中小雨強下谷子坡地的降雨入滲特征模擬

吳 佳，王林華，李占斌，趙 慢

(1 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710004；2 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 水土保持研究所,b 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

中小雨強下谷子坡地的降雨入滲特征模擬

吳 佳1，王林華2a，李占斌1，趙 慢2b

(1 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710004；2 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 水土保持研究所,b 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究谷子坡地的降雨入滲特征，為谷子坡地水分管理及防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā?采用人工模擬降雨的方法，以裸露坡地為對照，研究中小雨強(40 mm/h)下，3°、5°、10°、15°的坡地在谷子拔節(jié)初期、拔節(jié)中期、抽穗初期和灌漿初期的降雨入滲特征，并篩選出最優(yōu)擬合模型。【結(jié)果】 谷子坡地最初入滲率較高，隨降雨歷時的延長入滲率呈下降趨勢，至降雨后50 min基本接近穩(wěn)定入滲階段，入滲率與入滲時間之間符合冪函數(shù)關(guān)系。入滲總量隨坡度的增大而減小，隨谷子生長期的延長而增大；與裸地相比，谷子坡地的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率、累積入滲量分別提高了10.4%，28.17%，16.46%和20.47%。Kostiakov模型基本能模擬谷子坡地的入滲特征，但平均入滲率估算值(0.420 mm/min)比實測值(0.474 mm/min)降低了11.39%?！窘Y(jié)論】 谷子坡地的入滲總量大于裸地，入滲曲線可用Kostiakov模型擬合。

谷子坡地；降雨入滲；模型模擬；黃土高原

谷子(Sutraitalica)是黃土高原主要種植的秋作物之一，性喜高溫，主要栽培在黃土梁峁坡地上。因此，其種植與生長過程既可降低雨滴淺蝕，降低土壤侵蝕量，又可增加潛在土壤移動量，加劇侵蝕的發(fā)生。這兩方面的作用大小主要取決于谷子冠幅對降雨的分配能力、莖稈對徑流的分散阻礙能力及根系增強土壤入滲能力的大小。通常，在苗期其作用很小，之后隨著谷子的生長這些作用愈來愈強。

植被是防治水土流失的治本措施，就其防蝕機理來看，提高了降雨入滲量是主要原因之一。因此，關(guān)于植被對降雨入滲的影響研究受到人們的普遍重視。袁建平等[1]對陜北紙坊溝小流域入滲率空間變異性的研究發(fā)現(xiàn)，刺槐林地土壤穩(wěn)定入滲率最高，撂荒地最低。高人等[2]對遼寧東部山區(qū)6種植被類型土壤水分的入滲性能研究證實，闊葉林下土壤入滲性能明顯優(yōu)于針葉林，且林齡越大，土壤初滲性能越好。李斌兵等[3]發(fā)現(xiàn)，相同降雨情況下，林地入滲量是草地的2倍、農(nóng)地的3倍。李毅等[4]就人工草地覆蓋度對降雨入滲的影響也進行了探討。劉素軍等[5]證實，在相同條件下，草地雀麥保水、固土能力是玉米的5.2和1.5倍。宋孝玉等[6]采用數(shù)值模擬方法建立了不同下墊面農(nóng)田降雨入滲及產(chǎn)流關(guān)系的模型?？傮w來看，植被能夠增加降雨入滲，減少地表徑流和土壤侵蝕。

農(nóng)作物也是植被種類之一，但其與森林植被又有明顯的區(qū)別。如農(nóng)作物多數(shù)為一年生，地面無凋落層，且有明顯的生長階段等。因此，農(nóng)作物對降雨入滲的影響可能也不同于其他植被。為此，本研究對40 mm/h降雨強度下谷子坡地的降雨入滲特征進行了分析，以期為谷子坡地水分管理及水土流失防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

本試驗是在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化防治教學(xué)實驗基地的徑流小區(qū)上完成的。供試作物為晉谷29谷子。在播種前一次性施入2 500 kg/hm2有機肥(腐熟羊糞和雞糞)和400 kg/hm2磷酸二銨后，再進行人工翻耕和播種。谷子定苗后的株行距為10 cm×20 cm。生長期的管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣進行。

1.2 方 法

1.2.1 徑流小區(qū)的設(shè)計 徑流小區(qū)建成于2005年，坡度分別為3°、5°、10°和15°，共4組16個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為4 m×1 m。小區(qū)內(nèi)裝填的土壤為楊凌農(nóng)田耕層(0～20 cm)的土婁土，其養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)5.0～15.0 g/kg，全N 0.5～1.3 g/kg，堿解N 23.0～80.0 mg/kg，速效磷2.2～23.0 mg/kg，質(zhì)地黏重。2011年5月上旬，在同一坡度4個小區(qū)中的2個小區(qū)播種谷子，另外2個小區(qū)為裸露對照(CK)。

