人工模擬不同降雨強度對貴陽市花溪區石灰土水分運移的影響

韓文君 潘佑靜 杜波

摘要 采用人工降雨對各種降雨強度進行模擬，觀測花溪區石灰土土壤水分在不同雨強下的入滲情況，總結和探討了不同降雨強度對典型喀斯特區域石灰土土壤水分入滲的影響規律。結果表明：對于石灰土，降雨強度小于60 mm/h的降雨歸類于有效降雨，≥60 mm/h的降雨歸類為侵蝕性降雨。40 mm/h雨強降雨對土壤水分補充效果優于20 mm/h雨強降雨。在60～80 mm/h雨強范圍的降雨是利用率最低的降雨，降雨強度越大，產流量越高，對土壤的侵蝕力越強，土壤對降雨的吸收率越低。雨強越大，土壤表層含水率變化越大，土壤水分的增加過程在降雨后20 min達到最大值然后緩慢降低。

關鍵詞 石灰土；水分入滲；人工降雨；降雨強度；貴州貴陽

中圖分類號 S714.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）06-0189-03

Effects of Different Rainfall Intensity on Limestone Soil Water Transport of Huaxi Area in Guiyang City

HAN Wen-jun PAN You-jing DU Bo

（College of Forestry，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550001）

Abstract Different rainfall intensity was simulated by artificial rainfall，in which，the soil water infiltration situation of lime-soil sampled in Huaxi Area was observed. The influence of different rainfall intensity on soil water infiltration in typical karst area was summarized and discussed. The results showed that：for lime-soil，the rainfall intensity less than 60 mm/h should be classified into the effective rainfall，oppositely the rainfall intensity greater than or equal to 60 mm/h should be classified into the erosive rainfall. For the effect of rainfall intensity on supplying soil water，at 40 mm/h was better than at 20 mm/h. It was the lowest availability rainfall in 60～80 mm/h rainfall intensity. In this range the greater the rainfall intensity，the higher the runoff yield，the stronger the soil erosion，the lower the absorbing rate of the soil to the rainfall. The change of soil surface water content increased with the increase of rainfall intensity. The process of the soil water content increase would be reached the maximum at 20 minutes after the rainfall，and then slowly decreased.

Key words limestone soil；water infiltration；artificial rainfall；rainfall intensity；Guiyang Guizhou

土壤的入滲性能是土壤重要的水分物理性質，是反映土壤涵養水源和抗侵蝕能力的重要指標[1-3]。土壤水分入滲的能力也對植被可利用的有效水與養分產生影響[4-5]。研究[6-7]發現喀斯特坡地土壤含水量主要受降水的影響，有明顯的雨季、旱季變化，土壤水分依靠降雨補充完成水分入滲的過程。

目前喀斯特地區土壤水分研究大多都在植被覆蓋[5，8-9]、土地利用類型[6]、坡地地形等方面，而氣象因子對土壤水分的影響研究鮮見，而喀斯特地區土層薄、土壤侵蝕退化嚴重、地表漏水系數大，土層中的水分不受地下水分的影響[10]，降雨對土壤水分的作用更顯重要，特別是雨強與土壤水分的入滲或產流有著直接的關系，降雨情況對土壤侵蝕的發生起著多方面的重要影響[11]。

雨水利用在解決全球部分地區水資源緊缺方面的可行性與有效性已經得到認可[12]，貴州喀斯特地區水熱條件良好，降雨充沛，但是降雨時空分布極不均勻，季節性干旱問題突出，夏季降水強度大，持續性長，水仍然是喀斯特地區植物生長的限制因子[13]，研究降雨強度對土壤的作用，將該地區降雨進行類別劃分，成為喀斯特地區在減少土壤侵蝕和降雨資源有效利用的關鍵點。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.1.1 土壤取樣及處理。土壤取樣點位于貴州省貴陽市花溪區石板鎮茨凹村，東經106°32′～106°34′，北緯26°25′～26°27′。地處貴州高原中部，苗嶺山脈中段，屬長江水系與珠江水系分水嶺地帶，地貌以中低丘陵為主，海拔999.0～1 655.9 m。屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候，具有明顯的高原氣候特點，冬春半干燥，夏季濕潤，冬暖夏涼，氣候宜人，年平均溫度14.9 ℃，空氣相對濕度平均85%，雨量充沛，水熱同季。積溫4 484.6 ℃，年平均降雨量1 187.1 mm，水資源豐富，土壤以山地黃棕壤、黃壤、石灰土、紫色土、潮土和水稻土為主。

