非恒定流細溝斷面形態影響因素研究

任 涓，張寬地,2，楊明義

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.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 楊陵 712100)

0 引 言

黃土高原地區地表支離破碎、地貌形態千溝萬壑，細溝侵蝕是黃土高原坡耕土壤侵蝕的主要方式之一，細溝侵蝕量占總侵蝕量的45.3%，占坡面侵蝕量的70%[1]。細溝發育過程復雜[2,3]，形態變化復雜多變[4,5]。細溝形態特征研究是認識細溝侵蝕機理的前提[6,7]。而目前關于細溝形態的研究主要集中在恒定水流條件下其與侵蝕因子的響應關系上。和繼軍等[8]在恒定降雨強度和坡度的組合試驗中選用寬深比等指標表征楊凌塿土和安塞黃綿土的細溝侵蝕特征。不僅如此，在坡面侵蝕溝形成演化過程中，跌坑的形成是至關重要的一環，是細溝縱斷面形態的一個宏觀表現。已有的認識關于跌坑的形成機理大致分為2種：一是外在條件的差異性造成的，如土壤微地形差異及土壤空間抗侵蝕的差異等；二是水流動力機制形成，如水流波動等因素[9-12]。為了提供理論支撐，董旭等[13]采用下切型階梯-深潭耗能理論探討細溝水流跌坑的形態發育規律。由此可見，關于細溝形態的研究目前已取得較多成果，且研究多集中在恒定流量或恒定降雨強度條件下探究的，對于非恒定流量沖刷條件下的細溝橫縱斷面形態研究較為缺乏。

黃土高原地區的降雨特點主要以歷時短的侵蝕性暴雨為主，加上該地區河流眾多，天然河流中的水流條件是非恒定的，徑流作為細溝侵蝕的源動力，又是細溝形態的“塑造者”[14,15]。因此，為了能夠更加準確地模擬該地區徑流的時空分布特征，本文擬采用室內放水沖刷試驗，根據野外實際降雨情況、匯流面積及雨強特征，設計凹陷型、峰值型、均勻型、增加型4種流量組合類型，研究變流量組合沖刷條件下細溝形態演變過程，并應用相應形態特征指標描述坡面細溝形態，為構建坡面侵蝕預報模型，深化細溝侵蝕過程的機理研究，以及黃土地區坡耕地土壤侵蝕防治提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

本試驗所用黃綿土取自中國科學院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗站(109°19′23″E，36°51′30″N)。土壤顆粒組成：沙粒質量分數(>0.05 mm)占22.34%，粉粒質量分數(0.005～0.05 mm)占61.35%，黏粒質量分數(<0.005 mm)占16.31%，質地為粉質壤土。

1.2 試驗設計

(1)裝土前在試驗土槽底部裝填20 cm厚的細沙，細沙上層鋪設土工布2層。土槽底部采用梅花形布置打孔，用于模擬天然土壤透水狀況。填土采用分層裝填的方法，每層10 cm，共30 cm，根據實際野外土壤狀況，土壤平均干密度控制在1.09 g/cm3。

(2)試驗小區設計為可調坡度鋼制土槽，結構尺度長×寬×深=6.0 m×0.4 m×0.5 m，試驗段有效長度為5.8 m。

(3)根據天然耕地坡度選取4°、6°、8°、10°、12° 5個坡度進行研究；根據野外實際降雨及徑流情況，設計凹陷型、峰值型、均勻型、增加型4種降雨強度變化趨勢(見圖1)，分別對應4種徑流沖刷流量變化趨勢；流量變化分3級，相應的徑流沖刷流量為2.5、5.0、7.5 L/min，每級流量放水沖刷20 min，定為一個階段，共3個階段(第1階段、第2階段、第3階段)總計60 min；各組次試驗條件下，細溝水流中的泥沙含量基本穩定時，即認為細溝發育較為成熟。例如，凹陷性流量組合類型為第1階段放水流量為5.0 L/min，第2階段放水流量為2.5 L/min，第3階段放水流量為7. 5 L/min。土壤前期含水量為8.32%～12.54%，試驗重復1次。

圖1 試驗設計Fig.1 Experimental design

(4)考慮到細溝流發育迅速，流道左右擺動，過水斷面極不規則，因此為促使細溝有規律地發育，可在試驗進行前在土槽中部構造一個縱剖面為等腰梯形的細溝雛形，底寬為8 cm，頂寬為10 cm，深度為2 cm(見圖2)，引導細溝發育。

