1、1陕北黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀规律研究摘要：黄土高原的水土流失强烈地区集中在黄土丘陵地区,西北半干旱区的土壤侵蚀突出表现为汛期暴雨导致的高含沙水流,高含沙水流是一种特殊的流体,所以关于高含沙水流的研究显得意义重大,野外实测资料表明,汛期大暴雨形成的洪水的含沙量多数情况下很高,年尺度下水土流失量就集中在那么几次洪水中，本文主要就陕北地区的洪水过程的特征作分析描绘,以期探讨侵蚀中的机理。 关键词：丘陵沟壑区 小流域侵蚀 规律研究 中图分类号：S157.1 文献标识码： A 文章编号： 黄土丘陵区流域水土流失规律 黄土丘陵地区地貌的典型特征表现为嵌套式结构,本文统一把(干沟)叫做一级沟道,汇入其中的
2、(沟道)叫二级沟道,依次类推;因此在该地区开展模型构建时,必然涉及到侵蚀由高级(沟道)到低级(沟道)的变化规律问题。 黄土丘陵沟壑区当降雨较大及流域内各地所产生的含沙量都比较接近,这时流量与输沙率的关系(Q 一 Q)中的指数?接近于 l 且不同尺度的各级沟道的流量与输沙率曲线趋于重合。 在各级沟道出口,大流量时的含沙量就接近一个稳定值。各级沟道的洪水流速超过 1.27m/s 时,其含沙量不会低于 40Okg/m.基于岔巴沟流域汛期不同沟道的多年次洪水数据,分析得出径流深(H)和输沙模数2(M)之间具有良好的线形关系,相关系数都在 0.9 以上。方程两边同乘以面积,可知实质上这也表明次洪水的水沙
3、之间具有良好的线形相关性。说明本区域的洪水事件含沙量比较稳定“黄土丘陵沟壑区全年的水土流失主要是汛期几场大暴雨洪水造成的。由于黄土区充沛的沙源,这样在大的降雨下使得流域内各地所产生的含沙量都接近饱和含沙量。普通一次线形函数拟合表明各级沟道出口次洪水含沙量值 700kg/m一8OOkg/m.基于大理河流域各级沟道水文站的含沙量与流量的过程时间尺度数据分析指出,在中小流量时,含沙量有随流量增加的趋势,但变幅大,而大流量以后,含沙量接近一个稳定的值。 洪峰陡涨陡落,沙峰在流量达到一定时则就趋于稳定;暴雨洪水下的水土流失主要发生在洪水含沙量稳定阶段。也就是说洪水过程可以近似看作一个含沙量稳定的过程,说
4、明了通常线形拟合方程仅是黑箱模型。该区良好的水沙关系使得由年径流预测年产沙常可以得到令人满意的结果;因此我们就可以用正比例关系模型来拟合黄土丘陵沟壑区暴雨洪水水土流失量之间的水沙本质关系,即洪水过程可近似当作是一个含沙量是一个常数的过程。大理河流域具有较好洪水资料的测站数据在多年的时间尺度下拟合水沙之间的关系以期揭示出黄土丘陵沟壑区洪水下反映水土流失量之间水沙本质关系的区域特征值。由这个特征值我们就可以对大的暴雨洪水的输沙量、长时间尺度的输沙量进行模拟和预报会得到较好的结果。同样适用于不同的空间尺度。也就是说在该研究区分析得到的这些信息可以用在较大的尺度下。这样实际上在一定程度上完成了侵蚀产沙
5、中部分尺度转换。 3泥沙特征分析 黄河的泥沙问题一直是比较头疼的问题,黄土丘陵区的泥沙是重点的泥沙来源区,泥沙来源于土壤,泥沙的组成复杂,研究表明高含沙水流不服从牛顿力学规律。 2、1 高含沙水流的基本情况 能够形成高含沙的水流,总有一定数量的小于 0.01 毫米的细颗粒作为骨架,使泥沙的沉速能够有效地减小,保证水流有一个较大的挟沙能力,而在含沙量大到一定程度以后,含沙量的继续增加只会使泥沙的组成变粗,细颗粒的成分并不成比例增加,保证水流不会很快进入层流流态“正是自然的这两重作用,西北地区的高含沙水流才能在较小的比降下维持运动。在管道中进行的两相流试验,也发现在输送中径为 0.35 毫米的泥沙
6、时,如果加入重量含量达 4 份 6%的小于 0.01 毫米的细颗粒泥沙,则水流的阻力损失最小。高含沙水流是一种特殊的固液两相流,流体性质从牛顿体变成了宾汗体,能耗低挟沙力强,其形成必须有一定数量的细颗粒泥沙作骨架。黄上丘陵沟壑区在维持高含沙水流的运动中,小于 0.01 毫米的细颗粒泥沙具有特殊意义,这一部分主要来自筛坡和沟坡,由于这两个地区来的水流的含沙量分别不可能超过 860 公斤/立方米及 990 公斤/立方米,所以黄土丘陵沟壑区来的细颗粒泥沙含沙量是有一定限度的。黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程在峁坡区的中、上段只要降雨强度超过0.3mm/min 以后,地面的各级泥沙都能被雨滴溅
