三峽庫區(qū)小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)研究

肖 海，夏振堯，楊悅舒，梁永哲，柳 琪

由于長期不合理的土地利用方式，加之較頻繁的侵蝕性降雨，導(dǎo)致三峽庫區(qū)水土流失嚴(yán)重，不僅致使庫區(qū)土壤日趨貧瘠，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，而且水庫泥沙淤積給三峽工程和長江中下游的安危造成極大威脅［1］。小流域是水土保持研究的基本單元，對其侵蝕產(chǎn)沙空間分布的了解是預(yù)測和防治流域水土流失的重點(diǎn)［2］。

本研究以三峽庫區(qū)主要土壤類型紫色土為研究對象，通過建立小流域模型，結(jié)合人工模擬降雨試驗(yàn)，研究小流域在不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，為三峽庫區(qū)小流域治理以及水土流失預(yù)測模型的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 小流域模型的建立

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)湖北宜昌段，以秭歸縣水田壩鄉(xiāng)的王家橋小流域（31°12′—31°15′N，110°40′—110°43′E，小流域面積約為2.0km2，植被覆蓋良好）為原型，通過實(shí)地勘察，按1∶100的比例尺將其微縮模型建于三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗(yàn)場。

小流域模型外圍邊界用紅磚及水泥砌成，模型中下層鋪設(shè)砂土以便透水。上層土壤按照1.3g／cm3的容重鋪設(shè)10cm厚的紫色土層。小流域模型面積約為20m2，其最高處約1.3m，最低處高約0.4m，位于小流域出口處。由一條主溝、兩條支溝組成。主溝長約5.5m，上半主溝溝底坡度為10°～15°，溝壁坡度為20°～35°；下半主溝溝底坡度為0°～9°，溝壁坡度為15°～30°。支溝位于主溝兩側(cè)，左支溝長約2.2m，溝底坡度小于5°，溝壁坡度在25°～35°；右支溝長約1.9m，溝底坡度小于5°，溝壁坡度在15°～30°。各坡面坡度在10°以內(nèi)，下半坡面坡度整體比上半坡面坡度大。

1.2 人工降雨過程及處理

人工降雨試驗(yàn)在三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗(yàn)場開展。降雨設(shè)施采用南京南林電子科技生產(chǎn)的NLJY－10－01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度4m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于0.86，降雨強(qiáng)度分別為60，90，120mm／h。利用均勻分布于小流域中的雨量筒，通過多次測定平均降雨強(qiáng)度對降雨強(qiáng)度率定。每次降雨開始前，先將小流域表層濕潤，直至接近產(chǎn)生地表徑流。然后，將降雨強(qiáng)度調(diào)至設(shè)定值，在降雨開始產(chǎn)流后，開始計(jì)時，以2min為時間間隔接取全部泥沙樣品以待測試。同時照相，并對試驗(yàn)過程進(jìn)行記錄。降雨30min結(jié)束后，覆蓋防雨布以備下次試驗(yàn)使用。泥沙樣品收集后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

2 結(jié)果與分析

2.1 總產(chǎn)流產(chǎn)沙量分析

分別于2012年10月27日、11月1日及11月10日完成3種雨強(qiáng)（60，90，120mm／h）條件的降雨試驗(yàn)。從表1可以看出，產(chǎn)流量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，但是增加幅度相差較大，雖然3次降雨強(qiáng)度均相差30mm／h，但與60mm／h雨強(qiáng)降雨試驗(yàn)相比，90mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)的產(chǎn)流量增加了325.12kg，120mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)相對于90mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)只增加了261.62kg，增幅減少了19.53%。分析認(rèn)為，60mm／h雨強(qiáng)降雨試驗(yàn)前雖然進(jìn)行了預(yù)濕潤，但只是表面飽和，因此降雨過程中入滲較大，從而使得產(chǎn)流量減小。而由于第一次降雨試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤基本趨于飽和，后兩次入滲相對較小，產(chǎn)流量增加，從而導(dǎo)致在第3場降雨試驗(yàn)中產(chǎn)流量增幅減小。

