不同人工降雨和坡度條件下區域產流產沙變化特征影響試驗研究

苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

土壤侵蝕已經影響區域社會和農業持續發展的的熱點和焦點問題，不但會使得土地治理呈現明顯退化，還成為區域面源污染負荷的主要來源之一[1]。國內許多學者對區域水土流失進行了大量研究[2- 8]，各研究均表明不同土壤類型下坡面產流產沙特征差異程度十分明顯，與降雨強度、坡度以及土壤質地關系密切。近年來，降水條件和雨強對區域土壤侵蝕影響的研究均是相對于單一要素進行分析[9- 15]，而進行雨強和坡度系統分析的研究還較少。為此本文結合室外人工降雨試驗，對坡度、雨強、土壤類型下的產流產沙差異特征進行試驗分析，并結合試驗數據擬合不同土壤類型下產流、產沙總量與雨強和坡度的相關方程。研究成果對于探討不同土壤類型下的區域土壤侵蝕特征具有重要的意義，并且可為區域水土流失治理提供相應的科學支撐。

1 試驗方案設計

1.1 試驗設計

室外人工降雨試驗場地位于遼寧西部某水土保持試驗區，結合人工移動降雨設備進行不同雨強的控制，降雨有效滴落的高度控制在4m，有效降水面積為12m2，采用可以升降的試驗鋼槽進行雨強的調節，頂部坡度的調節范圍在0°～15°之間，試驗場景如圖1所示。水土保持試驗區坡度分別為4°、6°、8°、10°。通過數據分析區域雨強最大值75mm/h，因此選取20、40、60、80mm/h進行人工降水重復試驗，共進行30組試驗。

圖1 人工降雨試驗場景

1.2 試驗流程

水土流失試驗區內的土壤主要為潮土和壤土，兩種試驗土壤的主要質地見表1。為最大程度模擬天然狀態下的土壤侵蝕，每次試驗后進行土層回填，回填的深度低于25cm，為了保持土壤的滲透性能，在試驗土壤的底部設置25cm的過濾篩土層。結合含沙量測定儀對土壤侵蝕量進行測定，每組試驗數據為10個。在降水前期設置表層土壤含水量為15～20cm，采用翻斗式雨量計對其降雨量進行測定。結合三角堰的方式對試驗區坡面產流量進行測定，結合試驗時間推算其總的產流量。產沙量主要通過試驗測定的產流量和含水量進行計算。

2 試驗結果討論

2.1 不同雨強條件下土壤產流時間特征

不同降水條件對各類型土壤下的初始產流影響不同，為此對各坡度下4種降雨條件下的初始產流時間進行試驗分析，分析結果見表1。

表1 不同降水條件下的土壤初始產流時間對比結果 單位：s

從表1中可看出，同一坡度下隨著降雨強度的增加，其初始產流時間逐步縮短，而同樣在同一降雨強度下，隨著坡度的增加不同土壤類型的初始產流時間也同樣縮短。降雨強度和坡度均對各土壤類型的初始產流時間產生正向影響。在相同降雨和坡度條件下，壤土的總體初始產流時間均要高于潮土，這種由于潮土表面土層顆粒較為緊實，因此下滲率較小，影響降雨滲透。而壤土在降雨過程中，其表面較易形成干裂結皮，可有效增加降水下滲量，使得其初始產流時間要高于潮土。在同一坡度條件下，降雨強度越高，其區域能接收的降水量也相應較大，因此其初始產流時間受到降雨強度遞增影響，其產流初始時間呈現遞減變化。

2.2 不同雨強條件下土壤產流量特征

結合人工降雨試驗，分析不同降雨強度和坡度條件下區域各類型土壤的產流量差異變化特征，試驗分析結果見表2及圖2。

從表2的試驗結果可看出，在同一降雨強度和坡度條件下，壤土的產流量總體高于潮土，40mm/h降雨強度下壤土和潮土的產流變化最為明顯，壤土的產流可達到潮土產流量的1.3～2.1倍，坡度最高時兩種土壤類型的產流差異有所減小，當雨強達到最大時，兩種土壤類型下的

表2 不同雨強和坡度下的土壤產流差異特征分析 單位：L

產流總量的差異特征達到最小值。這主要是因為壤土的顆粒含量較小，土壤含水結構層穩定性較弱，因此滲透量總體較低，其降水基本以坡面產流的方式快速排出。在降雨強度和坡度均較小時，壤土的滲透水量也高于潮土。總體上，隨著降雨強度的遞增，各土壤類型的滲透水量逐步趨于相同，在40mm/h降雨強度4°和6°下壤土的產流總量明顯高于潮土。從圖2的試驗結果可看出，隨著降雨強度的增加，各坡度下的兩種土壤類型的產流差異性逐步加大。在產流初期兩種土壤的產流關系較為復雜，隨著產流時間的增加，兩種土壤類型產流差異增幅加大，而當降雨強度增加到60、80mm/h時，兩種土壤類型的差異特征有減小的變化趨勢。當坡度較低時，潮土表層有結皮使得其下滲水量減少。當降雨強度增加到80mm/h后，坡度為6°下壤土隨產流時間遞增的差異性要高于潮土。隨著坡度的遞增，潮土和壤土產流差異變幅呈現先遞增后減小的變化趨勢，這主要是因為隨著降雨強度和坡度的加大，土壤表層產流特征明顯。

