車小力，王文龍，2?，郭軍權(quán)，韓芳芳

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，712100，陜西楊凌;2.中國科學院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;3.延安職業(yè)技術(shù)學院，745000，陜西延安;4.長安大學環(huán)境科學與工程學院，710064，西安)

土壤侵蝕在黃土高原地區(qū)非常嚴重，制約著當?shù)亟?jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，而淺溝侵蝕作為坡面土壤侵蝕的一個重要過程，在黃土地區(qū)坡耕地上的分布十分廣泛，是一種人為耕墾與強烈徑流侵蝕相互作用的特殊侵蝕形態(tài)，對黃土區(qū)溝蝕的發(fā)生發(fā)展有著重要的影響，歷來為學者所重視。淺溝是在徑流沖刷和人為耕作的反復作用下形成的瓦背狀起伏的地形［1］。有關(guān)土壤侵蝕過程的研究，在片蝕和細溝侵蝕研究方面已取得了重要的成果，但對淺溝侵蝕過程的研究仍較薄弱［2］。有關(guān)資料表明，淺溝占坡面范圍大，侵蝕量可占坡面侵蝕量的17% ～85%［3-6］。國內(nèi)外學者對淺溝侵蝕進行了一定的研究，主要涉及淺溝侵蝕分布特征［7］、淺溝侵蝕過程及其影響因素［8-9］、淺溝水流水動力參數(shù)特征［10］等，并建立了淺溝侵蝕預報模型［11-12］。鄭粉莉等［13］利用室內(nèi)人工建筑淺溝發(fā)育初期的雛形模型，研究淺溝發(fā)育不同階段的侵蝕過程及淺溝侵蝕對坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻，指出淺溝發(fā)育不同階段對應于不同的淺溝侵蝕過程，淺溝侵蝕量在發(fā)育初期和中期階段占總坡面侵蝕產(chǎn)沙量的58%，而在后期為26% ～59%。王文龍等［14］通過模擬降雨試驗的方法對比了淺溝與細溝水動力參數(shù)的關(guān)系，指出紊動和急流沖刷是淺溝區(qū)別于細溝侵蝕的最重要的特征。鄭粉莉等［15］利用室內(nèi)雙土槽徑流小區(qū)，通過模擬降雨試驗研究了坡度為20°時上方來水來沙對坡下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明，上方來水引起的侵蝕產(chǎn)沙量隨降雨強度的增加可增加4.4% ～83.5%，而在相同上方來水條件下，上方來沙強度的減少，可使下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙量增加。由于淺溝侵蝕過程的復雜性，現(xiàn)有研究成果在淺溝水流水動力參數(shù)方面的試驗研究在黃土高原地區(qū)較少，且以室內(nèi)人工模擬試驗居多［8-14］，而野外徑流小區(qū)觀測資料表明，上方來水來沙對坡面侵蝕具有重要的影響［15-16］。因此，筆者通過野外放水沖刷試驗，定量研究上方來水來沙對坡面淺溝侵蝕產(chǎn)沙及其水動力參數(shù)的影響，以期為淺溝侵蝕過程定量化研究和坡面土壤侵蝕預報模型的建立提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市燕兒溝小流域內(nèi)，地處延安市南3 km處，地勢西北高，東南低，地形以梁、峁為主。土壤為典型的黃綿土，粉粒含量多，有機質(zhì)含量為0.9%，耕作層土壤密度為1.15 g/m3左右。該區(qū)年平均降雨量480～630 mm，降雨年際變化大，多集中于夏季，雨型以短歷時暴雨為主。

