不同下墊面對坡面侵蝕特征的影響*

申震洲,姚文藝,李勉,肖培青,王玲玲,楊春霞,楊吉山

（水利部黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點實驗室,鄭州 450003）

短時期內(nèi),流域單元尺度內(nèi)產(chǎn)沙程度的加劇和減弱,氣候變化的影響是有限的,人類活動造成的土地利用變化是影響流域侵蝕產(chǎn)沙的主要原因[1-4]。黃土高原開展大規(guī)模水土保持治理之后,土壤侵蝕的研究主要是圍繞在人類活動減蝕的正面效應(yīng)影響下,流域和河道出現(xiàn)的水沙變異規(guī)律的研究[5-8]。水文法和水保法的研究結(jié)果均表明:除降雨偏少的原因外,水土保持工程對黃河泥沙的減少做出了重要的貢獻。黃土丘陵區(qū)植被覆蓋率也得到大幅度提高,一些水土保持綜合治理先進的小流域,已恢復(fù)至60%以上,使該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化,特別是在一些由國家重點投資的項目治理區(qū)或由科研機構(gòu)設(shè)置的一些試驗示范區(qū),生態(tài)環(huán)境狀況跨入一個新階段。在這種與以往生態(tài)建設(shè)強度、規(guī)模截然不同的新形勢下,流域的土地利用結(jié)構(gòu)和植被覆蓋度在相對很短時期內(nèi)發(fā)生了根本變化,勢必引起植被恢復(fù)重建過程中的流域環(huán)境和降雨—徑流—泥沙特征將與以前不同,極大地改變了流域系統(tǒng)的產(chǎn)沙輸沙過程,對流域水沙關(guān)系產(chǎn)生深刻的影響[9]。以往研究大多是針對較長時間尺度以及植被自然恢復(fù)背景下的水沙效應(yīng)動態(tài)過程的定位監(jiān)測研究[10-13],本文利用模型試驗的方法,重點研究不同立地條件下黃土坡面的侵蝕過程,分析不同地類坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律,希望對定量評價林草措施的水土保持效益提供技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗土槽設(shè)計

試驗是在黃河水利科學(xué)研究院“模型黃河”試驗基地進行的。試驗土槽可調(diào)坡度為5°～45°,既可用于人工降雨試驗也可用于徑流沖刷試驗。試驗土槽長5 m,寬3 m,深60 cm。試驗時將土槽用PVC板隔成3個長5 m、寬1 m的同樣大小的試驗區(qū),用于做同樣條件下的3次重復(fù)試驗。降雨器為中科院水保所研制的側(cè)噴式降雨器,降雨強度可調(diào)為0.3～3.0 mm/min,試驗土槽兩旁有可調(diào)高度的支架供測量使用。土槽的出口處設(shè)有集水槽,集水槽下放置集流桶以收集徑流泥沙,如圖1所示。

圖1 可移動式變坡坡面模型

1.2 試驗設(shè)計

試驗用土為鄭州邙山表層黃土,顆粒組成如表1,試驗時土壤干容重控制在1.2 g/cm3。試驗坡度設(shè)計為20°,有裸地、農(nóng)耕地及60%覆蓋度的草地3種立地條件,雨強有45 mm/h(小雨強)、90 mm/h(中雨強)、130 mm/h(大雨強)3個不同雨強,每場試驗做2個重復(fù),分析數(shù)據(jù)時取其中比較接近的2場試驗的平均數(shù),共做試驗40余組次。

表1 供試土樣各級粒徑組成

1.3 試驗方法及數(shù)據(jù)采集

裸地的鋪填方法為:在土槽下部鋪填10 cm厚的天然沙以保持試驗土壤的透水狀況接近于自然狀態(tài),在其上鋪填20 cm厚的過篩預(yù)處理的邙山黃土,用木板輕拍土壤,使其干容重達到1.2 g/cm3。然后,再分兩次鋪填15 cm厚的處理過的土樣,干容重均控制在1.2 g/cm3,以此避免填土容重的不均勻。試驗開始前夜將土槽灑水至飽和含水量,放置一夜后第二天開始做試驗。農(nóng)耕地的鋪填方法與裸地相似,填好后再將表面20 cm厚的土層翻松。草地的鋪填方法與裸地也類似,然后播種草籽,生長3個月后開始試驗。

