人工降雨條件下擾動坡面土壤侵蝕規(guī)律研究

王愛娟，李亞龍，王一峰

（長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

人工降雨條件下擾動坡面土壤侵蝕規(guī)律研究

王愛娟，李亞龍，王一峰

（長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

應(yīng)用人工模擬降雨實驗，擬定3種不同雨強對砂土、粉壤土、石質(zhì)土和黏土4種`不同土壤質(zhì)地擾動坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明:地表徑流的產(chǎn)流開始時間隨著雨強的增加縮短，在3.3～24.9min之間變化;坡上、坡中、坡下的徑流流速呈現(xiàn)遞增的趨勢，但是整個坡面的單位水流功率在降雨過程中變化不大;石質(zhì)土和黏土的產(chǎn)沙量最大，且在降雨過程中呈現(xiàn)先增后減的趨勢，而砂土和粉壤土的產(chǎn)沙量不大且呈現(xiàn)增加的趨勢;同一坡度同樣降水量情況下產(chǎn)沙量呈現(xiàn)石質(zhì)土＞粉壤土＞砂土的規(guī)律;黏土坡面的產(chǎn)沙量隨著雨強的增大而增大。

開挖坡面;地表徑流;侵蝕;人工降雨

1 研究背景

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與交通、能源開發(fā)等項目急劇增加，擾動地表造成人為水土流失量劇增，開發(fā)建設(shè)項目導(dǎo)致的新增水土流失問題成為有關(guān)專家關(guān)注的熱點。

由于開發(fā)建設(shè)項目類型眾多，下墊面條件各異，工程規(guī)模引致新增水土流失是自然水土流失的2～40 000倍［1］，精確計算開發(fā)建設(shè)項目水土流失量化困難。國內(nèi)目前應(yīng)用的開發(fā)建設(shè)項目造成的水土流失量化方法主要包括類比分析法、數(shù)學(xué)模型法、實地調(diào)查法（徑流小區(qū)法、測釬法、侵蝕溝量測法）、侵蝕等級劃分法和專家預(yù)測法等［2-4］。這些方法簡單易行、可操作性強，但是很難得到開發(fā)建設(shè)項目引起的水土流失量的精確值，其科學(xué)性也較差。只有在對開發(fā)建設(shè)項目水土流失特點的正確認(rèn)識基礎(chǔ)上，結(jié)合已有水土流失防治成果和防治措施體系及防治技術(shù)，才能進(jìn)行防治分區(qū)和防治措施布設(shè)［5-7］。由于開發(fā)建設(shè)項目往往使地表大面積硬化，改變了地表的入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙規(guī)律，擾動后的地表侵蝕規(guī)律鮮有研究，鑒于此，本文以工程開挖面為研究對象，采用人工模擬降雨和三維激光掃描的方法研究工程擾動地表的土壤侵蝕規(guī)律，量化開挖面土壤侵蝕量，為開發(fā)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)概況和研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南水北調(diào)中干線工程石家莊段（N37°27'—38°47'，E113°30'—115°20'），屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量521 mm，6至8月份3個月的降水占全年降水量的63%～70%，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm，蒸發(fā)量為降水量的4倍，多年平均氣溫12.8℃，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度0.54 m。石家莊市地處太行山前洪積平原，西靠太行山，東接河北中部平原，地勢由西向東逐漸降低，項目區(qū)屬平原、淺山丘陵的地貌形態(tài)，土壤類型主要有棕壤、褐土、石質(zhì)土、粗骨土、新積土、風(fēng)沙土、潮土、沼澤土、草甸土、水稻土和鹽土。