與產(chǎn)流量變化規(guī)律相同，3場降雨產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，且增加幅度相差較大，90mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)的產(chǎn)沙量比60mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)的產(chǎn)沙量增加了20.85kg，120mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)的產(chǎn)沙量比90mm／h雨強(qiáng)試驗(yàn)增加了1.79kg，增幅較前兩場減少91.42%，這個增幅遠(yuǎn)小于同期產(chǎn)流量的增幅。試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)，在降雨強(qiáng)度為60mm／h雨強(qiáng)降雨試驗(yàn)結(jié)束后小流域坡面僅出現(xiàn)了細(xì)溝雛形，細(xì)溝并未明顯發(fā)育，因此坡面產(chǎn)沙量很少，且產(chǎn)流量相對也較少，因此對溝道沖刷也不太劇烈，因而總產(chǎn)沙量相對較少。而在隨后的90mm／h降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)沙量陡增，主要是由于在前場降雨的基礎(chǔ)上，一方面坡面細(xì)溝繼續(xù)發(fā)育，而且較大的降雨強(qiáng)度導(dǎo)致了較快的發(fā)育速度［3］引起坡面產(chǎn)沙量大增；另一方面較大的產(chǎn)流量使得對溝道沖刷較嚴(yán)重，產(chǎn)沙量也相應(yīng)增加，從而使得總產(chǎn)沙量增幅較大，在120mm／h降雨強(qiáng)度下，由于前兩次降雨的作用，坡面細(xì)溝以及溝道發(fā)育已經(jīng)較為穩(wěn)定，因此降雨強(qiáng)度及產(chǎn)流量的增加并不能導(dǎo)致產(chǎn)沙量的顯著增加，因此在整個降雨過程中產(chǎn)沙量增幅不大。

表1 3次降雨試驗(yàn)的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量

2.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙過程分析

從圖1可以看出，產(chǎn)流量在3場模擬降雨過程中均隨徑流時間呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。這是因?yàn)樵诮涤瓿跗跁r，一方面小流域中土壤滲透性較強(qiáng)，另一方面隨著雨滴的打擊作用及徑流對土壤顆粒的剝離、搬運(yùn)和沉積使得表層土壤中形成薄封閉層［4］。封閉層形成后土壤的入滲能力降低，從而使得產(chǎn)流量增加。當(dāng)封閉層發(fā)育穩(wěn)定時，產(chǎn)流量也逐漸穩(wěn)定［5］，且降雨強(qiáng)度越大，這個過程也越快。

雖然3場降雨產(chǎn)流量均隨時間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，但由圖1可知，3場降雨的產(chǎn)沙量變化規(guī)律并不一致。在60mm／h降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)沙量隨降雨歷時逐漸增加，主要是由于上述封閉作用引起入滲減小，徑流增加，徑流流速加快，從而徑流沖刷力增大，使徑流能夠運(yùn)走更多的泥沙［6］。

通過試驗(yàn)觀察，降雨結(jié)束后坡面細(xì)溝并未明顯發(fā)育，因此整個過程中產(chǎn)沙量均緩慢增加。而在隨后的90mm／h降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)沙量隨降雨歷時變化出現(xiàn)了先陡增后穩(wěn)定再波動的趨勢。降雨初期產(chǎn)沙量陡增，主要是由于在前場降雨的基礎(chǔ)上，一方面在較大的降雨強(qiáng)度下坡面細(xì)溝快速發(fā)育；另一方面產(chǎn)流量的增加使得溝道侵蝕迅速增加［7］。坡面細(xì)溝以及溝道的溝壁坍塌使得產(chǎn)沙量出現(xiàn)了波動變化的趨勢。在120mm／h降雨強(qiáng)度下，隨著坡面細(xì)溝以及溝道發(fā)育已經(jīng)較為穩(wěn)定，產(chǎn)流量的增加并不能導(dǎo)致產(chǎn)沙量的顯著增加，因此在整個降雨過程中產(chǎn)沙量仍呈現(xiàn)先增加后略有減小的變化趨勢。

