黄土丘陵沟壑区坡面产流过程及其产沙临界关系

黄土丘陵沟壑区坡面产流过程及其产沙临界关系

1侵蚀作用对水土保持的影响自20世纪40年代以来，植物强化土壤抗侵蚀能力及其影响的机制一直是土壤侵蚀研究的先进领域。在植被类型、坡度和植被覆盖等条件下，取得了许多关于水土保护的研究成果。近年来,一些学者在植被改变土壤入渗性能和增强土壤抗蚀性等方面开展了大量研究工作,从土壤学角度揭示和明晰了植被保水保土的作用2试验计划和方法2.1试验土槽及降雨设备试验在黄河水利科学研究院“模型黄河”试验基地进行。根据目前国内外通常采用的室内土壤侵蚀试验小区的尺度,并考虑到坡面发育细沟的主体范围,试验土槽设计为长5m、宽3m、深0.6m,用PVC板将土槽隔成3个长5m、宽1m的单元土槽。土槽底部钻有直径5mm左右的透水孔并粘有大小不等的沙粒,以降低填土和钢板之间的边界影响。降雨设备为侧喷式人工降雨机,其喷头距地面7.5m,上喷高度为1.5m,降雨均匀系数为86%~92%。试验装置见图1。2.2土壤水分含量模型沙选用位于黄土丘陵沟壑区第三副区的邙山坡面表层黄土。根据土样团粒大小,填土时过10mm筛,供试土样级配见表1。为保证填土密度达到上、下层均匀分布,按10cm分层填充、压实的方法填土,土壤水分含量控制在15%左右,压实后填土深度超过50cm,土壤密度在1.05g/cm下垫面条件包括裸地、草地和灌木地3种。草被措施选用黄土高原常见的紫花苜蓿(MedicagosativaL.),草被盖度为60%~65%;灌木措施选用紫穗槐(AmorphafruticosaL.),按“品”字型排列种植,覆盖度平均为70%,与草被的覆盖度接近。草被平均高度为40cm左右,灌木平均高度为110cm左右。考虑到土样所处的黄土丘陵沟壑区第三副区坡面平均坡度多在20°左右,故选择试验坡度为20°。2.3地表径流及侵蚀地貌形态试验试验前一天,用不会引起坡面发生明显侵蚀的小于30mm/h的降雨强度进行大约10min的前期降雨,以保证每次试验前期土壤含水量基本一致和消除地表处理的差异性。试验过程中每隔2min接取一个径流泥沙样。沿坡面自上至下分为5段,即断面1~断面5,用染色剂法每隔2min测定一次全坡面流速。在测定流速的同时,用测尺和数字照相机相结合的方法测定侵蚀地貌形态及流深。产流后的场次降雨历时均控制为60min,每场试验至少重复1次。3试验结果的分析3.1不同被覆类型下草地和林下的产流过程及其稳定性绘制不同雨强不同下垫面条件的产流过程线(图2),并由此进一步统计裸地、草地和灌木地的产流特征值(表2)。由图2和表2可见,在相同降雨条件下,不同下垫面的产流量差异很大,裸地的产流量远较草地、灌木地的为大,且与草地的差异最大。同时,雨强越大,裸地的产流量与其他两种被覆条件的产流量差别越小,由此说明,在高强度降雨条件下,草地和灌木地的减流作用将会降低。这一结论的实践意义在于,即使在被覆度达到60%以上时,对于陡坡黄土而言,在强降雨条件下,草灌等水土保持生物措施对产流的作用仍是有限的,因而,黄土高原治理很有必要采取生物措施与梯田、淤地坝等工程措施相结合的模式。从图2还可看出,在45mm/h降雨强度下,尽管灌木地的覆盖度比草地的稍大,但是,草地的减流作用却比灌木地的大,由此可初步认为,在低雨强条件下,草地对径流的影响大于灌木地的。或者说,在雨强为130mm/h和90mm/h时,灌木地的减流作用比45mm/h降雨强度下的明显。不同被覆的产流过程也有一定差异。例如,从图2可以看出,裸地的产流过程具有明显的波动性,而草地和灌木地的波动性小。根据试验分析,这主要是地表侵蚀形态差异所造成的。图3是裸地和草地在相同雨强和相同降雨历时条件下的地表侵蚀形态。相同坡度和降雨条件下,裸地侵蚀严重,细沟发育多且发育速率快,达到100cm/min,同时,易形成侵蚀物质的“筑坝”等复杂的地表形态,从而引起“径流浪”现象,即使降雨恒定,仍会使产流过程不稳定;草被坡面侵蚀比较轻,仅在坡底部和中部有细沟产生,且发育速度缓慢,其中坡底部发育速度为2.62cm/min,坡中部细沟试验过程中几乎没有发育;灌木地无明显的细沟发育。因而,在一定覆盖条件下,地表形态的干扰作用小,产流过程相对平稳。由此表明,被覆对径流过程具有削波调控作用。在雨强为45、90mm/h时,裸地的径流具有明显的起涨过程,而草地和灌木地的起涨阶段不明显;在130mm/h的强降雨条件下,3种被覆条件下均有明显的涨水过程。这就是说,在试验雨强较小时,草地和灌木地在产流初期的滞水作用是比较明显的,而雨强较大时其对产流的控制作用就会降低。文献[17]也认为,在2.5~22.5mm/min的高强度降雨下,草地、林地的产流初期和终期都有一个突增突降的急变过程。试验还表明,径流的起涨历时随雨强增加而缩短。3.2坡面产流率与降雨强度关系图4为不同下垫面坡面入渗率随时间的变化过程,可以看出,裸地的下渗率比草地和灌木地的明显为小,且下渗过程波动性强。