地表径流护沙能力的研究

地表径流护沙能力的研究

地表径流中的合成沙在沿着斜坡的过程中，边坡表面的水流在斜坡上被侵蚀，形成输送沉积物的地表径流，即输送沉积物的水流。挟沙水流的形成是坡面水土流失的直接结果,不但造成坡面水土资源的损失,同时也造成沟道中水库等水工建筑物和下游河道的淤积,威胁下游安全。某一特定水动力条件下,挟沙水流中携带泥沙的数量叫做“挟沙能力”,挟沙能力通常是以单位体积浑水中泥沙的数量(含沙量)表示,是径流侵蚀、泥沙输移的控制性参数之一,也是判别地表径流是否对坡面造成冲刷侵蚀、淤积或不冲不淤的重要依据。地表径流形成后沿坡面流动过程中发生着土壤颗粒的分离、泥沙的输移和沉积三大过程。当地表径流中挟带泥沙的数量小于其挟沙能力时,地表径流在输移泥沙的同时仍然会对坡面造成冲刷侵蚀,直至地表径流中的含沙量与其挟沙能力达到平衡时,地表径流已无能力继续对坡面进行侵蚀,此时地表径流只进行泥沙输移,从而达到不冲不淤。不冲不淤只是一种非常理想化的状态,当地表径流的流速降低或坡面的地表形态等水动力条件发生变化时,地表径流的挟沙能力也随之发生变化,若地表径流的含沙量大于其挟沙能力时,径流中挟带的泥沙将会沉积下来造成淤积。坡面地表径流的挟沙能力是认识和解决水流作用下坡面侵蚀演变等诸多问题的基础,是泥沙运动力学、土壤侵蚀和水土保持学中亟待解决的基础问题,研究坡面地表径流的挟沙能力,探明挟沙水流的水动力学特性,评价坡面形态、地表状况等对径流挟沙能力的影响,将为土壤侵蚀和水土保持学中坡面径流侵蚀产沙机理、坡面的侵蚀演变研究奠定理论基础,为坡面侵蚀产沙的预测预报提供更为准确的参数,并为正确布设水土保持措施提供科学依据。因此,地表径流挟沙能力的研究在坡面侵蚀产沙的机理、侵蚀产沙的预测预报、坡面水蚀模型建立、坡面侵蚀控制等方面具有十分重要的意义。1地表径流中的协同结构模型国内外学者或从理论,或根据小区野外实测资料和实验室测定资料出发,对水流挟沙能力进行过大量研究,提出了不少半理论半经验或经验性的公式。Julien(1986)运用量纲分析建立了坡面流挟沙能力的无量纲关系式。Grosh(1994)研究了陡坡地的坡面流与泥沙搬运的关系。Abrahams(1993)实验证实坡面流中细沙颗粒常以跃移搬运为主,而且经常以非单独方式跃移,泥沙含量与颗粒运动速度呈反比关系。Covers(1986,1990)等研究了平面和不规则地块在漫流条件下的输沙能力。Foster和Huggins(1976)在研究凹形坡面泥沙的沉积时指出,Duboys输沙公式包含了切应力的概念,可以用于坡面径流挟沙能力的计算。Alonso(1981)分析了在河流、水槽、凹形坡面上建立的9种挟沙能力公式后指出,Yalin公式可以满足坡面径流的输沙过程。但Julien和Simons(1986)对14种泥沙输移公式进行分析后提出了挟沙能力与坡度、流量、剪切应力、降雨强度的幂函数关系表达式。Nearing(1997)等根据大量室内细沟侵蚀试验数据,提出了侵蚀产沙与溪流动力间的关系表达式,这一表达式为雷廷武(1998)等证实可以作为水流输沙能力方程使用,但实际使用中仍然需要根据不同土壤类型进行标定。张科利、唐克丽(2000)研究了黄土坡面细沟侵蚀发生的水动力学机理及其输沙特征,提出了估算侵蚀力的方法。费祥俊(2004)提出了黄土沟道输沙能力的计算方法。目前,大多数研究提出的挟沙能力公式是通过对天然河道实测资料的分析和大量室内实验研究得到的半理论半经验的公式,直接用于坡面地表径流挟沙能力的计算时将会产生很大的误差。国内外学者根据各自的试验得到的计算坡面流挟沙能力的公式虽然存在各种问题,但影响输沙能力的两个重要因素是坡度和流速这一结论得到了多数学者的认同。雷廷武(2002)、张光辉、张建军等在研究土壤侵蚀的动力过程和土壤侵蚀模型时指出:尽管挟沙能力在土壤侵蚀研究中具有十分重要的作用,但目前尚无可用的计算方法。