降雨滲流及泥石流啟動(dòng)研究綜述

郭元軍　呂映霞

摘要：從降雨入滲與產(chǎn)流問(wèn)題研究的角度出發(fā)，闡述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)降雨入滲與產(chǎn)流的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；總結(jié)了降雨入滲與產(chǎn)流的影響因素一一土壤性質(zhì)、土壤初始含水率、坡度和降雨強(qiáng)度；探討了泥石流源區(qū)土體的降雨滲流特點(diǎn)及其與泥石流啟動(dòng)的關(guān)系；并對(duì)現(xiàn)有研究存在的不足和后續(xù)研究方向進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：降雨；入滲；產(chǎn)流；泥石流啟動(dòng)

降雨-入滲-產(chǎn)流是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣、緊密聯(lián)系的過(guò)程，認(rèn)識(shí)這一過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律對(duì)于防治土壤侵蝕、保持水土具有重要意義。圍繞坡地降雨入滲與產(chǎn)流問(wèn)題，學(xué)者對(duì)此問(wèn)題的影響因素、機(jī)理及模擬等方面取得許多重要成果。但多以生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展為目的。而對(duì)泥石流源區(qū)土體的入滲與產(chǎn)流變化規(guī)律及其與泥石流啟動(dòng)關(guān)系的研究較少。泥石流是一種突發(fā)性水土流失方式，常發(fā)生于山區(qū)。目前，有關(guān)泥石流源區(qū)的降雨滲流規(guī)律的研究多以云南東川蔣家溝泥石流典型為研究對(duì)象。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，歸納了國(guó)內(nèi)外有關(guān)降雨入滲與產(chǎn)流的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒂绊懸蛩?，?duì)降雨滲流與泥石流啟動(dòng)關(guān)系的問(wèn)題進(jìn)行初步探討，以期為在這方面的深入研究提供一些有價(jià)值的信息。

一、降雨入滲與產(chǎn)流的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

降雨入滲過(guò)程實(shí)質(zhì)上是非飽和土壤水分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，產(chǎn)流研究的是流域內(nèi)降雨轉(zhuǎn)化成徑流的過(guò)程，兩者屬于滲流理論范疇。自1856年法國(guó)工程師Darcy提出達(dá)西定律以來(lái)的一個(gè)多世紀(jì)里，基于單點(diǎn)降雨滲流和坡地產(chǎn)流過(guò)程的野外觀測(cè)和試驗(yàn)研究，學(xué)者提出了多種重要的滲流理論和應(yīng)用模型，如Richards方程、Gree-Ampt方程、Horton方程、Kostiakov方程、Philip方程、Freeze坡地水文數(shù)學(xué)模型、M.Hly和J.Mis的坡面產(chǎn)流模型、SCS模型和LCM模型等。理想的模型能結(jié)合各種影響因素來(lái)描述和反映復(fù)雜的入滲與產(chǎn)流過(guò)程。經(jīng)驗(yàn)證，這些方程能適用于不同的地區(qū)，對(duì)土壤入滲與產(chǎn)流機(jī)理坐了很好的闡釋。在此不一一贅述，下面，主要看看這些方程模型國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況。

土壤入滲速率于時(shí)間關(guān)系的著名數(shù)學(xué)表達(dá)式有Kostiakov雙曲線和Horton逆指數(shù)方程，但應(yīng)用這兩個(gè)公式在黃土高原實(shí)測(cè)擬合結(jié)果不甚理想。蔣定生綜合大量野外實(shí)測(cè)資料，提出描述黃土高原土壤在積水條件下的入滲公式：

f=f_c+（f_l-f_c）/t^α

式中f為時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)入滲速率（毫米/分）；f_c為土壤穩(wěn)定入滲速率（毫米/分）；f₁第1分鐘末土壤的入滲速率（毫米/分）；t為時(shí)間（分鐘）；α為常數(shù)（值介于0.863和2.567之間）。

此公式物理意義明確，但該公式是在積水條件下求得，與實(shí)際降雨條件還有一定的差異。方正三在Kostlakov公式的基礎(chǔ)上，提出描述黃土高原的入滲過(guò)程的公式：

K_t=K+K_l/t^a

式中Kt為時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)入滲速率（毫米/分）；K_l第1個(gè)單位時(shí)間的瞬時(shí)入滲速率（毫米/分）；K、a為常數(shù)。

