基于遼西小流域模擬降雨入滲產(chǎn)流特征研究

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

遼西樂園小流域?qū)儆谖覈帘３种攸c治理區(qū)域，共包含1個小流域、3個行政村，流域面積20.98km2。研究流域為低山丘陵區(qū)，位于半干旱半濕潤氣候區(qū)，地理位置東經(jīng)122°44′58″～122°45′18″、北緯42°31′49″～42°36′36″。多年年平均降雨量470mm，其中每年6—8月降雨量占全年的68%左右。樂園小流域受水土流失和干旱缺水的影響，其農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展緩慢，加強對水土流失的治理和提高水資源有效利用率，是推動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的決定性措施[1]。大氣環(huán)境降雨是該區(qū)域水資源的主要來源，小流域具有該地區(qū)的明顯特征，據(jù)此，實現(xiàn)小流域降水資源的可持續(xù)有效利用是保證當(dāng)?shù)匦×饔蛏鷳B(tài)經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展關(guān)鍵性基礎(chǔ)[2]。本文在詳細分析生態(tài)系統(tǒng)用水平衡基本原理和非飽和超滲產(chǎn)流基本理論的基礎(chǔ)上，分別利用人工模擬降雨和自然降雨對徑流小區(qū)進行觀測試驗，并定量分析了小流域入滲和產(chǎn)流變化特征，研究成果可為相關(guān)小流域的降雨徑流蓄積利用和水環(huán)境的生態(tài)治理提供決策依據(jù)和理論支持。不同農(nóng)作方式下的降雨入滲產(chǎn)流變化規(guī)律一直是國內(nèi)外水資源可持續(xù)發(fā)展利用的研究熱點。不同下墊面的產(chǎn)流特征、集流要素和效率特點及地表坡度、坡長、降雨強度、土壤侵蝕作用等是降雨蓄積工程的主要研究內(nèi)容，是構(gòu)建降雨入滲產(chǎn)流、產(chǎn)沙模型的關(guān)鍵性參數(shù)。利用模型可準(zhǔn)確預(yù)測和評價水土流失綜合治理效益和雨水集流潛力發(fā)展?fàn)顩r，為降雨蓄積工程方案設(shè)計和實施提供科學(xué)指導(dǎo)[3-5]。

1 試驗設(shè)計及方法

1.1 試驗設(shè)計

對人工降雨標(biāo)準(zhǔn)用地和徑流小區(qū)的數(shù)據(jù)采集整理進行選擇和設(shè)計。本文結(jié)合彰武縣樂園小流域的地形地貌結(jié)構(gòu)和降雨特征，人工模擬降雨下的入滲產(chǎn)流試驗研究所用標(biāo)準(zhǔn)用地選取具有一定代表性的坡耕玉米地和谷地、油松林地、裸地、沙棘林地、山杏林地等共48塊，其中坡地、林地和裸地分別為16塊、25塊和7塊。在進行人工模擬降雨前對各類型標(biāo)準(zhǔn)塊地的坡度、坡長、土壤初始含水量、植被覆蓋率、土壤物理性能、胸徑、腐殖物厚度、林齡等有關(guān)參數(shù)進行試驗測試。標(biāo)準(zhǔn)塊地基本特征和土壤物理性能測試結(jié)果見表1。

表1 人工模擬降雨條件下標(biāo)準(zhǔn)塊地基本特征和土壤物理性能測試結(jié)果

選用下噴式人工模擬降雨機，其主要結(jié)構(gòu)包括支架、輸水管、供水箱、徑流收集器和針式噴水箱等5部分。人工降雨土地有效面積為2m×2m和1.5m×2.5m，降雨小區(qū)范圍為2.5m×2.5m和2m×3m。地表徑流起止時間為降雨產(chǎn)流開始至降雨徑流結(jié)束，降水徑流排水孔通過導(dǎo)水管進入集水桶，對集水桶每5min記錄1次徑流量、累計徑流量。為提高人工模擬降雨的真實性，結(jié)合彰武縣樂園小流域的多年年平均降雨量監(jiān)測資料，分別設(shè)定4種降雨強度：2.5mm/min、2mm/min、1.5mm/min、1mm/min。