圖1 3場模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量隨時間變化

2.3 累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量分析

圖2 反映了3場模擬降雨試驗(yàn)累積產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨降雨歷時的變化。累積產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量表明侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙總量隨時間的變化規(guī)律。由圖2可以看出，3場降雨強(qiáng)度下累積產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量均隨降雨歷時增長而增加，且降雨強(qiáng)度越大，累積產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量越大，這與降雨強(qiáng)度增大，小流域單位時間所承受的降雨增多，侵蝕力增強(qiáng)有關(guān)。

圖2 3場模擬降雨試驗(yàn)累積產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量隨時間變化

在各場次降雨下，累積徑流、產(chǎn)沙量與降雨歷時的關(guān)系均可用進(jìn)行線性擬合，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.97，說明這些擬合方程具有較高的可靠性。60，90，120mm／h這3種雨強(qiáng)條件下，單位時間內(nèi)所增加產(chǎn)流量分別為7.755，18.888和27.501kg，產(chǎn)流量相差不大；而累積產(chǎn)沙量在3場降雨下單位時間所增加的產(chǎn)沙量分別為0.144 2，0.856 3和0.890 7kg，相差較大。

分析認(rèn)為，單位時間產(chǎn)流量的多少由承雨量及入滲量決定，3次降雨過程中，入滲量除了第一次降雨過程中入滲較強(qiáng)外，其與兩次由于第一次降雨的作用，小流域內(nèi)土壤趨于飽和，因此入滲量變化不大，從而使得增幅相差不大。而產(chǎn)沙量受到多種因素的影響，在本試驗(yàn)中，產(chǎn)沙量的多少主要有坡面細(xì)溝發(fā)育情況以及徑流對溝道的沖刷情況所決定的，分析可知，60mm／h降雨強(qiáng)度下坡面細(xì)溝發(fā)育不明顯且徑流沖刷溝道的強(qiáng)度不劇烈，因此單位時間產(chǎn)沙量較少；而在90mm／h時，坡面細(xì)溝快速發(fā)育，徑流對溝道沖刷也加劇，因此單位時間內(nèi)產(chǎn)沙量較60mm／h降雨強(qiáng)度下大幅度增加；120mm／h降雨強(qiáng)度下，隨著坡面細(xì)溝發(fā)育趨于穩(wěn)定，單位時間產(chǎn)沙量增幅也相應(yīng)變小。

2.4 含沙量變化規(guī)律

含沙量是產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量兩者的比值，表明單位徑流中攜帶泥沙量的多少。由圖3可以看出3場降雨徑流含沙量變化規(guī)律并不一致。60mm／h降雨強(qiáng)度下徑流含沙量隨著降雨的持續(xù)呈增加趨勢，90mm／h降雨強(qiáng)度下徑流含沙量呈現(xiàn)先增加后波動變化，而120mm／h降雨強(qiáng)度下卻呈現(xiàn)先增加后略微遞減的趨勢。徑流含沙量出現(xiàn)這種不一致的變化規(guī)律，與產(chǎn)流產(chǎn)沙變化規(guī)律有密切相關(guān)，尤其與產(chǎn)沙量變化規(guī)律密切相關(guān)，這與本試驗(yàn)各次降雨過程中產(chǎn)流量除前期略少外后期基本變化不大有關(guān)。

圖3 含沙量隨降雨歷時變化規(guī)律圖

3 結(jié)論

（1）3種雨強(qiáng)條件下，降雨產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增加，但產(chǎn)流量的增加幅度遠(yuǎn)大于產(chǎn)沙量。

（2）3種雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流量均隨徑流時間的延長呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。

（3）3場降雨過程中產(chǎn)沙量及徑流含沙量變化規(guī)律不一致，在60mm／h雨強(qiáng)下，兩者變化均隨產(chǎn)流時間逐漸增加；90mm／h雨強(qiáng)下，兩者變化均隨產(chǎn)流時間變化出現(xiàn)了先陡增后穩(wěn)定波動的趨勢；而120mm／h降雨強(qiáng)度下兩者變化均隨產(chǎn)流時間變化出現(xiàn)了先增加后略微遞減的趨勢。

（4）在各場次降雨下，累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量均隨降雨歷時的增加呈線性變化。

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