模擬降雨下坡度對含礫石土壤徑流和產(chǎn)沙過程的影響

吳冰,邵明安,,毛天旭,朱元駿

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西楊陵 712100）

由于成土過程以及人類活動(dòng)的影響,含礫石土壤在黃土高原地區(qū)分布較為廣泛。礫石在密度、尺寸、透水性、表面結(jié)構(gòu)上與土壤顆粒不同,導(dǎo)致其在一定程度上能顯著改變土壤結(jié)構(gòu)和物理特性[1],進(jìn)而影響坡面水土過程(入滲、徑流、產(chǎn)沙)[2-4]。國外自20世紀(jì)30年代起就開始對土壤中礫石的重要性進(jìn)行評價(jià),并對其對水文過程影響展開研究。多數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)表明礫石能夠阻止降雨入滲,增加地表徑流量;含礫石土壤容易形成集中流,導(dǎo)致強(qiáng)烈的土壤侵蝕[5-7];另一方面,隨礫石含量的增加,土壤中的大孔隙也隨之增加,有可能促進(jìn)入滲[8-9]。國內(nèi)學(xué)者在坡面尺度上進(jìn)行的入滲和產(chǎn)沙過程模擬降雨研究結(jié)果表明,礫石含量在一定范圍內(nèi)能增加降雨過程中的土壤入滲率、降低侵蝕產(chǎn)沙量[10-12]。然而,在自然條件下,礫石對坡面水土過程的影響是多種因素疊加作用的結(jié)果。由于研究方法和手段的欠缺,國內(nèi)外相關(guān)研究較少涉及對不同坡度下含礫石土壤水土過程的研究。導(dǎo)致對坡面尺度上非均質(zhì)土壤中水土過程的了解不足。深入了解這一過程不僅是水土過程及模型模擬的基礎(chǔ),也可以促進(jìn)特定地區(qū)水土資源的保護(hù)和合理利用。

本試驗(yàn)通過室內(nèi)模擬降雨來研究降雨過程中不同坡度下含礫石土壤的徑流和產(chǎn)沙隨時(shí)間的變化,初步探討坡度對礫石土壤徑流和產(chǎn)沙的影響,為該類型土壤的水土資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)選用規(guī)格為 3 m(長)×1 m(寬)×0.5 m(深)的自制鐵質(zhì)土槽模擬坡面,供試土壤取自西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)地表層土(鈣積土墊旱耕人為土)。土壤過5 mm篩,風(fēng)干并測定土壤初始含水率(3%左右)。土壤顆粒組成見表1(國際土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)),試驗(yàn)用礫石取自渭河河灘(花崗巖風(fēng)化物),洗凈后分別過20 mm和75 mm篩,留取 20～75 mm的礫石作為供試礫石,自然風(fēng)干。

表1 土壤顆粒組成

1.2 試驗(yàn)方法

將風(fēng)干過篩的土壤與礫石(直徑為20～75 mm)按10∶0,9∶1,8∶2,7∶3,6∶4的質(zhì)量比均勻混合(礫石質(zhì)量含量分別為 0,10%,20%,30%,40%)。土壤容重控制為1.35 g/cm3,實(shí)測礫石密度為2.65 g/cm3,分5層裝入土槽中,每兩層之間打毛以防止土體分層。降雨過程中,雨強(qiáng)控制在60 mm/h(實(shí)際按率定雨強(qiáng)計(jì)算),坡度控制為 5°、10°和15°。降雨時(shí),用SONY(DSC-HX1型)數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行全程攝像,并記錄土槽產(chǎn)流時(shí)間。產(chǎn)流開始后每隔1 min收集一次徑流,每5 min測定一次坡面水流流速(采用KMnO4染色劑法,記錄水流流過固定坡長的時(shí)間,然后換算成流速)。降雨歷時(shí)60 min(從產(chǎn)量開始算起)。降雨結(jié)束后,用稱重法和烘干法分別得到徑流量和產(chǎn)沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨過程中坡面徑流量變化

圖1為不同坡度下不同礫石含量的土壤在坡面產(chǎn)流開始后徑流量隨時(shí)間的變化趨勢圖。從圖1中可以看出,同一礫石含量的土壤在不同坡度下徑流量隨時(shí)間呈上升的趨勢,其中降雨的產(chǎn)流在0～20 min內(nèi)有明顯增加的趨勢,隨后徑流量隨時(shí)間的變化趨于平穩(wěn)。礫石含量為0的土壤總徑流量在不同坡度間的大小依次是 5°＞15°＞10°,其平均入滲深度依次為10°＞15°＞5°,與總徑流量的變化正好相反。形成這種現(xiàn)象的原因主要在于:在徑流量計(jì)算過程中,使用了水量平衡法(即徑流等于降雨減去入滲),導(dǎo)致坡面徑流量與土壤入滲深度密切相關(guān),入滲深度大(相應(yīng)入滲的水分就越多)則徑流量小,反之亦然。其他礫石含量的土壤總徑流量的變化均符合這個(gè)規(guī)律。另外,從圖2中可以發(fā)現(xiàn),隨著礫石含量的增加,坡度對徑流的影響減弱。這可能是由于礫石含量的增加,土壤表面裸露的礫石越多,導(dǎo)致徑流流速增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明,與均質(zhì)土壤相比,表層具有礫石的土壤其徑流流速更快。試驗(yàn)中,礫石含量及坡度與流速呈正相關(guān);隨著坡度的增加,其對坡面徑流流速的影響減弱。

