（水利工程专业论文）黄河下游堤防暴雨径流侵蚀机理及排水沟设计方法研究.pdf

摘要 黄河下游堤防暴雨径流侵蚀机理及排水 沟设计方法研究 学科名称：水利工程研究生姓名： 导师姓名：乏b 毒 答辩日期：2 0 0 5 年1 0 月 摘要 舱弑 v 黄河l - i j ) 1 堤防暴雨径流侵蚀是i ：程管理中长期面临的问题之一，尽管以前针对这 个问题也挺山了对策措施，但囊止较为系统开展该项研究，力求从成因机理上探求堤 防水沟、跌窝发生发展规律朱见报道。本文根据黄河堤防暴雨径流侵蚀室内、室外 试验资判，运川相关学科的基本理论，对所获得的资料进行了分析，得出了关于堤防 暴雨径流侵蚀，茏其是水沟、跌窝方面的初步认识。基于这些认识提出了防治对策和 措施，以便能减轻暴雨径流对堤防的侵蚀危害，提高堤防的质量，促进堤防：r 程的规 范化管理。其主要研究成果为： ( 1 ) 降雨对戗坡的侵蚀。在相同雨强、相同历时、相同土壤条件下，侵蚀量与 雨强成非线性( 对数) 止比关系。即雨强越大，侵蚀量愈大：降雨历时越长，侵蚀量 越火；十壤湿度越火，侵蚀显并增加。 ( 2 ) 径流对戗坡的侵蚀。在相同雨强条件下黄河堤坊的侵蚀量与雨强、雨时， 戗坡以上汇聚水封或集水面积有关。总体而言有上游来水与无上游来水相比，前者产 生的侵蚀嚣明显人于后者二 ( 3 ) 堤防水沟、跌窝均为暴雨径流的产物，但二者的形成机制存在较大差异。 在产生成刚上，前者主要是超渗地面径流集中下泄对戗台侵蚀而形成，后者则是超渗 地面释流域饱雨l 地面流入渗十壤形成壤中流而引起的土壤内部的侵蚀过程。 i 西安理工大学工程硕士专业学位论文 从侵蚀过程看，前者遭遇一次高强度暴雨即可形成，后者则是多次暴雨侵蚀的结果。 进一步分析提出了水沟侵蚀所需的雨强、历时及汇流面积条件；分析了跌窝侵蚀的过 程，将跌窝的侵蚀形成过程划分为渗流或孔隙流阶段、有压孔流阶段和自由孔流阶段 等三个阶段，分析各阶段的特点。 ( 4 ) 针对水沟、跌窝两种侵蚀方式的特点提出了防治对策；给出了排水沟网 设计时的相关参数，如径流系数、含沙量等。 ( 5 ) 从小流域设计暴雨基本原理出发，根据黄河下游堤防堤顶区域的下垫面条 件和产汇流特征，将堤顶产汇流区概化为平行四边形区域运用坡面水流运动波方法 理论，计算了产汇流时间，推导出了堤顶排水沟设计洪峰流量计算公式。分析了排水 沟晟佳断面、间距、洪峰流量及投资之间的相互关系提出了排水沟优化方法和步骤， 并给出了优化结果。 关键词：暴雨径流水沟侵蚀跌窝侵蚀设计洪峰流量黄河下游堤防 a b s t r a c t s t u d yo nm e c h a n i s mo fs t o r mr u n o f f e r o s i o na n dd e s i g nm e t h o do fd r a i n a g e d i t c ho ft h ed i k e si n t h el o w e rr e a c h e s o fy e l l o wr i v e r s u b j e c t ：h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ： a d v i s o r ： 屯以诚，v 3 讥、砂叭胁“ d e b a t ed a t e ：o c t o b e r ，2 0 0 5 a b s t r a c t t h es t o r mr u n o f fe r o s i o nh a sb e e no n eo f t h ep r o b l e m sf a c i n gt h e e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n to ft h ed i k e si nt h el o w e rr e a c h e so fy e l l o wr i v e rf o r al o n gti m e s o m ec o n t r o lm e a s u r e sh a v eb e e nt a k e nt os o l v et h ep r o b l e m ，b u t t h e r eh a v eb e e nn oc o n c e r n e dr e p o r t st h a ts t u d ys y s t e m i c a l l yt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so fr i l le r o s i o na n dd r o pp i to nt h ed i k e s l o p es of a r b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ed a t a f r o mf i e l da n d l a b o r a t o r ys i m u l a t e dr a i n f a l le x p e r i m e n t s ，s o m ep r e l i m i n a r yr e s u l t so fs t o r m r u n o f fe r o s i o no nt h ed i k es l o p eo fy e l l o wr i v e r ，e s p e c i a l l yt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo fr i l l sa n dd r o pp i tw e r eo b t a i n e di nt h ep a p e r 。