不同降雨条件下土质开挖坡面的细沟间侵蚀特征.pdf

土质开挖坡面的细沟间侵蚀受降雨影响较大 因此 为了更加科学地治理土质开挖坡面水土流失问题 本研究开展野外人工模拟降雨试验 设计了 、这 个不同雨强以及、等 个坡度的原位试验 研究其在不同降雨条件下的侵蚀特性 结果表明:()土质开挖坡面以地表径流为主要的水文过程 地表径流量占总降雨量的 ()径流流速和雷诺数与雨强和坡度雨强的交互作用()呈极显著相关(模型 模型 且凸曲线型坡度因子指标更适用于土质开挖坡面土壤剥蚀率的计算 根据 细沟间侵蚀方程(模型)计算得到土质开挖坡面土壤可蚀性因子为 研究成果可为建立土质开挖坡面水土流失量预测模型提供数据基础关键词:土质开挖面 人工模拟降雨 水动力学 细沟间侵蚀中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.).)().(.:侵蚀性降雨是坡面水力侵蚀的主要动力因子之一 雨量、雨强、降雨历时等降雨指标共同影响坡面水土流失过程 在相同的雨强条件下 当总降雨量增加 时 土壤流失率增加 雨滴击溅不仅造成土壤颗粒的分离和位移 还增加了坡面薄层水流的紊动性 室内土槽试验水流边界条件易于控制 是研究坡面土壤侵蚀动力学特性比较常用的方法 但其与天然坡面存在较大的差异 土质开挖坡面作为分布最广和危害最为普遍的一种人为水土流失来源 主要是指因建设项目需要在表土剥离后开挖的 扰动的土一般是由风化壳或母质(母岩)构成 土质开挖坡面植被缺乏、土壤容重大、压实度高、坡度陡峭 在侵蚀性降雨条件下土壤流失量和流失过程与天然坡面有着较大差异 此外开挖坡面与天然坡面相比 下垫面组成更加复杂 入渗能力更弱 因此 工程开挖边坡流失的土并非是传统意义的土壤 而是工程意义上的土 主要由风化壳或母质(母岩)组成 可能含有一定的土壤国内对开挖坡面细沟间侵蚀过程及水力学特征的报道不多 大多数集中在黄土高原试验研究 而开挖建设坡面的水土流失程度相对严重 细沟侵蚀又是坡面侵蚀发育的重要过程之一 是科学预报侵蚀和建立侵蚀模型的重要来源 因此本研究通过采用野外人工降雨试验方法 以输变电工程建设形成的土质坡面为研究对象 分析侵蚀性降雨条件下土质开挖坡面细沟间侵蚀过程及水力学特征 为开挖坡面侵蚀研究提供科学参考 材料与方法 实验设计与观测本试验研究地点为福建省泉州市一处输变电工程开挖边坡(图)该地区地势较高、地形复杂地貌以低中山为主 属中亚热带季风气候 多年平均气温 多年平均降水量 试验选取 个坡度(、和)开挖边坡小区按简易小区设计 小区长 宽 为了减少径流向外渗出影响试验精度 小区槽壁四周用 不锈钢板组成 阻断径流交换通道 在小区下端插入集流槽 并在集流槽下摆放收集筒 用于收集地表流注:.试验点具体方位.线路工程概况.野外径流小区概况图 试验点及野外径流小区分布 试验采用长江科学院水土保持所喷摇摆式模拟降雨器 雨强调节在 范围内 降雨均匀度在 以上 有效降雨面积约为 设置试验的降雨高度为 考虑到试验地点发生侵蚀性降雨的范围和试验目的 最终设计降雨强度分别为 、和 亚热带资源与环境学报第 卷进行组合试验 每次降雨试验降雨总量控制在 根据降雨强度设定降雨历时 即降雨历时分别为、和 所对应的降雨强度分别为 、和 野外调查输变电工程开挖坡面土壤容重为 小区平均土壤容重为 土壤平均含水率为 试验过程对试验小区进行土壤取样 测定前期含水率并作为参考 重复试验需保证每次重复的含水率在前期含水率 内方可进行 降雨开始前使用油布将小区覆盖 在小区周围摆设 个量筒对降雨强度进行测定 保证降雨强度误差不超过试验雨强 时开始试验 实验开始至坡面完全产流 测定出口处的流量和含沙量并记录时间 试验过程中 通过记录水流温度计算水流粘滞系数 同时记录人员要准备两块电子表 一块用于记录降雨总时间 