此方程是對(duì)Kostiakov方程在垂直入滲情況下的修正，如果與KoStl&kov方程結(jié)合使用，可更好的說(shuō)明土壤的初始入滲率和穩(wěn)定入滲率的關(guān)系。此觀點(diǎn)得到后續(xù)研究證實(shí)：康紹忠對(duì)敖包小流域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)擬合分析認(rèn)為，在入滲不同階段各公式擬合效果不同，瞬變階段（0-10分鐘），Kostiakov公式擬合最好，漸變階段（10-70分鐘），通用經(jīng)驗(yàn)擬合最好，在穩(wěn)定階段，通用公式與Horton擬合最好。史世斌等在同一研究區(qū)域的研究表明，天然草地對(duì)Kostlakov公式和通用公式擬合較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.9605和0.980l：人工草地對(duì)通用公式和指數(shù)公式擬合較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.9539和0.987。王建、林代杰等還驗(yàn)證了Kostlakov方程能較好模擬陜西延安、四川盆地西緣的不同土地利用類型土壤水分入滲過(guò)程。

二、影響降雨入滲與產(chǎn)流的因素

天然降雨條件下的入滲與產(chǎn)流較積水條件下的滲流更為復(fù)雜。土壤在天然降雨條件下，其表面遭到雨滴的打擊破壞，降雨入滲時(shí)，產(chǎn)流之前，地面并無(wú)水層覆蓋，是一種無(wú)壓入滲。因而，對(duì)于天然降雨條件下的滲流研究要考慮水分受到地形地貌、下墊面的綜合影響。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者開展了這一領(lǐng)域的研究，取得寶貴的研究成果。

1.土壤性質(zhì)。土壤系一多孔介質(zhì)，當(dāng)水流在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)疑要受到土壤的孔隙狀況、質(zhì)地、容重等土壤物理性質(zhì)的影響。土壤飽和重量含水量隨容重的增加而減小，與容重成反比關(guān)系，飽和導(dǎo)水率隨著容重的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)形式遞減。土壤容重與穩(wěn)滲速率和產(chǎn)流歷時(shí)分別呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。土壤容重越小，土壤入滲速率越大，產(chǎn)流歷時(shí)越晚；降雨過(guò)程中雨滴對(duì)地表的打擊使得土壤趨于緊實(shí)，容重增加，細(xì)小顆粒堵塞土壤孔隙，土壤入滲速率減小，地表產(chǎn)流提前。

2.土壤初始含水率

目前，關(guān)于初始含水率對(duì)入滲的影響研究基本上是以土壤含水率均勻分布的前提，土壤初始含水率主要影響入滲速率。早期研究認(rèn)為，土壤初始含水率高，土壤入滲速率低，并隨著時(shí)間的延續(xù)，初始含水率的影響變小，最終可予忽略。后期學(xué)者進(jìn)一步討論后，認(rèn)為土壤初始含水率主要影響非穩(wěn)滲流階段的入滲率，土壤平均入滲速率與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。不同下墊面也有不同，如裸地的產(chǎn)流時(shí)間隨初始含水率的增加減少得最快。

3.坡度

對(duì)于坡度與入滲產(chǎn)流的共識(shí)是隨著坡度的增大，穩(wěn)滲速率降低，入滲水量減少，超滲產(chǎn)流提前，產(chǎn)流歷時(shí)減少。但可能由于分析方法和試驗(yàn)條件的不同，不同學(xué)者得到不同的函數(shù)關(guān)系。吳發(fā)啟、蔣定生認(rèn)為，坡面產(chǎn)流歷時(shí)與坡度呈指數(shù)關(guān)系：衛(wèi)喜國(guó)則認(rèn)為坡面產(chǎn)流歷時(shí)與坡度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

4.降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度對(duì)土壤入滲速率的影響，可以從入滲水體的受力情況來(lái)分析。土壤孔隙中的水流主要受水體自重力、毛管吸力、地表水層壓力、雨滴打擊對(duì)入滲水體的沖力。在入滲速率達(dá)到穩(wěn)定階段，水體自重力和地表水層壓力加大可導(dǎo)致入滲速率增大：雨滴打擊力不僅加速入滲水流的運(yùn)動(dòng)速度，還使得部分靜止在土壤中的毛管水加入到入滲水流中。降雨強(qiáng)度的增大會(huì)使得土壤的入滲率增大，產(chǎn)流歷時(shí)提前，但土壤的入滲率存在一個(gè)極限入滲率，且達(dá)到此值后，隨著降雨強(qiáng)度的增大，土壤的入滲率有下降趨勢(shì)。