2.3 不同雨強條件下土壤產沙量特征

結合人工降雨試驗，分析不同降雨強度和坡度條件下區域各類型土壤的產沙量差異變化特征，試驗分析結果見表3及圖3。

表3 不同雨強和坡度下的土壤產沙差異特征分析 單位：kg/m3

從表3的試驗結果可看出，隨著降雨強度和坡度的增加，試驗區內兩種土壤類型的產沙量呈現較為明顯的遞增變化，壤土的產沙總量總體高于潮土的產沙總量。在降雨強度和坡度較小時，潮土和壤土表面產流差異特征明顯，潮土的水土流失主要以降雨濺蝕為主，而壤土主要受到降雨沖刷影響為主。當降雨強度達到80mm/h時，壤土的產沙量隨著坡度的增加，呈現先遞增后減小的變化，而后與潮土的產沙差異性加大。當坡度低于6°時兩種土壤的產沙差異性較弱，這主要是因為降雨強度和坡度條件下對土壤侵蝕能力影響程度不同，降雨強度較大，潮土和壤土對土壤表層顆粒的沖刷作用較為明顯，而土壤表層具有一定的抗沖刷能力，因此對表層土壤顆粒沖刷影響較弱。而隨著坡度的遞增，水流的動力作用加強，不同坡度條件下的土壤侵蝕能力增加，同時由于降雨強度的增加，由于作用疊加效應，土壤侵蝕逐步增加。從圖3中可看出，在40mm/h降雨強度，坡度為6°的條件下，壤土的含沙量遞增較為顯著，坡面出現明顯的細溝侵蝕特征的變化，降雨初期的含沙量較大，隨著時間的變化，含沙量呈現明顯的遞減，在產流后期，含沙量逐步趨于穩定變化。降雨強度為40mm/h兩種土壤類型差異較60mm/h雨強要大，這表明40mm/h降雨強度下壤土出現細溝侵蝕現象，土壤顆粒呈現團狀，使得各土壤類型下土壤侵蝕量呈現急劇變化。當坡度增加到10°后，降雨對壤土的沖蝕作用要高于潮土，在土壤表層的較容易形成溝壑，使得壤土的含沙量高于潮土。當降雨強度增加到80mm/h后其雨強變化較為一致。

圖2 不同降雨強度和坡度條件下各類型土壤產流特征分析

圖3 不同降雨強度和坡度條件下各類型土壤產沙特征分析

2.4 降水條件和坡度對產流產沙綜合影響

結合不同降雨強度和坡度下的產流產沙試驗數據進行回歸統計，建立各土壤類型產流產沙的相關回歸方程，結果見表4。

表4 各土壤類型下產流產沙與坡度和雨強相關方程

注：θ表示為坡度(°)；I表示為降雨強度(mm/h)。

通過對建立的潮土和壤土回歸方程進行分析，各回歸方程的相關系數均在0.7以上，其中產流方程的相關系數總體高于產沙方程的相關系數。結合統計顯著性對各回歸方程進行分析，結果表明各方程在0.05水平下的顯著性水平較高，結合相同坡度和降雨強度下的分析表明，降雨強度對產流和產沙的影響程度總體高于坡度，且對產流影響特征較為明顯。這主要是因為各土壤類型下產流受到降雨強度和坡度影響外，受到土壤質地影響程度較弱，而對于產沙條件而言，其產沙量除受到降雨強度和坡度的影響外，還受到土壤質地影響，而土壤質地影響的關鍵在于土壤侵蝕因子，土壤侵蝕因子是區域產沙量影響的重要關鍵參數，因此相比于產流而言，各土壤類型下的產沙對于降雨強度和坡度影響的顯著性要低于產流影響。結合建立的不同土壤類型下產流和產沙相關方程，可實現區域各土壤類型下的產流、產沙量的簡單換算。

3 試驗結論

(1)在同一降水強度下，隨著坡度增加土壤類型對初始產流時間的影響逐步減弱，40mm/h10°坡、60mm/h8°坡各類型土壤坡產流量隨著降水時間的變化差異度明顯減弱。

(2)壤土在產流初始的10min內含沙量較大，隨后逐步遞減并趨于穩定，而潮土含沙量變化規律不明顯，壤土表層細溝侵蝕較為嚴重，集中于坡面中下區域，潮土表面易形成溝壑，細溝侵蝕程度較小。

(3)建立的產流產沙回歸方程可方便水土保持區域規劃設計參數的計算，也可為其他類型土壤回歸方程建立提高范例。

(4)本文在產沙影響中未能涉及土壤侵蝕因子的影響，以后還需結合土壤侵蝕因子的影響進行重點研究。