亞喀斯特林地野外模擬降雨條件下地表徑流特征

羅雅雪， 張思琪， 顏 紅， 岳彩雯， 韋小茶， 周秋文

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 研究背景

地表徑流是地表土壤侵蝕、面源污染以及養(yǎng)分流失的動(dòng)力之一[1-4]，具有可以侵蝕地表土壤的能量，從而改變徑流區(qū)、流域的地貌特征[5-6]。亞喀斯特地貌是針對(duì)貴州等特殊的喀斯特生態(tài)環(huán)境，提出的一種介于典型喀斯特地貌以及非喀斯特地貌之間的地貌形態(tài)[7]。該地貌類型以丘陵谷地、淺中丘、淺切割低中山為主，地形起伏較緩?！皝喛λ固亍钡貐^(qū)喀斯特發(fā)育程度不高，土層較厚，由于其地質(zhì)環(huán)境的特殊性，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，穩(wěn)定性差，同等條件下土壤侵蝕量較高，對(duì)外界干擾很敏感[8]。因此研究亞喀斯特地區(qū)地表徑流特征具有重要意義。

前人對(duì)不同地區(qū)的不同下墊面條件的地表徑流等方面做了大量的研究，并取得頗多的研究成果。李文華等[9]研究總結(jié)，地表徑流的調(diào)節(jié)受多種因素的影響，包括氣候條件、植被特征、土壤條件、地質(zhì)、地形特征以及人類活動(dòng)影響等。李耀明等[10]在縉云山地區(qū)研究降雨因子對(duì)地表徑流的影響，研究表明，對(duì)地表徑流起著制約性的影響因素有降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和降雨量等綜合因子。張洪江等[11]在相同地區(qū)做不同植被類型對(duì)地表徑流系數(shù)的影響分析研究，得出植被類型對(duì)地表徑流系數(shù)有影響，從而影響地表徑流。唐小燕[12]在錢(qián)江源進(jìn)行典型森林類型地表徑流研究。肖登攀等[13]對(duì)不同地表類型降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果顯示地表類型不同，地表產(chǎn)流特征也不同。

夏子翔等[14]在喀斯特地區(qū)進(jìn)行流域巖性對(duì)地表徑流形態(tài)的影響研究，研究得出巖性對(duì)地表徑流形態(tài)有影響。涂成龍等[15]在典型喀斯特流域進(jìn)行地表產(chǎn)流輸出特征研究。張喜等[16]選取黔中喀斯特地區(qū)的不同山地，對(duì)不同類型的森林做地表徑流相關(guān)研究，研究證明森林類型對(duì)地表徑流有影響。胡奕等[17]以我國(guó)西南喀斯特地區(qū)為研究區(qū)進(jìn)行地表徑流相關(guān)研究，研究得出巖石裸露率、降雨強(qiáng)度、坡度和地下孔隙度均對(duì)地表徑流造成影響的結(jié)論。伏文兵等[18]對(duì)喀斯特耕地進(jìn)行研究，結(jié)果表明地表徑流與降雨強(qiáng)度、坡度的變化呈極顯著正相關(guān)，與地下孔隙度的變化呈顯著負(fù)相關(guān)。綜上所述，已有的研究主要集中在典型的喀斯特地區(qū)或非喀斯特地區(qū)，針對(duì)亞喀斯特地區(qū)的研究很少。

鑒于亞喀斯特地貌是一種重要的地貌類型單元，在中國(guó)西南地區(qū)占有重要的地位[19]。因此，本研究采用人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)亞喀斯特地貌地區(qū)的地表徑流特征進(jìn)行分析研究，籍此揭示亞喀斯特地區(qū)在不同降雨條件下的地表徑流變化規(guī)律，為亞喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

