黃河班多水電站工程區荒草地坡面水流含沙量變化過程試驗研究

張孝中, 王 莎, 申 楠, 馬春艷

(1.陜西省水土保持勘測規劃研究所, 西安710004; 2.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

黃河班多水電站工程區荒草地坡面水流含沙量變化過程試驗研究

張孝中1, 王 莎2,3, 申 楠2,3, 馬春艷2,3

(1.陜西省水土保持勘測規劃研究所, 西安710004; 2.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

荒草地是黃河班多水電站工程區最主要的原生地面類型, 闡明其產流產沙的水流含沙過程可為該工程區水土流失定量評價提供重要依據。采用野外人工放水沖刷試驗方法，研究了黃河班多水電站工程區荒草地坡面水流含沙量變化過程。結果表明：坡面水流含沙量隨時間的變化，不同供水流量下整體減小，最后趨于穩定變化的趨勢，可用冪函數方程很好的描述；不同坡度下也整體呈減小的趨勢，15 min后趨于平緩穩定變化的狀態，各坡度下變化趨勢大體一致，也可用冪函數方程很好的描述，與不同供水流量下的主要差異在于產流后5 min內含沙量遞減速率大于不同供水流量下的，其后遞減速率小于不同供水流量下的；平均含沙量隨供水流量的變化可用拋物線相關方程來描述，發生變化的臨界供水流量值為7.388 5 L/min，隨坡度的增大而增大，可用指數方程很好的描述，隨坡度及供水流量的變化可用二元線性方程很好的描述。

黃河; 班多水電站; 工程區; 荒草地; 含沙量

伴隨著改革開放以來經濟建設快速的發展，開發建設項目遍地出現、日益增多，但是開發建設過程中進行的大量采挖、堆積、踏壓等活動，對土壤和植被的自然過程和自然形態產生了劇烈擾動和破壞，隨之又帶來了一系列的水土流失問題，引起了各界的廣泛關注[1-3]。在土壤侵蝕過程中水流含沙量不僅是產流、產沙及水沙消長與演變過程的重要指標，也是衡量水土流失的重要參數之一。土壤侵蝕的分離、搬運、沉積過程在很大程度上受到水流含沙量的影響，在徑流侵蝕過程中，如果徑流含沙量小于徑流挾沙力，則發生分離；隨著分離不斷發生，直到徑流含沙量大于徑流挾沙力，發生沉積，由此可見，水流含沙量的多少可以決定某一地區的土壤侵蝕嚴重程度[4-5]。黃河班多水電站工程是黃河干流上的一項重要的大型水電工程，是重要的、典型的開發建設項目，荒草地是黃河班多水電站工程區的重要地類。闡明黃河班多水電站工程區荒草地坡面水流含水量變化過程可以深入認識該工程區水土流失過程，為科學預測工程區水土流失，設計有效的水土保持措施，編制合理的水土保持方案，以及最終重建該區生態環境提供重要科學依據，同時也可為不同類型開發建設項目區水土流失過程的研究揭示提供有益的借鑒。

關于徑流含沙量的研究，長期以來諸多學者或從理論，或根據小區野外實測資料和實驗室資料對其進行了廣泛的研究。付艷紅等[6]從測量原理出發，對含沙量各種測量方法的適用環境、測量精度及其局限性進行了比較分析，研究了坡面徑流含沙量的測量方法；張歐陽等[7]認為從低含沙量躍進到高含沙量的過程，會使水流的粘性增大，泥沙沉積速度會降低，最終影響水流的挾沙力變大；雷廷武等[8]采用室內放水沖刷，利用水流含沙量和溝長的函數關系得到了一種計算含沙水剝蝕率的方法；Abrahams等[9]認為由于含沙量的增加，用于搬運泥沙的徑流動能減少，加之顆粒之間碰撞機會增大，容易形成推移質，降低了顆粒輸移速度，使得渾水的速度與含沙量呈負相關；李君蘭等[10]通過室內模擬降雨試驗發現徑流對坡面存在剝蝕和沉積過量泥沙交替的坡段，在此坡段隨坡長的增加不會使含沙量變化，不發生侵蝕。

本文采用野外人工放水沖刷試驗方法，對黃河班多水電站工程區原生地面荒草地水流含沙量變化過程進行研究，為工程區水土流失治理決策提供依據，并為工程區原生地面的侵蝕過程研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

