工程堆积体流速及产沙特征对坡长及砾石作用响应.pdf

第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 1 资助项目:国家自然科学基金项目(4 2 0 0 7 0 7 9,4 1 7 0 1 3 1 6)第一作者:李魁(1 9 7 9),硕士,高级工程师,主要从事城市规划与人文地理研究。E-m a i l:6 8 2 4 9 4 9 7q q.c o m 通信作者:王文龙(1 9 6 4),男,博士,研究员,博导,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-m a i l:w l w a n g n w s u a f.e d u.c n 工程堆积体流速及产沙特征对坡长及砾石作用响应李 魁1,2,王文龙1,李建明3(1.西北农林科技大学水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.杨凌示范区行政审批服务局,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;3.长江水利委员会长江科学院,武汉4 3 0 0 1 0)摘要:随着经济社会的高速发展以及工程建设项目的快速递增,大量生产建设项目扰动地表并破坏原地貌植被,大范围且不平衡的挖填活动使得多余的土石混合堆积,尤其在山区工程建设形成的多余土石混合介质,堆积在沟道和河道上游及边坡,在强降雨条件下易发生严重水土流失,甚至造成滑坡、泥石流等灾害。以人为重塑工程堆积体为研究对象(坡度2 5),通过模拟降雨试验,开展极端降雨条件下(降雨强度为2.5mm/m i n)不同坡长(3,5,6.5,1 2m)及砾石质量分数(0,1 0%,2 0%,3 0%)共同作用对堆积体流速空间分布特征及产沙特性影响的研究。结果表明:(1)坡长1 2m时流速在降雨全过程始终处于波动状态,随砾石质量分数增大,波动幅度减小,而坡长3,5,6.5m下的流速随产流历时呈先递增后趋于稳定的变化趋势。中下坡位平均流速是中上坡位的1.1 21.5 4倍,随着坡长增大,平均流速递增1 7.8 1%3 3 5.9 4%,含砾石堆积体平均流速较纯土堆积体降低2 2.8 8%5 4.6 7%,砾石质量分数比坡长对流速影响更显著。(2)纯土堆积体平均侵蚀速率随坡长显著增大,递增幅度达7.8 8%8 7.6 7%,而含砾石堆积体随坡长增大在35m呈下降趋势,降低9.1 0%2 8.8 6%,但随后又显著增大,存在1个临界坡长。坡长为6.5,1 2m的堆积体平均侵蚀速率较3m增大2 2.3 3%1 2 2.4 8%。砾石具有显著降低堆积体坡面侵蚀效果,其减沙效益达到2 4.9 9%5 9.5 4%,且砾石对堆积体平均侵蚀速率影响的贡献是坡长的1.1 3倍。(3)堆积体坡面中上坡位流速对侵蚀速率影响大于中下坡位,平均侵蚀速率与流速之间呈极显著相关,流速可作为平均侵蚀速率的表征参数,其线性拟合关系较好(R2=0.6 70.9 5)。研究成果进一步深化了土壤侵蚀学科内涵,可为生产建设项目工程堆积体侵蚀预测模型提供数据基础,同时也为阐明工程扰动坡面侵蚀内在机制提供理论依据。关键词:堆积体;砾石质量分数;不同坡长;流速空间分布;侵蚀中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 0 4 8-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 0 6R e s p o n s eo fV e l o c i t ya n dS e d i m e n tP r o d u c t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fS p o i lH e a p s t oS l o p eL e n g t ha n dG r a v e lA c t i o nL IK u i1,2,WANG W e n l o n g1,L I J i a n m i n g3(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n go nt h eL o e s sP l a t e a u,I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0;2.N a t u r a lR e s o u r c e sa n dP l a n n i n gB u r e a uo fY a n g l i n gD e m o n s t r a t i o nA r e a,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0;3.Y a n g t z eR i v e rA c a d e m yo fS c i e n c e s o fY a n g t z