黃土丘陵溝壑區(qū)坡溝系統(tǒng)不同降雨類型的土壤入滲特征

王承書,高 峰,孫文義,2,*,穆興民,2,高 鵬,2,趙廣舉,2,宋小燕

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 楊凌 712100 4 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院, 呼和浩特 010051

黃土高原自退耕還林還草以來,植被得到良好的恢復(fù),植被綠度和覆蓋度呈顯著增加趨勢(shì)[1], 土壤物理特性隨之發(fā)生了相應(yīng)改變,勢(shì)必對(duì)地表水文過程產(chǎn)生重要影響[2- 4],尤其是植被恢復(fù)驅(qū)動(dòng)下的降雨-入滲過程及機(jī)制[5- 6]。因此,研究黃土高原下墊面植被恢復(fù)后降雨-入滲過程可以為黃土高原流域產(chǎn)匯流機(jī)制是否發(fā)生變化提供科學(xué)依據(jù)。

坡溝系統(tǒng)是黃土高原丘陵溝壑區(qū)聯(lián)結(jié)坡面和溝道的重要地貌單元,是分析流域水文過程變化的重要結(jié)構(gòu)體[7- 8]。坡溝系統(tǒng)土壤水分變化影響著流域的產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙過程[7,9],對(duì)于闡明黃土高原的產(chǎn)匯流機(jī)制和構(gòu)建水沙過程模型具有重要的意義。王云強(qiáng)等[10]研究表明,坡溝系統(tǒng)土壤水分在垂直方向和水平方向上均具有顯著的空間異質(zhì)性。甘淼等[7]和趙明陽[11]研究認(rèn)為,坡面土壤持水能力低于溝坡,土壤有效水含量亦有相似的特征。可見,目前研究大多圍繞坡溝系統(tǒng)土壤水分空間異質(zhì)性、土壤持水能力差異以及侵蝕產(chǎn)沙過程開展[12- 13],而有關(guān)土壤水分入滲過程與不同降雨類型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究較少,未能有效地揭示不同降雨類型下的土壤水分入滲特征。因此,本文通過高數(shù)據(jù)采集頻率的土壤水分長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè),分析了不同降雨類型坡溝系統(tǒng)降水入滲差異和響應(yīng)特征,為揭示黃土高原植被恢復(fù)后的土壤水文過程提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市綏德縣裴家峁村橋溝小流域(37°29′41″ N,110°17′56″ E),是裴家峁溝的一級(jí)支溝,屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)(圖1)。流域面積0.45 km2,主溝長(zhǎng)1.4 km,溝壑密度5.4 km/km2。流域內(nèi)有兩條支溝,其中一支溝溝長(zhǎng)為870 m,溝道比降4.97%；二支溝溝長(zhǎng)為805 m,溝道比降1.15%。橋溝流域坡度集中在11—49°,占整個(gè)流域面積的69%。流域多年平均氣溫10.2 ℃；平均降雨量約486 mm；降水主要集中在雨季6—9月,約為年降水量的70.4%,且多以暴雨形式出現(xiàn)。流域水土流失嚴(yán)重,年平均侵蝕模數(shù)為3 423 t km-2a-1,以水力侵蝕和重力侵蝕為主[14]。

圖1 橋溝流域及水分儀和氣象站分布Fig.1 Location of the Qiaogou watershed, moisture meters and meteorological station

研究區(qū)植被以草本為主,主要有艾蒿(Acroptilonrepens(L.)DC.)、狗尾草(CynosurusL.)、本氏羽茅(Achnatherumsibiricum(Linn.)Keng.)、胡枝子(BushCloverLespedezabicolorTurcz.)、百里香(ThymusmongolicusRonn.)、白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、豬毛蒿(Artemisiascopariawaldst.etKit.)、冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn.)等數(shù)十種,多分布于溝谷的荒坡上,人工草地較少。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以黃土丘陵溝壑區(qū)綏德橋溝小流域坡面、溝坡上自然恢復(fù)草地為研究對(duì)象,分別布設(shè)土壤墑情儀(TD200),將0—200 cm深度的土壤水分分為20層進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、多層次 的土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)頻率為30 min/個(gè)。降雨資料由布設(shè)在研究區(qū)的自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)頻率與土壤水分同步。依據(jù)降雨類型(極端降雨類型、短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨類型、短歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型、長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型)和土壤水分過程資料,分析坡溝系統(tǒng)次降雨過程中不同降雨類型下的土壤水分入滲過程和變化規(guī)律。

