不同雨型下遼西丘陵區坡耕地侵蝕特征試驗研究

2021-10-21 05:39:12谷強

水利科學與寒區工程 2021年5期

谷強

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽 110000)

1 研究背景

土壤資源是農業生產最基本的物質條件，同時也是人類賴以生存和發展的重要物質基礎[1]。長期以來，由于人類對土地資源的掠奪性開發，造成了十分嚴重的土壤退化。在當前引起土壤退化的諸因素中，土壤侵蝕是最普遍和最重要的因素之一，目前已經成為威脅人類生存發展的重要環境問題，對區域生態建設和經濟發展產生了嚴重的制約[2]。造成土壤侵蝕的因素很多，除了土壤自身的理化性質和地貌形態等內在因素之外，氣候環境和侵蝕動力等外部因素同樣重要[3]。遼西地區屬于典型的生態脆弱區，由于長期實行資源消耗為導向的粗放式經濟發展模式，導致地表植被破壞、水土流失嚴重，已經成為制約當地經濟可持續發展和社會主義新農村建設的重要瓶頸因素。受寒溫帶大陸性季風氣候的影響，當地的土壤侵蝕以水蝕為主[4]。此外，該地區以低山丘陵為主，耕地多為坡耕地，土層薄且粗骨質的含量大，土壤下方為透水性差的巖石，加之夏季多短時強降雨，因此成為全國比較嚴重的土壤侵蝕區[5]。基于此，本次研究通過室內試驗的方式，對不同雨型下的坡面侵蝕特征進行研究，力求為當地的土壤侵蝕防治和生態環境建設提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究材料

本次研究所使用的土樣均采自遼西朝陽地區坡耕地的表層，屬于典型的石灰性褐土和黃土性褐土，均為遼西丘陵坡耕地的典型粉砂質壤土。將采集的土壤樣品在自然條件下風干，然后利用10 mm方孔篩進行篩分，除去土壤樣品中的石塊、草根等雜物[6]。取部分土壤樣品進行物理性質測定，土壤樣本的容重為1.25～1.28 g/cm3。

本次試驗所使用的試驗裝置主要有10.0 m×3.0 m×0.6 m(長×寬×高)的鐵質土槽；利用定水頭針管式降雨器作為降雨侵蝕試驗中的模擬降雨裝置，其主要結構包括針管式降雨器、恒壓給水裝置、供水管路以及流量調節閥[7]。其中，給水裝置與試驗水槽的距離為12.0 m，通過可調式流量表和調節閥調節雨強和穩定水流。

2.2 試驗方案

為了研究不同雨型下的土壤坡面侵蝕特征，結合當地的降雨特征研究中設計了三種不同的降雨雨型[8]，分別為增強型、減弱型和均衡型，每個雨型劃分為起始、中間和結束三個階段，總降雨強度為60 mm。其中，增強型雨型三個階段的降雨強度分別為20 mm/h、40 mm/h和60 mm/h；減弱型雨型三個階段的降雨強度分別為60 mm/h、40 mm/h和20 mm/h；均衡型雨型三個階段的降雨強度均為40 mm/h；各階段的持續時長均為30 min。結合研究區的實際情況，土壤類型設計了黃土性褐土和石灰性褐土兩種土壤類型，設計5°和10°兩種不同的坡度。

試驗中為了保證土槽中土壤的透水性，預先在土槽的底部鋪上厚度為10 cm的細砂，在砂層之上再裝厚度為50 cm的試驗土樣。為了保證裝土的均勻性，采用分層裝土的方式。具體做法是將砂層上50 cm厚的土體按照10 cm一層，分5層裝填。在填土過程中要邊填充邊壓實，以減小土槽邊壁對試驗結果的影響。在每次正式降雨試驗之前，先采用30 mm/h的雨強進程前期降雨，到坡面產流為止，以減少試驗土槽的空間變異性。

