大孔隙坡面產(chǎn)匯流及侵蝕試驗(yàn)

解河海，馮 杰

(1.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

大孔隙流是土壤中的一種普通存在的現(xiàn)象，而不是一種例外。土壤中的大孔隙由物理或生物過(guò)程形成,物理過(guò)程包括：由土壤的干濕作用造成的收縮和膨脹,土壤中可溶性物質(zhì)的溶解,凍融的循環(huán)交替以及耕種等；生物過(guò)程包括蚯蚓和嚙齒動(dòng)物活動(dòng)和植物根系的生長(zhǎng)[1，2]。土壤中的孔隙分為：裂隙、大孔隙、根孔、蟲(chóng)穴等。由于土壤孔隙結(jié)構(gòu)是影響水土流失的重要因素，而坡面產(chǎn)匯流與坡面侵蝕是相輔相成的。大孔隙流的存在，改變了坡面徑流的形成過(guò)程和不同徑流成分的比例，最終影響坡面出口斷面的流量過(guò)程，相應(yīng)影響土壤的侵蝕量以及其在不同徑流成分的存在，進(jìn)而影響化學(xué)物質(zhì)在土壤中的存在和運(yùn)移。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）試驗(yàn)?zāi)康?。在?shí)驗(yàn)室中利用人工降雨裝置，對(duì)含有大孔隙結(jié)構(gòu)和無(wú)大孔隙結(jié)構(gòu)的可變坡土槽，進(jìn)行水流對(duì)比試驗(yàn)。首先確定土壤水力參數(shù)及土壤侵蝕參數(shù)，分析大孔隙分布對(duì)它們的影響；分析大孔隙對(duì)徑流形成過(guò)程的影響，大孔隙對(duì)坡面出口斷面不同徑流成分流量（地表徑流、壤中流和地下徑流）和地表徑流中含沙量的影響。研究不同降雨強(qiáng)度和不同前期土壤含水量對(duì)大孔隙條件下坡面產(chǎn)匯流和坡面侵蝕的影響，同時(shí)研究大孔隙對(duì)土壤中化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)移的影響。

2）大孔隙制造。在本試驗(yàn)中主要用2種方法制造大孔隙：人工插孔和種植植物。其中種植的植物是紫花苜蓿，其是多年生植物，植物根系發(fā)達(dá)，是產(chǎn)生大孔隙的理想植物。人造大孔隙，是用鋼釬人為在土壤中做出不同深度和孔徑的大孔隙；試驗(yàn)中人造大孔隙的直徑為8 mm，大孔隙深度分為5，20，30 cm三個(gè)不同深度；人造大孔隙空間分布見(jiàn)圖1。

圖1 人造大孔隙分布圖

3）土槽設(shè)置。土槽為長(zhǎng)2 m，寬0.50 m，高0.35 m的矩形鋼槽。野外選點(diǎn)，取表層30 cm的土進(jìn)行試驗(yàn)，分兩層每層15 cm挖取，根據(jù)野外實(shí)測(cè)每層土壤容重填充土槽。本次試驗(yàn)做3個(gè)土槽，1個(gè)土槽保持原狀，另一個(gè)土槽種植紫花苜蓿，第三個(gè)土槽做人造大孔隙。土槽坡度可以改變，設(shè)有 5°，10°，15°，20°，25°，30°坡度。本實(shí)驗(yàn)中用到前 3 個(gè)坡度。

4）人工降雨。利用黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的可控制降雨時(shí)間和強(qiáng)度的人工降雨裝置，對(duì)3個(gè)土槽同時(shí)實(shí)施人工降雨。降雨強(qiáng)度分為：30，60，120 mm/h，降雨時(shí)間控制 60～120 min。

5）溶質(zhì)觀測(cè)。為了分析大孔隙對(duì)化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移的影響，本實(shí)驗(yàn)對(duì)Br-，No-3，NH+43種離子進(jìn)行取樣分析。施加的化學(xué)物質(zhì)為（NH4）2SO4每次0.7 g，KBr每次 1.7 g。

6）試驗(yàn)儀器。本次試驗(yàn)是針對(duì)大孔隙對(duì)坡面產(chǎn)匯流和坡面侵蝕及化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移的影響，因此需要對(duì)降雨強(qiáng)度、蒸發(fā)量、土壤含水量、坡面流速和溶質(zhì)濃度進(jìn)行觀測(cè)。由于實(shí)驗(yàn)室缺少TDR，本次試驗(yàn)需要18個(gè)，所以對(duì)含水量觀測(cè)采用土壤特征曲線法，采用負(fù)壓計(jì)觀測(cè)土壤的水土勢(shì)，負(fù)壓計(jì)由陶土頭、橡膠管、U型壓力計(jì)（水銀）組成；取溶質(zhì)的儀器是由陶土頭、橡膠管、抽水瓶和真空泵組成；降雨觀測(cè)是實(shí)驗(yàn)室的雨量筒；蒸發(fā)通過(guò)蒸發(fā)皿進(jìn)行觀測(cè)；坡面流速觀測(cè)采用染色劑法。

