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      亞喀斯特林地野外模擬降雨條件下地表徑流特征

      2018-03-16 01:52:49羅雅雪張思琪岳彩雯韋小茶周秋文
      關(guān)鍵詞:產(chǎn)沙量徑流系數(shù)雨強(qiáng)

      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。

      [1] 魏 強(qiáng),張秋良.地表徑流與土壤侵蝕研究進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持,2008(9):30-33.

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