在采樣點挖土壤剖面，每10 cm為一層測定石灰土的物理性質。容重：環刀法。比重：比重計法。含水量：烘干重量法。毛管持水量：浸泡稱重。土壤吸濕水含量：標準方法。

1.1.2 土壤裝填。按實際測量的土壤各層緊實度分層裝填土壤在鐵箱中，模擬實際的土壤狀態，鐵箱尺寸1 m×1 m×1 m，其中一面開孔與裝填土壤處于同一水平，用塑料瓶做成引水管，下部放置小水桶用于承接徑流。鐵箱底部打有若干直徑1 cm小孔，用于滲透水分，底部用塑料膜接滲透水。

1.2 試驗方法

人工模擬降雨器參數：采用西安清遠測控技術有限公司生產的QYJY-501型便攜式全自動下噴式不銹鋼人工降雨設備，該設備由降雨器、雨量計、小泵及控制器四部分組成。降雨器高6.5 m，長6.5 m，降雨高度4 m，降雨面積20 m2，雨強變化范圍15～200 mm/h。

人工降雨方法模擬降雨設計梯度如表1所示，梯度設計根據貴州省1960—2005年降雨資料，選擇實際發生頻率最大的5個降雨強度。

1.3 數據采集及計算

土壤水分測定：每次降雨前測定試驗土壤的水分含量。降雨過程中觀察記錄產流時間、入滲時間。每次降雨后及時收集土槽所產徑流，用1 000 mL量筒測。降雨停止后每小時測量入滲量，持續監測5 h。

2 結果與分析

2.1 雨強對石灰土水分配的影響

“降雨-土壤吸收滲透-滲漏”過程可看作是一個小型水分平衡系統，降雨落在土壤上，首先入滲進土壤，若降雨強度大于土壤入滲能力降雨產生地表徑流；若降雨強度小于土壤入滲能力，入滲的水分在土壤非飽和帶中運動，土壤含水量增加，當土壤水分達到飽和狀態，水分穿過土體滲漏形成滲漏水，同時發生蓄滿產流現象。

2.1.1 雨強對降雨量的分布影響。由圖1可知，隨著雨強增大，降雨從被土壤接納1條路徑增加至3條走向，降雨量分別形成徑流量、累計滲漏量、土壤接納量。

雨強為20 mm/h時，降雨100%被土壤吸收，沒有水分滲漏也沒有產流，說明在較小的雨強下降雨資源可以充分補充土壤，不會對土壤產生侵蝕作用，雨水資源高效利用；當雨強為40 mm/h時，91.42%降雨補充土壤水分，8.58%降雨通過土體成為滲漏水，無產流，說明在此雨強下，降雨20 min的降雨量已經可以使土壤達到飽和水分狀態，并且水分通過土體補充土壤水分有多余的水分從土壤下界面滲漏；雨強為60 mm/h時，2.23%降雨量形成徑流，14.24%滲漏，83.53%被土壤吸收接納，說明此雨強是產生徑流的轉折雨強，60 mm/h雨強是喀斯特地區石灰土產流的最小雨強，大于此雨強的降雨都會產流對土壤產生一定的侵蝕作用，在實際生活中，當降雨達到60 mm/h時，應采取一定的措施盡可能避免降雨直接落于土壤表層，降低產流率，同時由圖觀之此時產生的徑流量與滲漏量和接納量相比較小，說明此雨強雖然是產生徑流的開始，但徑流量不是最主要的降雨量走向，此時的雨量還是能夠滿足土壤水分的補充，并使土壤水分飽和后產生滲漏，雨強60 mm/h的降雨對水土流失來說屬于預防階段；雨強為80 mm/h時，11.85%降雨量形成徑流，28.59%滲透，59.56%被土壤吸收接納，與前一個雨強梯度相比，產流量顯著增大，滲漏量也有所增加，土壤吸收接納量明顯降低，說明此雨強下降雨對土壤水分補充作用大幅度降低，侵蝕性作用增強；雨強為120 mm/h時，18.05%降雨量形成徑流，26.59%滲漏，55.35%被土壤吸收接納，對比上一梯度雨強可以發現，盡管降雨量隨著降雨強度的增大而增加，但徑流量、滲漏量、土壤接納量三者之間占降雨量的比例基本不變，說明80 mm/h的雨強是降雨落于土壤上水分走向的節點，當降雨使土壤水分飽和后，土壤水與土體成為一個均勻的介質，再多的降雨對土壤水分沒有補充作用，反而隨著降雨強度的增加徑流量增大，對土壤表面的侵蝕力度也隨之增大，由此可以推斷此時的降雨屬于侵蝕性降雨，是引發喀斯特地區災害的源頭之一。

