馬萍,宋鋒惠,史彥江,王健,朱首軍?

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資環(huán)學(xué)院,712100,陜西楊凌;2.新疆林業(yè)科學(xué)研究院治沙所,830000,烏魯木齊)

伊犁河流域裸露緩坡地放水試驗(yàn)研究

馬萍1,宋鋒惠2,史彥江2,王健1,朱首軍1?

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資環(huán)學(xué)院,712100,陜西楊凌;2.新疆林業(yè)科學(xué)研究院治沙所,830000,烏魯木齊)

通過(guò)野外徑流小區(qū)實(shí)地放水沖刷試驗(yàn),研究伊犁河流域裸露緩坡地在不同放水條件下土壤水分變化、徑流泥沙特征,并運(yùn)用水力學(xué)理論分析坡面徑流水力學(xué)參數(shù)特征。結(jié)果表明:1)土壤入滲率隨著放水流量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),隨著放水量的增加,土壤表層含水量增大,入滲率隨之減少,坡下部土壤水分變化量高于坡上;2)隨著放水流量的增加,輸沙率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),含沙量呈先增后減的趨勢(shì),含沙量與放水流量存在較好的冪函數(shù)關(guān)系,隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng),含沙量、輸沙率均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì);3)隨著放水流量的增加,徑流平均流速、雷諾數(shù)、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)逐漸增大,弗勞德數(shù)逐漸減小,流速與流量、弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)均呈良好的冪函數(shù)關(guān)系,水流為層流、急流狀態(tài)。

裸露緩坡地;放水沖刷;土壤水分;徑流泥沙;水力學(xué)參數(shù)

伊犁河流域的水土資源十分豐富,是全疆最具 有開(kāi)發(fā)潛力的區(qū)域,在新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)中居于重要的戰(zhàn)略地位[1];但流域內(nèi)由于人為不合理的灌溉方式造成嚴(yán)重的水土流失,尤其是流域內(nèi)的新墾區(qū),土層厚薄不均勻,自然坡降較大,若延續(xù)采用傳統(tǒng)的灌溉方式,勢(shì)必會(huì)在水土開(kāi)發(fā)中產(chǎn)生水土流失問(wèn)題[2]。

土壤侵蝕是水流和土壤相互作用的復(fù)雜物理過(guò)程[3],徑流和土壤是水土流失的 2個(gè)基本因子[4]。據(jù)多年研究[5-6],坡面徑流是造成水土流失的主導(dǎo)因子,同時(shí)坡面徑流的沖刷力是土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?。?duì)坡面徑流水力學(xué)特性的研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍重視,并取得了一些研究成果[7-13]。由于坡面徑流水力學(xué)特性的復(fù)雜性和試驗(yàn)技術(shù)的限制,對(duì)其理論分析、野外觀測(cè)和試驗(yàn)研究都存在一定困難,在沒(méi)有成熟坡面徑流理論的情況下,仍在借鑒水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)的原理和方法[14-18]。探索坡面徑流水力學(xué)特性有助于從動(dòng)力學(xué)角度認(rèn)識(shí)坡面水蝕過(guò)程及機(jī)制,也為坡面水蝕過(guò)程物理模型的建立奠定基礎(chǔ),具有重要的理論和實(shí)踐意義。

對(duì)伊犁河流域水土流失的現(xiàn)狀調(diào)查顯示,除突發(fā)性暴雨型和融雪型水土流失外,伊犁河流域最普遍、最重要的水土流失來(lái)源于該區(qū)不合理的灌溉方式——大水漫灌所造成的水土流失;因此,通過(guò)野外徑流小區(qū)實(shí)地放水沖刷試驗(yàn),深入研究不同放水量、不同放水流量條件下土壤水分變化、徑流泥沙特征及坡面徑流水力學(xué)特性,從而揭示該區(qū)坡面流侵蝕動(dòng)力機(jī)制,為伊犁河流域新墾區(qū)水土資源開(kāi)發(fā)提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于新疆伊犁哈薩克自治州林業(yè)科學(xué)研究所科技示范基地,地理坐標(biāo)為 E 80°31′～81°43′、N 43°17′～43°57′,海拔約 690m,屬于山前洪積 -沖積傾斜平原。氣候?qū)俅箨懶员睖貛睾透珊禋夂?具有熱量豐富、光照充足、四季分明、夏季炎熱、冬季寒冷,晝夜溫差較大等特點(diǎn)。年降水量 150～250mm,年平均氣溫7.9℃,野生植被以蒿類多年生荒漠植物為主。

