黄土地区小流域坡面侵蚀研究

叶有烽 王 英

(商南县水务局，陕西 商南 726300)

·水利工程·

黄土地区小流域坡面侵蚀研究

叶有烽 王 英

(商南县水务局，陕西 商南 726300)

针对黄土地区小流域坡面侵蚀的特点，分析了土壤、土地类型、坡度等对其的影响，并通过野外大型降雨装置，依据坡面径流理论，模拟分析了不同土地类型下坡面的产流过程，为小流域坡面侵蚀的进一步研究工作提供参考。

黄土地区，小流域，坡面侵蚀

0 引言

水土保持作为我国的一项基本国策，对国民经济发展有重要影响，是关乎山区发展的生命线方针，同时，也是决定国土治理和江河治理的关键因素。针对山区水土流失病害，相关部门提出了一项综合治理开发的生态环境建设工程——水土保持工程建设。其主要指导思想是以水土流失重点病害地区治理为依托，以小流域形式为单元体，借鉴户包治理的方法，紧紧围绕以经济建设为中心，以水土流失治理与人民群众的切身利益为目标，开展以水土流失综合治理与病害区综合开发为治理方针的水土保持工作，最终使水土流失地区生态效益和社会效益良好，同时提高小流域地区的生态建设和经济发展。

水土保持工程建设以小流域作为单元体，以小流域生态经济系统开发为目标，进行系统动态监测，是水土保持工程建设节点的有效划分。因此，在以小流域为研究对象时，有必要针对小流域地区的治理理论、方法和技术措施等进行综合研究，建立并完善小流域地区信息管理系统，从而实现小流域地区水土流失治理规划、设计和管理工作能够高效开展。小流域内的水土破坏病害是影响小流域内生态经济的重要因素，坡面侵蚀破坏是小流域水土流失的典型代表，其中以黄土地区发展较为严重。

坡面侵蚀是黄土地区水土流失的主要病害类型，主要是通过降雨侵蚀丘陵沟壑，使表层泥沙剥落，随着时间的累计，土壤逐渐退化、泥沙顺流而下造成下游河床抬高，是引起生态环境恶化的直接根源。针对黄土地区小流域坡面侵蚀的特点，分析降雨、坡度和土地利用类型等主要因素对其的影响，借助大型野外人工降雨装置，根据小流域地区坡面三维水流运动的模式，分析、模拟不同土地利用类型下坡面的产流过程，建立黄土坡面的产流模型，为小流域坡面侵蚀的下一步研究工作提供基础。

1 试验方法

1.1 试验用地布设方案

坡面侵蚀的地面影响因子有土壤、土地利用类型、坡度等，以延川地区的细黄土为研究对象，故不需要对土壤因子进行考虑，而只考虑土地利用类型和坡度因子。土地利用状况为：荒坡地a1、草地a2、灌木林地a3、乔木林地a4、农地a5五类，坡度因子划分缓坡b1、中坡b2、陡坡b3三种水平，土地利用类型和坡度因子可构成3阶×5阶矩阵，按照矩阵中的ab组合进行试验用地选择，如表1所示。

试验用地选择时，要求坡长不小于20 m，坡宽不小于5 m，且在所选坡长范围内，坡度和植被力求均一。

表1 试验用地布设方案

1.2 试验检测项目

在进行人工降雨试验前，需要对所选试验用地进行详细调查，调查项目有：坡度、主要植被种类、植被生长年限、植被覆盖程度等。

在降雨试验中，进行试验检测的项目有：坡面土壤物理性质、降雨前后土壤含水量、降雨初损历时、降雨后损历时、降雨过程中不同时刻的径流量、含沙量、坡面流速、降雨器工作压力，降雨后渗透深度等。

试验检测方法同一般水文调查法。

1.3 数据处理

应用Matlab，Lotus1-2-3，SPSS统计分析软件等，对试验数据进行处理。根据动力波理论、李鲁明、D.B西斯蒙等的泥沙搬运方程推导了产流公式，然后编写FLACK3D程序进行运算和建模。