研究樣地位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)桐木嶺，地理位置為106°40′47″E，26°22′15.85″N?；ㄏ獏^(qū)地處烏江與珠江分水嶺，地表景觀破碎，以山地和丘陵為主。屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，全年平均氣溫為14.9℃，年極端最高氣溫為35.1℃，年極端最低溫度為-7.3℃。年降雨量1 178.3 mm，蒸發(fā)量738 mm，雨量充沛。研究樣地的巖性為中三疊統(tǒng)花溪組白云巖(含雜質(zhì))，主要土壤類型為黃壤，植被優(yōu)勢(shì)種為馬尾松。該地區(qū)成土母質(zhì)相對(duì)豐富，土層較厚，地貌和景觀均符合亞喀斯特地貌類型特征。

3 研究方法

3.1 徑流小區(qū)設(shè)置

在選取的亞喀斯特樣地內(nèi)，共設(shè)置9個(gè)面積為60 cm×100 cm的臨時(shí)徑流小區(qū)。樣地內(nèi)的9個(gè)徑流小區(qū)盡量連續(xù)分布，目的在于使徑流小區(qū)下墊面條件均一，以減少誤差的產(chǎn)生。徑流小區(qū)的組成材料包括兩塊帶有把手的長(zhǎng)度為1 m的鋼板、一塊長(zhǎng)為60 cm的鋼板，所有鋼板寬度均為20 cm。另有一塊60 cm長(zhǎng)的V型不銹鋼制集流槽，集流槽一端深度為5 cm，另一端深度為10 cm，將10 cm深的一端作為出水口。設(shè)置徑流小區(qū)時(shí)，先將兩塊長(zhǎng)為1 m的鋼板平行楔入土壤中(圖1(a))，兩塊鋼板的間隔為60 cm。再將60 cm長(zhǎng)的鋼板垂直插入兩塊鋼板上頂端處，使其緊密接觸形成封閉的長(zhǎng)方形。將鋼板插入土層內(nèi)10 cm左右的深度，然后在兩塊鋼板的下接口處挖一條溝槽，將集流槽放入該溝槽內(nèi)。為保證產(chǎn)生的地表徑流量都能被采集，集流槽上邊略低于地面，集流槽靠近徑流小區(qū)一側(cè)楔入土壤中。在集流槽的出水口處，挖一個(gè)較深的坑，用于放置容器，收集集流槽流出的水，完整的徑流小區(qū)如圖1(b)所示。為避免雨水淋，V型鋼板和水樣收集容器的上方用防水布蓋好，且不能覆蓋徑流小區(qū)的承雨范圍。此外，用防水布將試驗(yàn)樣地兩側(cè)的其他樣地蓋好，避免其他樣地在未開(kāi)展實(shí)驗(yàn)前被雨水淋濕，影響地表徑流數(shù)據(jù)的收集。

3.2 人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本研究采用便攜式人工模擬降雨裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。該裝置在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，雨滴的霧化效果良好，能較好地模擬自然降雨。人工降雨裝置安裝在徑流小區(qū)旁，地勢(shì)平坦且無(wú)其他植物影響噴灑過(guò)程。為使雨滴速度接近天然降雨，噴頭固定在距地面2.3 m處，模擬降雨過(guò)程如圖2所示。

圖1 徑流小區(qū)設(shè)置

圖2 人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)的唯一變量為雨強(qiáng)，共設(shè)置3個(gè)不同的雨強(qiáng)，分別為30 mm/h、75 mm/h、120 mm/h。在同一雨強(qiáng)下設(shè)置3個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終數(shù)據(jù)為3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值，故樣地內(nèi)共需進(jìn)行9場(chǎng)人工降雨。降雨歷時(shí)設(shè)置為30 min，噴頭開(kāi)始噴灑雨霧時(shí)計(jì)時(shí)，待集流槽出口開(kāi)始有連續(xù)水流時(shí)，記錄產(chǎn)流時(shí)間，并以3 min為一時(shí)間段，每隔3 min采集一次徑流樣品。每次收集水樣后即刻用量筒量取并記錄讀數(shù)，分別用瓶子裝好，并在瓶子上注明采樣時(shí)間及水樣的體積。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行30 min時(shí)立即關(guān)閉噴灑系統(tǒng)，一塊樣地的實(shí)驗(yàn)便完成。立即在與該樣地相鄰的另一樣地中做相同的實(shí)驗(yàn)。

