模擬降雨條件下坡面產流產沙過程及特征研究

王成江

（黔西南州興源水利電力勘察設計有限公司,貴州 興義 562400）

1 引言

在我國黃土高原,降雨引起的土壤侵蝕嚴重破壞了當地的生態環境,如何提高土壤的抗蝕能力,防止水土流失。針對此問題,學者們在多方面進行了研究,何偉鵬等[1]研究了不同植物對黃土邊坡產流產沙與抗剪強度的影響,研究結果表明：邊坡草本植物的種植,能顯著抑制坡面產流產沙；淡彩虹等[2]研究了模擬降雨下前期含水量對黃綿土坡面產流產沙過程的影響,研究結果表明：采取耕作、植被覆蓋等措施維持適當土壤含水量可使土層減少侵蝕；溫永福等[3]對野外模擬降雨條件下徑流小區產流產沙試驗進行了研究,研究結果表明：相較于裸耕地,自然草地起著減流固沙的重要作用；權鑫等[4]對室內模擬降雨情形下黃土坡面沉降程度的試驗進行了研究,研究結明表明：土壤侵蝕能引起黃土坡面沉降；陳澤勛等[5]對模擬降雨條件下典型草原坡面初始產流時間及產流產沙量進行了研究,研究結明表明：草地坡面植被覆蓋度越大,減沙減流效果越明顯。

本文總結以上研究的減流減沙措施,并深入研究自然草地和裸耕地的產流產沙過程,通過人工模擬降雨試驗,對不同降雨強度條件下,自然草地和裸耕地的徑流特征和不同坡度條件下,裸耕地的產沙特征進行分析。

2 試驗材料及方法

2.1 研究區概況

研究區屬西北黃土高原的丘陵溝壑區,地勢東高西低,區內黃土層結構松散,抗侵蝕能力較差,在長期風化剝蝕和流水侵蝕作用下,被逐漸切割成溝壑縱橫、山丘交錯的復雜地貌。該地區平均降水量為485.6 mm。為提高該地區土壤抗侵蝕能力,防止水土流失,本文進行了人工模擬降雨試驗,對黃土坡面產流和產沙過程及特征進行了研究。

2.2 試驗設備及試驗方法

人工模擬降雨試驗在野外進行,徑流小區的坡度分別選擇15°和25°兩種坡度,小區的土地類型選擇自然草地和裸耕地兩種類型,共4 個小區進行降雨試驗,每個小區設置長×寬分別為3 m×4 m,面積為12 m2。每個小區四周都設置不銹鋼圍板,圍板高50 cm,其中30 cm 插入小區周圍土層下,20 cm 在地表上,防止徑流外滲流出,影響試驗精度。小區坡下設有V 型集流槽,集流槽出水口設有集流桶,降雨在地表上形成的徑流匯入集流桶。將收集的徑流過濾,除去里面的沉積物,即為小區降雨產生的徑流量。

模擬降雨設備采用井架式人工模擬降雨,有效降雨面積為0～400 m2,降雨高度為3 m～6 m,雨強連續變化范圍為15 mm/h～150 mm/h,降雨均勻系數≥0.9,雨滴大小調控范圍為1.0 mm～5.0 mm。本次降雨試驗設置兩種雨強,分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min,降雨時長為30 min。降雨前測試四個小區的土壤含水率,保證小區土壤含水率基本一致。降雨開始后,當雨水降落到地表時開始記錄降雨時間,當雨水在小區坡面形成層流狀態,由地表至上而下流入集流桶時,開始記錄產流時間,并每隔2 min 測量一次小區徑流,試驗時長為30 min。試驗結束后,將收集的徑流靜置24 h 后進行過濾,將過濾所得沉積物干燥處理,并將其稱重,記錄所得數據。為保證試驗的準確,間隔72 小時后,重復進行一次降雨試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 不同雨強下的徑流特征

通過模擬人工降雨試驗,根據測量所得數據,得出不同雨強條件下,草地和裸地的徑流特征曲線,見圖1。

圖1 不同雨強下小區徑流量

如圖1（a）所示,在草地坡度為15°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為0.1 L、1 L；當時間為30 min時,徑流量分別為3.2 L、5.6 L。由此可知,雨強為1.2 mm/min 草地徑流量先緩慢增大,在18min 后,徑流量增大趨勢逐漸平穩。在相同時間條件下,雨強大的徑流量較雨強小的徑流量增大明顯。

