地表徑流護(hù)沙能力的研究

地表徑流護(hù)沙能力的研究

地表徑流中的合成沙在沿著斜坡的過程中，邊坡表面的水流在斜坡上被侵蝕，形成輸送沉積物的地表徑流，即輸送沉積物的水流。挾沙水流的形成是坡面水土流失的直接結(jié)果,不但造成坡面水土資源的損失,同時也造成溝道中水庫等水工建筑物和下游河道的淤積,威脅下游安全。某一特定水動力條件下,挾沙水流中攜帶泥沙的數(shù)量叫做“挾沙能力”,挾沙能力通常是以單位體積渾水中泥沙的數(shù)量(含沙量)表示,是徑流侵蝕、泥沙輸移的控制性參數(shù)之一,也是判別地表徑流是否對坡面造成沖刷侵蝕、淤積或不沖不淤的重要依據(jù)。地表徑流形成后沿坡面流動過程中發(fā)生著土壤顆粒的分離、泥沙的輸移和沉積三大過程。當(dāng)?shù)乇韽搅髦袙稁嗌车臄?shù)量小于其挾沙能力時,地表徑流在輸移泥沙的同時仍然會對坡面造成沖刷侵蝕,直至地表徑流中的含沙量與其挾沙能力達(dá)到平衡時,地表徑流已無能力繼續(xù)對坡面進(jìn)行侵蝕,此時地表徑流只進(jìn)行泥沙輸移,從而達(dá)到不沖不淤。不沖不淤只是一種非常理想化的狀態(tài),當(dāng)?shù)乇韽搅鞯牧魉俳档突蚱旅娴牡乇硇螒B(tài)等水動力條件發(fā)生變化時,地表徑流的挾沙能力也隨之發(fā)生變化,若地表徑流的含沙量大于其挾沙能力時,徑流中挾帶的泥沙將會沉積下來造成淤積。坡面地表徑流的挾沙能力是認(rèn)識和解決水流作用下坡面侵蝕演變等諸多問題的基礎(chǔ),是泥沙運(yùn)動力學(xué)、土壤侵蝕和水土保持學(xué)中亟待解決的基礎(chǔ)問題,研究坡面地表徑流的挾沙能力,探明挾沙水流的水動力學(xué)特性,評價坡面形態(tài)、地表狀況等對徑流挾沙能力的影響,將為土壤侵蝕和水土保持學(xué)中坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理、坡面的侵蝕演變研究奠定理論基礎(chǔ),為坡面侵蝕產(chǎn)沙的預(yù)測預(yù)報提供更為準(zhǔn)確的參數(shù),并為正確布設(shè)水土保持措施提供科學(xué)依據(jù)。因此,地表徑流挾沙能力的研究在坡面侵蝕產(chǎn)沙的機(jī)理、侵蝕產(chǎn)沙的預(yù)測預(yù)報、坡面水蝕模型建立、坡面侵蝕控制等方面具有十分重要的意義。1地表徑流中的協(xié)同結(jié)構(gòu)模型國內(nèi)外學(xué)者或從理論,或根據(jù)小區(qū)野外實測資料和實驗室測定資料出發(fā),對水流挾沙能力進(jìn)行過大量研究,提出了不少半理論半經(jīng)驗或經(jīng)驗性的公式。Julien(1986)運(yùn)用量綱分析建立了坡面流挾沙能力的無量綱關(guān)系式。Grosh(1994)研究了陡坡地的坡面流與泥沙搬運(yùn)的關(guān)系。Abrahams(1993)實驗證實坡面流中細(xì)沙顆粒常以躍移搬運(yùn)為主,而且經(jīng)常以非單獨(dú)方式躍移,泥沙含量與顆粒運(yùn)動速度呈反比關(guān)系。Covers(1986,1990)等研究了平面和不規(guī)則地塊在漫流條件下的輸沙能力。Foster和Huggins(1976)在研究凹形坡面泥沙的沉積時指出,Duboys輸沙公式包含了切應(yīng)力的概念,可以用于坡面徑流挾沙能力的計算。Alonso(1981)分析了在河流、水槽、凹形坡面上建立的9種挾沙能力公式后指出,Yalin公式可以滿足坡面徑流的輸沙過程。但Julien和Simons(1986)對14種泥沙輸移公式進(jìn)行分析后提出了挾沙能力與坡度、流量、剪切應(yīng)力、降雨強(qiáng)度的冪函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。