坡耕地降雨徑流與土壤侵蝕特征研究

王軍，魏颯，劉鳳嬋，周輝

（1.河北師范大學匯華學院，河北 石家莊050091；2.河北省水利科學研究院，河北 石家莊050057；3.河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心，河北 石家莊050061；4.河北省水文勘測研究中心，河北 石家莊050031）

坡耕地是我國耕地資源的重要組成部分，其治理滯后已成為影響生態重建和恢復的關鍵因素[1]。河北省山丘和丘陵區總面積占全省國土總面積的60%，其中坡耕地面積為79.67萬hm2，占全省耕地總面積的11.0%[2]。根據《全國坡耕地水土流失綜合治理工程規劃》（2010-2030），國家發改委、水利部聯合開展了坡耕地水土流失綜合治理試點工程，自2010年11月起河北省列入首批國家坡耕地水土流失綜合治理試點項目。因此，防范水土流失成為河北省坡耕地綜合治理亟待解決的問題。

采用人工降雨試驗，模擬坡耕地水土流失，是研究土壤侵蝕的一種非常重要的方法，也是國內外水土保持、環境保護學研究的熱點[3～5]。國際社會對土壤侵蝕的研究迄今已有上百年的歷史[6～8]。國內學者對土壤侵蝕的研究大多是針對土層深厚的黃土高原進行的[9～11]，在東北丘陵區、西南貴州、四川山地區也開展過類似研究[12～14]，但截至目前，針對土層薄、土壤滲透性較差的北方土石山區進行的相關研究尚未廣泛開展。河北省山區、丘陵區屬于典型的北方土石山區類型，坡面土壤侵蝕過程與機理研究相當薄弱，甚至鮮有報道。通過人工模擬降雨試驗，對不同坡度和降雨強度下北方土石山區坡面土壤侵蝕過程與機理進行研究，旨為該區坡改梯建設、水土資源保護和生態環境建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗條件與裝備

本研究在室內條件下進行。人工模擬降雨試驗在河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心人工模擬降雨大廳實施，試驗裝備由人工降雨系統、坡面實驗系統、實驗控制系統和供水系統四部分組成。

人工降雨系統：總控制降雨面積6 m2，有效降雨高度18 m，降雨均勻度大于85%，雨滴模擬噴頭為不銹鋼材質的旋轉下噴式噴頭，通過3種不同規格的噴頭疊加來對自然降雨進行模擬。

坡面實驗系統：移動式可變坡鋼體土槽，試驗土槽規格為長4.0 m、寬1.5 m、高0.5 m的移動式液壓可調坡鋼制土槽（在寬度方向上每50 cm劃分1個試驗槽，形成3個獨立的4.0 m×0.5 m×0.5 m試驗槽），坡度調節范圍為0°～25°，調節步長為5°。

實驗控制系統：試驗用土為壤土，使用前過10 mm篩，填土至距土槽頂部5 cm處，防止雨滴降落使侵蝕的泥沙濺出槽外而造成泥沙量損失；土槽尾部設置“V”型收集口，用來收集產生的徑流和泥沙，同時底部留孔，便于土壤水滲透出槽外。

供水系統：水源采用地下水，經水泵提水后至分水器內，通過壓力表調節水壓控制降雨強度。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計在人工模擬降雨量60 mm、坡面長4.0 m、坡面寬0.5 m的條件下，通過模擬不同坡度與降雨強度組合處理的坡面產流和產沙過程，明晰坡度和降雨強度對坡面水土流失及土壤侵蝕過程的調控機制。試驗設計的坡度有4個，分別為10°、15°、20°和25°；降雨強度有4個，分別為40、90、120和180 mm/h，通過不同的降雨歷時控制各降雨強度下的降雨量均為60 mm，降雨強度與歷時組合分別為40 mm/h×90 min、90 mm/h×40 min、120 mm/h×30 min和180 mm/h×20 min。

填槽土采用人工采集的砂質壤土（事先已過10 mm篩），土壤顆粒中砂粒（粒徑＞0.05 mm）、粉粒（粒徑0.05～0.005 mm）、黏粒（粒徑＜0.005 mm）含量分別為40%、48%和12%。按照試驗設計容重（1.34 g/cm3）分層回填，每10 cm一層，裝土時盡量保持土面平整。此外，每次試驗前對坡面進行預降雨，待土壤含水量達到飽和且剛開始產流時停止降雨，保證試驗土壤初始含水量相同。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 降雨強度和均勻度。在模擬降雨前，對降雨強度和降雨均勻度進行率定。降雨前，在順坡方向每隔50 cm、水平方向每隔30 cm放置1個1 000 mL塑料燒杯，以承接降雨；降雨一定時間（＞10 min）后，用量筒稱量燒杯內的雨水體積，根據燒杯口面積和降雨歷時，求得實際的降雨強度。利用公式，計算降雨均勻度（P）：

