降雨滲流及泥石流啟動研究綜述

郭元軍　呂映霞

摘要：從降雨入滲與產流問題研究的角度出發，闡述了國內外有關降雨入滲與產流的經驗模型；總結了降雨入滲與產流的影響因素一一土壤性質、土壤初始含水率、坡度和降雨強度；探討了泥石流源區土體的降雨滲流特點及其與泥石流啟動的關系；并對現有研究存在的不足和后續研究方向進行討論。

關鍵詞：降雨；入滲；產流；泥石流啟動

降雨-入滲-產流是一個環環相扣、緊密聯系的過程，認識這一過程的發生和發展規律對于防治土壤侵蝕、保持水土具有重要意義。圍繞坡地降雨入滲與產流問題，學者對此問題的影響因素、機理及模擬等方面取得許多重要成果。但多以生態環境建設和農業可持續發展為目的。而對泥石流源區土體的入滲與產流變化規律及其與泥石流啟動關系的研究較少。泥石流是一種突發性水土流失方式，常發生于山區。目前，有關泥石流源區的降雨滲流規律的研究多以云南東川蔣家溝泥石流典型為研究對象。本文在總結前人研究成果的基礎上，歸納了國內外有關降雨入滲與產流的經驗模型、影響因素，對降雨滲流與泥石流啟動關系的問題進行初步探討，以期為在這方面的深入研究提供一些有價值的信息。

一、降雨入滲與產流的經驗模型

降雨入滲過程實質上是非飽和土壤水分的運動過程，產流研究的是流域內降雨轉化成徑流的過程，兩者屬于滲流理論范疇。自1856年法國工程師Darcy提出達西定律以來的一個多世紀里，基于單點降雨滲流和坡地產流過程的野外觀測和試驗研究，學者提出了多種重要的滲流理論和應用模型，如Richards方程、Gree-Ampt方程、Horton方程、Kostiakov方程、Philip方程、Freeze坡地水文數學模型、M.Hly和J.Mis的坡面產流模型、SCS模型和LCM模型等。理想的模型能結合各種影響因素來描述和反映復雜的入滲與產流過程。經驗證，這些方程能適用于不同的地區，對土壤入滲與產流機理坐了很好的闡釋。在此不一一贅述，下面，主要看看這些方程模型國內應用情況。

土壤入滲速率于時間關系的著名數學表達式有Kostiakov雙曲線和Horton逆指數方程，但應用這兩個公式在黃土高原實測擬合結果不甚理想。蔣定生綜合大量野外實測資料，提出描述黃土高原土壤在積水條件下的入滲公式：

f=f_c+（f_l-f_c）/t^α

式中f為時間t時的瞬時入滲速率（毫米/分）；f_c為土壤穩定入滲速率（毫米/分）；f₁第1分鐘末土壤的入滲速率（毫米/分）；t為時間（分鐘）；α為常數（值介于0.863和2.567之間）。

此公式物理意義明確，但該公式是在積水條件下求得，與實際降雨條件還有一定的差異。方正三在Kostlakov公式的基礎上，提出描述黃土高原的入滲過程的公式：

K_t=K+K_l/t^a

式中Kt為時間t時的瞬時入滲速率（毫米/分）；K_l第1個單位時間的瞬時入滲速率（毫米/分）；K、a為常數。

此方程是對Kostiakov方程在垂直入滲情況下的修正，如果與KoStl&kov方程結合使用，可更好的說明土壤的初始入滲率和穩定入滲率的關系。此觀點得到后續研究證實：康紹忠對敖包小流域實測數據擬合分析認為，在入滲不同階段各公式擬合效果不同，瞬變階段（0-10分鐘），Kostiakov公式擬合最好，漸變階段（10-70分鐘），通用經驗擬合最好，在穩定階段，通用公式與Horton擬合最好。史世斌等在同一研究區域的研究表明，天然草地對Kostlakov公式和通用公式擬合較好，相關系數分別為0.9605和0.980l：人工草地對通用公式和指數公式擬合較好，相關系數分別為0.9539和0.987。王建、林代杰等還驗證了Kostlakov方程能較好模擬陜西延安、四川盆地西緣的不同土地利用類型土壤水分入滲過程。

二、影響降雨入滲與產流的因素

天然降雨條件下的入滲與產流較積水條件下的滲流更為復雜。土壤在天然降雨條件下，其表面遭到雨滴的打擊破壞，降雨入滲時，產流之前，地面并無水層覆蓋，是一種無壓入滲。因而，對于天然降雨條件下的滲流研究要考慮水分受到地形地貌、下墊面的綜合影響。近年來，我國學者開展了這一領域的研究，取得寶貴的研究成果。

1.土壤性質。土壤系一多孔介質，當水流在其中運動時，無疑要受到土壤的孔隙狀況、質地、容重等土壤物理性質的影響。土壤飽和重量含水量隨容重的增加而減小，與容重成反比關系，飽和導水率隨著容重的增加呈現冪函數形式遞減。土壤容重與穩滲速率和產流歷時分別呈指數函數關系。土壤容重越小，土壤入滲速率越大，產流歷時越晚；降雨過程中雨滴對地表的打擊使得土壤趨于緊實，容重增加，細小顆粒堵塞土壤孔隙，土壤入滲速率減小，地表產流提前。