eR i v e rW a t e rR e s o u r c e sC o mm i s s i o n,W u h a n4 3 0 0 1 0)A b s t r a c t:L a r g en u m b e ro fp r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o np r o j e c t sd i s t u r bt h es u r f a c ea n dd e s t r o yt h eo r i g i n a ls u r f a c ev e g e t a t i o nw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t ya n dt h er a p i di n c r e a s eo fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o np r o j e c t s.L a r g e-s c a l ea n du n b a l a n c e de x c a v a t i o na n d f i l l i n gm a k ee x c e s s s o i l a n dr o c km i x e da n da c c u m u l a t e d.T h e e x c e s s s o i l-r o c km i x e dm e d i a f o r m e d i nt h ec o n s t r u c t i o no fm o u n t a i np r o j e c t sa r ea c c u m u l a t e di nt h eu p s t r e a ma n ds l o p eo fd i t c h e sa n dr i v e r s,w h i c hi sp r o n et os e r i o u ss o i l a n dw a t e r l o s su n d e rh e a v yr a i n f a l lc o n d i t i o n s,a n de v e nc a u s ed i s a s t e r ss u c ha sl a n d s l i d e sa n dd e b r i sf l o w s.T h i ss t u d yt o o kt h ea r t i f i c i a l l yr e m o l d e ds p o i lh e a p s(w i t has l o p ed e g r e eo f 2 5)a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,a n dc a r r i e do u t t h e r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo f s l o p e l e n g t h(3m,5m,6.5m,1 2m)a n dg r a v e l c o n t e n t(0,1 0%,2 0%,3 0%)o nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t ya n ds e d i m e n ty i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fs p o i lh e a p su n d e re x t r e m er a i n f a l lc o n d i t i o n s(w i t har a i n f a l l i n t e n s i t yo f2.5 mm/m i n)t h r o u g ht h es i m u l a t e dr a i n f a l lt e s t.R e s u l t ss h o w e d:(1)T h ef l o w v e l o c i t y w a si naf l u c t u a t i n gs t a t ed u r i n gt h e w h o l er a i n f a l lp r o c e s s,a n dt h ef l u c t u a t i o na m p l i t u d ed e c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo fg r a v e lc o n t e n ta n d m a s sf r a c t i o nu n d e rs l o p el e n g t hb y1 2 m.H o w e v e r,t h e f l o wv e l o c i t yu n d e r t h e s l o p e l e