b yu s i n g i n t e g r a t e d l yt h et h e o r yk n o w l e d g e so fm u l t i d i s c i p l i n a r y a n ds e v e r a lc o n t r o l m e a s u r e su s e df o rr i l l sa n dd r o pp i tw e r ep r o p o s e d 。w h i c hw e r eo fg r e a t i m p o r t a n c et or e d u c i n gt h et h r e a to fs t o r mr u n o f fe r o s i o nt ot h es a f e t yo f i i i 西安理工大学工程硕士专业学位论文 t h ed i k e si nt h el o w e rr e a c h e so fy e l l o wr i v e r ，a n dt oi m p r o v i n gt h ef l o o d c o n t r o l c a p a c i t yo ft h ed i k e sa n d t h es t a n d a r dm a n a g e m e n t o f t h ed i k e e n g i n e e r i n g t h em a i ns t u d yr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c to ft h es t o r mo ns o i le r o s i o n u n d e rt h es a m ed e s i g ne x p e r i m e n t c o n d i t i o n si n c l u d i n gr a i n f a l li n t e n s i t y ，r a i n f a l ld u r a t i o na n d s o i lw a t e r c o n t e n t ，t h es o l le r o s i o ni n c r e a s e dn o n l i n e a r l yw i t ht h er a i ni n t e n s i t y a n d t h es o l le r o s i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gr a i n f a l ld u r a t i o na n ds o l lw a t e r c o n t e n t ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h ee f f e c to fr u n o f fo nt h ee r o s i o n w i t ht h es a m er a i n f a l li n t e n s i t y ， t h es o ile r o s i o n ( ) nt h ed i k es l o p ec a u s e db yt h er u n o f fm a i n l yd e p e n d e do n t h ef a c t o r ss u c ha st h er u n o f fa m o u n t ，o nt h eo t h e rw o r d s it h eu p s l o p ed r a i n a g e a r e ao fd i k es l o p e i na d d i t i o n ，t h es o i le r o s i o nc a u s e db yt h ec o m b i n a t i o n o fr a i n f a lla n dt h eu p s l o p e d i s c h a r g e dr u n o f fw a sm o r ea p p a r e n t l yt h a nt h a t c a u s e db yo n l yt h es i m u l a t e dr a i n f a l l ( 3 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f r i l l a n dd r o pp i t t h er i l l a n dd r o pp i to n t h e d i k es l o p ew e r eb o t ht h er e s u l t so fs t o r mr a i n f a l lr u n o f fe r o