7）儀器布置。需要對(duì)土壤的含水量和溶質(zhì)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，對(duì)土槽側(cè)面打孔觀測(cè)，土壤含水量觀測(cè)孔的分布見(jiàn)圖2，而溶質(zhì)取水樣孔在土槽另一側(cè)，分布見(jiàn)圖3。

圖2 含水量觀測(cè)孔分布圖

圖3 溶質(zhì)取樣孔分布圖

坡面流流速采用廣泛應(yīng)用的染色劑（試驗(yàn)中采用紅墨水）的方法，用秒表記錄染色劑通過(guò)坡面固定坡長(zhǎng)的時(shí)間。

8）記錄數(shù)據(jù)。降雨強(qiáng)度、地表徑流、壤中流、地下徑流、含沙量、蒸發(fā)量、離子濃度。

9）降雨試驗(yàn)。降雨強(qiáng)度是從小到大的順序，30，60，120 mm/h。試驗(yàn)采取定雨強(qiáng)變坡度的方式進(jìn)行，首先是 30 mm/h 降雨，土槽坡度從 5°，10°，15°進(jìn)行變坡降雨；然后是60 mm/h降雨，為了防止對(duì)土壤的人為干擾，從 15°，10°，5°進(jìn)行變坡降雨；最后是 120 mm/h 降雨，坡度還是從 5°，10°，15°進(jìn)行變坡降雨，共計(jì)9場(chǎng)降雨。

2 室內(nèi)試驗(yàn)與分析

首先對(duì)土壤物理性質(zhì)進(jìn)行分析，土壤分為2層（0～15 cm 為第一層、15～30 cm 為第二層），通過(guò)分析，土壤的物理特性為：上層容重1.269、下層容重1.305，土壤特征曲線如圖4所示，級(jí)配曲線表1所示，飽和土壤傳導(dǎo)率分別為1.624 3×10-4cm/s，1.326 1×10-4cm/s。

圖4 土壤特征曲線

表1 土壤的顆粒級(jí)配表

根據(jù)野外實(shí)測(cè)各層土壤容重填充土槽，一個(gè)土槽保持原狀，另一個(gè)土槽種植紫花苜蓿，第3個(gè)也保持原狀，到試驗(yàn)前進(jìn)行人造大孔隙，分別編號(hào)為槽1、槽2和槽3。填充土的過(guò)程中，把測(cè)量含水量和溶質(zhì)濃度的主要部件陶土頭分層預(yù)埋入土壤中。由于作物需要一個(gè)生長(zhǎng)周期，在之后每次對(duì)3個(gè)土槽進(jìn)行同樣的處理。在無(wú)雨期，將3個(gè)土槽運(yùn)到室外，接受日光，遇到陰雨天氣，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。直到紫花苜蓿生長(zhǎng)成熟，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有可控制降雨時(shí)間和強(qiáng)度的人工降雨裝置，其降雨有下噴區(qū)和側(cè)噴區(qū)。在側(cè)噴區(qū)布設(shè)兩組側(cè)噴式噴頭，相互對(duì)噴，每組噴頭由縮流孔板直徑不同的4個(gè)噴頭組成[3]?？装逯睆椒謩e為7，11，13和15 mm。2個(gè)噴頭相互對(duì)噴的降雨強(qiáng)度見(jiàn)表2。4組噴頭可單獨(dú)降雨，也可以2組、3組、4組噴頭同時(shí)降雨。

試驗(yàn)前先組裝負(fù)壓計(jì)，將U型管固定在小車(chē)上底部放置水平，使水銀液面保持水平，U型管一側(cè)用橡膠管與觀測(cè)含水量的陶土頭相連，另一側(cè)為了防止降雨過(guò)程中雨水進(jìn)入U(xiǎn)型管也連上一小段橡膠管，使其一端開(kāi)口向下，等其穩(wěn)定后觀測(cè)土壤的初始含水量。用真空機(jī)對(duì)各個(gè)取溶質(zhì)的陶土頭抽取水溶液，確定試驗(yàn)前化學(xué)物質(zhì)的初始濃度。同時(shí)設(shè)置蒸發(fā)觀測(cè)，每日一次。