Nearing(1997)等根據(jù)大量室內(nèi)細(xì)溝侵蝕試驗數(shù)據(jù),提出了侵蝕產(chǎn)沙與溪流動力間的關(guān)系表達(dá)式,這一表達(dá)式為雷廷武(1998)等證實可以作為水流輸沙能力方程使用,但實際使用中仍然需要根據(jù)不同土壤類型進(jìn)行標(biāo)定。張科利、唐克麗(2000)研究了黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生的水動力學(xué)機(jī)理及其輸沙特征,提出了估算侵蝕力的方法。費(fèi)祥俊(2004)提出了黃土溝道輸沙能力的計算方法。目前,大多數(shù)研究提出的挾沙能力公式是通過對天然河道實測資料的分析和大量室內(nèi)實驗研究得到的半理論半經(jīng)驗的公式,直接用于坡面地表徑流挾沙能力的計算時將會產(chǎn)生很大的誤差。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各自的試驗得到的計算坡面流挾沙能力的公式雖然存在各種問題,但影響輸沙能力的兩個重要因素是坡度和流速這一結(jié)論得到了多數(shù)學(xué)者的認(rèn)同。雷廷武(2002)、張光輝、張建軍等在研究土壤侵蝕的動力過程和土壤侵蝕模型時指出:盡管挾沙能力在土壤侵蝕研究中具有十分重要的作用,但目前尚無可用的計算方法。可見,地表徑流挾沙能力的計算問題是土壤侵蝕模型中相對薄弱的環(huán)節(jié),屬亟待解決的科學(xué)問題。侵蝕預(yù)報模型WEPP是一個較好的描述坡面侵蝕的模型,在國內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用。該模型以穩(wěn)態(tài)的泥沙連續(xù)方程描述坡面侵蝕過程。dG/dx=Di+DrDr=Dc(1?G/Tc)Dc=Kr(τf?τc)dG/dx=Di+DrDr=Dc(1-G/Τc)Dc=Κr(τf-τc)式中:x-向坡下的距離;G-泥沙含量;Di-溝間泥沙向溝內(nèi)的輸運(yùn)量;Dr-溝內(nèi)侵蝕量;Dc-溝中水流剝離土壤的能力;Tc-水流的挾沙能力。τf與τc—分別為水流對土壤的剪切應(yīng)力與土壤的臨界抗剪切應(yīng)力;Kr-溝內(nèi)可蝕性參數(shù)。該模型在理論上可以模擬侵蝕產(chǎn)沙的時空變化,但模型中的主要參數(shù)挾沙能力的取值困難限制了其在細(xì)溝侵蝕預(yù)報中的實際應(yīng)用。求解侵蝕量的關(guān)鍵在于找到侵蝕產(chǎn)沙量隨時間和溝長的變化關(guān)系,以及輸沙能力等參數(shù)的估算。因此,探明地表徑流沿坡面流動過程中挾沙能力的沿程變化規(guī)律,正確計算地表徑流挾沙能力是坡面侵蝕模擬的關(guān)鍵,是目前土壤侵蝕模型構(gòu)建中急需解決的問題。2地表徑流水動力特性與坡面侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系流速是計算地表徑流挾沙能力的基礎(chǔ),是坡面地表徑流水動力特性的主要指標(biāo)。近年來,邵學(xué)軍等(2002)采用動力波模式計算了坡度變化時不同細(xì)溝寬度下的細(xì)溝溝內(nèi)流速,Gilley(1990)、Abrahamsetal(1996)、Yoon(1997)、姚文藝(1996)、Abrahams(1995)、Foster(1984)、Gerard(1992)都研究了坡面流的阻力規(guī)律,探討了坡面流的流速及分布、水力半徑及阻力系數(shù)的表達(dá)式,建立了坡面流的流量、流速與過水?dāng)嗝婷娣e間的關(guān)系,這些研究成果為坡面徑流挾沙能力研究奠定了一定的基礎(chǔ)。但坡度對坡面流流速的影響一直是具有爭議性的問題。Rauws(1988)、Foster等(1984)、Abrahams等(1996)的研究結(jié)果表明,在坡面上流速隨坡度增加而增加,在不同狀況的坡面上流速隨坡度增加的幅度不同。