對人工模擬降雨塊地、強度、土壤物理性能等相關(guān)參數(shù)完成設(shè)定和測量后，需設(shè)計和修建自然降雨徑流小區(qū)，并完成其數(shù)據(jù)處理[6]。自然降雨徑流小區(qū)面積設(shè)計為5m×20m，設(shè)定農(nóng)作物主要有玉米、谷子，樹木主要有山杏、沙棘、刺槐、大棗、白榆、油松，牧草主要有沙打旺、紫花苜蓿，并在同等環(huán)境下設(shè)計裸地為對比參照。在自然降雨條件下分別對上述不同塊地類型的降雨量、徑流量以及泥沙量進行同等條件的監(jiān)測和計算，計算結(jié)果見表2和表3。

表2 自然降雨條件下各試驗區(qū)的林木生長狀況

表3 自然降雨條件下各試驗區(qū)與裸地地表徑流基本狀況

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)處理采用SPSS10.0統(tǒng)計軟件，運用Philip入滲和逐步回歸分析理論進行計算處理，Philip入滲公式為

式中f(t)——小流域在t時刻的土壤入滲率；

S——土壤初始入滲率；

A——土壤穩(wěn)滲率。

2 結(jié)果與分析

2.1 小流域不同立地產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量

自然降雨條件下各試驗區(qū)農(nóng)作物的小區(qū)徑流量和泥沙量觀測計算結(jié)果見表4。

表4 自然降雨徑流下各試驗區(qū)農(nóng)作物小區(qū)徑流量和泥沙量觀測計算結(jié)果

由表4可知，農(nóng)作物區(qū)域內(nèi)玉米和谷子試驗區(qū)的產(chǎn)流量分別為205.7mm和216.8mm，其徑流量和產(chǎn)沙量分別為325.8m3/hm2、267.1m3/hm2和4015.2kg/hm2、3594.5kg/hm2，相對于裸地-1，其攔蓄徑流和泥沙效率系數(shù)分別為36.7%、48.1%和44.4%、50.2%；而對于自然降雨條件下的牧草徑流區(qū)域，紫花苜蓿和沙打旺立地的產(chǎn)流量分別為150.6mm和130.4mm，相對于裸地-2，其徑流攔蓄和泥沙攔蓄效率系數(shù)分別為51.5%、72.2%和52.2%、61.4%；林地徑流范圍內(nèi)的不同林地，徑流量攔蓄效益變化范圍為36.3%～91.4%，其攔蓄泥沙效益變化范圍為48.4%～92.3%，沙棘攔蓄徑流效益系數(shù)最小，且泥沙攔蓄效率最大。

2.2 入滲方程的擬合求解

本文在詳細分析了Philip基本計算公式和人工模擬降雨入滲試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法基本公式進行土壤穩(wěn)滲率和初始入滲率的計算，最小二乘法計算公式為

Y=aX+b

Y=f(t)X=t-1/2

其中

a=1/2Sb=A

經(jīng)計算，得

b=Y-aX

將文中已獲取的人工降雨在不同時段的地表徑流入滲率及其相對應(yīng)的時間帶入上述公式即可求得穩(wěn)滲率A、初始入滲率S以及入滲速率。為了更加直觀、準(zhǔn)確地表征不同立地條件下的土壤入滲特征，本文將不同標(biāo)準(zhǔn)用地的入滲參數(shù)平均值作為該立地類型入滲參數(shù)并代入如下公式:

結(jié)合公式迭代上述計算結(jié)果，可得各類型立地入滲方程分別為

玉米地：

f(t)=2.6518t-1/2+0.86420,R=0.9195

谷子坡耕地：

f(t)=2.4536t-1/2+0.80137,R=0.8845

油松林地：

f(t)=1.53492t-1/2+0.452801,R=0.9061

沙棘林地：

f(t)=2.01624t-1/2+0.63182,R=0.8663

山杏林地：

f(t)=1.34584t-1/2+0.43158,R=0.8068

裸地：

f(t)=1.00846t-1/2+0.32481,R=0.8605

試驗結(jié)果表明：在降雨初始時期，土壤中含水還未達到飽和狀態(tài)，參數(shù)的設(shè)定為決定入滲變化特征的主要因素，降雨入滲與水平吸滲特征相同，可用初始入滲率S表示土壤的入滲能力，此過程中入滲強度不僅受土壤物理性能影響而且與降雨響度相關(guān)；隨著降雨時間的推移，土壤逐漸達到飽和，土壤入滲趨于穩(wěn)定，地表開始產(chǎn)生徑流，降雨強度大于土壤的入滲能力，此過程中可采用穩(wěn)定入滲率表征土壤的入滲能力[7-9]。

