淮北平原砂姜黑土區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律試驗(yàn)?zāi)M

（水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 引言

土壤侵蝕是指地面土壤及其母質(zhì)在水力、重力、風(fēng)力等作用和自然、人為因素影響下，產(chǎn)生剝蝕、分離、搬運(yùn)和沉淀的現(xiàn)象，已經(jīng)引起世界性的廣泛關(guān)注[1]。通常來(lái)說(shuō)，土壤侵蝕是社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和自然因素共同作用的結(jié)果[2]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，淮北平原區(qū)水土流失面積達(dá)470.8km2，砂姜黑土面積占比為54%，土壤侵蝕比較嚴(yán)重，而國(guó)內(nèi)研究淮北平原砂姜黑土土壤侵蝕較少。因此，本文以淮北平原砂姜黑土為例，采用室外人工模擬降雨方法研究不同坡度不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，對(duì)于開(kāi)展淮北平原區(qū)土壤侵蝕的防治及治理和水土保持具有一定的意義和作用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備為QYJY-503 人工模擬降雨系統(tǒng)，有效降雨高度為6m，80%以上均勻度。試驗(yàn)土槽為安裝液壓裝置鋼槽，可調(diào)節(jié)0～20°坡度，規(guī)格為8m×4m×2m，鋼槽頂部出水端設(shè)有集水孔，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3 個(gè)坡度（5°、10°、15°），3 個(gè)雨強(qiáng)（40mm/h、60mm/h、80mm/h），降雨時(shí)間為產(chǎn)流后60min，每個(gè)處理重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行計(jì)算和分析。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)用土采自五道溝水文實(shí)驗(yàn)站典型砂姜黑土，其中土壤顆粒分布：粉粒（0.001～0.01mm）的含量占35%，砂粒（0.01～1.0mm）的含量占65%（取土深度為0.0～0.2cm）取土后分層回填，不進(jìn)行過(guò)篩操作，并讓其自然密實(shí)。先標(biāo)定泥沙測(cè)量傳感器，取足量的實(shí)驗(yàn)土壤進(jìn)行人為烘干，土壤烘干后，碾成粉末狀，然后將已經(jīng)安裝傳感器的三角堰堰口進(jìn)行封堵，禁止水流出，根據(jù)三角堰結(jié)構(gòu)計(jì)算出等量水位的水量，加入適量的水，再加入步長(zhǎng)為5g/L 粉末土，直至溶液濃度達(dá)到50g/L，一個(gè)步長(zhǎng)為一組，每組測(cè)量至少三個(gè)數(shù)據(jù)，求平均值，并擬合出泥沙濃度與感光度曲線，得出的泥沙傳感器誤差在5%以下，整個(gè)測(cè)量過(guò)程要始終進(jìn)行攪拌，不讓泥沙沉淀。壓力水位傳感器通過(guò)標(biāo)定，誤差小于0.1mm。預(yù)降雨前先用塑料薄膜覆蓋試驗(yàn)小區(qū)，在薄膜上面均勻擺放500mL的盛雨器，按1m×1m 矩形擺放，降雨時(shí)間5min 后，計(jì)算出降雨強(qiáng)度，保證降雨強(qiáng)度誤差在2mm 以內(nèi)，然后開(kāi)始正式降雨試驗(yàn)，降雨開(kāi)始后，記錄產(chǎn)流時(shí)間，徑流和泥沙含量傳感器每隔3min 測(cè)量一次水位與泥沙含量值，降雨歷時(shí)為產(chǎn)流后60min，降雨結(jié)束后，通過(guò)測(cè)量的水位值計(jì)算出產(chǎn)流量，由產(chǎn)流量和泥沙含量計(jì)算出產(chǎn)沙量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同雨強(qiáng)條件下坡度對(duì)坡面產(chǎn)流過(guò)程影響

由圖1 看出，在產(chǎn)流后9min 內(nèi)隨降雨時(shí)間變化產(chǎn)流量快速增大，然后緩慢增大直至平穩(wěn)，其中5°40mm/h 差異較大，隨時(shí)間變化產(chǎn)流量增大，其主要原因是雨強(qiáng)、坡度較小時(shí)，隨時(shí)間的推移，入滲量漸漸減小，徑流量漸漸增大，使產(chǎn)流量呈增大趨勢(shì)。40mm/h 雨強(qiáng)產(chǎn)流量隨坡度的增大而增大，10°較5°增大33.3%，15°產(chǎn)流量較10°增大9.2%；雨強(qiáng)為60mm/h 時(shí)，10°產(chǎn)流量較5°增大10.1%，15°和10°產(chǎn)流量基本相同，雨強(qiáng)80mm/h，10°產(chǎn)流量較5°增大16.9%，15°產(chǎn)流量和10°產(chǎn)流量基本相同。不同雨強(qiáng)下，相同坡長(zhǎng)、坡度單位時(shí)間單位面積內(nèi)接受的雨量隨雨強(qiáng)增大而增大，產(chǎn)流量也隨之增大[3]。當(dāng)雨強(qiáng)超過(guò)60mm/h，坡度大于10°時(shí)，相同雨強(qiáng)下產(chǎn)流量隨坡度的增大而基本相同，主要原因是徑流流速隨坡度增大而增大，但承雨面積隨之減小，二者相互抵消，使產(chǎn)流量基本相同。

