非恒定流细沟断面形态影响因素研究

任 涓，张宽地,2，杨明义

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨陵 712100)

0 引 言

黄土高原地区地表支离破碎、地貌形态千沟万壑，细沟侵蚀是黄土高原坡耕土壤侵蚀的主要方式之一，细沟侵蚀量占总侵蚀量的45.3%，占坡面侵蚀量的70%[1]。细沟发育过程复杂[2,3]，形态变化复杂多变[4,5]。细沟形态特征研究是认识细沟侵蚀机理的前提[6,7]。而目前关于细沟形态的研究主要集中在恒定水流条件下其与侵蚀因子的响应关系上。和继军等[8]在恒定降雨强度和坡度的组合试验中选用宽深比等指标表征杨凌塿土和安塞黄绵土的细沟侵蚀特征。不仅如此，在坡面侵蚀沟形成演化过程中，跌坑的形成是至关重要的一环，是细沟纵断面形态的一个宏观表现。已有的认识关于跌坑的形成机理大致分为2种：一是外在条件的差异性造成的，如土壤微地形差异及土壤空间抗侵蚀的差异等；二是水流动力机制形成，如水流波动等因素[9-12]。为了提供理论支撑，董旭等[13]采用下切型阶梯-深潭耗能理论探讨细沟水流跌坑的形态发育规律。由此可见，关于细沟形态的研究目前已取得较多成果，且研究多集中在恒定流量或恒定降雨强度条件下探究的，对于非恒定流量冲刷条件下的细沟横纵断面形态研究较为缺乏。

黄土高原地区的降雨特点主要以历时短的侵蚀性暴雨为主，加上该地区河流众多，天然河流中的水流条件是非恒定的，径流作为细沟侵蚀的源动力，又是细沟形态的“塑造者”[14,15]。因此，为了能够更加准确地模拟该地区径流的时空分布特征，本文拟采用室内放水冲刷试验，根据野外实际降雨情况、汇流面积及雨强特征，设计凹陷型、峰值型、均匀型、增加型4种流量组合类型，研究变流量组合冲刷条件下细沟形态演变过程，并应用相应形态特征指标描述坡面细沟形态，为构建坡面侵蚀预报模型，深化细沟侵蚀过程的机理研究，以及黄土地区坡耕地土壤侵蚀防治提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

本试验所用黄绵土取自中国科学院水利部水土保持研究所安塞水土保持综合试验站(109°19′23″E，36°51′30″N)。土壤颗粒组成：沙粒质量分数(>0.05 mm)占22.34%，粉粒质量分数(0.005～0.05 mm)占61.35%，黏粒质量分数(<0.005 mm)占16.31%，质地为粉质壤土。

1.2 试验设计

(1)装土前在试验土槽底部装填20 cm厚的细沙，细沙上层铺设土工布2层。土槽底部采用梅花形布置打孔，用于模拟天然土壤透水状况。填土采用分层装填的方法，每层10 cm，共30 cm，根据实际野外土壤状况，土壤平均干密度控制在1.09 g/cm3。

(2)试验小区设计为可调坡度钢制土槽，结构尺度长×宽×深=6.0 m×0.4 m×0.5 m，试验段有效长度为5.8 m。

(3)根据天然耕地坡度选取4°、6°、8°、10°、12° 5个坡度进行研究；根据野外实际降雨及径流情况，设计凹陷型、峰值型、均匀型、增加型4种降雨强度变化趋势(见图1)，分别对应4种径流冲刷流量变化趋势；流量变化分3级，相应的径流冲刷流量为2.5、5.0、7.5 L/min，每级流量放水冲刷20 min，定为一个阶段，共3个阶段(第1阶段、第2阶段、第3阶段)总计60 min；各组次试验条件下，细沟水流中的泥沙含量基本稳定时，即认为细沟发育较为成熟。例如，凹陷性流量组合类型为第1阶段放水流量为5.0 L/min，第2阶段放水流量为2.5 L/min，第3阶段放水流量为7. 5 L/min。土壤前期含水量为8.32%～12.54%，试验重复1次。