2.2 研究方法

采用人工降雨的方法研究擾動土地表土壤侵蝕規(guī)律，降雨器為下噴式，噴頭有大、中、小3套，其進(jìn)水口水壓由壓力表控制，工作頻率由多功能數(shù)據(jù)采集器控制，工作時間和間隔時間可在0～99 min內(nèi)調(diào)節(jié)，降雨強度可在0.5～3.5 mm/min之間調(diào)節(jié)，均勻度達(dá)到90%，噴頭高度為3 m，降雨覆蓋面積為1.2 m×3.5 m。根據(jù)河北省降雨資料統(tǒng)計，設(shè)定3種不同雨強，分別為1，1.5，1.8 mm/min，降雨量均為45 mm。徑流小區(qū)面積為3 m×1 m，布設(shè)在南水北調(diào)中線工程的渠道開挖面，由于是線性工程，開挖坡度較均一，平均為26°，土壤質(zhì)地分別為砂土、粉壤土、黏土和石質(zhì)土。

試驗開始前測定土壤含水量和重度并采樣用于分析土壤粒徑組成等。降雨開始后記錄產(chǎn)流開始時間，收集徑流泥沙樣的時間分別為產(chǎn)流后的1，2，3，5，7，10，15 min，之后每隔5 min收集一個徑流泥沙樣，收集泥沙樣的同時反復(fù)采用示蹤法測定坡面上、中、下的流速。降雨結(jié)束后測定泥沙樣的含沙量。

3 結(jié)果分析

3.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律分析

從圖1中可以看到，不同雨強情況下都表現(xiàn)出石質(zhì)土和黏土產(chǎn)沙量較大，砂土和粉壤土產(chǎn)沙量較小，分析原因認(rèn)為工程擾動面土壤孔隙度較大，土壤含水率低，砂土和粉壤土入滲量較大，坡長較小造成侵蝕量小，而黏土由于質(zhì)地較細(xì)，孔隙度相對小，產(chǎn)流量大導(dǎo)致侵蝕量大，石質(zhì)土因礫石含量較大造成土壤入滲量?。?-9］，產(chǎn)流量大，徑流沖刷導(dǎo)致侵蝕量較大;在降雨結(jié)束前石質(zhì)土和黏土坡面侵蝕量開始下降，砂土和粉壤土產(chǎn)沙量還呈上升趨勢，說明砂土和粉壤土坡面侵蝕形態(tài)還沒有穩(wěn)定而石質(zhì)土和黏土受降雨影響較大。但是在1 mm/min雨強時，砂土質(zhì)坡面在降雨結(jié)束前產(chǎn)沙量也已開始下降，分析原因認(rèn)為由于該雨強情況下降雨歷時長，入滲量隨著時間增大，坡面徑流小造成侵蝕量小。不同雨強不同質(zhì)地坡面的產(chǎn)沙總量見表1。

圖1 不同雨強情況下坡面產(chǎn)沙量Fig.1Sediment yields on slopes under different rainfall intensities

根據(jù)不同雨強4種質(zhì)地土壤的產(chǎn)流時間可以看出（見圖2），隨著雨強增大，產(chǎn)流開始時間均縮短，說明不同類型的土壤坡面均處于超滲產(chǎn)流狀態(tài)，在1 mm/min雨強情況下砂土和粉壤土的產(chǎn)流開始時間最晚，入滲量較黏土和石質(zhì)土大，當(dāng)雨強增大至1.8 mm/min時，這種差異就不明顯。砂土、粉壤土和石質(zhì)土坡面的產(chǎn)流總量隨著雨強的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，產(chǎn)沙總量變化趨勢與產(chǎn)流總量相同，是由于砂土、粉壤土和石質(zhì)土粘結(jié)性較差，土壤孔隙度較大，此次降雨試驗控制降雨量均為45 mm，1.8 mm/min雨強情況下降雨歷時較短，而黏土坡面隨雨強增大產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均呈增加趨勢但是不明顯，是由于黏土土壤粘結(jié)性大，在大雨強雨滴打擊下造成土壤結(jié)構(gòu)破壞形成侵蝕量大。

表1 不同雨強不同質(zhì)地坡面產(chǎn)沙總量Table 1Total sediment yields on different slopes under different rainfall intensities

圖2 不同土壤質(zhì)地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征Fig.2Runoff and sediment characteristics on different soil textures