伊犁河流域的農(nóng)業(yè)耕作土地大多為近年來(lái)大面積新開(kāi)墾的土地,土壤為灰鈣土,密度為 1.29 g/cm3,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.37%,土壤 pH值為8.02,含鹽量 1.18%。按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕地實(shí)際情況,徑流小區(qū)布設(shè)的坡向、坡度與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)耕作土地一致,坡長(zhǎng)依實(shí)際坡面長(zhǎng)度而定。根據(jù)坡面實(shí)際面積布設(shè) 9個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積均 42m2(21m×2m),南北坡向,坡度 2°。小區(qū)內(nèi)無(wú)雜草,為裸地小區(qū)。

試驗(yàn)裝置由供水系統(tǒng)、試驗(yàn)沖刷區(qū)、集流系統(tǒng)組成。坡面上方的供水系統(tǒng)由容積為 9m3的水箱、流量調(diào)節(jié)閥門和出水管等幾部分組成。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)用水泵將水抽到水箱里,水箱設(shè)有溢流孔,使水箱水位水壓恒定,從而保證流量穩(wěn)定。流量按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)流量通過(guò)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié),水箱里的水通過(guò)出水管供給坡面穩(wěn)流槽,穩(wěn)定后的水流流入試驗(yàn)沖刷區(qū),小區(qū)下方設(shè)有集流桶,用來(lái)收集徑流泥沙。試驗(yàn)裝置如圖 1所示。

圖 1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experiment system mode

本試驗(yàn)?zāi)M當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉制度,設(shè)計(jì) 2.25、3.38、4.50m33個(gè)放水量,0.45、1.26和 1.80 L/s 3個(gè)放水流量,重復(fù) 2次,共進(jìn)行 18組試驗(yàn)。放水試驗(yàn)前用噴壺對(duì)小區(qū)進(jìn)行均勻?yàn)⑺?使各小區(qū)放水前期土壤含水量(質(zhì)量含水量)基本一致,均為 15%。每次試驗(yàn)前都對(duì)表土進(jìn)行翻耕,使地表平整,放水后將坡面沖刷出的細(xì)溝用耙子耙平,保持各次試驗(yàn)地表狀況一致。

1.2 測(cè)定內(nèi)容及方法

1.2.1 土壤含水量 放水試驗(yàn)前后,在小區(qū)坡面上、中、下各設(shè) 3個(gè)斷面,在每個(gè)斷面上分別取 3個(gè)水分觀測(cè)點(diǎn),取其平均值作為該斷面土壤含水量。用土鉆取土,取土深度為 0～20 cm,采用烘干法測(cè)定,取土后將取土坑填平。

1.2.2 坡面徑流流速 待坡面產(chǎn)流穩(wěn)定后,用染色法測(cè)定坡面徑流流速。將坡面從坡頂至坡底每隔 5 m用紅油漆在小區(qū)左右側(cè)圍梗處做標(biāo)記,待坡面產(chǎn)流穩(wěn)定后,用染色法分別測(cè)定 0～5、5～10、10～15、15～20m各斷面的徑流流速,最后取平均值作為小區(qū)全坡面的流速?？紤]到用染色法測(cè)定的徑流流速為坡面優(yōu)勢(shì)流流速,實(shí)測(cè)流速乘以修正系數(shù) 0.75作為坡面水流的平均流速[19]。

1.2.3 徑流泥沙 放水結(jié)束后將集流桶中收集的渾水充分?jǐn)噭?立即采取水樣 1 000m L,在室內(nèi)經(jīng)靜置,過(guò)濾之后,采用烘干法測(cè)定水樣中的泥沙含量,采用體積法確定泥水總量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

根據(jù)水分平衡公式可知,放水量為徑流量、入滲量與蒸發(fā)量之和,由于水分蒸發(fā)量與徑流量和入滲量相比很小,故忽略水分蒸發(fā)量。土壤入滲率 i為單位時(shí)間單位面積上土壤水分下滲量,單位為 mm/min,由上述分析可知,土壤入滲率

