范東明，吳　卿，李志萍，楊春霞，王佳欣

(1.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450045; 2.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450003)

基于模擬降雨的坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙時(shí)空分布特征研究

范東明1，吳卿1，李志萍1，楊春霞2，王佳欣1

(1.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450045; 2.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450003)

坡溝系統(tǒng);侵蝕產(chǎn)沙;徑流含沙量;時(shí)空分布特征

利用水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室全自動(dòng)人工降雨系統(tǒng)，對(duì)人工模擬的裸露坡溝系統(tǒng)進(jìn)行了3組不同降雨強(qiáng)度的模擬試驗(yàn)，對(duì)坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)增加呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，溝谷中部和坡面過渡區(qū)域侵蝕發(fā)育較早且發(fā)展最快，溝谷產(chǎn)沙及溝谷徑流含沙量對(duì)坡溝系統(tǒng)出口徑流含沙量的貢獻(xiàn)最大，坡溝系統(tǒng)中溝谷中下部和坡面-溝谷過渡區(qū)域?yàn)榍治g易發(fā)區(qū)域。在實(shí)踐中建議采取工程和植物措施，著重治溝、兼顧治坡，有助于控制黃土高原溝道的侵蝕產(chǎn)沙。

土壤侵蝕已經(jīng)成為威脅現(xiàn)代社會(huì)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的全球性環(huán)境問題，不僅會(huì)引起土地質(zhì)量的持續(xù)退化，而且是水資源面源污染物的主要來源［1］。坡溝系統(tǒng)既是黃土高原小流域的基本組成單元、小流域侵蝕產(chǎn)沙的主要源地，又是控制水土流失、恢復(fù)與重建生態(tài)環(huán)境的基本治理單元，對(duì)其侵蝕現(xiàn)象與規(guī)律的探究可以為坡溝水土保持措施優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于恢復(fù)和重建生態(tài)環(huán)境具有重要意義［2］。因此，黃土高原坡溝系統(tǒng)水土流失治理歷來備受專家、學(xué)者的關(guān)注。

在坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙方面，眾多學(xué)者對(duì)黃土高原地區(qū)進(jìn)行了不同時(shí)空尺度的產(chǎn)輸沙過程研究［3-6］:焦菊英等的觀測(cè)分析結(jié)果表明，山西羊道溝流域溝坡地接受溝間地徑流的侵蝕產(chǎn)沙量是溝坡地不接受溝間地徑流的1.8倍［7］;倪晉仁等采用坡面發(fā)育自組織理論對(duì)典型坡度條件下坡面的發(fā)育過程進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)分析了面蝕與溝蝕在坡面侵蝕中的關(guān)系及其貢獻(xiàn)大小，并闡述了坡度對(duì)面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化快慢的影響［8］;肖培青等利用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)方法研究了坡面侵蝕方式演變對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響，分析了溝蝕發(fā)育不同階段對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)［9］。但針對(duì)坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙時(shí)空分布特征的研究較少，研究成果對(duì)辨識(shí)坡溝系統(tǒng)侵蝕發(fā)育強(qiáng)烈階段和部位，以及對(duì)坡溝系統(tǒng)水土流失治理措施布設(shè)具有一定參考價(jià)值。

1　試驗(yàn)方案

1.1坡溝系統(tǒng)模型

本研究采用的坡溝系統(tǒng)模型為可變坡移動(dòng)式鋼制土槽，槽體總長10 m、寬1 m，溝谷槽體和坡面槽體的坡度分別設(shè)置為35°和20°，模型特征值見表1，坡溝系統(tǒng)概化模型及觀測(cè)斷面劃分示意見圖1。

