伊犁河流域裸露缓坡地放水试验研究

马萍,宋锋惠,史彦江,王健,朱首军†

(1.西北农林科技大学资环学院,712100,陕西杨凌;2.新疆林业科学研究院治沙所,830000,乌鲁木齐)

伊犁河流域裸露缓坡地放水试验研究

马萍1,宋锋惠2,史彦江2,王健1,朱首军1†

(1.西北农林科技大学资环学院,712100,陕西杨凌;2.新疆林业科学研究院治沙所,830000,乌鲁木齐)

通过野外径流小区实地放水冲刷试验,研究伊犁河流域裸露缓坡地在不同放水条件下土壤水分变化、径流泥沙特征,并运用水力学理论分析坡面径流水力学参数特征。结果表明:1)土壤入渗率随着放水流量的增加呈现递增的趋势,随着放水量的增加,土壤表层含水量增大,入渗率随之减少,坡下部土壤水分变化量高于坡上;2)随着放水流量的增加,输沙率呈现递增的趋势,含沙量呈先增后减的趋势,含沙量与放水流量存在较好的幂函数关系,随着冲刷时间的延长,含沙量、输沙率均呈现递减的趋势;3)随着放水流量的增加,径流平均流速、雷诺数、Darcy-Weisbach阻力系数逐渐增大,弗劳德数逐渐减小,流速与流量、弗劳德数与雷诺数均呈良好的幂函数关系,水流为层流、急流状态。

裸露缓坡地;放水冲刷;土壤水分;径流泥沙;水力学参数

伊犁河流域的水土资源十分丰富,是全疆最具 有开发潜力的区域,在新疆经济发展和西部大开发中居于重要的战略地位[1];但流域内由于人为不合理的灌溉方式造成严重的水土流失,尤其是流域内的新垦区,土层厚薄不均匀,自然坡降较大,若延续采用传统的灌溉方式,势必会在水土开发中产生水土流失问题[2]。

土壤侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程[3],径流和土壤是水土流失的 2个基本因子[4]。据多年研究[5-6],坡面径流是造成水土流失的主导因子,同时坡面径流的冲刷力是土壤侵蚀的主要动力。对坡面径流水力学特性的研究一直受到国内外学者的普遍重视,并取得了一些研究成果[7-13]。由于坡面径流水力学特性的复杂性和试验技术的限制,对其理论分析、野外观测和试验研究都存在一定困难,在没有成熟坡面径流理论的情况下,仍在借鉴水力学、河流动力学的原理和方法[14-18]。探索坡面径流水力学特性有助于从动力学角度认识坡面水蚀过程及机制,也为坡面水蚀过程物理模型的建立奠定基础,具有重要的理论和实践意义。

对伊犁河流域水土流失的现状调查显示,除突发性暴雨型和融雪型水土流失外,伊犁河流域最普遍、最重要的水土流失来源于该区不合理的灌溉方式——大水漫灌所造成的水土流失;因此,通过野外径流小区实地放水冲刷试验,深入研究不同放水量、不同放水流量条件下土壤水分变化、径流泥沙特征及坡面径流水力学特性,从而揭示该区坡面流侵蚀动力机制,为伊犁河流域新垦区水土资源开发提供理论支撑和实践指导。

1 试验设计与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆伊犁哈萨克自治州林业科学研究所科技示范基地,地理坐标为 E 80°31′～81°43′、N 43°17′～43°57′,海拔约 690m,属于山前洪积 -冲积倾斜平原。气候属大陆性北温带温和干旱气侯,具有热量丰富、光照充足、四季分明、夏季炎热、冬季寒冷,昼夜温差较大等特点。年降水量 150～250mm,年平均气温7.9℃,野生植被以蒿类多年生荒漠植物为主。

伊犁河流域的农业耕作土地大多为近年来大面积新开垦的土地,土壤为灰钙土,密度为 1.29 g/cm3,有机质质量分数为 2.37%,土壤 pH值为8.02,含盐量 1.18%。按照当地农耕地实际情况,径流小区布设的坡向、坡度与当地农业耕作土地一致,坡长依实际坡面长度而定。根据坡面实际面积布设 9个试验小区,每个小区面积均 42m2(21m×2m),南北坡向,坡度 2°。小区内无杂草,为裸地小区。