2 降雨装置

根据试验研究需要，设计研制的野外大型可移动式大型(5×20 m2)人工降雨装置由五部分组成，分别是降雨喷洒系统、管道连接系统、动力供水系统与调试系统和量测系统与辅助设备系统。该人工降雨装置具有重量轻，结构简便，喷头的不同排列组合，可构成多种降雨形式的特点，能够满足试验的不同需求。据研究测定，对流雨和地形雨的降雨精度分别为90.9%和86.3%，降雨均匀度分别是0.93和0.84；根据已有研究结果可知，人工降雨雨滴平均直径和中数直径与降雨强度均呈幂函数关系，二者关系式为：d=1.617×I0.432，d50=6.649×I0.683；从关系式得出，对于同一降雨强度，天然降雨雨滴直径的分布范围宽，而人工降雨雨滴直径的分布范围较窄，就南沟地区而言，当降雨强度I=0.839 mm/min时，天然降雨雨滴的中数直径与人工降雨雨滴的中数直径相等，当00.839 mm/min时，则后者大于前者；就刘家河地区的天然降雨而言，当降雨强度I=0.816 mm/min时，天然降雨与人工降雨的雨滴中数直径相等，当00.816 mm/min时，后者大于前者；通过上述对比，发现降雨雨滴直径差异大小由降雨强度而定；另一方面，降水高度会影响人工降雨的效果，造成雨滴降落速度与天然降雨存在一定差异；同时，已有研究表明天然降雨强度与平均终速遵循幂函数关系(v=7.239×I0.106)，而人工降雨的降雨强度与平均终速并无明显相关。综合上述分析，可知野外大型人工降雨装置的人工降雨性能能够模拟天然降雨状态，具有精度高、降水面积大等优点，而且试验时由边界条件产生的误差较小，能够满足试验要求。

3 坡面径流理论及其模型

根据Kinematic Wave运动波理论，可知坡面的地表径流和侧向饱和渗透流可以通过偏微分描述为如下公式：

(1)

h=Kqp或q=αhm

(2)

其中，h为有效水深，m；q为流量，L/min；t为降雨时间，min；x为距离，m；r(t)为降雨流出量，L/min；K，p均为参数。

(3)

在紊流条件下：

(4)

其中，n为曼宁系数；θ为坡面坡度。

通过运动波理论和渗流理论推导得出，坡面末端某一时刻的流量计算公式为：

(5)

其中，α，m均为无量纲参数；Qm为坡面末端某一时刻的总流量，L/min；Ie为有效降雨强度，cm/min；T为降雨过程中的某一时刻，min；ta为初损历时，min；B为坡面宽度，m；L为坡长，m；fc为入渗强度，cm/min；tr为降雨终止时间，min。

3.1 参数拟合——标准试验小区

1)标准试验小区情况。

标准试验小区按照坡度(10°，15°，20°，25°)不同分为4组，不同坡度下依据降雨和降雨强度又分为4组。

2)试验参数拟合。

由径流理论知，坡面粗糙度曼宁系数n值是由坡面覆盖状况、植被高矮、植被种类等因素确定。径流系数i0=1.2Ie(Ie为稳流阶段坡面的平均有效降雨强度)，可计算得到各次降雨的径流系数i0，根据小流域运动波理论和渗流理论推导得出的坡面径流模型，用实测径流过程拟合出α值。

3)试验参数预测。

(6)

相关系数：R2=0.92；偏相关系数：RI=0.32；Rδ=0.74；Rsinθ/n=0.34。

(7)

相关系数：R2=0.96；偏相关系数：RI=0.45；Rδ=0.49。

3.2 不同土地利用类型对坡面径流的影响分析

不同土地利用类型对坡面径流的影响是反映土壤覆盖程度、植被类型对渗流模型的影响。当土地利用类型相同、降雨强度大、前期土壤含水量高、坡度陡时，则降雨过程中的初损历时ta和稳定汇流历时Tc较短，而稳定出流时的流量较大；当土地利用类型相同、降雨强度小、前期土壤含水量低、坡度缓时，则表现为初损历时ta和稳定汇流历时Tc较长，稳定出流时的流量较小。

