郝好鑫,杜一凡,曹丹妮,李朝霞,郭忠錄
(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心,430070,武漢)
坡面流是指由降雨形成、在重力作用下沿坡面運(yùn)動(dòng)的淺層水流[1]。它是降雨量超過土壤入滲及地面洼蓄能力后產(chǎn)生的,被認(rèn)為是土壤侵蝕和懸移輸沙的主要?jiǎng)恿?,其水?dòng)力學(xué)特性對(duì)于坡面侵蝕和產(chǎn)沙具有重要理論意義[2-3]。研究表明,隨著坡面侵蝕的發(fā)生發(fā)展,坡面流由片狀漫流轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀集中水流,水深流速都相應(yīng)增加,流動(dòng)特性和侵蝕特性也將發(fā)生本質(zhì)改變,進(jìn)而坡面侵蝕產(chǎn)沙量可增加幾倍到幾十倍[4-7]。目前,坡面流水動(dòng)力學(xué)特性研究主要集中在水流流態(tài)和阻力變化特征2個(gè)方面。李占斌等[4]研究了在黃土陡坡上細(xì)溝發(fā)育及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化過程,結(jié)果表明沖刷初期的薄層水流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)均大于隨后產(chǎn)生的細(xì)溝流。丁文峰等[8]在紫色土坡面上的試驗(yàn)結(jié)果同樣表明坡面流雷諾數(shù)隨細(xì)溝發(fā)育歷時(shí)延長而逐漸增大,而坡面流阻力特性與侵蝕過程和流態(tài)關(guān)系則較為復(fù)雜。在土壤侵蝕研究當(dāng)中,水流阻力主要借鑒明渠流阻力概念和相應(yīng)表達(dá)方法,如曼寧糙率和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)等,相關(guān)研究多集中在探討阻力與各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律上。Abrahams等[9-10]對(duì)無植被覆蓋地區(qū)坡面流阻力特征的研究顯示:阻力系數(shù)f與雷諾數(shù)Re之間存在f=aRe-b(a、b均為系數(shù))的關(guān)系;張寬地等[3]的定床試驗(yàn)結(jié)果表明:達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)與單寬流量呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系,而與雷諾數(shù)成反比關(guān)系;Shen等[6]在10°~20°黃土坡面上的試驗(yàn)顯示,達(dá)西-維斯巴赫阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間無顯著相關(guān)關(guān)系,但與弗勞德數(shù)顯著相關(guān)。由此可見,坡面流阻力規(guī)律的探討雖有不少研究成果,但尚存疑較多。
侵蝕區(qū)域的不同使水土流失的特征也存在極大差異[11]。在我國南方紅壤區(qū),丘崗緩坡地是該地區(qū)重要的非農(nóng)用地和后備耕地資源,由于區(qū)域降雨量充沛極易產(chǎn)生較大地表徑流,加之人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的無序開發(fā),坡面水力侵蝕已成為區(qū)域內(nèi)土壤和生態(tài)退化的主要原因之一。然而,目前我國土壤侵蝕的研究工作主要在黃土高原開展[12],針對(duì)紅壤區(qū)緩坡面侵蝕水動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究仍相對(duì)薄弱。鑒于此,本試驗(yàn)以第四紀(jì)黏土發(fā)育紅壤為研究對(duì)象,采用動(dòng)床模擬徑流沖刷試驗(yàn)方法,初步探討了紅壤緩坡的侵蝕規(guī)律和水動(dòng)力學(xué)特性,為進(jìn)一步研究坡面侵蝕的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供理論參考。
試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人工模擬降雨大廳進(jìn)行,裝置包括試驗(yàn)土槽和徑流供水裝置2部分。土槽由鋼板制成,長3、寬0.5、高 0.4 m,坡度在0°~30°內(nèi)靈活可調(diào),并在前端設(shè)有2塊不銹鋼板分成的3級(jí)消能穩(wěn)流箱。徑流供水裝置主要由蓄水池、水泵、水閥和水管組成,泵水流量通過水泵上出水閥門和回流閥門精確調(diào)節(jié)。
供試土壤采自湖北省咸寧市賀勝橋鎮(zhèn),樣點(diǎn)土地利用為旱地,為第四紀(jì)黏土發(fā)育紅壤。采樣時(shí)取表層0~20 cm土壤,帶回實(shí)驗(yàn)室后風(fēng)干過2 mm篩子,剔除植物根系等雜物后備用,基本理化性質(zhì)見表1。
