雨洪综合作用下细沟断面沿程冲刷及溯源侵蚀特征试验分析

胡晓松

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

受降雨侵蚀和洪水冲刷作用，许多水土流失区产生较为明显的细沟断面，细沟断面是水土流失区水沙运行的主要方式[1]。通过对细沟断面形态及侵蚀特征进行分析，利于有针对性的制定相应治理和保护措施[2]。有学者采用试验方式[3- 6]，对细沟断面形态与流量及降水之间变化关系进行分析，确定其呈现指数变化，并定量化其指数关系。但由于指数存在明显的地域差异性，无通用性。虽然对细沟断面变化取得一定研究成果[7- 13]，但对细沟断面整体沿程冲刷以及溯源侵蚀特征变化的研究还较少，尤其在辽宁地区还未得到相关应用，而辽宁尤其是西部地区，属于全国水土流失治理的典型示范区，辽西为山丘型地貌，受到降雨和洪水冲刷，较易产生细沟断面。为此本文以辽宁为研究实例，针对水土保持区细沟断面，采用试验方式，对细沟断面整体沿程冲刷以及溯源侵蚀特征的整体变化特征进行分析，研究成果对于辽宁地区细沟断面侵蚀及生态修复具有参考价值。

1 试验方法

1.1 试验设计

本文采用室外试验方式，选取辽宁西部某水土流失区作为研究区域，区域细沟断面形态如图1所示。考虑到坡度对细沟断面侵蚀形态特征的影响，分别选取4种试验坡度，各试验坡度分别为5°、10°、15°、20°，由于试验区降雨较少，因此结合人工降雨的方式，进行野外观测试验，设计4种降雨强度，四种降雨强度分别为5、10、15、20L/min。为满足细沟汇水总有，在各细沟断面安置一条15m长度的汇水坡面，坡面土槽的宽度设置为2m，分别设计不同坡度及雨强下4组降雨径流试验，取各组试验条件下的平均值，各组试验持续的时间长度为1h。

图1 试验细沟断面

1.2 试验方案

试验前，对试验细沟断面的杂草及较大的石块进行清除，并在各试验断面铺设天然细砂。为保障沿程冲刷效果，进行土层的回填，每次试验回填土层的厚度为60cm，并结合试验断面土质参数，见表1，将回填土层的干容重控制在1.30g/cm3，试验前对降雨强度及径流量进行检验。当试验降雨强度大于80%时，测定的降雨强度与试验要求的降雨强度的差值小于10%时可进行重复的降雨径流试验。在细沟断面沿程设置5个监测断面，各断面坡长0.2、0.4、0.6、1.0、1.5m，利用钢尺对各试验细沟断面进行沟宽及沟深的测定。在各试验断面进口铺设天然细砂并结合石块对其进水口的水流进行消能处理。

表1 试验细沟断面土质参数

1.3 试验断面形态差异程度分析

每组试验后，对各监测断面不同雨洪综合作用下的细沟宽度、深度以及宽深比进行形态差异性的分析，并对各形态指数进行拟合方程的分析，确定其各形态拟合方程，通过指数变化分析细沟断面的形态变化，各形态指数的拟合计算方程分别为：

B=aQbSc

(1)

H=dQeSf

(2)

B/H=gQhSj

(3)

式中，B—细沟断面的宽度，m；H—细沟断面冲刷深度，m；B/H—细沟断面宽深比；Q—冲刷流量，cm3/s；a、b、c、d、e、f、g、h、j—方程的拟合指数。

在这些指数中，b、e、h指数越大，表明其径流对细沟断面形态影响程度越高，c、f、j越大，则表明坡度对细沟断面形态影响程度越大。

2 试验结果分析

2.1 沟宽沿程断面形态特征试验结果

结合各组试验，对不同坡度及雨洪综合条件下的沟宽沿程断面的形态特征进行试验分析，分析结果如图2所示。

由试验结果可看出，在不同坡度条件下，各雨洪综合作用使细沟断面沿程宽度变化具有较为明显的规律性，即随着坡长的增加，呈现先减后增的变化趋势，曲线上下部的间距要大于中部的间距，且基本在坡长为1.0m左右出现转折变化，随着坡度和雨洪强度的增加，其沟宽也呈现较为明显的变化趋势，沟宽变化与坡度及雨洪强度具有较好的相关性。沟宽变化最小的区域主要位于细沟断面的中部位置，距离坡度的长度在0.5m左右。随着坡度的增加，沟宽后期变化逐步稳定，主要体现在沿程冲刷和溯源侵蚀的力度逐步减小。

