，应该说各场降雨的径流量波动控制在合理的范围内。与产流量相比，产沙量的波动要剧烈很多。实验中含沙量最小为0.01g/ml，最大为0.47g/ml,相差近50倍。侵蚀动力不同是造成含沙量差别如此之大的主要原因，而其中重力侵蚀又是导致坡面高含沙水流的主要原因。表2A坡面各场实验流量变化(ml/s)时间/min实验场次123456789102030405060708090113.1124.4139.0128.9134.3142.9151.1151.2123.3130.0148.6133.3141.7130.0130.6133.3137.8141.9129.4144.1153.8140.3151.3137.1151.6145.7136.8117.6148.7169.6138.6202.9132.4132.5129.7126.6121.2109.7120.0131.3132.4134.2129.3129.4125.0121.1110.3111.8127.3119.5130.0115.6117.5130.0128.6131.0133.3141.4142.6146.0138.2150.0159.3135.0132.3137.5127.1135.9136.2148.7171.4148.6104.0113.0128.6105.6141.5135.1153.9180.0161.8表3B坡面各场实验流量变化(ml/s)时间/min实验场次123456789102030405060708090142.9123.9135.1127.0140.5132.8142.9135.1148.7159.7134.4141.1156.3159.4167.7145.3207.4167.9142.2156.3166.1148.3150.0146.7146.7183.9187.0140.6160.6174.2150.0145.0182.8156.7154.8165.6111.1135.5145.2140.6140.0151.5151.4158.1158.8122.6110.8110.3121.9125.0118.2114.5131.3122.7153.3166.7154.8169.1164.5166.7185.0173.2185.7137.1151.7162.5136.7156.7161.1161.3160.0164.1158.1158.6174.2166.7173.3156.5183.3165.6164.5表4A坡面各场实验含沙量变化(g/ml)时间/min实验场次1234567891020304050607080900.010.010.010.010.020.040.080.110.080.100.110.080.080.040.100.130.140.180.130.110.140.160.250.250.260.210.200.090.200.300.090.340.070.060.070.070.060.040.050.060.130.130.130.070.050.030.030.030.030.030.040.040.040.040.020.030.030.030.050.030.030.040.210.070.070.080.050.050.030.100.180.070.060.040.040.040.040.110.090.240.13表5B坡面各场实验含沙量变化(ml/s)时间/min实验场次1234567891020304050607080900.010.010.010.010.010.010.010.010.010.010.010.020.040.200.180.160.370.470.050.080.170.120.120.080.240.240.260.090.130.170.100.080.160.050.070.050.010.020.050.030.020.030.030.020.050.020.010.010.010.020.040.030.060.020.010.030.010.010.030.110.190.170.170.020.090.070.030.040.020.050.0500.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01详细记录细沟发育过程中发生的各种现象，尤其是崩塌、滑塌等重力侵蚀现象，有助于解释产沙过程中的波动，确定重力侵蚀产沙量及其变化。结合实验观测及录像资料，表6给出了部分场次明显的重力侵蚀现象及其对应的发生时刻。3重力侵蚀变化分析3.1重力侵蚀产沙量的确定确定重力侵蚀产沙量是定量分析重力侵蚀变化规律的基础。由于坡面出口处测得的沙量是由各种不同动力共同侵蚀产生的总量，因此需要将其中重力侵蚀产沙区分出来。通常在一定的地形条件和径流条件下，水力侵蚀所形成的含沙量应基本稳定，而重力侵蚀则具有很大的偶然性，其产沙量与崩塌体的大小、发生的频率等有关，在整个产沙过程中是一个随机变化的过程。从表4中含沙量的变化过程与表6中记录的重力侵蚀现象也可看出，当实验中未有重力侵蚀发生时，坡面出口的含沙量基本保持稳定；而当大块崩塌等重力侵蚀现象发生时，相应时刻坡面出口测量的含沙量也较高。因此，确定重力侵蚀产沙量及其变化的原则可以概括为：(1)水动力条件不变时，水力侵蚀量基本保持稳定；(2)实验过程中产沙量的波动主要与重力侵蚀有关；(3)超出水力侵蚀量的部分应为重力侵蚀产沙量。表6A坡面部分场次重力侵蚀现象记录降雨场次时间/min实验现象253号沟有小规模的崩塌，3号沟的发展抑制了1、2号沟的发展324号沟不断溯源前进，并伴有崩塌发生3493号沟头发生崩塌653、4号沟头不断发生崩塌851号沟头发生大块崩塌22沟头出现少量泥流548沟头发生大面积崩塌本实验中重力侵蚀自发生起一直持续到降雨结束6本次实验细沟基本未发育，无明显的重力侵蚀发生744号沟沟壁发生大面积崩塌9804号沟沟壁发生大面积崩塌854号沟沟壁发生大面积崩塌在统计分析中，变异系数是反映一组数据相对波动大小的一个常用参数，即：(1)式中：V为变异系数；与分别代表该组数据的均值与方差。变异系数越小则说明数据波动越小，即在降雨过程中越稳定。表7给出了两组实验各场降雨含沙量的变异系数，由表中可以看出，A坡面含沙量变异系数在第六场最小，而B坡面则在第九场，即这两场实验含沙量基本稳定，可以认为整组实验中这两场降雨过程中重力侵蚀较少或没有发生，侵蚀方式以水力侵蚀为主。这与表6中的观测记录相吻合。表7含沙量、产流量变异系数及重力侵蚀对坡面总产沙量的贡献降雨场次含沙量变异系数产流量变异系数重力侵蚀产沙贡献A坡面B坡面A坡面B坡面A坡面B坡面12345678910835296551131085181421155337457011571120.120.060.080.190.090.070.070.100.190.090.110.110.120.120.070.090.100.0643%64%80%74%49%0%40%54%59%0%81%86%93%55%61%80%79%0%一般而言，无论是雨滴击溅、薄层水流侵蚀还是细沟流冲刷，其产沙量均与降雨、径流条件及地形有明确的函数关系10。当以上条件一定时，水力侵蚀产沙量也应基本稳定。实验中各场降雨的雨强均为1.5mm/min，相应产流变化也不大，各场降雨实验中差别最大的主要