水利工程論文-黃土坡面細溝發(fā)育過程中的重力侵蝕實驗研究.doc

水利工程論文-黃土坡面細溝發(fā)育過程中的重力侵蝕實驗研究摘要：利用室內(nèi)模擬實驗的方法對典型坡度條件下黃土坡面細溝發(fā)育過程中的重力侵蝕規(guī)律進行了研究。通過對水沙測量結(jié)果的統(tǒng)計分析，同時結(jié)合實驗中對重力侵蝕現(xiàn)象的觀測，給出了實驗條件下的臨界重力侵蝕含沙量，以此為依據(jù)計算了重力侵蝕產(chǎn)沙量及重力侵蝕量達到總侵蝕量50%時對應(yīng)的“中值時間”。結(jié)果表明，在細溝發(fā)育過程中，重力侵蝕產(chǎn)沙量存在著由增大到減小再到波動的變化趨勢，這一趨勢對坡面產(chǎn)沙變化具有重要的影響。重力侵蝕發(fā)生的中值時間則由小變大，反映了細溝發(fā)育的不同階段重力侵蝕由以溝頭坍塌為主向以溝壁崩塌為主的轉(zhuǎn)化過程。關(guān)鍵詞：黃土坡面細溝重力侵蝕中值時間重力侵蝕是指地表物質(zhì)在重力作用下，分散地或成塊地、急速地或緩慢地向下移動的過程，主要表現(xiàn)形式有土的蠕動、松散物的滑動、松散物的流動和崩塌等1。重力侵蝕直接或間接地向河道輸送了大量的泥沙，是流域土壤侵蝕和河流泥沙來源的主要物理過程之一，并在區(qū)域地貌演化中扮演了一個十分活躍的角色24。由于重力侵蝕的發(fā)生具有很大的隨機性，其產(chǎn)沙量也較難測定，相對水力侵蝕來說，對于重力侵蝕的認識還很不夠。早期的研究成果多集中在重力侵蝕與地形、地表物質(zhì)組成、植被、氣候等因素間的5，定量的研究結(jié)果較少。近年來，隨著人們認識的不斷加深及相關(guān)研究方法與技術(shù)的應(yīng)用，重力侵蝕的研究取得了很大的進展。例如，在地理信息系統(tǒng)的支持下，采用一定的研究指標分別得出了黃土高原1:400萬重力侵蝕分區(qū)圖及黃河中游重力侵蝕最小圖斑等2,6；結(jié)合14C法測量的階地年齡，通過判讀遙感影像提取不同發(fā)育階段的溝谷形態(tài)，得到了第四紀以來谷坡后退所反映出的以重力侵蝕為主的侵蝕模數(shù)和侵蝕強度增強的加速度7。此外，一些其它方法(如模糊聚類等)也在流域重力侵蝕區(qū)劃研究中得到了廣泛應(yīng)用8。在有關(guān)重力侵蝕研究中，對于較小尺度下的重力侵蝕過程(如細溝發(fā)育過程中溝岸及溝頭的崩塌滑塌的變化規(guī)律等)的研究較少。深入開展這方面的研究有助于加深了解坡面形態(tài)變化過程和細溝侵蝕產(chǎn)沙機理，為在不同坡面發(fā)育階段有針對性地采用相應(yīng)的水土保持措施和減少坡面水土流失提供科學的依據(jù)。為此，本文采用實驗方法對黃土坡面細溝發(fā)育過程中的重力侵蝕規(guī)律進行探索。1實驗概況實驗在中國科學院水利部西北水保所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。實驗中人工模擬降雨方式為側(cè)噴，雨滴降落高度為16m，雨強為1.5mm/min。為檢測實驗結(jié)果的穩(wěn)定性，采用兩組獨立進行的平行實驗，每組實驗分為9個場次。第一場實驗的初始地形為水平投影長度為5m，寬度為1.5m，坡度為20度的直形坡，其后每一場的初始地形均為前一場的終極地形，這樣可使坡面細溝得到充分發(fā)育，并便于觀測不同細溝發(fā)育階段下重力侵蝕的特點及其變化過程。實驗中各場降雨歷時均為90min，降雨場次間隔為1天。為了分析雨滴擊濺在整個坡面發(fā)育過程中的作用，對其中一組實驗采用紗網(wǎng)覆蓋法來消減雨滴擊濺的影響。紗網(wǎng)網(wǎng)眼為2mm，覆蓋高度為垂直坡面高10cm處。在文中的以后部分將有雨滴擊濺直接影響的一組實驗稱為A組實驗；將有紗網(wǎng)覆蓋的一組實驗稱為B組實驗。表1各場降雨前坡面土壤含水量及雨強率定降雨場次土壤含水量(%)雨強/(mm/min)B坡面B坡面B坡面B坡面12345678911.122.622.622.624.425.626.825.826.316.228.026.927.025.624.525.627.040.21.511.541.581.601.481.441.481.531.491.521.471.521.541.571.494.501.481.53為了解各場降雨雨強的穩(wěn)定性及坡面土壤含水量變化，各場降雨開始前分別采用雨量計法和環(huán)刀法測量降雨雨強與坡面土壤含水量，結(jié)果見表1。可以看出除第一場降雨外，各場降雨前坡面土壤含水量差別不大，各場降雨的雨強也基本一致，誤差在10%以內(nèi)。由于重力侵蝕在發(fā)生時間上具有一定的隨機性，目前尚缺乏有效的方法與儀器測量重力侵蝕的產(chǎn)沙量，本文嘗試采用實驗觀測現(xiàn)象與水沙測量相結(jié)合的方法，將重力侵蝕產(chǎn)沙部分從坡面侵蝕泥沙的總量中區(qū)分出來。