1.2.1土壤水分監(jiān)測(cè)及入滲量計(jì)算

土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采用北京東方潤(rùn)澤生態(tài)科技股份有限公司生產(chǎn)的土壤墑情監(jiān)測(cè)儀(TD200),監(jiān)測(cè)深度為0—200 cm,共20層,每層間隔為10 cm,監(jiān)測(cè)頻率為30 min。

土壤入滲量是某一時(shí)刻土壤蓄水量與前一時(shí)刻的差值,計(jì)算公式如下：

土壤入滲量：

I=St-S0

式中,I為土壤入滲量,St為某一時(shí)刻土壤蓄水量,S0為前一時(shí)刻土壤蓄水量。

土壤蓄水量：

Si=θi·hi

式中,Si為每層土壤蓄水量,mm；θi為土壤體積含水量,%；hi為分層厚度,10 cm；n為土壤層序號(hào)；S為土壤總蓄水量,mm。

1.2.2降雨過程監(jiān)測(cè)

降雨過程監(jiān)測(cè)由布設(shè)在研究區(qū)的小型氣象站監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)頻率與土壤水分監(jiān)測(cè)頻率同步,為30 min。氣象站雨量傳感器為翻斗式雨量計(jì),儀器分辨率為0.2 mm,降雨強(qiáng)度測(cè)量范圍為0.01—4 mm/min,翻斗計(jì)量誤差為≤±4%。

1.3 入滲模型

選取Horton模型、Mezencev模型、Kostiakov模型以及USDA-NRCS模型對(duì)坡面降雨-入滲過程進(jìn)行模擬。

1.3.1Horton模型

式中,fc為穩(wěn)滲速率,cm/min；f0為初始入滲率,cm/min；k為無量綱常量；I(t)為累積入滲量,mm；t為時(shí)間,h。

1.3.2Mezencev模型[15]

I(t)=Kt+αtβ

式中,K>0；α>0和0<β<1為無量綱常數(shù)；I(t)為累積入滲量,mm；t為時(shí)間,h。

1.3.3Kostiakov模型

I(t)=αtβ

式中,α>0和0<β<1為無量綱常數(shù)；I(t)為累積入滲量,mm；t為時(shí)間,h。

1.3.4USDA-NRCS模型[15]

I(t)=at-b+0.6985

式中,a、b為無量綱常數(shù)；I(t)為累積入滲量,mm；t為時(shí)間,h。

1.4 精度評(píng)價(jià)

模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)采用調(diào)整決定系數(shù)(Adj-R2)、納什效率系數(shù)(NSE)[15- 16],調(diào)整決定系數(shù)、納什效率系數(shù)越大,模擬結(jié)果越好。

1.4.1調(diào)整決定系數(shù)(Adj-R2)

1.4.2納什效率系數(shù)(NSE)

式中,Yobs為觀測(cè)值；Ypred為模擬值；Ymean為觀測(cè)值平均值。當(dāng)NSE接近1時(shí),說明模擬值可信度高；越接近0誤差越大。

2 結(jié)果

2.1 次降雨類型和坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲量的分布特征

2.1.1次降雨類型

采用聚類分析法,依據(jù)降雨量、降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)[17],將次降雨事件分為四類(表1,圖2)。組1(R6)為極端降雨類型,主要特征為降雨總量大,降雨強(qiáng)度高,R6(7月26日)降雨量為114.5 mm,平均雨強(qiáng)為22.9 mm/h；組2(R1、R3、R7、R8、R12、R13、R15、R16、R17),為短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨類型,主要特征為最大30 min雨強(qiáng)較大,最大30 min雨強(qiáng)平均為3.83 mm/h；組3(R2、R5、R9、R11、R14),為短歷時(shí)小雨強(qiáng),降雨量小、降雨歷時(shí)短,最大30 min雨強(qiáng)小；組4(R4,R10)為長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型,降雨歷時(shí)長(zhǎng),平均降雨歷時(shí)為44.5 h,降雨強(qiáng)度相對(duì)較低。從降雨類型特征來看,橋溝流域的降雨類型主要為短歷時(shí)中雨強(qiáng)(組2),其次為短歷時(shí)小雨強(qiáng)(組3)。