s i o n t h e r e s u l t so ff i e l da n dl a b o r a t o r ys i m u l a t e dr a i n f a l le x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t t h e r ew e r em a n yd i f f e r e n c e si nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s b e t w e e nt h er i l la n dd r o pp i t o nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，t h er i l lw a sm a i n l y f o r m e db yt h ec o n c e n t r a t e da c t i o no f t h ee x c e s sr a i n ，i e s u r f a c er u n o f f ， o nt h ed i k es l o p es u r f a c e ，w h i l et h ef o r m a t i o no fd r o pp i tc o u l db ee x p l a i n e d b yt h e s o i le r o s i o np r o c e s su n d e rt h es o i ls u r f a c e ，w h i c hw a st h er e s u l to f t h ec o m b i n a t i o no fo v e r l a n df l o w s u b s u r f a c ef l o wc a u s e db yt h ei n f i i t r a t i o n o ft h es a t u r a t e ds u r f a c er u n o f fa n dt h ee x i s t i n gd e f e c t sw i t h i nt h ed i k e ss u c h a sc r a c k ，m o u s e h o l e ，f o xa n db r o c kd e n s o nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h er i l l c o u l df o r m e di nas t o r mr a i n f a l lw i t hh i g hr a i n f a l li n t e n s i t y ，b u tt h ed r o p p i tw a st h er e s u l to ft h ec o m b i n a t i o na c t i o n so fr a i n f a ! l ，r u n o f fa n ds u b s u r f a c e i v a b s t r a c t f l o wo fs e v e r a ls t o r mr a i n f a l le v e n t s i na d d i t i o n ，t h ec r i t i c a lc o n d i t i o n s f o r t h ef o r m a t i o no f t h er i l l si n c l u d i n gt h er a i n f a l li n t e n s i t y ，r a i n f a l l d u r a t i o na n dd r a i n a g ea r e a w e r ea n a l y z e di nt h ep a p e r a n dt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so fd r o pp i t ，w h i c hw a sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，i e 1 e a k a g ef l o w o rp o r ef l o ws t a g e ，p r e s s u r e p o r ef l o ws t a g e ，f r e ep o r ef l o ws t a g ei nt h ep a p e r ， w a sa n a l y z e d ，t o o ( 4 ) t h ec o n t r o lm e a s u r e so ft h er i l la n dd r o pp i t a c c o r d i n gt ot h ef o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f t h er i l la n dd r o pp i tr e s p e c t i v e l y ，s e v e r a lc o n t r o l m e a s u r e sw e r ep r o p o