野外模擬降雨條件下徑流小區產流產沙試驗研究

溫永福, 高 鵬, 穆興民, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

降雨引起的侵蝕產沙，是全球性的嚴重環境問題之一，在我國黃土區表現尤為突出。我國黃土地區是全球黃土分布面積和厚度最大的區域，該區地表植被覆蓋差，土壤抗侵蝕能力弱，地形破碎復雜，多以暴雨形式降落。坡度、降雨強度、土地利用類型是影響水土流失的三個主要因素，坡度通過制約降雨徑流沖刷和土壤顆粒的穩定性引起徑流、侵蝕泥沙的變化[1-2]。降雨強度是侵蝕原動力的主要來源。從接觸地表開始,降雨分別以雨滴擊濺、產流沖刷等過程分別對侵蝕產生重要影響[3-4]。植被能夠改善土壤的理化特性，并影響坡面徑流的形成和發展，改變其水力特性，從而影響侵蝕的發生[5]。近年來，學者們對坡耕地降雨的產流產沙的模擬進行了大量的研究工作，研究內容主要是從水土保持、土壤侵蝕與生物措施的角度進行[6-7]。周繼[8]側重分析了降雨過程中，土壤中的養分，微生物的變化，以及降雨條件下，對不同坡面成分的影響。證明坡度和雨強較小時，坡度是導致土壤侵蝕的主導因素；當雨強增大到臨界坡度時，雨強則成為了導致土壤侵蝕的主導因素。耿曉東等[9]通過室內模擬人工降雨試驗，研究了坡度和雨強對紫色土坡面侵蝕產沙過程的影響。結果表明：坡度和雨強對坡面產沙過程和侵蝕形態的演變起著重要的作用。焦菊英等[10]通過選定黃土高原林地草地，對不同坡度和雨強下的坡面徑流和侵蝕的研究，證明坡度和雨強兩個因素均與林草的有效蓋度是呈正比的。在黃土丘陵溝壑區引起黃土高原嚴重土壤侵蝕的暴雨，主要是歷時在30 min以內的短歷時暴雨。本試驗重點研究在短歷時降雨條件下，探討徑流小區產流產沙隨不同坡度、雨強、土地利用類型變化而變化的特征，為黃土高原地區產流產沙機理研究和建立水土保持措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

徑流小區位于北洛河上游吳起縣(107°32′40″—108°32′45″E，36°44′53″—37°19′28″N)，地貌屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區，海拔1 233～1 809 m。吳起縣屬半干旱溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤，冬季寒冷干燥，年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫37.1℃，極端最低氣溫-25.1℃。年平均降雨量483.4 mm。最大降雨量631.4 mm，年最小降雨量270.0 mm，6—9月份平均降雨總量為322.2 mm，為年平均降雨量71.8%。黃土性土類是研究流域的主要土壤類型，且以初育黃綿土分布最為廣泛。

1.2 徑流小區設定

人工模擬降雨試驗小區選擇坡度為12°和25°兩種坡度以及自然草地和裸耕地兩種不同土地利用類型，共4個。小區的立地條件見表1。每個小區面積約10 m2(長×寬=2.5 m×4 m),小區四周由長100 cm，寬30 cm，厚0.2 cm的鐵皮圍成，鐵皮插入土層深度為25 cm，以消除側向入滲的影響。小區下方安放集流槽，在人工降雨期間用塑料桶收集小區內各時段的所有地面徑流，除去其中的泥沙，即為小區在降雨期間的徑流量。

表1 試驗小區立地條件

1.3 模擬降雨裝置及樣品采集

本次人工模擬降雨試驗是用折射式單向噴射[11]。降雨裝置的雨水降落高度大于5 m。噴頭出水口為活動孔板，可以更換，配合閥門調節工作壓力，以獲得需要的降雨強度。本次試驗主要進行30 min雨強分別為1.3 mm/min和1.72 mm/min的模擬。

