張孝中, 王 莎, 申 楠, 馬春艷

(1.陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所, 西安710004; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面水流含沙量變化過程試驗(yàn)研究

張孝中1, 王 莎2,3, 申 楠2,3, 馬春艷2,3

(1.陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所, 西安710004; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

荒草地是黃河班多水電站工程區(qū)最主要的原生地面類型, 闡明其產(chǎn)流產(chǎn)沙的水流含沙過程可為該工程區(qū)水土流失定量評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。采用野外人工放水沖刷試驗(yàn)方法，研究了黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面水流含沙量變化過程。結(jié)果表明：坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化，不同供水流量下整體減小，最后趨于穩(wěn)定變化的趨勢(shì)，可用冪函數(shù)方程很好的描述；不同坡度下也整體呈減小的趨勢(shì)，15 min后趨于平緩穩(wěn)定變化的狀態(tài)，各坡度下變化趨勢(shì)大體一致，也可用冪函數(shù)方程很好的描述，與不同供水流量下的主要差異在于產(chǎn)流后5 min內(nèi)含沙量遞減速率大于不同供水流量下的，其后遞減速率小于不同供水流量下的；平均含沙量隨供水流量的變化可用拋物線相關(guān)方程來描述，發(fā)生變化的臨界供水流量值為7.388 5 L/min，隨坡度的增大而增大，可用指數(shù)方程很好的描述，隨坡度及供水流量的變化可用二元線性方程很好的描述。

黃河; 班多水電站; 工程區(qū); 荒草地; 含沙量

伴隨著改革開放以來經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速的發(fā)展，開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目遍地出現(xiàn)、日益增多，但是開發(fā)建設(shè)過程中進(jìn)行的大量采挖、堆積、踏壓等活動(dòng)，對(duì)土壤和植被的自然過程和自然形態(tài)產(chǎn)生了劇烈擾動(dòng)和破壞，隨之又帶來了一系列的水土流失問題，引起了各界的廣泛關(guān)注[1-3]。在土壤侵蝕過程中水流含沙量不僅是產(chǎn)流、產(chǎn)沙及水沙消長與演變過程的重要指標(biāo)，也是衡量水土流失的重要參數(shù)之一。土壤侵蝕的分離、搬運(yùn)、沉積過程在很大程度上受到水流含沙量的影響，在徑流侵蝕過程中，如果徑流含沙量小于徑流挾沙力，則發(fā)生分離；隨著分離不斷發(fā)生，直到徑流含沙量大于徑流挾沙力，發(fā)生沉積，由此可見，水流含沙量的多少可以決定某一地區(qū)的土壤侵蝕嚴(yán)重程度[4-5]。黃河班多水電站工程是黃河干流上的一項(xiàng)重要的大型水電工程，是重要的、典型的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，荒草地是黃河班多水電站工程區(qū)的重要地類。闡明黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面水流含水量變化過程可以深入認(rèn)識(shí)該工程區(qū)水土流失過程，為科學(xué)預(yù)測(cè)工程區(qū)水土流失，設(shè)計(jì)有效的水土保持措施，編制合理的水土保持方案，以及最終重建該區(qū)生態(tài)環(huán)境提供重要科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可為不同類型開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)水土流失過程的研究揭示提供有益的借鑒。

關(guān)于徑流含沙量的研究，長期以來諸多學(xué)者或從理論，或根據(jù)小區(qū)野外實(shí)測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)室資料對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。付艷紅等[6]從測(cè)量原理出發(fā)，對(duì)含沙量各種測(cè)量方法的適用環(huán)境、測(cè)量精度及其局限性進(jìn)行了比較分析，研究了坡面徑流含沙量的測(cè)量方法；張歐陽等[7]認(rèn)為從低含沙量躍進(jìn)到高含沙量的過程，會(huì)使水流的粘性增大，泥沙沉積速度會(huì)降低，最終影響水流的挾沙力變大；雷廷武等[8]采用室內(nèi)放水沖刷，利用水流含沙量和溝長的函數(shù)關(guān)系得到了一種計(jì)算含沙水剝蝕率的方法；Abrahams等[9]認(rèn)為由于含沙量的增加，用于搬運(yùn)泥沙的徑流動(dòng)能減少，加之顆粒之間碰撞機(jī)會(huì)增大，容易形成推移質(zhì)，降低了顆粒輸移速度，使得渾水的速度與含沙量呈負(fù)相關(guān)；李君蘭等[10]通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)徑流對(duì)坡面存在剝蝕和沉積過量泥沙交替的坡段，在此坡段隨坡長的增加不會(huì)使含沙量變化，不發(fā)生侵蝕。

