土壤水分入滲規(guī)律與最優(yōu)水土保持措施研究

周 淼

(江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029)

土壤入滲是降水接觸地表土壤后進入土壤，形成土壤水的過程[1]。在地下水系統(tǒng)中，通常指地下潛水層所含的水，它是大氣圈層水循環(huán)結構的一部分，也是地表和地下水文循環(huán)的重要轉換部分[2]。土壤滲透性能的好壞主要取決于土壤的致密性，較為松散的土壤層容易發(fā)生入滲現(xiàn)象。長江中上游流域江西省段降雨多，且多丘陵，地勢崎嶇，土壤侵蝕問題十分嚴重。因此，探討土壤水分入滲規(guī)律對制定最佳的水土保持措施具有重要意義。

1 試驗方法

1.1 雙環(huán)法

雙環(huán)法是現(xiàn)場測定土壤滲透系數(shù)的一種簡單方法，其試驗結果更接近實際情況[4]。在一定的水文地質(zhì)邊界條件下，以穩(wěn)定入滲水量將水注入地表土壤，即當單位時間的入滲水量近似相等時，利用達西定律計算滲透系數(shù)K值。如圖1所示。

圖1 雙環(huán)法試驗剖面示意圖

將雙環(huán)同心壓入試驗坑底部中心，以內(nèi)外環(huán)底部的水平標尺為基準，將內(nèi)外環(huán)的首部浸入水中，此時，利用內(nèi)外環(huán)的供水桶同時供水，保持水頭水平穩(wěn)定[5]。通過這個操作可以判斷出，內(nèi)環(huán)與外環(huán)相互滲透的水主要來源于橫向擴散，但是僅滲入內(nèi)環(huán)內(nèi)的水分主要來源于垂直滲透。此時，通過讀取供水桶中的供水量來記錄數(shù)據(jù)，在記錄剛開始時，因為初期的滲透量較大，應該盡量縮短監(jiān)測間隔。而后，慢慢調(diào)整監(jiān)測時間間隔。

1.2 人工降雨試驗

結合當?shù)氐淖匀唤涤陾l件，通過人工搭建設備在研究區(qū)內(nèi)進行仿真降雨[6]。通過構造出不同的降雨強度，來探究研究區(qū)的降雨-徑流過程，并分析土壤入滲過程。利用人工降雨和實測徑流資料計算入滲率曲線時，降雨徑流與入滲的關系式如下[7]：

R=P-F-Vd-Da-Is

式中，R—地表徑流量;P—為降雨量;F—蒸發(fā)量;Vd—洼地積水量;Da—地表滯水量;Is—植物截留量。

本文使用了便于攜帶和安裝的人工降雨簡易裝置來模擬自然條件下的降雨，此設備主要分為供水設備、降雨設備以及試驗監(jiān)測設備三部分。降雨模擬控制器可以調(diào)控各種不同雨強的降雨量。通過供水設備開關，可以調(diào)控降雨的時長。本次試驗選擇了相同下墊面和地形條件的兩個試驗田進行不同雨強的降雨試驗。人工降雨試驗可以結合自己的研究時間和研究需要，來調(diào)整雨強、落差高度和雨點的大小，大大節(jié)省了試驗的成本。土壤物理性質(zhì)指標見表1。

表1 土壤物理性質(zhì)指標

本次試驗的具體步驟如下[8]：

(1)選擇試驗區(qū)。對自然研究區(qū)的土地進行清理與平整，清除雜草和植被，測量研究區(qū)域。

(2)開挖隔離溝并在邊坡兩側埋設隔離布，使其具有防滲減阻作用。

(3)設置降雨設施。首先在邊坡兩側進行放線測量，標出降雨支架的安裝位置，然后在標記點固定地錨，組裝降雨支架。根據(jù)降雨支護的位置，采用PPR管建立降雨水路。然后安裝測量儀器。

(4)數(shù)據(jù)監(jiān)測。從降雨試驗開始，定期采集數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)幾乎沒有變化時停止監(jiān)測。進行多組實驗。

2 結果分析

2.1 雙環(huán)法

圖2 不同坡度的雙環(huán)法實驗結果

坡度對于土壤侵蝕以及土壤入滲率的影響很大。由試驗可以看出，坡度小的坡面初期的土壤入滲率較高，在100min之前土壤入滲的下降幅度較大。當土體下滲水量逐漸達到飽和狀態(tài)時，即150min后入滲率趨于平穩(wěn)。坡度較大的45°坡面，由于降雨時，坡面集水條件比15°坡面差，初期的入滲率也比15°坡面的低。同樣，在150min前，15°坡面入滲率下降速率較高；150min后，15°坡面與45°坡面的入滲率幾乎重合。二者在250min后均即將達到飽和狀態(tài)。最終達到平衡飽和狀態(tài)時的穩(wěn)定入滲速率分別為0.36、0.39mn/min，如圖2所示。

