模擬降雨條件下林地的地表徑流特征分析

王慶紅,宋宜彤

(臨沂市水文中心,山東 臨沂 276000)

1 概 述

水土流失是一種危害嚴重的地質災害,如何防止水土流失,許多學者對此進行了相關研究,孫若修等［1］研究了模擬降雨下坡面草帶分布對產流產沙過程的影響,結果表明相同植被覆蓋度條件下,草帶的相對距離較小,有較好地減少徑流和泥沙的作用。孫旭等［2］對模擬降雨條件下枯落物覆蓋對坡面地表和壤中流產流過程的影響進行了研究,結果表明枯落物覆蓋密度越大,地表產流時間越長,產流量越小。沈子雅等［3］對模擬降雨條件下灌草配置對坡面侵蝕泥沙顆粒分布的影響進行了研究,結果表明灌木覆蓋度50%、草本覆蓋度25%時,能有效防止坡面徑流泥沙流失,起到較好的水土保持效果。周秋文等［4］對模擬降雨條件下巖溶地區馬尾松林下地表徑流特征進行了研究,結果表明巖溶地區馬尾松林下,雨強對地表徑流有明顯影響,隨著時間增加,較大的坡度徑流量大。鄭騰輝等［5］對連續模擬降雨下巖溶區含礫石堆積體坡面徑流產沙特征進行了研究,結果表明隨雨強增大,偏土質、偏石質坡面徑流率增加較快,土質坡面侵蝕速率較偏石質坡面明顯增大。

結合上述研究成果,本文通過對林地小區進行模擬降雨試驗,分析在不同雨強條件下林地的地表徑流特征以及不同坡度條件下林地的地表徑流特征,研究成果可為水土保持治理提供參考與借鑒。

2 試驗材料和方法

2.1 研究區概況

臨沂位于山東省東南部,山地集中分布在沂水、沂南、蒙陰、平邑、費縣、莒南等縣。地勢較高,一般海拔400m以上。山地植被比較茂密,是發展林果業、畜牧業的主要基地。臨沂氣候屬溫帶季風區大陸性氣候,夏季溫高濕重,雨量充沛,盛東南風,洪澇、大風、冰雹災害性天氣較為頻繁;秋季氣溫急降,亦有秋旱或連陰雨災害性天氣出現。選定的研究區原生植被以闊葉林為主,其中楊樹是該地區的主要喬木之一,分布面積極廣。為研究該地區水土流失的原因,本文通過模擬降雨,對林地的地表徑流特征進行分析。

2.2 試驗方法

本次模擬降雨試驗在野外進行。首先選取一塊區域作為樣地,面積長×寬分別為12m×12m。該區域喬木層全部為楊木,其中最大樹齡為30年,最小樹齡為4年,平均樹齡為17年。在試驗區上設置3個相同面積的徑流小區,小區長×寬分別為0.6m×1.2m,為減少誤差的產生,徑流小區相隔距離盡量靠近。3個小區的坡度為別設置為12°、18°、24°,在小區坡下邊緣設置V形不銹鋼集流槽,在集流槽出水口后設置集流桶,用于收集導流槽輸導下來的徑流。

模擬降雨設備采用全自動便攜式野外人工模擬降雨器。該設備雨強連續變化范圍0～150mm,降雨均勻度系數大于0.86,雨滴大小調控范圍0.5～5.0mm,降雨調節精度3mm/h。將降雨設備安裝在徑流小區上,噴頭高度3.5m,試驗設置3種降雨強度,分別為45、90、135mm/h。降雨開始后,在降雨到達地面時開始計時,當地表開始產生徑流時,記錄徑流產生的時間。開始產流后,每隔2min收集地表產生的徑流,產流后45min降雨結束,將收集的徑流攪拌均勻,測量其體積,然后靜置12h后進行過濾,并將過濾出的沉積物烘干稱重。為保證數據可靠,模擬降雨試驗選擇無風的晴朗天氣進行,并在進行模擬降雨后72h重復上一次試驗。

3 結果與分析

3.1 不同雨強下的徑流特征

模擬降雨結束后,根據所得數據,分析不同雨強下地表的徑流特征,見圖1。

圖1 不同雨強下徑流特征

由圖1(a)可知,在降雨強度為45mm/h條件下,隨著時間的增加,3個小區徑流量均逐漸增大。當小區坡度分別為坡度12°、坡度18°、坡度24°時,開始產流后,產生的徑流量分別為10.5、12、21ml;當時間為6min時,徑流量分別為15、17、19ml;當時間為10min時,徑流量分別為22、13、18ml;當時間為20min時,徑流量分別為22、22、21ml;當時間為30min時,徑流量分別為23、32、41ml;當時間為40min時,徑流量分別為28、27、49ml;當時間為45min時,徑流量分別為25、33、41ml。由此可知,開始產流后,3個小區產生的徑流量相差不大,徑流量變化較小;當時間增加到30min后,相較于其它兩個小區,坡度24°的小區產流量快速增加;在40min時,達到峰值49ml,然后再逐漸減小。

由圖1(b)可知,在降雨強度為90mm/h條件下,隨著時間的增加,3個小區徑流量均逐漸增大。當小區坡度分別為坡度12°、坡度18°、坡度24°時,開始產流后,產生的徑流量分別為18、19、38ml;當時間為6min時,徑流量分別為21、22、60ml;當時間為10min時,徑流量分別為24、25.5、68ml;當時間為20min時,徑流量分別為35、36、140ml;當時間為30min時,徑流量分別為27、41、101ml;當時間為40min時,徑流量分別為38、43、78ml;當時間為45min時,徑流量分別為37、38、62ml。由此可知,隨著時間的增加,坡度12°和坡度18°的小區徑流量變化較小,曲線較為平緩;相較于其它兩種小區,坡度24°的小區徑流量變化較大,徑流增加迅速,在20min時,徑流量達到峰值140ml。

