全 文 ：非硬化土路径流侵蚀产沙动力参数分析*
黄鹏飞1 摇 王文龙1,2**摇 罗摇 婷3 摇 王摇 贞4 摇 王正利5 摇 李摇 仁6
( 1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, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学
水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 3杭州大地科技有限公司, 杭州 310000; 4中国水电顾问集团华东勘测设计研究院, 杭州
310014; 5黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站, 甘肃西峰 745000; 6吴起县水土保持工作队, 陕西吴起 717600)
摘摇 要摇 采用野外径流冲刷试验的方法,模拟研究非硬化路面土壤剥蚀率与各水动力学参数
之间的关系,并建立各自的定量关系式.结果表明: 不同流量和坡度下,平均土壤剥蚀率可以
用放水流量和坡度的幂函系数关系进行描述,并随放水流量和坡度的增大而增大,流量对土
壤剥蚀率的影响大于坡度;土壤剥蚀率与水流流速呈幂函数关系;土壤剥蚀率与径流动能呈幂
函数关系,径流动能对土壤剥蚀率有重要作用;土壤剥蚀率与单宽径流能耗呈线性函数关系,土
壤可蚀性参数和临界单宽径流能耗的均值分别为 0. 120 g·m-1·J-1和 2. 875 g·m-1·J-1 .放水
流量和坡度、单宽能耗可准确地描述道路土壤侵蚀过程并对土壤侵蚀量进行测算.
关键词摇 径流冲刷摇 水流流速摇 径流动能摇 单宽径流能耗摇 水动力学参数
文章编号摇 1001-9332(2013)02-0497-06摇 中图分类号摇 S157. 1摇 文献标识码摇 A
Analysis of hydrodynamics parameters of runoff erosion and sediment鄄yielding on unpaved
road. HUANG Peng鄄fei1, WANG Wen鄄long1,2, LUO Ting3, WANG Zhen4, WANG Zheng鄄li5, LI
Ren6 ( 1 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water
Resources, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest
A & F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3Hangzhou Earth Science and Technology
Co. , Ltd, Hangzhou 310000, China; 4Huadong Institute of Water Conservancy and Hydropower
Survey and Design Hydrochina Engineering Consulting Corporation, Hangzhou 310014, China;
5Xifeng Experimental Station of Soil and Water Conservation, Yellow River Conservancy Commission,
Xifeng 745000, Gansu, China; 6Wuqi Work Team of Soil and Water Conservation, Wuqi 717600,
Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(2): 497-502.
Abstract: By the method of field runoff washout experiment, a simulation study was conducted on
the relationships between the soil detachment rate and the hydrodynamic parameters on unpaved
road, and the related quantitative formulas were established. Under the conditions of different flow
discharges and road gradients, the averaged soil detachment rate increased with increasing flow dis鄄
charge and road gradient, and the relationships between them could be described by a power func鄄
tion. As compared with road gradient, flow discharge had greater effects on the soil detachment
rate. The soil detachment rate had a power relation with water flow velocity and runoff kinetic ener鄄
gy, and the runoff kinetic energy was of importance to the soil detachment rate. The soil detachment
rate was linearly correlated with the unit runoff kinetic energy. The averaged soil erodibility was
0郾 120 g·m-1·J-1, and the averaged critical unit runoff kinetic energy was 2. 875 g·m-1·J-1 .
Flow discharge, road gradient, and unit runoff kinetic energy could be used to accurately describe
the soil erosion process and calculate the soil erosion rate on unpaved road.
Key words: runoff washout; water flow velocity; runoff kinetic energy; unit runoff energy con鄄
sumption; hydrodynamics parameter.
*国家自然科学基金项目(40771127)、中国科学院西部行动计划项目(KZCX2鄄XB3鄄13)、水利部公益性行业专项(201201048,201201047)和黄
土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室专项(10502鄄T1)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wlwang@ nwsuaf. edu. cn
2012鄄08鄄20 收稿,2012鄄11鄄28 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 2 月摇 第 24 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2013,24(2): 497-502
摇 摇 黄土丘陵沟壑区是我国水土流失最严重、生态
环境最脆弱的地区之一,该区土质道路分布广泛,平
均侵蚀模数高达 4郾 0伊104 t·km-2·a-1[1],而所占面
积不足总土地面积 2%的农田道路的侵蚀模数高达
5伊104 ~ 10伊104 t·km-2·a-1[2],其侵蚀强度远高于
其他土地利用类型.加之道路与沟道往往联系紧密,
土质坚硬、致密、有效下渗水量小,容易形成超渗径
流[3] .路面和沟道的存在加速了水流汇集过程和径
流流速[4],使道路系统水土流失极其严重.