本文采用野外人工放水沖刷試驗(yàn)方法，對(duì)黃河班多水電站工程區(qū)原生地面荒草地水流含沙量變化過程進(jìn)行研究，為工程區(qū)水土流失治理決策提供依據(jù)，并為工程區(qū)原生地面的侵蝕過程研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

黃河班多水電站屬于黃河干流龍羊峽以上茨哈至羊曲河段規(guī)劃的第2個(gè)梯級(jí)電站，位于青海省海南州興海縣與同德縣交界處的班多峽谷出口處，工程區(qū)地處內(nèi)陸高原，屬于青藏高原氣候系統(tǒng)，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、冷季較長，熱量少、降雨少、風(fēng)沙大，暖季水汽豐富、降雨量相對(duì)較多，多年平均降水量為425.2 mm。壩址區(qū)占地面積171.89 hm2，兩岸地形平緩，階地發(fā)育，其原始地面包括農(nóng)地、荒草地、河灘地、河灘蓋沙地四類，其中，荒草地分布面積最大，荒草地坡面的植被覆蓋度均小于30%，地面組成物質(zhì)為第四紀(jì)沉積物，土石混雜，礫石含量高，試驗(yàn)前期土壤含水量為12.5%，土壤容重為1.09 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 試驗(yàn)小區(qū)：由1 mm厚的鋼板插入地面以下0.15 m圍成，鋼板高出地面0.10 m，試驗(yàn)小區(qū)投影面積4 m×0.5 m；

(2) 試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)供水系統(tǒng)主要設(shè)備包括水泵和溢流箱等。供水系統(tǒng)中，汽車載水箱將從水源地運(yùn)至試驗(yàn)地，發(fā)電機(jī)帶動(dòng)水泵將水通過水管抽到溢流箱，供水流量大小通過安裝在揚(yáng)程水管出口的控制閥調(diào)節(jié)。溢流箱置于小區(qū)頂端，并嵌入地面一定深度，使溢流面與小區(qū)坡面剛好接觸。通過溢流箱對(duì)水管出流的消能緩沖等作用，保證流入小區(qū)的水流為均勻薄層狀水流；

(3) 試驗(yàn)過程與觀測(cè)：首先進(jìn)行供水流量的率定，以確保供水流量達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。整個(gè)試驗(yàn)過程中，開始產(chǎn)流到試驗(yàn)結(jié)束期間，在小區(qū)出口處定時(shí)收集徑流泥沙樣進(jìn)行觀測(cè)。開始產(chǎn)流時(shí)取樣一次，產(chǎn)流后的前6 min，分別每隔1 min，2 min，3 min取一次樣，以后皆每隔3 min取一次樣，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)再取一次。試驗(yàn)結(jié)束后，用量筒測(cè)定徑流泥沙樣體積，經(jīng)沉淀并用工業(yè)酒精燒干后稱重測(cè)定取樣泥沙重量；

(4) 試驗(yàn)場(chǎng)次：同一坡度(22°)、不同供水流量(4，6，8，10，12 L/min)共5場(chǎng)，同一供水流量(10 L/min)不同坡度(4°，13°，22°，29°，37°)5場(chǎng)，每場(chǎng)歷時(shí)30 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 水流含沙量隨時(shí)間的變化

2.1.1 不同供水流量條件下水流含沙量隨時(shí)間的變化 將不同供水流量條件下荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖1，相關(guān)分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，不同供水流量條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化皆可用冪函數(shù)相關(guān)方程描述。通過對(duì)圖1進(jìn)行分析，在相同投影坡長、坡度，不同供水流量條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化整體呈減小的趨勢(shì)。在產(chǎn)流開始的5 min內(nèi)，水流含沙量隨時(shí)間的變化急劇下降，隨后下降緩慢，約15 min后趨于平緩、穩(wěn)定，且各供水流量下差異極小。

由于產(chǎn)流初期，荒草地自然坡面表層有一些散碎的土粒，這些土粒在產(chǎn)流出現(xiàn)并發(fā)生沖刷和搬運(yùn)時(shí)，自然就出現(xiàn)了產(chǎn)流含沙量很高的現(xiàn)象，隨著時(shí)間的進(jìn)行，產(chǎn)流增加，而松土減少，必然出現(xiàn)相對(duì)水多沙少的現(xiàn)象，產(chǎn)流中侵蝕攜帶泥沙的含量自然減小，一定時(shí)間后由于產(chǎn)流穩(wěn)定，土石混雜、含石量高的第四紀(jì)沉積物中可供產(chǎn)流侵蝕攜帶的土壤物質(zhì)也已很少，所以各供水流量下的產(chǎn)流含沙量必然很小、變化平緩、穩(wěn)定，且差異極小。

