模擬降雨條件下崩積體坡面產流產沙特征及其響應關系

朱高立， 肖澤干， 劉曉靜， 黃炎和， 鄒 偉， 林金石， 蔣芳市

(1.福建農林大學 資源與環境學院， 福建 福州 350002; 2.南京農業大學 公共管理學院， 江蘇 南京 210095)

試驗研究

模擬降雨條件下崩積體坡面產流產沙特征及其響應關系

朱高立1，2， 肖澤干2， 劉曉靜2， 黃炎和1， 鄒 偉2， 林金石1， 蔣芳市1

(1.福建農林大學 資源與環境學院， 福建 福州 350002; 2.南京農業大學 公共管理學院， 江蘇 南京 210095)

[目的] 研究崩積體坡面產流產沙特征及其響應關系，為崩崗治理提供理論基礎與科學依據。 [方法] 通過室內模擬降雨試驗，探討不同覆蓋度(0%，25%，50%，75%，100%)和坡度(25°，30°，35°)組合坡面在90 mm/h雨強條件下的產流產沙時空特征及其響應關系。 [結果] 不同覆蓋度和坡度條件下，坡面產流時間的變化范圍在33～292 s；同一坡度條件下，坡面產流時間與覆蓋度呈線性正相關關系；同一覆蓋度條件下，坡面產流時間與坡度呈冪函數關系。通過雙因素方差分析可知，坡度對徑流量的影響達到極顯著水平，覆蓋度對產沙量的影響達到顯著水平。當坡度為25°時，坡面產沙總量的臨界覆蓋度為50%；當坡度為30°時，坡面產沙總量的臨界覆蓋度為75%；當坡度為35°時，坡面徑流量的臨界覆蓋度為50%。 [結論] 針對不同坡度崩積體坡面，可以選擇合適的秸稈覆蓋度以達到較好的水土保持效果。

崩積體; 人工模擬降雨; 秸稈覆蓋; 侵蝕

降雨引起的坡面侵蝕是一個全球性的環境問題[1-3]，這在中國南方崩崗區表現較為突出。中國的崩崗主要集中在長江以南的熱帶、亞熱帶赤紅壤、紅壤丘陵區[4]。作為一個復雜的系統，崩崗主要由崩壁、崩積體和洪積扇3部分組成[5]，其中，崩積體是崩崗的重要組成部分，也是崩崗泥沙的主要來源[6]，崩積體侵蝕產生的泥沙會淤埋農田、抬高河床，導致洪水泛濫，給人民的生命財產帶來巨大威脅[7]。因此，有必要對崩積體坡面的產流產沙特征及其響應關系進行研究，這不僅可以幫助我們深入了解崩崗侵蝕的機理，也可以為崩崗災害的治理提供理論基礎與科學依據。現階段，不少學者對土壤坡面侵蝕的影響因素[8-10]、產流時間[11]、侵蝕過程[12]、侵蝕泥沙顆粒特征[13-14]、動力學特征[15-16]及治理措施[17-18]等方面進行了研究。這些研究從不同角度對坡面的侵蝕狀況進行了分析，但研究對象各有差異，其中，以崩崗崩積體為對象，對其侵蝕機理與防治措施進行研究的文章還相對較少。因此，本研究通過室內降雨試驗，對不同坡度和覆蓋度條件下的崩積體坡面產流產沙過程進行了研究，試圖揭示崩積土體的侵蝕變化規律及其響應關系，為崩崗崩積體的治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采樣地位于福建省安溪縣龍門鎮洋坑村(118°03′E，24°57′N)。洋坑村為河谷小盆地，丘陵地帶，屬南亞熱帶氣候，氣候溫和，年平均溫度18 ℃，年活動積溫5 633～7 238 ℃。該地雨量充沛，年平均降雨量1 800 mm，全年無霜期293～340 d，全年總日照時數2 030 h。研究區土體屬酸性花崗巖類，土壤的理化性質如下：土壤pH值為5.2；土壤有機質含量為1.70 g/kg；砂粒含量高，黏粒含量低；在各粒級顆粒重量比方面，礫石∶粗砂∶細砂∶粗粉∶細粉∶黏粒=19.78∶46.06∶8.61∶8.18∶14.55∶2.81，土壤質地疏松，結構性差。

