黃土地區(qū)小流域坡面侵蝕研究

葉有烽 王 英

(商南縣水務(wù)局，陜西 商南 726300)

·水利工程·

黃土地區(qū)小流域坡面侵蝕研究

葉有烽 王 英

(商南縣水務(wù)局，陜西 商南 726300)

針對(duì)黃土地區(qū)小流域坡面侵蝕的特點(diǎn)，分析了土壤、土地類型、坡度等對(duì)其的影響，并通過(guò)野外大型降雨裝置，依據(jù)坡面徑流理論，模擬分析了不同土地類型下坡面的產(chǎn)流過(guò)程，為小流域坡面侵蝕的進(jìn)一步研究工作提供參考。

黃土地區(qū)，小流域，坡面侵蝕

0 引言

水土保持作為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響，是關(guān)乎山區(qū)發(fā)展的生命線方針，同時(shí)，也是決定國(guó)土治理和江河治理的關(guān)鍵因素。針對(duì)山區(qū)水土流失病害，相關(guān)部門提出了一項(xiàng)綜合治理開發(fā)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程——水土保持工程建設(shè)。其主要指導(dǎo)思想是以水土流失重點(diǎn)病害地區(qū)治理為依托，以小流域形式為單元體，借鑒戶包治理的方法，緊緊圍繞以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心，以水土流失治理與人民群眾的切身利益為目標(biāo)，開展以水土流失綜合治理與病害區(qū)綜合開發(fā)為治理方針的水土保持工作，最終使水土流失地區(qū)生態(tài)效益和社會(huì)效益良好，同時(shí)提高小流域地區(qū)的生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

水土保持工程建設(shè)以小流域作為單元體，以小流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)開發(fā)為目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是水土保持工程建設(shè)節(jié)點(diǎn)的有效劃分。因此，在以小流域?yàn)檠芯繉?duì)象時(shí)，有必要針對(duì)小流域地區(qū)的治理理論、方法和技術(shù)措施等進(jìn)行綜合研究，建立并完善小流域地區(qū)信息管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)小流域地區(qū)水土流失治理規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理工作能夠高效開展。小流域內(nèi)的水土破壞病害是影響小流域內(nèi)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的重要因素，坡面侵蝕破壞是小流域水土流失的典型代表，其中以黃土地區(qū)發(fā)展較為嚴(yán)重。

坡面侵蝕是黃土地區(qū)水土流失的主要病害類型，主要是通過(guò)降雨侵蝕丘陵溝壑，使表層泥沙剝落，隨著時(shí)間的累計(jì)，土壤逐漸退化、泥沙順流而下造成下游河床抬高，是引起生態(tài)環(huán)境惡化的直接根源。針對(duì)黃土地區(qū)小流域坡面侵蝕的特點(diǎn)，分析降雨、坡度和土地利用類型等主要因素對(duì)其的影響，借助大型野外人工降雨裝置，根據(jù)小流域地區(qū)坡面三維水流運(yùn)動(dòng)的模式，分析、模擬不同土地利用類型下坡面的產(chǎn)流過(guò)程，建立黃土坡面的產(chǎn)流模型，為小流域坡面侵蝕的下一步研究工作提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用地布設(shè)方案

坡面侵蝕的地面影響因子有土壤、土地利用類型、坡度等，以延川地區(qū)的細(xì)黃土為研究對(duì)象，故不需要對(duì)土壤因子進(jìn)行考慮，而只考慮土地利用類型和坡度因子。土地利用狀況為：荒坡地a1、草地a2、灌木林地a3、喬木林地a4、農(nóng)地a5五類，坡度因子劃分緩坡b1、中坡b2、陡坡b3三種水平，土地利用類型和坡度因子可構(gòu)成3階×5階矩陣，按照矩陣中的ab組合進(jìn)行試驗(yàn)用地選擇，如表1所示。

