扰动堆积土体边坡土壤侵蚀动力过程试验研究

Abstract

随着西部大开发的推进和区域经济建设的需求，黄土高原地区生产、开发类 建设项目越来越多，由此引起的扰动堆积土体所带来的土壤侵蚀问题愈发凸显。 由于遭到剧烈的扰动，松散堆积土体原有土体结构遭到破坏，并且常常缺乏水土 保持工程措施和植物措施的保护，在暴雨条件下极易发生剧烈土壤侵蚀而破坏农 田、道路等，给人民的生命财产带来巨大的损失。为了探明扰动堆积土体的土壤 侵蚀特性随坡度和初始水动力条件的变化，我们建设了标准的试验小区，探讨其 在 3 个坡度、4 个放水流量下土壤侵蚀的特性及其发生的原因和过程。通过整个 试验过程得到以下主要结论： （1）从小区的土壤侵蚀特性来看：试验条件下的产流速率随时间的变化规 律基本一致，均呈现先增大然后基本稳定的变化特性；平均产流速率与放水流量 呈线性正相关关系；在 30L/min 的放水流量下产流总量与坡度没有明显关系，其 他流量下产流总量随着坡度的增大而增大。小区产沙速率随时间的变化规律在不 同坡度不同放水流量并不完全一致，基本呈现以下 2 种变化规律：①在最大放水 流量下，产沙速率先迅速增大，然后逐渐减小，最后稳定在一定的范围内；②在 其他情况下，产沙速率先增大然后基本稳定。平均产沙速率与放水流量、坡度均 存在线性正相关关系，但 M a -Q 回归方程的显著性水平（Sig.值）要高于 M a -S 回 归方程的显著性水平，说明与坡度相比放水流量对平均产沙速率的影响更大。 （2）径流含沙量随时间的变化规律主要一下有 3 种：①放水流量较小且坡 度较小时，径流含沙量在较长的一段时间内基本稳定，在试验后期（18min）才 逐渐减小；②放水流量较大或坡度较大时，径流含沙量前期（9～12min 以前） 逐渐减小之后基本稳定；③介于前两种情况之间的径流含沙量随时间不断减小。 平均径流含沙量与放水流量呈线性负相关关系，与坡度则呈线性正相关关系。试 验条件下产流产沙关系基本可以用幂函数 y=ax b 来表达，a 值在 0.388～1.445 之 间变化，b 值在 0.256～0.911 之间变化；随着放水流量和坡度的增大 a 值在不断 增大，而 b 值在不断减小；当放水流量为 60L/min 时，虽然产流产沙之间仍呈现 正相关关系，但幂函数已经不能很好地拟合两者之间的关系。（3）各个放水流量下，在小区中部（断面 3 上下）都存在一个流速大小稳 定在 0.3～0.5m/s 的断面。处在该断面以上的断面，平均流速随放水时间整体呈 现减小趋势；处在该断面以下的断面，平均流速随放水时间整体呈现增大趋势。 各观测断面的平均水深均随着放水时间的延长不断增加；在小区的上部（断面 1～2）平均水深变化剧烈，而在小区中下部（断面 3～5）平均水深变化较为舒 缓并一直处在 0.5mm～1mm 之间；平均水深与放水流量无较为明显的关系。 （4）试验条件下坡面流基本为层流，只有在断面 1 和部分时段为过渡流； 除了个别现象外，坡面流均属急流范畴；各个放水流量下弗汝德数与雷诺数均为 负相关关系；阻力系数与雷诺数存在幂函数关系，但与放水流量关系不明显。分 析阻力系数沿坡长的变化情况发现，0～6m 的坡长范围内土壤侵蚀强烈，是坡面 流中泥沙的主要供给部位；6～20m 坡长范围内土壤侵蚀微弱，该区域对坡面流 中的泥沙仍有供给，但供给速率缓慢。坡面阻力系数与水深呈线性正相关关系， 因此变化特性与水深基本一致。 （5）水流切应力随坡长的变化可以很好地解释小区土壤侵蚀的主要发生部 位在小区中上部（0～10m）的原因。水流切应力虽然与单位面积土壤侵蚀速率 存在较好的线性关系，但由于水流剪切力只代表了水流剥蚀土壤颗粒进入坡面流 的能力，且本试验选取的坡度属于陡坡范畴，重力侵蚀作用表现强烈，该侵蚀模 型已经不适合来解释本试验条件下侵蚀速率的变化。由于水流功率是反映了坡面 流搬运能力，所以水流功率模型能运用于本试验条件下来反应土壤侵蚀速率的变 化。 关键词 ：黄土高原；扰动堆积土体；侵蚀产沙；水动力学特性；动力过程</p