1.2.2 降雨入滲試驗 于2011年6月中旬定苗管理后，分別于谷子的拔節(jié)初期(7月上旬)、拔節(jié)中期(7月中旬)、抽穗初期(7月下旬)、灌漿初期(8月中旬)進行降雨入滲試驗。模擬降雨設(shè)備來自于中國科學(xué)院水土保持研究所水保實驗設(shè)備工廠設(shè)計制造的側(cè)噴式降雨機，降雨高度7.5 mm，有效降雨面積5 m×7 m，率定后雨滴均勻度達(dá)90%以上。試驗設(shè)計降雨強度為40 mm/h，降雨歷時1 h。每次降雨產(chǎn)流后，對小區(qū)均每3 min收集1次徑流泥沙樣。降雨的同時，在各小區(qū)的4個邊角上放置量雨筒，收集降雨以測定實際降雨強度。試驗操作及泥沙、徑流、雨強等的測算均按《水土保持試驗規(guī)范》[7]執(zhí)行。

1.2.3 入滲量的推算 入滲量推算按水量平衡原理進行。坡面產(chǎn)流過程通?？捎孟率奖硎荆?/p>

(1)

式中：R(t)為徑流量，t為時間，I為降雨強度，In為植物截留量，e為蒸散發(fā)率，Sd為填洼量，f為入滲強度。

一般情況下，在降雨過程中e可忽略不計，可用噴霧法測定In；Sd受制于人為管理，本試驗中每次降雨結(jié)束后，均人為將小區(qū)坡面整平，故Sd也可忽略不計。故對式(1)微分整理后，入滲量F=I′-R(t)-In,其中I′為凈雨強，I′=Icosα，α為坡度。

1.3 模型的模擬

本研究采用以下4個常用入滲模型對降雨入滲試驗結(jié)果進行模擬與評價。

1.3.1 Kostiakov模型[8]Kostiakov于1932年提出了以下經(jīng)驗公式來模擬土壤水分入滲：

i=i1×t-a。

(2)式中：i為t時刻的入滲率，i1為第1分鐘末的入滲率，t為入滲時間，a為經(jīng)驗常數(shù)，由試驗資料擬合出的參數(shù)。

1.3.2 Horton模型[9]Horton提出了以下指數(shù)型入滲經(jīng)驗公式：

i=ic+(i0-ic)e-kt。

(3)

式中：i為t時刻的入滲率，ic為穩(wěn)定入滲率，i0為初始入滲率，t為入滲時間，k為反映土壤特性的常數(shù)。

1.3.3 Philip模型[10]該模型是Philip在Richards方程的半解析方法基礎(chǔ)上提出的，模型中2個參數(shù)有明確的物理意義。該模型如下：

i=0.5×S×t-1/2+A。

(4)

式中：i為t時刻的入滲率，S為土壤吸濕率，t為入滲時間，A為飽和導(dǎo)水率。

1.3.4 蔣定生模型[11]在分析Kostiakov和Horton模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃土高原大量的野外測試資料，蔣定生和黃國俊提出的入滲公式為：

i=ic+(i1-ic)/ta。

(5)

式中：i為t時刻的入滲率，i1為第1分鐘末的入滲率，ic為穩(wěn)定入滲率，t為入滲時間，a為經(jīng)驗常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子坡地降雨入滲特征分析

圖1～4是谷子4個生育期不同坡地下的降雨入滲曲線。由圖1～4可以看出，無論是CK還是種植谷子的小區(qū)，在產(chǎn)流初期其初始入滲率都很高，隨著降雨時間的延長，入滲率總體呈下降趨勢，但在50 min左右基本接近穩(wěn)滲階段，這一特征可用冪函數(shù)f=a×tb進行描述；式中：f為入滲率，mm/min；t為入滲時間，min；a和b為回歸系數(shù)。入滲曲線各參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。另外，隨著坡度的增大，入滲量減少，例如，拔節(jié)初期3°小區(qū)的總?cè)霛B量為 29.367 mm，15°小區(qū)的則為16.658 mm(表2)，其它生長階段也是類似的情況。隨著作物的生長，其冠幅、葉面積指數(shù)增大，對降雨的分配能力增強，降低了雨滴的能量，從而抑制了土表結(jié)皮的形成，使入滲量增加，例如，拔節(jié)初期的總?cè)霛B量平均為22.947 mm，灌漿初期時則高達(dá)30.457 mm(表2)。圖1和圖2中，拔節(jié)初期和中期裸露小區(qū)與谷子小區(qū)入滲曲線的交織，可能是坡度、作物生長狀況和結(jié)皮等地表因素綜合作用的結(jié)果。