1.2 試驗模型裝置

模擬降雨裝置采用西安清遠測控技術有限公司生產的QYJY-501型模擬降雨控制器，降雨高度12 m，雨滴降落到地表的終速可達到自然降雨終速的95%以上；模擬降雨器降雨面積3 m×6 m，雨強變化范圍在15～200 mm/h，降雨均勻度大于0.85。試驗土槽為固定式可變坡鋼槽，坡度調節范圍為0～40°，土槽長、寬、高依次為5，2，1 m，土槽按1 m寬間隔平分成2個槽。

1.3 試驗設計

通過野外調查可知，安溪縣崩崗崩積體坡度主要集中在25°～35°，因此試驗坡度設置為25°，30°，35°。通過分析安溪縣常年降雨數據，根據當地降雨強度特征，將試驗雨強設定為90 mm/h。坡面采用5種處理，均勻覆蓋秸稈，秸稈覆蓋量為0，1 500，3 000，4 500，6 000 kg/hm2，折合覆蓋度約為0，25%，50%，75%，100%。每次降雨時間為1 h，2次降雨間隔為48 h，試驗重復2次。

1.4 試驗過程

試驗用土風干后過10 mm篩以清除土樣中的植物根系、石塊、塑料等雜物。填土前，先在土槽底部填入60 cm厚沙石，上鋪設棉紗布，以保證試驗土層的透水狀況接近供試土壤，使試驗過程中土壤水分能自由下滲，之后采用分層填土、每層土厚10 cm的方式向土槽中填入30 cm厚的土樣并壓實，土壤容重控制在1.25～1.40 g/cm3，與野外崩積體的容重相似。降雨試驗前用30 mm/h的降雨使供試土壤達到水分飽和但不產流，然后用塑料布覆蓋坡面，使水分充分運動滲透，放置18 h后開始試驗。試驗過程中，坡面產流開始后記錄產流時間，每隔2 min收集1次徑流和泥沙。用量筒測定徑流樣體積，用烘干法(105 ℃)測定泥沙量。