另一块用于坡面产流后控制采样人员的采样时间 取样时间间隔确定为产流初期每 分钟时取一个样 分钟时每 分钟取一个样 分钟时每 分钟取一个样 分钟后 每隔 分钟取一个样 采用烘干法测量各样品中的泥沙含量 表面流速采用 颜料示踪法测定 分上、中、下 个测量断面测定流速 当人为操作造成的测量值过大或过小时 则舍去异常值重新测量 每次试验重复 次 以保证试验精度 试验结束后重新布置新小区的进行试验 本研究共设计 共 场试验 数据分析方法)坡面平均流速()采用染色剂法测量坡面平均流速)平均水深()细沟间水深采用式()计算获得:()式()中:为平均水深()为流量()为水面宽度()为时间()水力学参数 雷诺数、达西阻力系数、曼宁糙率系数 及水流功率 采用明渠流公式计算以上参数)土壤剥蚀率()其计算公式如下:()式()中:为时间 内土壤的流失量()通过流失的泥沙样获得 为小区面积()细沟间侵蚀模型 选用了 种常见的计算模型 来研究不同模型的适用性模型 采用 和 提出的细沟间侵蚀模型:()式()中:为土壤可蚀性因子()为地表径流强度()为坡度因子 为实际坡度 为降雨强度()模型 采用包含径流和坡度因子的细沟间侵蚀模型:()式()中:为地表径流强度()为坡度因子()模型 采用包含修正后的坡度因子的细沟间侵蚀模型:/()采用 软件进行数据计算 模型评价指标采用复相关系数()和纳什效率系数()其计算公式如下:()()()式()中:为测量值 为理论值 为测量值的平均数 结果与分析 土质开挖坡面水土流失特征分析不同坡度、雨强条件下 土质开挖坡面地表径流量在 之间变化(图)地表径流 第 期李熙等:不同降雨条件下的土质开挖坡面细沟间侵蚀特征为主要的水文过程 占总降雨量的 坡度和雨强对坡面产沙产流的影响随下垫面土壤性质的改变而改变 在本研究中采取控制总降雨为 的人工模拟降雨方案 降雨强度为 、和 的条件下 地表径流随坡度的增加而增加 在相同坡度条件下地表径流量随着雨强的增加呈现先减小后增加的现象 这可能与开挖边坡土壤性质和降雨强度有关 有研究指出当坡面土壤产生结皮时 将使坡面产流机制变得更为复杂 当雨强由小雨强变转化为中等雨强时 雨滴击溅进一步加强 因工程开挖而被压实的土壤进一步被搬运 土壤孔隙度增加从而加大了土壤入渗量 随着雨强进一步加大 降雨强度大于入渗率 形成超渗产流 加快了地表径流的形成 地表径流流速的增加将减少坡面流入渗的几率 因此地表径流随降雨强度的增加出现了先减小后增加的现象在不同坡度、雨强条件下 单位面积产沙率存在显著差异 在 之间 单位面积产沙率随着坡度和雨强的增加而增加(图)在小雨强()、中等雨强(和 )和大雨强(和 )条件下 当开挖边坡坡度由 增加到 时 单位面积产沙率分别增加 、和 倍 坡度分别为、和 时 当降雨强度由 增加到 时 单位面积产沙率分别增加 、和 倍 这与前人的研究结果一致 降雨强度的变化对产沙率的影响大于坡度变化对产沙率的影响图 坡度与地表径流的关系 图 坡度与产沙率的关系 图 雨强与地表径流的关系 图 雨强与产沙率的关系 土质开挖坡面水动力学参数特性分析不同雨强条件下 土质开挖坡面地表径流流速 分别为 、和 (表)同一坡度下流速 随雨强增加而增大 二者之间呈显著线性关系()相关分析结果表明 土质开挖坡面流流速与坡度相关性不显著()与雨强 和坡度和雨强的交互作用 呈极显著相关()说明降雨强度的大小决定了土质开挖坡面径流流态的变化弗劳德数 在 之间 均小于 为缓流 相关分析表明 与雨强、坡度 和雨强的交互作用 相关性不显著()表 水动力学参数与雨强、坡度及其交互作用的相关系数 变量/()/(/)/()注:表示显著性水平为 表示显著性水平为 为雨强/为坡 度/表示雨强和坡度的交互作用 阻 力 系数 和曼宁系数 是常用来描述坡面水流阻力特征的水力参 