小流域土壤侵蝕因子初步研究

宏瑾靚

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

遼河鐵嶺段某小流域位于鐵嶺市中西部地區(qū)，是徑流鐵嶺市的主要河流，流域占地面積為16.8km2，主支流長(zhǎng)22.7km，最大坡降比為0.16m/m，海拔最大高度為872m，最低為175m。流域?yàn)槎酁榈颓鹆陞^(qū)，山坡陡峭，山體坡度在21°～35°之間，土壤類型有棕壤土、褐土和草甸土、水稻土，地質(zhì)巖層屬性以石英砂巖、泥巖和頁(yè)巖為主[1]。研究流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，多年來(lái)平均降雨量在652～820mm，且在時(shí)空上分布明顯不均勻，每年的6～9月是降雨旺季占全年的75%以上，降雨量由東南向西北逐漸減少[2]。流域內(nèi)植被類型主要有常綠闊葉林、次生針闊葉混交林，如油茶、刺槐、柑橘等，主要農(nóng)作物類型有玉米、高粱、谷子、甘薯和豆類等。隨著經(jīng)濟(jì)作物的不斷推廣和應(yīng)用，流域內(nèi)的農(nóng)耕地比例和耕作模式已發(fā)生較為顯著的改變，特別是在中下游地區(qū)更為明顯。

1 土壤侵蝕因子計(jì)算及分析

本研究于2016年8～10月在鐵嶺段某小流域進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)試驗(yàn)，主要包括土壤的抗沖強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、穩(wěn)滲率性能以及崩解強(qiáng)度試驗(yàn)的測(cè)試[3]。小流域內(nèi)土壤屬性類型較多，故本研究主要選取了紫砂土、紫泥砂土、酸性泥砂土和酸性紫沙土等具有代表性8種土質(zhì)屬性進(jìn)行試驗(yàn)研究，可覆蓋的土地面積為12.46km2，占流域的74.18%，本研究所選的土壤屬性除水稻土外基本可代表研究流域的流失土壤。為了便于統(tǒng)計(jì)和分析，本研究將含礫石量小于30%的前5種土屬稱為砂土，將含礫石量大于30%的其余3類土屬稱為礫石土。為了便于試驗(yàn)操作，選取梯田和坡耕地兩種耕作模式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試研究[4- 7]。

1.1 土壤穩(wěn)滲率指標(biāo)

利用定水壓土壤下滲法進(jìn)行土壤的穩(wěn)滲率試驗(yàn)，且所涉及的雙環(huán)滲透的內(nèi)環(huán)和外環(huán)面積分別為200cm2和400cm2。試驗(yàn)過(guò)程中水層厚度保持為5cm，環(huán)內(nèi)土層厚度為18cm，據(jù)此，可以形成一維的垂直入滲，能夠更加符合降雨入滲過(guò)程的實(shí)際情況。各土屬的穩(wěn)滲率測(cè)量時(shí)段間隔統(tǒng)一設(shè)定為90min，并分別在0、0.5、1、2、4、6、8、10、15、20、30、40、50、60、70、80min的時(shí)刻記錄水分的入滲量。采用Margrave.G.W法對(duì)入滲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，公式為ft=(co+kta)，其中a表示土壤的特性常數(shù)即土壤的初始入滲至穩(wěn)定入滲的速度，k是與土壤穩(wěn)滲率和初滲率相關(guān)的常數(shù)，土壤穩(wěn)滲率測(cè)量計(jì)算結(jié)果見表1。

本研究為了提高各土壤的穩(wěn)定入滲率的可對(duì)比性能，統(tǒng)一選用90min時(shí)的土壤入滲率作為穩(wěn)定入神率co，同時(shí)保證與實(shí)際入滲率之間的誤差不至于過(guò)大。利用Margrave.G.W入滲公式進(jìn)行砂土和礫石土進(jìn)行入滲擬合時(shí)，選用的回歸系數(shù)r均保持在0.820以上，擬合優(yōu)化性能良好。