图1 试验设计Fig.1 Experimental design

(4)考虑到细沟流发育迅速，流道左右摆动，过水断面极不规则，因此为促使细沟有规律地发育，可在试验进行前在土槽中部构造一个纵剖面为等腰梯形的细沟雏形，底宽为8 cm，顶宽为10 cm，深度为2 cm(见图2)，引导细沟发育。

图2 细沟雏形Fig.2 Rill shape

(5)开始进行不同流量变化趋势和坡度组合冲刷试验，共20场，每场试验每隔10 min停止放水，沿试验小区土槽下部设置观测断面5个，分别为0+0.5 m、0+1.5 m、0+2.5 m、0+3.5 m、0+4.5 m。通过测针架测量细沟横断面变化(见图3)，坡面侵蚀剧烈的部位进行加测。并测量跌坑长度(土槽边沿铺设精度为mm的米尺)以及跌坑深度(量测跌坑最大深度和上游结皮段高度之差)。

图3 测针架测量横断面Fig. 3 Cross section of a stylus holder

2 分析与讨论

2.1 各流量组合类型下细沟横断面形态指标变化规律

细沟宽深比和断面形态指数是表征细沟形态特征的关键参数，其变化特征反映了水流强度对细沟底部和边壁土壤冲刷的塑造能力。沈海鸥等[16]通过研究降雨与坡度的组合试验，得到细沟宽深比为1.93～2.35，且随着降雨强度和坡度的增大而减小。张科利等[17]用断面面积与等宽等深的矩形面积之比η来表征细沟断面形态。η值越接近1，细沟断面形状越接近矩形；η值越接近0.5，横断面形状越近似于等宽同高的“V 形三角形”；η值越接近0，横断面形态越接近“深V形”。为分析细沟横断面形态变化规律，本试验列出各流量类型下细沟宽深比与细沟断面形态指数随坡度的变化关系，具体见表1。

细沟宽深比能够反映细沟沟槽形状的变化，宽深比值越大，细沟横断面形态越接近“宽浅型”，宽深比值越小，细沟横断面形态越接近“窄深型”[18]。由表1可知，各流量组合类型下细沟宽深比为1.97～5.32，且同一流量组合类型情况下，随坡度的增加呈减小的趋势；同一坡度下，流量类型对其无明显影响。这表明随着坡度增加细沟横断面形状由“宽浅式”向“窄深式”调整转变，究其原因主要为坡度越大，单位水流势能越大，水流流速越大，单位水流携带泥沙颗粒能力越强，水流势必会逐步下切侵蚀土壤，宏观上表现为细沟断面由“宽浅型”向“窄深型”变化。以峰值型流量类型为例，细沟宽深比随着坡度的增加，其值由5.32逐步减少为2.31，由此可见，细沟断面形态逐步向“窄深型”变化。

表1 各流量组合类型下的细沟横断面宽深比与断面形态指数Tab.1 Cross-sectional width-depth ratio and cross-sectional morphology coefficient under each flow combination type

本试验条件下，细沟断面形态指数η为0.29～0.54，根据细沟横断面形态变化可以将断面形态指数η分为4个区间段：在0.25～0.35区间，细沟断面形态接近“深V形”；在0.35～0.40区间，细沟横断面的“V形”内壁向外凸，形态上表现为沟壁随深度向内侧下切；在0.40～0.50区间，细沟横断面接近“U形三角形”；在0.50～0.55区间，横断面形态表现为“倒梯形”。在坡度为4°和6°时，4种流量组合类型下细沟断面形态指数η值均为0.40～0.55，这表明坡度较小时，细沟断面形态主要表现为“U形三角形”和“倒梯形”，表明坡度较小时，水流流速较低，土体稳定性较好，水流下切侵蚀能力较弱，宏观上细沟断面形态表现为“宽浅型”。