数 不 同 雨 强 条 件 下开挖坡面径流阻力系数在 之间 相同雨强条件下 和 土质开挖坡面 值是 坡的 图 土质开挖坡面阻力系数与雷诺数的关系 倍和 倍 土质开挖坡面 值随坡度的增加而增大 同一坡度下土质开挖坡面 值随雨强变化无明显趋势 土质开挖坡面曼宁系数 分别为 、相关分析表明 土质开挖坡面 值和 值与雨强的相关性不显著 有研究指出 坡面流阻力系数 与雷诺数 之间存在幂函数关系 而本试验结果表明 和 之间不存在明显关系(图)土质开挖坡面颗粒阻力不占主导地位 雷诺数并不是影响阻力系数的主要因素 这与 等的研究结果一致 在粗糙床面上 与 并不存在单一关系 土质开挖坡面水流存在明显的“增阻”现象(图)这可能与降雨雨滴打击有关 有学者研究发现降雨条件下的坡面流的阻力大于非降雨条件下 其作用程度受水流深度、坡度和地表形态等的影响 图 土质开挖坡面阻力系数与雷诺数的双对数关系 水流功率 包含了坡度和径流率的作用 可以从水流动力学角度来预测土壤流量 不同坡度、雨强条件下水流功率在 之间 相同雨强条件下和 水流功率 是 坡的 倍和 倍 值随坡度增加而增大 相关分析表明 值与雨强相关性不显著 根据回归分析得到水流功率与单位土壤流失量之间的关系:()式()中:为单位土壤流失量 为水流功率 由式()可以看出 水流功率与单位土壤流失量之间的线性关系具有较高的决定系数 可以用来预测土质开挖面土壤流失量 同时水流功率必须达到一定的临界值 坡面才会发生土壤流失 土质开挖坡面细沟间侵蚀模型分析图 为土质开挖坡面径流率与土壤剥蚀率之间的关系 坡开挖面径流率为 和 径流率分别是其 倍和 倍 回归分析表明 土壤剥蚀率与径流率之间存在较好的线性关系 其中 和 坡的拟合方程斜率是 坡的 倍和 倍 可 第 期李熙等:不同降雨条件下的土质开挖坡面细沟间侵蚀特征知 坡度是影响土质开挖坡面土壤流失的关键因子 其影响程度随坡度的增加呈现先增加后趋于平缓的特征图 坡面径流率与土壤剥蚀率的关系 根据 模型中采用的细沟间侵蚀计算方程预测土质开挖坡面细沟间土壤侵蚀率 得到其与降雨径流因子和地形因子间的关系:()式()中:为土质开挖坡面细沟间土壤剥蚀率 为地表径流平均径流率 为坡度因子 为雨强 根据方程()的回归系数得到土质开挖坡面土壤可蚀性因子 为表 所选模型的效率 模型关系式纳什效率系数 模型 模型 模型 /本研究所选细沟间侵蚀模型预测结果如表 模型、模型 和模型 的纳什效率系数均较高 表明在本研究的雨强和坡度条件下 种模型在预测土质开挖坡面土壤剥蚀率上均有较好的表现 模型 在预测土质开挖坡面土壤剥蚀率效果最好 通过模型结构的对比可以发现 采用凸曲线型坡度因子指标的计算结果更精确 讨论针对土质坡面侵蚀过程 研究了不同雨强、坡度对细沟间侵蚀过程产流过程以及水动力学特性 利用 种科学模型对土壤剥蚀率进行了预测和量化 本试验取样阶段土质开挖坡面侵蚀方式以细沟间侵蚀为主 水文过程以地表径流为主 地表径流占总降雨量的 试验雨强条件下 土质开挖坡面地表径流流态尚属于层流 但试验中坡面径流中有明显的细沙翻滚现象 这与层流各层之间质点互不掺混产生矛盾 同时土质开挖坡面地表径流的阻力系数大于明渠层流时的阻力系数(图)对于该现象可以从坡面流阻力构成角度解释 有学者提出坡面流阻力包括颗粒阻力、形态阻力、波阻力和降雨阻力 个部分 并且认为这 个部分可以相互叠加 本研究中采用野外降雨试验 开挖坡面无地表覆盖物 坡面流水深 在 之间 雨滴中数直径 为 根据 的研究结果 当 时 雨滴打击力能够击穿水层并对表土产生影响 同时雨滴扰动坡面薄层水流 增加了水流的紊动性 从而使其阻力增大通过试验观测 土质开挖坡面侵蚀过程表现为薄层水流侵蚀为主 即细沟间侵蚀 故本研究所得结论适用于未出现侵蚀沟的坡面面蚀阶段 有研究指出水流功率适用于描述坡面薄层水流侵蚀过程 