表1 土壤基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of experimental soil
試驗(yàn)土槽底部鋪設(shè)一層20 cm厚細(xì)沙,上鋪透水粗紗布再分層填裝土樣。每次試驗(yàn)前先將土壤表面緩慢浸水,用土壤水分測(cè)定儀監(jiān)測(cè)表層含水率下降至30%時(shí)開始試驗(yàn)。設(shè)計(jì)4個(gè)坡度(5°、8°、10°、12°)和3個(gè)放水流量(5、7.5、10 L/min),進(jìn)行完全組合模擬試驗(yàn),每組設(shè)置2個(gè)平行。試驗(yàn)前先記錄水溫,再用稱量法率定放水流量。放水開始后,前6 min每分鐘接1次徑流泥沙樣,6~15 min每3 min接1次,同時(shí)在坡面上中下3個(gè)位置量測(cè)徑流水寬和流速(染色示蹤法)。
目前關(guān)于坡面流沒有成熟理論,相關(guān)研究多借鑒明渠流動(dòng)力學(xué)公式和理論[3-8],其主要水動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括流速、水深、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、曼寧糙率、達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)等。計(jì)算方法如下:
土壤侵蝕率
(1)
式中:D為土壤侵蝕率,kg/(m2·min);m為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)沙質(zhì)量,kg;S為侵蝕區(qū)面積,m2;T為觀測(cè)時(shí)長,s。
單寬流量
(2)
式中:Q為坡面流平均單寬流量,L/(min·m);Vq為觀測(cè)時(shí)間段坡面產(chǎn)流體積,L;B為坡面水流寬度,m。
平均流速v是建立坡面侵蝕水動(dòng)力學(xué)過程的基礎(chǔ)參數(shù),常通過示蹤法測(cè)定表層流速再乘以修正系數(shù)α得到。研究表明,α取值主要受雷諾數(shù)、坡面坡度、坡面阻力形式和水流含沙量影響[13],本試驗(yàn)中坡面流含沙量變幅較大,因此采用Zhang等[14]提出的含沙水流坡面流流速修正系數(shù)公式:
α=-0.551-0.141 lgS+0.279lgRe-
0.056lg(Qs+0.001)
(5°
(3)
式中:α為流速修正系數(shù);S為坡度,(°);Re為雷諾數(shù);Qs為單寬輸沙量,kg/(m·s)。
雷諾數(shù)
(4)
式中:Re為雷諾數(shù);R為水力半徑,m,R=A/P,A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2,P濕周,m,根據(jù)坡面產(chǎn)溝形態(tài)分析,過水?dāng)嗝娼茷榫匦翁幚?。矩形長取徑流水寬B;水深h=Q/BV[4-8],h為水深,m。ν為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù),m2/s。
弗勞德數(shù)
(5)
式中:Fr為弗勞德數(shù);g為重力加速度,g=9.8 m/s2。
曼寧糙率系數(shù)[15]
(6)
式中:n為曼寧糙率系數(shù);J為水力坡度,可取坡度的正弦值[4-8]。
達(dá)西-維斯巴赫阻力
(7)
式中f為達(dá)西韋斯巴赫阻力系數(shù)。
圖1可見,5°和8°試驗(yàn)組合土壤侵蝕率隨徑流沖刷先快速增加后緩慢降低,10°和12°試驗(yàn)組合則為波動(dòng)降低。5°、8°、10°、12°坡度下各試驗(yàn)組合初始階段對(duì)應(yīng)土壤侵蝕率范圍為:0.59~1.6、0.81~2.62、3.70~4.62、4.05~9.93 kg/(m2·min),相同坡度下,最大侵蝕率均出現(xiàn)在10 L/min放水沖刷的組合,說明對(duì)于放水沖刷初始階段,侵蝕率隨坡度和上方放水量的增加而明顯增加。但對(duì)于整個(gè)侵蝕過程而言該規(guī)律并不十分明顯,尤其是對(duì)于侵蝕率較大的試驗(yàn)組合,其同樣較大的侵蝕率波動(dòng)一定程度弱化了上述規(guī)律,這可能是大坡度和較大的徑流量促進(jìn)了細(xì)溝溝壁的崩塌(圖2)和細(xì)溝流路發(fā)育所致[16]。
圖1 土壤侵蝕率隨沖刷歷時(shí)變化Fig.1 Variation of sediment yield rate with the scouring time
圖2 細(xì)溝溝壁崩塌照片F(xiàn)ig.2 Photos of rill bank landslip
