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(guò)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(shí)也造成溝道中水庫(kù)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(dòng)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(duì)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(dòng)過(guò)程中發(fā)生著土壤顆粒的分離、泥沙的輸移和沉積三大過(guò)程。當(dāng)?shù)乇韽搅髦袙稁嗌车臄?shù)量小于其挾沙能力時(shí),地表徑流在輸移泥沙的同時(shí)仍然會(huì)對(duì)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(shí),地表徑流已無(wú)能力繼續(xù)對(duì)坡面進(jìn)行侵蝕,此時(shí)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(dòng)力條件發(fā)生變化時(shí),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(shí),徑流中挾帶的泥沙將會(huì)沉積下來(lái)造成淤積。坡面地表徑流的挾沙能力是認(rèn)識(shí)和解決水流作用下坡面侵蝕演變等諸多問(wèn)題的基礎(chǔ),是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、土壤侵蝕和水土保持學(xué)中亟待解決的基礎(chǔ)問(wèn)題,研究坡面地表徑流的挾沙能力,探明挾沙水流的水動(dòng)力學(xué)特性,評(píng)價(jià)坡面形態(tài)、地表狀況等對(duì)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(cè)預(yù)報(bào)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(cè)預(yù)報(bào)、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(guó)內(nèi)外學(xué)者或從理論,或根據(jù)小區(qū)野外實(shí)測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定資料出發(fā),對(duì)水流挾沙能力進(jìn)行過(guò)大量研究,提出了不少半理論半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)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(wú)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(dòng)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(shí)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(jì)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(guò)程。但Julien和Simons(1986)對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù),提出了侵蝕產(chǎn)沙與溪流動(dòng)力間的關(guān)系表達(dá)式,這一表達(dá)式為雷廷武(1998)等證實(shí)可以作為水流輸沙能力方程使用,但實(shí)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(dòng)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(jì)算方法。目前,大多數(shù)研究提出的挾沙能力公式是通過(guò)對(duì)天然河道實(shí)測(cè)資料的分析和大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究得到的半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式,直接用于坡面地表徑流挾沙能力的計(jì)算時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各自的試驗(yàn)得到的計(jì)算坡面流挾沙能力的公式雖然存在各種問(wèn)題,但影響輸沙能力的兩個(gè)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(dòng)力過(guò)程和土壤侵蝕模型時(shí)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(wú)可用的計(jì)算方法。可見,地表徑流挾沙能力的計(jì)算問(wèn)題是土壤侵蝕模型中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié),屬亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。侵蝕預(yù)報(bào)模型WEPP是一個(gè)較好的描述坡面侵蝕的模型,在國(guó)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(guò)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(duì)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(shí)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(bào)中的實(shí)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(shí)間和溝長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程中挾沙能力的沿程變化規(guī)律,正確計(jì)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(wèn)題。2地表徑流水動(dòng)力特性與坡面侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系流速是計(jì)算地表徑流挾沙能力的基礎(chǔ),是坡面地表徑流水動(dòng)力特性的主要指標(biāo)。近年來(lái),邵學(xué)軍等(2002)采用動(dòng)力波模式計(jì)算了坡度變化時(shí)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(guò)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(duì)坡面流流速的影響一直是具有爭(zhēng)議性的問(wèn)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(wú)關(guān),隨著坡度增大,水流速度有增大的趨勢(shì),但這種趨勢(shì)被隨之而來(lái)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(duì)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(guò)程中,徑流流速隨沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)和細(xì)溝沖刷形態(tài)的變化而變化,并非恒定值。可見,坡面地表徑流水動(dòng)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(wèn)題。坡長(zhǎng)是表征坡面形態(tài)的主要參數(shù),在黃土區(qū)坡面長(zhǎng)一般都在數(shù)十米以上,而室內(nèi)研究的實(shí)驗(yàn)坡長(zhǎng)一般不超過(guò)10m?？