我國人工模擬降雨土壤侵蝕試驗(yàn)研究綜述

王 健，索梅芹

(河北工程大學(xué)，河北邯鄲056021)

土壤侵蝕是土壤或其他地面組成物質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力作用下，被剝蝕、破壞、分離、搬運(yùn)和沉積的過程[1]。降雨引起的雨滴濺蝕和徑流沖刷是坡面土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?，但天然降雨情況復(fù)雜，僅依靠天然降雨很難獲得所需條件下的土壤侵蝕資料，所得數(shù)據(jù)具有很大的局限性。人工模擬降雨裝置可以進(jìn)行所需控制條件下的降雨侵蝕試驗(yàn)，這樣既有效減少了試驗(yàn)所需時(shí)間，又能減少試驗(yàn)成本，因此在由降雨引起的土壤侵蝕研究中得到了廣泛應(yīng)用。

1 人工降雨模擬裝置

1.1 人工模擬降雨裝置的分類

人工模擬降雨裝置自從20世紀(jì)30年代開始應(yīng)用于土壤侵蝕相關(guān)研究，我國于上世紀(jì)中頁引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，人工模擬降雨技術(shù)得到了長足發(fā)展，相繼研制出多種類型的人工模擬降雨裝置，根據(jù)生成雨滴原理不同可分為針管式、懸線式、噴嘴式和管網(wǎng)式四種類型[2]。其中針管式降雨器生成的水滴由針頭末端滴落至地面；懸線式降雨器水滴從懸線脫離并降落至地面；噴頭式降雨器利用一定的水壓將水從噴頭噴射出來，形成分散的雨滴降落至地面，并可通過調(diào)節(jié)壓力的大小生成不同雨強(qiáng)的降雨；管網(wǎng)式與噴嘴式降雨器生成的雨滴特性類似，水滴由平行管道上的小孔噴出。針管式和懸線式形成的雨滴初速度為0，并且雨滴直徑相同，而噴嘴式和管網(wǎng)式產(chǎn)生的雨滴初速度不為0，并且產(chǎn)生的雨滴直徑不同，雨滴特性更接近天然降雨。目前在土壤侵蝕研究中使用最廣泛的人工模擬降雨器是噴頭式，按照水流噴射方向不同，噴頭式模擬降雨器又分為上噴式、下噴式和側(cè)噴式。

1.2 人工模擬降雨裝置主要參數(shù)

(1)降雨強(qiáng)度。人工模擬降雨裝置的降雨強(qiáng)度應(yīng)便于調(diào)節(jié)，并有一定的調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)不同降雨試驗(yàn)的要求。

(2)降雨均勻度。人工模擬降雨的均勻度應(yīng)盡可能接近天然降雨，達(dá)到80%以上。降雨均勻度可以通過在試驗(yàn)小區(qū)范圍內(nèi)均勻放置測桶的方法求得，見式(1)。

(1)

式中：K為降雨均勻度，%；Hi為各測點(diǎn)的降雨量，mm；H為試驗(yàn)小區(qū)上的平均降雨量，mm；n為測點(diǎn)個(gè)數(shù)[3]。

(3)雨滴直徑。雨滴直徑的測量方法有動(dòng)力學(xué)法、濾紙色斑法、攝影法、面粉團(tuán)法、浸潤法、雨滴譜儀法等，其中濾紙色斑法因簡單的操作方法和較低的成本，被廣泛應(yīng)用，該方法誤差范圍為6%～14%。濾紙色斑法測量雨滴直徑，通常將不同型號醫(yī)用注射器作為雨滴發(fā)生器，用高精度天平稱量100滴水的質(zhì)量，再除以100求得單個(gè)雨滴的平均質(zhì)量；假設(shè)雨滴是球形的，根據(jù)式(2)計(jì)算雨滴直徑：

d=10(6m/πρ)

1/3

(2)

式中：d為雨滴直徑，mm；m為單個(gè)雨滴質(zhì)量，g；ρ為水的密度，g/cm3。

將雨滴發(fā)生器生成的雨滴以一定的高度滴落在濾紙上，要使雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度，高度至少達(dá)到7 m，測量色斑直徑。將雨滴直徑與色斑直徑進(jìn)行回歸分析，通常呈冪指數(shù)的關(guān)系：

d=K·Dn

(3)

式中：D為色斑直徑，mm;K、n分別為系數(shù)和指數(shù)[4]。

(4)雨滴速度。雨滴速度指雨滴在自身所受重力和空氣阻力平衡的條件下墜落到地面時(shí)達(dá)到的終點(diǎn)速度，牟金澤根據(jù)物體在靜止流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律總結(jié)了雨滴終點(diǎn)速度計(jì)算公式：

當(dāng)d<1.9 mm時(shí)，采用修正的沙玉清公式：

V=0.496×10d，α=28.32+6.2541g(0.1d)-(1g0.1d)2-3.665

(4)

當(dāng)d≥1.9 mm時(shí)，采用修正的牛頓公式：

(5)

式中：V為雨滴終點(diǎn)速度，m/s；d為雨滴直徑，mm[5]。

根據(jù)濾紙色斑法求得雨滴直徑后，可根據(jù)上式計(jì)算得出雨滴終點(diǎn)速度，進(jìn)而求得單個(gè)雨滴的降雨動(dòng)能。

2 土壤侵蝕試驗(yàn)

我國西北的黃土高原區(qū)是國內(nèi)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，按照空間分布來看，該地區(qū)的土壤侵蝕試驗(yàn)數(shù)量最多，其次是南方的紅壤區(qū)。降雨侵蝕試驗(yàn)的研究對象主要是黃土和紅壤土，其次為紫色土、黑土、石灰土等。本文從以下幾個(gè)方面介紹坡面土壤侵蝕的主要影響因素，這也是人工模擬降雨侵蝕試驗(yàn)的主要研究方向。