s e di nt h ep a p e r i na d d i t i o n ，t h ep a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g n o fd r a i n a g ed i t c h e so nt h ed i k ei nt h el o w e rr e a c h e so fy e l l o wr i v e r ，i n c l u d i n g r u n o f fc o e f f i c l e n ta n ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nw e r ep r e s e n t e dt o o ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r i e so fd e s i g ns t o r mo f s m a l lw a t e r s h e da n d t h eu n d e r l y i n gs u r f a c ec o n d i t i o n sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fr u n o f fg e n e r a t i o n a n df l o o dr o u t i n go ft h ed i k ec r e s to ft h ed i k e si nt h el o w e rr e a c h e so fy e l l o w r i v e r ，t h ed i k ec r e s to ft h ed i k ew a ss i m u l a t e db yap a r a l l e l o g r a ma r e a 。b y a p p l y i n gt h ew a v et h e o r yo fo v e r l a n df l o w ，t h er u n o f fg e n e r a t i o nd u r a t i o na n d r u n o f fc o n c e n t r a t i o nt i m ew e r ec a l c u l a t e da n dt h ee a l e u l a t i o nf o r m u l af o r d e s i g np e a kd i s c h a r g eo fd r a i n a g ed i t c ho l lt h ed i k ec r e s tw a sd e d u c e di nt h e p a p e r t h er e l a ti o n s h i p sb e t w e e nt h eo p t i m u ms e c t i o n ，i n t e r v a la n dp e a k d i s c h a r g eo fd r a i n a g ed i t c h e sa n di t si n v e s t m e n tw e r ea n a l y z e d ，a n da sar e s u l t ， t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o da n dr e s u l to fd r a i n a g ed i t c h e sw e r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：s t o r mr u n o f f d i s c h a r g e ，t h ed i k ei n r i l le r o s i o n e r o s i o nc a u s e db yd r o pp i t d e s i g np e a k t h el o w e rr e a c h e so fy e l l o wr i v e r 独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并已致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名：攀年r 月r ，日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅：学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适甩) 论文作者签名! 霎厶k导师签名嘉猛剑醉p 月p 日 。 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及目的意义 1 1 1 选题背景 黄河是中华民族的母亲河，发源于青臧高源，穿行西北黄土高原和华北 大平原，东流入海。她哺育了中华民族的繁衍成长，蕴育了中华民族五千 年的灿烂文明。黄河流域自然资源丰富上游草原辽阔，中下游有广阔的 黄土高原和华北冲积太平原。长期以来，黄河一直是我国政治、经济和文 化中心，为我国经济社会的发展作出了巨大的贡献。