式中，Ii為第i點降雨強度；I為設定降雨強度；Iˉ為平均降雨強度。

1.2.2.2 徑流量和泥沙量。在每次模擬降雨前測定徑流小區的土壤含水量，以控制前期土壤含水量基本一致。降雨開始后計時，記錄初始產流時間；待產流后，每隔1 min更換1次徑流采集桶。采用稱重法，測定徑流采集桶中的徑流和泥沙總量。

1.2.3 數據統計分析利用Excle 2013軟件，對坡面產流量和產沙量數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 坡度對坡面土壤侵蝕特征的影響

坡度是表征地貌形態的主要指標，也是影響坡面土壤侵蝕的重要因素。坡度與坡面侵蝕關系復雜，因此對土壤侵蝕的影響規律存在一定的不確定性[15]。

2.1.1 對坡面產流時間的影響在降雨強度一定的條件下，坡度由10°增大到25°，坡面的產流時間相差無幾（表1），相關分析結果顯示坡度與產流時間相關不顯著。坡面開始產流所需的時間受坡度影響很小，與土壤性質如土壤類別、容重和含水量等有關。土壤中細顆粒越多，土壤的入滲能力越弱。本研究采用的填槽土黏粒占比（12%）和粉粒占比（48%）合計達到60%，降雨后剖面觀察發現，其濕潤峰不超過15 cm，說明試驗用土的入滲能力很弱，其產流方式為超滲產流。同時，在高強度暴雨雨滴的擊濺作用下，疏松的表土會很快形成密實的表土結皮層，導致土壤入滲能力降低[16]。故隨著降雨強度的增大，但由于土壤的入滲能力幾乎不變或略有降低，因此坡面產流所需的時間明顯縮短。在降雨強度40 mm/h下，最短產流時間為22 min左右；在降雨強度90 mm/h下，最短產流時間為5 min；在降雨強度120 mm/h下，最短產流時間超過3 min；而在降雨強度180 mm/h下，最長產流時間尚不到2 min。

表1 不同坡度下各降雨強度處理的產流時間Table 1 Runoff generation time of each rainfall intensity treatment under different slopes （min）

2.1.2 對坡面產沙量的影響在降雨強度一定的條件下，隨著坡度增大，坡面產沙量逐漸增多，其中陡坡的產沙量明顯高于緩坡。以降雨強度180 mm/h為例，對坡面產沙量（y）與坡度（x）的關系進行回歸擬合，結果（圖1）顯示，二者關系方程為y=-45.48x2+1 986.3x-12 113（R2=0.988 3），計算得到坡度為21.83°時產沙量最高，為9 574.5 g。陳法楊[17]和靳長興[18，19]研究表明，土壤最大侵蝕量的臨界坡度為25°左右。本試驗中坡面最高產沙量的臨界坡度約為22°，與前人研究結果基本相近。

圖1 坡度對坡面產沙量的影響（降雨強度180 mm/h）Fig.1 Effect of slope on slope sediment amount

2.1.3 對坡面產流量的影響在降雨強度180 mm/h條件下，當降雨量為30 mm時，產流量隨著坡度增大呈先增加后降低的變化，其中，坡度由10°增大到15°時產流量由9 171 mL增加到21 131 mL，坡度為20°時產流量達到峰值21 587 mL；當降雨量為60 mm時，產流量隨著坡度增大呈快速增加—緩慢降低—緩慢增加的變化，其中，坡度由10°增大到15°時產流量由38 814 mL增加到57 185 mL，坡度繼續增大后產流量變化比較平緩（圖2）。

圖2 坡度對地表產流量的影響（降雨強度180 mm/h）Fig.2 Effect of slope on surface runoff under the rainfall intensity of 180 mm/h

從不同降雨歷時的產流量與坡度關系曲線可以看出，在一定的降雨強度條件下，隨著坡度增大，產流量增加，而入滲量減少；但坡度超過一定數值后，產流量隨著坡度增大呈現遞減的趨勢。

本試驗采用的是固定坡長的土槽裝置，隨著坡度增大，坡面的承雨面積逐漸減少，坡度分別由10°增大到15°、由15°增大到20°、由20°增大到25°時，承雨面積縮小的幅度逐漸增大。在坡度10°和15°情況下，坡面沖刷相對較小，坡面細溝發育尚未明顯，下墊面表層粗糙度仍較低，土壤入滲速率低，故此時下墊面承雨面積降低的速率不及坡面匯流的速率，坡度由10°增大到15°時產流量呈增加趨勢；在坡度20°和25°情況下，一方面坡面沖刷迅速發育為細溝侵蝕，下墊面表層粗糙度變大，入滲能力增加[20，21]，加上承雨面積較大幅度降低，故坡度由15°增大到25°時產流量呈遞減趨勢。此外，由于試驗用土壤為超滲產流，隨著降雨歷時的增加，產流量與坡度的相關性逐漸降低，故總降雨量60 mm條件下，15°、20°和25°不同坡度的產流量相差不大。