n g t ho f 3m,5ma n d6.5mi n c r e a s e da t f i r s t a n d t h e n t e n d s t ob es t a b l ew i t ht h e r u n o f f d u r a t i o n.T h ea v e r a g ev e l o c i t yo f t h em i d d l ea n d l o w e r s l o p ew a s 1.1 2t o1.5 4t i m e st h a to f t h em i d d l ea n du p p e rs l o p e.W i t ht h e i n c r e a s e do f t h es l o p e l e n g t h,t h ea v e r a g ev e l o c i t yo f t h ef l o wi n c r e a s e db y1 7.8 1%t o3 3 5.9 4%,a n d t h ea v e r a g ev e l o c i t yo f s p o i l h e a p sw i t hg r a v e lw a s 2 2.8 8%t o5 4.6 7%l o w e r t h a nt h a to f t h ep u r es p o i lh e a p s.T h em a s sf r a c t i o no fg r a v e lh a dm o r es i g n i f i c a n te f f e c to nt h ef l o wv e l o c i t yt h a nt h es l o p e l e n g t h.(2)T h ea v e r a g es o i l l o s s r a t eo fp u r es p o i lh e a p s i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h es l o p e l e n g t h,w i t ha n i n c r e m e n t o f 7.8 8%t o8 7.6 7%.H o w e v e r,t h eg r a v e l-b e a r i n gs p o i l h e a p sd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fs l o p el e n g t hf r o m3t o5 m(d e c r e a s e db y9.1 0%t o2 8.8 6%),b u tt h e ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y.T h e r e i sac r i t i c a ls l o p el e n g t h.T h ea v e r a g es o i l l o s sr a t eo fs p o i lh e a p sw i t hs l o p el e n g t ho f6.5ma n d1 2mi s2 2.3 3%t o1 2 2.4 8%h i g h e rt h a nt h a to fs l o p el e n g t ho f3m.G r a v e lc o u l ds i g n i f i c a n t l yr e d u c e t h es l o p ee r o s i o no f s p o i l h e a p s,a n d i t s s e d i m e n t r e d u c t i o ne f f i c i e n c y r e a c h e d2 4.9 9%t o5 9.5 4%.T h ec o n t r i b u t i o nr a t eo fg r a v e lt ot h ea v e r a g es o i l l o s sr a t eo fs p o i lh e a p sw a s1.1 3t i m e so ft h es l o p el e n g t h.(3)T h e i m p a c to f f l o wv e l o c i t yo nt h es o i l l o s sr a t ei nt h eu p p e ra n dm i d d l es l o p eo ft h es p o i lh e a p sw a sg r e a t e r t h a nt h a t i nt h e l o w e ra n dm i d d l es l o p e.T h e r ew a sas i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea v e r a g es o i ll o s s r