沙土區河道土壤侵蝕強度定量分析

胡 煒范敬蘭王 賓

（1.3.江蘇省徐州市豐縣水利局 豐縣 221700 2.江蘇省徐州市水科所 徐州 221000）

沙土區河道土壤侵蝕強度定量分析

胡 煒1范敬蘭2王 賓3

（1.3.江蘇省徐州市豐縣水利局 豐縣 221700 2.江蘇省徐州市水科所 徐州 221000）

徐州黃泛沖積平原為古代黃河泛濫泥沙沉積所形成，其面積分布較廣，水土流失嚴重。本次試驗在徐州市豐縣水土保持示范區通過3種不同強度人工降雨試驗，得到7種處理在不同降雨強度下土壤侵蝕量，畫出不同處理降雨強度和土壤侵蝕量關系曲線，為開發建設項目和生態建設項目規劃設計提供數據支持。

人工降雨試驗 土壤侵蝕強度 率定 關系曲線

降水落到地面，一部分會滲透到土壤中，另一部分則形成地表徑流，徑流夾帶泥沙匯入河道形成水土流失。在科研和規劃設計研究中，通常缺少實測的土壤流失量，因此，需要有一種定量測定技術設施和場地，來測量土壤流失強度和流失量。2011年，在豐縣趙莊鎮設立沙土區河道坡面水土流失測定的徑流試驗場，以測定不同處理徑流中的含沙量。

1 試驗小區的設定

試驗小區按《水土保持監測技術規程》（SL277—2002）中5.2.3的規定要求設置，試驗場內共14個徑流小區，每個徑流小區連著3個集水桶，為三級集水，二級分流。該小區寬度為5m，直邊加斜邊長度為20.1m，斜坡傾斜度為8°，計算出小區垂直投影面積為100m2，小區邊界由水泥板圍成，邊墻露出地面20cm，埋入地下30cm。上緣向小區外呈60°傾斜，徑流小區末端為水泥做成的集流槽，集流槽上緣與地面同高，槽底向下及中間傾斜，集流槽上面用鍍鋅鐵皮覆蓋，防止雨水落入集流槽，集流桶與集流槽用鍍鋅鐵皮做成的導流管連接，見圖1。

圖1 徑流小區分流桶布置示意圖

集流桶采用鍍鋅鐵皮制成，按24h降雨200mm的坡面徑流標準確定三級集流桶的尺寸，集流桶的尺寸直徑50cm，高80cm，溢流口至桶底大致50cm。采用三級集流，兩級分水的方式，收集小區徑流。小區總的徑流量為一級集流桶的徑流量加上二級集流桶的徑流量的11倍，再加上三級集流桶徑流量的121倍，見下公式：

式中：Q——小區徑流量；

Q1——一級集流桶水量；

Q2——二級集流桶水量；

Q3——三級集流桶水量。

2 徑流場區處理布置

該試驗地區位于豐縣趙莊鎮太行堤河右側河堤。該地區屬于廢黃河沖積平原區，是徐州市沙土區河道的典型代表區域。

徑流小區共設置14個，7個處理，每個處理2次重復。7個處理分別是：標準小區、刮平夯實器、撂荒地、混種草、立體種植、W-OH+混種草及生態混凝土+混種草。

3 觀測項目

（1）氣象要素：按《氣象觀測規范》規定的方法進行，主要內容有降雨量、降雨歷時、降雨強度等。

（2）土壤資料：包括土壤容重和土壤水分。

（3）徑流量：次降雨產生的徑流，通過徑流量計算徑流系數。

（4）泥沙量：包括3個集流桶中的泥沙量，3個桶分別取樣，每次取水樣500mL，烘干稱量水樣中的含沙量，推算整個徑流小區的土壤侵蝕量。

（5）示范區項目觀測：示范區的溝蝕狀況、植被長勢。

4 人工降雨試驗

利用人工降雨設備在徑流小區的人工降雨試驗，可得到不同雨強下的各種處理的徑流量，通過取樣，可得到樣本泥沙量，從而得到徑流小區的此次降雨的土壤侵蝕量。

4.1 人工模擬降雨試驗介紹

此次試驗選用的人工降雨設備，是中科院水利部水土保持研究所儀器設備廠生產的BX－1型便攜式野外降雨器。針對該小區試驗，采用的小區兩邊各設置4組噴頭組合，共8組，做徑流小區不同雨強的降雨試驗。

其原理及組成：采用側噴式噴頭內不同的孔徑擋水板，在一定水壓下，會形成各種均勻的降雨強度，再將各個噴頭組合進行合理排布，即可形成設定區域內不同雨強的均勻降雨，達到試驗目的。

