龍藝 張安田
摘要:四川省是長江上游水土流失的策源地,也是長江流域主要泥沙來源區(qū),而且該地區(qū)降水集中、坡耕地多,坡面能量匯聚過程是產(chǎn)生水土流失的主要成因。為了治理坡耕地的土壤侵蝕并合理配置植物措施,依據(jù)四川省植被及土壤侵蝕分布情況,設(shè)計多組坡面覆蓋條件,研究了水流在不同黑麥草覆蓋密度下流動時的坡面水流能量、能耗及動能變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明:卵石覆蓋坡面水流能量大于植被與卵石耦合坡面,且坡面植被密度為中等時水流能量最小,阻水效果最好。坡面流量較小時,坡面上部為卵石坡面的水流能耗較大,下部則是植被與卵石耦合坡面能耗大;流量較大時,能耗變化規(guī)律與小流量時相反。
關(guān)鍵詞:坡面流;能量能耗;植被密度;黑麥草覆蓋密度;水土流失;四川省
中圖法分類號:S157.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.011
文章編號:1006 - 0081(2021)06 - 0053 - 06
1 研究背景
長江上游地形高差大,河流切割強(qiáng)烈,陡坡開墾利用強(qiáng)度大,坡耕地面積占全國耕地總面積的32.85%,占長江流域坡耕地面積的77.49%。長江上游坡耕地主要集中在金沙江中下游、嘉陵江流域及川中丘陵區(qū),這些區(qū)域坡度陡,降雨強(qiáng)度大且集中,是四川省水土流失的策源地和泥沙主要來源區(qū)。據(jù)調(diào)查,四川省每年水土流失量達(dá)3.8億t,僅次于我國北方黃土區(qū)。因此,在長江上游地區(qū)開展坡耕地治理具有重要意義。
為了有效減緩徑流沖刷力,改變徑流切應(yīng)力,需研究坡面流水力學(xué)特性,從而有效配置相應(yīng)措施,以改善生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。目前,在長江上游開展了大量坡耕地治理及生態(tài)修復(fù)工程。對于大面積的生態(tài)環(huán)境改善工程,均采用植物措施以減緩坡面徑流、增加土壤抗蝕性和改善生態(tài)環(huán)境。
多年生黑麥草根系發(fā)達(dá),入土較淺,直立生長一般不發(fā)叉,發(fā)芽并發(fā)揮護(hù)坡作用的時間要快于其他草種,能夠在-30 ℃的低溫條件下安全過冬。同時,黑麥草施工速度快,可迅速形成覆蓋層穩(wěn)定土壤,地面覆蓋程度較大,水土保持性能強(qiáng),被廣泛應(yīng)用于道路護(hù)坡綠化。此外,黑麥草屬優(yōu)質(zhì)牧草,尤其在川中及川北低山區(qū)域較為常見,可在丘陵地區(qū)坡耕地搭配小麥等種植或在牧區(qū)單獨(dú)種植,在環(huán)境保護(hù)與生態(tài)農(nóng)業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。
為了揭示植被對坡面流的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化規(guī)律,本研究以川中及川北低山丘陵區(qū)較為常見的黑麥草作為試驗草種,研究植被覆蓋下坡面流水力特性及能量變化。
2 試驗裝置及試驗方法
2.1 試驗設(shè)置
本試驗在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)試驗室進(jìn)行,試驗設(shè)備包括有機(jī)玻璃水槽、水箱以及放水設(shè)備。水槽長6.0 m,寬0.5 m,深0.1 m,試驗段長2.0 m。
研究無植被卵石坡面、不同密度植被與卵石耦合坡面對水流能量耗散和水流結(jié)構(gòu)的影響。在5°坡度下設(shè)置4組密度試驗,根據(jù)前期對自然狀態(tài)下植被的調(diào)查結(jié)果,分別用38,68株/m2和82株/m2這3種密度代表自然界坡面植被稀疏、中等、密集3種密度狀態(tài);無植被卵石坡面為對照。試驗工況設(shè)置見表1。
