基于模擬降雨的坡溝系統侵蝕產沙時空分布特征研究

范東明，吳　卿，李志萍，楊春霞，王佳欣

(1.華北水利水電大學資源與環境學院，河南鄭州450045; 2.黃河水利科學研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南鄭州450003)

基于模擬降雨的坡溝系統侵蝕產沙時空分布特征研究

范東明1，吳卿1，李志萍1，楊春霞2，王佳欣1

(1.華北水利水電大學資源與環境學院，河南鄭州450045; 2.黃河水利科學研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南鄭州450003)

坡溝系統;侵蝕產沙;徑流含沙量;時空分布特征

利用水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室全自動人工降雨系統，對人工模擬的裸露坡溝系統進行了3組不同降雨強度的模擬試驗，對坡溝系統侵蝕產沙時空分布特征進行了分析。結果表明:坡溝系統侵蝕產沙量隨降雨歷時增加呈波動增加趨勢，溝谷中部和坡面過渡區域侵蝕發育較早且發展最快，溝谷產沙及溝谷徑流含沙量對坡溝系統出口徑流含沙量的貢獻最大，坡溝系統中溝谷中下部和坡面-溝谷過渡區域為侵蝕易發區域。在實踐中建議采取工程和植物措施，著重治溝、兼顧治坡，有助于控制黃土高原溝道的侵蝕產沙。

土壤侵蝕已經成為威脅現代社會和農業可持續發展的全球性環境問題，不僅會引起土地質量的持續退化，而且是水資源面源污染物的主要來源［1］。坡溝系統既是黃土高原小流域的基本組成單元、小流域侵蝕產沙的主要源地，又是控制水土流失、恢復與重建生態環境的基本治理單元，對其侵蝕現象與規律的探究可以為坡溝水土保持措施優化配置提供科學依據，對于恢復和重建生態環境具有重要意義［2］。因此，黃土高原坡溝系統水土流失治理歷來備受專家、學者的關注。

在坡溝系統產流產沙方面，眾多學者對黃土高原地區進行了不同時空尺度的產輸沙過程研究［3-6］:焦菊英等的觀測分析結果表明，山西羊道溝流域溝坡地接受溝間地徑流的侵蝕產沙量是溝坡地不接受溝間地徑流的1.8倍［7］;倪晉仁等采用坡面發育自組織理論對典型坡度條件下坡面的發育過程進行了模擬，重點分析了面蝕與溝蝕在坡面侵蝕中的關系及其貢獻大小，并闡述了坡度對面蝕向溝蝕轉化快慢的影響［8］;肖培青等利用室內人工模擬降雨試驗方法研究了坡面侵蝕方式演變對坡面侵蝕產沙量的影響，分析了溝蝕發育不同階段對坡面侵蝕產沙的貢獻［9］。但針對坡溝系統侵蝕產沙時空分布特征的研究較少，研究成果對辨識坡溝系統侵蝕發育強烈階段和部位，以及對坡溝系統水土流失治理措施布設具有一定參考價值。

1　試驗方案

1.1坡溝系統模型

本研究采用的坡溝系統模型為可變坡移動式鋼制土槽，槽體總長10 m、寬1 m，溝谷槽體和坡面槽體的坡度分別設置為35°和20°，模型特征值見表1，坡溝系統概化模型及觀測斷面劃分示意見圖1。

表　坡溝系統模型特征值

圖1　坡溝系統概化模型及觀測斷面劃分示意

1.2試驗設計

(1)雨強，選定66、85、120 mm/h共3種雨強，每種雨強考慮1～2組重復試驗。

(2)試驗總歷時不唯一，以坡溝系統內出現寬、深均大于20 cm的侵蝕溝或坡溝系統侵蝕發育基本穩定為依據，保證試驗過程中坡溝系統出現面蝕、細溝侵蝕和準淺溝侵蝕等不同侵蝕方式，且坡溝系統侵蝕發育基本穩定。

(3)試驗前條件控制。填土前模型內底部墊5 cm厚大沙，以降低鋼槽光滑邊壁的影響;為消除土壤因素對侵蝕形態發育的影響，供試土先過5 mm篩，填土時嚴格分層并拍實，使其各層土壤密實度均勻，試驗填土容重控制在1.22～1.25 g/cm3;填土厚度每層10 cm，總填土厚度為45 cm;試驗前一天采取降小雨形式讓槽體內土壤水分達到飽和，以消除土壤含水量差異的影響。