a t ea n df l o wv e l o c i t y.T h e f l o wv e l o c i t yc o u l db eu s e da sac h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f t h ea v e r a g es o i ll o s sr a t e,a n d i t s l i n e a r f i t t i n gr e l a t i o n s h i p(R2w a s 0.6 7t o0.9 5).T h e r e s u l t s f u r t h e rd e e p e n t h e c o n n o t a t i o no f s o i le r o s i o nd i s c i p l i n e,w h i c hc a np r o v i d ed a t ab a s i sf o rt h ep r e d i c t i o n m o d e lo fs p o i lh e a p se r o s i o no fc o n s t r u c t i o np r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o np r o j e c t s,a n da l s op r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r c l a r i f y i n g t h e i n t e r n a lm e c h a n i s mo f e n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c es l o p ee r o s i o n.K e y w o r d s:s p o i l h e a p s;m a s s f r a c t i o no f g r a v e l;d i f f e r e n t s l o p e l e n g t h s;s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y;e r o d e 生产建设项目工程堆积体作为人为加速侵蚀的主要地貌单元代表1-2,其水土流失不仅影响项目区生态环境,甚至易引发地质灾害,对人员生命和财产安全造成威胁3。近2 0年来,针对生产建设项目工程堆积体的研究受到广泛关注4-5。其中砾石和地形因子是影响堆积体坡面水文和产沙的重要内因,而降雨及其形成的径流是导致堆积体坡面侵蚀的主要外营力6-7。目前的研究8主要集中在不同因素对堆积体坡面径流和产沙方面开展,对流速及水动力方面也有一定研究9。同时,对于极端降雨天气下导致的水土流失也开展相关研究,但以暴雨发生后对坡耕地、淤地坝以及不同侵蚀形式的影响为主1 0,对于极端降雨条件下对工程扰动坡面的影响研究较少,尤其是受砾石及地形因子综合影响,对流速空间分布及侵蚀产沙的研究目前仍较薄弱。坡面流速是综合反映降雨、径流及产沙在侵蚀过程中变化的水力参数,能间接反映坡面侵蚀形态变化过程,同时也是计算其他水力学指标的重要参数。已有的研究大部分针对均质坡面研究流速在降雨过程中随产流历时的变化规律,以及不同地形条件下的流速特征。米宏星等1 1采用室内放水冲刷试验研究1 2m坡长不同坡位细沟流速特征认为,随着坡长延长,下坡位水流势能转化为动能增加,流速在一段坡长内随坡长的增大而波动递增,且递增速度逐渐减小,流速作为研究降雨径流与微地貌关系的主变量,可以解释坡面水力侵蚀过程;李勉等1 2研究认为,流速在坡面动态变化受坡长影响,距坡顶34m流速达到最大;侵蚀过程中坡面侵蚀形式的改变对坡面径流流速分布及大小产生一定影响,较多研究1 3-1 5针对浅沟、细沟流速特征进行相应研究,并取得系列成果。针对坡长对坡面侵蚀的研究较多,张宏鸣等1 6研究认为,坡长决定坡面水流能量的沿程变化及水流泥沙的运移规律,是影响坡面侵蚀的重要因子;付兴涛等1 7采用室内人工模拟降雨试验研究15m共5个坡长下红壤侵蚀特征,结果表明,相同降雨强度下侵蚀量随坡长呈幂函数增加,但坡长延长相同长度时,产沙量不呈比例增加;王玲玲等1 8通过野外径流冲刷试验研究水蚀风蚀交错区等比例3个坡长侵蚀过程表明,坡长增大,平均流速略有增加,侵蚀速率随坡长增加呈现“侵蚀搬运”和“侵蚀沉积”的交替现象,大小呈先增大后减小趋势;B a r b o s a等1 9研究认为,坡长对侵蚀大小的影响存在临界条件,侵蚀量随坡长增大94第5期 李魁等:工程堆积体流速及产沙特征对坡长及砾石作用响应既可能增强也可能减弱2 0;王龙生等2 1、覃超等2 2研究细沟发育坡面侵蚀随坡长变化特征,得出的结果受研究方法及对象差异有所不同。而生产建设项目下垫面各异,人为扰动作用强,使得形成的大量堆积体侵蚀过程流速及产沙特征较均质下垫面有所差异,其中砾石的作用较显著。