野外模擬降雨下擾動(dòng)坡面徑流產(chǎn)沙規(guī)律研究

霍貴中

(山西省水土保持科學(xué)研究所)

隨著建設(shè)生產(chǎn)項(xiàng)目的不斷增加，導(dǎo)致原生地表破壞形成大量的人為擾動(dòng)坡面。這種坡面，是一種易產(chǎn)生水土流失的新侵蝕界面［1］。目前，對(duì)擾動(dòng)坡面的水土流失研究較少，研究主要是針對(duì)擾動(dòng)地面徑流產(chǎn)沙關(guān)系、導(dǎo)氣率、導(dǎo)水率等方面［2－4］。在研究方法上，采用野外降雨試驗(yàn)研究相對(duì)較少。本文采用野外人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)擾動(dòng)坡面的徑流產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行研究，可為擾動(dòng)地表的水土保持措施合理配置及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)布設(shè)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山西省西部的呂梁山區(qū)，屬晉西黃土丘陵溝壑密布的水土流失嚴(yán)重地區(qū)。該區(qū)黃土廣布，森林植被差，地形支離破碎。屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫8－9℃，多年平均降水量524 mm，年降水量的73%集中在汛期(6－9月)［5］。土壤類型為黃綿土，有機(jī)質(zhì)含量0.65%左右。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)與方法

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在呂梁市離石區(qū)郊區(qū)的一片撂荒地上。采用鐵鍬將撂荒地翻動(dòng)20 cm土層，然后平整至設(shè)計(jì)坡度。經(jīng)過(guò)細(xì)致修整，使各個(gè)小區(qū)的土壤容重差異控制在允許范圍之內(nèi)［3］。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)5 m，寬1 m，四周用2 mm厚的鋼板插入地下15 cm。以小區(qū)為中心，利用鋼管搭建臨時(shí)降雨棚，在垂直小區(qū)正上方5 m處配置兩排下噴式降雨器，水泵抽水至儲(chǔ)水箱中，閥門(mén)控制降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)前對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行多次率定，保證誤差在5%范圍內(nèi)。率定時(shí)用雨布遮蓋小區(qū)，雨強(qiáng)調(diào)整好后，快速揭開(kāi)雨布，當(dāng)開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)記錄下產(chǎn)流時(shí)間，并取水樣，前3 min每1 min取樣1次，3 min后每3 min取樣1次。小區(qū)設(shè)置4個(gè)坡度:8°、12°、16°和 20°;設(shè)置 4 個(gè)降雨強(qiáng)度:0.8 mm·min－1、1.2 mm·min－1、1.6 mm·min－1和2.0 mm·min－1。試驗(yàn)結(jié)束后，量測(cè)水樣體積，測(cè)定泥沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 擾動(dòng)坡面產(chǎn)流特征

降雨是形成徑流的最基本因素，在表征徑流強(qiáng)度的諸多因素中，徑流率在體現(xiàn)次降雨徑流強(qiáng)弱變化過(guò)程中最為直觀明了。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出每個(gè)坡度各降雨強(qiáng)度下的徑流率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化(見(jiàn)圖1)。圖1表明，從整體上看，徑流率隨著產(chǎn)流時(shí)間的持續(xù)而增大，相同坡度隨著雨強(qiáng)增大而增大。雨強(qiáng)越大徑流增幅越大，徑流率過(guò)程線的波動(dòng)也越大，出現(xiàn)多峰、多谷現(xiàn)象。主要原因:雨強(qiáng)越大，徑流量相對(duì)于入滲量來(lái)說(shuō)也越大，從而使徑流率增大;雨強(qiáng)的增大會(huì)增強(qiáng)坡面徑流的紊動(dòng)強(qiáng)度，導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性降低，當(dāng)剪切力大于土壤抗蝕力時(shí)徑流產(chǎn)生匯集。再者，徑流量的增大及徑流過(guò)程中入滲量的減少，導(dǎo)致徑流過(guò)程線出現(xiàn)波峰現(xiàn)象。隨著徑流時(shí)間的延長(zhǎng)，沖刷量時(shí)大時(shí)小出現(xiàn)波動(dòng)，所以會(huì)出現(xiàn)短時(shí)波谷的現(xiàn)象。

消除坡度和雨強(qiáng)的影響，采用SPSS16.0分別建立徑流率—降雨強(qiáng)度、徑流率—坡度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以看出徑流率與降雨強(qiáng)度、坡度分別呈對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如式(1)、(2)。比較兩式的R2值，可見(jiàn)雨強(qiáng)對(duì)徑流率的影響大于坡度。