1.4 試驗方法

試驗于2015年7—9月在陜西省延安市吳起縣選定的徑流小區進行。試驗方案見表2。為保證雨強的均勻性和穩定性，試驗開始前測定靠近徑流小區外側0～0.5 m土壤前期平均含水率為21.6%，之后將徑流小區用塑料布遮蓋，在徑流小區四周用雨量筒對雨強進行率定，當雨強穩定后，迅速將塑料布揭開并開始計時。當徑流小區坡面上的水流呈層流狀態，并由上到下流至出水口時視為產流開始，記錄產流時間，之后重新開始計時，試驗設計時長30 min，試驗每隔1 min在出口處接一次徑流泥沙樣。試驗結束后，將泥沙樣靜置6個小時后倒去上層清液，用烘干法(105°)將樣品烘干后稱量泥沙重量。為保證每次降雨之前徑流小區0～0.5 m平均含水率相同，每個徑流小區每隔4 d進行一次降雨，這樣可以使徑流小區有充足時間達到土壤前期含水率。

表2 試驗設計方案

2 徑流、產沙影響因子分析

2.1 徑流影響因子分析

2.1.1 坡度對徑流的影響 相同雨強情景下，坡度越大，產流量越大，產流時間越小。試驗中產流時間見表3，徑流量時間變化曲線見圖1A,C,累計徑流量時間變化曲線見圖1B,D。表3表明，在1.3 mm/min條件下，12°坡度產流時間261 s，25°坡度產流時間197 s；1.72 mm/min條件下，12°坡度產流時間191 s，25°坡度產流時間125 s。25°坡度條件下每1 min產流量均高于12°坡度(圖1A,C)。兩種坡度條件下，每1 min產流量隨著時間均呈先增加后平穩的趨勢(圖1A,C)。主要因為在降雨初期土壤入滲量大于降水量，當下滲率達到穩滲速率后，產流率也趨于穩定。分析不同坡度條件下，徑流小區的累積徑流量時間變化曲線表明(圖1A,C)，25°坡度30min累積產流量明顯高于12°坡度，在1.3 mm/min下約為其1.2倍，在1.72 mm/min下約為其1.5倍。1.3 mm/min雨強25°坡度條件下，產流時間大于6 min后，曲線斜率保持不變，這也表明產流率在某一段時間會達到穩定狀態。不同坡度下徑流量的差異性說明，坡度越大，沿坡方向重力分力越大，導致流速增加，入滲率減小，因此隨著坡度的增加累計徑流量也相應增加[12]。

表3 不同徑流小區初始產流時間

圖1 自然草地小區在兩種雨強下不同坡度徑流、累計徑流量過程線

2.1.2 土地利用類型對徑流的影響 不同土地利用類型對坡地產流影響差異明顯[13]，草地產流明顯少于裸地且草地達到穩定徑流的歷時要晚于裸地。對相同坡度、相同雨強、不同土地利用類型徑流小區徑流深、累計徑流深見圖2。

分析表明，相同坡度，相同雨強下，裸地產流量曲線一直處于草地上方，表明裸地單位產流量大于草地。1.3 mm/min雨強條件下，12°坡度裸地產流量達到穩定時間為13 min，草地為17 min，25°坡度分別為10 min和15 min；1.72 mm/min條件下，12°坡度裸地產流量達到穩定時間為13 min，草地為21 min,25°坡度分別為8 min和19 min。產生上述現象的主要原因是，植被在降雨過程中攔截了一部分雨水，草地具有增加地表粗糙度，減少徑流流速，延長徑流在小區中停留時間，增加了下滲量；同時草地由于團聚體結構豐富，土壤孔隙度大，其土壤下滲能力大于裸地，因此草地產流量顯著小于裸地。裸地徑流達到穩定時間短于草地，主要原因亦可歸于下滲能力的不同。裸地由于無植被攔截，降雨迅速產流，下滲能力且下滲率很快達到穩定速率，因此其徑流穩定時間較短。

圖2 兩種雨強兩種坡度下不同土地利用類型徑流深、累計徑流深過程線

與裸地相比，草地產流總量低于裸地。累計徑流深隨時間變化曲線見圖2。分析表明，草地在雨強1.3 mm/min條件下，坡度12°，25°累計徑流深分別為3.49 mm，5.31 mm，比裸地累計徑流深分別減少83.14%，75.25%；在雨強1.72 mm/min條件下，12°，25°累計徑流深分別為9.12 mm，17.80 mm，比裸地累計徑流深分別減少65.61%，52.15%。這說明草地保水能力明顯大于裸地[14]。