表　坡溝系統(tǒng)模型特征值

圖1　坡溝系統(tǒng)概化模型及觀測(cè)斷面劃分示意

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)雨強(qiáng)，選定66、85、120 mm/h共3種雨強(qiáng)，每種雨強(qiáng)考慮1～2組重復(fù)試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)總歷時(shí)不唯一，以坡溝系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)寬、深均大于20 cm的侵蝕溝或坡溝系統(tǒng)侵蝕發(fā)育基本穩(wěn)定為依據(jù)，保證試驗(yàn)過程中坡溝系統(tǒng)出現(xiàn)面蝕、細(xì)溝侵蝕和準(zhǔn)淺溝侵蝕等不同侵蝕方式，且坡溝系統(tǒng)侵蝕發(fā)育基本穩(wěn)定。

(3)試驗(yàn)前條件控制。填土前模型內(nèi)底部墊5 cm厚大沙，以降低鋼槽光滑邊壁的影響;為消除土壤因素對(duì)侵蝕形態(tài)發(fā)育的影響，供試土先過5 mm篩，填土?xí)r嚴(yán)格分層并拍實(shí)，使其各層土壤密實(shí)度均勻，試驗(yàn)填土容重控制在1.22～1.25 g/cm3;填土厚度每層10 cm，總填土厚度為45 cm;試驗(yàn)前一天采取降小雨形式讓槽體內(nèi)土壤水分達(dá)到飽和，以消除土壤含水量差異的影響。

2　試驗(yàn)觀測(cè)

試驗(yàn)前先調(diào)節(jié)噴頭和壓力組合，率定出設(shè)計(jì)雨強(qiáng)備用;將降雨自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定為每10 min(第一階段為20 min)停2 min，進(jìn)行侵蝕形態(tài)量測(cè)，直至達(dá)到預(yù)期侵蝕發(fā)育程度為止。在集水口放徑流桶，開啟降雨系統(tǒng)，試驗(yàn)開始。從降雨系統(tǒng)開啟到有徑流流至徑流桶的時(shí)間為產(chǎn)流時(shí)間，至降雨系統(tǒng)關(guān)閉為降雨總歷時(shí)。流速量測(cè)采取染色劑法，分10個(gè)斷面分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量間隔為2～4 min;徑流泥沙樣量測(cè)，采取徑流桶接樣，接樣間隔為2 min，盡量接取2 min時(shí)間間隔內(nèi)的全部泥沙樣;徑流沿程含沙量量測(cè)，采取針管抽取，存放至采樣瓶內(nèi)，取樣間隔為2～4 min。

3　結(jié)果與分析

3.1坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙過程分析

在黃土高原坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理研究中，試驗(yàn)過程中侵蝕產(chǎn)沙量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于研究人員認(rèn)識(shí)侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律是十分重要的。通過對(duì)降雨過程中徑流桶接的徑流泥沙樣稱量計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪出了不同降雨強(qiáng)度下坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化過程，如圖2所示。從圖中可以看出，坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙量在不同雨強(qiáng)的降雨條件下均隨著降雨時(shí)間的增長呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中:66 mm/h降雨條件下的產(chǎn)沙過程線最低，在歷時(shí)100 min的降雨過程中，前30 min降雨時(shí)段內(nèi)產(chǎn)沙過程呈明顯的增加趨勢(shì)，30～60 min降雨時(shí)段內(nèi)產(chǎn)沙過程相對(duì)處于波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，60 min之后侵蝕過程又進(jìn)入一個(gè)新的波動(dòng)增加階段;85和120 mm/h降雨條件下坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙過程線較接近，在降雨的前16 min內(nèi)，120 mm/h降雨的產(chǎn)沙過程線明顯高于85 mm/h降雨的產(chǎn)沙過程線，這是因?yàn)榻涤陝傞_始階段，大雨強(qiáng)的降雨使具有較大能量和侵蝕力的雨滴在坡面發(fā)生濺蝕和面蝕，雨滴的打擊對(duì)坡面土壤做功，使土粒飛濺并向下遷移，土壤結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致降雨侵蝕和地表徑流的輸沙能力增大，而20 min之后，85和120 mm/h的降雨產(chǎn)沙過程線差別不再明顯，說明坡溝系統(tǒng)地表侵蝕發(fā)育一旦開始，85 mm/h以上的降雨均能導(dǎo)致較強(qiáng)的水土流失。需要說明的是，圖中某些時(shí)刻產(chǎn)沙量驟降的原因與降雨過程短暫停止(降雨停止2 min掃描地形)的影響有關(guān)。

