三峽庫區(qū)小流域降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征試驗研究

梁永哲,夏振堯,牛鵬輝,許文年,陳 毅

（1.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌 443002；2.三峽大學a.水利與環(huán)境學院；b.土木與建筑學院,湖北宜昌 443002)

?

三峽庫區(qū)小流域降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征試驗研究

梁永哲1,2a,夏振堯1,2b,牛鵬輝1,2b,許文年1,2b,陳 毅2a

（1.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌 443002；2.三峽大學a.水利與環(huán)境學院；b.土木與建筑學院,湖北宜昌 443002)

摘 要：三峽庫區(qū)暴雨集中,歷時短,強度大,是造成土壤侵蝕的重要因素。為開展對三峽庫區(qū)小流域降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究,通過建立三峽庫區(qū)小流域微縮模型,分別實施降雨強度為60,90,120 mm/ h的3場人工模擬降雨,對小流域模型降雨入滲規(guī)律和徑流侵蝕過程進行了分析。研究結果表明:徑流量均隨降雨強度的增加而增加,而降雨強度增加入滲的作用僅在一定范圍內是有效的；隨著降雨的進行,產(chǎn)流強度和入滲率都趨于穩(wěn)定狀態(tài),入滲率服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律,產(chǎn)流強度呈冪函數(shù)變化；3場降雨中累計產(chǎn)沙量和累計徑流量的關系均滿足冪函數(shù)形式,含沙量和侵蝕量之間呈較好的線性關系。該研究成果可為這一區(qū)域的水土流失防治提供重要的科學依據(jù)。

關鍵詞：三峽庫區(qū)；模擬降雨；小流域；降雨入滲；土壤侵蝕

1 研究背景

我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一,三峽庫區(qū)又是我國水土流失最為嚴重的地區(qū)之一,其水土流失面積5.1萬km2,每年流失的泥沙總量達1.4億t ,占長江上游泥沙的26%,平均土壤侵蝕模數(shù)3 000 t/（km2·a) ,中度和極強度侵蝕達43.5%。嚴重的水土流失帶來的危害使土層瘠薄,地力衰退,土地生產(chǎn)力下降；水庫泥沙淤塞,影響工程效益。紫色土坡耕地是庫區(qū)水土流失的策源地,41.6%的泥沙來自坡耕地,土壤被水蝕后,侵蝕量大于成土量,土層逐年變薄,成了紅石骨子土,甚至造成基巖裸露［1］。同時,紫色土坡耕地是川中丘陵區(qū)主要的耕地資源,也是長江上游主要泥沙來源地之一［2］。

小流域是水土保持研究的基本單元,對小流域侵蝕產(chǎn)沙空間分布的了解是預測和防治流域水土流失的重點［3］。迄今,學者們對單點降雨入滲已進行了大量研究,如何將單點入滲模型擴展到較大區(qū)域上的研究較少［4］。本文作者以三峽庫區(qū)王家橋小流域為研究區(qū)域,以三峽庫區(qū)主要土壤類型紫色土為研究對象,通過建立小流域微縮模型,進行人工模擬降雨試驗,分析降雨強度對小流域降雨入滲過程的影響,并對徑流產(chǎn)沙特征進行定量分析,進一步研究降雨入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關性,為三峽庫區(qū)小流域水土流失治理、生態(tài)修復及對土壤侵蝕模型的構建提供可靠的理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)原型為秭歸縣水田壩鄉(xiāng)的王家橋小流域（北緯31°12′～31°15′,東經(jīng)110°40′～110°43′,小流域面積大約為2.0 km2,植被覆蓋較好),該區(qū)位于三峽庫區(qū)湖北宜昌段,是紫色巖地區(qū)典型小流域,通過實地勘察與測量,將1∶100比例尺的微縮模型建于三峽大學水工廳的人工模擬降雨試驗場。

2.2 設備與材料

本試驗模擬降雨設施采用南京南林電子科技有限公司生產(chǎn)的NLJY-10-01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)。降雨高度4 m,由9組大、中、小噴頭均勻噴出雨滴,降雨均勻度＞0.86,有效降雨面積為20 m2；試驗所用土壤取自王家橋小流域的紫色土。

