人工模擬降雨條件下坡面產(chǎn)沙規(guī)律及侵蝕泥沙顆粒特征研究

崔 斌，張 瑜，許曉鴻，王 洋

(1.吉林省宏利水土保持咨詢(xún)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

人工模擬降雨條件下坡面產(chǎn)沙規(guī)律及侵蝕泥沙顆粒特征研究

崔 斌1，2，張 瑜2，許曉鴻2，王 洋1

(1.吉林省宏利水土保持咨詢(xún)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

模擬降雨；產(chǎn)沙量；侵蝕泥沙；顆粒特征

利用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究了坡面產(chǎn)沙規(guī)律及其與徑流的相關(guān)關(guān)系，并對(duì)比分析了侵蝕泥沙與原土壤的顆粒特征。結(jié)果表明：①產(chǎn)流時(shí)間受降雨強(qiáng)度與坡度共同影響，降雨強(qiáng)度和坡度越大，產(chǎn)流時(shí)間越短，隨降雨強(qiáng)度增加坡度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響越加明顯。②不同降雨強(qiáng)度作用下，產(chǎn)沙量(4 min產(chǎn)沙量)均隨降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，但峰值不同，降雨強(qiáng)度越大峰值越大。③累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，可用方程y=AxB來(lái)表達(dá)，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.986，達(dá)極顯著水平，系數(shù)A隨降雨強(qiáng)度和坡度的增加而減小，系數(shù)B受降雨強(qiáng)度和坡度的影響無(wú)明顯規(guī)律性變化。④不同降雨強(qiáng)度作用下的侵蝕泥沙顆粒級(jí)配不同，與原坡面土壤顆粒級(jí)配的差異程度表現(xiàn)為1.2 mm/min<0.8 mm/min<0.5 mm/min，隨著降雨強(qiáng)度的減小，侵蝕泥沙中<0.01 mm顆粒的相對(duì)含量有所增加，>0.01 mm顆粒的相對(duì)含量減少，并且降雨強(qiáng)度越小，這種變化程度越明顯。

人類(lèi)不合理利用自然資源導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化所引發(fā)的土壤侵蝕，尤其是水力侵蝕已成為當(dāng)今世界最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一。徑流泥沙下瀉造成土地質(zhì)量下降，致使土地荒蕪、難以利用。土壤肥力是評(píng)價(jià)土地質(zhì)量的重要指標(biāo)，而土壤顆粒組成對(duì)土壤肥力具有明顯影響，比如土壤顆粒組成影響土壤持水性和保肥能力[1]，有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀和鋅的含量也與土壤顆粒組成密切相關(guān)[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在土壤顆粒流失與養(yǎng)分流失關(guān)系的研究方面取得了一定進(jìn)展。有研究表明，土壤養(yǎng)分絕大部分是隨著泥沙流失的，泥沙是土壤養(yǎng)分流失的主要載體[3-5]，泥沙攜帶的氮和磷等養(yǎng)分量甚至可以占到養(yǎng)分流失總量的90%以上[6]，但關(guān)于降雨強(qiáng)度、產(chǎn)沙強(qiáng)度等對(duì)泥沙顆粒組成變化的研究相對(duì)較少[7-9]。本研究在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，研究黑土區(qū)水土流失規(guī)律及其泥沙顆粒特征，以期對(duì)黑土區(qū)坡耕地水土流失治理、養(yǎng)分流失控制、坡耕地生產(chǎn)力提高提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和研究方法

1.1 試驗(yàn)小區(qū)

選用吉林省水土保持科學(xué)研究院研制的坡度可調(diào)式徑流小區(qū)作為試驗(yàn)小區(qū)，規(guī)格為2.0 m×1.0 m×0.4 m。試驗(yàn)土壤為暗棕壤，取土樣過(guò)5 mm篩并清除雜質(zhì)。試驗(yàn)小區(qū)填土?xí)r在最下層裝填10 cm細(xì)沙并用紗布覆蓋，保證小區(qū)有良好的透水性，再分6層裝填試驗(yàn)土壤，每層裝填5 cm，使下墊面土壤條件的變異性最小。試驗(yàn)前采用0.265 mm/min的降雨強(qiáng)度進(jìn)行前期降雨至坡面產(chǎn)流為止，用塑料布覆蓋并靜置24 h，保證每次試驗(yàn)土壤的初始條件一致。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2013年8月5日在吉林省杏木國(guó)家水土保持科技示范園區(qū)降雨大廳進(jìn)行第一次模擬降雨試驗(yàn)，2013年9月10日完成全部降雨試驗(yàn)。依據(jù)侵蝕性降雨分布規(guī)律，選擇試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為1.2、0.8、0.5 mm/min，設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)坡度為8°、12°，至產(chǎn)流45 min時(shí)停止降雨。自產(chǎn)流1 min后開(kāi)始連續(xù)收集徑流泥沙，每次收集時(shí)間為4 min，每場(chǎng)降雨共收集樣品11個(gè)，降雨結(jié)束后利用比重法測(cè)量每個(gè)樣品的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。由于單次收集的產(chǎn)沙量較少，因此將測(cè)量后的11個(gè)徑流泥沙樣混合，對(duì)每場(chǎng)降雨產(chǎn)生的侵蝕泥沙進(jìn)行顆粒分析，儀器采用GSL-IOIBL激光顆粒分布測(cè)量?jī)x。每個(gè)處理重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行計(jì)算和分析。