式中:W為放水量,m3;R為徑流量,m3;S為小區(qū)面積,m2;t為放水時(shí)間,min;1000為單位換算系數(shù)。

徑流深 h是反映水力學(xué)特征的重要因子。由于坡面水流水層極薄,且土壤下墊面條件不斷發(fā)生變化,采用實(shí)測(cè)法難以準(zhǔn)確測(cè)定;因此,假定水流沿坡面均勻分布,用下式[20]計(jì)算。

式中:q為單寬流量,m3/(m?min);v為斷面平均流速,m/min;B為過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?m。

雷諾數(shù)Re是水流型態(tài)的重要判據(jù),其計(jì)算公式為

式中:νm為含沙水流的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù),m2/s;由于本試驗(yàn)區(qū)含沙水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)尚無(wú)研究,若按清水進(jìn)行計(jì)算勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大的誤差,故此處借鑒沙玉清[21]公式進(jìn)行計(jì)算。

式中:ν0為同溫清水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù),ν0=1.0×10-6m2/s;Sv為體積含沙率,%;d50為土壤中值粒徑,mm,取 0.075 mm,數(shù)據(jù)來(lái)源于試驗(yàn)地察布查爾縣土壤調(diào)查。

弗勞德數(shù) Fr作為判別明渠水流流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn),其公式為

式中 g為重力加速度,m/s2。

Darcy-Weisbach阻力系數(shù) f主要由顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力 4部分組成,最終反映坡面薄層水流受阻情況。

式中:J為水流坡降,可近似取為 sinθ,θ為小區(qū)坡度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放水處理對(duì)坡面土壤水分入滲的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)坡面放水來(lái)完成徑流沖刷過(guò)程,設(shè)計(jì)流量較大,與當(dāng)?shù)卮笏喾绞奖３忠恢?可引起超滲產(chǎn)流。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1,可看出,在各放水處理下土壤入滲率在 0.372～1.847 mm/min之間變化,平均值為 0.999mm/min。放水流量為 1.80 L/s時(shí),平均入滲率最大,為 1.591mm/min,比放水流量為 1.26 L/s的高 0.578mm/min。放水流量為 0.45 L/s時(shí),其平均入滲率最低。入滲率隨著放水流量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。其原因主要是:放水強(qiáng)度超過(guò)土壤入滲能力后產(chǎn)生超滲產(chǎn)流,土壤在蓄水未達(dá)到飽和之前,放水流量增加,入滲率隨之增加;隨著放水量的增加,土壤表層含水量增大,其入滲率隨之減少。

表 1 不同放水處理坡面土壤水分入滲特征Tab.1 Characteristics of soil infiltration under different treatments

在同一放水量及前期土壤含水量相當(dāng)?shù)臈l件下,同一坡面不同坡位放水試驗(yàn)前、后土壤水分變化量存在一定差異。圖 2顯示了 3種放水流量處理下各小區(qū)放水試驗(yàn)前、后表層(0～20 cm)土壤土壤水分變化量,可見(jiàn)相同放水流量下,坡面下部土壤水分變化量高于坡上。這是因?yàn)?對(duì)于裸地,放水流量達(dá)到一定程度,坡面水分來(lái)不及向下滲透,產(chǎn)生超滲徑流;但相對(duì)坡面上部而言,坡面下部受水體重力作用影響,水分下滲的總量高于坡上。

圖 2 不同坡位試驗(yàn)前、后土壤水分變化量Fig.2 Changes of soil water content before and after experiment on slope

2.2 不同放水處理對(duì)坡面徑流、泥沙的影響

表 2顯示了不同放水處理坡面徑流、泥沙的特征,可以看出,隨著放水流量的增加,輸沙率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),放水流量 1.26 L/s是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)流量小于 1.26 L/s時(shí),輸沙率隨流量增加增長(zhǎng)迅速;當(dāng)流量大于 1.26 L/s時(shí),輸沙率隨流量增加增長(zhǎng)緩慢。輸沙率增長(zhǎng)是因?yàn)楫?dāng)流量由 0.45 L/s增加到1.80 L/s時(shí),徑流流速增大,因而徑流具有的動(dòng)能也增大,其攜沙能力增強(qiáng),沿細(xì)溝流走的徑流下蝕和側(cè)蝕作用加強(qiáng),大量泥沙被攜走,所以輸沙率會(huì)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