2.3 試驗設計和處理

用磚塊及水泥砌一個外圍邊界形成試驗小流域模型,然后模型下層根據(jù)勘測所得到的流域地形鋪設砂土以便透水?？紤]到3場降雨侵蝕的深度,上層土壤鋪設10 cm厚的紫色土層,密度控制在1.3 g/ cm3。小流域模型建成后,其溝道分布如圖1所示。得到的小流域模型面積約為20 m2,最高與最低處高度分別約為1.2 m和0.4 m。溝道主要由1條主溝及2條支溝組成。主溝總長約5.5 m,上半部分主溝溝底坡度為10°～15°,溝壁坡度為20°～35°；下半部分主溝溝底坡度為0°～9°,溝壁坡度為15°～30°。支溝分布于主溝兩側,左支溝長約2.2 m,溝底坡度＜5°,溝壁坡度在25°～35°；右支溝長約1.9 m,溝底坡度＜5°,溝壁坡度在15°～30°。各坡面坡度均＜10°,上半坡面的坡度整體小于下半坡面的坡度。

圖1 小流域模型Fig.1 Model of small watershed

本試驗中設定3種降雨強度分別為60,90, 120 mm/ h。降雨前將雨量筒均勻分布于小流域中,通過多次率定得到相應的降雨強度。在每次試驗開始前,先潤濕小流域表層,直至地表接近產(chǎn)生徑流。然后,降雨強度調至到需要的設定值,計時從開始產(chǎn)流后開始,以2 min為時間間隔在流域出口接取全部泥沙樣品,同時照相,并對試驗過程進行記錄。降雨30 min結束后,覆蓋防雨布以備下次試驗使用。稱取接收后的泥沙樣品總質量,然后靜置一段時間至泥沙全部沉淀后,倒掉上部清液,下部沉淀的泥沙采用烘干法測定泥沙量。

3 結果與分析

3.1 降雨強度對坡面產(chǎn)流和入滲的影響

分析本次試驗結果可知,模型小流域的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量都隨降雨強度的增大而增加,而入滲量隨降雨強度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律如表1所示。

表1 3次降雨產(chǎn)流量及入滲量對比表Table 1 Comparison of runoff yield and infiltration amount in 3 rainfalls

雖然產(chǎn)流量隨降雨強度的增大而增加,且每次降雨強度增加的幅度都是30 mm/ h,但產(chǎn)流量的增加幅度卻有所不同,雨強從60 mm/ h增加到90 mm/ h時,產(chǎn)流量增加325.106 kg,增加的產(chǎn)流量＞30 min所增加的300 kg的降雨量,120 mm/ h的雨強相對90 mm/ h的雨強,產(chǎn)流量只增加了261.616 kg,小于同一時段降雨的增加量,增幅減小了19.53%。

與之相對應的入滲量可以根據(jù)水量平衡原理計算得到,因為小流域內降雨水量轉化分為入滲、蒸發(fā)和徑流3部分,由于試驗時溫度不高且歷時較短,因此由于蒸發(fā)所損失的水量可以忽略不計。90 mm/ h的雨強相對于60 mm/ h的雨強,入滲量減少了25.106 kg,當雨強從90 mm/ h增加到120 mm/ h 時,入滲量增加了48.384 kg。經(jīng)分析可知,第2場90 mm/ h降雨時,由于經(jīng)歷了60 mm/ h的降雨后土壤趨于飽和,及土壤結皮和溝道發(fā)育的原因,所以降雨過程中入滲相對減小。在120 mm/ h的大雨強作用下,導致徑流深增加,對土壤的入滲起到了促進的作用,入滲量又有較大增加,造成產(chǎn)流量增幅又減小了19.53%。

試驗研究表明雨強對入滲量的影響有2個方面:一方面是,雨強越大,破壞越大,降雨產(chǎn)生的徑流攜帶侵蝕的土壤顆粒會堵塞地表土壤孔隙形成地表封閉或結皮,從而使土壤的降雨入滲速率有所降低,相同時間內入滲量減少［5］；另一方面是,土壤的穩(wěn)定入滲率隨著降雨強度的增大而增大,雨滴的打擊所產(chǎn)生的沖力對入滲速率的變化起著重要的作用,它不僅可以加速入滲水流的運動速度,也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中,從而造成入滲量增加［6］。結合這2方面的研究分析可知,在降雨最開始階段,入滲率是隨降雨強度的增大而增大；但在入滲達到穩(wěn)定后,雨強從60 mm/ h增加到90 mm/ h時,由于較大雨強的作用使地表土壤形成封閉層或結皮,所以導致入滲量相對減少,然而當雨強從90 mm/ h增加到120 mm/ h時,大雨強的作用下雨滴沖力對表層封閉層和結皮有較大的破壞,從而造成入滲量產(chǎn)生較大幅度的增加。這也同時說明降雨強度增加入滲的作用僅在一定范圍內是有效的。