土质道路改变了土壤的理化性质和水文特征,
加速了道路的产流产沙过程[5] . March 和 Letten鄄
maier[6]认为,林区道路可使流域洪峰流量增加
12郾 2% . Sidle 等[7]研究表明,林区伐木道路侵蚀强
度为 272 t·hm-2·a-1,其中 60%源自路面. Ziegler
等[8-9]在泰国山区流域对不同土地覆盖地面的饱和
导水率进行测定的结果表明,道路极易产流并形成
强烈的水力侵蚀,经人工降雨试验表明,路面侵蚀强
度是农地的 8 倍左右. 徐学选等[10]研究认为,仅占
流域面积 1% 的道路产沙量占流域总产沙量的
42% .叶翠玲等[11]通过对施工便道进行研究的结果
表明,当有上坡来水时,土质道路极易发生沟蚀,较
小的降雨侵蚀力就可诱发侵蚀,道路改变了径流的
汇流方式,使汇流快、流量大且集中,往往在道路下
坡向形成切沟[12] .
许多学者对土质道路产流产沙特征、影响因素、
植被防治措施等进行了大量研究[13-15],但对道路侵
蚀过程、机理及定量测算的研究却较少.神府东胜煤
田存在大量的运煤、施工土质便道以及农业生产土
质道路,对矿区的生态环境有一定影响.本研究通过
野外放水冲刷试验,探讨了神府东胜煤田非硬化路
面的侵蚀规律,并建立土壤剥蚀率与各水动力学参
数之间的定量关系,以期为土质道路水土流失测算
及防治提供依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验样地概况
试验样地选取神木县西沟乡六道沟村的一块撂
荒地坡面,地面有少量的草本植被.本试验设计的非
硬化路面指经过人畜践踏、车辆长期碾压,没有铺垫
石子、煤渣、柏油等,用于农村生产或工程运输及施
工的土质道路.因试验条件(水电、坡度、坡长等)限
制,考虑试验对实际道路的破坏及使用的影响,以及
1 m宽的径流小区基本可以代表面蚀和细沟侵蚀的
情况,本研究采用模拟真实土质道路的方法对土质
道路土壤侵蚀过程进行试验.为真实模拟土质道路的
强度和硬度,将土壤密度作为首要控制因子.通过对
多条典型土质路面采样并测定其土壤密度,所测值在
1郾 70 ~1郾 85 g·cm-3,本试验土壤密度设计在该范围
内.各场试验边界条件的控制方法如下:将原始坡面
除去植被,用铁锹翻动 30 cm 深土层堆置于小区两
侧;然后回填,每次均匀覆土 5 cm 厚,并使用石夯捶
打夯实,各层之间撒少许水,以保证土层之间能紧密
结合.前后覆土共 6次,达到最终的设计覆土厚度,最
后一次不撒水夯实并测定土壤密度和土壤质量含水
量,达到试验设计要求后用平头铁锹整平路面.试验
区土壤为沙黄土,土壤密度 1郾 70 ~ 1郾 81 g·cm-3,土
壤质量含水量 9郾 7% ~ 11郾 3%,土壤粒径 < 0郾 01、
0郾 01 ~0郾 05、0郾 05 ~ 0郾 10、0郾 10 ~ 0郾 25、0郾 25 ~ 0郾 50、
0郾 50 ~ 1郾 00、1 ~ 2 mm 的颗粒含量百分数分别为
10%、15郾 0%、18郾 9%、26郾 6%、23郾 2%、5郾 3%、2郾 1% .
1郾 2摇 放水冲刷设计
试验采取野外放水冲刷模拟的方法. 共设计 5
个放水流量,分别为 5、10、15、20 和 25 L·min-1 .选
择 4 个级别的土质路面典型坡度,分别为 3毅、7毅、9毅
和 12毅.共 20 场次放水冲刷试验.
1郾 3摇 试验小区布设
试验小区为 10 m伊1 m 的长方形,两侧边界用
1 mm厚的钢板密封(插入地下 0郾 15 m,地面露出
0郾 1 m),为减少边际效应对试验的影响,在钢板结
合处把土压实,以防止有缝隙入渗.试验水源由小区
附近的水窖提供,经潜水泵注入放置在小区旁边的
一个容积为 2 m3的水箱中.紧靠小区顶端布置一个
嵌入地下与小区等宽、与路面齐平的溢流箱,由汽油
泵从水箱供水.放水流量通过安装在汽油泵出水管
口的 2 个闸阀来调控,从而保证试验水流是均匀的
薄层水流.小区底端安置一个可嵌入地表的集流槽.