圖1 不同坡度下徑流率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

式中，W為徑流率，I為雨強(qiáng)，S為坡度。

2.2 擾動(dòng)坡面產(chǎn)沙特征

2.2.1 擾動(dòng)坡面徑流含沙量變化分析

繪制不同坡度下徑流含沙量隨降雨歷時(shí)的關(guān)系曲線如圖2。從整體上看，徑流含沙量開(kāi)始很大，但隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)很快下降之后逐漸趨于穩(wěn)定。起始徑流含沙量很大的原因，是產(chǎn)流初期坡面土壤表層細(xì)小散狀顆粒在雨滴擊濺及徑流沖刷下很快被搬運(yùn)，這樣就產(chǎn)生了徑流量小而含沙量高的現(xiàn)象。在一定坡度情況下觀察雨強(qiáng)對(duì)含沙量的影響，雨強(qiáng)越大含沙量越大，曲線的波動(dòng)性大，并且隨著坡度增加波動(dòng)的幅度也在增大，尤其是大雨強(qiáng)時(shí)更加明顯。在20°時(shí)，小雨強(qiáng)(0.8 mm·min－1)也出現(xiàn)了微波動(dòng)，造成該現(xiàn)象的原因可能是隨著雨強(qiáng)的增大，徑流的侵蝕力增強(qiáng)，加之土壤含水量逐漸達(dá)到飽和，土壤的抗蝕性降低，從而在坡面形成侵蝕溝，溝內(nèi)土壤隨著徑流被輸移，從而出現(xiàn)波峰現(xiàn)象。由于徑流的作用，坡面各個(gè)小區(qū)土壤的穩(wěn)定性出現(xiàn)差異，從而使侵蝕溝出現(xiàn)的時(shí)間隨機(jī)發(fā)生，故曲線呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象。相同雨強(qiáng)下不同坡度的變化趨勢(shì)基本相同，隨著坡度增大其波動(dòng)性也愈來(lái)愈劇烈，含沙量的增幅也在增大，說(shuō)明坡度對(duì)徑流含沙量的變化影響越明顯。從以上分析可知，擾動(dòng)地面嚴(yán)重的水土流失可能主要發(fā)生在產(chǎn)流初期。

圖2 不同坡度下徑流含沙量隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

為了更好地研究徑流含沙量與降雨強(qiáng)度、坡度的關(guān)系，采用SPSS16.0分別建立徑流含沙量—降雨強(qiáng)度和徑流含沙量—坡度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以看出，分別呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如式(3)、(4)。從式中可以看出徑流產(chǎn)沙量與坡度之間的相關(guān)性高于降雨強(qiáng)度。

M=9.555·I0.826N=16 R2=0.338 (3)

M=3.528·e0.088SN=16 R2=0.650 (4)

式中，M為徑流含沙量，I為雨強(qiáng)，S為坡度。

2.2.2 擾動(dòng)坡面侵蝕速率變化分析

侵蝕速率是表示土壤侵蝕強(qiáng)度的重要指標(biāo)，根據(jù)侵蝕速率的大小確定采取不同的水土保持措施。因此，在研究坡面徑流產(chǎn)沙規(guī)律時(shí)，侵蝕速率是必不可少的分析因素。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出不同坡度下不同降雨強(qiáng)度的侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化關(guān)系(見(jiàn)圖3)。從圖3可以看出，侵蝕速率變化曲線和產(chǎn)沙量的變化曲線有著明顯的相似性。從整體上看，其趨勢(shì)為先突增后下降，最后達(dá)到穩(wěn)定。小雨強(qiáng)下的曲線幾乎成直線型變化，雨強(qiáng)和坡度越大，波動(dòng)性越明顯，與徑流含沙量變化基本相同。主要原因是隨著雨強(qiáng)和坡度增大，侵蝕溝形成就越快、越多，侵蝕量也越大，但在24 min后基本均達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 不同坡度下侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

2.3 擾動(dòng)坡面徑流產(chǎn)沙關(guān)系分析

次降雨的水沙關(guān)系可以通過(guò)分析次降雨的產(chǎn)沙量和徑流量的關(guān)系(見(jiàn)圖4)進(jìn)一步明確其特點(diǎn)。從圖4可以看出，產(chǎn)沙量與徑流量關(guān)系密切，基本呈線性變化關(guān)系，產(chǎn)沙量隨著徑流量的增大而增大，即水多沙大。隨著坡度增大，產(chǎn)沙量明顯增大，尤其是20°坡度更為突出。

在坡度一定的情況下，建立產(chǎn)沙量與徑流量關(guān)系如式(5)。

式中，MS表示產(chǎn)沙量，kg;Wi表示徑流量，L。

由此可知，次降雨條件下的產(chǎn)沙量與徑流量呈顯著的線性關(guān)系。因此，為了控制擾動(dòng)坡面嚴(yán)重的水土流失，必須要控制坡面來(lái)水，減少了坡面來(lái)水就可有效地降低土壤侵蝕量。

圖4 不同坡度下次降雨產(chǎn)沙量與徑流量的關(guān)系

2 結(jié)論

通過(guò)野外人工模擬降雨試驗(yàn)，基本可得出擾動(dòng)地面不同雨強(qiáng)和坡度下的徑流產(chǎn)沙規(guī)律。

(1)次降雨條件下徑流率隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而增大，隨著雨強(qiáng)增大而增大。徑流率與雨強(qiáng)、坡度分別呈對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(2)徑流含沙量隨降雨歷時(shí)的變化在初期急劇增大后下降，隨后趨于相對(duì)穩(wěn)定。徑流含沙量與雨強(qiáng)、坡度呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系。次降雨過(guò)程中，侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化呈現(xiàn)“突增—下降—穩(wěn)定”的變化趨勢(shì)，在產(chǎn)流起始后24 min時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

(3)擾動(dòng)坡面的產(chǎn)沙量與徑流量呈顯著的線性相關(guān)，可用方程式MS=0.033Wi－2.902來(lái)表達(dá)。

［1］羅 婷，王文龍，等.開(kāi)發(fā)建設(shè)中擾動(dòng)地面新增水土流失研究［J］.水土保持研究，2012，19(3):30－35.

［2］秦百順，李占斌，李 鵬，等.擾動(dòng)土與非硬化道路侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律研究［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28(2):138－144.

［3］王衛(wèi)華，王全九，樊 軍.原狀土與擾動(dòng)土導(dǎo)氣率、導(dǎo)水率與含水率的關(guān)系［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(8):25－29.

［4］李強(qiáng)，李占斌，魯克新，等.神府東勝礦區(qū)不同下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)研究［J］.水土保持研究，2008，15(3):1－3.

［5］任六平，馬顥玲，等.晉西呂梁地區(qū)降水特性分析［J］.山西水土保持科技，2002(4):22－23.