3.2 坡面徑流、入滲隨時間的變化規(guī)律

隨著降雨的持續(xù),土壤中含水量發(fā)生著變化,含水量對土壤的入滲有嚴重的影響。土壤含水量的增加,一方面減少了土壤吸水量,另外,在其他條件相同的情況下,土壤顆粒較長時間的吸水膨脹,會使孔隙減縮,這就是土壤含水量影響地表徑流的基本原因［7］。隨著土壤初始含水率的增加,同一時間內非穩(wěn)滲階段的入滲速率迅速降低,趨于穩(wěn)定入滲速率的時間縮短,坡地土壤入滲強度與土壤含水量呈負相關的線性關系［8］。

結合3種不同的降雨強度分析數(shù)據(jù)由圖2可知,隨著降雨的進行,產(chǎn)流強度逐漸增加,入滲率逐漸減小,再經(jīng)過一段時間后,產(chǎn)流強度和入滲率都趨于穩(wěn)定狀態(tài)。降雨強度為60 mm/ h時,大約在15 min后,坡面產(chǎn)流強度和入滲率開始趨于穩(wěn)定值；在降雨強度為90 mm/ h和120 mm/ h時,2種雨強對應的坡面產(chǎn)流強度和入滲率開始趨于穩(wěn)定的時間分別為11 min和9 min。因此,可以看出隨著降雨強度的增強,坡面產(chǎn)流強度和平均入滲率趨于穩(wěn)定的時間都有較為明顯的提前。

圖2 不同降雨入滲率及產(chǎn)流強度隨時間變化Fig.2 Variations of infiltration rate and runoff yield intensity with time in different rainfalls

對入滲率和坡面產(chǎn)流強度隨時間的變化關系進行函數(shù)擬合（見表2),發(fā)現(xiàn)入滲率服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律,且R2都在96%以上,有很好的相關性；產(chǎn)流強度呈冪函數(shù)變化。

表2 入滲率及產(chǎn)流強度隨降雨歷時變化回歸方程Table 2 Regression equations for variations of infiltration rate and runoff yield intensity with rainfall duration

3.3 累計徑流量與累計侵蝕量的變化特征與關系

在分析了不同降雨強度條件下,降雨入滲及產(chǎn)流規(guī)律的基礎上,進一步分析累計徑流量與累計產(chǎn)沙量的變化規(guī)律及相關關系。從試驗可以看出:在3種不同降雨強度下,隨降雨歷時的增加累計產(chǎn)沙量和累計徑流量均逐漸增大,但對于不同的降雨強度,兩者增加的幅度和速率是有所不同的。由試驗數(shù)據(jù)可知,在120 mm/ h的雨強下,累計徑流量和累計產(chǎn)沙量為最大,當雨強為60 mm/ h時,累計產(chǎn)流產(chǎn)沙量都為最小。隨著雨強的增大使小流域內雨滴的濺蝕力和徑流沖刷力都增強,因而造成侵蝕增加。在不同雨強條件下,分別作出累計徑流量和累計產(chǎn)沙量隨時間的散點圖,進行擬合發(fā)現(xiàn)其呈線性函數(shù)變化,且隨著雨強的增大直線的斜率在增大,進一步說明隨著雨強的增大產(chǎn)流產(chǎn)沙的速率在增大,這也是由于在入滲量變化不是非常大后,小流域單位時間內呈雨量的增多,造成產(chǎn)流率的增加,同時也引起了侵蝕力增強。

圖3 不同降雨累計徑流量和累計產(chǎn)沙量的關系Fig.3 Relationship between cumulative runoff and cumulative sediment yield in different rainfalls