可见,地表径流挟沙能力的计算问题是土壤侵蚀模型中相对薄弱的环节,属亟待解决的科学问题。侵蚀预报模型WEPP是一个较好的描述坡面侵蚀的模型,在国内外得到了较为广泛的应用。该模型以稳态的泥沙连续方程描述坡面侵蚀过程。dG/dx=Di+DrDr=Dc(1−G/Tc)Dc=Kr(τf−τc)dG/dx=Di+DrDr=Dc(1-G/Τc)Dc=Κr(τf-τc)式中:x-向坡下的距离;G-泥沙含量;Di-沟间泥沙向沟内的输运量;Dr-沟内侵蚀量;Dc-沟中水流剥离土壤的能力;Tc-水流的挟沙能力。τf与τc—分别为水流对土壤的剪切应力与土壤的临界抗剪切应力;Kr-沟内可蚀性参数。该模型在理论上可以模拟侵蚀产沙的时空变化,但模型中的主要参数挟沙能力的取值困难限制了其在细沟侵蚀预报中的实际应用。求解侵蚀量的关键在于找到侵蚀产沙量随时间和沟长的变化关系,以及输沙能力等参数的估算。因此,探明地表径流沿坡面流动过程中挟沙能力的沿程变化规律,正确计算地表径流挟沙能力是坡面侵蚀模拟的关键,是目前土壤侵蚀模型构建中急需解决的问题。2地表径流水动力特性与坡面侵蚀产沙关系流速是计算地表径流挟沙能力的基础,是坡面地表径流水动力特性的主要指标。近年来,邵学军等(2002)采用动力波模式计算了坡度变化时不同细沟宽度下的细沟沟内流速,Gilley(1990)、Abrahamsetal(1996)、Yoon(1997)、姚文艺(1996)、Abrahams(1995)、Foster(1984)、Gerard(1992)都研究了坡面流的阻力规律,探讨了坡面流的流速及分布、水力半径及阻力系数的表达式,建立了坡面流的流量、流速与过水断面面积间的关系,这些研究成果为坡面径流挟沙能力研究奠定了一定的基础。但坡度对坡面流流速的影响一直是具有争议性的问题。Rauws(1988)、Foster等(1984)、Abrahams等(1996)的研究结果表明,在坡面上流速随坡度增加而增加,在不同状况的坡面上流速随坡度增加的幅度不同。然而Govers(1986)、Nearing(1997)、张光辉等(2001)的近期研究发现,在侵蚀细沟内,水流速度与坡度无关,随着坡度增大,水流速度有增大的趋势,但这种趋势被随之而来的阻力增大所消除,结果水流速度仅是流量的函数,即坡度对坡面径流平均流速的影响并不显著。张科利(1999)、丁文峰等(2002)的研究指出,坡面侵蚀冲刷过程中,径流流速随冲刷时间的延长和细沟冲刷形态的变化而变化,并非恒定值。可见,坡面地表径流水动力特性的主要指标—流速与坡面形态指标—坡度间的定量关系目前仍然是坡面土壤侵蚀研究中尚未解决的科学问题。坡长是表征坡面形态的主要参数,在黄土区坡面长一般都在数十米以上,而室内研究的实验坡长一般不超过10m。孔亚平、张科利(2003)、张晴雯等人利用室内模拟降雨试验,研究了不同坡长和不同雨强条件下黄土坡面的侵蚀产沙,指出产沙量随坡长的增加而增加,得出陡坡条件下地表径流泥沙含量达到最大需要的坡长为6m。同时指出,上方来水是影响坡面侵蚀产沙的重要原因,短坡条件下,坡面侵蚀量与上方来水量成直线关系。肖培青、郑粉莉(2002)同样指出,上方来水的汇入导致水流流态由层流转变为紊流,上方来水来沙使细沟水流的流速明显增大,而阻力系数明显减少,从而导致细沟侵蚀产沙量增大。张建军(2003)对晋西黄土区林地、草地、农地地表径流流速的变化进行了研究,提出了流速沿坡长的变化的计算模型,指出黄土坡面上径流挟沙能力的沿程变化规律有待进一步研究,尤其是在不同地被物覆盖条件下,地表径流流速的沿程变化规律是研究地表径流挟沙能力的关键。雷廷武(2002)、张晴雯(2002)等人利用室内侵蚀模拟试验,分析了不同动力条件下侵蚀产沙量随坡长的变化规律,提出了细沟产沙量随沟长变化的函数关系,并计算了不同坡度、流量条件下细沟侵蚀产沙量达到极限值所需的细沟长度,并指出,一定坡度和流量条件下,产沙量随沟长的增加而增加,但增加的速率越来越小,最终趋于一个稳定值;坡度对挟沙能力的影响要比流量的影响大,同一坡度、不同流量条件下产沙量的极限值相差不大。