然而Govers(1986)、Nearing(1997)、張光輝等(2001)的近期研究發(fā)現(xiàn),在侵蝕細(xì)溝內(nèi),水流速度與坡度無關(guān),隨著坡度增大,水流速度有增大的趨勢,但這種趨勢被隨之而來的阻力增大所消除,結(jié)果水流速度僅是流量的函數(shù),即坡度對坡面徑流平均流速的影響并不顯著。張科利(1999)、丁文峰等(2002)的研究指出,坡面侵蝕沖刷過程中,徑流流速隨沖刷時間的延長和細(xì)溝沖刷形態(tài)的變化而變化,并非恒定值?？梢?坡面地表徑流水動力特性的主要指標(biāo)—流速與坡面形態(tài)指標(biāo)—坡度間的定量關(guān)系目前仍然是坡面土壤侵蝕研究中尚未解決的科學(xué)問題。坡長是表征坡面形態(tài)的主要參數(shù),在黃土區(qū)坡面長一般都在數(shù)十米以上,而室內(nèi)研究的實驗坡長一般不超過10m?？讈喥?、張科利(2003)、張晴雯等人利用室內(nèi)模擬降雨試驗,研究了不同坡長和不同雨強(qiáng)條件下黃土坡面的侵蝕產(chǎn)沙,指出產(chǎn)沙量隨坡長的增加而增加,得出陡坡條件下地表徑流泥沙含量達(dá)到最大需要的坡長為6m。同時指出,上方來水是影響坡面侵蝕產(chǎn)沙的重要原因,短坡條件下,坡面侵蝕量與上方來水量成直線關(guān)系。肖培青、鄭粉莉(2002)同樣指出,上方來水的匯入導(dǎo)致水流流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?上方來水來沙使細(xì)溝水流的流速明顯增大,而阻力系數(shù)明顯減少,從而導(dǎo)致細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙量增大。張建軍(2003)對晉西黃土區(qū)林地、草地、農(nóng)地地表徑流流速的變化進(jìn)行了研究,提出了流速沿坡長的變化的計算模型,指出黃土坡面上徑流挾沙能力的沿程變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究,尤其是在不同地被物覆蓋條件下,地表徑流流速的沿程變化規(guī)律是研究地表徑流挾沙能力的關(guān)鍵。雷廷武(2002)、張晴雯(2002)等人利用室內(nèi)侵蝕模擬試驗,分析了不同動力條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨坡長的變化規(guī)律,提出了細(xì)溝產(chǎn)沙量隨溝長變化的函數(shù)關(guān)系,并計算了不同坡度、流量條件下細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙量達(dá)到極限值所需的細(xì)溝長度,并指出,一定坡度和流量條件下,產(chǎn)沙量隨溝長的增加而增加,但增加的速率越來越小,最終趨于一個穩(wěn)定值;坡度對挾沙能力的影響要比流量的影響大,同一坡度、不同流量條件下產(chǎn)沙量的極限值相差不大。這些研究成果為挾沙能力的計算奠定了基礎(chǔ),但對挾沙能力在更大坡長范圍內(nèi)的沿程變化并未進(jìn)行深入研究。雖然以上研究從不同角度出發(fā)探討了坡長、上方來水來沙對坡面侵蝕產(chǎn)沙以及地表徑流水力學(xué)參數(shù)的影響,但是,在更長坡面上對坡面徑流挾沙能力沿程變化規(guī)律進(jìn)行研究的甚少。因此,坡面徑流挾沙能力隨坡長變化規(guī)律的研究仍屬于土壤侵蝕中有待進(jìn)一步研究的科學(xué)問題。在對地表徑流的挾沙能力影響因子的研究方面,不同研究人員得出的結(jié)論不盡相同,甚至相反。張光輝(2001)、Govers(1986)和Nearing(1997)等人的研究表明,坡面地表徑流挾沙能力的主要影響因子——流速主要受流量控制,坡度對流速的影響并不顯著,即地表徑流挾沙能力受控于流量大小,坡度對挾沙能力的影響不顯著;而雷廷武、張晴雯(2002)等人的研究結(jié)果表明坡度是決定地表徑流挾沙能力的主要因素?？