4.2 人工模擬降雨試驗主要參數的率定

4.2.1 率定的目的及準備工作

確定人工模擬降雨器在不同供水壓力條件下噴灑的降雨強度和對應的噴灑均勻度。

降雨強度：在設定供水壓力的條件下，測點處單位時間內的降雨量。

降雨均勻度：在無風的理想狀態下，在設定的降雨強度下，某一降雨范圍內各測點的降雨量與平均降雨量的差值的絕對值與平均降雨量的百分比。

要求率定場地地勢平坦，空曠無風，水源充足，供水壓力穩定，流量的設計壓力在設計范圍內可任意調節，水源清澈無雜質。

表1 BX-1型便攜式人工降雨器率定成果表

表2 人工降雨強度和土壤侵蝕量的關系 單位：kg/km2

4.2.2 率定過程

首先將模擬降雨器按在標準小區的布設安裝，即安裝在5m×20m的范圍內布設8個降雨器，將壓力調節閥、壓力表和模擬降雨器用相應的管道連接件與橡膠管連接在一起，每個接口用管卡箍筋，避免漏水，打開供水閥門，調節供水壓力，在噴灑范圍內安放40個雨量筒，雨量筒之間以正方形布設，準備一個手持風速儀，當風速超過0.2m/s時，停止率定，當無風時再重新開始。

降雨器一邊4個，間隔5m。

率定開始，觀測風速如符合要求，打開供水閥門，將供水壓力調節到0.1MPa，同是打開秒表開始計時，每一次試驗應持續10～30min，小雨強采用長時間，大雨強采用短時間，在降雨過程中注意觀察實驗條件是否發生變化，到設計降雨時間，關閉供水閥門，按雨量筒編號分別讀取降雨量值，記錄在表格中（見圖2）。

圖2 人工降雨與土壤侵蝕量關系圖

T——降雨時間；

通過測定，BX-1型便攜式人工降雨器率定成果見表1。

4.2.3 試驗小區人工模擬降雨試驗

在試驗小區進行了噴嘴孔徑為7mm、10mm、12mm三種雨強的人工降雨試驗，試驗采用3次重復，次降雨持續的時間10～30min，人工降雨試驗按率定的標準和外部自然條件進行，如壓力表的壓力是否達到設定壓力，7mm噴嘴工作壓力0.15MPa，10mm、12mm噴嘴工作壓力0.2MPa，風速是否超過2m/s，連接桿是否與水平面垂直。如果上述條件不能滿足，不能開展工作。

5 試驗資料分析及結果

降雨強度是指單位時間的降雨累計量。降雨強度影響土壤流失的關鍵是雨滴打擊力對土壤的分散作用，缺乏植被覆蓋的土壤易受降雨強度的影響，短歷時的強降雨會分散土壤，即便以后降雨強度有所降低，只要產生坡面徑流，也很容易輸送已經被分散的土壤，產生土壤侵蝕，形成水土流失。

分析人工降雨的降雨強度和土壤侵蝕量的關系，因為人工降雨強度偏大，并能人工控制降雨強度，土壤侵蝕現象明顯。

5.1 降雨強度和土壤侵蝕量關系

人工降雨試驗在試驗小區內進行。采用中科院水利部水保所儀器廠生產的BX-1型便攜式野外降雨器，4組對噴的形式，降雨支架高4m，設置12mm、10mm、7mm3個擋水板的噴水孔徑，由于降雨強度比較大，以分鐘為單位進行統計，對應的降雨強度通過率定分別為0.409mm/min、0.299 mm/min和0.186 mm/min。

試驗中要求土壤水分基本一致，處于基本飽和狀態，風速要求在2m/s以下，此次試驗采用3種不同降雨強度對各試驗小區進行試驗，每次試驗采用3次重復，現將試驗資料進行對比分析。

在100m2小區試驗數據的基礎上，擴大到1km2的面積上，得到表2。

表3 人工降雨強度和土壤侵蝕量的關系 單位：kg/km2

結果表明：降雨強度與土壤侵蝕量成正相關，相關系數在0.5～0.7之間，表示中等程度相關。從表中看出，隨著降雨強度的增加，水土流失量也在增加。不同的處理中，標準小區土壤侵蝕量最大，其次是生態混凝土和撂荒地，刮平夯實器、立體種植、混種草和W-OH土壤侵蝕量最小。

從以上數據可以看出，W-OH不同強度降雨下，土壤侵蝕量最小，當植物覆蓋小區地面后，土壤侵蝕量也很小，而裸土下的標準小區土壤侵蝕量最大。

5.2 降雨強度和土壤侵蝕量關系曲線

人工降雨試驗降雨強度和土壤侵蝕量的相關系數為0.75以上，說明降雨強度和土壤侵蝕量的相關程度很高。

通過對2013年度小區人工降雨強度和土壤侵蝕量的測定，擴大到1km2的土壤侵蝕量，通過升序的方式，作出表3、圖2。不同處理不同雨強的土壤侵蝕量可以查圖，就能得到相應的土壤侵蝕量。

根據降雨強度和土壤侵蝕量的關系圖2，可以查出各種處理下不同降雨強度的土壤侵蝕量，可滿足開發建設項目和生態建設在不同條件下用降雨強度求土壤侵蝕量的需求■