總體來看，種植谷子的小區(qū)降雨入滲能力要強于裸地。統(tǒng)計可知，種植谷子小區(qū)的初始入滲率平均為0.584 mm/min，穩(wěn)定入滲率為0.364 mm/min，平均入滲率為0.474 mm/min，累積入滲量為27.027 mm；CK的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率和累積入滲量分別為0.529 mm/min，0.284 mm/min，0.407 mm/min和22.435 mm，可知種植谷子小區(qū)的4個入滲特征指標(biāo)值分別較CK提高了10.4%，28.17%，16.46%和20.47%。

2.2 坡地降雨入滲特征的模擬

本研究分別采用Kostiakov、Horton、Philip和蔣定生模型對不同坡度(3°～15°)谷子小區(qū)的試驗結(jié)果進行了擬合，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，Horton和蔣定生模型不適合谷子全生育期坡地降雨入滲特征的描述。從R2值來看，Philip模型的擬合程度最好，但它不能擬合谷子拔節(jié)初期15°坡地的降雨入滲特征。與這3個模型的擬合結(jié)果相比，Kostiakov模型能擬合谷子各生育期不同坡地的降雨入滲特征，且R2較高，基本滿足了模擬谷子坡地的入滲過程要求，但平均入滲率估算值(0.420 mm/min)比實測值(0.424 mm/min)降低了11.39%。

3 結(jié) 論

在中小雨強(40 mm/h)條件下，谷子坡地初始入滲率都較高，隨著降雨歷時的延長入滲率呈下降趨勢，在50 min左右基本接近穩(wěn)滲階段，符合冪函數(shù)關(guān)系。總?cè)霛B量隨著坡度的增大而減少，隨著谷子生長期延長而增大。谷子坡地的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率和累積入滲量較裸地提高了10.4%,28.17%,16.46%和20.47%。Kostiakov模型可基本模擬谷子坡地全生育期的入滲特征，但平均入滲率估算值(0.420 mm/min)比實測值(0.474 mm/min)降低了11.39%。

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Simulation of soil infiltration in millet sloping field under medium rainfall intensity

WU Jia1,WANG Lin-hua2a,LI Zhan-bin1,ZHAO Man2b

(1CollegeofWaterResourcesandHydro-electricEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710004,China;2 aInstituteofSoilandWaterConservation,bCollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This paper investigated soil infiltration in millet sloping field to provide scientific basis for soil and water conservation in millet sloping field.【Method】 The characteristics of soil infiltration at different growth stages of millet including early jointing stage,middle jointing stage,early heading stage and early filling stage were studied.The gradients of millet field were 3°,5°,10°,and 15° and the rainfall intensity was 40 mm/h.Bare sloping field was used as control and the best fitting model was selected.【Result】 The infiltration rate in millet field generally presented a decreasing tendency with the increase of rainfall duration and reached a stable stage nearly 50 min after the beginning of rainfall.The relationship between infiltration rate and rainfall time could be described by a power function.The total infiltration amount decreased as the increase of slope whereas increased from early jointing stage to early filling stage.Compared with control treatment,the initial infiltration rate, steady infiltration rate,average infiltration rate and the total infiltration amount in millet field were increased by 10.4%,28.17%,16.46%,and 20.47%,respectively.Kostiakov infiltration model generally fitted the soil infiltration characteristics at different growth stages in millet field,while the predicted value of average infiltration (0.420 mm/min) rate was 11.39% lower than the measured value (0.474 mm/min).【Conclusion】 The total infiltration amount in millet field was higher than the control treatment.Kostiakov infiltration model could be used to simulate the infiltration rate in millet field.

millet sloping field;rainfall infiltration;infiltration model;Loess Plateau

2014-02-25

國家自然科學(xué)基金項目(41271288)；西北農(nóng)林科技大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目

吳 佳(1984-)，女，陜西西安人，博士，主要從事水土資源過程與生態(tài)環(huán)境保護研究。E-mail：270704408@qq.com

李占斌(1962-)，男，河南鎮(zhèn)平人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。 E-mail:zbli@mail.xaut.edu.cn

時間:2015-05-11 15:03

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.06.031

S157.1

A

1671-9387(2015)06-0228-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150511.1503.031.html