试验装置由供水系统、试验冲刷区、集流系统组成。坡面上方的供水系统由容积为 9m3的水箱、流量调节阀门和出水管等几部分组成。试验开始时用水泵将水抽到水箱里,水箱设有溢流孔,使水箱水位水压恒定,从而保证流量稳定。流量按照试验设计流量通过阀门进行调节,水箱里的水通过出水管供给坡面稳流槽,稳定后的水流流入试验冲刷区,小区下方设有集流桶,用来收集径流泥沙。试验装置如图 1所示。

图 1 试验装置示意图Fig.1 Experiment system mode

本试验模拟当地农业灌溉制度,设计 2.25、3.38、4.50m33个放水量,0.45、1.26和 1.80 L/s 3个放水流量,重复 2次,共进行 18组试验。放水试验前用喷壶对小区进行均匀洒水,使各小区放水前期土壤含水量(质量含水量)基本一致,均为 15%。每次试验前都对表土进行翻耕,使地表平整,放水后将坡面冲刷出的细沟用耙子耙平,保持各次试验地表状况一致。

1.2 测定内容及方法

1.2.1 土壤含水量 放水试验前后,在小区坡面上、中、下各设 3个断面,在每个断面上分别取 3个水分观测点,取其平均值作为该断面土壤含水量。用土钻取土,取土深度为 0～20 cm,采用烘干法测定,取土后将取土坑填平。

1.2.2 坡面径流流速 待坡面产流稳定后,用染色法测定坡面径流流速。将坡面从坡顶至坡底每隔 5 m用红油漆在小区左右侧围梗处做标记,待坡面产流稳定后,用染色法分别测定 0～5、5～10、10～15、15～20m各断面的径流流速,最后取平均值作为小区全坡面的流速。考虑到用染色法测定的径流流速为坡面优势流流速,实测流速乘以修正系数 0.75作为坡面水流的平均流速[19]。

1.2.3 径流泥沙 放水结束后将集流桶中收集的浑水充分搅匀,立即采取水样 1 000m L,在室内经静置,过滤之后,采用烘干法测定水样中的泥沙含量,采用体积法确定泥水总量。

1.3 数据处理与计算方法

根据水分平衡公式可知,放水量为径流量、入渗量与蒸发量之和,由于水分蒸发量与径流量和入渗量相比很小,故忽略水分蒸发量。土壤入渗率 i为单位时间单位面积上土壤水分下渗量,单位为 mm/min,由上述分析可知,土壤入渗率

式中:W为放水量,m3;R为径流量,m3;S为小区面积,m2;t为放水时间,min;1000为单位换算系数。

径流深 h是反映水力学特征的重要因子。由于坡面水流水层极薄,且土壤下垫面条件不断发生变化,采用实测法难以准确测定;因此,假定水流沿坡面均匀分布,用下式[20]计算。

式中:q为单宽流量,m3/(m◦min);v为断面平均流速,m/min;B为过水断面宽度,m。

雷诺数Re是水流型态的重要判据,其计算公式为

式中:νm为含沙水流的运动黏滞系数,m2/s;由于本试验区含沙水流运动黏滞系数尚无研究,若按清水进行计算势必会产生大的误差,故此处借鉴沙玉清[21]公式进行计算。

式中:ν0为同温清水的运动黏滞系数,ν0=1.0×10-6m2/s;Sv为体积含沙率,%;d50为土壤中值粒径,mm,取 0.075 mm,数据来源于试验地察布查尔县土壤调查。