因此，實驗中除利用采樣法對坡面出口處的流量、輸沙率和含沙量進行測量外，還對細溝發(fā)育過程中的重力侵蝕現(xiàn)象進行了觀測記錄，并全程對A坡面細溝發(fā)育過程進行了錄像。這樣便可將坡面上發(fā)生的重力侵蝕現(xiàn)象與水槽出口處的水沙變化進行對比，以此來幫助識別重力侵蝕的影響。2實驗結(jié)果考慮到伴隨坡面細溝發(fā)育過程中的流量、輸沙率與含沙量變化及其三者之間的關(guān)系，本文只給出各場降雨流量與含沙量的觀測結(jié)果，見表25。坡面產(chǎn)流主要受降雨及入滲等因素的影響。已有的研究表明9，坡面入滲主要遵循霍頓公式，入滲量隨時間遞減。在降雨初期，由于坡面初始含水量較小，入滲量較大，產(chǎn)流量較小，其后隨著坡面土壤含水量的增大，入滲量減少，產(chǎn)流量增大。除入滲變化外，受實驗條件限制，控制雨強的水壓在一定范圍內(nèi)的隨機波動也是造成產(chǎn)流量波動的一個原因。采用方差分析對各場降雨過程中的產(chǎn)流量進行比較，結(jié)果表明各場實驗的產(chǎn)流量在0.05顯著水平不存在明顯差異，應(yīng)該說各場降雨的徑流量波動控制在合理的范圍內(nèi)。與產(chǎn)流量相比，產(chǎn)沙量的波動要劇烈很多。實驗中含沙量最小為0.01g/ml，最大為0.47g/ml,相差近50倍。侵蝕動力不同是造成含沙量差別如此之大的主要原因，而其中重力侵蝕又是導致坡面高含沙水流的主要原因。表2A坡面各場實驗流量變化(ml/s)時間/min實驗場次123456789102030405060708090113.1124.4139.0128.9134.3142.9151.1151.2123.3130.0148.6133.3141.7130.0130.6133.3137.8141.9129.4144.1153.8140.3151.3137.1151.6145.7136.8117.6148.7169.6138.6202.9132.4132.5129.7126.6121.2109.7120.0131.3132.4134.2129.3129.4125.0121.1110.3111.8127.3119.5130.0115.6117.5130.0128.6131.0133.3141.4142.6146.0138.2150.0159.3135.0132.3137.5127.1135.9136.2148.7171.4148.6104.0113.0128.6105.6141.5135.1153.9180.0161.8表3B坡面各場實驗流量變化(ml/s)時間/min實驗場次123456789102030405060708090142.9123.9135.1127.0140.5132.8142.9135.1148.7159.7134.4141.1156.3159.4167.7145.3207.4167.9142.2156.3166.1148.3150.0146.7146.7183.9187.0140.6160.6174.2150.0145.0182.8156.7154.8165.6111.1135.5145.2140.6140.0151.5151.4158.1158.8122.6110.8110.3121.9125.0118.2114.5131.3122.7153.3166.7154.8169.1164.5166.7185.0173.2185.7137.1151.7162.5136.7156.7161.1161.3160.0164.1158.1158.6174.2166.7173.3156.5183.3165.6164.5表4A坡面各場實驗含沙量變化(g/ml)時間/min實驗場次1234567891020304050607080900.010.010.010.010.020.040.080.110.080.100.110.080.080.040.100.130.140.180.130.110.140.160.250.250.260.210.200.090.200.300.090.340.070.060.070.070.060.040.050.060.130.130.130.070.050.030.030.030.030.030.040.040.040.040.020.030.030.030.050.030.030.040.210.070.070.080.050.050.030.100.180.070.060.040.040.040.040.110.090.240.13表5B坡面各場實驗含沙量變化(ml/s)時間/min實驗場次1234567891020304050607080900.010.010.010.010.010.010.010.010.010.010.010.020.040.200.180.160.370.470.050.080.170.120.120.080.240.240.260.090.130.170.100.080.160.050.070.050.010.020.050.030.020.030.030.020.050.020.010.010.010.020.040.030.060.020.010.030.010.010.030.110.190.170.170.020.090.070.030.040.020.050.0500.