陈丽燕等2 3通过室内水槽试验,采用电解质脉冲法及染色剂示踪法研究含砾石层流速在不同坡度、坡长、流量下的特征表明,流速随坡度的增大显著增大,流量对流速影响不显著,平均流速与优势流速比值与坡长呈正相关;符素华等2 4在室内人工降雨条件下,采用染色剂示踪法研究砾石覆盖下褐土水流流速表明,水流流速和土壤侵蚀量随砾石覆盖度的增加呈指数递减;韩珍等2 5采用室内人工模拟降雨试验研究6种不同碎石含量下紫色土坡面流速及产沙特征表明,碎石含量对流速随降雨历时变化影响不显著,下坡位平均流速大于上坡位,总体随砾石含量增大,平均流速递减,且土壤中碎石混合通过改变土壤的物质组成和结构,增强土壤的抗蚀性和抗冲性,进而减少土壤流失,降低侵蚀速率。然而,综合研究坡长及砾石共同作用下导致坡面径流产沙的影响,目前报道较少。坡长及砾石的共同作用造成坡面流速及产沙特性发生改变,可能是由于重塑侵蚀下垫面在降雨过程中形态发生改变,跌坎、细沟等发生及发展也是导致侵蚀特征发生改变的重要原因2 6。综上,目前针对均质及堆积体坡面的流速、产沙已有一定研究,但针对坡长及砾石共同作用下堆积体在强降雨下的流速空间分布特征及侵蚀特性的研究仍较薄弱。本文研究极端降雨条件下,坡长及砾石共同作用对堆积体坡面流速空间分布特征及侵蚀产沙特性的影响,对于明确堆积体侵蚀内在机理具有重要理论意义。1 材料与方法1.1 堆积体模型构建生产建设项目受人为扰动显著,形成的堆积体形态、物质组成、地形条件等方面均有较大差异,且南北方土壤质地差异较大,也造成堆积体降雨过程的侵蚀状况发生改变。本文针对黄土高原地区大量正在开展的生产建设项目进行实地调查,记录堆积体的形态、地形(坡度、坡长)、物质组成(重点测量堆积体中砾石质量百分比)等基础数据。结果表明,人为堆积物质形态多样,但都可以划分为细小的二维单元。根据统计分析2 7表明,堆积体的坡度和坡长主要分布在2 0 4 7 和11 2m,而砾石质量分数所占的比例大部分小于4 0%。通过文献资料搜集,以及相关学者开展模拟降雨试验(降雨强度主要在6 01 5 0mm/h)6-7,2 8,进一步参考国家防汛抗旱总指挥部编制的 防汛手册 中对降雨强度等级划分标准(其中1 2h降水总量超过1 4 0mm划分为特大暴雨),本试验设计人工模拟降雨强度为2.5mm/m i n,堆积体坡度为2 5,鉴于室内试验条件与野外堆积体的实际情况,坡长设置为3,5,6.5,1 2m,砾石质量分数设计为0,1 0%,2 0%,3 0%。试验开展人工模拟降雨场次为1(降雨强度)1(坡度)4(坡长)4(砾石质量分数),共计1 6场。对各场次试验结果进行校正,若数据偏差较大,则舍弃该场试验,重复1次,以保证数据的准确性和真实性。1.2 试验材料与装填工艺所用土壤选自陕西杨凌周边非耕作层,挖取表层5 0c m以下的土壤,使其更加接近生产建设项目工程堆积体实际扰动情况。所取土样运输至试验场所后在室外平铺自然风干,人工过6mm网筛,剔除块石及杂物。试验所用土壤经M a l v e r n M S 2 0 0 0测定颗粒机械组成,其中0.0 0 2,0.0 0 20.0 2,0.0 20.0 5,0.0 5 0.1 0mm的颗粒占比分别为2 2.6 6%,4 4.7 3%,2 9.1 3%和3.4 8%,根据国际土壤质地分类标准,归为壤土,有机碳质量分数为0.7 9%。试验砾石为高速公路滑坡体块石,经机械粉碎,依据野外堆积体可被侵蚀搬运块石粒径大小,划分粒径1.5g/c m3,以防试验过程发生滑塌;表层1 0c m装填后不夯实,刮板刮平松土,模拟真实堆积体的疏松态。装填完后将坡度调至2 5,放置2 4h自然沉降后进行降雨。平均容重及含水率均值分别为1.3 6g/c m3和9.5 4%,标准差为-0.0 50.0 5g/c m3和-1.4 0%2.2 6%。1.3 人工模拟降雨试验与指标测定试验在中国科学院水土保持研究所人工模拟降05水土保持学报 第3 7卷雨大厅下喷区进行,降雨高度、雨滴速度及均匀度等均能满足试验要求。试验开始前,采用6个雨量筒在试验区域范围率定降雨强度,收集3m i n时段内降雨量,计算平均降雨强度及均匀度,至误差控制在5%内开始正式试验。降雨强度率定完成后,迅速揭开遮雨布,并开始计时,至坡面形成股流并流出集流槽,记录产流 起 始 时 间。产 流 开 始 后 降 雨 时 间 设 置4 5m i n,前3m i n每1m i n分别接取1个径流样和1个泥沙样,分别读取体积及质量,产流开始3m i n后直至4 5m i n,每隔3m i n分别接取1个径流样和泥沙样,合计每场试验收集径流泥沙数据1 7个。含沙量、土壤含水量和土壤容重采用经典烘干法测定。降雨过程中还需测定小区各个断面的水力学参数,主要测定径流流速、径流深、径流宽和水温等。