如圖1（b）所示,在草地坡度為25°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為0.8 L、1.2 L；當時間為30 min時,徑流量分別為4.2 L、9.6 L。由此可知,相同坡度條件下,雨強為1.8 mm/min 草地徑流量快速增加,在24 min 時,徑流量增大趨勢逐漸平穩。雨強為1.2 mm/min 草地徑流量增加緩慢,曲線較為平緩。

如圖1（c）所示,在裸地坡度為15°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為3 L、4 L；當時間為30 min時,徑流量分別為10.2 L、12.3 L。由此可知,相同坡度條件下,兩種雨強的裸地徑流量均先快速增加,再減小,然后再逐漸增大,在14 min 時,徑流量增大,其變化逐漸趨于平穩。

如圖1（d）所示,在裸地坡度為25°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為2 L、4 L；當時間為30 min 時,徑流量分別為8.6 L、11.9 L。由此可知,相同坡度條件下,雨強為1.8 mm/min 裸地徑流量先快速增加,在6 min～14 min 階段,徑流量增加緩慢。雨強為1.2 mm/min 裸地徑流量先快速增加,在16 min 時其變化逐漸趨于平穩。

如圖1 可知,隨著時間的增加,各小區的徑流量均逐漸增大再逐漸趨于平穩。在相同坡度、相同土地類型的條件下,雨強大的小區較雨強小的小區,徑流量增加明顯。由于自然草地有良好的覆蓋度,其發達的根系降低了徑流的流動,入滲率較低,對徑流有較高的截留率,因此其徑流增加緩慢,起到較強的保水作用。

3.2 不同坡度下的產沙特征

通過模擬人工降雨試驗,根據測量所得數據,得出不同坡度條件下,裸地的產沙特征曲線,見圖2。

圖2 裸耕地產沙量

如圖2（a）所示,在降雨強度為1.2 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地產沙量分別為10 g、24 g；當時間為30min 時,產沙量分別為18 g、22 g。由此可知,相同時間條件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地產沙量均先增大再減小。在18 min 時,產沙量趨于平穩。

如圖2（b）所示,在降雨強度為1.2 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地累計產沙量分別為10 g、26 g；當時間為30min 時,累計產沙量分別為720 g、930 g。由此可知,相同時間條件下,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產沙量明顯增大。相同雨強條件下,坡度較大的裸地,累計產沙量大。

如圖2（c）所示,在降雨強度為1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地產沙量分別為44 g、82 g；當時間為30 min 時,產沙量分別為26.5 g、23 g。由此可知,相同時間條件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地產沙量均先增大再減小。在18 min～30 mim 階段,坡度15°裸地產沙量大于坡度25°裸地產沙量。

如圖2（d）所示,在降雨強度為1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地累計產沙量分別為20 g、120 g；當時間為30 min 時,累計產沙量分別為820 g、1260 g。由此可知,相同時間條件下,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產沙量明顯增大。相同雨強條件下,坡度較大的裸地,累計產沙量大。

如圖2 可知,隨著時間的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的產沙量均先增大再減小。相同時間條件下,隨著時間的增加,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產沙量明顯增大。相同雨強條件下,坡度較大的裸地,累計產沙量大。由于坡度對土壤的侵蝕影響與土壤的入滲率相關,入滲量隨坡度的增大而減小,入滲時間越短,入滲量越小,產生的徑流越大,土壤的侵蝕量越大。

4 結論

通過人工模擬降雨試驗,本文對不同降雨強度條件下,自然草地和裸耕地的徑流特征和不同坡度條件下,裸耕地的產沙特征進行了分析。

（1）隨著時間的增加,坡度15°草地、坡度25°草地、坡度15°裸地、坡度25°裸地四個小區的徑流量均快速增大。在相同坡度的條件下,雨強大的小區較雨強小的小區,徑流量增加明顯。在相同時間的條件下,坡度大的小區較坡度小的小區,徑流量增加明顯。

（2）隨著時間的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的產沙量均先增大再減小。在雨強為1.2 mm/min 條件下,在18 min～30 mim 階段,坡度15°裸地和坡度25°裸地產沙量基本相同。在雨強為1.8 mm/min 條件下,在18 min～30 mim階段,坡度15°裸地的產沙量大于坡度25°裸地產沙量。

（3）相同時間條件下,隨著時間的增加,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產沙量明顯增大。相同坡度條件下,坡度越大,裸地的累計產沙量越大。