但是。黄河又是一条 害河，经常泛滥成灾，给人民造成了巨大危害。据历史记载，自西汉( 公 元前2 0 6 年) 至1 9 4 9 年的2 1 5 5 年间，黄河下游决口泛滥1 5 0 0 多次，改道 2 6 次，其中大改道6 次。洪水波及范围，西起孟津，北至天津，南抵江淮， 洪泛区涉及黄淮海平原的冀、鲁、豫、皖、苏五省2 5 万k m z ，一亿多人口， 给黄河下游广大平原的人民生命财产造成巨大灾难和损失“1 。 堤防是我国劳动人民长期以来防御洪水的主要工程措施，早在春秋时 期，黄河下游就修有堤防，经过历代不断改建、加固与完善，在抗洪斗争 中发挥了重要作用。 黄河下游现行河道的两岸堤防，构成了一个比较完整的防御系统。目 前，黄河下游现有各类堤防长度2 2 9 0 8 5 1 k m ，其中临黄堤1 3 7 1 2 2 7 k m 。保 护土地面积约1 2 万l ( i i l 2 ，耕地1 1 亿亩，人口7 8 0 0 多万，工农业产值约达 3 2 3 4 亿元“1 ；涉及7 个地级市，1 1 个县市，县城9 2 个；沿岸有郑州、济 南等重要城市和京广、津浦、陇海、新菏等铁路大动脉，如果任何一处堤 防失事，其经济损失和政治影响都十分巨大。 黄河下游两岸堤防是在历代堤防和民埝的基础上多次加修而成，由于 黄河河道决口改道的随机性和当时的社会经济、技术条件，以往的堤防无 论线路走向及堤距宽窄等，都缺乏统一的规划。大堤修筑多是就地取材， 造成现行堤防土质种类多，质量差，在自然和人类活动的影响下，常常发生 1 西安理工大学工程硕士专业学位论文 隐患，主要有以下几种：( 1 ) 动物洞穴。主要是由害堤动物如獾、狐、 地鼠、地獾等动物在堤身上掏洞筑窝造成；( 2 ) 水沟浪窝。由于堤身质量差、 堤表草皮不好、排水设施设置不当，当发生大暴雨时，易在堤身冲利成沟， 有时水流会顺动物洞穴冲刷，形成浪窝，造成重大隐患，且不易被发现； ( 3 ) 影响堤防安全的建筑物。如在堤身、堤基修建的军沟、碉堡、战壕、防 空洞，排水沟、墓坑等：( 4 ) 堤基薄弱段。部分堤段堤基存在强透水层、层 沙层淤结构，还有的堤基为腐朽的秸、桩、绳等组成的老口f - 1 ；( 5 ) 修堤质 量差，修堤时土料选择不当，夯压不实，两工接关处新旧结合不严，在干 裂淤泥基础上筑堤，对树坑回填不实，对树根、杂草、腐植土清除不彻底 等，这些都会造成隐患。( 6 ) 土石结合不严密。如堤身与涵闸( 扬水站、管 道) 结合部位处理不好，或建筑物本身损坏而产生的裂缝、空洞等。对于 以上( 3 ) 至( 5 ) 造成的隐患，已经采取措施或正在采取工程措施进行消 除。主要方法有压力灌浆、抽水涸堤、翻筑隐患与败建加固等；堤基隐患 主要在临河堤脚抽槽换土、在堤坡修筑粘土斜墙、修筑后戗工程、修截渗 墙等。 通过采取相关措施，堤防自身先天不足的状况已得到显著改善，堤防 质量明显提高。但由于黄河堤防所处区域的水文气象条件和独特的下垫面 条件，使得暴雨对黄河大堤的侵蚀危害日益突出，往往一日或连续几日的 强降雨过程常使黄河大堤水沟浪窝到处可见，大的水沟浪窝一次水土流失 量可达几千方，这不仅严重影响堤防的质量；降低了大堤抵御洪水的能力， 而且也给堤防的科学化、规范化管理带来了严重困难，同时也造成了严重 的经济损失。据2 0 0 0 年防洪工程汛前普查资料统计，下游堤防共发生水沟 浪窝1 1 3 5 7 处，流失土方3 5 2 万m 3 ，经济损失达5 0 0 多万元 1 。 l1 2 研究意义 当前，我国正处于全面建设小康社会的关键时期，经济社会的发展对 水利提出了更高的要求。在新的形势下，水利部认真分析总结了我国水资 源状况、特点和规律，经济社会可持续发展对水利工作的需求，以及我国 1 绪论 存在的重大水问题，在系统总结多年治水实践和经验教训基础上，提出了 从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变的治水新思路。并针对黄河 “水少沙多，水沙关系不协调”以及流域经济社会发展对黄河的需求，提 出了“黄河堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高”的“四 不”目标。 根据水利部提出的“四不”目标，黄河水利委员会认真分析了黄河治 理开发面临的形势和任务，提出了维持黄河健康生命的“1 4 9 3 ”理论新框 架。即一个终极目标“维持黄河健康生命”，“四不”为主要标志，“九条治 理途径”，“三条黄河”作为技术支撑。 当前黄河洪水仍然是区域乃至我国经济社会发展的心腹之患，黄河堤 防作为抵御标准洪水，保障人民生命财产安全的最后一道防线，其抵御洪 水的能力主要取决于堤防质量的高低。为提高黄河堤防质量，提高其抵御 大洪水的能力，黄河下游堤防在完成第四次加高陪厚基础上，强力推进了 堤防标准化建设，即按照确保沿黄两岸人民生命财产安全的生命线、防汛 抢险的交通保障线和生态景观线的“三线”进行建设。如果下游标准化堤 防化全面完成，将从整体上大大提高黄河堤防防御黄河洪水的能力，增加 堤防不决口的保证率。 但是，由于堤防标准化的实施，改变了堤顶区域的下垫面状况，加之 黄河下游年均降雨达6 0 0 8 0 0 m m ，且降雨多集中于6 9 月份，降雨强度 也较大，一般为l 2 天，最大日暴雨中心在2 0 0 m m 左右，7 月份几率最大， 6 9 月份占6 0 以上1 4 1 。