弗劳德数 Fr作为判别明渠水流流态的标准,其公式为

式中 g为重力加速度,m/s2。

Darcy-Weisbach阻力系数 f主要由颗粒阻力、形态阻力、波阻力和降雨阻力 4部分组成,最终反映坡面薄层水流受阻情况。

式中:J为水流坡降,可近似取为 sinθ,θ为小区坡度。

2 结果与分析

2.1 不同放水处理对坡面土壤水分入渗的影响

试验设计通过坡面放水来完成径流冲刷过程,设计流量较大,与当地大水漫灌方式保持一致,可引起超渗产流。试验结果见表 1,可看出,在各放水处理下土壤入渗率在 0.372～1.847 mm/min之间变化,平均值为 0.999mm/min。放水流量为 1.80 L/s时,平均入渗率最大,为 1.591mm/min,比放水流量为 1.26 L/s的高 0.578mm/min。放水流量为 0.45 L/s时,其平均入渗率最低。入渗率随着放水流量的增加呈现递增的趋势。其原因主要是:放水强度超过土壤入渗能力后产生超渗产流,土壤在蓄水未达到饱和之前,放水流量增加,入渗率随之增加;随着放水量的增加,土壤表层含水量增大,其入渗率随之减少。

表 1 不同放水处理坡面土壤水分入渗特征Tab.1 Characteristics of soil infiltration under different treatments

在同一放水量及前期土壤含水量相当的条件下,同一坡面不同坡位放水试验前、后土壤水分变化量存在一定差异。图 2显示了 3种放水流量处理下各小区放水试验前、后表层(0～20 cm)土壤土壤水分变化量,可见相同放水流量下,坡面下部土壤水分变化量高于坡上。这是因为,对于裸地,放水流量达到一定程度,坡面水分来不及向下渗透,产生超渗径流;但相对坡面上部而言,坡面下部受水体重力作用影响,水分下渗的总量高于坡上。

图 2 不同坡位试验前、后土壤水分变化量Fig.2 Changes of soil water content before and after experiment on slope

2.2 不同放水处理对坡面径流、泥沙的影响

表 2显示了不同放水处理坡面径流、泥沙的特征,可以看出,随着放水流量的增加,输沙率呈现递增的趋势,放水流量 1.26 L/s是一个转折点。当流量小于 1.26 L/s时,输沙率随流量增加增长迅速;当流量大于 1.26 L/s时,输沙率随流量增加增长缓慢。输沙率增长是因为当流量由 0.45 L/s增加到1.80 L/s时,径流流速增大,因而径流具有的动能也增大,其携沙能力增强,沿细沟流走的径流下蚀和侧蚀作用加强,大量泥沙被携走,所以输沙率会呈现增加趋势。

表2 不同放水处理坡面径流和泥沙的特征Tab.2 Characteristics of runoff and sediment under different treatments

根据不同放水量条件下含沙量和放水流量数据,绘出它们的散点图(图 3),发现含沙量与放水流量之间存在明显的关系。通过回归模拟,得出含沙量与放水流量的幂函数关系式为

式中:Ws为含沙量,g/L;Q为放水流量,L/s。

图3 含沙量和放水流量的关系Fig.3 Relationship between the sediment concentration and the scouring water discharge

不同放水量冲刷时间不同,由表 2可以看出,随着冲刷时间的延长,含沙量、输沙率均呈现递减的趋势。主要是因为:在放水过程中会有细沟产生,当细沟发育稳定时,水流会沿沟道流走。随着冲刷时间的延长,沿稳定细沟流走的径流增加,径流系数由0.354增大至 0.425。表层土壤在水的浸泡下抗冲性会降低,但随着冲刷时间的延长,抗冲性降低至一定程度便会相对稳定。沿细沟流走的径流不断增加而土壤抗冲性相对稳定,所以含沙量、输沙率呈降低趋势。

2.3 不同放水处理坡面径流水力学参数特征

在坡面侵蚀过程中,水流水力学参数及其流态变化将对侵蚀过程产生重要影响。径流流速、径流深、雷诺数、弗劳德数及阻力系数等水力要素是反映水流动力学特征的主要参数[22]。通过了解坡面径流的水力学参数变化特征可以从一定程度上了解坡面土壤侵蚀状况。坡面径流水力学参数试验与计算结果见表 3。