(三)首次提出改革黨和國家領導制度，堅持和發展中國特色社會主義制度，為改革開放的持續偉業奠定了根本制度基礎

1.5 數據處理與分析

試驗數據采用Excel和SPSS 18.0軟件進行數據分析。通過Excel進行數據處理、相關性分析和繪圖等。利用SPSS 18.0進行逐步回歸分析和方差分析。

2 結果分析

2.1 坡面產流特征

2.1.1 坡面產流時間的變化特征 圖1表示不同覆蓋度和坡度條件下初始產流時間的變化值。由圖可知，坡面初始產流時間的變化范圍在33～292 s。同一坡度條件下，坡面初始產流時間隨覆蓋度的增加而延長。具體看，25°坡度下，100%覆蓋度坡面的產流時間比0，25%，50%，75%覆蓋度坡面分別延長252，161，57，51 s；30°坡度下，100%覆蓋度坡面的產流時間比0，25%，50%，75%覆蓋度坡面分別延長156，129，25，14 s；35°坡度下，100%覆蓋度坡面的產流時間比0，25%，50%，75%覆蓋度坡面分別延長119，119，26，21 s。同一覆蓋度條件下，坡面初始產流時間隨坡度的增加而降低，具體看，覆蓋度為0時，35°坡面的產流時間比25°和30°坡面分別縮短7和1 s；覆蓋度為25%時，35°坡面的產流時間比25°和30°坡面分別縮短98和28 s；覆蓋度為50%時，35°坡面的產流時間比25°和30°坡面分別縮短109和39 s；覆蓋度為75%時，35°坡面的產流時間比25°和30°坡面分別縮短110和45 s；覆蓋度為100%時，35°坡面的產流時間比25°和30°坡面分別縮短140和38 s，可以發現，初始產流時間隨覆蓋度的增加呈冪函數降低趨勢。梁洪儒等[19]對礫石覆蓋下的北京山區褐土坡面產流產沙特征的研究發現，坡面產流時間隨礫石覆蓋度的增大而延遲，與本試驗的研究結果相吻合。由圖1還可以看出，當坡面無覆蓋時，不同坡度條件下的坡面產流時間維持在較低水平，相互之間差別不大，這說明裸露坡面的產流速度較快，且坡面產流時間受坡度變化的影響較小。當坡面覆蓋秸稈時，不同條件下的坡面產流時間較裸露坡面均有較大幅度的延長。具體看，當覆蓋度為25%時，25°，30°，35°坡面的產流時間較無覆蓋坡面延長91，27，0 s；當覆蓋度為50%時，25°，30°，35°坡面的產流時間較無覆蓋坡面延長195，131，93 s；當覆蓋度為75%時，25°，30°，35°坡面的產流時間較無覆蓋坡面延長201，141，98 s；當覆蓋度為100%時，25°，30°，35°坡面的產流時間較無覆蓋坡面延長252，156，119 s，這說明秸稈覆蓋對延遲坡面產流具有較好的效果，主要原因一方面是因為秸稈可以攔蓄坡面徑流，另外一方面是因為秸稈可以降低降雨對地表的擊濺力，阻止坡面細溝侵蝕與發育，保持地表形態，從而起到延緩產流時間的效果。同一覆蓋度條件下，坡面產流時間隨坡度的增加呈冪函數降低，主要原因是較低的坡度造成坡面徑流受地表粗糙度的影響較大，造成了坡面產流時間的延長。

圖1 不同覆蓋度和坡度條件下初始產流時間

關于坡面產流時間與覆蓋度的函數關系，不少學者做過相關研究。劉戰東[20]選取冬小麥作為研究對象，分析了不同覆蓋方式對降雨過程的影響，結果表明產流時間隨LAI(葉面積指數)的減少而提前，兩者呈顯著線性函數關系(p<0.01)。本研究采用回歸方法定量分析了坡面產流時間(T)與秸稈覆蓋度(C)的關系(表1)。由表1可知，坡面產流時間與秸稈覆蓋度呈線性正相關關系，這表明坡面產流時間隨覆蓋度的增加而延長，覆蓋度越高，其對坡面產流時間的延緩作用越明顯。主要原因有二：一是秸稈通過阻截和攔蓄徑流從而降低徑流速度，延遲坡面產流時間；二是秸稈覆蓋通過保護坡面土體使得土體孔隙度不受破壞，降雨可以有序下滲，從而縮短產流時間。張翼夫等[21]研究表明，自然降雨過程中(雨強為10～80 mm/h)，15%，30%，60%和90%秸稈覆蓋坡面較無覆蓋坡面分別推遲產流時間1.0～15.4 min，2.1～22.1 min，3.4～48.2 min，5.9～73.6 min。錢婧[22]通過分析坡長和植被覆蓋度對初始產流時間的影響時發現，影響初始產流時間最大的因素是植被覆蓋度，植被的介入可削弱坡長對初始產流時間的影響，這與本研究結論相似。

