雨洪綜合作用下細溝斷面沿程沖刷及溯源侵蝕特征試驗分析

胡曉松

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

受降雨侵蝕和洪水沖刷作用，許多水土流失區產生較為明顯的細溝斷面，細溝斷面是水土流失區水沙運行的主要方式[1]。通過對細溝斷面形態及侵蝕特征進行分析，利于有針對性的制定相應治理和保護措施[2]。有學者采用試驗方式[3- 6]，對細溝斷面形態與流量及降水之間變化關系進行分析，確定其呈現指數變化，并定量化其指數關系。但由于指數存在明顯的地域差異性，無通用性。雖然對細溝斷面變化取得一定研究成果[7- 13]，但對細溝斷面整體沿程沖刷以及溯源侵蝕特征變化的研究還較少，尤其在遼寧地區還未得到相關應用，而遼寧尤其是西部地區，屬于全國水土流失治理的典型示范區，遼西為山丘型地貌，受到降雨和洪水沖刷，較易產生細溝斷面。為此本文以遼寧為研究實例，針對水土保持區細溝斷面，采用試驗方式，對細溝斷面整體沿程沖刷以及溯源侵蝕特征的整體變化特征進行分析，研究成果對于遼寧地區細溝斷面侵蝕及生態修復具有參考價值。

1 試驗方法

1.1 試驗設計

本文采用室外試驗方式，選取遼寧西部某水土流失區作為研究區域，區域細溝斷面形態如圖1所示。考慮到坡度對細溝斷面侵蝕形態特征的影響，分別選取4種試驗坡度，各試驗坡度分別為5°、10°、15°、20°，由于試驗區降雨較少，因此結合人工降雨的方式，進行野外觀測試驗，設計4種降雨強度，四種降雨強度分別為5、10、15、20L/min。為滿足細溝匯水總有，在各細溝斷面安置一條15m長度的匯水坡面，坡面土槽的寬度設置為2m，分別設計不同坡度及雨強下4組降雨徑流試驗，取各組試驗條件下的平均值，各組試驗持續的時間長度為1h。

圖1 試驗細溝斷面

1.2 試驗方案

試驗前，對試驗細溝斷面的雜草及較大的石塊進行清除，并在各試驗斷面鋪設天然細砂。為保障沿程沖刷效果，進行土層的回填，每次試驗回填土層的厚度為60cm，并結合試驗斷面土質參數，見表1，將回填土層的干容重控制在1.30g/cm3，試驗前對降雨強度及徑流量進行檢驗。當試驗降雨強度大于80%時，測定的降雨強度與試驗要求的降雨強度的差值小于10%時可進行重復的降雨徑流試驗。在細溝斷面沿程設置5個監測斷面，各斷面坡長0.2、0.4、0.6、1.0、1.5m，利用鋼尺對各試驗細溝斷面進行溝寬及溝深的測定。在各試驗斷面進口鋪設天然細砂并結合石塊對其進水口的水流進行消能處理。

表1 試驗細溝斷面土質參數

1.3 試驗斷面形態差異程度分析

每組試驗后，對各監測斷面不同雨洪綜合作用下的細溝寬度、深度以及寬深比進行形態差異性的分析，并對各形態指數進行擬合方程的分析，確定其各形態擬合方程，通過指數變化分析細溝斷面的形態變化，各形態指數的擬合計算方程分別為：

B=aQbSc

(1)

H=dQeSf

(2)

B/H=gQhSj

(3)

式中，B—細溝斷面的寬度，m；H—細溝斷面沖刷深度，m；B/H—細溝斷面寬深比；Q—沖刷流量，cm3/s；a、b、c、d、e、f、g、h、j—方程的擬合指數。

在這些指數中，b、e、h指數越大，表明其徑流對細溝斷面形態影響程度越高，c、f、j越大，則表明坡度對細溝斷面形態影響程度越大。

2 試驗結果分析

2.1 溝寬沿程斷面形態特征試驗結果

結合各組試驗，對不同坡度及雨洪綜合條件下的溝寬沿程斷面的形態特征進行試驗分析，分析結果如圖2所示。

由試驗結果可看出，在不同坡度條件下，各雨洪綜合作用使細溝斷面沿程寬度變化具有較為明顯的規律性，即隨著坡長的增加，呈現先減后增的變化趨勢，曲線上下部的間距要大于中部的間距，且基本在坡長為1.0m左右出現轉折變化，隨著坡度和雨洪強度的增加，其溝寬也呈現較為明顯的變化趨勢，溝寬變化與坡度及雨洪強度具有較好的相關性。溝寬變化最小的區域主要位于細溝斷面的中部位置，距離坡度的長度在0.5m左右。隨著坡度的增加，溝寬后期變化逐步穩定，主要體現在沿程沖刷和溯源侵蝕的力度逐步減小。