圖2　不同降雨強(qiáng)度下坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化過程

3.2坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙時(shí)段分布特征

雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)對(duì)坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙過程的作用是非常關(guān)鍵的。3種雨強(qiáng)條件下，坡溝系統(tǒng)均經(jīng)歷了從面蝕到溝蝕、從弱到強(qiáng)的侵蝕發(fā)育過程，侵蝕產(chǎn)沙量在整個(gè)降雨模擬過程中的分布也表現(xiàn)不同。為便于分析比較，以66 mm/h降雨模擬試驗(yàn)最終產(chǎn)沙量為參考(坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙總量為65 kg)，選取3種雨強(qiáng)下總產(chǎn)沙量相當(dāng)?shù)碾A段進(jìn)行分析，并取10 min為1個(gè)時(shí)段，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)段的產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的比例(不滿1個(gè)時(shí)段的不計(jì))，見圖3。從圖3中可以看出，當(dāng)3種雨強(qiáng)下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙量均達(dá)到65 kg左右時(shí)，66 mm/h的降雨經(jīng)歷了98 min，而85和120 mm/h的降雨僅分別經(jīng)歷了60和56 min，說明85、120 mm/h兩次降雨產(chǎn)沙過程劇烈。66 mm/h曲線較平緩，而85和120 mm/h的降雨產(chǎn)沙量所占比例隨降雨階段的增加明顯增加，尤其是120 mm/h大雨強(qiáng)下坡溝系統(tǒng)在第一個(gè)降雨時(shí)段就已發(fā)生劇烈的侵蝕產(chǎn)沙。85 mm/h降雨在第二、第三個(gè)降雨階段侵蝕產(chǎn)沙量所占比例急劇增加，之后和120 mm/h的大雨強(qiáng)降雨下坡溝系統(tǒng)的各階段產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的比例接近，說明對(duì)于裸露的坡溝系統(tǒng)來說，85 mm/h及以上強(qiáng)度降雨造成的侵蝕過程已非常劇烈，尤其是降雨歷時(shí)超過30 min的高強(qiáng)度降雨。

圖3　不同降雨強(qiáng)度下各降雨階段產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的比例分布

3.3坡溝系統(tǒng)徑流含沙量空間分布特征

坡溝系統(tǒng)出口徑流含沙量是坡面和溝谷徑流攜帶泥沙量的綜合反映。結(jié)合坡溝系統(tǒng)徑流含沙量的空間分布特征分析，可以直觀地反映侵蝕產(chǎn)沙的空間分布特征。圖4為3種雨強(qiáng)下坡溝系統(tǒng)含沙量(Sp-g)、坡面徑流含沙量(Sp)和溝谷徑流含沙量(Sg)在6個(gè)降雨時(shí)段的分布圖。由圖4可以看出，隨降雨歷時(shí)的延長(降雨時(shí)段的延續(xù))，徑流含沙量總體呈增加趨勢(shì)，尤其是85和120 mm/h降雨更加明顯。整個(gè)坡溝系統(tǒng)的徑流含沙量介于坡面和溝谷徑流含沙量之間，將坡溝系統(tǒng)Sp-g與坡面Sp、溝谷Sg做進(jìn)一步回歸分析發(fā)現(xiàn)(表2): 在85和120 mm/h雨強(qiáng)條件下，Sp-g與Sp和Sg均呈正相關(guān)關(guān)系;在66 mm/h雨強(qiáng)條件下，Sp-g與Sg呈正相關(guān)，與Sp呈負(fù)相關(guān);進(jìn)一步分析Sg和Sp的系數(shù)發(fā)現(xiàn)，溝谷徑流含沙量對(duì)坡溝系統(tǒng)徑流含沙量的作用程度均強(qiáng)于坡面徑流含沙量對(duì)坡溝系統(tǒng)徑流含沙量的作用程度，如在66 mm/h雨強(qiáng)條件下Sg和Sp的系數(shù)比為1.36 ∶1.00，85和120 mm/h雨強(qiáng)下Sg和Sp的系數(shù)比分別為3.18∶1.00和29.35∶1.00，說明雨強(qiáng)越大，溝谷產(chǎn)沙對(duì)坡溝系統(tǒng)出口徑流含沙量增沙程度越強(qiáng)。因此，要控制坡溝系統(tǒng)徑流含沙量，須同時(shí)考慮降低坡面和溝谷的徑流含沙量，尤其是溝谷部位的徑流含沙量。