3.2 不同雨強(qiáng)條件下坡度對(duì)坡面產(chǎn)沙過(guò)程影響

由圖2 看出，雨強(qiáng)為40mm/h，不同坡度產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化整體呈上升趨勢(shì)，其中5°、10°產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，15°波動(dòng)較大。雨強(qiáng)為60mm/h，5°產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化緩慢增長(zhǎng)后穩(wěn)定在270～300g左右；60mm/h、80mm/h 雨強(qiáng)在 10°、15°時(shí)，產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化整體呈先快速上升后波動(dòng)下降趨勢(shì)，變化趨勢(shì)基本相同；60mm/h 雨強(qiáng)時(shí)10°、15°都是在9min 內(nèi)快速增長(zhǎng)，9min 后有一定的波動(dòng)，18min達(dá)到最大值分別為1106g、1403g， 18min 后波動(dòng)下降，15°較10°波動(dòng)較大，其中10°產(chǎn)沙量48min 后基本穩(wěn)定在605～640g；雨強(qiáng)為80mm/h，5°產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化緩慢增長(zhǎng)后穩(wěn)定在480～510g，10°產(chǎn)沙量6min 內(nèi)快速增長(zhǎng)到1093g，15min 增長(zhǎng)到最大值1856g，15min 后開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)下降，54min 后基本穩(wěn)定在1100～1140g，15°產(chǎn)沙量從3min456g 快速增長(zhǎng)為6min2360g，6min 后波動(dòng)下降，波動(dòng)幅度較大。

圖1 不同坡度下降雨時(shí)間對(duì)產(chǎn)流量影響圖

圖2 不同坡度下降雨時(shí)間對(duì)產(chǎn)沙量影響圖

圖3 累計(jì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降雨時(shí)間擬合曲線圖

表1 累計(jì)產(chǎn)流量與降雨時(shí)間回歸分析結(jié)果表

表2 累計(jì)產(chǎn)沙量與降雨時(shí)間回歸分析結(jié)果表

40mm/h 雨強(qiáng)，產(chǎn)沙量隨坡度的增大緩慢增大；雨強(qiáng)60mm/h、80mm/h 時(shí)，5°產(chǎn)沙量隨坡度的增大緩慢增大，10°、15°產(chǎn)沙量隨坡度增大快速增大，其中雨強(qiáng)80mm/h 時(shí)10°、15°在降雨后期產(chǎn)沙量相近。主要原因是在較小雨強(qiáng)下，坡面侵蝕形式以濺蝕為主，在 15°坡面上出現(xiàn)部分斑狀侵蝕，在降雨過(guò)程中沒(méi)有可以導(dǎo)致產(chǎn)沙量劇增的細(xì)溝侵蝕出現(xiàn)，因此，產(chǎn)沙量變化幅度不大；當(dāng)降雨強(qiáng)度增大后，徑流量增大使得徑流對(duì)土壤的破壞分散和沖刷能力增強(qiáng)并易于出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕，從而造成侵蝕產(chǎn)沙量的增大，而在坡度較緩時(shí)，降雨強(qiáng)度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙量的變化起主導(dǎo)作用，而當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡度同時(shí)增大時(shí)， 則侵蝕產(chǎn)沙量也就增大愈快，這是因?yàn)殡S著坡度增大，土壤穩(wěn)定性下降更快，抵抗侵蝕能力減弱引起的含沙量增大也加劇了降雨強(qiáng)度所起的作用[4]。徑流流速隨坡度增大而增大，但承雨面積隨之減小，二者相互抵消，使雨強(qiáng)80mm/h 時(shí)10°、15°在降雨后期產(chǎn)沙量相近。

3.3 累計(jì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降雨時(shí)間關(guān)系

以60mm/h 雨強(qiáng)為例分析不同坡度累計(jì)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量與降雨時(shí)間關(guān)系。由圖3 看出，隨降雨的進(jìn)行，不同坡度累計(jì)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)基本相同，坡度增加，總產(chǎn)流、產(chǎn)沙量增大，主要是因?yàn)槠露仍龃螅旅鎻搅髁魉偌涌欤霛B量減小，徑流攜帶泥沙量增大，使總產(chǎn)流產(chǎn)沙量增大。

分析不同坡度累計(jì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化關(guān)系（見(jiàn)表1、2），得出累計(jì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化關(guān)系呈y= ax+b（a，b 均為參數(shù)）線性函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均大于0.97，結(jié)果均為極顯著。

4 結(jié)論

（1）產(chǎn)流量隨降雨時(shí)間變化表現(xiàn)為先快速增大，再緩慢增大，后基本平穩(wěn)，產(chǎn)流后9min 是產(chǎn)流量隨降雨時(shí)間變化過(guò)程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其中5°40mm/h 差異較大，產(chǎn)流量隨時(shí)間變化緩慢增大。同一坡度下，雨強(qiáng)越大，產(chǎn)流量越大；同一雨強(qiáng)下，坡度對(duì)產(chǎn)流量影響較復(fù)雜，雨強(qiáng)40mm/h，產(chǎn)流量隨坡度增大而增大，雨強(qiáng)60mm/h、80mm/h，坡度由10°升到15°時(shí)，產(chǎn)流量隨坡度增大而基本相同。

（2）40mm/h 雨強(qiáng)時(shí)，產(chǎn)沙量隨坡度的增大而緩慢增大；雨強(qiáng)60mm/h、80mm/h 時(shí)，5°產(chǎn)沙量隨坡度的增大緩慢增大，10°、15°產(chǎn)沙量隨坡度增大快速增大，其中雨強(qiáng)80mm/h，坡度10°、15°在降雨后期產(chǎn)沙量相近。

（3）不同坡度，累計(jì)產(chǎn)流量、累計(jì)產(chǎn)沙量與降雨時(shí)間的函數(shù)關(guān)系均可用y= ax+b（a，b 均為參數(shù)）表示，R2＞0.97，擬合結(jié)果均為極顯著■