表1 坡面產流時間(T)與秸稈覆蓋度(C)的相關性分析

2.1.2 坡面產流過程特征 圖2為不同覆蓋度和坡度條件下徑流量隨降雨時間的變化過程。由圖2可以發現，同一坡度條件下，25°坡面的徑流量在降雨開始后的7 min內迅速增加，之后趨于穩定；30°坡面的徑流量在降雨開始后的12 min內快速增加，之后趨于穩定；35°坡面的徑流量在降雨開始后逐漸增加，直到21 min后徑流量才趨于穩定。可以發現，坡面徑流量增加幅度大小依次為：25°>30°>35°，主要原因為： (1) 較低坡面擁有較大的有效降雨面積，坡面接收到的降雨量較多，較多的降雨量意味著較大的徑流量； (2) 較小的坡度使得降雨與坡面土體充分接觸，土體所受到的擊濺作用強烈，這導致坡面細溝的形成和發育，細溝匯集坡面徑流，溝內徑流速度增快，最終使得坡面徑流量在短時間內達到穩定。同一覆蓋度條件下，不同坡度坡面的徑流量大小依次為：25°>30°>35°，可以發現，較低坡度的坡面徑流量較高，原因可參照之前的解釋，主要從有效降雨面積的增加及降雨與坡面充分接觸導致細溝發育兩方面分析。由圖2還可以看出，同一坡度條件下，不同覆蓋度坡面徑流量變化幅度30°大于25°和35°坡面，主要原因一方面是相比較25°坡面，30°坡面的坡面流流速較大，較大的坡面流流速具有較大的動能，使得坡面受到侵蝕從而產生細溝，細溝在侵蝕發育的過程中伴隨著溝壁土體的滑落與堆積，最終導致細溝內徑流量出現較大的起伏；另一方面，較大的坡度使得坡面土體的穩定性下降，坡面容易發生崩塌，崩塌的土體阻塞溝道，上方徑流被阻滯，經過一段時間的徑流侵蝕后，崩塌的土體被搬運，溝道再次變得暢通，大量被阻滯的徑流迅速下泄，坡面產流量快速增加，如此反復。相比較35°坡面，30°坡面的有效降雨面積較大，加上較低坡度導致的降雨與坡面土體的充分接觸，坡面細溝侵蝕逐漸發育，最終使得坡面徑流量出現較大的起伏變化。

圖2 不同覆蓋度和坡度條件下徑流量隨時間變化

2.2 不同覆蓋度和坡度對徑流量的影響

圖3表示不同覆蓋度和坡度條件下的坡面徑流總量。由圖3可以看出，當坡面無覆蓋時，坡面徑流總量大小依次為：25°>35°>30°，主要原因一方面可能是25°坡面的有效降雨面積較大，較大的降雨面積意味著接收到的降雨量較多，坡面徑流量較大；另一方面，低坡度條件下，雨滴打擊使得坡面結皮厚度和硬度發育更加完全，坡面更容易產生徑流。35°坡面的徑流量大于30°坡面，原因是雖然35°坡面的有效降雨面積較小，但較大的坡度可以加快坡面徑流速度，降低坡面流下滲能力，坡面多出的水轉化為地表徑流，此時流速增加引起的徑流量增大可以抵消有效

圖3 不同覆蓋度和坡度條件下徑流量變化

通過雙因素方差分析可以發現，坡度對徑流量的影響達到極顯著水平，而覆蓋度對徑流量的影響不顯著(表2)。肖培青等[25]定量研究了90 mm/h雨強、20°坡度條件下不同覆蓋度(80%，60%，40%，20%)苜蓿草地的產流產沙規律，發現不同草被覆蓋條件下草地累積徑流量隨著草地覆蓋度的減小而增大，該結論與本試驗的結果不同，可能的原因一是坡度條件的不同，二是本試驗的覆蓋物相比較原生植被，與坡面土體的結合度較低。