從圖3可以看出,隨著累計徑流量的增加,累計產(chǎn)沙量也在逐漸增加。然后通過將不同降雨強度的所有試驗的累計侵蝕量和累計產(chǎn)流量的相互關系進行函數(shù)擬合,發(fā)現(xiàn)累計產(chǎn)沙量和累計徑流量的關系均滿足冪函數(shù)形式y(tǒng)＝AxB（其中y為累計產(chǎn)沙量,x為累計徑流量),且所有方程相關系數(shù)均＞99%。通過對比可以發(fā)現(xiàn)系數(shù)A,B有一定的變化規(guī)律,隨著降雨強度的增加,A值在增加B值在減小。雨強從60 mm/ h增加到90 mm/ h和從90 mm/ h增加到120 mm/ h時, A值的增加量分別為28.592 1和14.475,B值的減小量分別為0.350 2和0.115 9。對比60, 90,120 mm/ h這3場降雨A值的變化,后兩場A值的增加幅度和B值的減少量都遠遠小于前兩場。因此結合實際產(chǎn)流產(chǎn)沙的物理意義和數(shù)學函數(shù)關系,可以最終定義A值為侵蝕基數(shù)系數(shù),A值越大產(chǎn)沙量增幅也就越大,A值最終由坡面細溝的發(fā)育程度決定,可以分析得出在120 mm/ h時細溝發(fā)育較為穩(wěn)定,因此單位時間內侵蝕量增幅也減??；系數(shù)B可以定義為侵蝕速率系數(shù),B值大小取決于入滲率的大小,一定程度上體現(xiàn)了降雨強度的影響［9］,但與于國強等［10］所研究的有植被作用下的B值介于0.5～1之間的變化規(guī)律有所不同,主要是由于植被對減流減沙所產(chǎn)生的作用,與李洪雨等［11］對東北黑土區(qū)的研究結果較相似,其所得的B值均＞1,以上可能是由于立地條件及土壤的物理性質不同所造成。

3.4 分析含沙量對產(chǎn)沙量的影響

Ellison［12］提出徑流含沙量對侵蝕過程有著重要影響,認為含沙量是一個剝蝕營力,當含沙量增加時,水流的分散力增加,但達到一定程度后隨著含沙量的增加,分散力減??；流動的清水對泥沙的輸移能力最大,但分散能力最小,侵蝕很少發(fā)生。相反,具有最大含沙量的水流,其分散能力最大,而輸移能力卻最小,侵蝕也很少發(fā)生。當徑流剝蝕掉的泥沙正好能被其搬運時,侵蝕量達到最大。所以分析侵蝕量和含沙量的關系是很有必要的。

圖4點繪出了在不同降雨強度下含沙量和侵蝕量之間的關系,由圖4可以看出3種雨強情況下侵蝕量都是隨含沙量的增加而逐漸增加。通過擬合,得到的表達式為y＝ax＋b（y為產(chǎn)沙量, x為含沙量),含沙量和侵蝕量之間呈線性函數(shù)的規(guī)律變化,且所有方程的R2均＞80%?？梢钥闯鲭S著降雨強度的增加a值也在增加,結合徑流輸沙的物理意義可知系數(shù)a體現(xiàn)了不同降雨強度下的侵蝕能力。大雨強的系數(shù)a大于小雨強的系數(shù),主要是由于大雨強,導致坡面徑流輸移能力增大,在對應相同含沙量的情況下,徑流輸移能力與含沙量對水流分散能力的差值就越大,因此產(chǎn)生的結果就是侵蝕量大。

圖4 不同降雨產(chǎn)沙量和含沙量的關系Fig.4 Relationship between sediment yield and sediment concentration in different rainfalls

4 結 論

通過模擬降雨試驗,從侵蝕量、徑流量、入滲率和含沙量的變化規(guī)律及彼此之間的相互關系研究了不同降雨強度條件下三峽庫區(qū)模擬小流域的降雨入滲及侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙特性,最后得出以下結論:

（1) 3場降雨徑流量均隨雨強增加而增加,而降雨強度增加入滲的作用僅在一定范圍內是有效的。

（2)隨著降雨的進行,產(chǎn)流強度和入滲率都趨于穩(wěn)定狀態(tài),隨著降雨強度的增加,坡面產(chǎn)流強度和平均入滲率趨于穩(wěn)定的時間都有較為明顯的提前,入滲率隨時間服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律,產(chǎn)流強度呈冪函數(shù)變化。

（3)隨著累計徑流量的增加,累計產(chǎn)沙量也在逐漸增加。累計產(chǎn)沙量和累計徑流量的關系均滿足冪函數(shù)形式y(tǒng)＝AxB（其中y為累計產(chǎn)沙量,x為累計徑流量)。A值為侵蝕基數(shù)系數(shù),A值越大侵蝕量增幅也就越大,系數(shù)B定義為侵蝕速率系數(shù),B值大小取決于入滲率的大小,一定程度上體現(xiàn)了降雨強度的影響。對比于國強等［10］及李洪雨等［11］的試驗研究,B值的取值范圍和主要影響因素還值得進一步研究。

（4)含沙量和侵蝕量之間的關系表達式為y＝ax＋b（y為產(chǎn)沙量, x為含沙量),含沙量和侵蝕量之間呈線性函數(shù)的規(guī)律變化,系數(shù)a體現(xiàn)了不同降雨強度下的侵蝕能力,大雨強的系數(shù)a大于小雨強的系數(shù)。主要是由于大雨強時,導致坡面徑流輸移能力增大,在對應相同含沙量的情況下,徑流輸移能力與含沙量對水流分散能力的差值就越大,因此產(chǎn)生的結果就是侵蝕量大。

參考文獻：

［1］ 王 暉,廖 煒,陳峰云,等.長江三峽庫區(qū)水土流失現(xiàn)狀及治理對策探討［J］.人民長江,2007,38（8):34-36.