黃河班多水電站屬于黃河干流龍羊峽以上茨哈至羊曲河段規劃的第2個梯級電站，位于青海省海南州興海縣與同德縣交界處的班多峽谷出口處，工程區地處內陸高原，屬于青藏高原氣候系統，表現為冷熱兩季交替、冷季較長，熱量少、降雨少、風沙大，暖季水汽豐富、降雨量相對較多，多年平均降水量為425.2 mm。壩址區占地面積171.89 hm2，兩岸地形平緩，階地發育，其原始地面包括農地、荒草地、河灘地、河灘蓋沙地四類，其中，荒草地分布面積最大，荒草地坡面的植被覆蓋度均小于30%，地面組成物質為第四紀沉積物，土石混雜，礫石含量高，試驗前期土壤含水量為12.5%，土壤容重為1.09 g/cm3。

1.2 試驗設計

(1) 試驗小區：由1 mm厚的鋼板插入地面以下0.15 m圍成，鋼板高出地面0.10 m，試驗小區投影面積4 m×0.5 m；

(2) 試驗設備：試驗供水系統主要設備包括水泵和溢流箱等。供水系統中，汽車載水箱將從水源地運至試驗地，發電機帶動水泵將水通過水管抽到溢流箱，供水流量大小通過安裝在揚程水管出口的控制閥調節。溢流箱置于小區頂端，并嵌入地面一定深度，使溢流面與小區坡面剛好接觸。通過溢流箱對水管出流的消能緩沖等作用，保證流入小區的水流為均勻薄層狀水流；

(3) 試驗過程與觀測：首先進行供水流量的率定，以確保供水流量達到試驗設計要求。整個試驗過程中，開始產流到試驗結束期間，在小區出口處定時收集徑流泥沙樣進行觀測。開始產流時取樣一次，產流后的前6 min，分別每隔1 min，2 min，3 min取一次樣，以后皆每隔3 min取一次樣，試驗結束時再取一次。試驗結束后，用量筒測定徑流泥沙樣體積，經沉淀并用工業酒精燒干后稱重測定取樣泥沙重量；

(4) 試驗場次：同一坡度(22°)、不同供水流量(4，6，8，10，12 L/min)共5場，同一供水流量(10 L/min)不同坡度(4°，13°，22°，29°，37°)5場，每場歷時30 min。

2 結果與分析

2.1 水流含沙量隨時間的變化

2.1.1 不同供水流量條件下水流含沙量隨時間的變化 將不同供水流量條件下荒草地坡面水流含沙量隨時間的動態變化試驗數據繪制成圖1，相關分析結果見表1。從表1可以看出，不同供水流量條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時間的動態變化皆可用冪函數相關方程描述。通過對圖1進行分析，在相同投影坡長、坡度，不同供水流量條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時間的變化整體呈減小的趨勢。在產流開始的5 min內，水流含沙量隨時間的變化急劇下降，隨后下降緩慢，約15 min后趨于平緩、穩定，且各供水流量下差異極小。

由于產流初期，荒草地自然坡面表層有一些散碎的土粒，這些土粒在產流出現并發生沖刷和搬運時，自然就出現了產流含沙量很高的現象，隨著時間的進行，產流增加，而松土減少，必然出現相對水多沙少的現象，產流中侵蝕攜帶泥沙的含量自然減小，一定時間后由于產流穩定，土石混雜、含石量高的第四紀沉積物中可供產流侵蝕攜帶的土壤物質也已很少，所以各供水流量下的產流含沙量必然很小、變化平緩、穩定，且差異極小。

圖1 不同流量下坡面水流含沙量隨時間的變化

投影坡長/cm坡度/(°)供水流量/(L·min-1)經驗方程相關系數400224G=140.55t-2.00420.89400226G=34.803t-1.33530.94400228G=21.681t-1.17370.914002210G=87.720t-1.50510.974002212G=82.921t-1.49130.90

注：G為含沙量(kg/m3)；t為時間(min)。

2.1.2 不同坡度條件下水流含沙量隨時間的變化 將不同坡度條件下荒草地坡面水流含沙量隨時間的動態變化試驗數據繪制成圖2，相關分析結果見表2。從表2可以看出，不同坡度條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時間的動態變化皆可用冪函數相關方程描述。通過對圖2進行分析，在相同投影坡長、供水流量，不同坡度條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時間變化整體呈減小的趨勢。在產流開始的5 min內，水流含沙量隨時間變化下降的很快，隨后變化基本趨于穩定緩慢下降，也在大約15 min后，變化趨于平緩、穩定，且各供水流量下差異極小。