2 試驗設計與研究方法

2.1 試驗設計

試驗地布設在燕兒溝流域廟河村對面山上的蘋果園里，盡可能選取原來就發(fā)育有淺溝的完整坡面，或依照具體地形修整成兩肩高中間低的瓦背狀淺溝。設寬1 m、長10 m、坡度為26°淺溝小區(qū)。試驗利用水窖供水，采用水泵和閥門控制流量，用標準徑流桶對放水流量進行率定。將10 m小區(qū)分為上下2個，通過小區(qū)相連的方式來模擬上方來水對下方小區(qū)水動力學參數(shù)及產(chǎn)沙的影響。在小區(qū)上方放置一個與小區(qū)同寬的溢流槽，保證試驗中水是均勻地從溢流槽流出，在小區(qū)中部，將有無數(shù)小孔的塑料水管，用紗布包裹，并使其形狀與坡面淺溝凹狀相符，將水管與水箱相連，保證試驗中水流均勻地流向下方坡面。順小區(qū)縱向2、4、6和8 m處設定4個觀測斷面，以測定流速、流寬和流深。小區(qū)下方設有集流槽，根據(jù)集流桶內(nèi)的水沙體積可計算出徑流量與泥沙量。放水流量分別采用上方放水流量5 L/min、下方放水流量5 L/min;上方放水流量10 L/min、下方放水流量10 L/min;上方放水流量15 L/min、下方放水流量10 L/min;另外還對下方5 m小區(qū)進行放水流量為5和10 L/min的無上方來水來沙試驗。單場試驗重復次數(shù)為2。野外放水沖刷試驗系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 野外放水沖刷試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of outdoor scouring erosion experimental apparatus

2.2 試驗過程及數(shù)據(jù)獲取

試驗前測量土壤密度和前期含水量，試驗開始，記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流后前3 min內(nèi)每1 min接1次水樣，3 min后每3 min接1次水樣。用體積法量測流量，用取樣烘干法測含沙量，用高錳酸鉀溶液示蹤法每隔5 min測量各斷面處流速，用測針法量測斷面水深，流寬用卡尺量測，試驗歷時40 min。

通過野外放水沖刷試驗，用斷面平均流速、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)、剪切力、水流功率表示淺溝水流的水力學參數(shù)。主要計算公式如下。

斷面平均流速v為各時段流速大小的平均值，單位是m/s。

式中:Re為雷諾數(shù)，是水流慣性力與黏性力之比，量綱為1，Re＜500，水流為層流，Re＞500，水流處于紊流狀態(tài);v為平均流速，m/s;R為水力半徑，m;ν為運動黏性系數(shù)，m2/s。

式中:Fr為弗勞德數(shù)，是水流的慣性力與重力的比值?？梢杂肍r反映水流流態(tài)，當Fr＜1時水流為緩流，當Fr＞1時水流為急流;g為重力加速度，m/s2。

式中:f為阻力系數(shù)，表征了水流在流經(jīng)坡面時所受的阻力情況;J為水力能坡，m/m;v1為斷面平均流速，m/s。

式中:S為水流剪切力，Pa，是反應水流對淺溝溝床土壤剝蝕力大小的參數(shù);Q為水流平均含沙量時的密度，kg/m3，取 1.8 kg/m3。

式中:P為水流功率，N/(m·s)，表征水流流動時的挾沙能力的參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 上方來水對淺溝水動力參數(shù)的影響

3.1.1 上方來水對淺溝水流流速的影響 不同放水流量下，上方含沙水流匯入淺溝侵蝕槽后，導致淺溝水流流速明顯增大。從圖2可以看出，上方匯水匯沙導致淺溝下方流速明顯增大，且隨著上方匯水流量的增大而增大。由于受微地貌的影響，淺溝侵蝕過程流速的變化是不均勻的，隨著侵蝕的發(fā)生，水流流速出現(xiàn)整體遞減的趨勢，說明坡面淺溝侵蝕過程以侵蝕-搬運為主，隨著上方泥沙的運移，下方水流進行挾沙需要消耗較多的能量，其水流沖擊能力相對減少，因此，淺溝水流流速變小。

圖2 26°時不同放水流量有無上方來水流速隨時間的變化Fig.2 Flow velocity over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

3.1.2 上方來水對淺溝水流雷諾數(shù)的影響 有無上方匯流對淺溝水流雷諾數(shù)具有明顯的影響。雷諾數(shù)隨著放水流量的增大而增大，上方來水來沙的匯入，使下坡淺溝水流的紊動性顯著增加，雷諾數(shù)變大，從而增大了淺溝侵蝕產(chǎn)沙量。在坡度為26°時，無上方來水時淺溝水流雷諾數(shù)變化于1 165～8 689之間，大于500，淺溝水流屬于紊流狀態(tài);與無上方來水相比，有上方來水時的淺溝水流雷諾數(shù)增大33% ～76%。

從圖3可以看出，雷諾數(shù)隨著放水流量的增大而增大，上方匯水匯沙使下方水流雷諾數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢，當下坡放水流量相同時，雷諾數(shù)隨著上坡放水流量的增大而增大;因此，在坡度為26°時，淺溝水流屬于紊流，在上方來水來沙的作用下，淺溝水流雷諾數(shù)迅速增大，淺溝水流搬運泥沙的能力增強，侵蝕產(chǎn)沙量增大。