2.土壤初始含水率

目前，關于初始含水率對入滲的影響研究基本上是以土壤含水率均勻分布的前提，土壤初始含水率主要影響入滲速率。早期研究認為，土壤初始含水率高，土壤入滲速率低，并隨著時間的延續，初始含水率的影響變小，最終可予忽略。后期學者進一步討論后，認為土壤初始含水率主要影響非穩滲流階段的入滲率，土壤平均入滲速率與含水率呈顯著負相關線性關系。不同下墊面也有不同，如裸地的產流時間隨初始含水率的增加減少得最快。

3.坡度

對于坡度與入滲產流的共識是隨著坡度的增大，穩滲速率降低，入滲水量減少，超滲產流提前，產流歷時減少。但可能由于分析方法和試驗條件的不同，不同學者得到不同的函數關系。吳發啟、蔣定生認為，坡面產流歷時與坡度呈指數關系：衛喜國則認為坡面產流歷時與坡度呈對數關系。

4.降雨強度

降雨強度對土壤入滲速率的影響，可以從入滲水體的受力情況來分析。土壤孔隙中的水流主要受水體自重力、毛管吸力、地表水層壓力、雨滴打擊對入滲水體的沖力。在入滲速率達到穩定階段，水體自重力和地表水層壓力加大可導致入滲速率增大：雨滴打擊力不僅加速入滲水流的運動速度，還使得部分靜止在土壤中的毛管水加入到入滲水流中。降雨強度的增大會使得土壤的入滲率增大，產流歷時提前，但土壤的入滲率存在一個極限入滲率，且達到此值后，隨著降雨強度的增大，土壤的入滲率有下降趨勢。

三、降雨滲流與泥石流啟動關系

在泥石流形成啟動過程中，水源、物源和地形地貌這3大條件缺一不可，單靠某一指標并不能判斷泥石流的啟動和劃分其等級。滲流理論的研究將降雨、土體與地形融為一體，研究地表水在轉為地下水的過程中，滲流變化與泥石流侵蝕啟動的關系。同時。滲流過程也是泥石流形成全過程中不可缺少的一個子過程，滲透規律是聯系源區降雨和泥石流啟動的紐帶。因此，在泥石流多發區，研究降雨滲流變化規律與發展趨勢及滲流臨界值對于掌握泥石流的啟動和制定預報模式具有重要的作用。

我國在這一方面的研究尚處于初始階段，目前已積累了部分有價值的研究成果，主要以云南東川蔣家溝的泥石流啟動與滲流關系的研究為主。王裕宜等選取蔣家溝泥石流形成區角礫土的細顆粒部分進行室內的滲透試驗，測定不同空隙率的滲透系數并得出滲透系數與空隙率呈極顯著相關的，95%置信區間，相關系數介于0.8103與0.9992之間，將滲透系數換算得到的泥石流始發臨界雨強為Ri10=4.84mm，這與實際所觀測的泥石流始發雨強想接近，由此認為滲透系數實驗對于探求泥石流啟動的組合要素預報模式具有實際意義。

陳寧生和張軍選擇云南蔣家溝之溝——大凹子溝的弱固結坡積物坡面做徑流產流實驗，得出泥石流源區礫石土的穩定下滲率為0.13mm/min，發現利用Horton方程擬合建立的滲透方程可較好地反映實際滲透過程，以觀測值進行對比闡述了超滲產流分析在泥石流形成和流量匯集中的重要性。

在泥石流源區，對不同利用類型的土地進行原位土體滲透試驗，不同上限粒徑的流變參數不一，寬級配礫石土體的滲透特殊性在于：水的滲流不是一般的水體運移，而是水和土體中的細顆粒一起在土體中運移，斜坡土體細粒含量對斜坡破壞模式和坡面產流的形成有重要作用。

綜上所述，泥石流源區土體的滲流特點、滲透過程對于探討泥石流形成啟動有重要意義。各種滲透指標如滲透系數、穩滲率和產流歷時能反映泥石流侵蝕啟動的條件。因地制宜的了解泥石流源區的滲透過程，擬合出最有效的計算公式，制定最佳的泥石流啟動預報模式，是未來該領域研究的重點內容之一。

四、結論與討論

本文綜述了坡地條件下的入滲產流過程及泥石流啟動的滲透規律。目前，關于降雨入滲的研究，盡管已提出許多理論和入滲公式，但僅少數是建立在土壤非均一、有結皮，甚至是下墊面水平或積水等條件之上，離自然界真實現象尚有一段距離。我國學者大多從水文學和水土保持角度出發，研究水土保持措施對降雨入滲產流的影響，其研究方法多偏重于人工降雨試驗，降雨強度和過程與野外相差很大，研究的入滲量、產流量為整個坡面的，沒有反映兩者沿坡的變化。因此，未來對降雨入滲產流研究或許可以轉向非均質土壤問題的研究：研究人工模擬降雨下變雨強對滲流的影響，使模擬降雨更接近自然真實狀態：注重坡面入滲、土壤水分運動和產流的內在聯系：研究范圍可擴大至泥石流、滑坡等領域。泥石流源區土體特點各異，研究不同地點的泥石流源區入滲規律，進行比較分析和綜合，點面結合，為災害區劃和預報預測提供依據。