黄河水利职业技术学院 河南省开封市 475000
摘要：片蚀是坡面薄层水流对土壤的分散和输移过程，是中国黄土地区垂直分布带土壤侵蚀的初级阶段。径流含沙量变化是产流、产沙及水沙关系消长与演变过程的重要指标，也是衡量水土流失严重性的重要参数之一；另外径流含沙量变化可引起河床形态变化危及河道运行安全。自从退耕还草还林以来，草地得到很好的自行修复，片蚀径流含沙量也随之产生变化。建立草地坡面片蚀径流含沙量模型预测植被修复状态下径流含沙量对指导生态建设和加强流域管理有着极其重要作用。
关键词：含沙量；草地坡面径流泥沙沉积；水力特性；
一般认为植被过滤带拦蓄泥沙主要是由于其减缓径流和增大入渗, 但这仅是一般性的认识, 而非科学研究的结果 。最近有关的研究结果似乎对这种认识提出了质疑, 即使含沙水流通过裸土表面, 其仍具有相当的拦沙能力。已有研究多集中在缓坡和低含沙浓度的模拟试验上, 一般坡度小于10 %, 含沙量不超过100 kg/m3。然而在部分侵蚀严重地区, 如中国黄土高原, 由侵蚀造成的径流泥沙含量远大于100 kg/m3 , 甚至有时达到1000 kg/m3, 因此有必要开展高含沙水流的坡面径流过程研究, 以明晰草地对高含沙水流的拦蓄效。
一、试验设计
1.参考野外径流小区, 根据野外调查设定牧草控制密度560 簇/m2 , 草高和过水断面宽均约为3 cm。试验采用非淹没设计, 流量为20 和60 L/(min ·m), 坡度为3°和9°。试验泥沙取自武功黄土, 过筛后其中值粒径约为10μm , 且90 %泥沙粒径在2 ～100μm 之间。参照黄土高原地区的土壤侵蚀状况, 试验含沙量设为0 ～ 350kg/m3 。试验按坡度和流量共分4 组:GL 、GH 、SL 和SH , 每组进行6 ～ 7 次步长约为50 kg/m3 的不同含沙量试验, 按含沙量由小到大依次为GL1 、GL2 、… 、GL6 , GH1 ～ GH7 , SL1 ～ SL7 以及SH1 ～ SH6 , 共进行26 次试验。含沙水流采用恒流泥沙输送装置供给。在试验结束后, 用清水冲洗草地坡面沉积泥沙, 收集并烘干称重, 计算坡面泥沙沉积量。
2.降雨历时及观测时间。降雨历时为40 min。开始产流后前6 min 每隔1、2、3 min 观测1 次，以后每隔3 min 观测一次，观测时间至降雨结束（最后1 个观测时距小于3 min），用小桶接取时段全部径流泥沙。用高锰酸钾测定径流表层流速，用温度计测量浑水温度，然后计算出雷诺数并判定水流流态，将不同流态的表面流速乘流速修正系数计算获得水流断面平均流速。小区出口的流量用小桶接取时段全样后，用天平称取浑水样质量，然后澄清、撇掉清水、烘干称质量后计算出径流含沙量（SC）。
3.水力学参数计算。根据有关学者论著计算切应力、水流功率、单位水流功率等水力学参数。坡面径流切应力是破坏土壤结构及分离土壤的主要动力，它将分离的土粒带入水流并携带出坡面。其表达式：，式中τ 为水流切应力，Pa；γ 为水流的容重，N/m3；R 为水力半径，m；J 为水力坡度，J=sinθ，θ 为床面坡度。坡面径流对土壤侵蚀的过程是做功耗能的过程，因此该过程就具有一定的功率。水流功率被表述为单位面积水体的势能在时间尺度上的变化率，它表征了处于一定高度的水体沿坡流动时具有的势能。
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二、分析与讨论
1.含沙水流在草地坡面的沉积特征。草地泥沙沉积率随径流历时的增大而减小, 且在径流后期沉积率基本稳定。在坡度为9°、含沙量约为280 kg/m3 条件下, 20 L/min 流量试验泥沙沉积率出现较大的起伏。这可能与高含沙水流的不稳定现象有关, 且一般认为含沙量越大, 有效雷诺数越小, 起伏的波高越大 。在相同坡度条件下, 20 和60 L/min 流量试验泥沙沉积量与含沙量的变化相似, 且二者无明显差异,但前者沉积率显著大于后者。这说明流量对泥沙沉积总量影响较小, 而主要影响泥沙沉积率。