［2］ 傅 斌,王玉寬,朱 波,等.紫色土坡耕地降雨入滲試驗研究［J］.農業(yè)工程學報,2008,24（7):39-43.

［3］ KIMOTO A, NEARING M A, SHIPITALO M J, et al. Multi-year Tracking of Sediment Sources in A Small Agricultural Watershed Using Rare Earth Elements［J］. Earth Surface Processes and Landforms, 2006, 31: 1763 -1774.

［4］ 寇小華,王 文,鄭國權.土壤水分入滲模型的研究方法綜述［J］.亞熱帶水土保持,2013,25（3): 53-55.

［5］ 楊永輝,趙世偉,雷廷武,等.耕作對土壤入滲性能的影響［J］.生態(tài)學報,2006,26（5):1624-1630.

［6］ MORIN J, WINKEL J V. The Effect of Raindrop Impact and Sheet Erosion on Infiltration Rate and Crust Formation［J］. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60（4):1223-1227.

［7］ 關君蔚.水土保持原理［M］.北京:中國林業(yè)出版社, 1996:84-85.

［8］ 傅 濤.三峽庫區(qū)坡面水土流失機理與預測評價建模［D］.重慶:西南農業(yè)大學,2002:33-35.

［9］ 于國強,李占斌,李 鵬,等.不同植被類型的坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙試驗研究［J］.水科學進展,2010,21（5): 593-599.

［10］于國強,李占斌,張 霞,等.野外模擬降雨條件下徑流侵蝕產(chǎn)沙試驗研究［J］.水土保持學報,2009,23（4): 10-14.

［11］李洪雨,韓 興,張志丹,等.東北黑土區(qū)野外模擬降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙研究［J］.水土保持學報, 2013, 27（4):49-52.

［12］ELLISON W D, ELLISON O T. Soil Erosion Study（Part Ⅵ): Soil Detachment by Surface Flow［J］. Agriculture Engineering, 1947,28: 402-405.

（編輯:劉運飛)

Rainfall Infiltration and Characteristics of Runoff and Sediment Yield in Small Watershed of Three Gorges Reservoir Area

LIANG Yong-zhe1,2, XIA Zhen-yao1,3, NIU Peng-hui1,3,XU Wen-nian1,3,CHEN Yi2
（1.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area of Hubei Province, Yichang 443002, China；2.College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University,Yichang 443002, China；3.College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002,China)

Abstract:In Three Gorges reservoir area, concentrated rainstorm with short duration and high intensity is an important factor causing soil erosion. In the aim of investigating rainfall infiltration and characteristics of runoff and sediment yield in small watershed of Three Gorges reservoir area, we establish a miniature model for the area and simulate rainfall in the presence of different rainfall intensities（60, 90, 120 mm/ h) to analyze rainfall infiltration of small watershed erosion and runoff process characteristics. Research results show that : 1) runoff yield increases with rainfall intensity, and the impact of rainfall intensity on increase of infiltration is effective only within a certain range；2) infiltration rate and runoff yield intensity gradually tend to be stable, infiltration rate is in agreement with law of logarithmic function, whereas runoff yield intensity varies according to power function；3) relationship between cumulative sediment yield and cumulative runoff in the three rainfalls can be fitted by power function, and there is a good linear relationship between sediment concentration and erosion yield. The results provide important scientific basis for the prevention and control of soil and water loss in the area.

Key words:Three Gorges reservoir area；rainfall simulation；small watershed；rainfall infiltration；soil erosion

通訊作者：夏振堯（1981-),男,湖北武漢人,副教授,主要從事邊坡生態(tài)防護方面的研究,（電話)18671749599（電子信箱)xzy＿yc@126.com。

作者簡介：梁永哲（1990-),男,陜西寶雞人,碩士研究生,主要從事邊坡防護與水土流失治理方面的研究,（電話)15671057326（電子信箱) lyz0125s@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目（41202250,51278281)；三峽大學研究生科研創(chuàng)新基金項目（2014CX009)

收稿日期：2014-08-08;修回日期：2014-09-28

doi:10.11988/ ckyyb.20140682 2016,33（02):28-32

中圖分類號：S157.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0028-05