2.1.2 雨強與土壤水分產流量關系。徑流系數是指一次降雨過程中的總徑流量與總降雨量的比值[14]。由圖2可知，徑流系數變化隨降雨強度增加而增加。雨強為20、40 mm/h時，徑流系數均為0，說明在較小雨強下，不會引發產流，此刻的降雨能對土壤水分起積極補充作用；在降雨強度為60 mm/h時，徑流系數為0.02，說明60 mm/h雨強是喀斯特地區石灰土產流的重要分界點，小于該雨強不產流，大于則產流；降雨強度達到80 mm/h時，徑流系數增大到0.12，相較于60 mm/h的梯度對應的徑流系數擴大了5倍，徑流系數變化幅度很大說明雨強對產生徑流有重要直接的影響；雨強為120 mm/h時，對應的徑流系數是80 mm/h的1.5倍，說明徑流系數的變化在降雨強度60～80 mm/h的范圍內變化較大，大于80 mm/h后的雨強對產生徑流的影響程度有所降低。

由圖3可知，在雨強為20、40 mm/h情況下，徑流量為0，說明在小于40 mm/h雨強下，土壤水分對降雨有完全吸收的能力，降雨無產流對土壤無侵蝕作用，但隨著雨強增大，特別是到達60 mm/h時，徑流量顯著升高，徑流量是446 mL，雨強為80 mm/h時徑流量是3 162 mL，徑流量相比上一梯度增加了7倍，說明在此區間里，降雨強度對徑流量的發生影響十分巨大；當雨強是120 mm/h時，徑流量是7 220 mL，徑流量增加說明雨強對徑流量的影響呈正相關關系的。而從不同雨強間徑流量的差異來看，雨強為120 mm/h造成的徑流量是80 mm/h的2.3倍，與80 mm/h和60 mm/h的徑流量相比，增長幅度變小，也可以說明徑流量隨降雨強度增加，但雨強對徑流量的影響程度呈拋物線的趨勢，先增加，在60～80 mm/h這個范圍內達到最大值，然后降低，因此可以定性的認為60～80 mm/h這個雨強下的降雨資源是利用率最低的降雨，可能是由于雨強增大對土壤表土的機械作用增強，加快表土結皮以至于徑流量迅速增加，但隨雨強繼續增大，表土結皮可能被破壞，使得徑流量增幅降低。

2.1.3 雨強與滲漏量的關系。由圖4可知，雨強對滲漏量有著顯著的影響，總的規律是滲漏量隨雨強增大而增大。雨強為20 mm/h時，滲漏量為0 mL，說明在較小的雨強下，土壤能夠充分吸收降雨并保持水分在土壤中，沒有水分滲漏；雨強為40 mm/h時，滲漏量為1 143.7 mL，說明該降雨強度下土壤水分入滲吸收過程較為完整，經歷滲潤、滲吸過程后土壤空隙水分從不飽和狀態逐漸發展為飽和狀態，進而發生滲漏，結合圖3中40 mm/h降雨徑流量為0 mL，說明在這個雨強下土壤水分滲透屬于未達產流且雨水能穩定入滲至滲漏，降雨強度小于土壤入滲速率；雨強為60 mm/L時，滲漏量為2 848.7 mL，與40 mm/h的雨強相比，滲漏量增加了2.5倍；滲漏量在雨強從40 mm/h增強到60 mm/h的過程中滲漏量顯著升高，雨強為80 mm/h時滲漏量為7 623.7 mL，滲漏量是60 mm/h雨強的2.7倍，滲漏量隨雨強增大而增大，但在增加幅度上僅略有增加；雨強為120 mm/h時滲漏量為10 637.7 mL，是雨強為80 mm/h時的1.4倍，在80～120 mm/h降雨強度的變化過程中，滲漏量增加幅度呈降低趨勢，雨強從40 mm/h增加至120 mm/h的過程中可以看到40～60 mm/h內滲漏量隨雨強增大迅速增加，在80 mm/h雨強時基本達到最大值，在80～120 mm/h增加過程中增幅降低，這個過程說明雨強增大對滲漏量增加影響是有限的，這也反映了雨強對土壤不同作用力下水分入滲率是不同的，雨強在一定范圍內對入滲率顯著影響，小于或超過此范圍，雨強不再是影響滲漏量的主要因素。

2.1.4 雨強與土壤接納量的關系。降雨落在土壤表面，入滲補充土壤水分且沒有滲漏出來的部分降雨量是土壤接納量。由圖5可知，土壤對降雨的接納量隨降雨強度的增加基本呈增加趨勢。雨強為20 mm/h時，接納量為6 300 mL，降雨完全被土壤吸收，補充土壤水分；雨強為40 mm/h時，接納量為12 186.3 mL，較20 mm/h雨強土壤接納量增加2.1倍；雨強為60 mm/h時，接納量為16 705.7 mL，較40 mm/h雨強土壤接納量增加1.3倍；雨強為80 mm/h時，接納量為15 884.7 mL，較60 mm/h雨強土壤接納量增加1.2倍；雨強為120 mm/h時，接納量為22 141.6 mL，較80 mm/h雨強土壤接納量增加1.6倍，可以看出在雨強小于40 mm/h的范圍內，土壤對降雨接納量的吸收是較為顯著的，雨強小，全部降雨可以充分完成入滲過程達到補充土壤水分的作用；當降雨強度增加至60 mm/h，土壤對水分的接納量也在增加，但增幅小于40 mm/h以內雨強變化；雨強增至80 mm/h時，土壤吸收量卻有一定的下降，可能由于雨強過大，雨水下落在土壤表層迅速形成地表擊實層[15]，在一定時間內減少了雨水向土壤內部入滲的量，導致產流量增加，土壤接納量減少；雨強為120 mm/h時，接納量增加，這說明在此雨強下，土壤表面易產生積水，具有一定的水勢加速土壤入滲速率，從而使得土壤水分接納量增加。