3.2 坡面流速變化規(guī)律

從表2中可以看出不同雨強情況下石質(zhì)土、粉壤土和黏土坡面的流速均呈現(xiàn)坡上、坡中、坡下流速遞增趨勢，因為隨著流程增加，勢能轉(zhuǎn)化為動能，水流匯集使得流量增大，重力增大也使得流速增大;砂土坡面表現(xiàn)出減小或不變的趨勢，主要是由于砂土坡面土壤松散，在水流匯集過程中入滲量增大加之坡面粗糙度大，勢能消耗大造成。

從圖3中可以看到不同雨強情況下整個坡面的單位水流功率隨時間變化呈現(xiàn)波動起伏的變化趨勢，但是浮動范圍不大，基本保持穩(wěn)定的流速，是由于整個降雨過程中雨強不變，坡長較短，流量小造成。

圖3 不同雨強情況下坡面單位水流功率Fig.3Unit stream power on the slopes under different rainfall intensities

表2 不同雨強條件下坡位坡面流速Table 2Surface runoff velocities at different positions of the slopes under different rainfall intensities

4 結(jié)論

受工程施工影響，土壤含水率較小，在小雨強情況下產(chǎn)流開始時間較晚，產(chǎn)沙量較小，隨著雨強增大，4種質(zhì)地的土壤坡面產(chǎn)流開始時間沒有明顯區(qū)別，僅石質(zhì)土和黏土產(chǎn)沙量相對較大。隨著坡長增加，流速增加，但是整個坡面的平均流速變化不大，說明工程開挖面土壤侵蝕量與單位水流功率關(guān)系不大，主要與降雨歷時和降雨強度有關(guān)。

4種質(zhì)地的坡面產(chǎn)流量遵循黏土＞石質(zhì)土＞粉壤土＞砂土，這與非擾動土產(chǎn)流規(guī)律一致［8-9］，但是同一坡度同一雨強情況下產(chǎn)沙量遵循石質(zhì)土＞粉壤土＞砂土的規(guī)律，而黏土坡面產(chǎn)沙量隨著雨強的增大呈增加趨勢，主要是因為擾動土含水率較小，土壤孔隙度大造成產(chǎn)流量小，而黏土坡面土壤孔隙度小，入滲量小導(dǎo)致產(chǎn)流、產(chǎn)沙量都大。不同雨強情況下，石質(zhì)土、粉壤土和黏土坡面的流速均呈現(xiàn)坡上、坡中、坡下流速遞增趨勢，砂土坡面表現(xiàn)出減小或不變的趨勢，不同雨強情況下整個坡面的單位水流功率隨時間變化浮動范圍不大。

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（編輯:王慰）

Soil Erosion of Disturbed Slope Surface in Simulated Rainfall Conditions

WANG Ai-juan，LI Ya-long，WANG Yi-feng
（Soil and Water Conservation Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China）

By artificial simulated rainfall experiments，we researched the regularity of runoff and sediment yield on disturbed slope surface of four soil types（sandy soil，silty loam，stony soil，and clayey soil）under different rainfall intensities.Results showed that the time of surface runoff initiation shortened within the range of 3.3 min-24.9 min with the increase of rainfall intensity.The runoff velocity on the upper slope was larger than that on the middle slope，followed by that on the lower slope，but the stream power of the whole slope changed slightly throughout the entire rainfall process.The sediment yield of stony and clayey slope were the biggest，both increased firstly and decreased subsequently，while the sediment yield of sandy and silty loam slope were small and showed an increasing trend.At the same slope gradient and the same precipitation，the sediment yield of stony soil was the largest，followed by silty loam and sandy soil in sequence，while the sediment yield of clayey slope increased with the rainfall intensity increase.

excavated slope;surface runoff;erosion;simulated rainfall

S157

A

1001-5485（2013）04-0025-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.006 2013，30（04）:25-28

2012-03-22;

2012-10-17

國家自然科學(xué)基金項目（41101260）;水利部公益性行業(yè)科研專項項目（201001036）;長江科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費項目（CKSF2012042/TB）

王愛娟（1981-），女，寧夏銀川人，工程師，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究，（電話）027-82827942（電子信箱） wang-ai-juan@163.com。