本试验根据坡长不同,各场次小区设置的观测断面个数有差异,3m时在小区上、下断面共设置2个1.0m的观测断面(中上坡位、中下坡位),5m时在小区上、下断面共设置2个1.5m的观测断面(中上坡位、中下坡位),6.5m时在小区上、中、下部共设置3个1.5m的观测断面(上坡位、中坡位、下坡位),而1 2m时在小区由上至下共设置4个2.0m的观测断面(上坡位、中上坡位、中下坡位、下坡位),各断面流速测3次取均值,测定时段与径流、泥沙样接取同步进行,流速测定采用高锰酸钾溶液测得表面最大流速,乘以系数0.7 5得到较为理想的平均流速,进一步将各断面的流速求平均作为小区平均断面流速2 9。径流深和径流宽用薄钢尺人工测定,并通过径流量进行率定。2 结果与分析2.1 流速空间分布特征对坡长及砾石作用的响应图1为不同坡长及砾石质量分数下堆积体不同坡位流速随产流历时的变化。总体来看,在坡长1 2m时,不同坡位流速随产流历时呈前3m i n波动递增,随后趋于相对稳定,且后期流速大部分接近或0.2 0m/s。而在坡长为1 2m时,不同坡位流速随产流历时均有不同程度的波动,含砾石堆积体波动幅度较纯土堆积体小,总体呈现为随砾石质量分数增大波动幅度下降。分析纯土堆积体瞬时流速变化范围,结果表明,坡长3m时,中上坡位、中下坡位的瞬时流速变化范围分别是0.0 50.1 1,0.1 40.1 9m/s;坡长为5m时2个坡位的流速变化范围分别为0.0 60.1 6,0.1 30.2 6m/s;坡长为6.5m时上坡位、中坡位和下坡位的流速变化范围分别为0.0 50.1 4,0.1 50.2 6,0.1 40.3 0m/s;坡长为1 2m时上坡位、中上坡位、中下坡位和下坡位的流速变化范围分别为0.1 3 0.2 4,0.3 31.0 7,0.4 00.7 0,0.4 80.8 2m/s。从变化幅度来看,3,5,6.5,1 2m次降雨过程中不同坡位瞬时流速的变化幅度分别为5.2 6%1 2 9.7 3%,7.1 3%1 7 2.9 3%,1.1 8%1 6 3.7 6%,0.8 0%2 2 1.0 0%,表明纯土堆积体不同坡位流速总体随坡长增大瞬时流速增大,其变化范围和幅度也增大。相较于纯土堆积体,含砾石堆积体不同坡位流速的变化范围和幅度均有所减小,在坡长3m时,含砾石堆积体(砾石质量分数1 0%,2 0%,3 0%)的瞬时流速变化范围和幅度分别为0.0 4 0.1 6m/s和0.6 5%1 8 5.1 9%,5m时的变化范围和幅度分别为0.0 60.3 3m/s和2.7 9%1 5 0.0 0%,6.5,1 2m时变化范围和幅度分别为0.0 60.2 7m/s,0.0 1%1 1 9.6 1%和0.1 0 0.8 3m/s,0.8 3%2 0 2.2 1%。为进一步分析坡长及砾石共同作用对堆积体坡面流速空间分布影响,计算各场次降雨条件下的平均流速(表1)。总体来看,3m时,中上坡位和中下坡位平 均 流 速 均 呈 现 为 砾 石 质 量 分 数2 0%1 0%(3 0%)0;5m时中上坡位和中下坡位分别呈现为3 0%2 0%1 0%(0)和2 0%3 0%0 1 0%,6.5m时上坡位和下坡位的平均流速呈现为1 0%3 0%2 0%0,中坡位呈现为2 0%1 0%3 0%0;1 2m时上坡位、中下坡位和下坡位均呈现为3 0%1 0%2 0%0,中上坡位呈现为3 0%2 0%1 0%0。结果表明,不同坡长条件下,平均流速总体均呈现为含砾石堆积体小于纯土堆积体,即砾石具有减缓径流的作用。剔除坡长因素,砾石质量分数0,1 0%,2 0%,3 0%中上坡位、中下坡位(其中6.5m为上坡位和下坡位)的平均流速分别为0.2 4,0.1 5,0.1 4,0.1 1m/s和0.2 7,0.1 9,0.2 1,0.1 7m/s,2个坡位上含砾石堆积体平均流速较纯土堆积体分别降低3 9.7 3%5 4.6 7%和2 2.8 8%3 8.0 1%,且中下坡位平均流速是中上坡位的1.1 2 1.5 4倍。剔除砾石质量分数影响,3,5,6.5,1 2m中上坡位和中下坡位的平均流速分别为0.0 8,0.1 1,0.0 9,0.3 5m/s和0.1 3,0.1 7,0.2 0,0.3 4m/s,即随着坡长增大,平均流速总体增大,2个坡位上流速增大幅度分别为1 7.8 1%3 3 5.9 4%和1 1 0.6 3%3 2 8.1 3%,坡长1 2m的流速相较于其他坡长下均显著增大,且中下坡位平均流速是中上坡位的0.9 82.0 7倍。差异性分析结果表明,砾石质量分数对堆积体平均流速的影响在纯土堆积体和含砾石堆积体之间总体呈极显著差异(p0.0 5)。坡长对堆积体平均流速的影响主要体现在1 2m坡长与其他坡长(3,5,6.5m)之间,且差异性显著(p0.0 5)。相关分析表明,堆积体平均流速与坡长及砾石质量分数均呈显著相关性,相关系数分别为0.7 8(p0.0 1)和0.3 1(p0.0 1)。15第5期 李魁等:工程堆积体流速及产沙特征对坡长及砾石作用响应图1 不同坡长下堆积体流速随产流历时变化 采用线性迭代回归分析表明,堆积体坡面流速(不同坡位的均值)与坡长及砾石质量分数间呈多元线性关系,见公式(1)。相对于坡长,砾石质量分数对流速的影响更显著,相同条件下砾石质量分数对流速的影响显著大于坡长。