試驗(yàn)中前2~3 min坡面流首先以薄層漫流形式?jīng)_刷表土,徑流比較寬廣和分散。隨著侵蝕的進(jìn)一步發(fā)展,當(dāng)坡面流中觀察到小跌水時(shí),其迅速發(fā)育為流路明顯的線狀水流,即細(xì)溝水流[4,7]。目前關(guān)于坡面薄層水流和細(xì)溝流并無明確界定,但鑒于它們水力特性和侵蝕機(jī)理不同,在研究土壤侵蝕中傾向于將兩者區(qū)別對(duì)待[5]。由表2可知:試驗(yàn)條件下坡面薄層水流單寬流量為22.44~80.52 L/(min·m),細(xì)溝流為57.60~154.36 L/(min·m);薄層水流平均流速為0.11~0.22 m/s,細(xì)溝流為0.17~0.34 m/s;薄層水流平均水深為2.50~6.72 mm,細(xì)溝流為4.73~9.89 mm。單寬流量、平均流速和平均水深直觀反映了坡面流的流態(tài)特征,即薄層水流相對(duì)于細(xì)溝流其單寬流量、流速和水深均較小。薄層水流雷諾數(shù)為343.37~1 092.13,細(xì)溝流雷諾數(shù)為811.78~1 786.09,說明大部分試驗(yàn)組合的流態(tài)屬于過渡流(8°試驗(yàn)組合中5和7.5 L/min放水流量的薄層水流屬于層流)。盡管如此,對(duì)比薄層水流和細(xì)溝流平均雷諾數(shù)發(fā)現(xiàn)后者為1 269.88可達(dá)前者643.60的2倍,說明坡面薄層水流匯集于細(xì)溝中之后其雷諾數(shù)急劇增大。此外,同一試驗(yàn)組合細(xì)溝流弗勞德數(shù)均大于薄層水流,幾乎所有試驗(yàn)組合薄層水流的弗勞德數(shù)<1,屬緩流(8°和10 L/min的放水流量組合除外),絕大多數(shù)細(xì)溝流弗勞德數(shù)>1,屬急流(5°和12°的5 L/min放水流量組合除外)。試驗(yàn)中坡面流曼寧糙率變化范圍為0.038~0.092,達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)變化范圍為0.73~4.41,絕大多數(shù)薄層水流的曼寧糙率和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)均大于細(xì)溝流(5°、8°與5 L/min放水流量和10° 與7.5 L/min放水流量組合除外)。
由表3可知,試驗(yàn)條件下坡面流雷諾數(shù)與單寬流量、平均流速和平均水深密切相關(guān),平均流速和平均水深主要受單寬流量控制,坡度影響并不顯著。弗勞德數(shù)僅與平均流速呈極顯著相關(guān),曼寧糙率和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)是普遍采用的反映坡面流的水力參數(shù),但目前關(guān)于上述阻力的研究結(jié)果分歧較大[6,8,10,17]。本研究結(jié)果數(shù)據(jù)表明,坡面流阻力與平均流速呈負(fù)相關(guān),而坡度、單寬流量和平均水深則對(duì)坡面流阻力無顯著影響。曼寧糙率和達(dá)西韋斯巴赫阻力系數(shù)均與弗勞德數(shù)呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)關(guān)系,同時(shí)對(duì)于過渡流達(dá)西-維斯巴赫阻力系數(shù)與雷諾數(shù)同樣有顯著冪函數(shù)關(guān)系,其關(guān)系式分別為:
表2 不同試驗(yàn)組合坡面流水動(dòng)力學(xué)特征Tab.2 Flow hydraulic characteristic of different treatments
Notes:S: slope;Q: unit discharge;v: flow velocity;h: flow depth;Re: Reynolds number;Fr: Froude number;n: Manning roughness coefficient;f: Darcy-Weisbach friction; E: sheet flow; R: rill flow. The same below.
n=0.052 3Fr-0.775(R2=0.49,P<0.01);
(8)
f=1.291 1Fr-1.551(R2=0.53,P<0.01);
(9)
f=119.22Re-0.649(R2=0.29,P<0.05)。
(10) 表3 不同組合各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)及平均土壤侵蝕率相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation matrix for flow hydraulic parameters and sediment yield rate
注:** 表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān),* 表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),樣本數(shù)n=24。Notes: ** means significant atP<0.01 level, * means significant atP<0.05 level,n=24.D: Sediment yield rate.