試驗時率定雨強達到設(shè)計雨強,開始計時,記錄徑流進入集流桶的時間,然后每隔2 min換一次集流桶,降雨60 min,試驗完畢后,測量每個集流桶內(nèi)的徑流重量和體積,然后用換算法計算該時間段內(nèi)的侵蝕量、含沙量以及入滲率,同時以2 min為步長測定坡面流的水動力學(xué)參數(shù),包括流速、流寬及沿程含沙量等。最后對數(shù)據(jù)進行整理,分析雨強及不同的立地條件對侵蝕產(chǎn)沙的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同立地條件及雨強對坡面徑流量的影響

分析了不同立地條件的20°坡面在45 mm/h雨強時的徑流量隨時間變化(圖2),可以看出,裸地和坡耕地的徑流量遠遠大于草地(60%覆蓋度,下同)的徑流量,且二者的徑流量相差不是太大,變化規(guī)律也比較接近,都是坡面徑流量隨時間延續(xù)逐漸增加,在試驗進行到30 min左右時達到波動穩(wěn)定狀態(tài),約為10 kg/min,約為同樣雨強下草地坡面徑流量的40倍左右。

圖2 45 mm/h雨強時不同立地條件下徑流量隨時間變化

圖3 90 mm/h雨強時不同立地條件下徑流量隨時間變化

圖4 130 mm/h雨強時不同立地條件下徑流量隨時間變化

比較20°不同立地條件下坡面在90 mm/h雨強時徑流量隨時間變化(圖3)可知,裸地和農(nóng)耕地的徑流量相差不大,但是都遠遠大于草地的徑流量,約是草地徑流量的7倍;同時可以看出,草地徑流量隨著降雨時間的延續(xù)是逐漸增加的,但變化量不是太大,而裸地和農(nóng)耕地的徑流量隨著降雨的進行變化比較明顯,二者徑流量都是在降雨初期劇烈增加,在試驗進行到8 min左右時達到波動穩(wěn)定狀態(tài),農(nóng)耕地甚至出現(xiàn)徑流量略為降低的態(tài)勢。

分析了不同立地條件的20°坡面在130 mm/h雨強時的徑流量隨時間變化(圖4),由圖可知,裸地和農(nóng)耕地的徑流量仍遠遠大于草地的徑流量。草地徑流量在試驗初期呈緩慢增加的態(tài)勢,在試驗進行到12 min左右時基本穩(wěn)定在10 kg,裸地和農(nóng)耕地盡管在試驗初期有一定區(qū)別,但其變化規(guī)律基本一致,在試驗初期急劇增加,在試驗進行到20 min左右時達到各自的最高點,然后可能是由于試驗過程中坡面滑塌或者下滲的原因,坡面徑流量維持在一個較低的水平。

2.2 不同立地條件及雨強對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響

分析了不同立地條件的20°坡面在45 mm/h雨強時的侵蝕產(chǎn)沙變化(圖5),可以看出,不同立地條件坡面的侵蝕產(chǎn)沙變化與徑流量變化基本一致,具有相當好的關(guān)聯(lián)性。裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠遠大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其20倍左右;同時可以看到裸地和坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙量在試驗初期就呈現(xiàn)劇烈增加的態(tài)勢,在試驗進行到30 min左右時達到波動穩(wěn)定狀態(tài),為10 kg左右。

圖5 45 mm/h雨強時不同立地條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨時間變化

圖6 90 mm/h雨強時不同立地條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨時間變化

圖7 130 mm/h雨強時不同立地條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨時間變化

分析了不同立地條件的20°坡面在90 mm/h雨強時的侵蝕產(chǎn)沙變化(圖6),可以看出,不同立地條件坡面的侵蝕產(chǎn)沙變化與徑流量變化基本一致,具有相當好的關(guān)聯(lián)性。裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠遠大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其100倍左右,可見草地對侵蝕產(chǎn)沙的影響遠遠大于其對坡面徑流的影響;同時可以看到草地坡面侵蝕產(chǎn)沙量是逐漸緩慢增加的,而裸地和坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙量在試驗初期就呈現(xiàn)劇烈增加的態(tài)勢,在試驗進行到8 min左右時達到波動穩(wěn)定狀態(tài),農(nóng)耕地也出現(xiàn)略微下降的趨勢。