采用線性回歸模型對累計(jì)徑流量隨時(shí)間的變化進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)累計(jì)徑流量與時(shí)間呈顯著線性相關(guān),可用以下公式來表達(dá)這種關(guān)系:

式中:W ——累計(jì)徑流量(kg);t——時(shí)間(min);a,b——擬合參數(shù),見表2。

表2 累計(jì)徑流量隨時(shí)間變化的線性擬合結(jié)果

圖1 不同坡度下含礫石土壤中徑流量隨時(shí)間的變化趨勢

圖2 不同坡度下含礫石土壤中累計(jì)徑流量隨時(shí)間的變化

2.2 降雨侵蝕產(chǎn)沙過程

圖3是含礫石土壤在不同坡度下產(chǎn)沙量隨時(shí)間的變化趨勢。從圖中可以看出,含礫石土壤在不同坡度下均表現(xiàn)出現(xiàn)先增加后減少的趨勢。其原因可能是雨水擊濺產(chǎn)生大量分散的土壤顆粒,被坡面薄層水流運(yùn)走,形成產(chǎn)流后的第一個(gè)產(chǎn)沙高峰期(產(chǎn)流后0～20 min)。

此產(chǎn)沙高峰期,5個(gè)不同礫石含量(分別為0,10%,20%,30%,40%)土壤產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的比例分別為:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%、49.3%(5°),58.2%、38.8%,57.3%,38.5%,41.9%(10°)和 40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4%(15°)。礫石含量為20%,30%,40%的土壤在坡度為15°時(shí)在30 min后又出現(xiàn)明顯的增加的趨勢。

從圖4可以看出,坡度由10°變化到15°時(shí),礫石含量為 20%,30%,40%的土壤產(chǎn)沙量分別增加了71.9%,74.2%,47.7%。原因可能是隨著坡度的增加,坡面徑流沖刷能力增強(qiáng),加之礫石與土壤結(jié)合處是侵蝕發(fā)生的重點(diǎn)區(qū)域,導(dǎo)致此區(qū)域土壤侵蝕嚴(yán)重,細(xì)溝出現(xiàn),產(chǎn)沙量增加。

圖3 不同坡度下含礫石土壤中產(chǎn)沙量隨時(shí)間的變化趨勢

圖4 不同坡度下含礫石土壤中累計(jì)產(chǎn)沙量隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

本研究針對3個(gè)坡度下5個(gè)不同礫石含量土壤的徑流和產(chǎn)沙過程及坡度對其的影響進(jìn)行了初步分析,得出以下結(jié)論:

(1)不同礫石含量的土壤在降雨產(chǎn)流后 0～20 min內(nèi)坡面徑流有明顯增加的趨勢,之后趨于平穩(wěn);隨著礫石含量的增加,坡度對徑流的影響減弱。另外,累計(jì)徑流量與時(shí)間之間呈良好的線性關(guān)系。

(2)不同礫石含量的土壤產(chǎn)沙高峰期出現(xiàn)在降雨產(chǎn)流后0～20 min內(nèi),此產(chǎn)沙高峰期,5個(gè)不同礫石含量(分別為0,10%,20%,30%,40%)土壤產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的比例分別為:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%,49.3%(5°),58.2%,38.8%,57.3%,38.5%,41.9%(10°)和 40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4%(15°)。當(dāng)坡度較大時(shí),較高礫石含量的土壤在產(chǎn)流30 min后,產(chǎn)沙量又出現(xiàn)明顯增加的趨勢。

(3)坡度對含礫石土壤總產(chǎn)沙量有很大影響。尤其當(dāng)坡度從 10°增加到 15°時(shí),礫石含量為為 20%,30%,40%的土壤總產(chǎn)沙量顯著增加,分別增加了71.9%,74.2%,47.7%。

由于其他因素,如礫石形狀、尺寸以及坡面形態(tài)等都會(huì)影響坡面徑流和入滲,導(dǎo)致含礫石土壤中水土過程尤為復(fù)雜。全面深入理解該類型土壤中的水土過程還需綜合考慮以上因素的影響。

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