依次在距离小区顶端为 2 ~ 3、5 ~ 6、8 ~ 9 m 处设置
3 个观测断面.试验装置示意图见图 1.
图 1摇 野外放水冲刷试验装置示意图
Fig.1摇 Sketch map of outdoor scouring erosion experimental apparatus.
1)潜水泵 Submersible pump; 2)塑料水管 Plastic pipes; 3)储水箱
Storage tank; 4)汽油泵 Gasoline pump; 5)球阀 Ball valve; 6)稳流箱
Steady current box; 7)径流小区 Runoff plot; 8)观测断面 Observation
sections; 9) 1 mm厚钢板 1鄄mm鄄thick steel plates; 10)集流槽 Runoff
gathering pit; 11)接样桶 Sampling bucket; 兹:径流小区与水平面的夹
角 Angle between runoff plot and horizontal plane郾
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1郾 4摇 试验过程、数据采集及分析
试验开始前,测定小区的土壤前期含水量、土壤
密度、水流温度,并对流量进行 2 次率定,前后量测
误差不超过 5% .试验结束后,再对流量进行 1 次率
定,以检验试验前后流量的稳定性. 放水开始后,记
录产流前的时间并观测路面微形态变化. 当坡面有
明显的径流形成时,在小区集流槽出水口用集流桶
收集径流泥沙样并记录采集时间,随后用量筒量测
所采集的径流泥沙样体积并记录.
试验时间共 45 min,产流初期每 1 min 取 1 次
径流泥沙样,放水历时 3 min 后,每隔 3 min 取 1 次
径流泥沙样.在每次接取径流泥沙样的同时,位于 3
个观测断面的量测人员,在同一时刻通过高锰酸钾
示踪法测量坡面上不同断面水流流速,平均径流流
速为 3 个断面的均值. 坡面各断面水流宽度和径流
深采用薄钢尺测量. 各样品的含沙量采用烘干法
测定.
通过 SPSS 18郾 0 统计软件对土壤剥蚀率与各影
响因素之间的关系进行统计分析.
1郾 5摇 水流剪切力计算
水流剪切力概念的提出为研究土壤侵蚀产沙的
水动力机制提供了科学的理论基础. 剪切力是反映
水流在流动时对坡面土壤剥蚀力大小的重要参
数[16],通过克服土粒之间的粘结力,使土粒疏松分
散,从而为径流侵蚀土壤提供物质来源[17],其算
式为:
子= 籽gRJ=酌RJ (1)
式中:子为水流切应力(Pa 或 N·m-2);籽 为水密度
(g·cm-3);g为重力加速度,g = 9郾 8 m·s-2;J 为水
力坡度;酌为水流体积质量(N·m-3);R 为水力半
径(m).
坡面薄层水流(R)近似按矩形断面计算. R =
hb(2h+b) -1,式中,h 为水深(m);b 为水宽(m).
土壤剥蚀率是降雨径流、坡度、植被、土壤特性
等综合作用的结果,它不仅是土壤侵蚀强烈程度的
重要指标,也是侵蚀过程预报模型的重要物理参
数[18] .
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤剥蚀率与放水流量和坡度的关系
土壤剥蚀率是放水流量和坡度的函数,随着放
水流量和坡度的增大,土壤剥蚀率基本呈线性增大;
土壤剥蚀率随放水流量和坡度的增大趋势在大坡度
(12毅)和大流量(25 L·min-1)时更明显(图 2).
图 2摇 土壤剥蚀率随放水流量和坡度的关系
Fig. 2 摇 Relation between soil detachment rate with flow dis鄄
charge and road gradient郾
玉:坡度 Slope(毅); 域:放水流量 Flow discharge (L·min-1 ) . 下同
The same below.