模擬降雨裝置采用國(guó)家“948”計(jì)劃引入設(shè)備——Norton降雨模擬器。該降雨模擬器降雨方式為擺動(dòng)式，有效雨滴降落高度為2.5 m，雨滴霧化效果良好，能有效抵抗風(fēng)對(duì)降雨效果的影響。該降雨模擬器擁有專(zhuān)門(mén)的降雨強(qiáng)度控制模塊，保證了降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)易性，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)強(qiáng)度為9.5～100 mm/h。經(jīng)過(guò)率定與校核，Norton降雨模擬器的降雨均勻系數(shù)可達(dá)92%以上，滿(mǎn)足本次試驗(yàn)要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響

兩試驗(yàn)小區(qū)不同降雨強(qiáng)度條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況見(jiàn)表1。從表1可以看出，每場(chǎng)降雨的總產(chǎn)流量與總產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度和坡度的增加而縮短。試驗(yàn)中兩種坡度條件下，產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度的增大有明顯的縮短；當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.5 mm/min時(shí)，坡度的變化對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響并不明顯，8°和12°小區(qū)的產(chǎn)流時(shí)間僅相差1′36″；隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響越趨明顯，降雨強(qiáng)度1.2 mm/min時(shí)，兩種坡度小區(qū)的產(chǎn)流時(shí)間相差13′11″。這說(shuō)明降雨強(qiáng)度是影響產(chǎn)流時(shí)間的主導(dǎo)因素，而坡度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響是當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)才開(kāi)始顯現(xiàn)的。

分析其原因，在降雨強(qiáng)度較小時(shí)，坡面降水以入滲和被未飽和的土壤吸收為主，由于降雨強(qiáng)度相同時(shí)，坡面降水達(dá)到穩(wěn)定入滲和土壤達(dá)到飽和時(shí)間基本相同，這一過(guò)程幾乎不受坡度影響，因此不同坡度小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間相差較小。當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，隨坡度增加，降水進(jìn)入土壤的機(jī)會(huì)減少，同時(shí)徑流沿坡面方向的力增大，而垂直坡面的壓力減少，導(dǎo)致土壤入滲速率下降[10-11]，產(chǎn)流時(shí)間明顯提前。

表1 兩試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

2.2 產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)變化

兩小區(qū)不同降雨強(qiáng)度條件下的產(chǎn)沙情況見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，在不同降雨強(qiáng)度條件下，產(chǎn)沙量(4min產(chǎn)沙量，下同)隨產(chǎn)流歷時(shí)增加呈現(xiàn)明顯差異，在8°和12°坡度條件下這種差異情況比較一致，即產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，區(qū)別在于產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定的時(shí)間及峰值不同：8°小區(qū)在3種降雨強(qiáng)度(0.5、0.8、1.2 mm/min)作用下，產(chǎn)沙量峰值分別為0.048、0.092、0.112 kg，達(dá)到峰值的時(shí)間分別為9、9、5 min；12°小區(qū)在3種降雨強(qiáng)度(0.5、0.8、1.2 mm/min)作用下，產(chǎn)沙量峰值分別為0.079，0.120，0.147 kg，達(dá)到峰值的時(shí)間分別為9、9、5 min。兩種坡度小區(qū)的產(chǎn)沙量達(dá)到峰值后，0.5、0.8 mm/min降雨強(qiáng)度條件下的產(chǎn)沙量處于穩(wěn)定減少的狀態(tài)，而1.2 mm/min雨強(qiáng)條件下的產(chǎn)沙量在達(dá)到峰值后仍呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。

圖1 兩小區(qū)產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流歷時(shí)變化

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是在徑流形成初期，坡面土壤侵蝕以雨滴擊濺和薄層水流沖刷為主；隨著降雨繼續(xù)，雨滴擊濺侵蝕作用減弱，徑流沖刷力和攜沙力增強(qiáng)，且坡面松散土顆粒較多，極易被搬運(yùn)和侵蝕，在這個(gè)階段產(chǎn)沙量出現(xiàn)峰值；之后由于坡面可蝕性顆粒減少，徑流中攜帶泥沙逐漸減少且以細(xì)顆粒為主，坡面上較大的土顆粒失去支撐，在重力作用和大雨強(qiáng)形成的徑流搬運(yùn)作用下發(fā)生侵蝕，而小雨強(qiáng)形成的徑流搬運(yùn)能力弱，小于坡面泥沙顆粒的起動(dòng)能量，這就是在3種不同降雨強(qiáng)度條件下產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)增加量出現(xiàn)差異的原因。