表2 側(cè)噴式噴頭降雨強(qiáng)度率定結(jié)果

試驗(yàn)前還要對(duì)接收地表水、壤中流和地下水的小桶進(jìn)行稱(chēng)重、編號(hào)。雨前還要進(jìn)行雨強(qiáng)率定，將6個(gè)雨量器放在試驗(yàn)土槽放置的區(qū)域，開(kāi)啟降雨器電源，待降雨穩(wěn)定后移開(kāi)雨量器的蓋子，10 min后把雨量器的蓋子蓋好，關(guān)掉降雨器的電源，讀取6個(gè)雨量器的降雨量并計(jì)算平均雨量。雨量不符合要求時(shí)可以調(diào)節(jié)噴頭組合或者調(diào)節(jié)壓強(qiáng)，反復(fù)進(jìn)行率定，直到雨強(qiáng)達(dá)到要求可以進(jìn)行試驗(yàn)。

開(kāi)啟降雨器開(kāi)始降雨，降雨過(guò)程中要對(duì)每個(gè)土槽進(jìn)行水土勢(shì)進(jìn)行觀測(cè)，還要記錄每個(gè)土槽的地表徑流、壤中流和地下徑流，同時(shí)進(jìn)行坡面流速測(cè)量。水土勢(shì)的觀測(cè)時(shí)間間隔是5 mim，地表徑流的間隔是3 mim，壤中流和地下水的觀測(cè)間隔是10 min。設(shè)計(jì)降雨時(shí)間為90 min。在降雨過(guò)程中觀測(cè)3個(gè)土槽的地表變化，是否有積水，是否有沖刷等。

降雨進(jìn)行到90 min關(guān)閉降雨器，結(jié)束降雨。降雨結(jié)束開(kāi)始進(jìn)行降雨后的第一次水溶液抽取。間隔5～6 h后進(jìn)行第二次抽取，從3次開(kāi)始每間隔12 h抽取一次，共抽取5次。

由于地下徑流退水較慢，需要對(duì)其連續(xù)觀測(cè)，有時(shí)會(huì)觀測(cè)兩天的時(shí)間。對(duì)水土勢(shì)的觀測(cè)降雨后也一直觀測(cè)，時(shí)間間隔逐漸加長(zhǎng)，從降雨過(guò)程中的5 min 到 10 min，然后到 20 min，30 min，1 h 不等。

每次降雨的時(shí)間間隔是3 d，3 d后改變土槽的坡度，再進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前對(duì)土壤水土勢(shì)及土壤水溶液提取，得到下次降雨前的土壤含水量和化學(xué)物質(zhì)初始濃度。

表3給出了在不同雨強(qiáng)和不同坡度下的槽1、槽2和槽3的地表產(chǎn)流、產(chǎn)沙量。

從表3可以看出，在30 mm/h下不同土槽產(chǎn)流量隨坡度增加變化規(guī)律不同，槽1降雨產(chǎn)流量逐漸增大，而槽2是先增大后減小和槽3是逐漸減??；產(chǎn)沙量的變化規(guī)律槽1和槽3相同都是先減小后增大，而槽2是逐漸減小。在60 mm/h下3個(gè)土槽的產(chǎn)流量變化相同都是先減小后增大；產(chǎn)沙量槽1是先減小后增大，而槽2和槽3都是逐漸增大（對(duì)60 mm/h的15°是降雨1.0 h）。在120 mm/h下產(chǎn)流量對(duì)槽1是逐漸增大，而槽2和槽3是先增大后減?。划a(chǎn)沙量都是先減小后增大。

表3 不同雨強(qiáng)和坡度下不同土槽的地表產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)得到了土壤含水量的時(shí)空分布和土壤中Br-，No-3，NH+4的時(shí)空分布，還有每次降雨的地表徑流、壤中流和地下徑流及地表徑流的含沙量和坡面流速。這些數(shù)據(jù)為建立坡面產(chǎn)匯流和坡面侵蝕模型奠定了基礎(chǔ)，也為土壤化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移模型建立打下基礎(chǔ)。通過(guò)試驗(yàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)有大孔隙與無(wú)空隙坡面的徑流流速、土壤含水量分布、地表徑流和含沙量的不同，從現(xiàn)象上我們看到了大孔隙對(duì)坡面產(chǎn)匯流和坡面侵蝕及化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移的影響。

[1]馮杰，張佳寶，郝振純，穆開(kāi)功.水及溶質(zhì)在有大孔隙的土壤中運(yùn)移的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004（3）：20-24.

[2]馮杰，張佳寶，郝振純，穆開(kāi)功，水及溶質(zhì)在有大孔隙的土壤中運(yùn)移的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004（4）：77-82.

[3]周佩華，張學(xué)棟，唐克麗.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室土壤侵蝕模擬試驗(yàn)降雨大廳降雨裝置[J].水土保持通報(bào)，2000，20（4）：27-30.