三、降雨滲流與泥石流啟動(dòng)關(guān)系

在泥石流形成啟動(dòng)過(guò)程中，水源、物源和地形地貌這3大條件缺一不可，單靠某一指標(biāo)并不能判斷泥石流的啟動(dòng)和劃分其等級(jí)。滲流理論的研究將降雨、土體與地形融為一體，研究地表水在轉(zhuǎn)為地下水的過(guò)程中，滲流變化與泥石流侵蝕啟動(dòng)的關(guān)系。同時(shí)。滲流過(guò)程也是泥石流形成全過(guò)程中不可缺少的一個(gè)子過(guò)程，滲透規(guī)律是聯(lián)系源區(qū)降雨和泥石流啟動(dòng)的紐帶。因此，在泥石流多發(fā)區(qū)，研究降雨滲流變化規(guī)律與發(fā)展趨勢(shì)及滲流臨界值對(duì)于掌握泥石流的啟動(dòng)和制定預(yù)報(bào)模式具有重要的作用。

我國(guó)在這一方面的研究尚處于初始階段，目前已積累了部分有價(jià)值的研究成果，主要以云南東川蔣家溝的泥石流啟動(dòng)與滲流關(guān)系的研究為主。王裕宜等選取蔣家溝泥石流形成區(qū)角礫土的細(xì)顆粒部分進(jìn)行室內(nèi)的滲透試驗(yàn)，測(cè)定不同空隙率的滲透系數(shù)并得出滲透系數(shù)與空隙率呈極顯著相關(guān)的，95%置信區(qū)間，相關(guān)系數(shù)介于0.8103與0.9992之間，將滲透系數(shù)換算得到的泥石流始發(fā)臨界雨強(qiáng)為Ri10=4.84mm，這與實(shí)際所觀測(cè)的泥石流始發(fā)雨強(qiáng)想接近，由此認(rèn)為滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)于探求泥石流啟動(dòng)的組合要素預(yù)報(bào)模式具有實(shí)際意義。

陳寧生和張軍選擇云南蔣家溝之溝——大凹子溝的弱固結(jié)坡積物坡面做徑流產(chǎn)流實(shí)驗(yàn)，得出泥石流源區(qū)礫石土的穩(wěn)定下滲率為0.13mm/min，發(fā)現(xiàn)利用Horton方程擬合建立的滲透方程可較好地反映實(shí)際滲透過(guò)程，以觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比闡述了超滲產(chǎn)流分析在泥石流形成和流量匯集中的重要性。

在泥石流源區(qū)，對(duì)不同利用類型的土地進(jìn)行原位土體滲透試驗(yàn)，不同上限粒徑的流變參數(shù)不一，寬級(jí)配礫石土體的滲透特殊性在于：水的滲流不是一般的水體運(yùn)移，而是水和土體中的細(xì)顆粒一起在土體中運(yùn)移，斜坡土體細(xì)粒含量對(duì)斜坡破壞模式和坡面產(chǎn)流的形成有重要作用。

綜上所述，泥石流源區(qū)土體的滲流特點(diǎn)、滲透過(guò)程對(duì)于探討泥石流形成啟動(dòng)有重要意義。各種滲透指標(biāo)如滲透系數(shù)、穩(wěn)滲率和產(chǎn)流歷時(shí)能反映泥石流侵蝕啟動(dòng)的條件。因地制宜的了解泥石流源區(qū)的滲透過(guò)程，擬合出最有效的計(jì)算公式，制定最佳的泥石流啟動(dòng)預(yù)報(bào)模式，是未來(lái)該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

四、結(jié)論與討論

本文綜述了坡地條件下的入滲產(chǎn)流過(guò)程及泥石流啟動(dòng)的滲透規(guī)律。目前，關(guān)于降雨入滲的研究，盡管已提出許多理論和入滲公式，但僅少數(shù)是建立在土壤非均一、有結(jié)皮，甚至是下墊面水平或積水等條件之上，離自然界真實(shí)現(xiàn)象尚有一段距離。我國(guó)學(xué)者大多從水文學(xué)和水土保持角度出發(fā)，研究水土保持措施對(duì)降雨入滲產(chǎn)流的影響，其研究方法多偏重于人工降雨試驗(yàn)，降雨強(qiáng)度和過(guò)程與野外相差很大，研究的入滲量、產(chǎn)流量為整個(gè)坡面的，沒(méi)有反映兩者沿坡的變化。因此，未來(lái)對(duì)降雨入滲產(chǎn)流研究或許可以轉(zhuǎn)向非均質(zhì)土壤問(wèn)題的研究：研究人工模擬降雨下變雨強(qiáng)對(duì)滲流的影響，使模擬降雨更接近自然真實(shí)狀態(tài)：注重坡面入滲、土壤水分運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)流的內(nèi)在聯(lián)系：研究范圍可擴(kuò)大至泥石流、滑坡等領(lǐng)域。泥石流源區(qū)土體特點(diǎn)各異，研究不同地點(diǎn)的泥石流源區(qū)入滲規(guī)律，進(jìn)行比較分析和綜合，點(diǎn)面結(jié)合，為災(zāi)害區(qū)劃和預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。