表1 次降雨特征

圖2 降雨類型分組Fig.2 The group of rainfall types R：降雨

2.1.2坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲量的分布特征

坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲量分布如圖3,降雨量對(duì)坡面、溝坡土壤水分入滲量的影響程度相似。坡面不同類型次降雨入滲量基本蓄存在0—60 cm層次,其中約有66.09%的入滲量集中在0—20 cm。溝坡土壤水分入滲量對(duì)次降雨事件的響應(yīng)深度比坡面深約5—10 cm,其中約有65.87%的入滲量處于0—20 cm層次。溝坡總?cè)霛B蓄存量較坡面高約42.67%。

圖3 不同降雨類型土壤水分入滲動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of infiltration processes under different rainfall types

如表2所示,坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲量對(duì)不同降雨類型的響應(yīng)深度存在顯著差異(P<0.05)。土壤水分入滲量對(duì)短歷時(shí)小雨強(qiáng)類型的響應(yīng)深度最小,約為40 cm；其次為短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨類型,平均深度為60 cm；極端降雨類型R6及長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)類型R10入滲量能夠達(dá)到70—80 cm, 80 cm以下層次土壤水分在降水—入滲過程中無明顯變化。不同降雨類型的土壤水分入滲量亦具有顯著差異(P<0.01),各雨型入滲量依次為：極端降雨類型(100.94 mm)>長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)類型(26.52 mm)>短歷時(shí)中雨強(qiáng)類型(19.63 mm)>短歷時(shí)小雨強(qiáng)類型(17.58 mm)；溝坡入滲量高于坡面,溝坡不同降雨類型的入滲量分別較坡面高約25.37%、47.07%、84.15%、14.09%。

表2 降雨類型對(duì)濕潤(rùn)鋒深度的影響

坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲量隨深度增加而減小(圖4)。坡面土壤水分入滲量在深度上服從指數(shù)函數(shù)遞減趨勢(shì)(Adj-R2=0.96)；溝坡土壤水分入滲量變化與坡面相似,但溝坡土壤水分入滲量較坡面平均高約9.75%,其中0—20 cm溝坡入滲量比坡面高約21.83%。

圖4 0—60 cm土層土壤入滲量變化及趨勢(shì)Fig.4 Changes and trends of infiltration amount in 0—60 cm

2.2 降雨類型對(duì)土壤水分入滲濕潤(rùn)鋒的影響

降雨類型不同,坡面和溝坡土壤水分濕潤(rùn)鋒到達(dá)深度存在較大差異(圖5)。極端暴雨類型(組1)坡面濕潤(rùn)鋒深度為60 cm；溝坡濕潤(rùn)鋒深度則較坡面深,為70 cm。短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨(組2)坡面和溝坡濕潤(rùn)鋒深度介于20—40 cm,其中坡面有8場(chǎng)降雨的濕潤(rùn)鋒深度達(dá)到20 cm,僅有1場(chǎng)降雨的濕潤(rùn)鋒達(dá)到40 cm；而溝坡有4場(chǎng)降雨的濕潤(rùn)鋒深度到達(dá)40 cm。短歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨(組3)濕潤(rùn)鋒深度最淺,坡面、溝坡濕潤(rùn)鋒深度介于10—30 cm,其中坡面約有80%場(chǎng)次降雨的濕潤(rùn)鋒深度為10 cm；而溝坡80%場(chǎng)次降雨的濕潤(rùn)鋒深度到達(dá)20 cm及以下層次。長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨(組4)濕潤(rùn)鋒深度比之組2和組3更深,其深度約為40—70 cm,坡面濕潤(rùn)鋒深度淺于溝坡。可見,不同降雨類型下坡面濕潤(rùn)鋒深度均小于溝坡,且極端暴雨類型(組1)、長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨(組4)濕潤(rùn)鋒深度較深,短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨(組2)濕潤(rùn)鋒深度次之,短歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨(組3)濕潤(rùn)鋒深度最淺。