3.1.3 雨強對徑流影響 相同坡度和土地利用類型條件下，雨強越大產流量越大，徑流達到穩定時間越短(圖3)。12°草地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產流量為34.86 L，徑流達到穩定時間為17 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產流量為117.29 L，為前者的3.36倍，徑流達到穩定時間為15 min，為前者的88.23%;25°草地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產流量為53.05 L，徑流達到穩定時間為22 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產流量為178.01 L，為前者的3.35倍，徑流達到穩定時間為19 min，為前者的86.36%;12°裸地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產流量為247.55 L，徑流達到穩定時間為13 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產流量為290.22 L，為前者的1.17倍，徑流達到穩定時間為7 min，為前者的53.85%;25°裸地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產流量為265.08 L，徑流達到穩定時間為22 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產流量為350.43 L，為前者的1.32倍，徑流達到穩定時間為17 min，為前者的77.27%。

對于草地和裸地來講，產流量都隨產流歷時呈先增加后平穩的趨勢，而累計徑流量隨產流歷時呈逐漸增加的趨勢。對于天然草地來講，每1 min徑流量隨產流時間平緩增加，而對于裸耕地來講，隨產流歷時呈急劇增加的趨勢。這是因為對黃土丘陵溝壑區而言，坡耕地受到的人為擾動最劇烈、頻繁；自然草地其良好的覆蓋度、特有的根蘗繁殖能力、發達的根系以及枯草對徑流產生了極大的降低和削弱作用[15-16]，截留率較高，因此其產流增加緩慢，起到了較好的截留保水作用。在雨強1.3 mm/min條件下，兩種土地利用類型的產流強度波動性不大，而在雨強1.72 mm/min條件下，波動性很大，原因是從初始產流開始，由于農地土壤的結構特性導致入滲率的顯著降低，產流量明顯加強,具有較大的波動性。裸耕地小區土壤入滲率下降的主要原因在于農地小區進行了翻耕,使其結構穩定性較差，在雨滴的沖擊下極易封實土壤毛管孔隙，從而阻礙了水分的正常入滲[17-20]。這種劇烈波動性與降雨過程中局部坡面的塌陷所導致的坡面流態不穩有關。而且各雨強產流曲線差異明顯，微小的雨強差別都可產生不同的產流量，對雨強的變化相當敏感。

圖3 自然草地、裸耕地在兩種坡度下不同雨強徑流量過程線

2.2 產沙影響因子分析

由于天然草地覆蓋度達到80%以上，產沙量極少。本次試驗未采取泥沙樣本，因此本試驗重點研究裸耕地產沙影響因子的分析。

2.2.1 坡度對產沙影響 相同條件下，坡度越大，產沙量越大，產沙峰值越大，但兩種坡度穩定產沙量相同。不同坡度條件下產沙量及累計產沙量時間變化曲線見圖4。從圖4A可見，1.3 mm/min雨強條件下，25°產沙時間早于15°，且產沙量呈現“陡增陡降”的特點，到10 min后兩種坡度產沙量基本相同。累計產沙量曲線也顯示，10 min前，25°坡曲線斜率明顯大于12°，10 min后曲線斜率基本一致，表明10 min后兩者產沙率基本相同(圖4B)。1.73 mm/min雨強條件下，亦表現出相同的變化特征(圖4C和4D)。就產沙峰值而言，坡度越大峰值越大，1.3 mm/min雨強，12°和25°坡度峰值分別為34.66 g和85.33 g，1.72 mm/min雨強，12°和25°坡度峰值分別為41.32 g和94.78 g。

圖4 兩種雨強條件下不同坡度產沙、累計產沙量過程線

分析不同坡度下,產沙量隨時間變化表現出的差異性，主要原因可能有以下幾點:(1) 坡度對土壤侵蝕的影響主要是通過影響土壤入滲而實現的。入滲量隨坡度的增大而減小，坡度越大，降雨過程中入滲時間越短，土壤的入滲量越小，產生的徑流量越大，因而產生的侵蝕量越大；(2) 坡度對濺蝕的影響。主要表現在雨滴直接沖擊土壤表面，破壞土壤結構，進而使土粒分散、破壞和遷移。坡度較小時，即使嚴重的土粒飛濺，也不能引起嚴重的水土流失，而坡度較大時，飛濺的土粒向下坡方向飛濺的距離大于向上坡飛濺距離，為土壤侵蝕創造了有利條件；(3) 在雨強1.3 mm/min，坡度25°條件下，在產沙歷時中有一段時間出現侵蝕泥沙量小于坡度12°的情況。可能原因是，坡度對土壤侵蝕量的影響并非無限地呈正比增加，而是存在一個侵蝕臨界坡度，當大于此臨界坡度時，土壤侵蝕量反而隨坡度的增大而減小[21]。