3.3 相關(guān)計(jì)算公式

產(chǎn)沙量與徑流系數(shù)的計(jì)算公式如下：

cs=(m-ρV)/V

(1)

c=w/(i·t·s)

(2)

式中：cs為產(chǎn)沙量，g/mL；m為含沙的水的質(zhì)量，g；ρ為水的密度g/cm3；V為含沙的水的體積，mL；c為徑流系數(shù)；w為徑流量，mL；i為降雨強(qiáng)度；mm/h；t為降雨時(shí)間，h；s為降雨面積，cm2。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)的地表徑流量變化

降雨強(qiáng)度的不同，導(dǎo)致相同時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的地表徑流量有所不同。以3min為一時(shí)間段進(jìn)行分析，徑流量的變化如圖3所示。30mm/h雨強(qiáng)條件下，模擬降雨開(kāi)始3min時(shí)的地表徑流量為最小值，只有28mL，一直到15min時(shí)產(chǎn)生的地表徑流量始終保持遞增的趨勢(shì)。15min時(shí)產(chǎn)生的地表徑流量為128mL，而在18min時(shí)，地表徑流量減少至112mL，在19min到24min內(nèi)，地表徑流量繼續(xù)呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。地表徑流量在24min時(shí)達(dá)到最大值為137mL，24min后先減少后增加，地表徑流量最大值與最小值之間的差值為109mL。

圖3 不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)條件下地表徑流量變化

75mm/h雨強(qiáng)條件下，模擬降雨開(kāi)始3min時(shí)的地表徑流量為81mL，地表徑流量在24min時(shí)達(dá)到最大值312mL，整個(gè)產(chǎn)流過(guò)程中地表徑流量變化不穩(wěn)定，降雨結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的地表徑流量為210mL，地表徑流量最大值與最小值之間的差值為231mL。當(dāng)雨強(qiáng)為120mm/h時(shí)，模擬降雨開(kāi)始3min時(shí)的地表徑流量為157mL，地表徑流量在21min時(shí)達(dá)到最大值為497mL，在降雨結(jié)束時(shí)地表徑流量減至400mL，地表徑流量最大值與最小值之間的差值為340mL。

從圖3可看出，整個(gè)降雨過(guò)程的地表徑流量都表現(xiàn)為隨著雨強(qiáng)的增大而增加。在降雨開(kāi)始3min時(shí)，雨強(qiáng)為120mm/h產(chǎn)生的地表徑流量是雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)的5.61倍，是雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)的1.94倍。當(dāng)降雨結(jié)束時(shí)，雨強(qiáng)為120mm/h產(chǎn)生的地表徑流量是雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)的3.13倍，是雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)的1.90倍。

4.2 不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)條件下徑流系數(shù)變化

徑流系數(shù)是一定匯水面積內(nèi)總徑流量與降雨量的比值，能綜合反映流域內(nèi)自然地理要素對(duì)徑流的影響。由圖4可看出，降雨強(qiáng)度不同，導(dǎo)致不同降雨歷時(shí)條件下的徑流系數(shù)也不同。其中，雨強(qiáng)為30和75mm/h時(shí)的徑流系數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，但是，當(dāng)降雨歷時(shí)為3和6min時(shí)，雨強(qiáng)75mm/h較雨強(qiáng)30mm/h的徑流系數(shù)大，而在其他降雨歷時(shí)中均表現(xiàn)為雨強(qiáng)75mm/h的徑流系數(shù)比雨強(qiáng)30mm/h的小。當(dāng)雨強(qiáng)為120mm/h時(shí)，徑流系數(shù)在降雨歷時(shí)為3和21min時(shí)均大于其他兩個(gè)雨強(qiáng)，除這兩個(gè)降雨歷時(shí)以外，雨強(qiáng)為120mm/h的徑流系數(shù)均小于雨強(qiáng)75mm/h和雨強(qiáng)30mm/h的徑流系數(shù)。不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)下的徑流系數(shù)總體表現(xiàn)為雨強(qiáng)越大，徑流系數(shù)越小，但在降雨歷時(shí)為3和21min時(shí)出現(xiàn)不同的規(guī)律，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是徑流收集時(shí)操作不當(dāng)引起的，最終導(dǎo)致徑流系數(shù)偏大。