圖5 不同降雨類型下坡面、溝坡潤(rùn)濕鋒深度差異坡面溝坡Fig.5 The difference of wetting front in uphill and downhill under different rainfall types Uphill Downhill

2.3 坡溝系統(tǒng)土壤水分對(duì)不同降雨類型的響應(yīng)差異

本章篩選了不同降雨類型下坡面和溝坡8次典型的降雨-入滲過程進(jìn)行了分析,分別為極端降雨類型組(R6),短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨類型組(R12、R15、R17),短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨類型組(R9、R11)以及長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型組(R4、R10)。

坡面、溝坡土壤水分對(duì)不同降雨類型的響應(yīng)時(shí)間存在較大差異,具體表現(xiàn)為土壤水分對(duì)不同降雨類型的響應(yīng)時(shí)間有明顯滯后性(圖6,表3)。表層0—10 cm土壤水分響應(yīng)時(shí)間不隨降雨類型發(fā)生改變。10—20 cm層次坡面、溝坡響應(yīng)時(shí)間則受降雨類型影響有較大差異,其中,極端降雨類型(組1)受大雨量、大雨強(qiáng)影響,坡面、溝坡土壤水分入滲對(duì)降雨的響應(yīng)同時(shí)發(fā)生(圖6)；短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨類型(組2)10—20 cm土層較0—10 cm土層有1—2 h的滯后,且10—20 cm土層坡面較溝坡表現(xiàn)出更強(qiáng)的滯后性,約滯后1 h(圖6)；短歷時(shí)低雨強(qiáng)降雨類型(組3)響應(yīng)規(guī)律與組2相似,但10—20 cm溝坡土壤水分響應(yīng)時(shí)間晚于0—10 cm土層 1—3 h,坡面響應(yīng)滯后0—10 cm土層約4—7h(圖6)；長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型(組4)相較其他降雨類型,土壤水分響應(yīng)表現(xiàn)出更明顯的滯后效應(yīng),10—20 cm土層的響應(yīng)時(shí)間更遲緩,約為降雨后10.5—29.5 h(圖6)。

表3 各降雨事件入滲過程開始時(shí)間(以降雨開始為基準(zhǔn))/h

圖6 降雨-入滲過程的土壤水分動(dòng)態(tài) Fig.6 The dynamics of soil moisture during rainfall-infiltration process

2.4 不同降雨類型下累積入滲量變化及模擬

從四種降雨類型中選取典型次降雨過程對(duì)降雨入滲過程的累積入滲量進(jìn)行模擬,分別為：極端降雨類型(R6)、短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨類型(R3)、短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨類型(R14)以及長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)度降雨類型(R10)。

橋溝坡面累積入滲量平均增速極端降雨R6(3.1 mm/h)最大,短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨R3(1.2 mm/h)次之,短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨R14(0.13 mm/h)和長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)度降雨R10(0.22 mm/h)較小(圖7)。

圖7 四種降雨類型累積入滲量變化特征 Fig.7 Change of cumulative infiltration in different rainfall types

四種降雨類型下各入滲模型對(duì)累積入滲量的模擬如圖8,模型參數(shù)和模擬精度見表4、表5。四種入滲模型對(duì)不同降雨類型累積入滲量的模擬均具有較高精度,Adj-R2與NSE均在0.88以上(表4)。其中,Horton模型、Mezencev模型對(duì)于極端降雨的模擬效果(NSE>0.98)優(yōu)于其他模型；Horton模型、Mezencev模型、Kostiakov模型以及USDA-NRCS模型均對(duì)短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨及短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨有較好的模擬精度(NSE>0.98)；Mezencev模型更適于模擬長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)度降雨(NSE =0.96)。此外,Kostiakov模型參數(shù)α、Horton模型參數(shù)f0、Mezencev模型參數(shù)α及USDA-NRCS模型參數(shù)a均呈現(xiàn)隨雨強(qiáng)增大而增加的趨勢(shì)；Kostiakov模型參數(shù)β、Horton模型參數(shù)fc、Mezencev模型參數(shù)β及USDA-NRCS模型參數(shù)b相對(duì)穩(wěn)定(表5)。