分析了不同立地條件的20°坡面在130 mm/h雨強時的徑流量隨時間變化(圖7),由圖可知,裸地和農(nóng)耕地的侵蝕量仍遠遠大于草地的侵蝕量。裸地和農(nóng)耕地變化規(guī)律基本一致,在試驗初期急劇增加,在試驗進行到18 min左右時達到各自的最高點,然后可能是由于試驗過程中坡面滑塌或者下滲的原因,坡面侵蝕量維持在一個較低的水平。

總而言之,不同立地條件坡面的徑流、泥沙之間是相互關(guān)聯(lián)的,變化趨勢也是互為因果的。草地條件下坡面的徑流、泥沙變化都比較緩慢且變化量不大,而裸地和農(nóng)耕地條件下坡面的徑流、泥沙在試驗初期就出現(xiàn)劇烈的變化,然后達到一個波動穩(wěn)定狀態(tài)。同時可以看出,對于裸地和農(nóng)耕地,都是初期農(nóng)耕地的徑流、泥沙變化較大,達到波動穩(wěn)定時則裸地較大,這可能是由于降雨初期農(nóng)耕地表面較疏松造成的徑流產(chǎn)沙偏大。而草地坡面在不同雨強條件下的徑流、泥沙也有其特點,盡管中雨強和小雨強條件下的徑流量差別較大,但其產(chǎn)沙量相差不是很大,而大雨強條件下的侵蝕產(chǎn)沙遠遠大于中小雨強的。這也從側(cè)面說明了,草被覆蓋坡面可以防護中小雨強下的土壤流失。

3 結(jié)論

(1)在小雨強條件下,裸地和坡耕地的徑流量隨時間延續(xù)逐漸增加,在試驗進行到30 min左右時達到波動穩(wěn)定狀態(tài),約為10 kg/min,約為同樣雨強下草地坡面徑流量的40倍左右。中雨強時,裸地和農(nóng)耕地的徑流量約是草地徑流量的7倍;大雨強時,裸地和農(nóng)耕地的徑流量仍遠遠大于草地的徑流量。草地徑流量在試驗初期呈緩慢增加的態(tài)勢,在試驗進行到12 min左右時基本穩(wěn)定在10 kg;裸地和農(nóng)耕地徑流量在試驗初期急劇增加,在試驗進行到20 min左右時達到各自的最高點,然后維持在一個較低的水平。

(2)小雨強時不同立地條件坡面的侵蝕產(chǎn)沙變化與徑流量變化基本一致,具有相當好的關(guān)聯(lián)性。裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠遠大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其20倍左右,在試驗進行到30 min左右時達到波動穩(wěn)定狀態(tài),為10 kg左右。

(3)中雨強時,裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠遠大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其100倍左右,可見草地對侵蝕產(chǎn)沙的影響遠遠大于其對坡面徑流的影響;同時可以看到草地坡面侵蝕產(chǎn)沙量是逐漸緩慢增加的,而裸地和坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙量在試驗初期就呈現(xiàn)劇烈增加的態(tài)勢。大雨強時,裸地和農(nóng)耕地的侵蝕量仍遠遠大于草地的侵蝕量。裸地和農(nóng)耕地變化規(guī)律基本一致,在試驗初期急劇增加,在試驗進行到18 min左右時達到各自的最高點,然后坡面侵蝕量維持在一個較低的水平。

(4)草地坡面盡管在中、小雨強條件下的徑流量差別較大,但其產(chǎn)沙量相差不是很大,而大雨強條件下的侵蝕產(chǎn)沙遠遠大于中小雨強,說明草被覆蓋坡面可以防護中小雨強下的土壤流失。

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