圖4　不同降雨強(qiáng)度下坡溝系統(tǒng)中坡面、溝谷徑流含沙量空間分布

表2　坡溝系統(tǒng)徑流含沙量與坡面、溝谷徑流含沙量的相關(guān)關(guān)系

3.4坡溝系統(tǒng)徑流含沙量時(shí)空分布特征

隨降雨的進(jìn)行，坡溝系統(tǒng)各斷面的徑流含沙量也呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，尤其以溝谷部分和坡面下部最為明顯(圖5)。66 mm/h降雨，隨降雨歷時(shí)延長，坡溝系統(tǒng)發(fā)育至坡面底部5斷面，圖5(a)中5斷面的含沙量數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯高于2～4斷面;85和120 mm/h降雨，坡溝系統(tǒng)坡溝過渡地帶的侵蝕溝均溯源侵蝕發(fā)展至坡面中部3、4斷面，圖5(b)、(c)中斷面3～4部位的含沙量數(shù)據(jù)點(diǎn)隨著降雨階段的增加波動(dòng)抬高，尤其是在120 mm/h降雨條件下，這種現(xiàn)象更加明顯。坡溝系統(tǒng)徑流含沙量的時(shí)空分布特征是其侵蝕發(fā)育過程的直接反映?？梢姡?5和120 mm/h降雨對(duì)坡溝系統(tǒng)地表形態(tài)損壞更嚴(yán)重，坡溝系統(tǒng)溝谷中部和坡溝系統(tǒng)過渡區(qū)域?yàn)榍治g易發(fā)區(qū)域。

圖5　坡溝系統(tǒng)徑流含沙量時(shí)空分布特征

4　結(jié)論與建議

基于上述降雨模擬試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:高強(qiáng)度降雨對(duì)裸露的坡溝系統(tǒng)具有較強(qiáng)的破壞性，尤其是降雨歷時(shí)大于30 min的強(qiáng)降雨;坡溝系統(tǒng)中，溝谷產(chǎn)沙及溝谷徑流含沙量對(duì)坡溝系統(tǒng)出口徑流含沙量的貢獻(xiàn)最大，因此調(diào)控坡溝系統(tǒng)徑流含沙量須重點(diǎn)考慮降低溝谷部位的徑流含沙量;坡溝系統(tǒng)的溝谷中下部和坡面-溝谷過渡區(qū)域?yàn)榍治g易發(fā)區(qū)域，在實(shí)踐中可考慮采取工程和植物措施加以綜合防護(hù)。今后在黃土高原地區(qū)水土流失治理實(shí)踐中，建議在坡溝系統(tǒng)的水沙調(diào)控中采取著重溝谷治理、兼顧坡面治理的合理化配置措施，有助于控制黃土高原坡溝單元的侵蝕產(chǎn)沙。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)03-0043-04

黃河水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(HKY-JBYW-2014-08、HKY-JBYW-2014-19)

范東明(1989—)，男，河南鄭州市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g過程模擬。

2015-11-19