同时,从趋势上看,尽管3种被覆度条件下的初始入渗率均大于后期的入渗率(接近稳渗率),但3种被覆的初渗率与各自的后期入渗率差别大小是不同的,总体上说,裸地的最大,灌木地的次之,草地的最小。例如,以90mm/h和130mm/h的雨强下的初渗率和后期入渗率的差值为例,裸地的初渗率比后期的大2.8倍和3.6倍;灌木地的分别大0.5倍和1.5倍;草地的分别大0.1倍和0.6倍。由此也可以看出,雨强越大,初渗率和后期的入渗率差别越大。进一步统计裸地入渗率与草地、灌木地的入渗率比值(表2)可知,裸地的入渗率远较后者为小,只占草地的23%~48%,占灌木地的21%~34%,且雨强越小,入渗率相差越大。根据试验数据统计,产流率大小不仅取决于入渗率的高低,而且与立地条件和降雨强度之间呈非线性的响应关系。例如,由表3草地、灌木地的产流率与入渗率的关系分析,若定义dy/df为产渗比,即产流率随入渗率的变化比,则可以看出,雨强较小或较大时,产渗比均较大,而试验的中等雨强90mm/min的产渗比则最小。由此表明,在小雨强和大雨强时,产流率随入渗率的变化更为明显,或者说与中雨强相比,相同入渗率情况下,前者的产流率减少更多。显然,产流与入渗的关系对降雨强度的响应并非线性的。实际上,这一结论从产流理论亦可得到说明。在不考虑其他损失时,对于超渗产流,入渗率可写为式中:K为损失系数;λ为损失指数,与下垫面条件等因素有关。由此进一步可得产流率为显然,由式(2)可以看出,产流率不仅与下垫面条件有关,而且与降雨强度成非线性的高阶响应关系,从而也证明了试验结论的成立。当然,对其变化的临界雨强还有待做更多的试验和观测加以研究。分析还表明,雨强越大,入渗率越大,以灌木地为例(图5),在45mm/h雨强条件下的相对稳渗阶段,坡面平均入渗率为0.6mm/min左右,在降雨强度为90mm/h和130mm/h时分别为0.9mm/min和0.98mm/min。径流是侵蚀发生发展的主要动力来源,径流力学特性的差异将主要决定着以水力侵蚀为主的侵蚀形态的变化,也就是说,坡面水流水动力学特性对侵蚀过程有很大影响。反映水流动力学特征的主要指标包括径流深、过水断面宽、径流平均流速、雷诺数、弗汝德数及阻力系数等。根据试验资料的相关矩阵分析,在试验下垫面条件下,坡面水动力学参数变化对产沙量的影响程度不同,其中水流流速和径流水深与侵蚀产沙量的相关程度最高,为侵蚀产沙的主导水力因子。在降雨强度均匀条件下,可以认为入渗稳定时的坡面产流也是均匀的,结合上述分析可以推论,坡面产沙量应当与断面比能有着很好的关系,或者说断面比能参数亦可作为产沙的主导因子。将断面比能用下式表示:式中:E为断面比能,cm;h为水深,cm;a为动能校正系数,近似取为1;v为断面平均流速,cm/s;g为重力加速度,cm/s由此,利用试验数据,分析了不同降雨强度条件下的裸地、草地和灌木地坡面水流断面比能和产沙量之间的关系(图6),结果表明,产沙量与断面比能之间的确具有高度的相关性,随断面比能的增大而增大(表4)。由表4可以看出,下垫面条件不同,坡面产沙量随断面比能的变化率有很大的差异,每增加单位断面比能,裸地的产沙量较草地、灌木地可以增加2.4倍和5.5倍,其中,草地的增量较灌木地的大2.3倍。由表4知,3种下垫面的产沙量存在着临界断面比能,其中裸地的为0.074cm,草地和灌木地的分别为0.11cm和0.13cm。当然,由图6还可看出,降雨强度和断面比能对输沙率的影响具有一定的独立作用,对此还有待更多的雨强试验资料作进一步研究。4不同被覆条件下产流过程的差异利用人工模拟降雨试验,定量研究了裸地、草地和灌木地3种立地条件下20°陡坡产流过程及其产沙临界的响应关系,取得以下初步认识。(1)从平均值而言,在相同降雨下,裸地的产流量均比草地和灌木地的大很多,分别为草地和灌木地平均产流率的2~14倍。同时,雨强越大,裸地的产流量与其他两种被覆条件下的产流量差别越小,由此说明,在高强度降雨条件下,草地和灌木地的减流作用将会降低。(2)由于地表侵蚀形态对径流的干扰作用,不同被覆条件下的产流过程也有一定差异,裸地的产流过程具有明显的波动性,而草地和灌木地的波动性小。在试验雨强范围内,降雨强度相对较小时,裸坡地的径流过程具有明显的起涨过程,而草地和灌木地的起涨阶段不明显;高强度降雨条件下,3种被覆条件下均有明显的涨水过程。由此表明,在一定的雨强范围内,被覆对径流过程具有消波调控作用。(3)裸地的下渗率比草地和灌木地的明显为小,在3种雨强下,裸地平均入渗率是草地和灌木地平均入渗率的0.25~0.78倍,且裸地的下渗过程波动性强。同时,从趋势上看,尽管3种被覆的初始入渗率均大于后期的入渗率(接近稳渗率),但3种被覆的初渗率与后期入渗率的差值大小不同,总体上说,裸地的最大,灌木地的次之,草地的最小。雨强越大,初渗率和后期的入渗率差别越大。草地产流量受下渗率的影响比灌木地的要大。同时,产流与入渗的关系对