表1 土壤的入滲率指標(biāo)測(cè)量計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算結(jié)果可知，砂土和礫石土的k值常數(shù)分別為16.021和26.815，a值系數(shù)分別為-0.1752和-0.2451，二者存在明顯的差異性。其原因可能與土壤的顆粒級(jí)配相關(guān)，礫石土相對(duì)于砂土而言其土壤顆粒級(jí)配較差，土壤的孔隙率較高并具有良好的通透性，滲透初期的含水量較低，初始滲率較高，土壤的最大持水量較少，最終導(dǎo)致礫石土的k值明顯大于砂土；砂土相對(duì)于礫石土的顆粒級(jí)配較為合理，土壤較為緊密，孔隙率較低，在滲水作用下的滲透速度較慢，土壤達(dá)到飽的速度較快，同時(shí)具有較高的持水臨界點(diǎn)，因此特性常數(shù)a的入滲曲線斜率值大于礫石土[8]。本文為了更深入的對(duì)全流域的土壤入滲參數(shù)進(jìn)行研究分析，對(duì)全流域的初滲f0.5和穩(wěn)滲f90值利用面積權(quán)重法分別進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果分別為23.122mm/min和6.485mm/min。結(jié)合鐵嶺段小流域的歷年氣象資料可知，在5min內(nèi)發(fā)生的最大降雨量為1995年僅為12.6mm，據(jù)此可知，研究流域降雨的主要產(chǎn)流方式是蓄滿產(chǎn)流。

1.2 土壤抗沖強(qiáng)度指標(biāo)

土壤在徑流水沖擊作用下的土壤顆粒產(chǎn)生分散的難易程度往往采用土壤抗沖性指標(biāo)進(jìn)行表征，即土壤抵抗水力沖擊分散的能力。土壤抗沖系數(shù)是評(píng)價(jià)土壤抗沖性的參數(shù)指標(biāo)，其基本概念是在一定水量和時(shí)間下所沖走的1g土壤量。依據(jù)蔣定生等對(duì)土壤抗沖性試驗(yàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行在一定水頭壓力下的土壤隨水流的沖擊量[9]。根據(jù)不同地區(qū)的地勢(shì)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)分別選用了5°、10°、15°、20°、25°的坡度開展研究，并且需考慮土壤層厚度的影響，對(duì)坡面土層厚度為0～10cm和20～30cm時(shí)進(jìn)行土壤的抗沖系數(shù)的測(cè)定，不同坡度和厚度條件下的土壤抗沖系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，不同土層厚度的土壤抗沖系數(shù)存在較大差異，相同坡度下的0～10cm土層厚的抗沖系數(shù)明顯大于20～30cm土層后系數(shù)，且隨著坡度的逐漸增大，二者的差距值之間減小；在相同坡度和土壤厚度條件下，礫石土的抗沖系數(shù)明顯高于砂土。

表2 不同坡度和厚度下的土壤抗沖系數(shù)單位：L·min/g

利用皮爾遜Peaeson單因子相關(guān)分析法對(duì)表2中砂土和礫石土上、下層的抗沖系數(shù)，以及不同坡度和上、下層之間的抗沖系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3利用皮爾遜單因子法對(duì)各因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果

相關(guān)系數(shù)砂土(0～10cm)砂土(20～30cm)礫石土(0～10cm)礫石土(20～30cm)坡度0.051-0.950-0.818-0.476砂土(0～10cm)—-0.036——礫石土(0～10cm)———0.816

