不同降雨強度與小流域水土保持的關系研究

譚金泉

（韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 韶關 512000）

0 引言

長期以來，水土保持都是我國重點防范的問題。多年以來，我國經常因為大降雨導致許多事故發(fā)生，例如山體滑坡、洪水等自然災害。由于我國是一個多種氣候的國家，尤其是南方地區(qū)，經常因為降雨過剩導致事故發(fā)生。而對小流域的水土保持情況研究的并不多?；诖爽F(xiàn)象，針對不同降雨強度與小流域水土保持的關系進行研究，這對我國小流域水土保持工程具有重要意義。

面對土壤侵蝕時空格局影響[1]、水土流失時需要的保持措施[2]以及對不同流域下的水、沙通量變化情況[3]，這都會威脅到小流域水土保持工作，其中李桂靜等[4]通過觀測3種不同措施下的產流和產沙情況，研究在不同降雨條件下產流和產沙的變化特征，并評估其水土保持效益。但目前我國對小流域的水土保持情況研究依然較少，且考慮得不夠全面。該文通過研究不同降雨強度與小流域水土保持的關系。通過建立Hy-drus-1D模型框架建立模型，并對數(shù)據進行分析，研究降雨強度對工程平均降雨量、平均產沙量、減流效益以及減沙效益的影響。

2 工程概況與研究方法

2.1 工程概況

某一山區(qū)小流域周邊多山，山地最大海拔差距43 m，且該流域水資源主要來自降雨天氣。試驗選取地存在10°左右坡度，占地面積為40 km2。而該試驗土壤為該區(qū)域0cm～10cm表層土，呈灰棕色，且存在一定雜質，土體的孔隙度為0.45。含水率則由FDR自動記錄儀采集，并每4 d觀察并取走室外地表地下水體，得出降雨后土體基本力學變化和化學成分變化。

2.2 研究方法

該研究在土保持實驗室進行，模擬小流域周邊環(huán)境。采用人工降雨設備進行降雨，降雨強度選取3個等級，分別為60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h，降雨時長為2 h。試驗土槽將土壤分層充填入槽內，土槽坡度為5°和15°，長寬高為2.0m×1.0m×0.5m。

試驗開始前，先用如果降雨方法進行30 min的60 mm/h的降雨，并靜置24h，保證土壤結構穩(wěn)定。土槽準備工作結束進行等高掏挖、機械鋤耕等水土保持措施。試驗開始后，降雨量和產沙量為該試驗指標，記錄土槽底部徑流的時間以及每2 min一次的泥沙采樣。降雨量通過稱重法測量，產沙量可將泥沙干燥后稱其質量。

3 數(shù)據分析

3.1 模型建立

由于小流域水土保持所受影響因素很多，因此采用Hy-drus-1D模型框架建立模型，精確模擬試驗中溶質運移情況，該模型考慮多種因素，主要模擬一維尺度水等物質運移，具有靈活輸入出功能。該模型的地表水分運動方程如公式（1）和公式（2）所示。

地表水分運動方程如公式（1）所示。

式中：θ、K、X、t和A分別為含水率、水傳導率、橫縱坐標、運動時間和水流-水平線夾角。

地表溶質運移方程如公式（2）所示。

式中：c、p、q、s和D分別為溶質的濃度、土壤的凈容重、溶質擴散量、線性吸附能力和綜合擴散系數(shù)。

利用公式（1）和公式（2）確定參數(shù)，并結合以往數(shù)據，得出各個參數(shù)初始值和率定值，見表1。

表1 率定值和初始值

確定模型參數(shù)后，檢驗模型合理性。由表1可知，模型計算結果與實際數(shù)值相關性接近于1，說明模型計算結果有效可靠。

3.2 數(shù)據分析

在公式（1）和公式（2）的基礎上研究不同條件下人工耕作、機械鋤耕和等高掏挖措施降雨試驗，主要分析2種不同坡度和3種不同降雨強度。不同降雨強度的工程平均降雨量和平均產沙量如公式（3）所示。