7、起并随水流往外输移,不存在明显的分选作用,悬移质中数粒径也基本上已稳定;形成径流及汇入沟道以后,通过沟床的冲淤变化,水流所挟带的泥沙的组成因流量、含沙量4及沟道大小而异,具体为泥沙因含沙量的增大而变粗。含沙量较高时,沟道愈大颗粒组成越粗。含沙量较低时沟道愈大,颗粒组成愈细。沟道越大,物质组成随含沙量变化的幅度也越大。另外岔巴沟曹坪沾的分析表明一方面物质组成随着含沙量的增加而变粗,另一方面是小于 0.005 毫米的粘土含量在含沙量超过 725 公斤/立方米以后,即大致稳定在 60 公斤/立方米一 70 公斤/立方米左右“团山沟七场坡面来的泥沙在含沙量较小时要比干沟中所挟带的泥沙,含沙量超过 62
8、5 公斤/立方米以后,则情况正好相反。 40 年来长江上游干支流悬移质泥沙粒度的变化及其与人类活动的关系水库的修建使得来自上游的泥沙的粗颗粒部分淤积在库内,经水库下泄的泥沙显著变细;水土保持措施的实施,拦截了较粗的泥沙,也会使进入河道的泥沙粒度变细。黄河下游泥沙沉积汇对入海悬移质泥沙粒度的影响,通过河床主槽中泥沙的淤积和冲刷,运动泥沙的组成发生变化;泥沙冲淤量对不同粒径组人海泥沙百分比的影响是不同的“小于 O,01mm 细泥沙的百分比与下游河道淤积量呈正相关,0.025 一 0.05mm 和大于 0.Osmm 的较粗泥沙的百分比与下游河道淤积量呈负相关。总体上该区流失的土壤中0.05mm 一
9、0.lmm 之间的泥沙最多、其次数 O.O25mm 一 O,Osmm 之间的泥沙!再次是小于 O.OO7mm 的沙粒与 O.Olmm 一 O,O25mm 级别大小的沙粒!接着数0.lmm 一 o.25mm 之间的沙粒,而大于 0.25mm 的沙粒已经不多了。 三、小结 侵蚀产沙是一个多因素多层次的地学问题,黄土丘陵地区的特殊地理环境决定了水土流失规律的探索本身也是对世界土壤侵蚀科学的重要贡献。小流域是陕北基本的地貌单元,其地貌学划分有(“峁坡” 、全坡面、5毛沟、支沟、干沟), 其一、分形关系为土壤侵蚀模型构建提供了客观的依据,当前的模型普遍存在参数多的现象,而且机理和水沙过程的关注相对较少;
10、黄河流经的黄土高原丘陵区的土壤水力侵蚀研究该面临和突破坡面上的侵蚀分带及其影响因素,大流域套小流域使得研究本身同时也结合着尺度问题,而尺度问题是当今土壤学、生态学、水文学等学科中热点,次暴雨下的泥沙(输移)是本地区的水土流失的重要内容, 其二、多年时间尺度下泥沙(输移)比大致为 1。高含沙水流是一种宾汗流体,其组成必须粗细泥沙颗粒搭配合理,也正是由于这个特征才使的该地区的洪水带走的土壤量异常大,已有研究也关注了这种特殊流体的复杂性,但泥沙问题是个复杂的问题,不同泥沙颗粒大小的组成,泥沙集中在一定的大小范围内,而且不同尺度的流域出口变化幅度不大。 其三、当侵蚀发生在坡面上时,水沙的运行规律并不总
11、是一致,坡面是陕北地区高含沙水流的起源地,侵蚀发生摆动的驱动力在于降雨的特征,而关于黄土高原等干旱半干旱区域的降雨过程是个难点,实际上降雨过程中某一阶段的高强度降雨所导致的水土流失量占了整个次暴雨事件的绝大部分。坡面上的侵蚀发育规律可以表现为坡面侵蚀方式由片状侵蚀逐渐演变成线状侵蚀,并由(细沟)逐渐发展成(浅沟),侵蚀产沙最大部位由(细沟)侵蚀向浅沟侵蚀过渡,产沙方式由(片蚀)产沙为主向以(沟蚀)产沙为主演变。 其四、不同尺度的流域在次暴雨洪水的含沙量方面表现的尺度效应并不非常显著,在此基础上本研究把时间尺度扩展到年时间和多年时间尺6度上,因为大量站点的记录资料的多次过程数据表明,水沙之间的关
12、系在已发现的诸多因子中是相关性最高的,土壤流失量可以依据径流量来测算,为了找到更准确表达水沙之间的关系数据,进行了多年时间尺度的延伸和分析,以期就尺度转换和侵蚀机理问题进行探讨。 其五、流域的发育特征诸如(流域面积、流域长度、沟道比降、流域宽度),在地理信息系统的支持下,提取下垫面的地貌学特征参数,上述基本参数之间即流域发育可以应用分形理论来解释。 流域不同尺度的水沙关系一方面受降雨时空分布特征及强度的影响,一方面受地貌形态特征的影响“分析在不同的降雨时空分布特征及强度下,流域不同尺度水沙关系变异特征与地貌形态特征的藕合关系,这将进一步揭示流域不同尺度的侵蚀产沙变异规律,为大中流域的侵蚀产沙尺度转换打下良好的基础。但因为降雨时空分布不均匀!水沙数据缺乏严重的影响了该研究的进展。分析流域不同尺度泥沙的冲淤变化,是对(泥沙输移机理)的认识。而不同尺度泥沙的冲淤变化也反映了侵蚀泥沙的来源及其时空分布过程“泥沙的冲淤变化主要是较粗的泥沙起调节作用,而粗泥沙含量的增减直接影响(悬移质)的级配组成,即它们之间存在内在的联系“分析流域不同尺度悬移质级配的变化,在一定程度上反映了流域不同尺度侵蚀(输移)沉积的变化过程。