摇 摇 随着坡度的增大,土壤剥蚀率随放水流量的增
幅逐渐增大,表明坡度对土壤剥蚀率的影响在加强;
随着流量的增大,放水流量对土壤剥蚀率的影响也
在变大.这一现象表明放水流量和坡度与土壤剥蚀
率之间的关系较密切.坡度较小时,放水流量对土壤
剥蚀率的影响明显大于坡度. 当坡度为 3毅、流量为
25 L·min-1时,水流剪切力为 10郾 5 Pa、土壤剥蚀率
为 1郾 43 g·m-2·s-1;坡度为 7毅、流量为 5 L·min-1
时,水流剪切力为 11郾 2 Pa、 土壤剥蚀率仅为
0郾 02 g·m-2·s-1;随着坡度的增大,流量对土壤剥
蚀率 的 影 响 逐 渐 变 小, 坡 度 为 9毅、 流 量 为
25 L·min-1时的水流剪切力(31郾 0 Pa)与坡度为
12毅、流量为 20 L·min-1时(32郾 3 Pa)较接近,土壤
剥蚀率分别为 3郾 91 和 3郾 55 g·m-2·s-1 .逐步回归
分析表明,放水流量和坡度与土壤剥蚀率呈显著的
幂函数关系:
Dr =2郾 173伊10-4Q2郾 241S1郾 301
R2 =0郾 897,P<0郾 05,n=20 (2)
式中: Dr 为土壤剥蚀率(g·m-2·s-1);Q 为放水流
量(L·min-1);S 为坡度(毅). 通过上式可以较准确
地对土质道路的水土流失量进行测算.
2郾 2摇 土壤剥蚀率与流速的关系
流速是坡面径流最重要的水动力要素之一[19],
9942 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄鹏飞等: 非硬化土路径流侵蚀产沙动力参数分析摇 摇 摇 摇 摇
其大小对坡面径流侵蚀能力和挟沙能力的大小有重
要影响,因而坡面径流流速的测定非常重要[20] . 雷
廷武等[21]将测量得到的流速乘以系数 0郾 75,得到了
较理想的水流平均流速. 本试验采用此法得到水流
平均流速,并点绘了平均土壤剥蚀率与水流流速的
关系(图 3).
摇 摇 坡度为 3毅 ~ 12毅时,非硬化路面水流的平均流
速为 0郾 23 ~ 0郾 34 m·s-1 . 从图 3 可以看出,坡度相
同时,土壤剥蚀率是水流平均流速的函数,随着流速
的增大,土壤剥蚀率基本呈线性增加;随着坡度增
大,土壤剥蚀率随流速增幅较快,这一趋势在大坡度
时(12毅)更明显.流量相同时,土壤剥蚀率与水流流
速的关系较复杂,原因可能有两方面:1)试验土样
及试验中对流速的测定可能存在误差;2)坡度的影
响,李君兰等[22]研究结果表明,流速与坡度无关,坡
度效应并不明确,也可能出现以上结果. 总体上,随
放水流量增大,土壤剥蚀率随之增大.通过对试验数
据逐步回归分析,得出平均土壤剥蚀率与流速之间
的经验关系式:
Dr =1郾 848伊106V11郾 902
R2 =0郾 668,P<0郾 01,n=20 (3)
式中: V为坡面平均水流流速(m·s-1).
由于土壤剥蚀率与流速的经验关系式较简单,
因此,在缺乏流量和坡度资料时,可以通过平均流速
对土壤剥蚀率进行粗略估算.
2郾 3摇 土壤剥蚀率与径流动能的关系
图 3摇 土壤剥蚀率与径流流速的关系
Fig. 3摇 Relation between soil detachment rate and flow velocity郾
摇 摇 坡面径流与土壤颗粒的相互作用,实质上是一
个能量相互转化、传递和消耗的过程,这一过程与径
流的流速、能量、挟沙能力等有关[23-24] .可采用径流
动能来表示径流侵蚀力,公式如下[25]:
F=
酌RwV2
2g (4)
式中;F为水流动能(J);Rw 为径流量(m3).
在本试验设计条件下,径流动能的变化范围为
0郾 07 ~ 1郾 32 J. 从图 4 可以看出,坡度较小时,径流
动能对土壤剥蚀率的影响明显大于坡度;在同一坡
度下,土壤剥率随径流动能的增大而增大,呈明显的
线性函数关系;流量不同时,土壤剥蚀率与径流动能
的关系较复杂,这是因为径流动能是流速的函数,流
速对径流动能的影响更大,造成了与流速相似的结
论.与流速类似,土壤剥蚀率与径流动能也呈显著的
幂函数关系,回归拟合关系式如下:
Dr =2郾 513F1郾 475
R2 =0郾 798,P<0郾 01,n=20 (5)
径流动能是流速的二次方函数,因此,流速对径
流动能的影响最大,通过比较式(3)和式(5)的 R2
(分别为 0郾 668 和 0郾 798)可知,径流动能较流速能
更好地对土质道路的水土流失量进行估算.
