三峽庫區小流域侵蝕產沙產流研究

朱曉軍 肖 海

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002;2.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002)

由于長期不合理的土地利用方式，加之較頻繁的侵蝕性降雨，導致三峽庫區水土流失嚴重，不僅致使庫區土層日趨貧瘠，當地農業生態環境逐漸惡化，而且水庫泥沙淤積給三峽工程和長江中下游的安危造成極大威脅［1］。小流域是水土保持研究的基本單元，對其侵蝕產沙空間分布的了解是預測和防治流域水土流失的重點［2］。本文以三峽庫區主要土壤類型紫色土為研究對象，通過建立小流域微縮模型，結合人工模擬降雨試驗，研究小流域在不同雨強下產流產沙過程，為三峽庫區小流域治理以及水土流失預測模型的建立提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 建立小流域模型

研究區位于三峽庫區湖北宜昌段，以秭歸縣水田壩鄉的王家橋小流域(31°12′N ～31°15′N，110°40′E ～110°43′E)為原型，通過實地勘察，按1∶100的比例尺將其微縮模型建于三峽大學人工模擬降雨試驗場。小流域模型外圍邊界用紅磚及水泥砌成，模型中下層鋪設砂土以便透水。上層按照1.3 g/cm3的容重鋪設10 cm厚的紫色土層。小流域模型建成后，其溝道分布如圖1所示。

圖1 小流域模型（單位：m）

1.2 人工降雨過程及處理

人工降雨試驗在三峽大學人工模擬降雨試驗場開展。降雨設施采用南京南林電子科技生產的NLJY-10-01型便攜式人工模擬降雨系統，降雨高度4 m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于 0.86，降雨強度為 60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h。利用均勻分布于小流域中的雨量筒，通過多次測定平均降雨強度對降雨強度率定。每次降雨開始前，先將小流域表層濕潤，直至接近產生地表徑流。然后，將降雨強度調至設定值，在降雨開始產流后開始計時，以2 min為時間間隔接取全部泥沙樣品以待測試，同時照相，并對試驗過程進行記錄。降雨30 min結束后，覆蓋防雨布以備下次試驗使用。泥沙樣品接收后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

2 結果與討論

2.1 總產流產沙分析

從表1可以看出，徑流量隨著降雨強度的增大而增加，但是增加幅度相差較大，雖然三次降雨強度均相差30 mm/h，但與60 mm/h相比，90 mm/h徑流量增加 325.106 kg，120 mm/h相對于90 mm/h只增加261.616 kg，增幅減少了19.53%。

表1 三次降雨徑流量及侵蝕量對比表

與徑流量變化規律相同，三場降雨侵蝕量隨著降雨強度的增大而增加，且增加幅度相差較大:降雨強度為90 mm/h侵蝕量比60 mm/h 增加20.852 kg，120 mm/h 侵蝕量比90 mm/h 增加1.79 kg，增幅較前兩場減少91.42%，這個增幅遠小于同期徑流量的增幅。

2.2 產流產沙過程分析

從圖2可以看出，徑流量在三場降雨過程中均隨徑流時間呈現先增大后趨于穩定的趨勢。雖然三場降雨徑流量均隨時間呈現相同的變化規律，但由圖3可知，三場降雨的土壤侵蝕量變化規律并不一致。在60 mm/h雨強下，土壤侵蝕量隨徑流時間逐漸增加。而在隨后的90 mm/h雨強下，土壤侵蝕量隨降雨歷時變化出現了先陡增后穩定波動的趨勢。在120 mm/h雨強下，整個降雨過程中侵蝕量仍呈現穩定波動的變化規律。

圖2 三場降雨徑流量隨時間變化圖

圖3 三場降雨土壤侵蝕量隨時間變化圖

3 結語

本研究通過模擬人工降雨實驗，對三峽庫區模擬小流域泥沙來源及其產沙過程進行了研究。結果表明:

1)三場降雨徑流量及侵蝕量均隨雨強增加，但徑流量的增加幅度遠大于侵蝕量;2)三場降雨過程中徑流量均隨徑流時間呈現先增大后趨于穩定的趨勢;3)三場降雨過程中侵蝕量變化規律不一致，在60 mm/h雨強下，土壤侵蝕量隨徑流時間逐漸增加，在90 mm/h及120 mm/h雨強下，土壤侵蝕量隨降雨歷時變化出現了先陡增后穩定波動的趨勢。

［1］ 熊平生，謝世友，謝金寧.初探三峽水庫濕地面臨的問題及其對策［J］.國土與自然資源研究，2004(4):60-62.

［2］ Kimoto A，Nearing M A，Shipitalo，et al.Multi-year tracking of sediment sources in a small agricultural watershed using rare earth elements［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2006(31):1763-1774.