表 3 不同放水处理坡面流水力学特性试验结果Tab. Hydraulic characteristics of surface runoffunder different scouring water discharge

2.3.1 径流平均流速 根据坡面水流平均流速和放水流量数据,绘出它们的关系曲线(图 4),可以看出,径流平均流速随流量的增加而增大。对曲线进行拟合可知,径流平均流速与放水流量可表示为

图4 径流平均流速与放水流量的关系Fig.4 Relationship between the average velocity and the scouring water discharge

这一结果表明对于本试验而言,坡面径流的平均流速可以用放水流量的简单幂函数关系式来表示,这与 G.Govers[23](v=3.52Q0.294)、M.Nearing等[24](v=9.802Q0.459)的试验结果基本一致。

2.3.2 坡面水流流态 雷诺数 Re是水流运动状况(层流和紊流)的重要判别依据,反映了水流的惯性力与粘滞力之比,量纲为 1。根据明渠均匀流的基本理论,对于矩形断面的明渠水流层流和紊流的临界雷诺数为 500,在雷诺数 500左右则属于过渡流。而本试验各放水处理下的雷诺数为 102.822～436.102,流态均属于层流的范畴。不同处理下雷诺数随着放水流量的增大均呈现增大的趋势,反映出水力侵蚀能力和搬运能力的增大。

在水力学研究中除了雷诺数之外,弗劳德数 Fr是表征水流流态的又一重要参数,它综合反映了流速和水深的对比关系。在径流流量相同的条件下,弗劳德数越大,说明坡面径流的流速越大,径流挟沙能力越强,水深越浅,坡面的径流侵蚀力越小。根据明渠水流的判别标准,本试验各放水处理的弗劳德数均大于 1,均属于急流状态,且随着放水流量的增大而逐渐减小。

现将各放水流量下坡面水流的雷诺数与弗劳德数的值点绘于图 5,可知不同放水流量条件下,坡面水流的弗劳德数与雷诺数之间呈较好的幂函数关系,对图中的曲线进行拟和可得

Fr=14.654Re-0.2914R2=0.999

2.3.3 阻力系数变化特征 Darcy-Weisbach阻力系数反映了坡面流在流动过程中所受的阻力大小[25]。在流量条件相同的情况下,阻力系数越大,水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大,则用于坡面侵蚀和泥沙输移的能量就越小,土壤侵蚀就越微弱,反之则土壤侵蚀剧烈。从表 3中可以看出,阻力系数随着放水流量的增加而增大,其原因为:流量增加意味着径流深增大,使相对糙率变小;然而流量的增加促使侵蚀强度增强,对细沟微地貌的塑造更加复杂化。对于本试验而言,流量增加对微地貌变化的影响较糙率的影响程度更大,因此,阻力系数随流量的增加而增大。

图5 弗劳德数与雷诺数的关系Fig.5 Relationship between the Froude number and the Reynolds number

3 结论与讨论

1)土壤入渗率随着放水流量的增加呈现递增的趋势,随着放水量的增加,土壤表层含水量增大,入渗率随之减少。试验前、后不同坡位土壤水分变化量存在一定差异,坡下土壤水分变化量高于坡上。

2)随着放水流量的增加,输沙率呈现递增的趋势,含沙量呈先增后减的趋势,含沙量与放水流量存在较好的幂函数关系:Ws=25.773Q1.1441,决定系数R2=0.884 7。随着冲刷时间的延长,含沙量、输沙率均呈现递减的趋势。

3)随着放水流量的增加,径流平均流速、雷诺数、Darcy-Weisbach阻力系数逐渐增大,弗劳德数逐渐减小。径流平均流速与放水流量、弗劳德数与雷诺数之间均存在良好的幂函数关系,决定系数 R2=0.999。坡面水流在放水流量变化范围内为层流、急流状态。