表2 坡度和覆蓋度對徑流量影響的方差分析結果

注：**表示達到極顯著水平(p<0.01)。

2.3 坡面產沙過程特征

不同覆蓋度和坡度條件下崩積體坡面侵蝕產沙量變化曲線如圖4所示。

圖4 不同覆蓋度和坡度條件下坡面產沙量隨時間變化特征

由圖4可以看出，當坡面無覆蓋時，不同坡度坡面的產沙量在降雨前期和中期維持在低水平，在降雨后期迅速增加達到高水平，且變化幅度35°>30°>25°，主要原因是長時間的降雨使得坡面土體結構松軟，穩定性變差，加上土體水分飽和導致的降雨下滲量較低，坡面徑流量增加，最終引起坡面細溝侵蝕與面蝕的發生與發育，導致坡面產沙量在降雨后期大幅度增加。當坡面覆蓋度為25%時，不同坡度條件下的坡面產沙量在整個降雨過程中起伏變化明顯，且都處于較高水平，此時，坡面產沙量大小依次為：35°>30°>25°，主要原因是在覆蓋度較小的情況下，坡面土體無法被完全覆蓋，相當面積的土體直接受到降雨的打擊，此時，坡面細溝開始發育，細溝在發育的過程中會出現邊緣侵蝕與溝內堆積的現象，從而導致坡面產沙量較高，產沙量變化幅度較大。當坡面覆蓋度為50%時，坡面產沙量在降雨前期出現較小程度的增加，之后迅速降低并保持穩定，主要原因一方面是因為坡面受覆蓋物的保護，秸稈覆蓋可以減輕降雨對坡面的沖擊與侵蝕，使得雨滴的動能大大降低，加上秸稈有攔蓄徑流的作用，所以坡面產沙量較低；另一方面是因為坡面徑流量的臨界覆蓋度為50%，在該覆蓋度下坡面徑流量較少，較小的徑流量缺乏足夠的動能搬運大規模的泥沙，所以此時坡面產沙量較低。當坡面覆蓋度為75%時，25°和35°坡面的產沙量在降雨過程中始終處于低水平，30°坡面的產沙量在降雨過程中處于較高值，主要原因是25°條件下，較高覆蓋度秸稈吸收了大量降水，自身重力勢能增加，加上坡度較低，所以坡面穩定性較高，坡面土體不易受到侵蝕或發生崩塌，35°坡度條件下，坡度較高，降雨無法與坡面充分接觸作用，侵蝕交輕，產沙量較低。30°坡面適中的坡度加上降雨與坡面的充分接觸作用使得坡面產沙量處于較高水平。當坡面覆蓋度達到100%時，不同坡度坡面的產沙量處于極低值，說明該覆蓋度對坡面產沙量的減少效果最明顯。

2.4 不同覆蓋度和坡度對產沙量的影響

圖5表示不同覆蓋度和坡度條件下的坡面產沙總量。

圖5 不同覆蓋度和坡度條件下產沙量變化

由圖5可以看出，當坡度為25°時，坡面產沙總量隨覆蓋度的增加呈減小—增加—減小的變化趨勢，說明在此坡度下存在一個臨界覆蓋度，在這個覆蓋度之前，坡面產沙量隨覆蓋度的增加先降低后提高，在這個覆蓋度之后，坡面徑流總量隨著覆蓋度的增加而降低，本研究的臨界覆蓋度為50%。當坡度為30°時，坡面產沙總量隨著覆蓋度的增加呈減小—增加—減小的變化趨勢，說明在此坡度下同樣存在一個臨界覆蓋度，該臨界覆蓋度為75%。當坡度為35°時，坡面產沙總量隨著覆蓋度的增加呈下降趨勢，說明在此坡度下，秸稈覆蓋度的增加能夠明顯降低坡面產沙總量，主要原因是坡面覆蓋秸稈一方面可以有效降低雨滴動能，減小雨水對坡面的擊濺；另一方面可以攔蓄坡面泥沙，有效降低坡面產沙量。

將數據進行雙因素方差分析可以發現，覆蓋度對坡面產沙量的影響達到顯著水平，坡度與產沙量無顯著相關(表3)。陳冬素[26]認為隨著植被覆蓋度的增加，坡面累積含沙量減少較快，植被覆蓋度是影響產沙量的重要因素。