2　試驗觀測

試驗前先調節噴頭和壓力組合，率定出設計雨強備用;將降雨自動控制系統設定為每10 min(第一階段為20 min)停2 min，進行侵蝕形態量測，直至達到預期侵蝕發育程度為止。在集水口放徑流桶，開啟降雨系統，試驗開始。從降雨系統開啟到有徑流流至徑流桶的時間為產流時間，至降雨系統關閉為降雨總歷時。流速量測采取染色劑法，分10個斷面分別進行測量，測量間隔為2～4 min;徑流泥沙樣量測，采取徑流桶接樣，接樣間隔為2 min，盡量接取2 min時間間隔內的全部泥沙樣;徑流沿程含沙量量測，采取針管抽取，存放至采樣瓶內，取樣間隔為2～4 min。

3　結果與分析

3.1坡溝系統產沙過程分析

在黃土高原坡溝系統侵蝕產沙機理研究中，試驗過程中侵蝕產沙量的動態變化對于研究人員認識侵蝕產沙規律是十分重要的。通過對降雨過程中徑流桶接的徑流泥沙樣稱量計算，根據試驗數據點繪出了不同降雨強度下坡溝系統侵蝕產沙量隨時間變化過程，如圖2所示。從圖中可以看出，坡溝系統侵蝕產沙量在不同雨強的降雨條件下均隨著降雨時間的增長呈波動上升趨勢，其中:66 mm/h降雨條件下的產沙過程線最低，在歷時100 min的降雨過程中，前30 min降雨時段內產沙過程呈明顯的增加趨勢，30～60 min降雨時段內產沙過程相對處于波動穩定狀態，60 min之后侵蝕過程又進入一個新的波動增加階段;85和120 mm/h降雨條件下坡溝系統產沙過程線較接近，在降雨的前16 min內，120 mm/h降雨的產沙過程線明顯高于85 mm/h降雨的產沙過程線，這是因為降雨剛開始階段，大雨強的降雨使具有較大能量和侵蝕力的雨滴在坡面發生濺蝕和面蝕，雨滴的打擊對坡面土壤做功，使土粒飛濺并向下遷移，土壤結構破壞，導致降雨侵蝕和地表徑流的輸沙能力增大，而20 min之后，85和120 mm/h的降雨產沙過程線差別不再明顯，說明坡溝系統地表侵蝕發育一旦開始，85 mm/h以上的降雨均能導致較強的水土流失。需要說明的是，圖中某些時刻產沙量驟降的原因與降雨過程短暫停止(降雨停止2 min掃描地形)的影響有關。

圖2　不同降雨強度下坡溝系統侵蝕產沙量隨時間變化過程

3.2坡溝系統產沙時段分布特征

雨強和降雨歷時對坡溝系統侵蝕產沙過程的作用是非常關鍵的。3種雨強條件下，坡溝系統均經歷了從面蝕到溝蝕、從弱到強的侵蝕發育過程，侵蝕產沙量在整個降雨模擬過程中的分布也表現不同。為便于分析比較，以66 mm/h降雨模擬試驗最終產沙量為參考(坡溝系統產沙總量為65 kg)，選取3種雨強下總產沙量相當的階段進行分析，并取10 min為1個時段，統計每個時段的產沙量占總產沙量的比例(不滿1個時段的不計)，見圖3。從圖3中可以看出，當3種雨強下坡溝系統的產沙量均達到65 kg左右時，66 mm/h的降雨經歷了98 min，而85和120 mm/h的降雨僅分別經歷了60和56 min，說明85、120 mm/h兩次降雨產沙過程劇烈。66 mm/h曲線較平緩，而85和120 mm/h的降雨產沙量所占比例隨降雨階段的增加明顯增加，尤其是120 mm/h大雨強下坡溝系統在第一個降雨時段就已發生劇烈的侵蝕產沙。85 mm/h降雨在第二、第三個降雨階段侵蝕產沙量所占比例急劇增加，之后和120 mm/h的大雨強降雨下坡溝系統的各階段產沙量占總產沙量的比例接近，說明對于裸露的坡溝系統來說，85 mm/h及以上強度降雨造成的侵蝕過程已非常劇烈，尤其是降雨歷時超過30 min的高強度降雨。