2.1 降雨

降雨因素包括降雨強(qiáng)度、降雨量、雨型、降雨移動(dòng)方向等。降雨對坡面的侵蝕作用主要表現(xiàn)為濺蝕和徑流侵蝕。其中濺蝕主要與雨滴動(dòng)能和雨滴終點(diǎn)速度方向有關(guān)，徑流沖刷主要與降雨強(qiáng)度、雨型、和移動(dòng)方向有關(guān)。張夢等通過人工降雨試驗(yàn)對黃土坡面進(jìn)行侵蝕研究表明，在相同坡度下，坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)，降雨過程中侵蝕強(qiáng)度上下波動(dòng)，降雨強(qiáng)度越大，波動(dòng)值越大[6]。姜芃等利用稀土示蹤法在人工降雨條件下在南方坡耕地水土流失研究中得出坡面侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加；不同坡段的侵蝕量有所不同，上坡段占總侵蝕量的10%左右，而中下坡段占總侵蝕量的90%左右[7]。朱建東等通過兩種雨型的黃土坡面侵蝕試驗(yàn)得出相同降雨量條件下間斷降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕量大于連續(xù)降雨產(chǎn)生的侵蝕量，且兩種模式土壤侵蝕速率在空間上分布不均勻，速率由坡面前緣至后緣逐漸減小[8]。史致男通過試驗(yàn)得出峰值產(chǎn)沙量受降雨移動(dòng)方向影響較大，當(dāng)降雨向上移動(dòng)時(shí)，坡面會(huì)加速結(jié)皮發(fā)育，坡面峰值產(chǎn)沙量提前出現(xiàn)[9]。

2.2 土壤特性

眾多學(xué)者通過對不同土壤降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究認(rèn)為，土壤的抗侵蝕性主要與自身性質(zhì)有關(guān)，不同土壤的顆粒組成、團(tuán)聚體的理化性質(zhì)、穩(wěn)定性等都有較大差異，導(dǎo)致坡面侵蝕規(guī)律不同。仲亞婷等以新疆地區(qū)3種不同類型土壤為研究對象，在人工降雨條件下比較3種土壤的坡面侵蝕特征，得出土壤中含沙量、可蝕性K值隨土壤中粉粒含量增大而增大，越容易發(fā)生侵蝕[10]。董亮等選取遼西低山丘陵地區(qū)褐土和棕壤土進(jìn)行濺蝕試驗(yàn)，得出褐土的團(tuán)聚穩(wěn)定性要優(yōu)于棕壤土，棕壤土較褐土更易侵蝕，且更容易形成結(jié)皮。王振龍等通過淮北地區(qū)黃潮土與砂漿黑土的產(chǎn)流產(chǎn)沙差異性研究，得出兩種類型土壤在坡面侵蝕過程中的產(chǎn)流過程、細(xì)溝發(fā)育位置和產(chǎn)沙量均存在較大差別，黃潮土產(chǎn)流時(shí)間較短，產(chǎn)流時(shí)間較長；黃潮土形成細(xì)溝密度較砂漿黑土小，但發(fā)育深度較大[11]。

2.3 地形條件

坡面土壤侵蝕地形條件包括坡度、坡長等，地形條件與侵蝕量關(guān)聯(lián)性很大。在不同坡度下紫色土土壤侵蝕的研究顯示，產(chǎn)沙率隨坡度的增大速率先上升而后趨于穩(wěn)定，坡度對產(chǎn)沙量的影響最大[12]。由于坡長會(huì)影響匯流過程，被認(rèn)為也是影響土壤侵蝕的因素之一，但結(jié)論卻存在較大差異，一些學(xué)者認(rèn)為坡面侵蝕量隨著坡長的增加而增加，而另一部分學(xué)者得出結(jié)論卻恰好相反，有待進(jìn)一步研究。

2.4 植被覆蓋

增加地表植被覆蓋度可以減小地表徑流速度、增加下滲，并增加土壤的抗濺蝕能力，對產(chǎn)流產(chǎn)沙量有較大影響。朱冰冰等在不同草本植被覆蓋度對坡面侵蝕的影響研究中，覆蓋度在20%～60%時(shí)的侵蝕量隨著覆蓋度的增大而大幅度減小，在達(dá)到80%以后降低侵蝕量增幅不顯著[13]。侯沛軒在不同種類植被調(diào)控水沙過程研究中，所選的4種植被產(chǎn)坡面沙量從小到大依次為黑麥草、荊條、油松和栓皮櫟，相較裸坡有明顯的減少，且植被對坡面產(chǎn)沙的影響較產(chǎn)流的影響更大[14]。

3 結(jié)語

(1)人工模擬降雨裝置可以進(jìn)行所需控制條件下的降雨侵蝕試驗(yàn)，這樣既有效減少試驗(yàn)所需時(shí)間，又能減少試驗(yàn)成本?；谌斯つM降雨裝置的土壤侵蝕試驗(yàn)主要是圍繞降雨、土壤特性、地形條件和地表植被覆蓋等坡面土壤侵蝕因素展開。

(2)人工模擬降雨試驗(yàn)受試驗(yàn)場地和資金限制，通常只能進(jìn)行小尺度模擬試驗(yàn)，而且引起降雨侵蝕的因素眾多，大都試驗(yàn)只選取了幾個(gè)因素進(jìn)行研究，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差，需要今后與野外試驗(yàn)相結(jié)合，更深入地研究降雨侵蝕與各因素之間的關(guān)系。