圖4 不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)條件下的徑流系數(shù)

降雨過(guò)程中，不同雨強(qiáng)的最大徑流系數(shù)不同。雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)為0.0407，雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)為0.0420，當(dāng)雨強(qiáng)增至120mm/h時(shí)，最大徑流系數(shù)為0.0435。以最大徑流系數(shù)來(lái)看，表現(xiàn)為雨強(qiáng)越大，徑流系數(shù)越大。但從圖4看出，徑流系數(shù)整體變化為雨強(qiáng)越大，徑流系數(shù)越小，分析原因?yàn)橛陱?qiáng)越大，產(chǎn)生的地表徑流量越大，但不同雨強(qiáng)下不同降雨歷時(shí)條件的地表徑流增加量有所不同。

4.3 不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)條件下產(chǎn)沙量變化

雨強(qiáng)大小的不同，對(duì)土壤的侵蝕能力可通過(guò)產(chǎn)沙量大小顯示。如圖5所示，雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)的不同時(shí)段產(chǎn)沙量變化較大，降雨開(kāi)始3min時(shí)產(chǎn)沙量為最大值0.0088g/mL，最小值在24min出現(xiàn)，產(chǎn)沙量為0.0004g/mL，最大值與最小值間的差值為0.0084g/mL，降雨30min時(shí)的產(chǎn)沙量為0.0017g/mL。雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量變化幅度較雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)變化小，降雨開(kāi)始3和9min時(shí)的產(chǎn)沙量相等且為最大值，數(shù)值為0.0056g/mL。當(dāng)降雨為18min時(shí)產(chǎn)沙量為最小值，降至0.0002g/mL，差值為0.0054，降雨30min時(shí)的產(chǎn)沙量為0.0007g/mL。當(dāng)雨強(qiáng)為120mm/h時(shí)，降雨6min時(shí)產(chǎn)沙量達(dá)最大值，產(chǎn)沙量為0.0075g/mL，27min時(shí)為最小值，產(chǎn)沙量為0.0003g/mL，差值為0.0072，降雨30min時(shí)的產(chǎn)沙量為0.004g/mL。雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量的變化趨勢(shì)、幅度均較大。雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)的產(chǎn)沙量較雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)變化幅度較小，折線起伏較小。雨強(qiáng)為120mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量在降雨3～6min間的變化最大，從3min時(shí)的0.0006g/mL增至0.0075g/mL，又在9min時(shí)降至0.0012g/mL，9min以后的變化趨勢(shì)減緩。表明雨強(qiáng)為120mm/h時(shí)，不同時(shí)段的產(chǎn)沙量差值較小，產(chǎn)沙量相差不大。

總體而言，侵蝕產(chǎn)沙隨降雨歷時(shí)變化的幅度較地表徑流大，產(chǎn)沙量變化曲線呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則波動(dòng)。其原因是，土粒崩解具有隨機(jī)性和偶發(fā)性，加上泥沙的運(yùn)移在短距離、短時(shí)間內(nèi)具有非勻速特征，因此在集水區(qū)面積較小情況下，產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則波動(dòng)。