2.2 降雨強度對坡面土壤侵蝕特征的影響

2.2.1 對坡面產流量的影響在土壤入滲能力相同的前提下，隨著降雨強度增大，單位時間的坡面產流量逐漸增加（圖3）。本試驗是在總降雨量相等的條件下進行的，降雨強度小時歷時長，降雨強度大時歷時短，從整個降雨過程所產生的總產流量（圖4）可以看出，相對較小降雨強度（40 mm/h、90 mm/h）的總徑流量小于相對較大降雨強度（120 mm/h、180 mm/h）的總產流量，但降雨強度90 mm/h的總產流量并不一定大于降雨強度40 mm/h的總產流量，降雨強度180 mm/h的總產流量并不一定大于降雨強度120 mm/h的總產流量。由此可知，在降雨量相同的條件下，大降雨強度能夠帶來較大的單位時間產流量，但總產流量不一定最大。

圖3 降雨強度對坡面產流速率的影響Fig.3 Effect of rainfall intensity on slope runoff rate

圖4 降雨強度對坡面總產流量的影響Fig.4 Effect of rainfall intensity on total slope runoff amount

降雨歷時也是影響坡面總產流量的重要因素。在坡面20°，分別以降雨強度120和180 mm/h為例，分析降雨歷時對產流量的影響。結果（圖5）顯示，隨著降雨歷時的增加，坡面累計產流量逐漸增加，其中，降雨伊始180 mm/h降雨強度的坡面產流量遙遙領先，而在降雨歷時20 min結束后，120 mm/h降雨強度下的坡面在29 min之后便超過了180 mm/h降雨強度坡面的總產流量，從而在降雨30 min后坡面總產流量大于120 mm/h降雨強度的坡面產流量。坡面產流過程是多方面因素共同作用的結果，除與降雨條件、土壤性質、坡面地形等有關外，還與降雨過程中坡面土壤性質、徑流條件、坡面粗糙度等有關。在坡度較大時，大降雨強度的坡面土壤侵蝕劇烈，坡面形態起伏變化，地表糙度增加，在一定程度上能夠增加土壤的入滲，但這部分入滲量的增加幅度不及降雨量增加的幅度，故會出現180 mm/h降雨強度的單位時間產流量較大，而最終的坡面總產流量較120 mm/h降雨強度略小。

圖5 降雨歷時對坡面累計產流量的影響Fig.5 Effect of rainfall duration on slope cumulative runoff amount

2.2.2 對坡面產沙量的影響在其他條件一致時，隨著降雨強度增大，坡面產沙量和單位產流的含沙量均逐漸增加（圖6和圖7）。由于大降雨強度可以增加坡面的產流速率及徑流的流動速度，從而能夠增強徑流的侵蝕能力，而水流的剪切力及其能力往往是水流速度、水流深度及坡面產流量的函數，從而降雨強度的加大能夠增強坡面流對坡面土壤的剝蝕和搬運能力，對坡面土壤侵蝕存在促進作用，故導致坡面產沙量增加[22，23]。而大降雨強度依然也會帶來較大的單位時間產流量，因產沙速率大于產流速率，故單位產流的含沙量隨降雨強大增大而逐漸增加。此外，圖中個別坡面的產沙情況與規律不符，究其原因可能有2個：一是試驗準備過程中人為裝填土槽和降雨系統的不穩定性；二是降雨侵蝕本身具有很大的隨機性，即土壤侵蝕發展也具有很強的隨機性。

圖6 降雨強度對坡面產沙量的影響Fig.6 Effect of rainfall intensity on slope sediment amount

圖7 降雨強度對坡面含沙量的影響Fig.7 Effect of rainfall intensity on slope sediment concentration

3 結論

（1）坡面開始產流的時間受坡度影響很小，隨著降雨強度增大，坡面產流所需的時間明顯縮短。降雨強度40 mm/h下，最短產流時間為22 min左右；而降雨強度180 mm/h下，最長產流時間尚不到2 min。

（2）在降雨強度一定的條件下，隨著坡度增大，坡面產沙量逐漸增加，本試驗條件下坡面最高產沙量的臨界坡度約為22°。需要說明的是，不同降雨強度和不同土壤質地條件下的臨界坡度值尚需進一步研究。

（3）徑流量隨坡度變化并非呈單調的遞增或遞減趨勢，而是隨著坡面由緩變陡呈先增加后降低的變化。在坡度10°和15°情況下，坡面沖刷相對較小，土壤入滲速率低，此時下墊面承雨面積降低的速率不及坡面匯流速率，在此坡度范圍內徑流量呈增加趨勢；在坡度20°和25°情況下，坡面沖刷迅速發育，土壤入滲能力增加，且承雨面積迅速降低，故坡度從15°增大到25°時，產流量呈遞減趨勢。

（4）在降雨量相等的前提下，大降雨強度能夠帶來較大的單位時間產流量，但并不能保證總產流量也最大。由于坡面產流過程是多方面因素共同作用的結果，故會出現本研究中降雨強度180 mm/h的單位時間產流量較大，而最終的坡面總產流量較降雨強度120 mm/h略小的結果。

（5）在其他條件一致時，坡面侵蝕隨著降雨強度的增大而增加。