黃土地區小流域坡面侵蝕研究
2014-08-11 14:26:17葉有烽
山西建筑 2014年27期
葉有烽 王 英
(商南縣水務局，陜西 商南 726300)
·水利工程·
黃土地區小流域坡面侵蝕研究
葉有烽 王 英
(商南縣水務局，陜西 商南 726300)
針對黃土地區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，依據坡面徑流理論，模擬分析了不同土地類型下坡面的產流過程，為小流域坡面侵蝕的進一步研究工作提供參考。
黃土地區，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，對國民經濟發展有重要影響，是關乎山區發展的生命線方針，同時，也是決定國土治理和江河治理的關鍵因素。針對山區水土流失病害，相關部門提出了一項綜合治理開發的生態環境建設工程——水土保持工程建設。其主要指導思想是以水土流失重點病害地區治理為依托，以小流域形式為單元體，借鑒戶包治理的方法，緊緊圍繞以經濟建設為中心，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綜合開發為治理方針的水土保持工作，最終使水土流失地區生態效益和社會效益良好，同時提高小流域地區的生態建設和經濟發展。
水土保持工程建設以小流域作為單元體，以小流域生態經濟系統開發為目標，進行系統動態監測，是水土保持工程建設節點的有效劃分。因此，在以小流域為研究對象時，有必要針對小流域地區的治理理論、方法和技術措施等進行綜合研究，建立并完善小流域地區信息管理系統，從而實現小流域地區水土流失治理規劃、設計和管理工作能夠高效開展。小流域內的水土破壞病害是影響小流域內生態經濟的重要因素，坡面侵蝕破壞是小流域水土流失的典型代表，其中以黃土地區發展較為嚴重。
坡面侵蝕是黃土地區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，是引起生態環境惡化的直接根源。針對黃土地區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，根據小流域地區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流過程，建立黃土坡面的產流模型，為小流域坡面侵蝕的下一步研究工作提供基礎。
1 試驗方法
1.1 試驗用地布設方案
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，坡度和植被力求均一。
表1 試驗用地布設方案
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查，調查項目有：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、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查法。
1.3 數據處理
應用Matlab，Lotus1-2-3，SPSS統計分析軟件等，對試驗數據進行處理。根據動力波理論、李魯明、D.B西斯蒙等的泥沙搬運方程推導了產流公式，然后編寫FLACK3D程序進行運算和建模。
2 降雨裝置
根據試驗研究需要，設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、管道連接系統、動力供水系統與調試系統和量測系統與輔助設備系統。該人工降雨裝置具有重量輕，結構簡便，噴頭的不同排列組合，可構成多種降雨形式的特點，能夠滿足試驗的不同需求。據研究測定，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；根據已有研究結果可知，人工降雨雨滴平均直徑和中數直徑與降雨強度均呈冪函數關系，二者關系式為：d=1.617×I0.432，d50=6.649×I0.683；從關系式得出，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，就南溝地區而言，當降雨強度I=0.839 mm/min時，天然降雨雨滴的中數直徑與人工降雨雨滴的中數直徑相等，當0
3 坡面徑流理論及其模型
根據Kinematic Wave運動波理論，可知坡面的地表徑流和側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。
(3)
在紊流條件下：
(4)
其中，n為曼寧系數；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；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 參數擬合——標準試驗小區
1)標準試驗小區情況。
標準試驗小區按照坡度(10°，15°，20°，25°)不同分為4組，不同坡度下依據降雨和降雨強度又分為4組。
2)試驗參數擬合。
由徑流理論知，坡面粗糙度曼寧系數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i0=1.2Ie(Ie為穩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i0，根據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)試驗參數預測。
(6)
相關系數：R2=0.92；偏相關系數：RI=0.32；Rδ=0.74；Rsinθ/n=0.34。
(7)
相關系數：R2=0.96；偏相關系數：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和穩定匯流歷時Tc較短，而穩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，則表現為初損歷時ta和穩定匯流歷時Tc較長，穩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，土壤結構較好、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和穩定匯流歷時Tc則較長，而穩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節功能。當降雨強度、前期土壤含水量相同時，荒坡的產流速度最快，其穩定匯流歷時Tc最短，且穩定匯流流量最大。由于草地、農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，表層土壤結構良好，在降雨初期，入滲速度較快，產流速度慢、產流量小；但草地和農地的深層土壤結構次于林地土壤結構，因而在穩流階段，草地和農地的入滲性能比林地差，穩定匯流的流量比林地大；相比荒坡土地，草地和農地的匯流流量較小，其產流規律介于林地與荒坡地之間。
4 結語
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，設計了野外降雨裝置模擬天然降雨狀態。
2)通過坡面滲流理論及模型，獲取標準試驗小區內的各項測試參數，得到了滲流系數i0和α參數擬合計算公式，可直接用于計算和預測。
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和穩定匯流歷時Tc較短，穩定出流時的流量大；就不同地類而言，林地滲透性能良好，草地、農地入滲快，產流慢，產流規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
A