圖1 不同流量下坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化

投影坡長/cm坡度/(°)供水流量/(L·min-1)經(jīng)驗(yàn)方程相關(guān)系數(shù)400224G=140.55t-2.00420.89400226G=34.803t-1.33530.94400228G=21.681t-1.17370.914002210G=87.720t-1.50510.974002212G=82.921t-1.49130.90

注：G為含沙量(kg/m3)；t為時(shí)間(min)。

2.1.2 不同坡度條件下水流含沙量隨時(shí)間的變化 將不同坡度條件下荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖2，相關(guān)分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，不同坡度條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化皆可用冪函數(shù)相關(guān)方程描述。通過對(duì)圖2進(jìn)行分析，在相同投影坡長、供水流量，不同坡度條件下，荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間變化整體呈減小的趨勢(shì)。在產(chǎn)流開始的5 min內(nèi)，水流含沙量隨時(shí)間變化下降的很快，隨后變化基本趨于穩(wěn)定緩慢下降，也在大約15 min后，變化趨于平緩、穩(wěn)定，且各供水流量下差異極小。

圖2 不同坡度下坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化

投影坡長/cm供水流量/(L·min-1)坡度/(°)經(jīng)驗(yàn)方程相關(guān)系數(shù)400104G=31.073t-1.31820.924001013G=31.208t-1.42620.984001022G=87.720t-1.50510.974001029G=112.3t-1.28030.854001037G=210.09t-1.3050.98

注：G為含沙量(kg/m3)；t為時(shí)間(min)。

不同坡度條件下荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化與不同供水流量條件下水流含沙量的變化過程具有相似性，都是含沙量隨著供水的進(jìn)行呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。主要區(qū)別在于不同坡度條件下，水流含沙量隨時(shí)間在產(chǎn)流后5 min內(nèi)迅速下降，隨后下降減緩，直至約15 min后趨于平緩、穩(wěn)定，且各供水流量下差異極小。而不同供水流量條件下，水流含沙量隨時(shí)間在產(chǎn)流后5 min內(nèi)也迅速下降，但幅度不及前者，5 min以后下降也減緩，但要大于前者，并直至約15 min后趨于平緩、穩(wěn)定，且各供水流量下差異極小。

2.2 供水流量對(duì)水流含沙量的影響

將不同供水流量條件下，荒草地坡面次平均水流含沙量隨供水流量變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖3。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，次平均水流含沙量隨供水流量的變化可用拋物線相關(guān)方程來描述，其經(jīng)驗(yàn)方程為：G=0.3256Q2-4.8114Q+23.921 (R=0.69)

(1)

式中：G——次平均水流含沙量(kg/m3)；Q——供水流量(L/min)。

從圖3可以看出，荒草地坡面次平均水流含沙量隨供水流量的變化存在一個(gè)臨界值，通過計(jì)算得出該值對(duì)應(yīng)的供水流量為7.388 5 L/min，供水流量小于7.388 5 L/min時(shí)，次平均含沙量隨供水流量的增大而減少，表明沙相對(duì)于水減少；供水流量大于7.388 5 L/min時(shí)，次平均含沙量隨供水流量的增大而增大，表明沙相對(duì)于水增多。

坡面產(chǎn)流侵蝕過程也是水沙變化的消漲過程。供水流量小于臨界流量時(shí)，坡面產(chǎn)流小，侵蝕能力有限，侵蝕隨供水流量增加的增大速率相對(duì)小于產(chǎn)流隨供水流量增加的增大速率，所以次平均水流含沙量隨著供水流量增加而減??；供水流量大于臨界流量時(shí)，坡面產(chǎn)流大，侵蝕能力強(qiáng)，侵蝕隨供水流量增加的增大速率相對(duì)大于產(chǎn)流隨著供水流量增加的增大速率，所以次平均水流含沙量隨著供水流量增加而增大。

圖3 供水流量對(duì)坡面水流含沙量的影響

2.3坡度對(duì)水流含沙量的影響

將不同坡度條件下，荒草地坡面次平均水流含沙量隨坡度變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖4，可以看出，次平均水流含沙量隨坡度的增大而增加。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析得出，次平均水流含沙量隨坡度的變化可用指數(shù)相關(guān)方程來描述，其經(jīng)驗(yàn)方程為：

G= 2.6577e0.0751S(R= 0.9916)

(2)

