基于不同雨型的地表徑流與壤中流輸特征研究

全占東

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

降雨為地表徑流、壤中流和坡地土壤侵蝕的產(chǎn)生提供了動力來源，同時為土壤蓄水創(chuàng)造了必要條件。棕壤的持水能力差、有效含水量低，從而導(dǎo)致棕壤坡地季節(jié)性干旱、洪澇災(zāi)害等問題并存的現(xiàn)象，對于坡面徑流的合理調(diào)節(jié)及其輸出規(guī)律的研究越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。中國北方棕壤區(qū)壤中流的存在增大了坡地土壤水文過程的復(fù)雜程度，坡面徑流的組成包括地下徑流、壤中流和地表徑流，這也是導(dǎo)致坡地產(chǎn)流分層輸出的關(guān)鍵因素。目前，人工模擬降水屬于研究坡面產(chǎn)流特征與不同雨型關(guān)系的主要手段，而考慮壤中流試驗觀測與自然降雨條件的研究還鮮有報道。對坡地徑流與棕壤區(qū)降雨關(guān)系的研究，主要側(cè)重于植被覆蓋下年徑流量空間分配、坡面徑流與壤中流耦合關(guān)系、降雨影響因子、水量平衡、年尺度的水分動態(tài)等方面，然而棕壤坡地徑流分層輸出與自然場次不同雨型條件的關(guān)系仍需進一步研究[1-7]。因此，通過開展自然降雨觀測試驗，以3種不同方式的棕壤坡地壤中流和地表徑流為例，利用土壤水分滲漏裝置對不同雨型下的分層輸出特征進行研究，科學(xué)分析產(chǎn)流受棕壤下墊面及坡地降雨產(chǎn)流特征的影響，以期為科學(xué)調(diào)控徑流、水土保持提供一定指導(dǎo)。

1 試驗方法

1.1 試驗地段

試驗地設(shè)于鞍山市岫巖縣大洋河上游大虎溝小流域內(nèi)(如圖1)，其中心坐標(biāo)為E40°29′39″，N123°26′52″。該流域地貌形態(tài)主要表現(xiàn)為山勢陡峻、溝壑縱橫，地貌北高南低，最高海拔624.2m，地形以低山、丘陵為主，間有小塊沖積平原和盆地。試驗地段位于北溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，春季多旱寡澇、冬季多雪干冷、夏季高溫多雨、秋季陰晴多變，四季分明，雨熱同步，年均降水量860mm，7月至8月占全年降水的60%，年均氣溫7.5℃，干燥度0.73，年蒸發(fā)量1237mm。土壤類型以棕壤為主，草甸土次之，屬于暖溫帶落葉闊葉林帶，華北松槐混交林型區(qū)，林草覆蓋率63%，從下而上土壤坡面的典型土體構(gòu)型依次為Bsv、Bs層、Ah層，相應(yīng)的厚度為50-200cm、30-50cm、0-30cm[8-9]。

圖1 流域分布圖

1.2 設(shè)計方法

本研究設(shè)置A植草覆蓋、B干草敷蓋、C裸露3種不同處理小區(qū)，土壤物理性狀如表1。其中，A小區(qū)種植覆蓋度達(dá)100%的百喜草；B小區(qū)不種植植被，其地表橫向100%敷蓋刈割的百喜草，厚度15cm；C小區(qū)無植被，地表完全裸露用于對照處理。

表1 土壤物理性狀

通過對坡腳修筑擋土墻、小區(qū)底部及周圍澆筑厚20cm混凝土等，形成可排水式封閉的土壤滲漏裝置。小區(qū)填土深1.2m，水平投影為長15m、寬5m的方形水泥槽，底部坡度15°。以大虎溝小流域內(nèi)一塊坡度、土壤理化特性、厚度等條件基本相同的典型坡地設(shè)置試驗小區(qū)，從上至下分3層、每層厚40cm依次取出原土塊，放置時要分開堆放。所有取土樣完成后，按原樣將土塊回填至1.2m深。然后從上而下沿小區(qū)坡地斷面依次設(shè)置出水口4處，徑流池與出水口之前用塑膠管連接，發(fā)揮承接泥沙與徑流的作用，地表徑流出水口設(shè)置于最上部，而地下徑流和壤中流出口分別設(shè)置于地下60cm、30cm處。

