紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬試驗研究

鐘壬琳,張平倉

(1.浙江省水土保持監(jiān)測中心,浙江 杭州 310009;2.長江科學(xué)院水土保持研究所,湖北 武漢 430010)

1 問題的提出

長江作為我國流域面積最大的河流,既是中華民族的重要發(fā)祥地,也是我國總體經(jīng)濟實力最雄厚的地區(qū)之一。但是,長期以來,由于自然和人為因素的共同影響,長江流域水土流失問題十分嚴重。據(jù)20世紀80年代中期的遙感調(diào)查成果表明,長江流域水土流失面積達62.22萬km2,占流域總面積的34.57%,其中水蝕面積56.97萬km2,風(fēng)蝕面積5.25萬km2。長江中上游地區(qū)作為水土流失最嚴重的地區(qū)之一,共有水土流失面積35.2萬km2,占流域水土流失面積的56.57%。紫色土作為一種侵蝕型的高生產(chǎn)力巖性土,主要分布于長江中上游地區(qū)[1]。由于紫色土發(fā)育于巖性松軟的沉積巖上,風(fēng)化成土速度快,加之其自身結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性差,以及人為的強烈干擾,使得紫色土坡面的水土流失問題十分嚴重。有關(guān)研究表明,目前紫色土地區(qū)的平均侵蝕模數(shù)約為3365 t/(km2?a),個別地區(qū)甚至高達9000 t/(km2?a)[2]。嚴重的水土流失不僅會導(dǎo)致表土流失,土層變薄,使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變得十分脆弱,嚴重制約當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活和經(jīng)濟的發(fā)展,而且由于坡耕地侵蝕產(chǎn)生的大量泥沙淤積在下游河道,加大了下游的洪災(zāi)風(fēng)險,給人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)造成巨大威脅。

應(yīng)用人工降雨試驗,模擬坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙,是研究土壤侵蝕的一種非常重要的方法。以往有諸多學(xué)者從不同的角度對降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進行了研究,王萬忠[3]以黃土高原水文氣象部門和水土保持試驗站的實測資料為基本數(shù)據(jù),對黃土高原水土流失區(qū)降雨侵蝕產(chǎn)沙與黃河輸沙的時空分布特征、變化規(guī)律以及相互間的關(guān)系進行了系統(tǒng)研究;鄭粉莉[4]基于野外觀測資料,研究了黃土梁峁坡面不同侵蝕帶侵蝕產(chǎn)沙特點、相互影響及降雨強度和能量對坡面侵蝕產(chǎn)沙分配的影響;王玉寬[5-6]、吳普特[7]在野外與室內(nèi)人工模擬降雨試驗條件下對黃土地區(qū)的入滲、暴雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程及薄層水流侵蝕過程進行了研究。

然而,與黃土坡面土壤侵蝕過程研究相比,紫色土坡面侵蝕過程及機理的研究還相當(dāng)薄弱。因此,研究紫色土坡面侵蝕過程及機理,對開發(fā)、保護紫色土資源和長江中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)有著重要的意義。本文通過人工模擬降雨試驗的方法,模擬紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程,研究紫色土坡面侵蝕過程及機理,從而為紫色土的土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗器材與方法

2.1 供試土壤及理化性質(zhì)

本試驗地點為長江水利委員會長江科學(xué)院沌口科研基地,試驗用土選自湖北秭歸,對其進行理化性質(zhì)測試,測試結(jié)果見表1。

表1 試驗用土理化性質(zhì)表

2.2 試驗裝置

試驗在人工模擬降雨試驗大廳內(nèi)的水土流失移動試驗室內(nèi)的可調(diào)節(jié)土壤侵蝕槽 (坡度可在0～28°之間調(diào)節(jié))中進行,該土壤侵蝕槽長3 m,寬1m,深50 cm,槽底部留有直徑5 mm小孔,用以排出雨水,土槽下部也有同樣的小孔,并配備了鐵皮槽,以接收地表徑流和壤中流。采用下噴式降雨器,降雨高度2.5 m。

2.3 試驗方案

本次人工模擬降雨試驗選擇紫色土作為試驗用土,設(shè)計5,10,15,20°4個坡度和 0.60,1.10,1.61,2.12mm/min 4種雨強,共計16場試驗,每場降雨試驗控制總雨量50 mm不變 (見表2)。