V=0.3 1Di+0.0 3L-0.2 5,R2=0.7 0,F=3 1 4.1 7,p0.0 1,n=2 7 2(1)式中:V为流速(m/s);L为坡长(m);Di为砾石质量分数(%),0,1 0%,2 0%,3 0%对应分别取值1.0,0.9,0.8,0.7。2.2 坡长及砾石对侵蚀速率的影响图2为不同坡长及砾石质量分数下堆积体侵蚀速率随产流历时的变化。在砾石质量分数为0时,产流前3m i n,不同坡长下侵蚀速率呈递减趋势,随后总体呈现递增趋势,其间出现不同程度波动,6.5m时在产流后期的波动尤其显著,其4 2m i n的瞬时侵25水土保持学报 第3 7卷蚀速率10 4 2.3 0g/(m2m i n)甚至超过1 2m坡长的瞬时侵蚀速率8 0 8.4 5g/(m2m i n)。随坡长增大,相同时段内后4 2m i n平均侵蚀速率较前3m i n递增幅度分别为7 7.4 8%,1 4 4.4 2%,3 6 3.1 4%,1 0 3.5 0%。在产流2 1m i n之前,瞬时侵蚀速率总体呈现为5m3.5m6.5m1 2m,且1 2m的瞬时侵蚀速率相较于其他坡长显著增大;但在产流2 1m i n之后,总体呈现为3.5m5m6.5m1 2m,但该阶段1 2m坡长的瞬时侵蚀速率与其他坡长的差异减小。总体来看,强降雨条件下纯土堆积体在不同坡长条件下严重侵蚀发生在产流中后期,随着降雨历时延长和坡长增大,侵蚀量增大。表1 砾石及坡长共同作用下堆积体坡面平均流速及差异性分析坡长/m砾石质量分数/%上坡位平均流速/(ms-1)标准误显著性中上坡位平均流速/(ms-1)标准误显著性中坡位平均流速/(ms-1)标准误显著性中下坡位平均流速/(ms-1)标准误显著性下坡位平均流速/(ms-1)标准误显著性300.0 90B a0.1 70C a1 00.0 90.0 1B C a0.1 20D b2 00.0 70C b0.1 20.0 1C b3 00.0 70C b0.1 20D b500.1 20.0 1B a0.1 80C b1 00.1 20B a0.2 10.0 2B a2 00.1 10B c0.1 40C c3 00.0 80B C d0.1 50.0 1C c6.500.1 10.0 1B a0.2 00.0 1a0.2 20.0 1B a1 00.0 80C b0.1 80.0 1b0.1 80.0 1C c2 00.1 00B a0.1 40c0.2 00.0 1B a b3 00.0 90B b0.1 90.0 1a b0.1 80.0 1B b c1 200.1 90.0 1a0.6 50.0 5A a0.5 20.0 2A a0.7 40.0 2a1 00.1 50c0.2 90.0 2A b0.2 50.0 1A c0.3 90.0 2c2 00.1 70.0 1b0.2 70.0 1A b c0.3 80.0 2A b0.4 90.0 3b3 00.1 30d0.2 00.0 1A c0.2 20.0 1A c0.2 60.0 2d 注:表中大写字母(A B C D)代表相同砾石质量分数下不同坡长平均流速的差异性(3,5,1 2m为中上坡位和中下坡位,6.5m为上坡位和下坡位);小写字母(a b c d)代表相同坡长不同砾石质量分数平均流速差异性。其中,相同字母代表在显著性水平p0.0 5条件下无显著差异;而不同字母之间代表在显著性水平p0.0 5条件下呈显著差异。相对于纯土堆积体,含砾石堆积体的瞬时侵蚀速率随产流历时的变化呈现出不同的规律:在砾石质量分数为1 0%和3 0%时,产流前3m i n瞬时侵蚀速率迅速下降,随后在一定范围内波动变化,但砾石质量分数为2 0%的侵蚀速率总体在一定范围内波动变化。计算可知,砾石质量分数为1 0%时,3,5,6.5,1 2m产流后4 2m i n平均侵蚀速率相较于前3m i n递增幅度分别为-1 9.3 0%,1 5.3 3%,1 4.2 3%,3 4.0 3%,总体也是中后期 侵蚀速率更 大;在 砾 石 质 量 分 数 为2 0%时,4种坡长下递增幅度分别为3.2 2%,5 5.3 9%,-2 6.2 0%,3 9.5 4%,仍呈现出中后期侵蚀速率大于初期;然而,在砾石质量分数达到3 0%时,除5m的递增8 2.0 0%外,3,6.5,1 2m后4 2m i n平均侵蚀速率较前3m i n分别降低4 8.6 4%,1.6 5%,5.5 8%。综上所述,纯土堆积体和砾石质量分数不大于2 0%时,中后期的侵蚀相较于初期更加严峻。不同砾石质量分数及坡长共同作用下侵蚀速率总体表现为1 2m时最大;侵蚀过程中6.5m坡长的侵蚀速率部分时段超过1 2m,可能是由于侵蚀形式及侵蚀-沉积过程发生改变导致;而3,5m坡长下侵蚀速率在侵蚀过程中出现较长时间的交叠现象,由于堆积体堆积坡度陡,坡长3m时,径流挟带泥沙未来得及沉积即流出小区,产生相较于5m更大的流失。砾石质量分数对瞬时侵蚀速率也有显著影响。总体来看,砾石质量分数为0时,4种坡长下堆积体瞬时侵蚀速率的变化范围为3 5.9 2 10 4 2.3 0g/(m2m i n),变化幅度为2