圖2 細溝雛形Fig.2 Rill shape

(5)開始進行不同流量變化趨勢和坡度組合沖刷試驗，共20場，每場試驗每隔10 min停止放水，沿試驗小區土槽下部設置觀測斷面5個，分別為0+0.5 m、0+1.5 m、0+2.5 m、0+3.5 m、0+4.5 m。通過測針架測量細溝橫斷面變化(見圖3)，坡面侵蝕劇烈的部位進行加測。并測量跌坑長度(土槽邊沿鋪設精度為mm的米尺)以及跌坑深度(量測跌坑最大深度和上游結皮段高度之差)。

圖3 測針架測量橫斷面Fig. 3 Cross section of a stylus holder

2 分析與討論

2.1 各流量組合類型下細溝橫斷面形態指標變化規律

細溝寬深比和斷面形態指數是表征細溝形態特征的關鍵參數，其變化特征反映了水流強度對細溝底部和邊壁土壤沖刷的塑造能力。沈海鷗等[16]通過研究降雨與坡度的組合試驗，得到細溝寬深比為1.93～2.35，且隨著降雨強度和坡度的增大而減小。張科利等[17]用斷面面積與等寬等深的矩形面積之比η來表征細溝斷面形態。η值越接近1，細溝斷面形狀越接近矩形；η值越接近0.5，橫斷面形狀越近似于等寬同高的“V 形三角形”；η值越接近0，橫斷面形態越接近“深V形”。為分析細溝橫斷面形態變化規律，本試驗列出各流量類型下細溝寬深比與細溝斷面形態指數隨坡度的變化關系，具體見表1。

細溝寬深比能夠反映細溝溝槽形狀的變化，寬深比值越大，細溝橫斷面形態越接近“寬淺型”，寬深比值越小，細溝橫斷面形態越接近“窄深型”[18]。由表1可知，各流量組合類型下細溝寬深比為1.97～5.32，且同一流量組合類型情況下，隨坡度的增加呈減小的趨勢；同一坡度下，流量類型對其無明顯影響。這表明隨著坡度增加細溝橫斷面形狀由“寬淺式”向“窄深式”調整轉變，究其原因主要為坡度越大，單位水流勢能越大，水流流速越大，單位水流攜帶泥沙顆粒能力越強，水流勢必會逐步下切侵蝕土壤，宏觀上表現為細溝斷面由“寬淺型”向“窄深型”變化。以峰值型流量類型為例，細溝寬深比隨著坡度的增加，其值由5.32逐步減少為2.31，由此可見，細溝斷面形態逐步向“窄深型”變化。

表1 各流量組合類型下的細溝橫斷面寬深比與斷面形態指數Tab.1 Cross-sectional width-depth ratio and cross-sectional morphology coefficient under each flow combination type

本試驗條件下，細溝斷面形態指數η為0.29～0.54，根據細溝橫斷面形態變化可以將斷面形態指數η分為4個區間段：在0.25～0.35區間，細溝斷面形態接近“深V形”；在0.35～0.40區間，細溝橫斷面的“V形”內壁向外凸，形態上表現為溝壁隨深度向內側下切；在0.40～0.50區間，細溝橫斷面接近“U形三角形”；在0.50～0.55區間，橫斷面形態表現為“倒梯形”。在坡度為4°和6°時，4種流量組合類型下細溝斷面形態指數η值均為0.40～0.55，這表明坡度較小時，細溝斷面形態主要表現為“U形三角形”和“倒梯形”，表明坡度較小時，水流流速較低，土體穩定性較好，水流下切侵蝕能力較弱，宏觀上細溝斷面形態表現為“寬淺型”。