試驗(yàn)用地選擇時(shí)，要求坡長(zhǎng)不小于20 m，坡寬不小于5 m，且在所選坡長(zhǎng)范圍內(nèi)，坡度和植被力求均一。

表1 試驗(yàn)用地布設(shè)方案

1.2 試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目

在進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)前，需要對(duì)所選試驗(yàn)用地進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，調(diào)查項(xiàng)目有：坡度、主要植被種類、植被生長(zhǎng)年限、植被覆蓋程度等。

在降雨試驗(yàn)中，進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)的項(xiàng)目有：坡面土壤物理性質(zhì)、降雨前后土壤含水量、降雨初損歷時(shí)、降雨后損歷時(shí)、降雨過(guò)程中不同時(shí)刻的徑流量、含沙量、坡面流速、降雨器工作壓力，降雨后滲透深度等。

試驗(yàn)檢測(cè)方法同一般水文調(diào)查法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Matlab，Lotus1-2-3，SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件等，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)動(dòng)力波理論、李魯明、D.B西斯蒙等的泥沙搬運(yùn)方程推導(dǎo)了產(chǎn)流公式，然后編寫FLACK3D程序進(jìn)行運(yùn)算和建模。

2 降雨裝置

根據(jù)試驗(yàn)研究需要，設(shè)計(jì)研制的野外大型可移動(dòng)式大型(5×20 m2)人工降雨裝置由五部分組成，分別是降雨噴灑系統(tǒng)、管道連接系統(tǒng)、動(dòng)力供水系統(tǒng)與調(diào)試系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)與輔助設(shè)備系統(tǒng)。該人工降雨裝置具有重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，噴頭的不同排列組合，可構(gòu)成多種降雨形式的特點(diǎn)，能夠滿足試驗(yàn)的不同需求。據(jù)研究測(cè)定，對(duì)流雨和地形雨的降雨精度分別為90.9%和86.3%，降雨均勻度分別是0.93和0.84；根據(jù)已有研究結(jié)果可知，人工降雨雨滴平均直徑和中數(shù)直徑與降雨強(qiáng)度均呈冪函數(shù)關(guān)系，二者關(guān)系式為：d=1.617×I0.432，d50=6.649×I0.683；從關(guān)系式得出，對(duì)于同一降雨強(qiáng)度，天然降雨雨滴直徑的分布范圍寬，而人工降雨雨滴直徑的分布范圍較窄，就南溝地區(qū)而言，當(dāng)降雨強(qiáng)度I=0.839 mm/min時(shí)，天然降雨雨滴的中數(shù)直徑與人工降雨雨滴的中數(shù)直徑相等，當(dāng)00.839 mm/min時(shí)，則后者大于前者；就劉家河地區(qū)的天然降雨而言，當(dāng)降雨強(qiáng)度I=0.816 mm/min時(shí)，天然降雨與人工降雨的雨滴中數(shù)直徑相等，當(dāng)00.816 mm/min時(shí)，后者大于前者；通過(guò)上述對(duì)比，發(fā)現(xiàn)降雨雨滴直徑差異大小由降雨強(qiáng)度而定；另一方面，降水高度會(huì)影響人工降雨的效果，造成雨滴降落速度與天然降雨存在一定差異；同時(shí)，已有研究表明天然降雨強(qiáng)度與平均終速遵循冪函數(shù)關(guān)系(v=7.239×I0.106)，而人工降雨的降雨強(qiáng)度與平均終速并無(wú)明顯相關(guān)。綜合上述分析，可知野外大型人工降雨裝置的人工降雨性能能夠模擬天然降雨?duì)顟B(tài)，具有精度高、降水面積大等優(yōu)點(diǎn)，而且試驗(yàn)時(shí)由邊界條件產(chǎn)生的誤差較小，能夠滿足試驗(yàn)要求。