2.2 各流量组合类型下细沟横断面形态随坡度变化

坡度是细沟侵蚀研究中不可忽视的重要因素。总体来说，增加坡度能够加剧细沟侵蚀，增加细沟深度，从而导致细沟宽深比减小[19-23]。为研究细沟断面形态随坡度的变化关系，图4绘出不同流量组合类型下细沟横断面形态随坡度的变化轮廓图。由图4可见，横断面轮廓呈现出不同几何形态，主要包括：“深V形”、“倒梯形”、“U形三角形”等。增加型和峰值型断面形态以 “U形三角形”为主；均匀型断面形态以“V形”内壁外凸为主；凹陷型断面形态以“深V形”为主。且各流量组合类型下，随着坡度增加，细沟横断面也随之加深或拓宽，且发展随机性愈加不规则。原因在于坡度增大时径流的位能较大，细沟水流的紊动性增强，沟床在径流的作用下通过加宽加深增大与水流接触面积，调整塑造细沟断面形态消杀水流能量，从而使自身发育稳定，水流输沙趋于动态稳定。细沟横断面的加深与拓宽，使得土壤坡面千沟万壑，植被遭到破坏，对水土保持极为不利。

2.3 各流量组合类型下细沟纵断面形态指标研究

试验过程中，细沟内会形成一系列近似等间距的跌坑，消杀能量。为了更好地描述细沟纵断面方向上跌坑的发育程度，借鉴阶梯-深谭理论研究，引入跌坑发育系数SP，其定义为河床形态稳定后, 其轮廓外沿的曲线长度与河段首尾连线的直线长度的比值[24-26]。表2为不同流量组合类型及坡度下跌坑发育系数SP值。

图4 各流量组合类型下细沟横断面形态随坡度的变化Fig.4 Change of rill cross-sectional shape with slope under each flow combination type

表2 各流量组合类型下跌坑发育系数SP值Tab.2 Each flow combination type of drop pit development coefficient SP

由表2可知，各流量组合类型下的跌坑发育系数SP值均比较接近，SP为1.014～1.10，且根据试验观察发现各组次细沟河床都发育有连续的跌坑、结皮段。这与徐江等研究当水槽河床中有连续的阶梯-深潭段发育时SP≥1.1有所差异。为了能够更加直观地反映跌坑发育系数SP随坡度的变化规律，点绘出SP随坡度变化的关系(见图5)。

图5 跌坑发育系数SP随坡度的关系Fig.5 Relationship between drop pit development coefficient and slope

由图5分析可知，均匀型的跌坑发育系数SP随坡度的增加呈增加趋势，这与董旭等的研究结果一致。这说明随着坡度的增加，为保持河床稳定，需要更多的跌坑、结皮系列消耗水流能量，故跌坑发育得更加显著[13]。且在各个坡度下，峰值型的跌坑发育系数SP值均最大，与均匀型相比，峰值型这种非恒定水流条件下阶梯-深潭更容易形成[25]。值得一提的是，在坡度为12°时，4种流量组合类型的点距明显比较分散，说明大坡度下，流量对跌坑发育的效应就会容易凸显出来，究其原因是坡度较大时，跌坑发育愈加显著，受到水流强度与细沟断面形态的互相影响，流量对跌坑的影响作用就会逐渐表现出来。

3 结 论

细沟横断面形态是细沟水流与细沟壁土壤冲刷塑造的结果，径流侵蚀造就了不同的断面形态。基于恒定流量或降雨条件下细沟形态结构发育理论讨论了非恒定流量放水冲刷条件下细沟横纵断面形态的发育规律，并对细沟形态演变的影响因素进行分析。

(1)各流量组合类型下细沟宽深比位于1.97～5.32之间，且同一流量组合类型情况下，随坡度的增加呈减小的趋势；细沟断面形态指数η在0.29～0.54之间，且坡度较小时，细沟断面形态主要表现为“V形三角形”和“倒梯形”。随着坡度增加细沟横断面形状由“宽浅式”向“窄深式”的调整转变过程，而流量变化对其影响无明显规律。

(2)各流量组合类型下，随着坡度增加，细沟横断面也随之加深或拓宽，且发展随机性大愈加不规则。增加型和峰值型的细沟横断面形态主要以“U形三角形”为主；均匀型的细沟横断面形态主要以“V形”内壁外凸为主；凹陷型的细沟横断面形态主要以“深V形”为主。

(3)跌坑发育系数随坡度的增加而增加；各个坡度下，峰值型的跌坑发育系数SP值均最大，这种非恒定水流条件下阶梯-深潭更容易形成。

本文试验研究了4种不同流量类型下的细沟断面形态影响因素，试验结果适用于黄土高原受季风气候的影响，降水年内分配不均的水文特征区域。