2.2 各流量組合類型下細溝橫斷面形態隨坡度變化

坡度是細溝侵蝕研究中不可忽視的重要因素。總體來說，增加坡度能夠加劇細溝侵蝕，增加細溝深度，從而導致細溝寬深比減小[19-23]。為研究細溝斷面形態隨坡度的變化關系，圖4繪出不同流量組合類型下細溝橫斷面形態隨坡度的變化輪廓圖。由圖4可見，橫斷面輪廓呈現出不同幾何形態，主要包括：“深V形”、“倒梯形”、“U形三角形”等。增加型和峰值型斷面形態以 “U形三角形”為主；均勻型斷面形態以“V形”內壁外凸為主；凹陷型斷面形態以“深V形”為主。且各流量組合類型下，隨著坡度增加，細溝橫斷面也隨之加深或拓寬，且發展隨機性愈加不規則。原因在于坡度增大時徑流的位能較大，細溝水流的紊動性增強，溝床在徑流的作用下通過加寬加深增大與水流接觸面積，調整塑造細溝斷面形態消殺水流能量，從而使自身發育穩定，水流輸沙趨于動態穩定。細溝橫斷面的加深與拓寬，使得土壤坡面千溝萬壑，植被遭到破壞，對水土保持極為不利。

2.3 各流量組合類型下細溝縱斷面形態指標研究

試驗過程中，細溝內會形成一系列近似等間距的跌坑，消殺能量。為了更好地描述細溝縱斷面方向上跌坑的發育程度，借鑒階梯-深譚理論研究，引入跌坑發育系數SP，其定義為河床形態穩定后, 其輪廓外沿的曲線長度與河段首尾連線的直線長度的比值[24-26]。表2為不同流量組合類型及坡度下跌坑發育系數SP值。

圖4 各流量組合類型下細溝橫斷面形態隨坡度的變化Fig.4 Change of rill cross-sectional shape with slope under each flow combination type

表2 各流量組合類型下跌坑發育系數SP值Tab.2 Each flow combination type of drop pit development coefficient SP

由表2可知，各流量組合類型下的跌坑發育系數SP值均比較接近，SP為1.014～1.10，且根據試驗觀察發現各組次細溝河床都發育有連續的跌坑、結皮段。這與徐江等研究當水槽河床中有連續的階梯-深潭段發育時SP≥1.1有所差異。為了能夠更加直觀地反映跌坑發育系數SP隨坡度的變化規律，點繪出SP隨坡度變化的關系(見圖5)。

圖5 跌坑發育系數SP隨坡度的關系Fig.5 Relationship between drop pit development coefficient and slope

由圖5分析可知，均勻型的跌坑發育系數SP隨坡度的增加呈增加趨勢，這與董旭等的研究結果一致。這說明隨著坡度的增加，為保持河床穩定，需要更多的跌坑、結皮系列消耗水流能量，故跌坑發育得更加顯著[13]。且在各個坡度下，峰值型的跌坑發育系數SP值均最大，與均勻型相比，峰值型這種非恒定水流條件下階梯-深潭更容易形成[25]。值得一提的是，在坡度為12°時，4種流量組合類型的點距明顯比較分散，說明大坡度下，流量對跌坑發育的效應就會容易凸顯出來，究其原因是坡度較大時，跌坑發育愈加顯著，受到水流強度與細溝斷面形態的互相影響，流量對跌坑的影響作用就會逐漸表現出來。

3 結 論

細溝橫斷面形態是細溝水流與細溝壁土壤沖刷塑造的結果，徑流侵蝕造就了不同的斷面形態。基于恒定流量或降雨條件下細溝形態結構發育理論討論了非恒定流量放水沖刷條件下細溝橫縱斷面形態的發育規律，并對細溝形態演變的影響因素進行分析。

(1)各流量組合類型下細溝寬深比位于1.97～5.32之間，且同一流量組合類型情況下，隨坡度的增加呈減小的趨勢；細溝斷面形態指數η在0.29～0.54之間，且坡度較小時，細溝斷面形態主要表現為“V形三角形”和“倒梯形”。隨著坡度增加細溝橫斷面形狀由“寬淺式”向“窄深式”的調整轉變過程，而流量變化對其影響無明顯規律。

(2)各流量組合類型下，隨著坡度增加，細溝橫斷面也隨之加深或拓寬，且發展隨機性大愈加不規則。增加型和峰值型的細溝橫斷面形態主要以“U形三角形”為主；均勻型的細溝橫斷面形態主要以“V形”內壁外凸為主；凹陷型的細溝橫斷面形態主要以“深V形”為主。

(3)跌坑發育系數隨坡度的增加而增加；各個坡度下，峰值型的跌坑發育系數SP值均最大，這種非恒定水流條件下階梯-深潭更容易形成。

本文試驗研究了4種不同流量類型下的細溝斷面形態影響因素，試驗結果適用于黃土高原受季風氣候的影響，降水年內分配不均的水文特征區域。