圖2 不同雨洪條件下各坡度溝寬沿程形態分布結果

圖3 不同雨洪條件下各坡度溝深沿程形態分布結果

2.2 溝深沿程斷面形態特征試驗結果

結合各組試驗，對不同坡度及雨洪綜合條件下的溝深沿程斷面的形態特征進行試驗分析，分析結果如圖3所示。

由試驗結果可看出，不同坡度和雨洪強度條件下，各溝寬深度隨著坡長的增加，呈現總體遞減變化的規律，從上到下，細溝被沖刷的深度有所減小，但是存在一定的溯源侵蝕特征變化，溯源侵蝕主要集中在坡長為2.0～2.5m之間，隨著坡度及雨洪強度的增加，溝深呈現明顯的遞增變化。當坡度為10°和15°時，雨洪強度分別達到10、15L/min時，溝深沿程變化逐步趨于平穩變化，這主要是因為在一定的坡度和雨洪條件下，細溝沿程沖刷的效應有所減弱，使得其各細溝斷面的溝深出現平穩變化。

2.3 寬深比沿程斷面形態特征試驗結果

結合各組試驗，對不同坡度及雨洪綜合條件下的寬深比沿程斷面的形態特征進行試驗分析，分析結果如圖4所示。

從寬深比沿程試驗分析結果可看出，隨著坡度和雨洪強度的增加，細溝試驗斷面下的寬深比呈現先遞減后遞增再逐步趨于穩定的變化，且不同坡度條件均存在一定的規律性變化。當坡長在1.0～1.5m之間時，寬深比達到最低點，從寬深比變化初期可看出，坡長在0～0.5m時，其寬深比變化較為明顯，這主要是因為在雨洪作用初期，細溝斷面的沿程沖刷和溯源侵蝕的力度較大，使得其寬深變化較為顯著。而隨著坡長的增加，細溝斷面消能作用加大，使得其程沖刷和溯源侵蝕的力度有所減少，因此其寬深比變幅逐步減小。當坡長增加到1.5m后，逐步趨于穩定變化。

2.4 細溝斷面形態指數擬合結果

結合以上試驗結果，對不同坡度及雨洪綜合條件下斷面的形態指數進行擬合分析，分析結果如圖5所示。

從各指數的擬合方程可看出，其擬合系數均在0.45以上，具有較好的相關性，表明試驗結果達到試驗目標。從溝寬指數B和C的擬合方程可看出，當坡長較低是其擬合效果更佳，表明在坡長較低的區域，細溝斷面寬度與流量和坡度的相關性較好，而隨著坡長的減少，擬合關系有所減弱，這主要是因為隨著坡長的增加，細溝斷面與流量和坡度的相關性有所減低。而對于溝深指數而言，由于沿程溝深測量較多，使得其擬合散點較溝寬指數要多，但擬合效果低于溝寬指數。從其擬合效果可看出，和溝寬擬合較為相似，底部擬合效果好于頂部的擬合效果，隨著坡長的增加，其擬合效果影響因素增多，使得其溝深與流量及坡度的變化有所減緩，降低擬合效果。寬深比指數的擬合變化和溝深及溝寬變化較為類似，但總體擬合效果不如溝深和溝寬的變化，其寬深比指數隨著坡長的增加，呈現遞增變化，這主要是因為隨著坡度和雨洪強度的增加，底部徑流快速的流向坡地，并在坡度進行集聚，隨著細溝斷面寬深比指數的增加，其土層的侵蝕率有所遞增，水流沿程沖刷和溯源侵蝕的能力逐步加強，使得細溝下切現象明顯，寬深比指數逐步加大。

圖4 不同雨洪條件下各坡度寬深比沿程形態分布結果

圖5 細溝試驗斷面各形態指數沿程擬合結果

3 結論

(1)通過試驗結果可以在細溝侵蝕區域，坡長為0.5～1.5m的匯水區域范圍內沿程布設截排水設施，可有效降低較強股流沿程沖刷及溯源侵蝕。

(2)沿程沖刷及溯源侵蝕在空間上存在一定疊加效應，這種效應是造成溝蝕斷面差異特征的主因，因此在溝蝕治理過程中應盡量降低作用強度逆坡長。

(3)細溝上方和下方是沖刷和侵蝕效應最強的區域，因此應注重這兩個區域的溝蝕治理，可設置相應的引水設施，降低侵蝕和沖刷量。

由于人工降雨試驗強度不能完全達到天然暴雨強度，在以后的研究中還應結合大量級暴雨場次野外觀測數據，增加大雨量級下的試驗分析數據。