2郾 4摇 土壤剥蚀率与单宽径流能耗的关系
土壤侵蚀本质上是一个做功和耗能的过程.径
流在流动过程中需要克服土壤剥离、泥沙颗粒输移
图 4摇 土壤剥蚀率与径流动能的关系
Fig. 4摇 Relation between soil detachment rate and runoff kinetic
energy.
005 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
以及流体内部紊动、混掺等作用而做功,因此损失掉
一部分能量,即能耗. 基于能量守恒定律,可以对坡
面任意断面的径流能耗进行分析计算[26-27] .
驻E = 乙T
0
乙L
0
(籽qgLsin兹 + 12 籽qV
2
1 - 籽q忆g(L - X)sin兹
- 12 籽q忆VX
2)dLdT (6)
式中:驻E为坡面径流出口处在整个试验过程中消耗
的能量(J);L为试验土槽的坡长(m);q为坡面顶端
处的单宽流量(m3·min-1·m-1);q忆为坡面 X 断面
处的径流的流量(L·min-1);V1为坡面顶端处的流
速(m·s-1);Vx为坡面任意一点到坡顶距离为 x 处
的平均流速(m·s-1);T为试验持续时间(min).
由图 5 可以看出,不同坡度和流量下,平均土壤
剥蚀率随着单宽径流能耗的增加而增加,且呈明显
的线性关系.直线的斜率代表土壤可蚀性参数,截距
为可蚀性参数和临界径流能耗的乘积[26] .对试验数
据进行相关分析表明,不同坡度下的土壤可蚀性参
数随坡度的增加而降低,变化范围在 0郾 13 ~
0郾 18 g·m-1·J-1,原因可能是在大的坡度下,土壤
颗粒沿坡面的重力分力较大,稳定性较差,较小的能
量就能够剥离较多的土粒;不同流量下的土壤可蚀
性参数随流量的增大而增大,其变化范围在 0郾 06 ~
0郾 11 J·s-1·m-1,原因是随着流量的增大,径流流
速增大,径流动能较大,因此能够起动较大且较多的
泥沙颗粒.土壤剥蚀率与单宽径流能耗关系密切,几
图 5摇 土壤剥蚀率与单宽径流能耗的关系
Fig. 5 摇 Relation between soil detachment rate and unit runoff
kinetic energy郾
乎不受坡度和流量变化的影响. 对不同流量和坡度
下的试验数据进行回归分析,结果表明,平均土壤剥
蚀率与单宽径流能耗呈显著的线性相关关系.
Dr =0郾 120(驻E-2郾 875)
R2 =0郾 960,P<0郾 01,n=20 (7)
通过上式可知,对于本试验条件下的土质道路,
坡面单宽径流每消耗 1 J 的能量将有 0郾 120 g 土壤
被输移出坡面;土壤发生侵蚀的临界单宽径流能耗
为 2郾 875 J·s-1·m-1,即只有当单宽径流能耗超过
2郾 875 J·s-1·m-1时,土壤侵蚀才会发生.单宽径流
能耗是研究土壤侵蚀动力学过程优选的动力学参
数.
3摇 结摇 摇 论
本研究在一定坡度 (3毅 ~ 12毅)和流量 (5 ~
25 L·min-1)范围内,对非硬化路面进行野外模拟
冲刷试验,结果表明:1)非硬化路面平均土壤剥蚀
率与放水流量和坡度之间呈显著的幂函数关系,并
随放水流量和坡度的增大,基本呈线性关系增大.
2)平均土壤剥蚀率与流速呈幂函数关系. 3)坡度相
同时,平均土壤剥蚀率随径流动能的增大而增大,两
者之间呈良好的线性关系. 平均土壤剥蚀率可以用
径流动能的幂函数关系式来描述,回归效果良好.
4)不同坡度和流量下,平均土壤剥蚀率随单宽径流
能耗呈显著的线性相关关系. 试验土壤可蚀性参数
的平均值为 0郾 120 g·m-1·J-1,临界单宽径流能耗
平均值为 2郾 875 J·s-1·m-1 .
放水流量和坡度、径流流速、径流动能和单宽径
流能耗均可作为非硬化路面侵蚀产沙动力过程描述
的重要参数.比较而言,单宽径流能耗较其他参数能
更好地描述土质道路坡面的侵蚀过程,这与李占斌
等[26]、李鹏等[28]对径流能耗理论的研究结果相似.
张光辉等[29]认为,流量和坡度的幂函数可以准确地
预测土壤剥蚀率,本研究也得到了类似结论.
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作者简介摇 黄鹏飞,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事土
壤侵蚀与水土保研究. E鄄mail: huangpengfeihpf@ sina. com
责任编辑摇 杨摇 弘
205 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