表2 不同放水處理坡面徑流和泥沙的特征Tab.2 Characteristics of runoff and sediment under different treatments

根據(jù)不同放水量條件下含沙量和放水流量數(shù)據(jù),繪出它們的散點(diǎn)圖(圖 3),發(fā)現(xiàn)含沙量與放水流量之間存在明顯的關(guān)系。通過(guò)回歸模擬,得出含沙量與放水流量的冪函數(shù)關(guān)系式為

式中:Ws為含沙量,g/L;Q為放水流量,L/s。

圖3 含沙量和放水流量的關(guān)系Fig.3 Relationship between the sediment concentration and the scouring water discharge

不同放水量沖刷時(shí)間不同,由表 2可以看出,隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng),含沙量、輸沙率均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。主要是因?yàn)?在放水過(guò)程中會(huì)有細(xì)溝產(chǎn)生,當(dāng)細(xì)溝發(fā)育穩(wěn)定時(shí),水流會(huì)沿溝道流走。隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng),沿穩(wěn)定細(xì)溝流走的徑流增加,徑流系數(shù)由0.354增大至 0.425。表層土壤在水的浸泡下抗沖性會(huì)降低,但隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng),抗沖性降低至一定程度便會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。沿細(xì)溝流走的徑流不斷增加而土壤抗沖性相對(duì)穩(wěn)定,所以含沙量、輸沙率呈降低趨勢(shì)。

2.3 不同放水處理坡面徑流水力學(xué)參數(shù)特征

在坡面侵蝕過(guò)程中,水流水力學(xué)參數(shù)及其流態(tài)變化將對(duì)侵蝕過(guò)程產(chǎn)生重要影響。徑流流速、徑流深、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)及阻力系數(shù)等水力要素是反映水流動(dòng)力學(xué)特征的主要參數(shù)[22]。通過(guò)了解坡面徑流的水力學(xué)參數(shù)變化特征可以從一定程度上了解坡面土壤侵蝕狀況。坡面徑流水力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3。

表 3 不同放水處理坡面流水力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果Tab. Hydraulic characteristics of surface runoffunder different scouring water discharge

2.3.1 徑流平均流速 根據(jù)坡面水流平均流速和放水流量數(shù)據(jù),繪出它們的關(guān)系曲線(圖 4),可以看出,徑流平均流速隨流量的增加而增大。對(duì)曲線進(jìn)行擬合可知,徑流平均流速與放水流量可表示為

圖4 徑流平均流速與放水流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the average velocity and the scouring water discharge

這一結(jié)果表明對(duì)于本試驗(yàn)而言,坡面徑流的平均流速可以用放水流量的簡(jiǎn)單冪函數(shù)關(guān)系式來(lái)表示,這與 G.Govers[23](v=3.52Q0.294)、M.Nearing等[24](v=9.802Q0.459)的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.3.2 坡面水流流態(tài) 雷諾數(shù) Re是水流運(yùn)動(dòng)狀況(層流和紊流)的重要判別依據(jù),反映了水流的慣性力與粘滯力之比,量綱為 1。根據(jù)明渠均勻流的基本理論,對(duì)于矩形斷面的明渠水流層流和紊流的臨界雷諾數(shù)為 500,在雷諾數(shù) 500左右則屬于過(guò)渡流。而本試驗(yàn)各放水處理下的雷諾數(shù)為 102.822～436.102,流態(tài)均屬于層流的范疇。不同處理下雷諾數(shù)隨著放水流量的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),反映出水力侵蝕能力和搬運(yùn)能力的增大。

在水力學(xué)研究中除了雷諾數(shù)之外,弗勞德數(shù) Fr是表征水流流態(tài)的又一重要參數(shù),它綜合反映了流速和水深的對(duì)比關(guān)系。在徑流流量相同的條件下,弗勞德數(shù)越大,說(shuō)明坡面徑流的流速越大,徑流挾沙能力越強(qiáng),水深越淺,坡面的徑流侵蝕力越小。根據(jù)明渠水流的判別標(biāo)準(zhǔn),本試驗(yàn)各放水處理的弗勞德數(shù)均大于 1,均屬于急流狀態(tài),且隨著放水流量的增大而逐漸減小。