式中：RY為平均降雨量；RY0為某一刻瞬時降雨量；N為采集數(shù)據數(shù)量。

式中：SR為平均產沙量；SY0為某一刻瞬時產沙量。

在不同降雨強度下，工程坡面減流效益的計算公式如公式（5）所示。

式中：ER為減流效益；RY1和RYt分別為平整地表和試驗地表施工坡地總降雨量。在不同降雨強度下，工程坡面減沙效益如公式（6）所示。

式中：ES為減沙效益；RS1和RSt分別為平整地表和試驗地表施工坡地總產沙量。

4 結果分析

4.1 降雨強度對工程平均降雨量和平均產沙量的影響

在不同降雨強度下，分析不同因素水土保持工程坡地平均降雨量情況，如圖1所示。

由圖1可知，當降雨強度為60mm/h～90mm/h時，等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作平均降雨量分別提升了109.7%、52.8%和136.7%。當降雨強度再次增加時，平均降雨量分別提升70.3%、80.5%和97.9%。與平整坡地相比，等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作的平均降雨量都在下降，通過坡度可以發(fā)現(xiàn)，坡度可以降低徑流量，但當降雨強度達到一定值時，坡度作用較小。在不同的降雨強度下，不同因素水土保持工程坡地平均產沙量如圖2所示。

圖1 不同因素下降雨量與降雨強度關系曲線

圖2 不同因素下產沙量與降雨強度關系曲線

由圖2可知，降雨強度與平均產沙量呈正相關。當坡度為5°時，與平整坡地相比，等高掏挖和機械鋤耕的產沙量趨于穩(wěn)定且產沙量較低。而人工耕作的平均產沙量隨著降雨強度增加越來越高，且當降雨強度達到一定值時，人工耕作的產沙量高于平整坡地。當坡度為15°時，等高掏挖、機械鋤耕、人工耕作和平整坡地的產沙量先降低后增大，當降雨強度為80 mm/h時，產沙量都達到最低值。

4.2 降雨強度對工程坡面減流效益及減沙效益的影響

圖3為不同因素下減流效益變化情況與降雨強度關系圖，由圖3可知，在3個等級的降雨強度下，等高掏挖在降雨強度為30 mm/h，坡度為5°時，減流量出現(xiàn)負值。而機械鋤耕和人工耕作的減流量則隨降雨強度增大而降低。但人工耕作的減流量一直保持在最大值。當坡度為15°時，等高掏挖隨降雨強度變化較為平穩(wěn)，而機械鋤耕的減流量有明顯峰值，在降雨強度為90 mm/h時，減流量最大。人工耕作的減流量隨降雨強度增大而降低。綜上所述，坡度與降雨強度對水土保持工程坡地有明顯影響，但等高耕作減流效益最好，能夠保證水土結構穩(wěn)定。

圖3 不同因素下減流效益變化情況與降雨強度關系圖

當坡度為5°時，不同降雨強度條件下人工耕作和機械鋤耕的減沙效果更顯著，都呈先增大后減小的變化趨勢，但等高掏挖在降雨強度為30 mm/h時，呈正值，然后減沙量逐漸降低。當坡度為15°時，等高掏挖的減沙量與降雨強度呈負相關，而機械鋤耕的減沙量隨降雨強度變化無明顯波動，人工耕作減沙量則隨降雨強度增大呈先減小后增大的變化趨勢。綜上所述，降雨強度增大，人工耕作、機械鋤耕和等高掏挖等水土保持工程的坡地平均降雨量和產沙量呈正相關，但不同因素下的平均降雨量和產沙量對降雨強度響應特征呈出多元化變化。

5 結論

該文通過研究不同降雨強度與小流域水土保持的關系，得出以下3個結論：1）隨著降雨強度增大，等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作平均降雨量也隨之增大。且坡度可以降低徑流量，但當降雨強度達到一定值時，坡度作用較小。2）降雨強度與平均產沙量呈正相關。當坡度為5°時，相較于平整坡地，等高掏挖和機械鋤耕的產沙量趨于穩(wěn)定且產沙量較低。當坡度為15°時，等高掏挖、機械鋤耕、人工耕作和平整坡地的產沙量變化趨勢呈先減低后增大，但降雨強度為80mm/h時，產沙量都達到最低值。3）等高掏挖在降雨強度為30mm/h，當坡度為5°時，減流量出現(xiàn)負值。而機械鋤耕和人工耕作的減流量則隨降雨強度增大而降低。當坡度為15°時，等高掏挖隨降雨強度變化較為平穩(wěn)，而機械鋤耕的減流量有明顯峰值。人工耕作的減流量則隨降雨強度增大而降低。坡度與降雨強度對水土保持工程坡地具有明顯影響，但等高耕作減流效益最好。4）當坡度為5°時，機械鋤耕和人工耕作減沙量都呈先增大后減少的變化趨勢，但等高掏挖在降雨強度為30 mm/h時，呈正值，然后減沙量逐漸降低。當坡度為15°時，等高掏挖的減沙量與降雨強度呈負相關，機械鋤耕的減沙量無明顯波動，人工耕作減沙量則隨降雨強度增大呈先減少后增大的變化趨勢。