由表3可知，土壤坡度與20～30cm厚的砂土具有明顯的相關(guān)性，而0～10cm厚的砂土的抗沖性與坡度之間的相關(guān)性不明顯僅為0.051，其原因可能與砂土中的黏粒含量較大有關(guān)，在降雨作用下土壤表面易形成結(jié)皮層，且該結(jié)皮層受坡度影響較小，層質(zhì)結(jié)構(gòu)較為密實(shí)不易被水力沖刷侵蝕。砂土受邊界條件影響，上、下層之間無(wú)明顯的相關(guān)性僅為-0.036。礫石土因具備較多的礫石，且顆粒級(jí)配不如砂土合理，且各層之間的邊界條件大致相同，故受坡度影響具有一定的相關(guān)性，砂石土質(zhì)上、下層之間的相關(guān)性較為0.816。綜上所述，小流域的坡度對(duì)土壤抗沖性能的作用影響程度并不明顯，在土壤表層遭到破壞后，則下層土壤的易侵蝕性能將明顯增加[10]。

1.3 土壤崩解強(qiáng)度指標(biāo)

土壤顆粒結(jié)構(gòu)在水力浸潤(rùn)而產(chǎn)生解體的性質(zhì)即為土壤的崩解強(qiáng)度，也可稱為土壤的抗蝕性能，它是表征土壤在降雨分解作用下結(jié)構(gòu)分解難易程度的主要指標(biāo)參數(shù)。對(duì)各個(gè)土屬樣品進(jìn)行崩解觀測(cè)的時(shí)間段為30min，時(shí)間觀測(cè)點(diǎn)分別為0、0.5、1、2、4、6、8、10、15、20、30min。根據(jù)土樣開始崩解所記錄的時(shí)刻點(diǎn)準(zhǔn)確計(jì)算土樣的崩解量，結(jié)合以上方法和基本過(guò)程對(duì)土樣進(jìn)行崩解強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知，在靜水壓力作用下土壤的上、下兩層的崩解速率分別為6.85cm3/min和4.62cm3/min，明顯低于其他區(qū)域的32.18cm3/min和25.66cm3/min。研究表明，在侵蝕性土壤在搬運(yùn)過(guò)程中不易發(fā)生崩解分離的過(guò)程，在流域溝道中所占的比重相對(duì)較高，其原因可能與河流輸沙移比小的因素相關(guān)；砂礫土雖然顆粒級(jí)配較差，但其崩解速率依舊較小，其原因可能與試驗(yàn)取樣相關(guān)，本研究的樣品取樣為5cm×5cm×5cm，樣本中含有的礫石量和比重較大，在計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生了不可忽視的誤差。

1.4 土壤抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)

土體在外力作用下如降雨沖刷、風(fēng)力侵蝕和重力作用等，具有抵抗剪切破壞而脫離母土體的性能即為土壤抗剪切強(qiáng)度。本研究采用手持式抗剪切儀分別對(duì)不同土質(zhì)和0～10cm、20～30cm厚的土層進(jìn)行多次反復(fù)的抗剪切測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 土壤抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)計(jì)算表單位：kg/cm2

由表5可知，砂土和礫石土上、下層之間均具有一定的抗剪切強(qiáng)度，且無(wú)較為明顯的差異。

2 降雨影響因子分析

系統(tǒng)內(nèi)能量過(guò)程是引起水土流失的主要驅(qū)動(dòng)力，而水土流失的物質(zhì)基礎(chǔ)是系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)過(guò)剩，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的能量和物質(zhì)過(guò)程時(shí)，極易形成水土流失現(xiàn)象。產(chǎn)生水土流失的兩個(gè)主要階段為土壤侵蝕和泥沙輸移，其中鐵嶺段小流域的土地厚度較小，降雨的入滲深度受到一定限制，壤中徑流和淺層徑流是降雨引起的主要地下徑流方式[11]。在強(qiáng)降雨作用下，土壤極易達(dá)到飽和，并引起土體容重增大。土地在地表、地下徑流共同作用下極易產(chǎn)生失穩(wěn)，并引起大量的泥土隨徑流而流失；氣象因素和下墊面因素是引起河流輸沙的主要因素，氣象因素是引起產(chǎn)沙和輸沙的動(dòng)力條件，而下墊面層是表征的流域地表?xiàng)l件。結(jié)合動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，對(duì)于歷時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度低且降雨雨量大的降雨條件，流域泥沙輸入量未必增大；而對(duì)于雨量大、歷史短但強(qiáng)度高的降雨條件，流域泥沙輸入量必然增大，對(duì)研究流域的降雨量與侵蝕模數(shù)的對(duì)比分析結(jié)果見表6。

