模擬降雨下坡度對含礫石土壤徑流和產沙過程的影響

吳冰,邵明安,,毛天旭,朱元駿

（1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊陵712100;2.西北農林科技大學水土保持研究所,陜西楊陵 712100）

由于成土過程以及人類活動的影響,含礫石土壤在黃土高原地區(qū)分布較為廣泛。礫石在密度、尺寸、透水性、表面結構上與土壤顆粒不同,導致其在一定程度上能顯著改變土壤結構和物理特性[1],進而影響坡面水土過程(入滲、徑流、產沙)[2-4]。國外自20世紀30年代起就開始對土壤中礫石的重要性進行評價,并對其對水文過程影響展開研究。多數室內試驗表明礫石能夠阻止降雨入滲,增加地表徑流量;含礫石土壤容易形成集中流,導致強烈的土壤侵蝕[5-7];另一方面,隨礫石含量的增加,土壤中的大孔隙也隨之增加,有可能促進入滲[8-9]。國內學者在坡面尺度上進行的入滲和產沙過程模擬降雨研究結果表明,礫石含量在一定范圍內能增加降雨過程中的土壤入滲率、降低侵蝕產沙量[10-12]。然而,在自然條件下,礫石對坡面水土過程的影響是多種因素疊加作用的結果。由于研究方法和手段的欠缺,國內外相關研究較少涉及對不同坡度下含礫石土壤水土過程的研究。導致對坡面尺度上非均質土壤中水土過程的了解不足。深入了解這一過程不僅是水土過程及模型模擬的基礎,也可以促進特定地區(qū)水土資源的保護和合理利用。

本試驗通過室內模擬降雨來研究降雨過程中不同坡度下含礫石土壤的徑流和產沙隨時間的變化,初步探討坡度對礫石土壤徑流和產沙的影響,為該類型土壤的水土資源合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室人工降雨大廳進行。試驗選用規(guī)格為 3 m(長)×1 m(寬)×0.5 m(深)的自制鐵質土槽模擬坡面,供試土壤取自西北農林科技大學試驗地表層土(鈣積土墊旱耕人為土)。土壤過5 mm篩,風干并測定土壤初始含水率(3%左右)。土壤顆粒組成見表1(國際土壤質地分類系統),試驗用礫石取自渭河河灘(花崗巖風化物),洗凈后分別過20 mm和75 mm篩,留取 20～75 mm的礫石作為供試礫石,自然風干。

表1 土壤顆粒組成

1.2 試驗方法

將風干過篩的土壤與礫石(直徑為20～75 mm)按10∶0,9∶1,8∶2,7∶3,6∶4的質量比均勻混合(礫石質量含量分別為 0,10%,20%,30%,40%)。土壤容重控制為1.35 g/cm3,實測礫石密度為2.65 g/cm3,分5層裝入土槽中,每兩層之間打毛以防止土體分層。降雨過程中,雨強控制在60 mm/h(實際按率定雨強計算),坡度控制為 5°、10°和15°。降雨時,用SONY(DSC-HX1型)數碼攝像機進行全程攝像,并記錄土槽產流時間。產流開始后每隔1 min收集一次徑流,每5 min測定一次坡面水流流速(采用KMnO4染色劑法,記錄水流流過固定坡長的時間,然后換算成流速)。降雨歷時60 min(從產量開始算起)。降雨結束后,用稱重法和烘干法分別得到徑流量和產沙量。