圖3　不同降雨強度下各降雨階段產沙量占總產沙量的比例分布

3.3坡溝系統徑流含沙量空間分布特征

坡溝系統出口徑流含沙量是坡面和溝谷徑流攜帶泥沙量的綜合反映。結合坡溝系統徑流含沙量的空間分布特征分析，可以直觀地反映侵蝕產沙的空間分布特征。圖4為3種雨強下坡溝系統含沙量(Sp-g)、坡面徑流含沙量(Sp)和溝谷徑流含沙量(Sg)在6個降雨時段的分布圖。由圖4可以看出，隨降雨歷時的延長(降雨時段的延續)，徑流含沙量總體呈增加趨勢，尤其是85和120 mm/h降雨更加明顯。整個坡溝系統的徑流含沙量介于坡面和溝谷徑流含沙量之間，將坡溝系統Sp-g與坡面Sp、溝谷Sg做進一步回歸分析發現(表2): 在85和120 mm/h雨強條件下，Sp-g與Sp和Sg均呈正相關關系;在66 mm/h雨強條件下，Sp-g與Sg呈正相關，與Sp呈負相關;進一步分析Sg和Sp的系數發現，溝谷徑流含沙量對坡溝系統徑流含沙量的作用程度均強于坡面徑流含沙量對坡溝系統徑流含沙量的作用程度，如在66 mm/h雨強條件下Sg和Sp的系數比為1.36 ∶1.00，85和120 mm/h雨強下Sg和Sp的系數比分別為3.18∶1.00和29.35∶1.00，說明雨強越大，溝谷產沙對坡溝系統出口徑流含沙量增沙程度越強。因此，要控制坡溝系統徑流含沙量，須同時考慮降低坡面和溝谷的徑流含沙量，尤其是溝谷部位的徑流含沙量。

圖4　不同降雨強度下坡溝系統中坡面、溝谷徑流含沙量空間分布

表2　坡溝系統徑流含沙量與坡面、溝谷徑流含沙量的相關關系

3.4坡溝系統徑流含沙量時空分布特征

隨降雨的進行，坡溝系統各斷面的徑流含沙量也呈波動增加趨勢，尤其以溝谷部分和坡面下部最為明顯(圖5)。66 mm/h降雨，隨降雨歷時延長，坡溝系統發育至坡面底部5斷面，圖5(a)中5斷面的含沙量數據點明顯高于2～4斷面;85和120 mm/h降雨，坡溝系統坡溝過渡地帶的侵蝕溝均溯源侵蝕發展至坡面中部3、4斷面，圖5(b)、(c)中斷面3～4部位的含沙量數據點隨著降雨階段的增加波動抬高，尤其是在120 mm/h降雨條件下，這種現象更加明顯。坡溝系統徑流含沙量的時空分布特征是其侵蝕發育過程的直接反映。可見，85和120 mm/h降雨對坡溝系統地表形態損壞更嚴重，坡溝系統溝谷中部和坡溝系統過渡區域為侵蝕易發區域。

圖5　坡溝系統徑流含沙量時空分布特征

4　結論與建議

基于上述降雨模擬試驗，得出以下結論:高強度降雨對裸露的坡溝系統具有較強的破壞性，尤其是降雨歷時大于30 min的強降雨;坡溝系統中，溝谷產沙及溝谷徑流含沙量對坡溝系統出口徑流含沙量的貢獻最大，因此調控坡溝系統徑流含沙量須重點考慮降低溝谷部位的徑流含沙量;坡溝系統的溝谷中下部和坡面-溝谷過渡區域為侵蝕易發區域，在實踐中可考慮采取工程和植物措施加以綜合防護。今后在黃土高原地區水土流失治理實踐中，建議在坡溝系統的水沙調控中采取著重溝谷治理、兼顧坡面治理的合理化配置措施，有助于控制黃土高原坡溝單元的侵蝕產沙。

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(責任編輯李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)03-0043-04

黃河水利科學研究院基本科研業務費專項(HKY-JBYW-2014-08、HKY-JBYW-2014-19)

范東明(1989—)，男，河南鄭州市人，碩士研究生，主要研究方向為土壤侵蝕過程模擬。

2015-11-19