降雨試驗采用的是定水頭針管式降雨器，在雨滴降落到地面之前均能夠達到終點速度，雨滴的直徑在0.36～3.11 mm之間，降雨的均勻度可以達到80%以上。在試驗開始前進行雨強的濾定，在降雨開始后，每間隔3 min接樣1次，在降雨結束后，利用烘干稱重法測量徑流和泥沙重量，然后計算產流和產沙率。在坡面出現細溝侵蝕之后，每間隔一定時間用直尺測量坡面細溝的長度、寬度和深度的變化，并計算出細溝的體積以及侵蝕量。由于本次研究設計了兩種土壤類型、兩種坡面坡度以及三種不同的雨型，因此需要進行12場不同的人工模擬降雨試驗。

在試驗過程中做好相關數據的記錄工作，試驗數據利用SPSS和Excel等軟件進行分析處理，圖表利用Excel中的制圖軟件制作。

3 試驗結果與分析

3.1 總侵蝕量試驗結果與分析

按照上述的試驗設計進行試驗，根據試驗中獲取的數據，獲得如表1所示的不同雨型下的坡面總侵蝕量。由計算結果可知，石灰性褐土的侵蝕量小于黃土性褐土的侵蝕量，這說明不同土壤類型對總侵蝕量存在一定的影響。其次，在不同的降雨雨型下，坡面的總侵蝕量之間存在比較顯著的差異，主要表現為較大降雨強度的增強型和減弱型降雨的總侵蝕量明顯偏大。究其原因，可能是在較大的降雨強度下，降雨雨滴對坡面的打擊破壞能力和徑流搬運能力較強，因此造成總侵蝕量較大。增強型雨型和減弱型雨型相比，減弱型雨型的總侵蝕量較大。究其原因，可能是減弱型雨型的起始階段降雨強度大，對坡面產生了更為明顯的破壞作用，表層土壤在打擊作用下分散出更多的細小顆粒。這些細小顆粒對土壤孔隙的堵塞，不僅減弱了坡面入滲，增強了坡面徑流，同時也為坡面侵蝕提供了較多的物質來源，因此總侵蝕量更大。總之，不同降雨階段的降雨強度不同，會對坡面造成不同的侵蝕效果，即使下一階段的雨強相同，也會由于土壤類型和降雨過程中的變化產生不同的侵蝕效果。

表1 總侵蝕量試驗結果 kg

3.2 細溝形態試驗結果與分析

在試驗過程中，對不同試驗方案下的細溝侵蝕特征進行測量和統計計算，結果如表2所示。由表2的結果可知，不同的降雨雨型相比，細溝侵蝕的各個特征值均為減弱型最大，增強型次之，均衡型最小，這與總侵蝕量的試驗結果較為一致。究其原因，減弱型降雨的起始階段降雨強度較大，坡面會迅速形成較強的徑流，沖刷能力也較強，因此會迅速形成侵蝕細溝，而細溝一旦形成，坡面的侵蝕作用就會明顯加劇。增強型降雨的前期雨強相對較小，雨滴對坡面的打擊和徑流沖刷能力相對較弱，損失的泥沙量也相對較小，但隨著雨強的逐漸增加，細溝迅速發育，產沙量也迅速增加。而均衡型降雨由于雨強始終不大，雨滴的打擊和徑流侵蝕作用最弱，因此細溝發育也最弱。從不同的土壤類型對比來看，其細溝發育的方式也存在一定的差異。一般來說，溯源侵蝕最終會增加細溝的長度和密度，而細溝溝壁的坍塌會進一步擴張細溝的寬度。與黃土性褐土坡面相比，石灰性褐土坡面細溝的長度、密度和寬度等特征值均明顯偏小。黃土性褐土坡面細溝的寬深比在1.8～4.3之間，明顯大于石灰性褐土坡面，說明溝壁坍塌的作用更為顯著。對于石灰性褐土坡面而言，隨著侵蝕量的增大和細溝逐漸發育，細溝的長度和密度顯著增加，而細溝的寬度逐漸減小，說明溯源性侵蝕在石灰性褐土坡面細溝發育中占據主導地位，溝壁坍塌的影響較小。