图2 不同雨洪条件下各坡度沟宽沿程形态分布结果

图3 不同雨洪条件下各坡度沟深沿程形态分布结果

2.2 沟深沿程断面形态特征试验结果

结合各组试验，对不同坡度及雨洪综合条件下的沟深沿程断面的形态特征进行试验分析，分析结果如图3所示。

由试验结果可看出，不同坡度和雨洪强度条件下，各沟宽深度随着坡长的增加，呈现总体递减变化的规律，从上到下，细沟被冲刷的深度有所减小，但是存在一定的溯源侵蚀特征变化，溯源侵蚀主要集中在坡长为2.0～2.5m之间，随着坡度及雨洪强度的增加，沟深呈现明显的递增变化。当坡度为10°和15°时，雨洪强度分别达到10、15L/min时，沟深沿程变化逐步趋于平稳变化，这主要是因为在一定的坡度和雨洪条件下，细沟沿程冲刷的效应有所减弱，使得其各细沟断面的沟深出现平稳变化。

2.3 宽深比沿程断面形态特征试验结果

结合各组试验，对不同坡度及雨洪综合条件下的宽深比沿程断面的形态特征进行试验分析，分析结果如图4所示。

从宽深比沿程试验分析结果可看出，随着坡度和雨洪强度的增加，细沟试验断面下的宽深比呈现先递减后递增再逐步趋于稳定的变化，且不同坡度条件均存在一定的规律性变化。当坡长在1.0～1.5m之间时，宽深比达到最低点，从宽深比变化初期可看出，坡长在0～0.5m时，其宽深比变化较为明显，这主要是因为在雨洪作用初期，细沟断面的沿程冲刷和溯源侵蚀的力度较大，使得其宽深变化较为显著。而随着坡长的增加，细沟断面消能作用加大，使得其程冲刷和溯源侵蚀的力度有所减少，因此其宽深比变幅逐步减小。当坡长增加到1.5m后，逐步趋于稳定变化。

2.4 细沟断面形态指数拟合结果

结合以上试验结果，对不同坡度及雨洪综合条件下断面的形态指数进行拟合分析，分析结果如图5所示。

从各指数的拟合方程可看出，其拟合系数均在0.45以上，具有较好的相关性，表明试验结果达到试验目标。从沟宽指数B和C的拟合方程可看出，当坡长较低是其拟合效果更佳，表明在坡长较低的区域，细沟断面宽度与流量和坡度的相关性较好，而随着坡长的减少，拟合关系有所减弱，这主要是因为随着坡长的增加，细沟断面与流量和坡度的相关性有所减低。而对于沟深指数而言，由于沿程沟深测量较多，使得其拟合散点较沟宽指数要多，但拟合效果低于沟宽指数。从其拟合效果可看出，和沟宽拟合较为相似，底部拟合效果好于顶部的拟合效果，随着坡长的增加，其拟合效果影响因素增多，使得其沟深与流量及坡度的变化有所减缓，降低拟合效果。宽深比指数的拟合变化和沟深及沟宽变化较为类似，但总体拟合效果不如沟深和沟宽的变化，其宽深比指数随着坡长的增加，呈现递增变化，这主要是因为随着坡度和雨洪强度的增加，底部径流快速的流向坡地，并在坡度进行集聚，随着细沟断面宽深比指数的增加，其土层的侵蚀率有所递增，水流沿程冲刷和溯源侵蚀的能力逐步加强，使得细沟下切现象明显，宽深比指数逐步加大。

图4 不同雨洪条件下各坡度宽深比沿程形态分布结果

图5 细沟试验断面各形态指数沿程拟合结果

3 结论

(1)通过试验结果可以在细沟侵蚀区域，坡长为0.5～1.5m的汇水区域范围内沿程布设截排水设施，可有效降低较强股流沿程冲刷及溯源侵蚀。

(2)沿程冲刷及溯源侵蚀在空间上存在一定叠加效应，这种效应是造成沟蚀断面差异特征的主因，因此在沟蚀治理过程中应尽量降低作用强度逆坡长。

(3)细沟上方和下方是冲刷和侵蚀效应最强的区域，因此应注重这两个区域的沟蚀治理，可设置相应的引水设施，降低侵蚀和冲刷量。

由于人工降雨试验强度不能完全达到天然暴雨强度，在以后的研究中还应结合大量级暴雨场次野外观测数据，增加大雨量级下的试验分析数据。