3 坡面徑流理論及其模型

根據(jù)Kinematic Wave運(yùn)動(dòng)波理論，可知坡面的地表徑流和側(cè)向飽和滲透流可以通過(guò)偏微分描述為如下公式：

(1)

h=Kqp或q=αhm

(2)

其中，h為有效水深，m；q為流量，L/min；t為降雨時(shí)間，min；x為距離，m；r(t)為降雨流出量，L/min；K，p均為參數(shù)。

(3)

在紊流條件下：

(4)

其中，n為曼寧系數(shù)；θ為坡面坡度。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)波理論和滲流理論推導(dǎo)得出，坡面末端某一時(shí)刻的流量計(jì)算公式為：

(5)

其中，α，m均為無(wú)量綱參數(shù)；Qm為坡面末端某一時(shí)刻的總流量，L/min；Ie為有效降雨強(qiáng)度，cm/min；T為降雨過(guò)程中的某一時(shí)刻，min；ta為初損歷時(shí)，min；B為坡面寬度，m；L為坡長(zhǎng)，m；fc為入滲強(qiáng)度，cm/min；tr為降雨終止時(shí)間，min。

3.1 參數(shù)擬合——標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)

1)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)情況。

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)按照坡度(10°，15°，20°，25°)不同分為4組，不同坡度下依據(jù)降雨和降雨強(qiáng)度又分為4組。

2)試驗(yàn)參數(shù)擬合。

由徑流理論知，坡面粗糙度曼寧系數(shù)n值是由坡面覆蓋狀況、植被高矮、植被種類等因素確定。徑流系數(shù)i0=1.2Ie(Ie為穩(wěn)流階段坡面的平均有效降雨強(qiáng)度)，可計(jì)算得到各次降雨的徑流系數(shù)i0，根據(jù)小流域運(yùn)動(dòng)波理論和滲流理論推導(dǎo)得出的坡面徑流模型，用實(shí)測(cè)徑流過(guò)程擬合出α值。

3)試驗(yàn)參數(shù)預(yù)測(cè)。

(6)

相關(guān)系數(shù)：R2=0.92；偏相關(guān)系數(shù)：RI=0.32；Rδ=0.74；Rsinθ/n=0.34。

(7)

相關(guān)系數(shù)：R2=0.96；偏相關(guān)系數(shù)：RI=0.45；Rδ=0.49。

3.2 不同土地利用類型對(duì)坡面徑流的影響分析

不同土地利用類型對(duì)坡面徑流的影響是反映土壤覆蓋程度、植被類型對(duì)滲流模型的影響。當(dāng)土地利用類型相同、降雨強(qiáng)度大、前期土壤含水量高、坡度陡時(shí)，則降雨過(guò)程中的初損歷時(shí)ta和穩(wěn)定匯流歷時(shí)Tc較短，而穩(wěn)定出流時(shí)的流量較大；當(dāng)土地利用類型相同、降雨強(qiáng)度小、前期土壤含水量低、坡度緩時(shí)，則表現(xiàn)為初損歷時(shí)ta和穩(wěn)定匯流歷時(shí)Tc較長(zhǎng)，穩(wěn)定出流時(shí)的流量較小。

當(dāng)土地利用類型不同時(shí)，林地受地表植被和根系的長(zhǎng)期影響，土壤結(jié)構(gòu)較好、滲透性較高，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大、前期土壤含水量較高時(shí)，降雨過(guò)程中的初損歷時(shí)ta和穩(wěn)定匯流歷時(shí)Tc則較長(zhǎng)，而穩(wěn)定匯流流量比其他土地利用類型小；當(dāng)降雨停止后，林地的后損歷時(shí)比其他土地利用類型長(zhǎng)，說(shuō)明林地能夠有效減弱洪峰時(shí)期流量，具有延長(zhǎng)出流時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。當(dāng)降雨強(qiáng)度、前期土壤含水量相同時(shí)，荒坡的產(chǎn)流速度最快，其穩(wěn)定匯流歷時(shí)Tc最短，且穩(wěn)定匯流流量最大。由于草地、農(nóng)地的覆蓋植被的根系分布較淺，人為的耕種措施對(duì)其有一定影響，表層土壤結(jié)構(gòu)良好，在降雨初期，入滲速度較快，產(chǎn)流速度慢、產(chǎn)流量小；但草地和農(nóng)地的深層土壤結(jié)構(gòu)次于林地土壤結(jié)構(gòu)，因而在穩(wěn)流階段，草地和農(nóng)地的入滲性能比林地差，穩(wěn)定匯流的流量比林地大；相比荒坡土地，草地和農(nóng)地的匯流流量較小，其產(chǎn)流規(guī)律介于林地與荒坡地之間。