試驗采用有機(jī)玻璃水槽,槽中鋪設(shè)自然狀態(tài)下土壤并種植3種不同密度植被,整個試驗過程水深不淹沒草被,草被按柔性植被考慮。為了模擬天然下墊面的阻力情況,水槽底部覆蓋厚5 cm的自然土壤,土壤表面壓實,采用粒徑小于1.5 cm的卵石壓蓋。通過移栽的方式種植黑麥草,密度1為種植82株/m2,密度2為68株/m2,密度3為38株/m2。采用品字型布置方式,沿坡長方向兩排植被中心距為12.5 cm,橫向布置如圖1所示。同時,設(shè)置一組無植被覆蓋坡面對照。草被長勢良好,草高為20 cm左右。
通過總結(jié)分析國內(nèi)對于坡面流的研究,發(fā)現(xiàn)坡面流研究流量基本為0.06~5.00 L/s,結(jié)合每小時降雨強(qiáng)度的劃分,本文研究流量范圍確定為0~2.5 L/s,分為0.5,1.0,1.5,2.0 L/s和2.5 L/s這5個梯度,分別代表自然情況下小雨到中雨降雨情況下坡面匯流流量。最大流量采用2.5 L/s,相當(dāng)于土壤入滲飽和時,實際雨強(qiáng)為中雨產(chǎn)生的地表徑流。試驗結(jié)果表明,流量在2.5 L/s時已有部分植被傾覆于水中,3個密度的植被對水流作用差異變小,若流量繼續(xù)增大,植被將全部傾覆于水中,不同密度植被對水流阻力可能差異不大,所以,不再進(jìn)行增大流量研究。
利用放水設(shè)備通過進(jìn)水管道閘門調(diào)節(jié)流量,水箱出水處裝有卵石以使水流均勻流下,水箱中水位不變,水流為恒定流,如圖2所示。
2.2 試驗方法
試驗開始時打開閥門,先放小流量,讓水流流入水槽。待坡面土壤飽和后,按設(shè)計流量放水,待坡面產(chǎn)流穩(wěn)定開始測量。流量、流速及水深等水力學(xué)要素共測4次后取平均值。
(1)流速測量。采用滴定管染料滴入水流測量表面流速,記錄有色試劑出入試驗段坡面的時間以計算流速。為了避免坡面橫向傾斜帶來誤差,在橫斷面左、中、右分別測量。為了避免槽壁面對流速測定的影響,左、右測點(diǎn)距離槽壁為10 cm。
(2)流量測量。采用稱重法測徑流流量,每次測量時調(diào)節(jié)閥門后,待水流流過整個坡面且穩(wěn)定后,在水槽出水口采用集流桶收集水流,同時記錄收集時間。對收集水流稱重并計算得到徑流流量。
(3)水深測量。測量沿程各斷面水深,每個斷面測量左、中、右3次并取平均,利用鋼尺測量讀數(shù)(可精確到0.5 mm)。水深測點(diǎn)布置于坡長為17,36,55,74,93,112,131,150,169 cm和188 cm的10個斷面。
3 試驗結(jié)果分析
本文采用李占斌等[1]提出的坡面流能量守恒定律研究坡面徑流能量問題,基于能量的分布特性分析植被與水流的關(guān)系。
將試驗段坡面水流出口所在平面設(shè)為基準(zhǔn)面,設(shè)水槽寬度為b,坡度為i,坡面任意一斷面到坡頂?shù)木嚯x為x,該斷面相對于基準(zhǔn)面坡面水流總能E:
式中:L為試驗段坡長,m;g為重力加速度,m/s2;ρ為水流密度,kg/m3;[qx]為斷面流量,m3/s;u為流速,m/s;x為斷面距坡頂坡長,m。
坡面徑流從上一斷面[E上]到下一斷面[E下]的能量耗損[E損]為
根據(jù)試驗實測資料,可計算得到整個試驗過程中不同斷面徑流能量以及相鄰斷面水流運(yùn)動消耗總能量。
3.1 不同密度對總能量的影響
圖3為4個方案坡面斷面能量隨坡長、流量的變化圖。
如圖3(a)可看出,當(dāng)流量較?。≦=0.5 L/s)時,水流在不同植被密度作用下能量差異不明顯,說明在小流量坡面流開始發(fā)展階段,水深較小,坡面不平整度起主要影響作用,能量受密度影響較小。
由圖3(b),(c),(d)可看出,隨著流量增大,不同方案曲線間距增大,表明植被密度引起的水流能量差異逐漸體現(xiàn)。但隨著流量增大,不同種植密度下坡面能量并不隨密度增加而減小,能量體現(xiàn)為E方案2
通過分析上述試驗結(jié)果可知,由于試驗中植被的存在,坡面過水?dāng)嗝鏈p少,植被阻礙水流產(chǎn)生壅水。而且,植被為叢狀,當(dāng)植被密度小時壅水水深較淺,植被貼近地面部分剛度較大,莖葉密集且透水性差,水流流經(jīng)時多體現(xiàn)為剛性植被特性,即繞流。植被密度大時壅水水深較深,莖葉開散且莖葉間存在縫隙,剛度減小。由于水流總是沿著能量損失較小的方向流動,當(dāng)表面水流流經(jīng)植被時,從植被莖葉間穿過而不是繞流,縮短了水流流動路徑,減小了與坡面、植被的摩擦,體現(xiàn)出柔性植被阻流特性。因此,密度大的植被(方案1)能量大于密度較小的植被(方案2)能量。當(dāng)植被密度不足以將水深增至植被莖葉開散處時,水流阻力隨植被密度增大而增大,基本體現(xiàn)剛性植被繞流特性(方案3)。