表4 不同降雨類型下入滲模型精度評(píng)價(jià)

表5 不同降雨類型下入滲模型參數(shù)

圖8 不同降雨類型下入滲模型模擬累積入滲量與觀測(cè)值對(duì)比Fig.8 The difference between the simulation value and the observed value of the infiltration model under different rainfall types

3 討論

坡溝系統(tǒng)作為是黃土高原流域產(chǎn)水產(chǎn)沙的基本結(jié)構(gòu)單元,地形地貌特征復(fù)雜,嚴(yán)重影響著坡面和溝坡的降雨-入滲過程,使得坡面和溝坡土壤剖面不同層次的蓄水能力和入滲特征存在顯著差異[18- 19]。研究表明,溝坡土壤水分入滲量高于坡面約42.67%,且超過65%的入滲量處于0—20 cm層次。由于坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程較大,因而接受較多的太陽輻射,導(dǎo)致地表蒸發(fā)量大；而溝坡則由于地勢(shì)低洼且植被覆蓋高,抑制了水分的蒸發(fā),加大了坡溝系統(tǒng)的水分差異。高曉東等[9]、Li等[20]對(duì)比坡面、溝道土壤水分的差異性,也證實(shí)溝坡土壤水分高于坡面。盡管坡溝系統(tǒng)土壤水分含量的差異性研究較多,但缺乏坡溝系統(tǒng)降雨-入滲過程的研究,使得坡溝系統(tǒng)產(chǎn)匯流機(jī)制認(rèn)識(shí)還存在不足,難以揭示坡溝系統(tǒng)土壤水分之間的響應(yīng)關(guān)系[21-23]。

降雨類型是影響坡溝系統(tǒng)入滲特征的重要因素,顯著影響土壤水分的入滲深度。研究表明,在降雨過程中極端暴雨類型和長(zhǎng)歷時(shí)降雨類型濕潤(rùn)鋒深度可深達(dá)70—80 cm；短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨濕潤(rùn)鋒深度次之,約為60 cm；短歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨濕潤(rùn)鋒深度最淺,為40 cm。可見,長(zhǎng)歷時(shí)、大雨量、高強(qiáng)度的降雨能夠促進(jìn)土壤水分向深層土壤滲透[24]。大降雨量為土壤入滲提供充足的水分致使入滲深度增大,降雨量與土壤水分入滲深度存在顯著正相關(guān)關(guān)系[25],當(dāng)降雨量小于10 mm時(shí),入滲深度約為10 cm左右；而降雨量為50 mm時(shí),入滲深度可達(dá)100 cm[26]。較大的雨強(qiáng)則加劇了近地表水流的運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)土壤入滲性能,進(jìn)一步促進(jìn)濕潤(rùn)鋒向深層土壤運(yùn)動(dòng)；長(zhǎng)降雨歷時(shí)使得入滲過程延長(zhǎng),入滲深度也隨之增大。入滲濕潤(rùn)鋒隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)而逐漸增加；降雨強(qiáng)度由10 mm/h增至30 mm/h時(shí),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度有3.27倍的增加[27]。黃土高原降雨多以小雨量中到大雨強(qiáng)降雨為主,這種降雨類型極大影響了坡溝系統(tǒng)較深層次土壤水分分布,決定了植被恢復(fù)的程度[28-29]。