式中：G——次平均水流含沙量(kg/m3)；S——坡度(°)。

圖4 坡度對(duì)坡面水流含沙量的影響

隨著坡度的增大，坡面產(chǎn)流量增大，但增大的產(chǎn)流其侵蝕能力增強(qiáng)，而坡度增大后，土體的穩(wěn)定性下降，土壤的抗侵蝕性減弱，結(jié)果侵蝕強(qiáng)度也增大。由于坡度對(duì)侵蝕的雙重增大作用，使坡面侵蝕隨坡度的增大速率相對(duì)大于坡面產(chǎn)流隨坡度的增大速率，因此，次平均水流含沙量隨坡度的增大就必然增加。

2.4 供水流量及坡度對(duì)水流含沙量的影響

通過對(duì)不同供水流量、坡度條件下，水流含沙量的全部試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得出二因子綜合作用描述方程為：

G=-23.673+1.1543S+1.3896Q

(R=0.8474；F=8.9186>F0.025(2,7)≈6.54)

(3)

式中：G——次平均水流含沙量(kg/m3)；S——坡度(°)；Q——供水流量(L/min)。

模擬與檢驗(yàn)結(jié)果表明，荒草地坡面次平均水流含沙量隨坡度、供水流量的動(dòng)態(tài)變化可用二元線性方程描述。式(3)表明，供水流量與坡度兩個(gè)因子對(duì)次平均水流含沙量的影響基本相當(dāng)，供水流量的影響稍大于坡度。

3 結(jié) 論

(1) 不同供水流量與不同坡度下，荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化皆可用冪函數(shù)相關(guān)方程描述，含沙量隨時(shí)間的變化整體呈減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

(2) 不同坡度下荒草地坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化與不同供水流量下水流含沙量的變化過程主要區(qū)別在于：不同坡度下，水流含沙量隨時(shí)間在產(chǎn)流后5 min內(nèi)迅速下降，隨后下降減緩，直至約15 min后趨于平緩、穩(wěn)定，且各供水流量下差異極小。而不同供水流量下，水流含沙量隨時(shí)間在產(chǎn)流后5 min內(nèi)也迅速下降，但幅度不及前者，5 min以后下降也減緩，但要大于前者，并直至約15 min后趨于平緩、穩(wěn)定，且各供水流量下差異極小。

(3) 不同供水流量下，荒草地坡面次平均水流含沙量隨供水流量的變化可用拋物線相關(guān)方程來描述，其變化存在一個(gè)臨界供水流量7.388 5 L/min；不同坡度下，坡面次平均水流含沙量隨坡度的增大而增加，可用指數(shù)相關(guān)方程來描述；坡面水流含沙量隨坡度、供水流量的動(dòng)態(tài)變化可用二元線性方程很好地描述。供水流量與坡度對(duì)坡面水流含沙量的影響基本相當(dāng)。

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ExperimentalStudyonVariationsofSedimentConcentrationinWaterFlowonWasteGrasslandinBanduoHydropowerStationConstructionAreaofYellowRiver

ZHANG Xiao-zhong1, WANG Sha2,3, SHEN Nan2,3, MA Chun-yan2,3

(1.ShaanxiProvincialInstituteofSoilandWaterConservationSurveyandPlanning,Xi′an710004,China; 2.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Waste grassland is the main primary land type in the construction area of Banduo hydropower station of the Yellow River. Elucidating variations of sediment concentrations in water flow in the processes of runoff and sediment yield may provide an important basis for the quantitative evaluation of soil and water loss in the area. The variations of sediment concentrations over waste grassland were studied by a field scouring experiment conducted in the construction area of Banduo hydropower station of the Yellow River. Results showed that in the case of different added discharges, sediment concentration varies with added water discharge and manifests a trend of the overall decrease and eventual steady sate, which can be well described by using a power equation. At different slope degrees, sediment concentration also shows an overall decreasing trend and finally approaches to a steady state in 15 min after water is added. The variations of different slope degrees are basically consistent and can be also well described by using a power equation. Comparatively, a major difference is that the decreased rate of sediment concentration in the case of different slope degrees is greater that in the case of different discharges 5 min after runoff generated and later on, less than that in the case of different discharges. The variation of the average sediment concentration with added discharge can be well described by using a parabolic equation and the critical discharge for an abrupt change is found to be 7.388 5 L/min. The average sediment concentration increases rapidly with rise of slope degree, which can be well described by an exponential equation. The variation of the average sediment concentration with slope degree and added discharge can be well described by using a dual power equation.

Yellow River; Banduo hydropower station; construction area; waste grassland; sediment concentration

2012-06-28

：2013-07-24

張孝中(1961—),男,陜西澄城人，碩士,高級(jí)工程師,主要從事于水土保持研究。E-mail:zxz211@126.com

王莎(1987—),女,碩士生,主要從事于土壤侵蝕過程研究。E-mail:wangsha525@sina.com

S157

：A

：1005-3409(2014)02-0072-04