2 結果與分析

2.1 降雨過程中坡面徑流量變化

圖1為不同坡度下不同礫石含量的土壤在坡面產流開始后徑流量隨時間的變化趨勢圖。從圖1中可以看出,同一礫石含量的土壤在不同坡度下徑流量隨時間呈上升的趨勢,其中降雨的產流在0～20 min內有明顯增加的趨勢,隨后徑流量隨時間的變化趨于平穩(wěn)。礫石含量為0的土壤總徑流量在不同坡度間的大小依次是 5°＞15°＞10°,其平均入滲深度依次為10°＞15°＞5°,與總徑流量的變化正好相反。形成這種現象的原因主要在于:在徑流量計算過程中,使用了水量平衡法(即徑流等于降雨減去入滲),導致坡面徑流量與土壤入滲深度密切相關,入滲深度大(相應入滲的水分就越多)則徑流量小,反之亦然。其他礫石含量的土壤總徑流量的變化均符合這個規(guī)律。另外,從圖2中可以發(fā)現,隨著礫石含量的增加,坡度對徑流的影響減弱。這可能是由于礫石含量的增加,土壤表面裸露的礫石越多,導致徑流流速增加。試驗數據也表明,與均質土壤相比,表層具有礫石的土壤其徑流流速更快。試驗中,礫石含量及坡度與流速呈正相關;隨著坡度的增加,其對坡面徑流流速的影響減弱。

采用線性回歸模型對累計徑流量隨時間的變化進行擬合,發(fā)現累計徑流量與時間呈顯著線性相關,可用以下公式來表達這種關系:

式中:W ——累計徑流量(kg);t——時間(min);a,b——擬合參數,見表2。

表2 累計徑流量隨時間變化的線性擬合結果

圖1 不同坡度下含礫石土壤中徑流量隨時間的變化趨勢

圖2 不同坡度下含礫石土壤中累計徑流量隨時間的變化

2.2 降雨侵蝕產沙過程

圖3是含礫石土壤在不同坡度下產沙量隨時間的變化趨勢。從圖中可以看出,含礫石土壤在不同坡度下均表現出現先增加后減少的趨勢。其原因可能是雨水擊濺產生大量分散的土壤顆粒,被坡面薄層水流運走,形成產流后的第一個產沙高峰期(產流后0～20 min)。

此產沙高峰期,5個不同礫石含量(分別為0,10%,20%,30%,40%)土壤產沙量占總產沙量的比例分別為:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%、49.3%(5°),58.2%、38.8%,57.3%,38.5%,41.9%(10°)和 40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4%(15°)。礫石含量為20%,30%,40%的土壤在坡度為15°時在30 min后又出現明顯的增加的趨勢。

從圖4可以看出,坡度由10°變化到15°時,礫石含量為 20%,30%,40%的土壤產沙量分別增加了71.9%,74.2%,47.7%。原因可能是隨著坡度的增加,坡面徑流沖刷能力增強,加之礫石與土壤結合處是侵蝕發(fā)生的重點區(qū)域,導致此區(qū)域土壤侵蝕嚴重,細溝出現,產沙量增加。

圖3 不同坡度下含礫石土壤中產沙量隨時間的變化趨勢

圖4 不同坡度下含礫石土壤中累計產沙量隨時間的變化

3 結論

本研究針對3個坡度下5個不同礫石含量土壤的徑流和產沙過程及坡度對其的影響進行了初步分析,得出以下結論:

(1)不同礫石含量的土壤在降雨產流后 0～20 min內坡面徑流有明顯增加的趨勢,之后趨于平穩(wěn);隨著礫石含量的增加,坡度對徑流的影響減弱。另外,累計徑流量與時間之間呈良好的線性關系。

(2)不同礫石含量的土壤產沙高峰期出現在降雨產流后0～20 min內,此產沙高峰期,5個不同礫石含量(分別為0,10%,20%,30%,40%)土壤產沙量占總產沙量的比例分別為:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%,49.3%(5°),58.2%,38.8%,57.3%,38.5%,41.9%(10°)和 40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4%(15°)。當坡度較大時,較高礫石含量的土壤在產流30 min后,產沙量又出現明顯增加的趨勢。

(3)坡度對含礫石土壤總產沙量有很大影響。尤其當坡度從 10°增加到 15°時,礫石含量為為 20%,30%,40%的土壤總產沙量顯著增加,分別增加了71.9%,74.2%,47.7%。

由于其他因素,如礫石形狀、尺寸以及坡面形態(tài)等都會影響坡面徑流和入滲,導致含礫石土壤中水土過程尤為復雜。全面深入理解該類型土壤中的水土過程還需綜合考慮以上因素的影響。

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