斜坡綠地的階梯式改造對紅壤徑流過程的影響

李雨航

摘 要：以25°斜坡式綠地為研究對象，采用人工模擬自然降雨的試驗方法，研究斜坡綠地的不同階梯式改造對徑流總量控制效果的影響，并提出梯坡比的概念，研究結果表面將斜坡綠地改造成階梯式可以有效提高綠地的入滲能力，延長徑流的起始產流時間。

關鍵詞：上凸綠地;階梯改造;徑流雨水

0 引言

我國華南地區多為凸起式綠地，在降雨量大時易形成較大的坡面徑流，造成雨水外排，對坡面土壤造成沖刷侵蝕[1]，達不到削峰滯洪的效果。梯田是治理坡耕地水土流失的有效措施，蓄水、保土作用十分顯著[2]。

1 試驗研究方法

1.1 試驗材料

人工模擬降雨實驗在廣東工業大學實驗樓旁邊的露天分倉式人工降雨滲透床進行。滲透床利用噴灌系統模擬下噴式降雨裝置，有效高度3.0m，可進行30-100mm/h的各種雨強模擬降雨，均勻度>75%，雨滴大小、落地速度、均勻性和自然降雨相似。在實驗單元格四個方位角各放置一個直徑67mm、容量1000ml的量筒，實際降雨強度由量筒測得，并進行降雨強度的轉換。

實驗滲透床為自制鋼槽，槽體規格為1.0m*1.0m*0.5m，槽體上部裝配徑流收集水槽，規格為0.9m*0.1m*0.1m，用于收集地表雨水徑流。槽體下部為滲流收集系統，槽底兩側為傾斜混凝土基礎，便于槽體雨水的收集和匯合。底部中間設置不銹鋼穿孔管以收集滲流的雨水，外表面纏繞尼龍塞網，防止土壤進入穿孔管導致堵塞。

試驗供試土壤采自廣東省廣州市番禺區瀛洲生態公園，經測定粘粒含量38.41%，粉粒含量39.74，砂粒含量21.85%，平均容重1.3g/cm3，將剔除雜物并風干后大塊的土壤打碎并過15mm篩子。采用分層法裝填槽體。每層厚度為15cm，實驗床槽體中土壤厚度35cm。

1.2 試驗設計

25°為《水土保持法》規定的開荒限制坡度，水土流失最為嚴重，不準開荒種植農作物[3]，本試驗以25°坡度為例，對應于25°的斜坡式綠地，S為階梯式綠地的面積，S為斜坡式綠地總面積，試驗按照階梯式綠地占斜坡式綠地面積比（梯坡比）S/S=0、50%、100%共設計三種不同的綠地地形改造，35mm/h，60mm/h，80mm/h三組不同的雨強，進行組合試驗，每種條件重復一次，試驗共18場。

1.3 試驗過程

每次模擬降雨試驗前進行預降雨，使土壤含水率大致保持一致。從開始降雨記時，并記錄產流時間，降雨開始后每隔5min測量試驗床的徑流出水量和下滲出水量，降雨歷時為60min，測量徑流歷時70min，測量下滲歷時130min，通過稱重法測量，根據水的密度進行重量和體積的轉換。降雨結束后，記錄試驗單元格四個方位角的量筒數據，并進行雨量的校核。

2 結果分析

2.1 產流起始過程分析

起始產流時間如表1所示。

不同的地表構型對于坡面產流時間具有一定的影響，初始產流時間隨降雨強度的增大呈冪函數遞減的形勢，在0.58mm/min的降雨強度條件下，為進行斜坡綠地的臺階改造時，起始產流時間為6.5min、5.2min，進行階梯式改造后，起始產流時間為24.5min、18.5min，延后了18.0min、13.3min，這是因為降雨強度一定時，將斜坡改造呈階梯使雨滴落在地表的垂直分力增大，坡面入滲率增大，導致地表產流出現延遲，隨著降雨強度的增加，產流時間提前，1.25mm/min的降雨條件下梯坡比為0的起始產流時間為2.7min、1.3min，較0.58mm/min的相同地形提前了3.8min、3.9min，進行階梯式改造后，起始產流時間為8.7min、8.9min，較未進行階梯改造的起始產流時間延后了6min、7.6min，由此可見，產流時間與降雨強度和地形改造有關，隨著降雨強度增大，產流開始時刻提前，雨強一致的情況下，坡面的起始產流時間隨著梯坡比（S/S）的增加而延后，且存在明顯的滯后，但降雨強度對產流起始時間的影響更為顯著。

2.2 不同雨強下階梯式改造對徑流過程的影響

試驗條件下各梯坡比的地形改造在不同降雨條件下產流的過程基本上一致，在相同的梯坡比S/S的條件下，不同的降雨強度發生徑流的過程有顯著的不同，設計降雨強度為0.58mm/min的小雨強時，徑流過程較為緩慢，產生徑流的時間相對滯后，穩定徑流強度較小，穩定徑流強度的持續時間也短，產流的總量小;雨強越大時，徑流過程較為迅速，產流時間越提前，穩定徑流強度越大，穩定徑流強度的持續時間越長，累積徑流總量也越大。累積徑流總量和降雨強度呈二次函數關系。隨著梯坡比的增加會使降雨在垂直坡面的分力增大，水平坡面方向的分力減少，從而增加土壤的下滲，削減徑流總量。當降雨強度增大到一定數值時，穩定入滲率趨于穩定狀態，即土壤的入滲量趨于穩定狀態，此時降雨強度不再影響土壤的穩定入滲率，未入滲的雨水會形成徑流，降雨強度成為影響徑流的唯一因素。1.25mm/min的降雨強度時，徑流削減的作用并不明顯，這是由于試驗模型的研究尺度較小，階梯式改造對地表徑流的效果不如大尺度的坡面。

3 結論

綠地的起始產流時間隨著降雨強度增加呈冪函數減少的關系，徑流總量和降雨強度呈二次函數關系，進行階梯式改造能延長綠地的起始產流時間，同時能夠增加土壤的入滲率，在中小雨強的條件下效果更為明顯，能達到一定的徑流總量控制的作用。

參考文獻：

[1]王麗園，查軒，黃少燕，陳世發，戴金梅，劉川.不同雨強條件下坡度對紅壤坡面侵蝕的影響[J].水土保持學報，2017，31（05）：40-44.

[2]孔磊，康威，譚松明，吳鴻，胡學斌，柴宏祥.綠色建筑小區階梯式綠地設計與應用探究[J].中國給水排水，2016，32（01）：90-93.

[3]王學強，蔡強國，和繼軍.紅壤丘陵區水保措施在不同坡度坡耕地上優化配置的探討[J].資源科學，2007（06）：68-74.