讈喥健埧评?2003)、張晴雯等人利用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn),研究了不同坡長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)為6m。同時(shí)指出,上方來(lái)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(lái)水量成直線關(guān)系。肖培青、鄭粉莉(2002)同樣指出,上方來(lái)水的匯入導(dǎo)致水流流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?上方來(lái)水來(lái)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(duì)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(zhǎng)的變化的計(jì)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(yàn),分析了不同動(dòng)力條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨坡長(zhǎng)的變化規(guī)律,提出了細(xì)溝產(chǎn)沙量隨溝長(zhǎng)變化的函數(shù)關(guān)系,并計(jì)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(zhǎng)度,并指出,一定坡度和流量條件下,產(chǎn)沙量隨溝長(zhǎng)的增加而增加,但增加的速率越來(lái)越小,最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值;坡度對(duì)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(jì)算奠定了基礎(chǔ),但對(duì)挾沙能力在更大坡長(zhǎng)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(zhǎng)、上方來(lái)水來(lái)沙對(duì)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(zhǎng)坡面上對(duì)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(zhǎng)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(wèn)題。在對(duì)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(duì)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(duì)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。可見,不同研究者利用室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)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(wèn)題。地表徑流挾沙能力一方面受徑流本身水動(dòng)力學(xué)特性的控制,同時(shí)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(duì)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(yàn)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(jì)算提供了依據(jù)。但對(duì)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(shí)地放水試驗(yàn)在林地、草地、農(nóng)地上對(duì)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(jì)模型。但并沒(méi)有從物理機(jī)制出發(fā)提出實(shí)用的計(jì)算地表徑流挾沙能力的模型,研究時(shí)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(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)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(yàn)主要是在坡面建立觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(yàn)研究地表徑流的水動(dòng)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(shí)地?zé)o擾動(dòng)放水沖刷試驗(yàn)研究罕有報(bào)道。國(guó)外的土壤侵蝕模擬實(shí)驗(yàn)的坡度大部分都是在10度以下,國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)坡度也都在15度以下。吳普特在動(dòng)力水蝕試驗(yàn)研究方面進(jìn)行了大量工作。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是將野外原狀土裝入沖刷槽后進(jìn)行試驗(yàn)的,雖然在采取原狀土?xí)r會(huì)盡可能的不擾動(dòng)土壤,使其保持原有特性,但原狀土在采集、搬運(yùn)、安裝過(guò)程中不免產(chǎn)生擾動(dòng),從而破壞了土體原有結(jié)構(gòu),尤其是采取林地的土壤時(shí),由于植物根系的存在,原狀土的采集幾乎是不可能的。同時(shí)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(duì)土壤的網(wǎng)絡(luò)作用,使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果出入很大。另外,大部分室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(yàn)樣品雖然與自然狀態(tài)下的土壤有相同的容重,但沒(méi)有自然狀態(tài)下土壤所應(yīng)有的結(jié)構(gòu),更沒(méi)有植物根系存在,因此,試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法直接利用。目前大多數(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)都是在下墊面形態(tài)阻力相對(duì)穩(wěn)定的情況下得到的,同時(shí)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(yàn)研究,并需要野外試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)行野外放水試驗(yàn)雖然可以不擾動(dòng)土壤,能夠保證試驗(yàn)對(duì)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(yàn)是驗(yàn)證室內(nèi)實(shí)驗(yàn)必須的手段之一?？梢?室內(nèi)試驗(yàn)所用的土壤因結(jié)構(gòu)遭到破壞,得出的研究結(jié)果與實(shí)際情況將會(huì)有較大的出入,需要野外試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。野外無(wú)擾動(dòng)沖刷試驗(yàn)研究仍屬空白,室內(nèi)研究結(jié)果也亟待野外試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算問(wèn)題是土壤侵蝕模型中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié),尤其是地表徑流沿坡面流動(dòng)過(guò)程中挾沙能力的沿程變化規(guī)律,坡面地