現(xiàn)將各放水流量下坡面水流的雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)的值點(diǎn)繪于圖 5,可知不同放水流量條件下,坡面水流的弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)之間呈較好的冪函數(shù)關(guān)系,對(duì)圖中的曲線進(jìn)行擬和可得

Fr=14.654Re-0.2914R2=0.999

2.3.3 阻力系數(shù)變化特征 Darcy-Weisbach阻力系數(shù)反映了坡面流在流動(dòng)過(guò)程中所受的阻力大小[25]。在流量條件相同的情況下,阻力系數(shù)越大,水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大,則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就越小,土壤侵蝕就越微弱,反之則土壤侵蝕劇烈。從表 3中可以看出,阻力系數(shù)隨著放水流量的增加而增大,其原因?yàn)?流量增加意味著徑流深增大,使相對(duì)糙率變小;然而流量的增加促使侵蝕強(qiáng)度增強(qiáng),對(duì)細(xì)溝微地貌的塑造更加復(fù)雜化。對(duì)于本試驗(yàn)而言,流量增加對(duì)微地貌變化的影響較糙率的影響程度更大,因此,阻力系數(shù)隨流量的增加而增大。

圖5 弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the Froude number and the Reynolds number

3 結(jié)論與討論

1)土壤入滲率隨著放水流量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),隨著放水量的增加,土壤表層含水量增大,入滲率隨之減少。試驗(yàn)前、后不同坡位土壤水分變化量存在一定差異,坡下土壤水分變化量高于坡上。

2)隨著放水流量的增加,輸沙率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),含沙量呈先增后減的趨勢(shì),含沙量與放水流量存在較好的冪函數(shù)關(guān)系:Ws=25.773Q1.1441,決定系數(shù)R2=0.884 7。隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng),含沙量、輸沙率均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

3)隨著放水流量的增加,徑流平均流速、雷諾數(shù)、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)逐漸增大,弗勞德數(shù)逐漸減小。徑流平均流速與放水流量、弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)之間均存在良好的冪函數(shù)關(guān)系,決定系數(shù) R2=0.999。坡面水流在放水流量變化范圍內(nèi)為層流、急流狀態(tài)。

以上結(jié)論是在下墊面為裸地的基礎(chǔ)上得到的,要得到更為一般性的研究結(jié)論,尚需開(kāi)展一系列不同下墊面條件下的相關(guān)試驗(yàn)研究。

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Scouring erosion experiment on bare slight slope in Ili River Basin

Ma Ping1,Song Fenghui2,Shi Yanjiang2,Wang Jian1,Zhu Shoujun1

(1.Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry,712100,Yangling,Shaanxi;2.Xinjiang Forest-Science Academy,830000,Urumqi:China)

Based on the scouring erosion experiment on bare slight slope in Ili River Basin,water infiltration and the characteristics of runoff and sediment were studied,and the hydraulic parameters characteristics of surface runoff were analyzed.The results showed:1)Soil infiltration rate took on the trend of increasing as the scouring water discharge increased;however,it had a trend of decreasing with the scouringwater amount increasing.A higher variation of soilwater had on the lower slope compared to the upper slope.2)The process of sediment discharge went up as the scouring water discharge increased,and the sediment concentration had a trend from high to low.The relation between the sediment concentration and the scouring water discharge presented a power function.W ith the scouring time continuing the sediment concentration and the sedimentdischarge both went down.3)The average flow velocity,the Reynolds number and the Darcy-Weisbach resistance coefficient increased as the scouring water discharge increased,the Froude number decreased as the scouring water discharge increased.The relation between the average flow velocity and the scouringwater discharge,the Froude number and the Reynolds number both p resented power functions.The water flow p resented a laminar,supercritical flow state.

bare slight slope;water scouring;soilwater;runoff and sediment;hydraulic parameters

2009-06-14

2009-11-20

項(xiàng)目名稱:國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“伊犁河谷水土流失綜合治理關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與示范”(2007BAC15B07)

馬萍(1985—),女,碩士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:ping.ma.nwsuaf@gmail.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:朱首軍(1965—),男,博士,副教授,碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持。E-mail:zhushoujun@nwsuaf.edu.cn

(責(zé)任編輯:程 云)