圖3 26°時不同放水流量有無上方來水雷諾數(shù)隨時間的變化Fig.3 Reynolds number over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

3.1.3 上方來水對淺溝水流弗勞德數(shù)的影響 弗勞德數(shù)隨著水流紊動強度的增大而增大，上方來水來沙的匯入對淺溝水流弗勞德數(shù)有顯著的影響。無上方來水淺溝水流的弗勞德數(shù)介于1.21～4.35之間，其流態(tài)屬于急流。與無上方來水相比，上方來水使淺溝水流的弗勞德數(shù)增加21% ～47%，當下坡放水量相同時，上方來水為15 L/min的弗勞德數(shù)比10 L/min的大26%。

從圖4可以看出，淺溝水流弗勞德數(shù)隨著上方來水來沙的匯入顯著增大，上方來水來沙的增大亦使弗勞德數(shù)變大;弗勞德數(shù)最大值出現(xiàn)在放水初期，最小值出現(xiàn)在放水末期，隨著放水時間的持續(xù)，淺溝形態(tài)趨于穩(wěn)定，水流紊動強度減小，故弗勞德數(shù)隨放水時間呈遞減趨勢。

圖4 26°時不同放水流量有無上方來水弗勞德數(shù)隨時間的變化Fig.4 Froude number over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

3.1.4 上方來水對淺溝水流阻力系數(shù)的影響 水流進入淺溝后，必然受到摩擦阻力的影響，其阻力主要來自水流中沙粒本身的摩擦力對水流的阻礙作用。在坡度為26°時，淺溝水流的阻力系數(shù)介于0.69～1.98之間，上方來水的匯入使淺溝水流阻力系數(shù)減小，與無上方來水相比其值減小11% ～13%。

從圖5可以看出:放水流量與阻力系數(shù)成反比，上方來水匯入淺溝侵蝕槽后，阻力系數(shù)明顯減小，且隨著上方來水的增大而減小;整個放水過程中，由于上方來沙匯入下方淺溝侵蝕槽，水流摩擦力增大，故阻力系數(shù)隨著放水時間的持續(xù)逐漸變大。

3.1.5 上方來水對淺溝水流剪切力的影響 剪切力反應水流對土壤剝蝕力的大小，上方來水進入淺溝侵蝕槽后，增加了下方匯水流量，淺溝水流剪切力相應增大。在坡度為26°時，不同放水流量淺溝水流剪切力介于1.763～4.521之間，與無上方來水相比，上方來水使淺溝水流剪切力增加18%～42%。

圖5 26°時不同放水流量有無上方來水阻力系數(shù)隨時間的變化Fig.5 Daycy-weisbach coefficient over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

從圖6可以看出:淺溝侵蝕槽在接受上方來水后，其水流剪切力顯著增大，同時，放水流量的增加也使淺溝水流剪切力增大。淺溝水流剪切力隨著放水時間的持續(xù)，呈現(xiàn)出遞增趨勢，只有在放水流量為“上5 L/min，下5 L/min”時，其值在整個放水階段比較平穩(wěn)。

圖6 26°時不同放水流量有無上方來水剪切力隨時間的變化Fig.6 Shearing force over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

3.1.6 上方來水對淺溝水流功率的影響 水流功率表征水流流動時的挾沙能力，流動水體將勢能轉(zhuǎn)化為動能，對淺溝侵蝕槽造成破壞。上方來水使淺溝水流的水流功率增加29% ～72%，同時，放水流量的增加，也使淺溝水流的水流功率增大。

從圖7可以看出:淺溝水流功率隨上方來水的匯入而顯著增大，下坡放水流量相同時，水流功率隨上方來水量的增大而增大;水流功率隨放水時間的持續(xù)而遞增，唯有在“上5 L/min，下5 L/min”時，其值波動比較平緩。

圖7 26°時不同放水流量有無上方來水水流功率隨時間的變化Fig.7 Stream power over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

3.2 上方來水對淺溝侵蝕產(chǎn)沙量的影響

不同放水流量對坡面淺溝侵蝕產(chǎn)沙過程具有顯著影響，而上方來水的匯入加劇了這一過程。根據(jù)實驗設計分析上方來水對淺溝侵蝕產(chǎn)沙的影響，點繪出淺溝水流的產(chǎn)沙過程線。產(chǎn)沙過程大致為，隨著放水時間的延長，產(chǎn)沙量在出現(xiàn)峰值后逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。