能够反映坡面水流径流率和坡度因子对土壤剥蚀率的影响 研究指出降雨引起的坡面流输沙过程受水深的影响 而水深受坡度的影响 考虑到雨强也是影响土质开挖坡面细沟间侵蚀过程的重要参数进一步将雨强因素加入进预测土壤剥蚀率的方程中 结果显示 表 中的模型预测精度大于式()的预测结果 表 中的模型同时考虑了降雨、径流和坡度对土壤剥蚀率的影响 模型 和 相对于模型 在预测土壤剥蚀率上有更好的表现 表明凸曲线型坡度因子指标更适用于土质开挖坡面土壤剥蚀率的计 亚热带资源与环境学报第 卷算 不同坡度条件下土壤剥蚀率与径流率之间拟合方程斜率随坡度的增加不是单一的线性关系(图)这与 和 的研究结果类似 临界坡度现象在土质开挖坡面同样存在由于野外试验条件的局限性 本研究只针对单一尺寸下土质开挖坡面细沟侵蚀过程及水动力学参数进行分析和定量讨论 然而 现实中开挖坡面土壤特性、表面的微观形态、开挖长度、开挖深度、下垫面的组成等都是影响坡面细沟间水力侵蚀过程的重要因素 本研究尚未涉及 此外 不同条件下侵蚀的方式也存在差异 包括片蚀、细沟、浅沟等侵蚀方式 因此后期需进一步深入研究 考虑各因素以及各因素间的交互作用的影响效果 为工程土质开挖坡面的细沟间侵蚀研究以及科学模型预报提供参考 结论通过在野外建立(、和)土质开挖坡面小区 在不同模拟雨强(、和)总降雨量为 条件下 研究开挖坡面细沟间侵蚀水动力学特征 主要结论如下:)土质开挖坡面地表径流量为 地表径流为主要的水文过程 占总降雨量的 降雨强度的变化对产沙率的影响大于坡度变化对产沙率的影响)土质开挖面径流流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、曼宁系数及水流功率随雨强和坡度呈现不同程度的波动变化 相关分析结果表明 流速和雷诺数与雨强 和坡度和雨强的交互作用 呈极显著相关(模型 模型 凸曲线型坡度因子指标更适用于土质开挖坡面土壤剥蚀率的计算 根据 细沟间侵蚀方程(模型)计算得到土质开挖坡面土壤可蚀性因子 为 参考文献():陈妙金 汪小钦 曾舒娇 等.福建省 因子赋值方法的适用性分析.亚热带水土保持 ():.():.孙蓓 潘晓颖 李建明.模拟降雨条件下开挖面土壤侵蚀测算模型研究.人民长江 ():.():.():.张平仓 周若 程冬兵 等.工程开挖面特征及土壤流失量快速监测方法探讨.长江科学院院报 ():.():.():.王天巍 余冰 刘窑军 等.农村土质道路路面形态对道路侵蚀的影响.农业工程学报 ():.():.罗榕婷 张光辉 曹颖.坡面含沙水流水动力学特性研究进展.地理科学进展 ():.():.:.:.():.():.():.王利民 范平 罗涛 等.培肥措施对茶园土壤碳组分和茶叶产量的影响.亚热带资源与环境学报 ():.第 期李熙等:不同降雨条件下的土质开挖坡面细沟间侵蚀特征 ():.():.():.():.():.():.():.:.():.:.(责任编辑:徐玲琳)(上接 页)陈海 朱大运 陈浒.石漠化地区土地利用方式对土壤团聚体稳定性及有机碳的影响.中国岩溶 ():.():.朱凯 马茂华 李文娟 等.三峡水库消落带不同土地利用对土壤团聚体稳定性及其碳氮分布的影响.长江流域资源与环境 ():.():.:.():.().():./.():.郑杰炳 瞿雪梅 周珉羽 等.土地利用方式对紫色丘陵区土壤团聚体的影响.安徽农业科学 ():.():.林杰 张阳 朱艳芳 等.淮北土石山区不同土地利用方式对土壤团聚体组成的影响.中国农业科技导报 ():.():.():.谢均强.紫色土坡地团聚体稳定性特征及对侵蚀过程的影响.重庆:西南大学:.:.彭东海 秦芳 苏利荣 等.典型岩溶地区不同土地利用方式对土壤稳定性和养分的影响.江苏农业科学 ():.():.(责任编辑:钟羡芳)