2.3 構(gòu)建小流域產(chǎn)流模型

在詳細分析了研究流域內(nèi)地表徑流影響眾多影響因子:小區(qū)坡度X1、小區(qū)長度X2、土壤初期含水量X3、土壤容重X4、土壤孔隙率X5、林地覆蓋率X6、降雨量X7、降雨強度X8、非毛管孔隙率X9、林齡X10、腐殖物厚度X11及胸徑X12的基礎(chǔ)上，利用逐步回歸分析基本理論建立了不同土地利用類型即坡耕地Y1、林地Y2和裸地Y2的降雨入滲產(chǎn)流回歸方程：

本文所構(gòu)建的樂園小流域不同立地的產(chǎn)流入滲模型見表5。

由降雨入滲產(chǎn)流回歸方程可以看出，降雨強度、林地覆蓋率、土壤初始含水量、地表坡度、土壤物理

表5 遼西小流域不同立地產(chǎn)流模型

續(xù)表

性能是影響裸地和坡耕地產(chǎn)流系數(shù)的主要因素；而腐殖物厚度、降雨強度、耕地坡長、非毛管孔隙率及土壤初始含水量是影響林地地表徑流系數(shù)的主要因素[10]。

根據(jù)表5中各地類型標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)，植被覆蓋率、土壤孔隙率與裸地和林地成明顯的負相關(guān)性，其基本作用原理為種植林地植被可有利于地表保持水流，提高土壤與降雨徑流的接觸時間，形成壤中滲流，減少地表徑流量；土壤孔隙率越高則滲透性能越好，有利于發(fā)揮降水對土壤的入滲作用，使降雨在壤中滲流。腐殖物厚度、土壤非毛管孔隙率與林地的徑流系數(shù)表現(xiàn)為負相關(guān)性，其基本作用原理為腐殖落葉的存在改變了土壤的理化性能，土壤結(jié)構(gòu)得到改善且非毛管孔隙率增大，降雨徑流產(chǎn)生時可通過非毛管孔隙和疏松結(jié)構(gòu)的土壤減少地表徑流量；降雨強度、土壤初始含水量以及地表坡度與坡耕地、裸地和林地的地表徑流系數(shù)表現(xiàn)出正相關(guān)性，試驗結(jié)果不僅符合降雨入滲產(chǎn)流的實際狀況，同時與其他相關(guān)研究結(jié)果保持一致[11]。

降雨量與地表徑流系數(shù)的變化規(guī)律表現(xiàn)不明顯，其原因可能是樂園小流域的地表徑流為超滲產(chǎn)流，故一般受降雨強度的影響較大，降雨量對地表徑流系數(shù)的作用明顯小于降雨強度。受人工模擬降雨范圍和試驗條件限制，加之坡長變化區(qū)間較小，且距離較近，故回歸方程中沒有反映出地表坡長影響因子的影響，坡度對徑流系數(shù)的影響作用大于坡長。

3 結(jié) 論

本文分別采用兩種降雨方式即人工模擬降雨和自然條件降雨對遼西小流域的地表徑流和泥沙徑流量進行試驗觀測，并選取不同的土地利用類型如坡耕地、草地、林地和裸地進行地表產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的對比分析；在詳細分析了Philip基本計算公式和人工模擬降雨入滲試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法基本公式進行土壤穩(wěn)滲率和初始入滲率的計算，建立不同土地利用類型的降雨入滲方程；再利用逐步回歸分析基本方法，通過對人工模擬降雨滲流試驗結(jié)果進行分析處理，構(gòu)建了用于樂園小流域的入滲產(chǎn)流及其相關(guān)影響因子的數(shù)學(xué)方程，并得出相關(guān)結(jié)論。本文揭示的遼西小流域的入滲產(chǎn)流變化特征，可為其他小流域的降雨徑流蓄積利用和水環(huán)境生態(tài)治理提供決策依據(jù)和理論支撐。

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