從圖8可以看出，上方來水對淺溝侵蝕的產(chǎn)沙量貢獻很大，上方來水量大的，產(chǎn)沙增量大。與無上方來水相比，有上方來水的淺溝侵蝕產(chǎn)沙過程較為復雜，有多峰多谷的特點。其最大值出現(xiàn)在產(chǎn)流初期，此時由于土粒松散，易被剝蝕，再加上上方來水匯入淺溝侵蝕槽，產(chǎn)沙過程線便出現(xiàn)峰值。隨著放水時間的延長，待坡面土壤水分飽和時，即坡面產(chǎn)流達到峰值后，產(chǎn)沙過程又出現(xiàn)峰值。當產(chǎn)流漸漸趨于穩(wěn)定，淺溝侵蝕產(chǎn)沙最終趨于穩(wěn)定。

圖8 26°時不同放水流量有無上方來水淺溝侵蝕產(chǎn)沙量隨時間的變化Fig.8 Sediment yield over time with or without up-slope runoff in different water discharge at slope of 26°

3.3 淺溝侵蝕產(chǎn)沙量與水動力參數(shù)的關(guān)系

上方來水引起下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙相對增量可用下式計算:

式中:ΔM為產(chǎn)沙相對增量，g/min;Msx為有上方來水時淺溝侵蝕產(chǎn)沙量，g/min;Mx為相對應的無上方來水時下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙量，g/min。剪切力和水流功率計算式同上，ΔP為水流功率相對增量，N/(m·s);ΔS為剪切力相對增量，Pa。

上方來水對坡下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙量的影響與淺溝水力學參數(shù)有密切的關(guān)系，用相關(guān)分析法對實驗資料進行分析，得知上方來水引起的產(chǎn)沙量相對增量與淺溝水流的剪切力和水流功率相對增量的相關(guān)性較好，淺溝侵蝕產(chǎn)沙量相對增量與剪切力相對增量和水流功率相對增量均呈冪函數(shù)關(guān)系(表1)。

從圖9可以看出，上方來水引起的產(chǎn)沙相對增量與水流剪切力和水流功率相對增量呈冪函數(shù)關(guān)系，即隨著淺溝水流剪切力和水流功率的增大，侵蝕產(chǎn)沙量迅速增大。

表1 水流剪切力、水流功率與產(chǎn)沙量的關(guān)系Tab.1 Relationship between sediment yield and flow shearing force and stream power

4 結(jié)論與討論

1)上方來水的匯入使淺溝水流流速明顯增大，雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、水流功率和剪切力分別增大了33% ～76%、21% ～47%、29% ～72%、18% ～42%，阻力系數(shù)減少了11%～13%，導致淺溝侵蝕產(chǎn)沙量明顯增大。除流速和弗勞德數(shù)外，其余水動力參數(shù)隨放水時間的延長呈遞增趨勢。

2)上方來水對淺溝侵蝕產(chǎn)沙量貢獻很大，上方來水量大的，產(chǎn)沙增量亦愈大。與無上方來水情況相比，有上方來水的淺溝侵蝕產(chǎn)沙過程較為復雜，有多峰多谷的特點，其產(chǎn)沙過程大致為，隨著放水時間的延長，產(chǎn)沙量在出現(xiàn)峰值后逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。

3)淺溝水流剪切力和功率是影響淺溝侵蝕產(chǎn)沙量的重要水動力學參數(shù)。上方來水引起坡下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙量相對增量與淺溝水流的剪切力和水流功率相對增量均呈冪函數(shù)關(guān)系。

上方來水來沙的匯入，加速了坡下方淺溝侵蝕的發(fā)展，并使淺溝侵蝕過程更為復雜。筆者在現(xiàn)有條件下做了一些有益的探索，而諸如不同含沙量的上方來水、不同下墊面影響因子以及復雜自然環(huán)境因子的影響在今后的工作中還需進一步研究。

圖9 不同放水流量水流剪切力相對增量和水流功率相對增量與產(chǎn)沙量相對增量的關(guān)系Fig.9 Relationship between stream power，shearing force increment and sediment yield increment relatively in differentwater discharge

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