4 結(jié)語(yǔ)

1)確定了坡面侵蝕模型的試驗(yàn)因素，確立了土地利用狀況、地面坡度為二因素的3階×5階矩陣試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了野外降雨裝置模擬天然降雨?duì)顟B(tài)。

2)通過(guò)坡面滲流理論及模型，獲取標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)，得到了滲流系數(shù)i0和α參數(shù)擬合計(jì)算公式，可直接用于計(jì)算和預(yù)測(cè)。

3)通過(guò)不同利用狀況坡地的徑流分析表明，同一地類，當(dāng)雨強(qiáng)大、前期土壤含水量高、坡度陡時(shí)，初損歷時(shí)ta和穩(wěn)定匯流歷時(shí)Tc較短，穩(wěn)定出流時(shí)的流量大；就不同地類而言，林地滲透性能良好，草地、農(nóng)地入滲快，產(chǎn)流慢，產(chǎn)流規(guī)律介于林地與荒坡地之間。

[1] 李占斌，朱冰冰，李 鵬.土壤侵蝕與水土保持研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào)，2008(5):802-809.

[2] 牛振華，王占禮，黃新會(huì).我國(guó)黃土地區(qū)土壤侵蝕研究歷史與進(jìn)展[J].水土保持研究，2004(4):169-173.

[3] 楊建英，趙廷寧.坡面侵蝕研究現(xiàn)狀及展望[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(1):95-101.

[4] 鄭粉莉，王占禮，楊勤科.土壤侵蝕學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略[J].水土保持研究，2004(4):1-10.

[5] 賴奕卡.坡面土壤侵蝕影響因子研究進(jìn)展[J].亞熱帶水土保持，2008(1):12-16.

[6] 魏 霞，李占斌，李勛貴.黃土高原坡溝系統(tǒng)土壤侵蝕研究進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2012(1):108-113.

[7] 王貴作，張忠學(xué)，尹鋼吉.坡面土壤侵蝕研究進(jìn)展[J].黑龍江水專學(xué)報(bào)，2005(3):8-10.

[8] 劉青泉，李家春，陳 力，等.坡面流及土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)(Ⅱ)——土壤侵蝕[J].力學(xué)進(jìn)展，2004(4):493-506.

[9] 王占禮，吳永紅，白志剛，等.黃土高原典型地區(qū)土壤侵蝕研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2000(1):76-79.

[10] 李占斌，魯克新，丁文峰.黃土坡面土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2002(2):5-7，49.

Research on slope erosion of small rivers in loess area

YE You-feng WANG Ying

(ShangnanCountyBureauofWaterSupplies,Shangnan726300,China)

According to the features of the slope erosion of small rivers in loess area, the paper analyzes the influence of soil, land types and slope grade on it, and simulates and analyzes the runoff generation process of different land types by referring to the slope runoff according to the open air large waterfall equipment, so as to provide some reference for further research on the slope erosion of small rivers.

loess area, small river, slope erosion

2014-07-18

葉有烽(1973- )，男，工程師； 王 英(1978- )，女，工程師

1009-6825(2014)27-0230-03

TV131

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