这些研究成果为挟沙能力的计算奠定了基础,但对挟沙能力在更大坡长范围内的沿程变化并未进行深入研究。虽然以上研究从不同角度出发探讨了坡长、上方来水来沙对坡面侵蚀产沙以及地表径流水力学参数的影响,但是,在更长坡面上对坡面径流挟沙能力沿程变化规律进行研究的甚少。因此,坡面径流挟沙能力随坡长变化规律的研究仍属于土壤侵蚀中有待进一步研究的科学问题。在对地表径流的挟沙能力影响因子的研究方面,不同研究人员得出的结论不尽相同,甚至相反。张光辉(2001)、Govers(1986)和Nearing(1997)等人的研究表明,坡面地表径流挟沙能力的主要影响因子——流速主要受流量控制,坡度对流速的影响并不显著,即地表径流挟沙能力受控于流量大小,坡度对挟沙能力的影响不显著;而雷廷武、张晴雯(2002)等人的研究结果表明坡度是决定地表径流挟沙能力的主要因素。可见,不同研究者利用室内试验,对地表径流挟沙能力的影响因子进行研究后得出的结论并不完全一致,甚至完全相反。因此,地表径流挟沙能力属于土壤侵蚀和水土保持学科中亟待解决的基础问题。地表径流挟沙能力一方面受径流本身水动力学特性的控制,同时也受地表覆盖的制约。绝大多数关于挟沙能力的研究着重于水流本身的研究,而对地被物与水流挟沙能力间定量关系的研究很少涉及。北原曜、张洪江(1993,1994)利用野外试验研究了地被物数量和糙率间的关系,为林地坡面地表径流流速的计算提供了依据。但对地被物和挟沙能力的关系未做进一步的探讨。张建军利用野外实地放水试验在林地、草地、农地上对高含沙地表径流的挟沙能力进行了初步研究,提出了不同地类上地表径流流速和挟沙能力间的统计模型。但并没有从物理机制出发提出实用的计算地表径流挟沙能力的模型,研究时采用的流速范围也较窄,更大范围流速条件下不同地类的挟沙能力还有待进一步研究。可见,地被物与水流挟沙能力间定量关系的研究仍属空白。3野外试验验证试验坡面径流挟沙能力的研究方法可分为室外和室内两大类。室外试验主要是在坡面建立观测小区,利用人工降雨与人工放水冲刷相结合的方法进行。室内实验主要是采取原状土装入可调节坡度的冲刷槽,利用放水或人工降雨结合放水试验研究地表径流的水动力学特性。目前大多数的研究成果均由室内研究所得,野外实地无扰动放水冲刷试验研究罕有报道。国外的土壤侵蚀模拟实验的坡度大部分都是在10度以下,国内的实验坡度也都在15度以下。吴普特在动力水蚀试验研究方面进行了大量工作。室内实验是将野外原状土装入冲刷槽后进行试验的,虽然在采取原状土时会尽可能的不扰动土壤,使其保持原有特性,但原状土在采集、搬运、安装过程中不免产生扰动,从而破坏了土体原有结构,尤其是采取林地的土壤时,由于植物根系的存在,原状土的采集几乎是不可能的。同时在采集原状土时切断了根系间的相互连接,降低了林木根系对土壤的网络作用,使试验结果与实际结果出入很大。另外,大部分室内实验是采取某一种土壤,按其在自然状态下的容重装入冲刷槽,这种试验样品虽然与自然状态下的土壤有相同的容重,但没有自然状态下土壤所应有的结构,更没有植物根系存在,因此,试验结果无法直接利用。目前大多数室内实验都是在下垫面形态阻力相对稳定的情况下得到的,同时仅用了一种供试土壤,要得到更为一般性的研究结论,尚需开展一系列相关试验研究,并需要野外试验进行验证。进行野外放水试验虽然可以不扰动土壤,能够保证试验对象保持自然状态,但也存在水流条件不易控制等缺点。但室外试验是验证室内实验必须的手段之一。可见,室内试验所用的土壤因结构遭到破坏,得出的研究结果与实际情况将会有较大的出入,需要野外试验进行验证。野外无扰动冲刷试验研究仍属空白,室内研究结果也亟待野外试验进行验证与补充。4地表径流中的定量关系综上所述,地表径流挟沙能力的计算问题是土壤侵蚀模型中相对薄弱的环节,尤其是地表径流沿坡面流动过程中挟沙能力的沿程变化规律,坡面地