表3 坡度和覆蓋度對產沙量影響的方差分析結果

注：**表示達到極顯著水平(p<0.01)； *表示達到顯著水平(p<0.05)。

3 結 論

(1) 不同覆蓋度和坡度條件下，坡面初始產流時間的變化范圍在33～292 s；同一坡度條件下，坡面初始產流時間隨著覆蓋度的增加而延長；同一覆蓋度條件下，坡面初始產流時間隨著坡度的增加呈冪函數降低趨勢；通過回歸方法定量分析坡面產流時間與秸稈覆蓋度的關系發現，坡面產流時間與秸稈覆蓋度呈線性正相關關系。

(2) 當坡度為25°時，坡面產沙總量存在臨界覆蓋度，值為50%；當坡度為30°時，坡面產沙總量存在臨界覆蓋度，值為75%；當坡度為35°時，坡面徑流量存在臨界覆蓋度，值為50%。

(3) 通過雙因素方差分析可以發現，坡度對徑流量的影響達到極顯著水平，而覆蓋度對徑流量的影響不顯著；覆蓋度對坡面產沙量的影響達到顯著水平，坡度與產沙量無顯著相關關系。

(4) 本研究僅分析了不同條件下的坡面產流產沙過程，對于影響坡面徑流的各類參數以及產出泥沙的顆粒特征還未有全面深入的探討，今后的研究將會對這部分內容進一步補充與完善，最終構建出一個完整的崩積體坡面侵蝕的理論框架。

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Processes and Responses of Runoff and Sediment Yield on Colluvial Deposits Under Simulated Rainfall

ZHU Gaoli1，2， XIAO Zegan2， LIU Xiaojing2， HUANG Yanhe1， ZOU Wei2， LIN Jinshi1， JIANG Fangshi1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment，FujianAgricultureandForestryUniversity，Fuzhou，Fujian350002，China; 2.CollegeofPublicAdministration，NanjingAgriculturalUniversity，Nanjing，Jiangsu210095，China)

[Objective] The erosion mechanism of colluvial deposits was researched to provide a theoretical basis and scientific evidence for the treatment of collapsing hills. [Methods] An indoor rainfall simulation experiment on slopes of colluvial deposits under 90 mm/h rainfall，and with the treatments of coverages(0，25%，50%，75%，100%) and slopes(25°，30°，35°) was carried out. Runoff and sediment were measured. [Results] The initiating time of runoff under different conditions changed from 33 to 292 s. Under the same slope gradient， there was a linear positive correlation between the initiating time of runoff and the straw coverage， and the initiating time of runoff had a power function with slope as independent variable. Through two-way variance analysis， the influence of slope on runoff was very significant and the influence of coverage on sediment yield was significant. The critical straw coverage of sediment yield was 50% under 25°， the critical straw coverage of sediment yield was 75% under 30°， the critical straw coverage of runoff was 50% under 35°. [Conclusion] For different slope gradients of colluvial deposits，we can choose optimal coverage of straw to reduce sediment yield and runoff effectively.

colluvial deposits; artificial simulation rainfall; straw mulch; erosion

2016-05-11

2016-05-14

國家自然科學基金項目“花崗巖崩崗土體膠結物質與抗剪強度的關系”(41571272)，“組合指紋法分析花崗巖崩崗侵蝕產沙運移規律研究”(41001169)； 國家科技支撐計劃項目(2014BAD15B0303)

朱高立(1989—)，男(漢族)，江蘇省徐州市人，博士研究生，研究方向為土地經濟與管理。E-mail:zhugaoli1989@126.com。

黃炎和(1962—)，男(漢族)，廣東省饒平縣人，教授，博士生導師，主要從事土壤侵蝕與治理研究。E-mail:yanhehuang@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.001

A

1000-288X(2016)06-0001-07

S157.1， S157.2

文獻參數： 朱高立， 肖澤干， 劉曉靜, 等.模擬降雨條件下崩積體坡面產流產沙特征及其響應關系[J].水土保持通報，2016,36(6)：001-007.