由圖1(c)可知,在降雨強度為135mm/h條件下,隨著時間的增加,3個小區徑流量均逐漸增大。當小區坡度分別為坡度12°、坡度18°、坡度24°時,開始產流后,產生的徑流量分別為20、20.5、25ml;當時間為6min時,徑流量分別為13、28、36ml;當時間為10min時,徑流量分別為27、29.5、40ml;當時間為20min時,徑流量分別為26、29.5、52ml;當時間為30min時,徑流量分別為30、40、73ml;當時間為40min時,徑流量分別為24、32、70ml;當時間為45min時,徑流量分別為23、31、68ml。由此可知,隨著時間的增加,坡度12°的小區在開始產流后,徑流量逐漸下降,經過短時的下降后,再快速上升,在12min時,徑流量變化趨于平穩;相較于其它兩種小區,坡度24°的小區徑流量增加迅速,曲線變化明顯,在36min時,徑流量達到峰值77ml。

綜上可知,隨著時間的增加,在雨強為45mm/h時,坡度24°的小區產流量快速增加,在40min時達到峰值49ml。在雨強為90mm/h時,坡度12°和坡度18°的小區徑流量變化較小;坡度24°的小區徑流量變化較大,徑流增加迅速,在20min時,徑流量達到峰值140ml。在雨強為135mm/h時,坡度24°的小區徑流量增加迅速,在36min時,徑流量達到峰值77ml。由此可知,中等雨強時地表徑流大,大雨強時地表徑流反而小。因為雨強過大時,掉落的樹葉在地表形成的坡面水流通道被切斷,水流受阻,徑流變小。

3.2 不同坡度下的徑流特征

根據模擬降雨所得數據,分析不同坡度下地表的徑流特征,見圖2。

由圖2(a)可知,在小區坡度為12°條件下,隨著時間的增加,3個小區徑流量均逐漸增大。當降雨強度分別為45、90、135mm/h時,開始產流后,產生的徑流量分別為10.5、12.5、20ml;當時間為6min時,徑流量分別為12、22、12ml;當時間為10min時,徑流量分別為24、18、35ml;當時間為20min時,徑流量分別為26、30、22ml;當時間為30min時,徑流量分別為22、33、31ml;當時間為40min時,徑流量分別為31、40、23ml;當時間為45min時,徑流量分別為27、36、21ml。由此可知,隨著時間的增加,3個小區徑流變化較明顯,其曲線起伏較大,沒有明顯規律。當雨強為135mm/h時,在8～14min時間段內,徑流量在整個試驗階段變化最大。

圖2 不同坡度下徑流特征

由圖2(b)可知,在小區坡度為18°條件下,隨著時間的增加,3個小區徑流量均快速增大。當降雨強度分別為45、90、135mm/h時,開始產流后,產生的徑流量分別為14、16、19ml;當時間為6min時,徑流量分別為16、24、27ml;當時間為10min時,徑流量分別為14.5、22、26ml;當時間為20min時,徑流量分別為26、29、30ml;當時間為30min時,徑流量分別為34、41、41ml;當時間為40min時,徑流量分別為32、44、44ml;當時間為45min時,徑流量分別為35、39、38ml。由此可知,隨著時間的增加,3個小區徑流量的變化趨勢較明顯,當雨強分別為90、135mm/h時,在產流后12～45min時間段,兩種雨強產生的徑流量基本保持一致;相較于這兩種雨強產生的徑流量,雨強45mm/h產生的徑流量變化起伏較大,徑流量最小。

由圖2(c)可知,在小區坡度為24°條件下,隨著時間的增加,3個小區徑流量均快速增大。當降雨強度分別為45、90、135mm/h時,開始產流后,產生的徑流量分別為20、38、21ml;當時間為6min時,徑流量分別為18、58、36ml;當時間為10min時,徑流量分別為16、66、41ml;當時間為20min時,徑流量分別為19、140、39ml;當時間為30min時,徑流量分別為39、103、72ml;當時間為40min時,徑流量分別為43、86、76ml;當時間為45min時,徑流量分別為38、58、57ml。由此可知,隨著時間的增加,3個小區徑流量的變化趨勢較明顯,在相同時間條件下,雨強90mm/h產生的徑流量,相較于其它兩種雨強的徑流量,其變化最大,在20min時,徑流量達到峰值140ml;當雨強為135mm/h時,產生的徑流量變化次之;雨強為45mm/h時,產生的徑流量變化最小。

綜上可知,在不同坡度條件下,坡度越大,徑流量變化越大。當小區坡度為24°時,在相同時間條件下,雨強90mm/h產生的徑流量變化最大,雨強45mm/h產生的徑流量變化最小。當小區坡度為18°時,在產流后12～45min時間段,雨強90和135mm/h產生的徑流量基本保持一致。

4 結 論

本文通過對林地小區進行模擬降雨試驗,分析了在不同雨強條件下林地的地表徑流特征以及不同坡度條件下林地的地表徑流特征,結論如下:

1)在雨強為45mm/h時,坡度24°的小區產流量在40min時達到峰值49ml。在雨強為90mm/h時,坡度24°的小區徑流量變化較大,在20min時達到峰值140ml。在雨強為135mm/h時,坡度24°的小區在36min時,徑流量達到峰值77ml。

2)在不同坡度條件下,坡度越大,徑流量變化越大。小區坡度為24°時,在相同時間條件下,雨強90mm/h產生的徑流量變化最大,雨強45mm/h產生的徑流量變化最小。當小區坡度為18°時,在產流后12～45min時間段,雨強90和135mm/h產生的徑流量基本保持一致。