表6 降雨量與土壤侵蝕模數(shù)的對(duì)比分析結(jié)果

由表6可知，1990年和2015年的總降雨量相差僅有14.4mm，但侵蝕性降雨量確相差較大為145.1mm，年侵蝕模數(shù)相差162.3t/a·km2，由此說(shuō)明侵蝕性降雨量與年侵蝕模數(shù)具有密切的關(guān)系；對(duì)比分析1990年和2001年的侵蝕性降雨量可知，二者相差165.6mm，而年侵蝕模數(shù)相差1036.4t/a·km2，由此說(shuō)明侵蝕性降雨歷時(shí)和強(qiáng)度是引起土壤侵蝕流失量的主要因素。

采用曲線參數(shù)估計(jì)法對(duì)輸沙量、雨強(qiáng)、洪峰、洪量以及30min雨強(qiáng)等降雨侵蝕因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，可得到線性、指數(shù)以及冪指標(biāo)擬合的相關(guān)系數(shù)，見表7。由表7可知，對(duì)于冪指數(shù)模型，分別選取30min最大雨強(qiáng)、洪峰流量、洪量、最大輸沙率的歸回模型，在置信水平為0.05時(shí)，所具有的回歸系數(shù)最大。分別為0.938和0.926，二者具有明顯的相關(guān)性。

表7 利用回歸分析法進(jìn)行各因子的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 植被和地形因子分析

結(jié)合鐵嶺段小流域在2015年的人工降雨資料，可建立坡面侵蝕模型與坡度、雨強(qiáng)、徑流量以及覆蓋率等影響因子的相關(guān)性關(guān)系，各但單因子與相關(guān)曲線類型的關(guān)系系數(shù)見表8。

表8 坡面侵蝕參數(shù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表8可知，雨強(qiáng)和降雨徑流量是引起坡面侵蝕的主要因素，二者的相關(guān)性較為明顯；而坡度與坡面侵蝕的相關(guān)性一般，坡度對(duì)坡面引起的作用程度較低，此研究理論與研究區(qū)域的地質(zhì)類型相關(guān)。植被覆蓋率與降雨侵蝕呈負(fù)相關(guān)性，其原因可能與土壤本身的團(tuán)聚性相關(guān)，植被覆蓋的影響作用不如土壤因子明顯。根據(jù)文中之前的研究成果可知，坡度對(duì)降雨侵蝕的作用較小，并表現(xiàn)為坡度對(duì)坡面侵蝕的作用不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以遼河鐵嶺段小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合相關(guān)的氣象資料開展了土壤的物理性能測(cè)試、人工降雨試驗(yàn)，得出的主要結(jié)論如下：

(1)砂土和礫石土的k值常數(shù)分別為16.021和26.815，a值系數(shù)分別為-0.1752和-0.2451，二者存在明顯的差異性。

(2)不同土層厚度的土壤抗沖系數(shù)存在較大差異，相同坡度下的0～10cm土層厚的抗沖系數(shù)明顯大于20～30cm土層后系數(shù)，且隨著坡度的逐漸增大，二者的差距值之間減小；在相同坡度和土壤厚度條件下，礫石土的抗沖系數(shù)明顯高于砂土。

(3)在侵蝕性土壤在搬運(yùn)過(guò)程中不易發(fā)生崩解分離的過(guò)程，在流域溝道中所占的比重相對(duì)較高，其原因可能與河流輸沙移比小的因素相關(guān)。

(4)侵蝕性降雨量與年侵蝕模數(shù)具有密切的關(guān)系；侵蝕性降雨歷時(shí)和強(qiáng)度是引起土壤侵蝕流失量的主要因素。