除了濕潤(rùn)鋒深度差異外,坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲特征的差異還體現(xiàn)在降雨-入滲響應(yīng)時(shí)間上。研究表明,各降雨類型土壤水分含量對(duì)降雨的響應(yīng)整體表現(xiàn)為溝坡快于坡面。這與坡溝系統(tǒng)的地貌結(jié)構(gòu)特征有關(guān),溝坡不僅得到降雨的輸入,而且承接了來自坡面和溝道上方來水,促進(jìn)溝坡水分的匯集,表現(xiàn)出溝坡響應(yīng)快于坡面[22, 30]。降雨類型影響著降雨-入滲響應(yīng)時(shí)間的差異,極端降雨類型坡面、溝坡土壤水分入滲的響應(yīng)時(shí)間基本一致,但短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨類型10—20 cm坡面土壤水分入滲的響應(yīng)時(shí)間滯后1—2 h,長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型滯后可達(dá)約10.5—29.5 h。Jin等[31]認(rèn)為降雨量和降雨強(qiáng)度是引發(fā)土壤水分響應(yīng)快慢最重要的降雨指標(biāo),降雨量大且降雨強(qiáng)度高的暴雨能夠更快引起土壤水分的響應(yīng)[32]。

降雨入滲過程模擬可以評(píng)價(jià)坡溝系統(tǒng)中不同降雨類型對(duì)土壤入滲過程的影響[33],對(duì)于深入認(rèn)識(shí)植被恢復(fù)驅(qū)動(dòng)下降雨-入滲過程具有重要的科學(xué)意義。研究表明,Kostiakov模型參數(shù)α、Horton模型參數(shù)f0、Mezencev模型參數(shù)α及USDA-NRCS模型參數(shù)a均表現(xiàn)為隨雨強(qiáng)增加而增加的趨勢(shì),這些參數(shù)對(duì)降雨性質(zhì)的變化敏感,通過改變地表供水強(qiáng)度影響入滲過程[34]。而Kostiakov模型參數(shù)β、Horton模型參數(shù)fc、Mezencev模型參數(shù)β及USDA-NRCS模型參數(shù)b,則相對(duì)穩(wěn)定,不隨降雨強(qiáng)度而變化,這類參數(shù)與土壤入滲環(huán)境特征相關(guān)[35]。本研究采用的四種模型均為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?適用性優(yōu)于數(shù)值模擬[36],但不能反映真實(shí)的物理過程[37]。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同降雨類型下坡溝系統(tǒng)降雨-入滲過程的水文特征進(jìn)行了分析,探究不同降雨類型下坡溝系統(tǒng)土壤水分入滲的差異,以及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律和土壤蓄水量變化對(duì)降雨過程的響應(yīng),揭示了不同降雨類型下坡溝系統(tǒng)降雨-入滲特征。主要結(jié)論如下：

(1)黃土丘陵溝壑區(qū)0—60 cm是坡溝系統(tǒng)降雨-入滲過程響應(yīng)的關(guān)鍵層次,超過80%的入滲量蓄存在土層0—60 cm。極端暴雨類型、長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨濕潤(rùn)鋒深度可達(dá)70—80 cm；短歷時(shí)中雨強(qiáng)降雨濕潤(rùn)鋒深度次之,約為60 cm；短歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨濕潤(rùn)鋒深度最淺,為40 cm。

(2)坡溝系統(tǒng)中,溝坡土壤水分總?cè)霛B量比坡面高約42.67%,溝坡濕潤(rùn)鋒深度平均較坡面深約5—10 cm。

(3)土壤水分入滲對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間整體表現(xiàn)為溝坡快于坡面。極端降雨類型坡面、溝坡對(duì)應(yīng)層次響應(yīng)基本一致；短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨類型10—20 cm土層坡面土壤水分入滲則滯后1—2 h響應(yīng),短歷時(shí)小雨強(qiáng)類型滯后性更強(qiáng)；長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)降雨類型滯后約10.5—29.5 h。

(4)Horton模型、Mezencev模型對(duì)于極端降雨的模擬效果(NSE>0.98)優(yōu)于其他模型；Horton模型、Mezencev模型、Kostiakov模型以及USDA-NRCS模型均對(duì)短歷時(shí)中強(qiáng)度降雨及短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨有較好的模擬精度(NSE>0.98)；僅有Mezencev模型擅長(zhǎng)模擬長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)度降雨(NSE =0.96)。