一旦遭遇暴雨过程，堤顶由弱透水变为不透水， 产汇流量将明显加大，其径流量加入到戗台和堤坡汇流中，将对堤身产生 严重的水沟浪窝侵蚀。从而破坏堤身结构，降低堤防质量。 因此，开展黄河大堤暴雨径流侵蚀规律和影响因素研究，提出防治对 策，对提高黄河堤防质量，确保黄河堤防不决口，维持黄河健康生命具有 十分重要的现实意义。同时，对于丰富土壤侵蚀与水土保持、河流工程等 学科内容也有着很大的理论价值。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 ! ! ! ! ! ! ! 目! ! ! ! ! ! ! e 兰i i i im ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! 目! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! | ! ! ! g ! ! | ! | | 目_ 1 2 国内外研究现状及趋势 黄河大堤遭受暴雨径流的侵蚀现象与黄土高原地区降雨径流侵蚀现象 具有相似的基本规律，当然黄河大堤上暴雨径流侵蚀也有其个性及特点， 为此借鉴黄土高原降雨径流侵蚀现象、规律对研究黄河大堤暴雨径流侵蚀 具有重要作用。 l2 1 国内的研究 以往，关于侵蚀问题的研究大多是针对黄土高原的土壤侵蚀开展的。 长期以来，关于黄土高原土壤侵蚀规律国内不少学者曾开展了大量的研究 工作，取得了不少成果。出于黄土高原地区大量的水土流失，使黄河成为 一条举世瞩目的多沙河流。早在2 0 世纪4 0 年代我国就已设置了一些天 然降雨径流观测小区。之后，径流小区、水保试验站不断增多，著名的有 甘肃西峰、天水及山西的离石等水保试验站，默西的绥德、延安、子洲径 流试验站等，通过这些试验站得到了大量的降雨、径流、侵蚀、产沙量等 基本资料。许多水利、水文、水保、土壤、泥沙等学者对这些资料进行分 析研究，获得了有关降雨侵蚀、径流侵蚀、重力侵蚀、小流域降雨径流产 沙等方面的成因关系和基本规律。 a 侵蚀性降雨 并不是所有降阿都发生土壤流失，土壤的流失是由某一临界点以上的 暴雨所引起的。一般而占，凡是产生地表径流的降雨，都能引起土壤流失。 也就是产生地表径流的临界降雨即为侵蚀性降雨。中国科学院有些学者提 出，把每次侵蚀性降雨的阿量从大到小排队，按p = ! 一1 0 0 公式计算 + l 经验频率，绘制经验频率曲线，查出p = 8 0 啪应的雨量值作为侵蚀临界雨量 的标准。有的学者则认为用雨强较为方便，如5 r a i n 的降雨5 o m m ；l o m i n 降雨6 o m m ；3 0 r a i n 醛斟9 ，o m m ；6 0 m i n 降陌1 1 。o m m 等降雨强度便是侵蚀性 雨强。 在黄土高原地区，通过分析降雨量与侵蚀产沙量的关系可知，一个地 在黄土高原地区，通过分析降雨量与侵蚀产沙量的关系可知，一个地 l 绪论 区一年的土壤流失量往往决定于几场大暴雨。一个地区的侵蚀量9 5 以上是 由3 0 m i n 的降雨量大于7 5 m m 的暴雨引起的凹1 。 b 降雨溅蚀产沙 雨滴溅蚀发生在裸土上或不能完全吸收雨滴动能的地面上。雨滴溅蚀 量可用溅蚀率表示，它指单位面积、单位时间溅蚀土壤的数量( g m z - m i n ) 。 在溅蚀产沙中则用单位雨强的溅蚀率表示，称为溅蚀能力( g l 或k g m 3 ) 。 在降雨产流刚开始时，径流深极小，流量很小，但含沙量却很大。该 含沙量是降雨溅蚀形成的，说明降雨产流刚开始之前溅蚀产沙是主要的。 在定雨强降雨过程中，溅蚀能力随净雨历时( 或叫产流历时) 的增加 而衰减；在变雨强降雨过程中，溅蚀能力随雨强增大而增大。 影响溅蚀或溅蚀能力的因素有降雨强度、降雨历时、土壤含水量、土 壤于容重、土壤物化性质、表土结皮、坡面的几何形态( 如坡长、坡度、 地形) 、植被覆盖、土地耕作条件等。 西安理工大学根据西峰水保站及校内模拟降雨侵蚀资料的分析得到， 定雨强过程的溅蚀能力表达式： s 。：坐 ( 1 _ 1 ) 矿石而 1 式中t 为降雨历时：t 。初损历时：t - t 。= t 。称净雨历时；i 为雨强；为植 被覆盖因子；a 为反映土壤综合状况的常数：b 反映几何形态及粗糙度的综 合常数，据相关资料分析得a = 5 0 ，b = o 3 ：a ，为含沙量过程线上的起始 峰值( g 1 ) ，据资料分析得 a 。= 2 5 0 3 e + 4 3 0 8 i + 3 3 6 9 j 一6 4 3 6( 1 2 ) 式中e 为降雨动能：j 坡度。 溅蚀能力还可用下式表达： s 硼= 爿，e 8 7 7 ) ( 1 3 ) 溅蚀的泥沙都将被坡面径流搬运到下游出口断面。在下游出口处断面 的溅蚀输沙率过程可用下式表示： 西安理工大学工程硕士专业学位论文 q 饿= 筹帚俐 “_ 4 ) 式中q ( t ) 为流量过程。 溅蚀产沙量 w 。溅= q 。* t ( 1 5 ) c 径流侵蚀产沙 按地貌类型分，径流侵蚀产沙可分为坡面、沟坡及小流域侵蚀产沙三 种类型。坡面径流是出降雨入渗产流形成的。径流在坡面的运动可通过水 流的连续方程和动力方程求解计算。