3.2 不同密度下能量損失
圖4為不同方案能量損失沿程損失規(guī)律。對比卵石坡面和植被與卵石耦合坡面(圖4(a)(b)),當(dāng)流量為0.5 L/s且坡長小于100 cm以及流量為1.0 L/s坡長小于約70 cm時,方案4能耗值略大于其他方案。由圖4(c)可知,流量為1.5 L/s時,方案2植被阻滯作用體現(xiàn),水流能耗最大;但坡長小于50 cm時,方案4能耗依舊大于方案1與方案3。這表明,坡面流量小時,坡面上部卵石面水流能耗較大,下部則植被與卵石耦合面能耗較大,而且流量越大,方案4能耗損失大于其他方案的坡長范圍越小。由圖4(d)可知,當(dāng)流量為2.0 L/s時,耦合坡面水流能量損失均大于卵石坡面。由圖4(e)可知,當(dāng)流量增大到2.5 L/s時,與小流量相比,能耗變化呈現(xiàn)相反規(guī)律,上部植被與卵石耦合坡面能耗大,而下部則卵石坡面能耗大。
通過試驗分析可知,由于水流剛流入坡面時水深較淺,卵石作用明顯,植被作用難以體現(xiàn)。隨坡長增大,水深增加則植被作用逐漸體現(xiàn),耦合坡面水流能耗變大。
3.3 不同密度下水流動能沿程變化
不同密度植被覆蓋下坡面流動能沿坡長的變化見圖5。
如圖5(a)所示,流量為0.5 L/s時,方案4動能最小;如圖5(b)~(d)所示,流量大于0.5 L/s時,方案4動能最大。因此,流量較小時,卵石坡面對水流阻礙作用明顯。流量增大時,水深增大則水流逐漸受植被與坡面的共同影響,在植被段水流流動受到葉片阻礙及摩擦,在植被段動能耗散較大,因此動能小于卵石坡面。
不同密度的植被與卵石耦合坡面比較發(fā)現(xiàn):E方案2< E方案1< E方案3,中等種植密度坡面水流動能最小。當(dāng)流量為2.5 L/s時,無植被或植被密度較小的坡面與植被密度大的坡面比較,坡面末端水流動能變化較小,同時,在植被密度較大情況下,水流流速減小更快。
4結(jié)論與建議
4.1 結(jié) 論
(1)試驗結(jié)果表明:卵石坡面水流能量大于植被與卵石耦合坡面,坡面有植被且密度為中等時,水流能量最小,即阻水效果最好。
(2)在試驗流量范圍內(nèi),當(dāng)坡面徑流量較?。?.5 L/s)時,坡面上部卵石水流能耗比植被與卵石耦合坡面大,下部則植被與卵石耦合坡面能耗大;當(dāng)流量為2.0 L/s時,耦合坡面水流能量損失均大于卵石坡面。當(dāng)流量增大到2.5 L/s時,能耗變化規(guī)律呈現(xiàn)相反規(guī)律,上部植被與卵石耦合坡面能耗大,下部卵石坡面能耗大。
(3)當(dāng)流量較小時,卵石坡面動能小于植被與卵石耦合坡面;當(dāng)流量較大時,卵石坡面動能大于植被與卵石耦合坡面。有植被覆蓋的坡面下部,中等種植密度下坡面水流動能最小。
4.2 建 議
(1)本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M坡面流情況,坡面鋪設(shè)卵石與實際天然坡面有一定出入,移栽后植被生長情況也發(fā)生一定變化,因此得到結(jié)果與實際情況可能有不同,建議以后試驗可采取野外進(jìn)行,利用真實坡面試驗,使結(jié)果更具實際指導(dǎo)價值。
(2)由于時間原因,對坡面植被密度進(jìn)行了概化,未能完全對足夠多的種植密度進(jìn)行研究。經(jīng)分析得出,植被一定密度時可使水深達(dá)到擾流與穿流的臨界點(diǎn),此時阻水效果最好,但未得出具體密度值,仍需進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn):
[1] 李占斌,魯克新,丁文峰.? 黃土坡面土壤侵蝕動力過程試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報,2002(2):5-7,49.
(編輯:李 慧)