2.2 人工降雨試驗

本次試驗設置了“小雨”和“大雨”兩種雨型來研究降雨強度對土壤入滲的影響。

圖3 不同雨強的入滲率變化

試驗結果表明，在水分入滲初期，土體含水量較低，空間較為松散，空隙較大，降雨入滲較為順利。初期雨量強度越高，入滲速度越快，“大雨”入滲率在初期就達到了8.23mm/min，但是由于入滲量快速增加，水土體飽和進程明顯加快，“大雨”的降雨入滲率下降速率較高。在雨強較小的情況下，由于下滲中的雨水受到土壤間隙的孔隙力和水分的表面張力作用，在一個個細小空隙中形成了一層天然水隔膜，暫時阻隔了雨水下滲，下滲會被減緩，下滲率的降低速率較小。隨著下滲雨量的累積，下滲水壓力逐漸增大，打開了雨水進入土壤空隙的通道，入滲率隨之出現(xiàn)快速降低的趨勢。最終，“小雨”與大“大雨”都在130min后逐漸趨于穩(wěn)定，下滲率分別穩(wěn)定在0.45mm/min和0.47mm/min，如圖3所示。

3 水土保持最優(yōu)方案

水土流失是造成生態(tài)環(huán)境惡化的關鍵性影響因子，對水土流失進行科學、準確的評價可為水土流失治理和水土保持規(guī)劃提供一定的科學依據(jù)[9]。人們在選擇水土流失防治措施時，主要是通過改變或改善該地區(qū)的地形、地貌和地表覆蓋物類型來控制水土流失的速度[10]。水土保持生態(tài)建設是指在區(qū)域范圍內(nèi)采用常規(guī)的水土流失干預方法，有助于水土保持系統(tǒng)自身的恢復，使水土流失得到妥善控制，促進生態(tài)系統(tǒng)的正常恢復[11]。在這種要求下，研究人員應該更加強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復能力，通過少量的人為調(diào)控，使生態(tài)系統(tǒng)能夠更好地自我修復，實現(xiàn)人與自然的互促互進、和諧相處。

3.1 工程防治措施

坡向梯田(或梯田)：梯田(或梯田)可用于坡度在25°以下的厚土層坡地。將坡面進行平整，按照生態(tài)覆綠的原則，改變原本較為陡峭的地形，降低坡度，再結合山脊的支撐作用，可以有效地降低土壤的侵蝕性。

坡水系統(tǒng)：在農(nóng)業(yè)開荒的過程中，為了使表面土壤能被保護和合理利用，大量減少水土流失，保持土壤長久的肥力，可以修建梯田。同時，應修建相應的截排水工程，使得開墾的土地擁有蓄水、排水、積淤等作用，防止淤泥流入其他區(qū)域。

河道治理：水土流失會造成泥沙進入河流，堵塞河道，產(chǎn)生下游水庫淤積[12]。應采取護岸、沙壩工程以及植物根群壩生態(tài)工程等，對河流兩岸進行加固。植物根群壩具有良好的抓地力，不僅可以防止河道兩岸的水土流失，還能起到綠化河道、防止河道兩岸坍塌等作用。工程應盡量減小對原地貌、植被及土地的破壞[13]。

3.2 耕作治理措施

通過對地區(qū)土壤入滲規(guī)律的分析，根據(jù)江西省水土保持質(zhì)量水平，可分為重點保護、重點維護進行治理和恢復，對不同質(zhì)量的耕地應采取差異化利用和保護措施。將重點保護的耕地地區(qū)劃分為永久保護區(qū)，防止區(qū)域水土流失帶來的土壤肥力流失。任何人類工程項目不得侵占此類保護區(qū)域土地。還可以對該區(qū)域的土壤進行定期施肥來提高土壤肥力。此外，在集中耕作的地區(qū)也應該給綠化性植被留有足夠的生長空間，達到多物種協(xié)調(diào)配合的效果。

3.3 整體規(guī)劃治理

在江西省境內(nèi)，要大力推行25°以上山地退耕還林。25°以上的坡地為不利于耕種區(qū)域，長期耕作會加速水土流失的速度。在此區(qū)域的荒地上建設水土保持林，增加植被覆蓋度，減少因降雨帶來的地表沖刷，通過植被根群的天然沙壩作用，進行水土保持治理，加強河道水資源的管理[14]。在受侵蝕較為嚴重的溝谷，應該科學地規(guī)劃建設攔沙壩，防止水土外流。減少河道內(nèi)的污染物排放，防止因為人類污染造成的河道兩岸植被退化。由于微度水土流失區(qū)分布范圍廣、自然形態(tài)復雜，極易遭受環(huán)境破壞或人為干擾，其治理方向應是增加植被覆蓋度、避免惡化態(tài)勢[15]。

4 結論

本文利用雙環(huán)法和人工降雨試驗法分別探究了長江流域江西省段不同坡度和不同雨強對土壤水分入滲的影響。

(1)15°坡面在初期的入滲率遠大于45°坡面，但在150min后，兩者的入滲率幾乎持平。15°坡的入滲速率下降較塊，二者在250min左右的時間節(jié)點上的入滲水分趨于飽和。

(2)“大雨”的入滲率在130min之前時始終高于“小雨”，兩者在130min時，入滲率變?yōu)橄嗟取?30～250min的變化率較為平緩，下滲率分別穩(wěn)定在0.45、0.47mm/min。

本文設計的入滲試驗選取了兩個不同坡度和兩個不同雨型進行研究，得出了適用于該地區(qū)的土壤水分入滲規(guī)律，而研究區(qū)實際情況比該設計復雜。在今后的研究中，還應該引入不同下墊面和不同植被覆蓋等因素，進行全面分析。