沂蒙山區棕壤土侵蝕產流產沙過程及特征

馬修京，呂 英，韓存寶

（費縣水土保持局，山東 費縣 273400）

沂蒙山區位于魯中南部，是典型的北方土石山區。地勢西北高東南低，土壤表層疏松、淺薄，且夾雜大量石礫，蓄水能力極低，土壤侵蝕嚴重，以水力侵蝕為主,屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏秋季節雨量充沛，氣候溫和，全年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫36.5℃，最低氣溫-11.1℃，年降水量849 mm，全年無霜期200 d以上。

1 試驗材料與方法

以沂蒙山區費縣的山地棕壤土為試驗土壤，取土地點為費縣薛莊鎮彩山前村。

試驗方法：采用人工模擬降雨方法。在山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室降雨大廳進行，降雨采用自動模擬降雨系統，可設定不同雨強變化范圍、降雨歷時及降雨范圍。降雨高度為20 m，降雨均勻度大于80%，雨滴降落終速可達到自然雨滴的98%以上，降雨特性接近天然降雨。采用自水平液壓邊坡鋼槽140 cm×70 cm×25 cm，設計雨強為 50 mm/h、75 mm/h、100 mm/h，試驗坡度為 5°、10°、15°、20°、25°。

泥沙樣采集與烘干：坡面產流后用帶有編號的水桶收集泥沙樣，采集時間為產流后1 min、2 min、3 min、6 min、10 min，之后每間隔 5 min 采集一次，直至降雨結束，在采集過程中避免雨水直接進入采集桶，經量測后靜置，倒掉上清液，用烘干法測干沙重。

試驗數據均采用SPSS16.0和Excel2007軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 雨強和坡度對坡面產流量的影響

坡面徑流主要受降雨強度和下墊面變化的影響，下墊面特征是由地形、土壤、地表覆蓋度等因素決定。

在相同雨強下，產流量均隨坡度的增加而減小，本文主要分析了75 mm/h雨強不同坡度下和20°坡度時不同雨強下坡面產流量的動態變化。如圖1、圖2示。

圖1 75 mm/h雨強下不同坡度產流量動態變化過程

圖2 20°坡度下不同雨強產流量動態變化過程

由圖1可以看出，在相同雨強下，坡度越大，坡面產流量越少，但不同坡度坡面產流量隨降雨歷時逐漸增大，坡面產流量均在降雨初期增加急劇，且坡度越大，增加幅度越大，25°時產流量增加速率幾乎為5°時的10倍，之后，增加較為平緩。分析原因可能為：在降雨強度一定的條件下,地表徑流量的大小主要由坡面土壤入滲特性和承雨量來決定。在每次正式試驗前，都進行了前期預降雨，使土壤水分含量基本達到飽和，故本試驗的坡面產流量大小主要取決于承雨面積，坡度越大，承雨面積越小，單位面積上降雨量減少，使產流量也越小。坡度越大，水流沿坡面向下分力越大，使加速度越大，水流速度加大，產流速度較快，進而坡度增加，產流量在降雨初期較大坡度時增加速度較快。

由圖2可知，相同坡度下，雨強越大，坡面產流量越大，且產流過程曲線表現為一定的波動性，雨強越大，產流量差異性也越明顯，雨強在100 mm/h與75 mm/h時產流量之差約為75 mm/h與50 mm/h時產流量之差的3倍。

2.2 雨強和坡度對坡面產沙率的影響

產沙過程特征是研究土壤侵蝕過程的一項重要內容，本文著重分析了75 mm/h雨強時不同坡度下和20°坡度時不同雨強下的坡面產沙率的特征曲線。如圖3、圖4示。

圖3 20°坡度下不同雨強下產沙率動態變化曲線

由圖3可知，相同坡度下，雨強越大，產沙率越大，且雨強較大時，產沙率相差幅度越大。在開始降雨后的短時間內，產沙率隨降雨歷時的增加而快速增加達到峰值。之后，隨著降雨過程的延續，產沙率隨降雨過程呈波狀起伏變化，且變化幅度不大。雨強為50 mm/h、75 mm/h條件下，坡面侵蝕產沙率分別在坡面產流后15 min、3 min達到最大值，最大產沙率分別為1.87 g/min·m2和5.20 g/min·m2。 雨強 100 mm/h條件下，坡面侵蝕產沙率在產流之后3 min內迅速增大，在第3 min達到最大值17.67 g/min·m2之后，隨著降雨過程的繼續，產沙率有減小的趨勢，在產流之后第40 min，又呈直線遞增直至降雨結束。

圖4 75 mm/h雨強時不同坡度下產沙率動態變化曲線

由圖4可知，相同雨強下，產沙率隨坡度增大而增大，在降雨初期，5個坡度下產沙率都呈跳躍式上升，且坡度越大，產沙率出現峰值時間越短，之后在一個范圍內趨于穩定，20°、25°時產沙率明顯高于 5°、10°、15°時。 分析原因可能為：坡度越大，水流沿坡面向下分力增大，使坡面方向加速度增大，致使水流速度越大，從而使水流具有更大的沖蝕力，所以在相同雨強下，坡度越大，坡面產沙率越大。

3 結語

1）徑流量隨降雨強度增加而增大、隨坡度增大而減少，在相同坡度下，100 mm/h雨強時產流量遠大于50 mm/h、75 mm/h雨強，且在大雨強、大坡度下，產流量相差幅度較大。

2）產沙率均隨降雨強度、坡度的增大而增大，且產沙率峰值出現時間也隨之提前，在降雨初期，產沙率呈跳躍式增加，之后其變化過程在一定范圍內趨于穩定。

3）大雨強、大坡度會加大產流量、產流率各自之間的差異性。同雨強條件下，產流量在25°時比5°減少約44%；同坡度條件下，50 mm/h雨強比100 mm/h減少約63%。