圖2 不同坡度下坡面水流含沙量隨時間的變化

投影坡長/cm供水流量/(L·min-1)坡度/(°)經驗方程相關系數400104G=31.073t-1.31820.924001013G=31.208t-1.42620.984001022G=87.720t-1.50510.974001029G=112.3t-1.28030.854001037G=210.09t-1.3050.98

注：G為含沙量(kg/m3)；t為時間(min)。

不同坡度條件下荒草地坡面水流含沙量隨時間的變化與不同供水流量條件下水流含沙量的變化過程具有相似性，都是含沙量隨著供水的進行呈先減小后趨于穩定的趨勢。主要區別在于不同坡度條件下，水流含沙量隨時間在產流后5 min內迅速下降，隨后下降減緩，直至約15 min后趨于平緩、穩定，且各供水流量下差異極小。而不同供水流量條件下，水流含沙量隨時間在產流后5 min內也迅速下降，但幅度不及前者，5 min以后下降也減緩，但要大于前者，并直至約15 min后趨于平緩、穩定，且各供水流量下差異極小。

2.2 供水流量對水流含沙量的影響

將不同供水流量條件下，荒草地坡面次平均水流含沙量隨供水流量變化的試驗數據繪制成圖3。通過對試驗結果進行分析，結果顯示，次平均水流含沙量隨供水流量的變化可用拋物線相關方程來描述，其經驗方程為：G=0.3256Q2-4.8114Q+23.921 (R=0.69)

(1)

式中：G——次平均水流含沙量(kg/m3)；Q——供水流量(L/min)。

從圖3可以看出，荒草地坡面次平均水流含沙量隨供水流量的變化存在一個臨界值，通過計算得出該值對應的供水流量為7.388 5 L/min，供水流量小于7.388 5 L/min時，次平均含沙量隨供水流量的增大而減少，表明沙相對于水減少；供水流量大于7.388 5 L/min時，次平均含沙量隨供水流量的增大而增大，表明沙相對于水增多。

坡面產流侵蝕過程也是水沙變化的消漲過程。供水流量小于臨界流量時，坡面產流小，侵蝕能力有限，侵蝕隨供水流量增加的增大速率相對小于產流隨供水流量增加的增大速率，所以次平均水流含沙量隨著供水流量增加而減小；供水流量大于臨界流量時，坡面產流大，侵蝕能力強，侵蝕隨供水流量增加的增大速率相對大于產流隨著供水流量增加的增大速率，所以次平均水流含沙量隨著供水流量增加而增大。

圖3 供水流量對坡面水流含沙量的影響

2.3坡度對水流含沙量的影響

將不同坡度條件下，荒草地坡面次平均水流含沙量隨坡度變化的試驗數據繪制成圖4，可以看出，次平均水流含沙量隨坡度的增大而增加。通過對試驗結果進行相關分析得出，次平均水流含沙量隨坡度的變化可用指數相關方程來描述，其經驗方程為：

G= 2.6577e0.0751S(R= 0.9916)

(2)

式中：G——次平均水流含沙量(kg/m3)；S——坡度(°)。

圖4 坡度對坡面水流含沙量的影響

隨著坡度的增大，坡面產流量增大，但增大的產流其侵蝕能力增強，而坡度增大后，土體的穩定性下降，土壤的抗侵蝕性減弱，結果侵蝕強度也增大。由于坡度對侵蝕的雙重增大作用，使坡面侵蝕隨坡度的增大速率相對大于坡面產流隨坡度的增大速率，因此，次平均水流含沙量隨坡度的增大就必然增加。

2.4 供水流量及坡度對水流含沙量的影響

通過對不同供水流量、坡度條件下，水流含沙量的全部試驗觀測數據進行多元回歸分析，得出二因子綜合作用描述方程為：

G=-23.673+1.1543S+1.3896Q

(R=0.8474；F=8.9186>F0.025(2,7)≈6.54)

(3)

式中：G——次平均水流含沙量(kg/m3)；S——坡度(°)；Q——供水流量(L/min)。

模擬與檢驗結果表明，荒草地坡面次平均水流含沙量隨坡度、供水流量的動態變化可用二元線性方程描述。式(3)表明，供水流量與坡度兩個因子對次平均水流含沙量的影響基本相當，供水流量的影響稍大于坡度。