水流对侵蚀物质的输移能力受水流挟 沙能力的制约，当挟沙能力大于溅蚀输沙能力时，水流会把溅蚀的颗粒全 部输移，反之，则有部分泥沙停止搬移。而水流挟沙能力又受水力特性、 泥沙特性、降雨量、雨强、地貌地形、地表岩土成分和性质、植被等因素 的影响，因面径流的侵蚀产沙过程是冲剧、搬运、沉积三种作用的综合结 果。 g r f o s t e r 等人将坡面径流侵蚀分为二部分，即细沟间侵蚀和细沟 侵蚀，细沟间侵蚀包含溅蚀和片蚀。也有学者把片蚀和细沟侵蚀合在一起， 称为径流侵蚀。这两种分类方法各有优缺点：第一种方法把细沟间侵蚀用 降雨特征表示，把细沟侵蚀用水流特征表示，其缺点是模糊了溅蚀与片蚀 的差异。第二种方法把溅蚀用降雨特征及下垫面特征表示，把片蚀及细沟 侵蚀用水力特征及下拙面特征表示，缺点是模糊了片蚀与细沟侵蚀的差异。 沟坡径流侵蚀与坡面径流侵蚀的不同点在于沟坡要接受上方坡面径流 汇聚后的水流泥沙。接受坡面汇聚后的沟坡水流的侵蚀力必然增大。因此， 沟坡径流侵蚀量要比坡面径流侵蚀量大。 小流域径流侵蚀是一条或几条沟道所汇聚各个沟坡的侵蚀再加上沟道 内的侵蚀、搬运、沉积等作用的综合结果。小流域降雨径流侵蚀产沙包括 了降雨溅蚀、径流侵蚀、重力侵蚀产沙等。流域内纵横交错的沟壑，构成 的水网系统是降雨径流侵蚀与不同下垫面条件长期相互作用的产物。 d 细沟侵蚀产沙 1 绪论 在降雨径流过程中，微地形起伏、耕作痕跻、地表糙度或侵蚀过程本 身都可以引起坡面径流的汇集而产生股流。当股流的侵蚀力超过表土的抗 蚀力时，水流就会下切，逆水流方向产生细小沟道。所谓细沟侵蚀就是指 坡面上形成细小沟道下切土壤的侵蚀搬运过程。细沟水流侵蚀力和搬运能 力均远远大于雨滴打击和坡面片流所具有的侵蚀力和搬运力。有细沟发育 的坡面与无细沟的坡面相比，坡面侵蚀产沙将增加几倍甚至几十倍。有研 究表明，细沟侵蚀量占坡面侵蚀量的7 0 左右。降雨径流产生的细沟，若不 被人类活动所填埋，在年复一年的径流冲刷下，最终会发育为沟道系统。 影响细沟侵蚀的因素主要有降雨径流侵蚀力、土壤抗蚀性和地貌条件 等。模拟降雨试验资料表明，在同一个坡度试验小区，细沟侵蚀量的增加 值s ，( k g m = ) 与降雨动能增加值e ，( 焦耳一) 之间有较好的线性关系： s ，= 一0 。1 5 3 + o 0 0 9 e ，( r = o 9 5 4 ，n 2 6 ) ( 1 7 ) 其主要原因是，雨滴打击动能越大，表土结皮越密实，水流入渗率降低， 产流率越高。 土壤抗蚀性是一个很复杂的问题，影响它的因素很多，如土壤性质( 颗 粒级配，粘性，化学性质，干容重，孔隙率，前期土壤含水量，等) 、 表土结皮状况、土地利用、作物生长、耕作情况及上茬作物收获后遗留根 系等。 地貌因素主要包括坡度、坡长和坡形。研究结果表明，坡度越大，坡 面发生细沟侵蚀的可能性就越大。细沟侵蚀量与坡度成正比，但坡度过大， 细沟将在径流冲刷下发展成浅沟，甚至切沟。不少人通过研究认为，坡面 侵蚀的临界坡度约在2 2 。4 0 。之间。坡形对细沟形成的影响是，凸形坡 使水流向下坡分散，凹形坡使水流向下坡方向集中，从而导致下坡细沟提 前产生及侵蚀强度的增加。坡长对细沟形成的影响是，坡长太短，无细沟 产生，坡长增加，坡面来水面积增大，有可能导致水流侵蚀力增加。但是， 由于侵蚀加剧，水流挟沙量增加，又会使水流侵蚀力减弱。所以存在着与 细沟侵蚀有关的临界坡长问题。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 细沟侵蚀产沙过程包括四方面：水流下切及横向发展：细沟中小 跌坎的局部侵蚀；细沟壁的坍塌( 是细沟产沙量的一个重要来源，有随 机性) ；细沟的横向迁移。 在降雨径流侵蚀产沙中，当有细沟发生后，径流侵蚀产沙是主要的， 降雨侵蚀产沙处于次要地位。水流含沙量与水流挟沙能力有关，水流挟沙 能力与流量、流速、泥沙颗粒特性等因素有关，因而降雨径流侵蚀产沙置 与径流能量密切相关。 由于影响因素多而复杂、有关参数难以确定等原因，细沟侵蚀量用物 理力学方程尚难以精确计算。一般采用小区实测侵蚀量与降雨、径流的特 征、土壤特征、地貌特征等因子建立经验方程来计算。 在沟坡侵蚀产沙中存在上坡来水问题。上坡来水是导致细沟侵蚀的重 要原因之一。当有上坡来水时，沟坡上细沟侵蚀将加剧，甚至发生浅沟侵 蚀及重力侵蚀等，沟坡侵蚀产沙量增大。因而，沟坡侵蚀产沙取决于两部 分，一是沟坡降雨径流侵蚀；二是上坡来水来沙强度及持续时间。 e 重力侵蚀及产沙 重力侵蚀是指在一定条件下，沟道两侧陡崖( 或陡坡) 上的物质势能 得到释放而发生坍塌或塌落的现象。 重力侵蚀的常见方式有滑塌、崩塌、泻溜及滑坡四种。滑塌是指陡崖 物质出现破裂块体向下滑落。崩塌是指破碎块体向下跌落。泻溜是指破碎 小块体向下坡滚落。滑坡是指破裂块体沿断裂面上下滑。 重力侵蚀发生的条件可分为两大类：内部条件( 如物质组成，物质 结构和坡面形态等) ；外部条件( 如气候、水文、植被、地震、人类活动 等) 。 各种重力侵蚀主要发生在坡度大于3 0 。的陡坡上。滑塌、滑坡、泻溜 等频繁发生于4 5 。5 5 。的陡坡，崩塌则为7 0 。9 0 。的陡崖。泻溜发生 的最频繁坡度为4 5 。5 5 。，当坡度超过6 0 。时，又渐趋减弱，当坡度大 于7 5 。时，泻溜已基本停止。当坡度超过6 0 。后，滑坡也很少发生。