梢?不同研究者利用室內(nèi)試驗,對地表徑流挾沙能力的影響因子進(jìn)行研究后得出的結(jié)論并不完全一致,甚至完全相反。因此,地表徑流挾沙能力屬于土壤侵蝕和水土保持學(xué)科中亟待解決的基礎(chǔ)問題。地表徑流挾沙能力一方面受徑流本身水動力學(xué)特性的控制,同時也受地表覆蓋的制約。絕大多數(shù)關(guān)于挾沙能力的研究著重于水流本身的研究,而對地被物與水流挾沙能力間定量關(guān)系的研究很少涉及。北原曜、張洪江(1993,1994)利用野外試驗研究了地被物數(shù)量和糙率間的關(guān)系,為林地坡面地表徑流流速的計算提供了依據(jù)。但對地被物和挾沙能力的關(guān)系未做進(jìn)一步的探討。張建軍利用野外實地放水試驗在林地、草地、農(nóng)地上對高含沙地表徑流的挾沙能力進(jìn)行了初步研究,提出了不同地類上地表徑流流速和挾沙能力間的統(tǒng)計模型。但并沒有從物理機(jī)制出發(fā)提出實用的計算地表徑流挾沙能力的模型,研究時采用的流速范圍也較窄,更大范圍流速條件下不同地類的挾沙能力還有待進(jìn)一步研究?？梢?地被物與水流挾沙能力間定量關(guān)系的研究仍屬空白。3野外試驗驗證試驗坡面徑流挾沙能力的研究方法可分為室外和室內(nèi)兩大類。室外試驗主要是在坡面建立觀測小區(qū),利用人工降雨與人工放水沖刷相結(jié)合的方法進(jìn)行。室內(nèi)實驗主要是采取原狀土裝入可調(diào)節(jié)坡度的沖刷槽,利用放水或人工降雨結(jié)合放水試驗研究地表徑流的水動力學(xué)特性。目前大多數(shù)的研究成果均由室內(nèi)研究所得,野外實地?zé)o擾動放水沖刷試驗研究罕有報道。國外的土壤侵蝕模擬實驗的坡度大部分都是在10度以下,國內(nèi)的實驗坡度也都在15度以下。吳普特在動力水蝕試驗研究方面進(jìn)行了大量工作。室內(nèi)實驗是將野外原狀土裝入沖刷槽后進(jìn)行試驗的,雖然在采取原狀土?xí)r會盡可能的不擾動土壤,使其保持原有特性,但原狀土在采集、搬運(yùn)、安裝過程中不免產(chǎn)生擾動,從而破壞了土體原有結(jié)構(gòu),尤其是采取林地的土壤時,由于植物根系的存在,原狀土的采集幾乎是不可能的。同時在采集原狀土?xí)r切斷了根系間的相互連接,降低了林木根系對土壤的網(wǎng)絡(luò)作用,使試驗結(jié)果與實際結(jié)果出入很大。另外,大部分室內(nèi)實驗是采取某一種土壤,按其在自然狀態(tài)下的容重裝入沖刷槽,這種試驗樣品雖然與自然狀態(tài)下的土壤有相同的容重,但沒有自然狀態(tài)下土壤所應(yīng)有的結(jié)構(gòu),更沒有植物根系存在,因此,試驗結(jié)果無法直接利用。目前大多數(shù)室內(nèi)實驗都是在下墊面形態(tài)阻力相對穩(wěn)定的情況下得到的,同時僅用了一種供試土壤,要得到更為一般性的研究結(jié)論,尚需開展一系列相關(guān)試驗研究,并需要野外試驗進(jìn)行驗證。進(jìn)行野外放水試驗雖然可以不擾動土壤,能夠保證試驗對象保持自然狀態(tài),但也存在水流條件不易控制等缺點(diǎn)。但室外試驗是驗證室內(nèi)實驗必須的手段之一。可見,室內(nèi)試驗所用的土壤因結(jié)構(gòu)遭到破壞,得出的研究結(jié)果與實際情況將會有較大的出入,需要野外試驗進(jìn)行驗證。野外無擾動沖刷試驗研究仍屬空白,室內(nèi)研究結(jié)果也亟待野外試驗進(jìn)行驗證與補(bǔ)充。4地表徑流中的定量關(guān)系綜上所述,地表徑流挾沙能力的計算問題是土壤侵蝕模型中相對薄弱的環(huán)節(jié),尤其是地表徑流沿坡面流動過程中挾沙能力的沿程變化規(guī)律,坡面地