圖5 不同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)條件下的產(chǎn)沙量變化

4.4 不同雨強(qiáng)條件下產(chǎn)流時(shí)間變化

如表1所示，不同雨強(qiáng)條件下產(chǎn)流時(shí)間不同。雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間為2.37min，當(dāng)雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間降至1.29min，當(dāng)雨強(qiáng)增至120mm/h時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間又增為1.51min。雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)的產(chǎn)流時(shí)間較雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)的產(chǎn)流時(shí)間少1.08min，較雨強(qiáng)為120mm/h時(shí)少0.22min，差距較雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)小的多。由表1可知，雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)產(chǎn)流所需時(shí)間最短，即產(chǎn)流最快，但是產(chǎn)流時(shí)間并未隨著降雨強(qiáng)度的增加而保持遞減的趨勢(shì)，雨強(qiáng)75mm/h與雨強(qiáng)120mm/h的產(chǎn)流時(shí)間差距不大，推測(cè)可能是由于實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的。一方面，設(shè)置徑流小區(qū)時(shí)集流槽與土壤切面接觸不緊密，導(dǎo)致降雨初期產(chǎn)生的少量地表徑流從集流槽與土壤切面間的縫隙漏掉；另一方面，可能由于徑流小區(qū)下墊面狀況導(dǎo)致，設(shè)置雨強(qiáng)120mm/h的3個(gè)徑流小區(qū)土壤表層均較疏松，或枯落物層較厚，有利于水分蓄滯和入滲，導(dǎo)致產(chǎn)流時(shí)間推遲。

4.5 不同雨強(qiáng)條件下累積徑流量與徑流系數(shù)變化

降雨強(qiáng)度的大小影響地表徑流量，導(dǎo)致降雨結(jié)束時(shí)不同雨強(qiáng)的累積地表徑流量不同。如表1所示，降雨結(jié)束時(shí)，雨強(qiáng)為30mm/h的累積地表徑流量為1 075mm，雨強(qiáng)為70mm/h時(shí)，累積地表徑流量為2 351mm，降雨強(qiáng)度增至120mm/h時(shí)，累積地表徑流量增加到3 526mm?？傮w而言，歷時(shí)30min的降雨結(jié)束時(shí)，雨強(qiáng)為120mm/h的累積地表徑流量是雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)累積地表徑流量的3.28倍，是雨強(qiáng)為75mm/h時(shí)累積地表徑流量的1.50倍，顯示出雨強(qiáng)越大，產(chǎn)生的地表徑流量越多的規(guī)律。

表1 不同雨強(qiáng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

由表1可知，歷時(shí)30min的降雨結(jié)束時(shí)，雨強(qiáng)為30mm/h的徑流系數(shù)為0.119，雨強(qiáng)為75mm/h的徑流系數(shù)為0.104，雨強(qiáng)為120mm/h的徑流系數(shù)為0.098。降雨結(jié)束時(shí)徑流系數(shù)隨著雨強(qiáng)的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，即為雨強(qiáng)越大，徑流系數(shù)越小。

5 結(jié) 論

本文以貴州省亞喀斯特地區(qū)為例，基于人工模擬降雨的方法，分析不同雨強(qiáng)下地表徑流的產(chǎn)流時(shí)間、累積地表徑流量、徑流系數(shù)、產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙量，得出以下結(jié)論：

(1)在降雨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，總體表現(xiàn)為地表徑流量隨雨強(qiáng)的增大而增加。

(2)歷時(shí)30min的降雨過(guò)程中，徑流系數(shù)整體表現(xiàn)為雨強(qiáng)越大，徑流系數(shù)越小。

(3)侵蝕產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)變化的幅度較地表徑流大，產(chǎn)沙量變化曲線呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則波動(dòng)。

(4)產(chǎn)流時(shí)間表現(xiàn)為雨強(qiáng)30mm/h時(shí)最長(zhǎng)，120mm/h時(shí)次之，雨強(qiáng)75mm/h時(shí)所需時(shí)間最短。

(5)累積地表徑流量隨著雨強(qiáng)的增加而增加，此時(shí)的徑流系數(shù)隨著雨強(qiáng)的增加而逐漸減小。

本項(xiàng)研究的對(duì)象為亞喀斯特林地，相對(duì)已有研究而言，對(duì)喀斯特、亞喀斯特地區(qū)地表徑流和侵蝕產(chǎn)沙的研究是一項(xiàng)有益的補(bǔ)充。此外，研究中以雨強(qiáng)作為唯一變量，未分析其他變量對(duì)地表徑流的影響，在今后的研究中可以增加坡度、土壤類型、森林類型等因素從多個(gè)角度分析亞喀斯特地貌的徑流產(chǎn)沙效應(yīng)，為喀斯特、亞喀斯特地區(qū)水土保持和生態(tài)保護(hù)建設(shè)等提供一定的理論參考。

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