2.2.2 雨強對產沙影響 相同條件下，雨強越大，產沙量越大，產沙峰值越大，兩種雨強穩定產沙量差異明顯。不同雨強條件下產沙量及累計產沙量時間變化曲線見圖5。從圖5A可見，12°被坡度條件下，1.72 mm/min雨強產沙時間早于1.3 mm/min雨強，且產沙量呈現“陡增陡降”的特點，到21 min兩種雨強產沙量差異明顯。累計產沙量曲線也顯示，21 min前，兩者曲線斜率基本一致，21 min后1.72 mm/min雨強曲線斜率明顯大于1.3 mm/min雨強，表明21 min鐘后兩者產沙率差異明顯(圖5B)。25°坡度條件下亦表現出相同的變化特征(圖5C和5D)。就產沙峰值而言雨強越大峰值越大，12°坡度，1.3 mm/min雨強和1.72 mm/min雨強峰值分別為39.97 g和43.5 g；25°坡1.3 mm/min雨強和1.72 mm/min雨強峰值分別為85.33 g和94.78 g。

圖5 兩種坡度下不同雨強產沙、累計產沙量過程線

分析不同降雨強度下，侵蝕泥沙量隨產流歷程表現出的特征，主要原因可能有以下點:(1) 在產流初期，坡面表土層比較松散，抗蝕能力低，為徑流搬運提供了充足的物質來源，易受雨滴擊濺和徑流沖刷。雨強越大，降雨的擊濺分散土壤團聚體的能力就越強，相應就為徑流提供了更多可以攜帶的土壤顆粒，因此隨著降雨的進行，當坡面開始出現產流時，雨強增大徑流就存在可以攜帶更多土壤顆粒的可能性。因此在產流初期，不同雨強下泥沙都出現陡增現象，且雨強越大，侵蝕泥沙量達到的峰值越大。(2) 隨著降雨過程的進行，一方面原地表松散土壤顆粒減少，在一定程度上阻滯了土壤顆粒隨徑流流失的速度，徑流在沿程流動中一些質量相對較大的土壤顆粒出現了沉積，所以遷移出去的顆粒逐漸減少，并最后趨于穩定；另一方面，降雨對坡面土粒的作用逐漸從濺蝕轉化成為薄層水流的沖刷，雖然薄層水流的沖刷也會對表土顆粒產生侵蝕作用，但是其更重要的作用可能是對土壤顆粒產生遷移和沉積作用，將土壤顆粒遷移出坡面或是在坡面對土壤顆粒進行一次再分配。同時雨滴濺蝕破壞了表層土壤顆粒的結構，形成了不易流失的結皮層[22-23]，坡面土壤侵蝕強度明顯減小，因而徑流產沙量逐漸降低并趨于穩定。

4 結論與討論

(1) 相同雨強和土地利用類型條件下，坡度越大產流量和產沙量越大。相應的產流量與產沙量隨時間變化均表現為先增大后穩定的變化特征。

(2) 相同雨強和坡度條件下，草地產流量和產沙量均低于裸地，且草地達到穩定產流量時間大于裸地。草地的保水減沙能力明顯高于裸地。

(3) 相同坡度和土地利用類型條件下，雨強越大產流量和產沙量越大，且出現產流產沙歷時短，但達到穩定的時間較長。

由于本次野外人工降雨試驗的條件限制,可能會使試驗的結果有某些偏差,所建函數關系還需要更多的實測數據來驗證其合理性。同時,由于自然草地在小、中等雨強下，產沙量很少，本研究未能建立適合自然草地的徑流與侵蝕泥沙的函數關系，還需要對其進行深入研究。

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