以2016年1月1日-2018年12月31日作為試驗觀測期，從中選出典型的32場次自然降雨事件。鑒于次降雨事件下地下徑流出現(xiàn)不斷流的情況，即無法準(zhǔn)確區(qū)分場次降雨產(chǎn)流的問題，本研究未深入分析地下徑流輸出特征。試驗中選擇不同分層徑流量、降雨歷時、降雨量作為試驗觀測項目，并按照氣象部門相關(guān)資料合理劃分降雨標(biāo)準(zhǔn)，即24h降雨量<10mm、10.1-25mm、25.1-50mm、>50.1mm的屬于小雨、中雨、大雨、暴雨及以上降雨。

2 結(jié)果與分析

2.1 小雨型下的輸出特征

設(shè)A0、A30、A60依次代表A小區(qū)的地表徑流、30cm和60cm土層深的壤中流，其它小區(qū)相同，小雨型下各小區(qū)徑流分層輸出量如表2。從表2看出，A、B、C小區(qū)在10場次小雨情況下均未產(chǎn)生地表徑流。此外，30cm和60cm土層深情況下，A小區(qū)均未產(chǎn)生壤中流，而B小區(qū)均產(chǎn)生4次壤中流，C小區(qū)產(chǎn)生1次和2次壤中流。

表2 小雨型下各小區(qū)徑流分層輸出量

2.2 中雨型下的輸出特征

中雨型下各小區(qū)徑流分層輸出量如表3。從表3可看出，A、B、C小區(qū)在10場次中雨情況下產(chǎn)生地表徑流次數(shù)為3次、3次、5次，通過與表2的對比分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生地表徑流的降雨應(yīng)達(dá)到中雨及以上等級。最易形成地表徑流的是地表條件為裸露處理的C小區(qū)，結(jié)合C小區(qū)產(chǎn)流狀況能夠推斷出產(chǎn)生地表徑流的平均臨界雨強為1.8-2.0mm/h區(qū)間，臨界雨量處于10.1-11.0mm范圍。裸露對照、干草敷蓋、植草覆蓋小區(qū)壤中流，在中雨雨型所有降雨產(chǎn)流中占壤中流和地表徑流總量之比依次為12%、81%、58%。

表3 中雨型下各小區(qū)徑流分層輸出量

2.3 大雨及以上雨型下的輸出特征

大雨及以上型下各小區(qū)徑流分層輸出量如表3，不同小區(qū)各層徑流量隨著降雨量的增大逐漸增多。通過計算發(fā)現(xiàn)，大雨及以上雨型下A小區(qū)的地表徑流量占壤中流與地表徑流總量的比例為23.94%-64.11%，30cm深和60cm深壤中流所占比例為21.20%-52.33%、0%-42.26%；B小區(qū)的地表徑流量占壤中流域地表徑流總量的比例為21.88%-59.95%，30cm深和60cm深壤中流所占比例為24.25%-56.34%、4.28%-34.34%；C小區(qū)的地表徑流量占壤中流域地表徑流總量的比例為48.45%-96.98%，30cm深和60cm深壤中流所占比例為0.54%-18.46%、2.02%-35.80%。研究表明，從小到大各小區(qū)徑流分配中地表徑流所占比例為A

表4 大雨及以上雨型下各小區(qū)徑流分層輸出量

2.4 地表徑流與壤中流輸出特征

不同措施各雨型下的徑流分層輸出量占降雨量的比例等于各年份不同雨型下的徑流量之和，如圖2。從圖2看出，2016-2018年，小雨型下僅產(chǎn)生壤中流，其徑流分層輸出僅占總降雨量的2%；中雨型下裸露處理小區(qū)C的地表徑流占比較大，30cm深時小區(qū)B的壤中流占比較大；相對于中雨及以下雨型，大雨及以上雨型的各層徑流量占降雨量比例較高，而地表徑流占比最高的為C小區(qū)，總體處于10%-30%區(qū)間。