表2 人工模擬降雨試驗方案設(shè)計表

在侵蝕槽中鋪0.4 m高的供試土壤,該土壤過1 cm的篩,以去除雜草和石塊。為了控制土壤前期含水率基本一致以消除土壤前期含水率對侵蝕的影響,在人工模擬降雨前先用0.60 mm/min的小雨強潤濕10 min,擱置24 h后進行試驗,并在試驗前再次對土壤進行適當(dāng)?shù)陌宜?。然后調(diào)整不同的坡度和雨強進行一系列的試驗。為保證每場試驗的一致性,試驗不換土,降雨試驗連續(xù)進行。在1場試驗結(jié)束后,土槽擱置,讓水分充分下滲,在自然狀態(tài)下風(fēng)干,進行第2場試驗前測定土壤含水率,當(dāng)所測含水率與第1場試驗基本一致時再開始第2場試驗。試驗從小雨強開始,4個坡度試驗結(jié)束后,再增大雨強,開始下一組試驗。

該試驗采用可升降式土槽調(diào)節(jié)坡度,利用環(huán)刀法測量土壤容重;利用烘干法測量土壤前期含水率;利用篩分法結(jié)合沉降法分析供試土壤顆粒組成;利用水土流失移動試驗室上的多功能數(shù)據(jù)采集器和壓力表來率定降雨強度。試驗中前10min按如下方法觀測:前3 min每1 min觀測1次徑流量、泥沙量,接下來的4 min每2min觀測1次,然后3 min觀測1次;10 min之后每5 min觀測1次直至地表徑流結(jié)束。徑流小區(qū)出口的徑流總量用塑料桶全部收集測量;利用烘干法測量徑流含沙量,利用高錳酸鉀示蹤法測定坡面流速,利用直尺測量坡面水深和侵蝕溝橫斷面。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 雨強、坡度對徑流特征的影響

3.1.1 徑流隨時間變化的規(guī)律

暴雨初期,雨水主要消耗于土面浸潤和地表土層大孔隙的填充,所以從降雨開始至徑流產(chǎn)生有一個明顯的滯后時間,即初始產(chǎn)流時間,也叫初損歷時[8]。本次試驗共計16場,初始產(chǎn)流時間1.10～5.30 min,在同一坡度條件下,初始產(chǎn)流時間隨雨強的增大而減少,以5°坡的變化幅度最為明顯,且隨著雨強的不斷增大,不同坡度條件下的初損歷時逐漸趨于穩(wěn)定,當(dāng)雨強為2.12 mm/min時,各個坡度的初損歷時基本一致 (1.10～1.28 min)。這表明在裸露土壤表層前期含水率基本一致條件下,小雨強下坡度對初始產(chǎn)流時間的影響顯著,但在大雨強下不明顯。分析其原因可能為雨強不同時,地表產(chǎn)流方式不同。小雨強時,入滲率大,產(chǎn)流方式主要為蓄滿產(chǎn)流;大雨強時,主要為飽和超滲產(chǎn)流,相比小雨強情況下,坡度的影響難以表現(xiàn)[9](見表3)。

表3 不同坡度、不同雨強下紫色土坡面的初始產(chǎn)流時間表 min

由圖1可以看出,在同一雨強條件下,降雨產(chǎn)流初期,各個坡度的徑流流量漲幅都很大,隨著時間的增加 (一般 不超過10min),徑流流量就逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 不同坡度、不同雨強下紫色土坡面地表徑流過程圖

3.1.2 徑流總量比較

由圖2可以看出,徑流總量有隨坡度和雨強的增加而增大的趨勢,當(dāng)雨強為0.60 mm/min時,坡度由5°變?yōu)?0°時,徑流總量增長了30.25%,1.10,1.61,2.12 mm/min雨強時,坡度由5°變?yōu)?0°時,徑流總量分別增加了30553.8,19773.8,13057.6 mL,是0.60 mm/min雨強的 1.01、0.65和0.43倍。這表明0.60,1.10 mm/min雨強時的徑流總量隨坡度的變化幅度較1.61 mm/min和2.12 mm/min這2個雨強大。

從圖2還可以看出,坡度為5°時,雨強由0.6 mm/min變?yōu)?.12 mm/min時,增長了36.13%,10,15,20°坡度時,雨強由0.60 mm/min變?yōu)?.12 mm/min時,徑流總量分別增加了 26522.4,17686.4,18934.6 mL, 是 5°坡 的 0.73、0.49和0.52倍。這表明各個雨強下的徑流總量呈現(xiàn)出隨坡度的增加而增大的趨勢,但這種趨勢隨著雨強的增大越來越不明顯。