以上结论是在下垫面为裸地的基础上得到的,要得到更为一般性的研究结论,尚需开展一系列不同下垫面条件下的相关试验研究。

[1]陈亚宁,贺西安,张小云.流域开发与土地管理模式:兼谈伊犁河流域土地开发与产业定位.干旱区地理,2007,30(4):595-600

[2]杨龙,贺光华.浅谈伊犁灌区建设对生态环境的影响.节水灌溉,2008(3):34-35

[3]吴普特.动力水蚀实验研究.西安:陕西科学技术出版社,1997:42-44

[4]雷俊山,杨勤科.坡面薄层水流侵蚀试验研究及土壤抗冲性评价.泥沙研究,2004(6):22-25

[5]刘青泉,李家春,陈力,等.坡面流及土壤侵蚀动力学(Ⅰ):坡面流.力学进展,2004,34(3):360-373

[6]刘青泉,李家春,陈力,等.坡面流及土壤侵蚀动力学(Ⅱ):土壤侵蚀.力学进展,2004,34(4):493-506

[7]Foster GR,Huggins LF,Meyer L D.A laboratory study of rill hydraulics:velocity relationships.Transactions of ASAE,1984,27(3):790-796

[8]Abrahams AD,LiG,Parsons J.Rill hyd raulics on a semiarid hillslope,southern Arizona.Earth surface processes and land forms,1998,21:35-47

[9]Nearing M,Brad ford M,Parker C.Soil detachment by shallow flow at low slopes.Soil Science Society of America Journal,1991,55(2):339-344

[10]沙际德,蒋允静.试论生态侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特征.水土保持学报,1995,9(4):29-35

[11]胡世雄,靳长兴.坡面流与坡面侵蚀动力过程研究的最新进展.地理研究,1998,17(3):326-335

[12]张科利,唐克丽.黄土坡面细沟侵蚀能力的水动力学实验研究.土壤学报,2000,37(1):9-15

[13]张光辉.坡面薄层流水动力学特性的实验研究.水科学进展,2002,13(2):159-165

[14]Bunte K,Poesen JW.Effects of rock fragment conversation on erosion and transport of non-cohesive sediment by shallow overland flow.Water resources research,1993,29(5):1415-1424

[15]Poesen JW,Vandaele K,Wesemael B V.Gu lly erosion:importance and model implications,modeling soilerosion by water.NATO ASISeries,1998,I-55:285-311

[16]Larson W E,Lindstrom M J,Schumacher T E.The role of severe storm in soilerosion:A problem needing consideration.Journal of Soil and Water Conservation,1997,52(2):90-95

[17]Olson K P,Laflen JM,Norton L D.Evaluation ofmethods to study soil erosion-p roductivity relationships.Journal of Soil and Water Conservation,1994,49(6):586-590

[18]刘国彬,张光辉.原状土冲刷法与人工模拟降雨法研究土壤抗冲性对比分析.水土保持通报,1996,16(2):32-37

[19]Li G,Abrahams A D,Atkinson J F.Correction factors in the determ ination ofmean velocity of overland flow.Earth surface processes and land forms,1998,21(6):509-515.

[20]冯浩,吴淑芳,吴普特,等.草地坡面径流调控放水试验研究.水土保持学报,2005,19(6):23-25

[21]沙玉清.泥沙运动力学引论.西安:陕西科学技术出版社,1996:72-76

[22]潘成忠,上官周平.不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理.水科学进展,2007,18(4):490-495

[23]Govers G.Relationships between discharge,velocity,and flow area for rill eroding loose,non-layered materials.Earth surface processes and landforms,2006,17:515-528

[24]Nearing M,Norton L,Bulgakov A,et al.Hyd raulics and erosion in eroding rills.Water resources research,1997,33(4):865-876

[25]肖培青,郑粉莉,姚文艺.坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征研究.水科学进展,2009,20(2):236-240

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

项目名称:国家科技支撑计划项目“伊犁河谷水土流失综合治理关键技术开发与示范”(2007BAC15B07)

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

†责任作者简介:朱首军(1965—),男,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向:水土保持。E-mail:zhushoujun@nwsuaf.edu.cn

(责任编辑:程 云)