(a)小雨型

(b)中雨型

(c)大雨及以上雨型

2.5 討論分析

1)通過計算各層徑流輸出在不同雨型下的總和揭示各分層徑流輸出規(guī)律，結(jié)果表明裸露對照、干草敷蓋、植草覆蓋在小雨雨型下均未產(chǎn)生地表徑流，覆蓋小區(qū)60cm深、30cm深壤中流和地表徑流的各層徑流輸出比為100:0:0，敷蓋小區(qū)為30:70:0，裸露對照小區(qū)為92:8:0；裸露對照、干草敷蓋、植草覆蓋在中雨雨型下60cm深、30cm深壤中流和地表徑流的各層徑流輸出比為10:4:86、18:60:22、16:41:43，按照優(yōu)劣排序各措施對促進中雨降雨入滲為裸露<覆蓋<敷蓋，該結(jié)果與現(xiàn)有資料年尺度研究成果高度一致；裸露對照、干草敷蓋、植草覆蓋在大雨及以上雨型下60cm深、30cm深壤中流和地表徑流的各層徑流輸出比為5:2:93、22:41:37、25:37:38，說明單場大雨下裸露處理以地表徑流為主，而覆蓋與覆蓋處理以壤中流為主。根據(jù)大雨雨型下至小雨雨型下的徑流分配特征可知，裸露處理的坡地產(chǎn)流地表徑流隨次降雨雨量的增大而增大，敷蓋和覆蓋處理的坡地產(chǎn)流在暴雨、大雨、中雨雨型下均以壤中流為主。從時間的角度上，小雨型條件下，2017年覆蓋小區(qū)60cm深壤中流占降雨量之比要高于2016年；中雨型條件下，2018年覆蓋小區(qū)60cm深、30cm深壤中流占降雨量之比要高于2017年，分析其原因可知處理措施有利于徑流下滲，通過改良土壤性狀促進了坡地壤中流的發(fā)育。

2)結(jié)合各小區(qū)產(chǎn)流狀況可知，在未達(dá)到臨界雨量時各場次降雨無法形成壤中流，即降雨量對壤中流的影響較為顯著。干草敷蓋小區(qū)壤中流比例最大與枯落物消減徑流動能、增大地表糙度相關(guān)，并且枯落物具有較強的持水能力，為增大降雨入滲提供了有利條件；前期土壤含水率與裸露小區(qū)壤中流產(chǎn)流情況相關(guān)，降雨量對壤中流的影響只發(fā)生在達(dá)到臨界含水率以后的時段。

裸露小區(qū)地表徑流比例隨著中雨、大于及以上雨型的增大而增加，其比例超過90%，由于無法有效的阻滯地表徑流，從而使得降雨從地表快速的輸出；敷蓋和覆蓋處理以壤中流產(chǎn)流為主，可見在雨量較大的情況下枯落物敷蓋、植草覆蓋等措施能夠顯著增加地表入滲量。實踐表明，在大到暴雨情況下不僅要栽種植物提高植被覆蓋度，為達(dá)到較好的保水保墑效果還要輔以覆蓋措施。

3)考慮到長期觀測成本和區(qū)域經(jīng)濟條件，土壤水分滲漏裝置對每種措施僅觀測一個小區(qū)。經(jīng)長期的自然下沉，各土層土壤容重和土壤性狀會發(fā)生一定的改變，因此為壤中流的形成提供了條件。由于該裝置設(shè)立時間較長，原狀圖與自然沉降后的回填土層相差不大。

3 結(jié) 論

通過試驗分析揭示了三種不同處理措施在不同雨型下的徑流輸出特征，小雨雨型下裸露處理、干草敷蓋和林草覆蓋均未形成地表徑流；優(yōu)劣排序各措施對促進中雨降雨入滲為裸露<覆蓋<敷蓋；裸露處理的坡地產(chǎn)流地表徑流隨次降雨雨量的增大而增大，其比例超過90%；敷蓋和覆蓋處理的坡地產(chǎn)流在暴雨、大雨、中雨雨型下均以壤中流為主，在雨量較大的情況下枯落物敷蓋、植草覆蓋等措施能夠顯著增加地表入滲量。

研究表明，在大到暴雨情況下不僅要栽種植物提高植被覆蓋度，為達(dá)到較好的保水保墑效果還要輔以覆蓋措施。