泥沙沉积量均随含沙量的增加而增大, 且在相同流量和含沙量条件下, 9°坡面泥沙沉积量显著小于3°坡面, 这说明坡度对草地拦沙影响显著。3°时泥沙沉积率与含沙量呈显著正相关, 而9°时二者关系不明显。在流量为1.45 ～ 7.00 L/s 、含沙量为1.44 ～ 7.0 kg/m3 条件下对草地拦沙研究表明, 含沙量对泥沙沉积几乎没有影响[ 14] 。这与本试验结果明显不同, 其原因可能在于试验中含沙浓度较小, 而流量、试验历时以及上方来沙粒径较大。在大雨强2.0 增加到2.5 mm/min时，径流需要分离深层土壤，而草被紧固较深层土壤可蚀性系数明显提高，分离出来土壤减少。再加上土壤入渗能力和蓄水能力有限，径流量随之增加。从而造成在大雨强情况下，径流含沙量呈降低趋势。同一雨强下坡度从7°增加到25°，试验坡面汇水量降低，重力作用和流速增加，侵蚀动能反而增加，而坡面土壤稳定性降低，可蚀性系数降低。从而造成坡度增加，径流含沙量呈急速增加趋势。
2.草地坡面含沙水流水动力学特性。在相同坡度和流量情况下, 坡面水流雷诺数随含沙量的增大而减小, 而弗劳德数与含沙量关系不明显。在试验条件下, 3°和9°坡面含沙水流阻力系数分别为0.49 ～ 3.72 和0.29 ～ 0.60 , 总体上, 前者显著大于后者。在流量和含沙量相近条件下对自然草地的研究表明, 含沙水流的阻力系数随坡度的增大而减小, 这与本试验结论一致。在3°条件下, 20 和60 L/min 流量水流阻力系数与含沙量均呈正相关, 其相关系数分别为0.90 和0.60 , 而9°时两种流量条件下f 与含沙量均呈微弱负相关, 其相关系数分别为-0.28 和-0.23 。一般认为含沙水流的阻力随含沙量的增大而减小, 这也是悬移质泥沙制紊假设的前提。这显然与本试验3°时水流阻力变化趋势向左, 其原因可能主要与草地坡面的形状阻力有关。由于目前试验资料较少, 对坡面含沙水流特性的认识有待进一步加强。3°时不同处理坡面曼宁糙率n 变化于0.029 ～ 0.101 , 随含沙量的增加而增大, 而9°时n 的变化区间为0.021 ～ 0.030 , 其与含沙量关系不明显(表3)。这说明在缓坡条件下采用曼宁糙率进行水文过程演算时需要考虑含沙量对其的影响。不同草地盖度下，径流含沙量与单位水流功率可呈显著的幂函数方程，决定系数0.7～0.9，最适合用来描述含沙量水动力过程。认为单位水流功率最适合用来描述含沙量水动力过程，但这试验条件为裸坡，在研究不同土质含沙量变化时考虑了土壤颗粒体积分形维数在含沙量中影响，径流含沙量与单位水流功率、土壤颗粒体积分形维数呈可呈显著的幂函数方程，可见径流含沙量与单位水流功率关系最为密切，但两者关系受土壤类型影响。草地坡面单位水流功率之所以与单位水流功率关系最为密切，原因是单位水流功率计算并没有考虑受植被影响很大的水深，其他水力学参数像切应力和水流功率的计算考虑了水深，造成其实际计算中误差变大，与含沙量的相关性显著降低。
总体上, 含沙量对坡面表层流速影响较不显著, 而断面流速随坡位的下移而增大。在坡度和流量相同情况下, 坡面水流的雷诺数随含沙量的增大而减小。水流阻力系数均随含沙量的增加而增大, 与含沙量的相关性较差, 这说明在土壤侵蚀严重地区采用糙进行缓坡水文过程演算时需要考虑含沙量对其的影响。不同盖度条件下，平均径流含沙量随降雨强度或坡度的增大而增大，草地调控径流含沙量研究匮乏，使植被修复状态下径流含沙量变化认知缺失，以致无法科学进行生态建设和流域管理。探求草地植被影响坡面径流含沙量的变化规律，该研究一方面预测草地坡面含沙量，另一方面为生态建设和流域管理提供指导。
参考文献：
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论文作者:侯礼婷
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/28
标签：含沙量论文; 径流论文; 水流论文; 泥沙论文; 坡度论文; 草地论文; 土壤论文; 《防护工程》2018年第29期论文;