坡沟系统侵蚀产沙耦合关系试验研究.pdf

．122． 第六届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集 坡沟系统侵蚀产沙耦合关系试验研究 丁文峰1 李 勉2姚文艺2张平仓1 (1．长江科学院 武汉430010；2．黄河水利科学研究院郑州450003) 摘要：以黄土高原丘陵沟壑区内典型的坡一沟系统为研究对象，通过四个不同量级(2．1、3．2、5．2、7．2L／min) 的放水冲刷试验，揭示了坡一沟侵蚀产沙耦合关系；探讨了坡面上不同来水量、来水含沙量及来水动能 对沟坡侵蚀产沙的影响。结果表明：坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均 影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系；坡面来水 含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。最后，从能量的角度对沟坡 侵蚀产沙进行了分析，得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为O．632。 关键词：坡沟系统侵蚀产沙耦合 1 引言 由于我国黄土高原下垫面条件和气候条件的特殊性，其侵蚀方式、特征及机理均与 其他地区有所不同，从分水岭到坡脚，径流侵蚀产沙方式、强度等特征表现出明显的垂 直分带性[1~3】。因此，关于坡沟侵蚀产沙关系问题的研究也主要集中在我国，国外相对研 究较少。近年来，随着国际上一批基于物理过程的土壤侵蚀模型的相继出现【4“”，对流域 尺度侵蚀模型的研究逐渐成为土壤侵蚀研究中的热点。黄土高原坡沟系统侵蚀产沙规律 的研究与揭示，对控制水土流失、恢复与重建生态环境及侵蚀模型的建立具有重要意义。 因此，早在20世纪60年代，蒋德麟等[8】就对我国黄河中游地区的坡沟侵蚀产沙关系进行 了研究。随后，曾伯庆【9]、焦菊英【10】等就坡面和沟道的产沙比例问题进行了研究。但是， 由于研究方法的差异和手段的限制，目前对坡沟系统侵蚀产沙关系及产沙机理等一些基 本问题还未得到很好的解决。 总体来讲，目前国内关于坡沟侵蚀产沙关系的研究仍主要以分析野外小流域实际观 测资料为主，这种方法也能在一定程度上对坡沟侵蚀产沙比例、小流域泥沙来源等问题 进行量化研究，但未能揭示其中的一些细微的机理，尤其是对于坡上方来水来沙对下方 侵蚀产沙的影响等问题未能很好的解决。郑粉莉等【1卜13】人采用的双土槽径流小区研究法 在很大程度上弥补了野外试验站观测资料分析此方面的不足，对于定量揭示坡沟侵蚀产 沙关系起到了关键作用。但这些研究往往集中于坡面尺度，注重探讨坡面上方来水来沙 对坡面下方侵蚀产沙的影响，也还没有从坡沟系统的角度对坡沟侵蚀产沙关系进行研究。 再者，以往关于坡沟侵蚀产沙问题的研究量化程度不够，即使有一定程度的量化，也大 作者简介：丁文峰，男，1975年出生，河南汝州人。博士，工程师。 二、流域侵蚀及产沙 ‘123‘ 多为基于统计分析这一经验性方法，还没有从动力机制方面进行研究，使得结果难以外 推到更大范围或其他地区。鉴于此，本文将通过室内模拟试验揭示坡沟侵蚀产沙关系， 建立坡沟系统侵蚀产沙模型，以期为流域土壤侵蚀模型的建立提供依据。 2材料与方法 试验采用两种不同的实体模型对坡沟侵蚀产沙关系及产沙模型进行研究。一种为坡 面模型，一种为坡一沟系统模型。试验在两种模型上分别同时进行，这样就能保证控制 条件基本一致，在结果分析时，将两种模型上的试验结果相比较，就能间接得出坡沟系 统侵蚀产沙的一些基本规律。 根据以往的研究结果，黄土丘陵沟壑区坡面坡度大致在200，沟坡坡度在40。一60。 之间分布频率较大。为此，坡沟连续体和单纯坡面试验模型设计时坡面设计坡度选定为 200，沟坡设计坡度选定为500。坡面部分和沟坡部分的比例大致控制在1．3：1．0。 试验槽为砖砌水泥槽。试验用土的粒径组成如表1所示。在装填试验土之前，把野 外运回的土样过10mm孔径的筛后填入试验土槽，考虑到试验的需要，填土厚度保持在 35cm左右。试验开始前，为了消除土壤前期含水量不同给试验带来的影响，先在坡面上 均匀地降一场小雨，并保证所有试验槽上接受的雨量基本相同。然后采用放水冲刷法进 行试验，供水设备采用定水头装置供水，以保证在整个试验过程中供水量的稳定。 试验开始后，待坡面完全产流后，记录试验土槽的产流时间，并开始采集土槽下端 出口处的含沙量过程样，为了准确反映试验过程中的侵蚀产沙变化，采样间隔时