此外,坡度為20°時,1.10,1.61,2.12 mm/min這3個雨強的徑流總量基本一致,其值為141320.8～147282.0 mL,這表明坡度較大時,雨強對徑流總量的影響不明顯。

圖2 不同坡度條件下紫色土坡面地表徑流總量圖

3.2 雨強、坡度對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響

3.2.1 產(chǎn)沙量隨時間變化的規(guī)律

由圖3可知,降雨產(chǎn)流初期產(chǎn)沙量在很短的時間內(nèi)突漲突落,隨著時間的不斷增加,產(chǎn)沙量不斷減少最終趨于穩(wěn)定。這是因為在每場降雨試驗開始前,都在坡面上鋪了1層細土(過1 cm孔徑的篩),該層細土是用來模擬耕作土壤的,其結(jié)構(gòu)不同于試驗槽內(nèi)的擾動土。產(chǎn)流初期,坡面表土 (細土)比較松散,抗蝕能力低,易受雨滴擊濺和徑流沖刷而產(chǎn)生泥流,因而產(chǎn)沙量不斷增加達到峰值。持續(xù)降雨時,隨著地表松散土粒的減少,試驗槽內(nèi)被壓實的土壤(近似于犁底層)裸露,坡面土壤侵蝕強度明顯減小,因而產(chǎn)沙量不斷減少直至達到穩(wěn)定。

圖3 不同坡度、不同雨強下紫色土坡面產(chǎn)沙過程圖

3.2.2 產(chǎn)沙總量比較

從不同坡度下雨強與產(chǎn)沙量的關(guān)系曲線 (見圖4)可知,坡面產(chǎn)沙總量隨著坡度和雨強的增大而增大。5°坡時,雨強由0.60 mm/min變?yōu)?.12 mm/min時,產(chǎn)沙總量增長了143.04%;10,15,20°坡時,雨強由0.60 mm/min變?yōu)?2.12 mm/min時,產(chǎn)沙總量分別增加了2013.18,3580.55,4558.31 g,是5°坡的1.41、2.50和3.19倍。這表明坡面產(chǎn)沙總量隨雨強的變化幅度與坡度成正比。

10,15,20°坡的產(chǎn)沙量為0.60～1.10 mm/min雨強時基本相當(dāng),均比5°坡的產(chǎn)沙量大,且隨雨強的增大而增加。當(dāng)雨強為0.60 mm/min時,坡度由5°變?yōu)?0°,產(chǎn)沙量增長了265.64%,1.10,1.61,2.12 mm/min雨強時,坡度由 5°變?yōu)?0°,產(chǎn)沙量分別增加了 2383.21,4686.05,5784.28 g,是0.60 mm/min雨強的0.90、1.76和2.18倍。這表明各個坡度的產(chǎn)沙量隨雨強的增加而增大,且這種趨勢隨著坡度的增大越來越明顯。

總體上來說,10,15,20°坡的產(chǎn)沙量較大,為3106.03～8117.09 g,如果坡面上出現(xiàn)同等強度的多次降雨,所導(dǎo)致的土壤侵蝕將非常嚴重。因此,為了更好地防治水土流失,應(yīng)在坡度≥10°的坡地上實施有效的水土保持措施[10]。

圖4 不同雨強條件下紫色土坡面產(chǎn)沙總量圖

4 結(jié) 論

(1)同一坡度條件下,紫色土坡面初始產(chǎn)流時間隨著雨強的增大而減少;且在小雨強條件下,坡度對初始產(chǎn)流時間的影響顯著。

(2)紫色土坡面徑流總量有隨坡度和雨強的增加而增大的趨勢,0.60,1.10mm/min雨強時的徑流總量隨坡度的變化幅度較1.61,2.12 mm/min這2個雨強大,隨坡度的增加,各個雨強的徑流總量增大,且這種趨勢隨著雨強的增大越來越不明顯,坡度較大時,雨強對徑流總量的影響不明顯。

(3)紫色土坡面產(chǎn)沙總量隨著坡度和雨強的增大而增大,坡面產(chǎn)沙總量隨雨強的變化幅度與坡度成正比,隨雨強的增加,各個坡度的產(chǎn)沙量增大,且這種趨勢隨著坡度的增大越來越明顯。10,15,20°坡的產(chǎn)沙量較大,為3106.03～8117.09 g,如果坡面上出現(xiàn)同等強度的多次降雨,所導(dǎo)致的土壤侵蝕將非常嚴重,故應(yīng)在坡度≥10°的坡地上實施有效的水土保持措施。

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