由表3可知試驗(yàn)條件下平均侵蝕率僅與坡度極顯著相關(guān),其他單一水動(dòng)力參數(shù)與平均產(chǎn)沙速率無顯著關(guān)系,但本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水力坡度與雷諾數(shù)乘積(JRe)可以較好反映紅壤坡面的平均侵蝕率。如圖3所示,薄層水流和細(xì)溝流平均侵蝕率均和JRe呈顯著對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,薄層水流平均侵蝕率相比細(xì)溝流對(duì)JRe值響應(yīng)更敏感,同時(shí)隨著JRe值增大,平均侵蝕率增幅逐漸減小。
圖3 水力坡度與雷諾數(shù)乘積與平均土壤侵蝕率關(guān)系Fig.3 Relationship of JRe number and mean sediment yield rate
試驗(yàn)條件下放水沖刷初期坡面流為短時(shí)間薄層水流,隨后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)溝流。薄層水流流態(tài)大部分處于“過渡流-緩流區(qū)”,細(xì)溝流大部分處于“過渡流-急流區(qū)”。對(duì)于同一沖刷過程而言,薄層水流單寬流量、水深、流速、雷諾數(shù)以及弗勞德數(shù)均小于細(xì)溝流,該結(jié)果與李占斌等[5]在黃土陡坡上研究結(jié)論一致。此外,研究還發(fā)現(xiàn)薄層水流的曼寧糙率和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)大于細(xì)溝流。從能量角度分析,水流阻力主要來自泥沙本身對(duì)水流的阻礙作用和下墊面對(duì)水流的阻礙作用,試驗(yàn)中薄層水流以漫流為主,相比有固定溝槽流路的細(xì)溝流其流速和水深均較小,泥沙本身對(duì)水流的阻礙作用也相對(duì)較大。
曼寧糙率和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)均與弗勞德數(shù)呈顯著冪函數(shù)關(guān)系(R2分別為0.49和0.53),對(duì)于過渡流達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)同樣與雷諾數(shù)呈現(xiàn)顯著冪函數(shù)關(guān)系(R2為0.29)。此外,本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)弗勞德數(shù)僅與平均流速呈極顯著相關(guān),而張寬地等[3]在定床水槽上的研究認(rèn)為水流弗勞德數(shù)與單寬流量和坡度呈冪函數(shù)關(guān)系。弗勞德數(shù)反映水流自身動(dòng)能與勢(shì)能的相對(duì)比例[15,18],本試驗(yàn)中坡面流受動(dòng)床下墊面阻力和泥沙輸移影響,相比定床水槽的清水試驗(yàn)其水流需要克服阻力做功較多,因此當(dāng)坡度和流量增大時(shí)動(dòng)能增加相比后者的定床試驗(yàn)滯后,一定程度上制約了水流的急緩程度。
筆者建立了薄層水流和細(xì)溝流條件下基于水力坡度與雷諾數(shù)乘積的土壤侵蝕率指數(shù)函數(shù)方程,分別為:Ds=4.397 3ln(JRe)-15.827 (R2=0.94),Dr=2.326 9ln(JRe)-9.092 9(R2=0.52)。相比GUO等[18]在華南紅壤坡面上研究采用相對(duì)水深曼寧糙率(n/h)這一復(fù)合水動(dòng)力參數(shù)表征坡面侵蝕產(chǎn)沙,筆者基于JRe建立的方程具有一定物理意義:坡面流雷諾數(shù)是表征水流紊動(dòng)程度的參數(shù),水力坡度能反映傾斜床面在坡面流重力作用下的受力情況,在侵蝕初期的薄層水流階段,坡面流較淺,加之表層土壤相對(duì)疏松,坡面土壤剝蝕受水流紊動(dòng)和重力下切影響較大;而細(xì)溝流由于水深較厚且水流形態(tài)受細(xì)溝斷面控制,坡面土壤剝蝕受水流擾動(dòng)和重力下切敏感程度相對(duì)薄層水流較弱,此外細(xì)溝發(fā)育過程中溝壁的崩塌和細(xì)溝流路趨向直線的效應(yīng)增大了侵蝕的隨機(jī)性,細(xì)溝流土壤平均侵蝕率與JRe擬合方程的R2相對(duì)較小也說明了上述問題。研究初步探討了紅壤緩坡的侵蝕規(guī)律和水動(dòng)力學(xué)特性,為進(jìn)一步研究該區(qū)域坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制奠定一定的基礎(chǔ)。
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