2.2 降雨對土壤水分變化的影響分析

在喀斯特地區有研究[16]發現土壤水分含量隨時間變化明顯，在夏季達峰值，然后呈下降趨勢，至冬季達最低值，隨后又逐漸增加，同時隨石漠化程度的加深，其土壤含水量變化幅度呈減少趨勢，這個變化與該地區降雨規律基本符合。

土壤水分垂直入滲的過程是一個時變過程[17]，并且通過降雨前期、中期、后期的不同層次的土壤水分動態變化的分析來實現。降雨對土壤水分入滲的過程影響可由土壤不同層次間的含水量變化表示。

2.2.1 土壤各層水分對降雨的響應變化。圖6是60 mm/h雨強、20 min歷時的降雨后，各層土壤水分含量在80 min內的變化規律，可知0～30 cm 3層土壤水分峰值出現在降雨20 min后，之后隨時間推移而降低至穩定，30～50 cm 2層土壤水分變化較小，緩慢增加，在降雨40 min后達到峰值才逐漸降低。土壤水分層次變化表示60 mm/h雨強下，降雨對厚度在30 cm的土層影響較大，水分變化較快幅度較高，其中0～10 cm表層土壤水分變化幅度較大，說明降雨后表層的土壤水分變化較大，較為敏感，因此接下來的分析主要討論表層土壤水分對降雨強度變化的響應規律。

2.2.2 不同降雨強度下表層土壤含水率的變化。雨強不僅（下轉第202頁）

對雨水落在裸土表面的走向具有巨大影響，對土壤水分入滲過程也有顯著影響。試驗[18]表明雨強變化對黃土坡面降雨入滲及土壤水分再分布的微觀水分運動過程具有重要影響。

圖7是20 mm/h和60 mm/h雨強下，初始含水率一致的表層土壤水分的變化趨勢，土壤水分在一定時間內增加，但達到峰值后降低，成一個拋物線狀。由圖7可知，在初始含水率相同的狀態下，土壤水分變化達到峰值都在降雨后20 min，60 mm/h雨強下的土壤水分的增幅是1.7，高于20 mm/h雨強下土壤水分增幅1.1，降雨強度越大，土壤含水率變化越大。但是圖上顯示在降雨停止80 min后，不同降雨強度下土壤含水率穩定值幾乎一樣，說明降雨強度顯著影響土壤含水率變化，但不是土壤水分最終的穩定值的主要影響因素。60 mm/h雨強降雨后表土水分變化較大，先顯著增加而后降低，土壤含水率的變化展示了降雨后水分先是被表層土壤吸收后然后發生入滲過程，從第1層入滲至下層的土壤，使得土壤整體含水量增加這樣一個過程，說明雨強增大，對土壤含水量的補充有著正面的影響意義。

3 結論

貴州喀斯特地區降雨落于石灰土表面后主要發生過程是入滲和徑流，徑流產生對土壤有侵蝕作用，60 mm/h雨強是石灰土的產流臨界雨強，降雨強度小于60 mm/h的降雨可歸類于有效降雨，降雨能完成土壤水分入滲過程，對土壤水分有補充作用，≥60 mm/h的降雨歸類為侵蝕性降雨。

20、40 mm/h雨強的降雨對石灰土水分補充較好，20 mm/h雨強的降雨量較小，40 mm/h雨強的降雨量充足并可以充分補充土壤水分，因此40 mm/h屬于最佳降雨。

60～80 mm/h降雨強度對徑流量的發生影響達到峰值，在此范圍內降雨強度越大，產流量越高，對土壤的侵蝕力越強，土壤對降雨的吸收率越低，對雨水資源的利用率就越低，因此這個雨強范圍內的降雨是利用率最低的降雨。

降雨強度對土壤水分入滲后的再分布有顯著影響，雨強越大，土壤表層含水率變化越大，土壤水分的增加過程在降雨后20 min達到最大值再緩慢降低，在土壤土水分飽和之前土壤含水量最大影響因素是雨強小于60 mm/h的降雨。

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