当土地利用类型不同时，林地受地表植被和根系的长期影响，土壤结构较好、渗透性较高，当降雨强度较大、前期土壤含水量较高时，降雨过程中的初损历时ta和稳定汇流历时Tc则较长，而稳定汇流流量比其他土地利用类型小；当降雨停止后，林地的后损历时比其他土地利用类型长，说明林地能够有效减弱洪峰时期流量，具有延长出流时间的调节功能。当降雨强度、前期土壤含水量相同时，荒坡的产流速度最快，其稳定汇流历时Tc最短，且稳定汇流流量最大。由于草地、农地的覆盖植被的根系分布较浅，人为的耕种措施对其有一定影响，表层土壤结构良好，在降雨初期，入渗速度较快，产流速度慢、产流量小；但草地和农地的深层土壤结构次于林地土壤结构，因而在稳流阶段，草地和农地的入渗性能比林地差，稳定汇流的流量比林地大；相比荒坡土地，草地和农地的汇流流量较小，其产流规律介于林地与荒坡地之间。

4 结语

1)确定了坡面侵蚀模型的试验因素，确立了土地利用状况、地面坡度为二因素的3阶×5阶矩阵试验方案，设计了野外降雨装置模拟天然降雨状态。

2)通过坡面渗流理论及模型，获取标准试验小区内的各项测试参数，得到了渗流系数i0和α参数拟合计算公式，可直接用于计算和预测。

3)通过不同利用状况坡地的径流分析表明，同一地类，当雨强大、前期土壤含水量高、坡度陡时，初损历时ta和稳定汇流历时Tc较短，稳定出流时的流量大；就不同地类而言，林地渗透性能良好，草地、农地入渗快，产流慢，产流规律介于林地与荒坡地之间。

[1] 李占斌，朱冰冰，李 鹏.土壤侵蚀与水土保持研究进展[J].土壤学报，2008(5):802-809.

[2] 牛振华，王占礼，黄新会.我国黄土地区土壤侵蚀研究历史与进展[J].水土保持研究，2004(4):169-173.

[3] 杨建英，赵廷宁.坡面侵蚀研究现状及展望[J].北京林业大学学报，1994(1):95-101.

[4] 郑粉莉，王占礼，杨勤科.土壤侵蚀学科发展战略[J].水土保持研究，2004(4):1-10.

[5] 赖奕卡.坡面土壤侵蚀影响因子研究进展[J].亚热带水土保持，2008(1):12-16.

[6] 魏 霞，李占斌，李勋贵.黄土高原坡沟系统土壤侵蚀研究进展[J].中国水土保持科学，2012(1):108-113.

[7] 王贵作，张忠学，尹钢吉.坡面土壤侵蚀研究进展[J].黑龙江水专学报，2005(3):8-10.

[8] 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[J].力学进展，2004(4):493-506.

[9] 王占礼，吴永红，白志刚，等.黄土高原典型地区土壤侵蚀研究[J].世界科技研究与发展，2000(1):76-79.

[10] 李占斌，鲁克新，丁文峰.黄土坡面土壤侵蚀动力过程试验研究[J].水土保持学报，2002(2):5-7，49.

Research on slope erosion of small rivers in loess area

YE You-feng WANG Ying

(ShangnanCountyBureauofWaterSupplies,Shangnan726300,China)

According to the features of the slope erosion of small rivers in loess area, the paper analyzes the influence of soil, land types and slope grade on it, and simulates and analyzes the runoff generation process of different land types by referring to the slope runoff according to the open air large waterfall equipment, so as to provide some reference for further research on the slope erosion of small rivers.

loess area, small river, slope erosion

2014-07-18

叶有烽(1973- )，男，工程师； 王 英(1978- )，女，工程师

1009-6825(2014)27-0230-03

TV131

A