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01詳細記錄細溝發(fā)育過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，尤其是崩塌、滑塌等重力侵蝕現(xiàn)象，有助于解釋產(chǎn)沙過程中的波動，確定重力侵蝕產(chǎn)沙量及其變化。結(jié)合實驗觀測及錄像資料，表6給出了部分場次明顯的重力侵蝕現(xiàn)象及其對應(yīng)的發(fā)生時刻。3重力侵蝕變化分析3.1重力侵蝕產(chǎn)沙量的確定確定重力侵蝕產(chǎn)沙量是定量分析重力侵蝕變化規(guī)律的基礎(chǔ)。由于坡面出口處測得的沙量是由各種不同動力共同侵蝕產(chǎn)生的總量，因此需要將其中重力侵蝕產(chǎn)沙區(qū)分出來。通常在一定的地形條件和徑流條件下，水力侵蝕所形成的含沙量應(yīng)基本穩(wěn)定，而重力侵蝕則具有很大的偶然性，其產(chǎn)沙量與崩塌體的大小、發(fā)生的頻率等有關(guān)，在整個產(chǎn)沙過程中是一個隨機變化的過程。從表4中含沙量的變化過程與表6中記錄的重力侵蝕現(xiàn)象也可看出，當實驗中未有重力侵蝕發(fā)生時，坡面出口的含沙量基本保持穩(wěn)定；而當大塊崩塌等重力侵蝕現(xiàn)象發(fā)生時，相應(yīng)時刻坡面出口測量的含沙量也較高。因此，確定重力侵蝕產(chǎn)沙量及其變化的原則可以概括為：(1)水動力條件不變時，水力侵蝕量基本保持穩(wěn)定；(2)實驗過程中產(chǎn)沙量的波動主要與重力侵蝕有關(guān)；(3)超出水力侵蝕量的部分應(yīng)為重力侵蝕產(chǎn)沙量。表6A坡面部分場次重力侵蝕現(xiàn)象記錄降雨場次時間/min實驗現(xiàn)象253號溝有小規(guī)模的崩塌，3號溝的發(fā)展抑制了1、2號溝的發(fā)展324號溝不斷溯源前進，并伴有崩塌發(fā)生3493號溝頭發(fā)生崩塌653、4號溝頭不斷發(fā)生崩塌851號溝頭發(fā)生大塊崩塌22溝頭出現(xiàn)少量泥流548溝頭發(fā)生大面積崩塌本實驗中重力侵蝕自發(fā)生起一直持續(xù)到降雨結(jié)束6本次實驗細溝基本未發(fā)育，無明顯的重力侵蝕發(fā)生744號溝溝壁發(fā)生大面積崩塌9804號溝溝壁發(fā)生大面積崩塌854號溝溝壁發(fā)生大面積崩塌在統(tǒng)計分析中，變異系數(shù)是反映一組數(shù)據(jù)相對波動大小的一個常用參數(shù)，即：(1)式中：V為變異系數(shù)；與分別代表該組數(shù)據(jù)的均值與方差。變異系數(shù)越小則說明數(shù)據(jù)波動越小，即在降雨過程中越穩(wěn)定。表7給出了兩組實驗各場降雨含沙量的變異系數(shù)，由表中可以看出，A坡面含沙量變異系數(shù)在第六場最小，而B坡面則在第九場，即這兩場實驗含沙量基本穩(wěn)定，可以認為整組實驗中這兩場降雨過程中重力侵蝕較少或沒有發(fā)生，侵蝕方式以水力侵蝕為主。這與表6中的觀測記錄相吻合。表7含沙量、產(chǎn)流量變異系數(shù)及重力侵蝕對坡面總產(chǎn)沙量的貢獻降雨場次含沙量變異系數(shù)產(chǎn)流量變異系數(shù)重力侵蝕產(chǎn)沙貢獻A坡面B坡面A坡面B坡面A坡面B坡面12345678910835296551131085181421155337457011571120.120.060.080.190.090.070.070.100.190.090.110.110.120.120.070.090.100.0643%64%80%74%49%0%40%54%59%0%81%86%93%55%61%80%79%0%一般而言，無論是雨滴擊濺、薄層水流侵蝕還是細溝流沖刷，其產(chǎn)沙量均與降雨、徑流條件及地形有明確的函數(shù)關(guān)系10。當以上條件一定時，水力侵蝕產(chǎn)沙量也應(yīng)基本穩(wěn)定。實驗中各場降雨的雨強均為1.5mm/min，相應(yīng)產(chǎn)流變化也不大，各場降雨實驗中差別最大的主要