3 結 論

(1) 不同供水流量與不同坡度下，荒草地坡面水流含沙量隨時間的動態變化皆可用冪函數相關方程描述，含沙量隨時間的變化整體呈減小后趨于穩定的趨勢。

(2) 不同坡度下荒草地坡面水流含沙量隨時間的變化與不同供水流量下水流含沙量的變化過程主要區別在于：不同坡度下，水流含沙量隨時間在產流后5 min內迅速下降，隨后下降減緩，直至約15 min后趨于平緩、穩定，且各供水流量下差異極小。而不同供水流量下，水流含沙量隨時間在產流后5 min內也迅速下降，但幅度不及前者，5 min以后下降也減緩，但要大于前者，并直至約15 min后趨于平緩、穩定，且各供水流量下差異極小。

(3) 不同供水流量下，荒草地坡面次平均水流含沙量隨供水流量的變化可用拋物線相關方程來描述，其變化存在一個臨界供水流量7.388 5 L/min；不同坡度下，坡面次平均水流含沙量隨坡度的增大而增加，可用指數相關方程來描述；坡面水流含沙量隨坡度、供水流量的動態變化可用二元線性方程很好地描述。供水流量與坡度對坡面水流含沙量的影響基本相當。

[1] 孫厚才,趙永軍.我過開發建設項目水土保持現狀及發展趨勢[J].中國水土保持,2007(1):50-52.

[2] 焦居仁.開發建設項目水土保持[M].北京:中國法制出版社,1998.

[3] 甘枝茂,孫虎,甘銳.黃土高原地區城市化對侵蝕環境的負面影響及防治對策[J]..西北大學學報,1999,29(4):348-352.

[4] Lei T, Nearing M A, Haghighi K, et al. Rill erosion and morphological evolution: A simulation model[J]. Water Resources Research,1998,34(11):3157-3168.

[5] 雷廷武,張晴雯,趙軍,等.細溝侵蝕動力過程輸沙能力試驗研究[J].土壤學報,2002,39(4):476-481.

[6] 付艷紅,時鐵彬,徐巖.含沙量測量方法及比較分析[J].東北水利水電,2010(9):35-36,45.

[7] 張歐陽,馬懷寶,張紅武等.不同含沙量水流對河床形態調整影響的實驗研究[J].2005,16(1):1-5.

[8] 雷廷武,張晴雯,趙軍.陡坡細溝含沙水流剝蝕率的試驗研究及其計算方法[J].2001,17(5):24-27.

[9] Abrahams A D, Atkinson J F. Relation between grain velocity and sediment concentration in overland flow[J]. Water Resources Research,1993,29(9):3021-3028.

[10] 李君蘭,蔡強國,孫莉英,等.坡面水流速度與坡面含沙量得關系[J].農業工程學報,2011,27(3):73-77.

ExperimentalStudyonVariationsofSedimentConcentrationinWaterFlowonWasteGrasslandinBanduoHydropowerStationConstructionAreaofYellowRiver

ZHANG Xiao-zhong1, WANG Sha2,3, SHEN Nan2,3, MA Chun-yan2,3

(1.ShaanxiProvincialInstituteofSoilandWaterConservationSurveyandPlanning,Xi′an710004,China; 2.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Waste grassland is the main primary land type in the construction area of Banduo hydropower station of the Yellow River. Elucidating variations of sediment concentrations in water flow in the processes of runoff and sediment yield may provide an important basis for the quantitative evaluation of soil and water loss in the area. The variations of sediment concentrations over waste grassland were studied by a field scouring experiment conducted in the construction area of Banduo hydropower station of the Yellow River. Results showed that in the case of different added discharges, sediment concentration varies with added water discharge and manifests a trend of the overall decrease and eventual steady sate, which can be well described by using a power equation. At different slope degrees, sediment concentration also shows an overall decreasing trend and finally approaches to a steady state in 15 min after water is added. The variations of different slope degrees are basically consistent and can be also well described by using a power equation. Comparatively, a major difference is that the decreased rate of sediment concentration in the case of different slope degrees is greater that in the case of different discharges 5 min after runoff generated and later on, less than that in the case of different discharges. The variation of the average sediment concentration with added discharge can be well described by using a parabolic equation and the critical discharge for an abrupt change is found to be 7.388 5 L/min. The average sediment concentration increases rapidly with rise of slope degree, which can be well described by an exponential equation. The variation of the average sediment concentration with slope degree and added discharge can be well described by using a dual power equation.

Yellow River; Banduo hydropower station; construction area; waste grassland; sediment concentration

2012-06-28

：2013-07-24

張孝中(1961—),男,陜西澄城人，碩士,高級工程師,主要從事于水土保持研究。E-mail:zxz211@126.com

王莎(1987—),女,碩士生,主要從事于土壤侵蝕過程研究。E-mail:wangsha525@sina.com

S157

：A

：1005-3409(2014)02-0072-04