滑塌 i 绪论 和崩塌则当坡度7 0 。8 0 。时仍会发生，尤其是崩塌，更是频频发生。 沟坡物质组成、结构不同，重力侵蚀方式也不同。例如，崩塌主要发 生在黄土上部和次生冲积黄土中，以节理触发为主，崩塌面的走向一般随 切割的沟谷谷壁方向而定。滑塌主要出现在马兰黄土及次生坡积黄土中， 滑塌面的倾角一般多集中在3 0 5 0 。堆积在坡面及坡麓的泻溜物、滑塌 或崩塌的土体在降雨形成的地表径流作用下沿坡面或沟道呈塑性流体状运 动而形成泥石流。泥石流是重力侵蚀的主要搬运方式。因此，在计算重力 侵蚀产沙时，只计算崩塌、滑塌、泻溜等，而不包括泥石流侵蚀量。重力 侵蚀产沙主要分布于冲沟及干沟中。 f 坡面侵蚀产沙模型 2 0 世纪9 0 年代以前，国内学者着重研究降雨、径流与产沙量之间的经 验相关关系。根据径流小区、水保试验站以及小流域降雨径流泥沙观测资 料，用相关方法得出年或次暴雨的产沙量经验方程。 9 0 年代后，中科院的水保所、地理所、水文所及各大院校相继丌展了 坡面、沟道的产沙模型研究，如王贵平等( 1 9 9 2 年) 根据室内外观测资料 提出了细沟问侵蚀和细沟侵蚀产沙的预报模型：姚文艺、汤立群等( 1 9 9 6 年) 利用侵蚀的水动力学原理分别建立了坡面及小流域侵蚀产沙模型；蔡 强国、王贵平等( 1 9 9 8 年) 提出了坡面侵蚀产沙模型，其模型框图如图i - i 所示。 该模型考虑了坡面侵蚀产沙的三种侵蚀力( 降雨动能、径流能量、上 坡来水来沙) ，计算坡面及细沟水流的输移能力，也考虑到土壤表土结皮的 作用，并且计算出不同地类的前期土壤含水量变化和入渗规律。该模型输 入的基本资料在一般水保站均可得到，只要对部分参数作一些修正，就可 用于黄土沟壑区的类似地区。 水流输移泥沙能力计算是目前次降雨侵蚀产沙模型研究的一个难点，如 何在水流输移能力方程中反映水流侵蚀力与土壤抗蚀力的相互作用，是需 要深入探讨的课题。 9 西安理工大学工程硕士专业学位论文 图1 - 1 坡面侵蚀产沙模型框图 1 2 2 国外的研究 国外对土壤侵蚀的研究起始于1 9 1 5 年。美国林业局1 9 1 5 年在犹他州开 始径流和土壤流失量的观测。随后，美国农业部又将这种径流小区扩展到 4 4 个，研究项目电有所扩大，如不同作物，不同水保措施等对土壤流失的 影响。1 9 4 0 年z i n g g 提出土壤流失量与坡长的指数幂之间的关系式。1 9 4 7 年m u s g r a v e 提出了包括土壤可蚀性因子、覆盖因子、坡长、坡度因子以及 两年一遇的最大3 0 m i n 降雨量等的计算流失量的相关模型。到了六十年代， 美国农业部土壤保持局的w i s s h r n e r e r 和s m i t h ( 1 9 6 5 年) 根据一万个径 流场3 0 年的资料，采用统计法，提出了一个估算小流域平均产沙量的数学 公式，即通用土壤流失方程： a = r k l s c ：p( 1 8 ) 式中r 一降雨侵蚀因子： k 一土壤可蚀性因子； 卜坡长因子； 1 0 1 绪论 s 一坡度因子： c 一作物管理因子； p m 土壤保持措施因子： a - - 年的土壤流失量。 为了估算次暴雨的产沙量，1 9 7 5 年w i l l i a m s 提出了以径流因子替代 降雨侵蚀因子的修正通用土壤流失方程。同时，他还提出了瞬时泥沙单位 线，其定义为瞬时单位流量过程与单位净雨深含沙量分配过程的乘积。之 后，随着计算机、遥感等技术的发展，6 0 年代后期至9 0 年代，国外学者着 重侵蚀产沙的物理机制、物理过程的研究，并提出了许多侵蚀产沙模型， 如a r m 模型( a g r i c n l t u r er u n o f fm a n a g e m e n tm o d e l ) ：c s c 模型( c o l o r a d s s t a t eu n i v e r s i t yr o u t i n gm o d e l ) ；a n s w e r s 模型( 1 9 8 2 年) ( a r c a ln o n p o i n ts o u r c ew a t e r s h e de v i r e n m e n t r e s p o n s es i m u f a t i o n ) ； g r f o s t e r ( 1 9 8 2 年) 依据坡面侵蚀原理和泥沙输移的连续性，得到细沟问 侵蚀与细沟侵蚀过程差异和计算方法；r e h o r t o n ( 1 9 8 6 年) 提出坡面侵蚀 理论，有关三种侵蚀力机制和土壤分离和搬运规律；美国农业部( 1 9 9 0 年) n e a r i n g 等提出w e p p 模型。该模型有剖面、流域、网络三种版本，剖面版 本比通用流失方程 u s l e 增加了预测坡面泥沙沉积的功能。w e p p 模型内包 含了侵蚀与沉积过程、水文循环过程、植物生长及残余过程，水的利用过 程，水力学过程土壤过程等。w e p p 模型意味着预报技术从以因子为基础转 向以过程为基础的转变，它为改进侵蚀产沙预报技术创造了条件。目前， 该模型正处于继续完善和推广阶段。 纵观国内外侵蚀产沙模型研究的总趋势可归纳为： 注重侵蚀产沙过程的研究；注重与生产实践相结合，w e p p 、e p i