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)

針對黃土地區(qū)小流域坡面侵蝕的特點，分析了土壤、土地類型、坡度等對其的影響，并通過野外大型降雨裝置，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)流過程，為小流域坡面侵蝕的進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

水土保持作為我國的一項基本國策，對國民經(jīng)濟發(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，也是決定國土治理和江河治理的關(guān)鍵因素。針對山區(qū)水土流失病害，相關(guān)部門提出了一項綜合治理開發(fā)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程——水土保持工程建設(shè)。其主要指導思想是以水土流失重點病害地區(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，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)效益和社會效益良好，同時提高小流域地區(qū)的生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟發(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)濟系統(tǒng)開發(fā)為目標，進行系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測，是水土保持工程建設(shè)節(jié)點的有效劃分。因此，在以小流域為研究對象時，有必要針對小流域地區(qū)的治理理論、方法和技術(shù)措施等進行綜合研究，建立并完善小流域地區(qū)信息管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)小流域地區(qū)水土流失治理規(guī)劃、設(shè)計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，主要是通過降雨侵蝕丘陵溝壑，使表層泥沙剝落，隨著時間的累計，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。針對黃土地區(qū)小流域坡面侵蝕的特點，分析降雨、坡度和土地利用類型等主要因素對其的影響，借助大型野外人工降雨裝置，根據(jù)小流域地區(qū)坡面三維水流運動的模式，分析、模擬不同土地利用類型下坡面的產(chǎn)流過程，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 試驗方法

1.1 試驗用地布設(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)的細黃土為研究對象，故不需要對土壤因子進行考慮，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組合進行試驗用地選擇，如表1所示。

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

表1 試驗用地布設(shè)方案

1.2 試驗檢測項目

在進行人工降雨試驗前，需要對所選試驗用地進行詳細調(diào)查，調(diào)查項目有：坡度、主要植被種類、植被生長年限、植被覆蓋程度等。

在降雨試驗中，進行試驗檢測的項目有：坡面土壤物理性質(zhì)、降雨前后土壤含水量、降雨初損歷時、降雨后損歷時、降雨過程中不同時刻的徑流量、含沙量、坡面流速、降雨器工作壓力，降雨后滲透深度等。

試驗檢測方法同一般水文調(diào)查法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Matlab，Lotus1-2-3，SPSS統(tǒng)計分析軟件等，對試驗數(shù)據(jù)進行處理。根據(jù)動力波理論、李魯明、D.B西斯蒙等的泥沙搬運方程推導了產(chǎn)流公式，然后編寫FLACK3D程序進行運算和建模。

2 降雨裝置

根據(jù)試驗研究需要，設(shè)計研制的野外大型可移動式大型(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)、動力供水系統(tǒng)與調(diào)試系統(tǒng)和量測系統(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)簡便，噴頭的不同排列組合，可構(gòu)成多種降雨形式的特點，能夠滿足試驗的不同需求。據(jù)研究測定，對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，對于同一降雨強度，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，當降雨強度I=0.839 mm/min時，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00.839 mm/min時，則后者大于前者；就劉家河地區(qū)的天然降雨而言，當降雨強度I=0.816 mm/min時，天然降雨與人工降雨的雨滴中數(shù)直徑相等，當00.816 mm/min時，后者大于前者；通過上述對比，發(fā)現(xiàn)降雨雨滴直徑差異大小由降雨強度而定；另一方面，降水高度會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，已有研究表明天然降雨強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度與平均終速并無明顯相關(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狀態(tài)，具有精度高、降水面積大等優(yōu)點，而且試驗時由邊界條件產(chǎn)生的誤差較小，能夠滿足試驗要求。

3 坡面徑流理論及其模型

根據(jù)Kinematic Wave運動波理論，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。

通過運動波理論和滲流理論推導得出，坡面末端某一時刻的流量計算公式為：

(5)

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

3.1 參數(shù)擬合——標準試驗小區(qū)

1)標準試驗小區(qū)情況。

標準試驗小區(qū)按照坡度(10°，15°，20°，25°)不同分為4組，不同坡度下依據(jù)降雨和降雨強度又分為4組。

2)試驗參數(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度)，可計算得到各次降雨的徑流系數(shù)i0，根據(jù)小流域運動波理論和滲流理論推導得出的坡面徑流模型，用實測徑流過程擬合出α值。

3)試驗參數(shù)預(yù)測。

(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坡面徑流的影響分析

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

當土地利用類型不同時，林地受地表植被和根系的長期影響，土壤結(jié)構(gòu)較好、滲透性較高，當降雨強度較大、前期土壤含水量較高時，降雨過程中的初損歷時ta和穩(wěn)定匯流歷時Tc則較長，而穩(wěn)定匯流流量比其他土地利用類型小；當降雨停止后，林地的后損歷時比其他土地利用類型長，說明林地能夠有效減弱洪峰時期流量，具有延長出流時間的調(diào)節(jié)功能。當降雨強度、前期土壤含水量相同時，荒坡的產(chǎn)流速度最快，其穩(wěn)定匯流歷時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?。坏莸睾娃r(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

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

2)通過坡面滲流理論及模型，獲取標準試驗小區(qū)內(nèi)的各項測試參數(shù)，得到了滲流系數(shù)i0和α參數(shù)擬合計算公式，可直接用于計算和預(yù)測。

3)通過不同利用狀況坡地的徑流分析表明，同一地類，當雨強大、前期土壤含水量高、坡度陡時，初損歷時ta和穩(wěn)定匯流歷時Tc較短，穩(wěn)定出流時的流量大；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。

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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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