2.3 累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量相關(guān)關(guān)系分析

對(duì)各降雨場(chǎng)次的累積產(chǎn)沙量與累積徑流量進(jìn)行擬合分析，得出的回歸方程見(jiàn)表2。累積產(chǎn)沙量(y)與累積產(chǎn)流量(x)關(guān)系滿(mǎn)足冪函數(shù)y=AxB，相關(guān)系數(shù)均大于0.986，達(dá)極顯著水平。從函數(shù)關(guān)系式可以看出，系數(shù)A和B值越大，產(chǎn)沙量越多，并且系數(shù)A隨著降雨強(qiáng)度和坡度的變化呈現(xiàn)一定變化規(guī)律，即總體上隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加而減小，在試驗(yàn)中各影響因子作用下的取值區(qū)間為0.032～0.082。分析原因可能是在降雨強(qiáng)度和坡度增加的同時(shí)，也增加了坡面徑流量和產(chǎn)沙量，但前者的增加量要遠(yuǎn)大于后者的增加量。系數(shù)B隨降雨強(qiáng)度和坡度的變化規(guī)律不明顯，取值區(qū)間為0.887～1.038。

表2 累積徑流量與累積產(chǎn)沙量回歸分析

2.4 侵蝕泥沙顆粒特征分析

將侵蝕泥沙與原土壤的顆粒級(jí)配進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，降雨強(qiáng)度越大，侵蝕泥沙顆粒級(jí)配與原土壤顆粒級(jí)配越接近，接近程度表現(xiàn)為1.2 mm/min>0.8 mm/min>0.5 mm/min。隨著降雨強(qiáng)度的減弱，侵蝕泥沙中<0.01 mm顆粒的相對(duì)含量有所增加，>0.01 mm顆粒的相對(duì)含量減少，并且降雨強(qiáng)度越小，這種變化程度越明顯。

圖2 侵蝕泥沙與試驗(yàn)土壤顆粒級(jí)配分析

分析以上原因可能是在降雨強(qiáng)度較大的條件下，降雨初期坡面徑流形成前雨滴擊濺侵蝕較強(qiáng)，對(duì)坡面土壤塊體崩解、分散、輸移程度高，隨著后期坡面徑流形成且沖刷能力逐漸增強(qiáng)，坡面發(fā)生層狀面蝕，此時(shí)徑流的侵蝕分選作用并不明顯，因此大降雨強(qiáng)度(1.2 mm/min)作用下的侵蝕泥沙顆粒級(jí)配更接近原土壤，該結(jié)論與郭進(jìn)等[12]的研究結(jié)論一致；在小降雨強(qiáng)度(0.5 mm/min)作用下，雨滴擊濺侵蝕弱，形成的坡面徑流侵蝕分選作用明顯，使徑流選擇性地搬運(yùn)土壤細(xì)顆粒，從而使侵蝕泥沙中<0.01mm顆粒的相對(duì)含量增加。

3 結(jié) 論

(1)產(chǎn)流時(shí)間受降雨強(qiáng)度與坡度的共同影響，降雨強(qiáng)度和坡度越大，產(chǎn)流時(shí)間越短；隨雨強(qiáng)的增加，坡度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響越加明顯。

(2)不同降雨強(qiáng)度條件下，產(chǎn)沙量(4 min)隨產(chǎn)流歷時(shí)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，但達(dá)到的峰值不同，降雨強(qiáng)度越大峰值越大；在1.2 mm/min雨強(qiáng)作用下，產(chǎn)沙量在達(dá)到峰值后呈現(xiàn)波動(dòng)減少的狀態(tài)，而在0.8 mm/min和0.5 mm/min雨強(qiáng)作用下，產(chǎn)沙量在達(dá)到峰值后均呈現(xiàn)穩(wěn)定減少的狀態(tài)。

(3)各降雨場(chǎng)次的累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，可用方程y=AxB來(lái)表達(dá)，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.986，達(dá)極顯著水平；系數(shù)A隨降雨強(qiáng)度和坡度的增加而減小，系數(shù)B受降雨強(qiáng)度和坡度的影響無(wú)明顯規(guī)律性變化，有待進(jìn)一步研究。

(4)不同雨強(qiáng)作用下的侵蝕泥沙顆粒級(jí)配不同，與原坡面土壤顆粒級(jí)配的接近程度表現(xiàn)為1.2 mm/min>0.8 mm/min>0.5 mm/min。隨著雨強(qiáng)的減小，侵蝕泥沙中<0.01 mm顆粒的相對(duì)含量有所增加，>0.01 mm顆粒的相對(duì)含量減少，并且降雨強(qiáng)度越小這種變化程度越明顯。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20120409)；黑土區(qū)退化坡耕地生產(chǎn)力恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究(201401025)

S157.1

A

1000-0941(2015)04-0043-03

崔斌(1986—)，男，吉林蛟河市人，助理工程師，碩士，主要從事土壤侵蝕規(guī)律及其治理研究。

2014-12-31