不同坡面單元人工降雨產流試驗與分析

牛永振， 李張楠， 欒清華*， 徐 丹， 龐婷婷

(1.河北工程大學，河北省智慧水利重點實驗室， 邯鄲 056038； 2.桂林理工大學環境科學與工程學院， 桂林 541006)

降雨產流是水循環過程中的重要環節，具有時空多變的特點[1-2]。因此，正確解析流域降水產流過程對提高區域水文預報精度、解析流域水文基本情勢至關重要。目前，中國對降雨產流機制的研究主要集中在黃土高原干旱地區和南方濕潤地區，主要研究降雨、地面坡度、植被覆蓋、土壤前期含水率等因子對產流過程的影響[3-5]。楊春霞等[6]在甘肅省羅玉溝試驗場通過研究發現不同垂直覆蓋結構下的坡面產流量均較無覆蓋情況小，其中完整覆蓋結構的減流率最高；孫佳美等[7]采用模擬降雨的方法研究了不同雨強下5種枯落物對產流過程的影響，結果表明不同枯落物的減流效果不同且產流量均小于裸坡；常松濤等[8]在南方丘陵區通過研究發現，植被覆蓋對產流有明顯的滯后作用，雨強和坡度與產流量和產沙量均呈正相關關系；郭星星等[9]通過試驗發現雨強對坡面產流影響顯著，坡面產流隨著雨強和坡度的增加均呈現增加趨勢，隨著雨強增加，其增流作用會掩蓋坡度對產流的影響。華北平原因其下墊面變化的復雜性和人類活動擾動的高強度性，在該區域開展降雨產流試驗及其相關研究相對較少，其產匯流過程至今尚未明確。

為此，針對華北平原，借助河北工程大學人工降雨徑流試驗平臺，通過設計不同情景，分析找尋不同情景下、不同因素的區域產流響應機制的差異性和規律性，以期為構建適宜于華北平原產匯流模式提供依據和參考。

1 試驗方案

1.1 試驗場概況

河北工程大學臨洺關校區人工降雨徑流-節水灌溉試驗基地位于河北省邯鄲市永年區，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，全年無霜期200 d，多年平均氣溫14 ℃，多年平均日照2 557 h，多年平均降水量為527.8 mm，降水量時空分布不均勻，降水多集中在6～9月份，約占全年降水的60%～80%。

試驗場上方安裝有5臺降雨行車，用來模擬人工降雨，模擬雨強范圍為0.3～3 mm/min。2個試驗單元如圖1中的1號、2號場地所示，尺寸均為9 m(長)×3 m(寬)×3 m(高)，坡度分別為2°和4°，周圍使用混凝土預制板打入基巖作為隔水墻。土槽內部土層為回填土，回填土類型為試驗場附近山前平原區典型土壤類型，其性狀與區域大田土壤特性較為接近，能夠更真實的反應田間土壤特性對降雨產流過程的影響。回填土從上到下依次為沙壤土(0～30 cm)、壤土(30～100 cm)和粉質黏土(100～300 cm)。主要研究對象為地表徑流(0～30 cm)，0～30 cm土層土壤容重為1.51 g/cm3，孔隙度為42%。土壤前期含水率采用RIME-PICO IPH2儀器進行測定。每個試驗單元共裝有4層200 mm槽寬的水槽，各層水槽收集對應產流類型分別為直接地表徑流、地面下1 m內、1～2 m、2～3 m的壤中流，水槽末尾設有薄壁三角堰，利用浮子式自動水位計測定不同土層出水量，如圖2所示。

圖1 試驗場概況圖

圖2 三角堰測流裝置

1.2 試驗方法

對研究區天然降雨特性進行分析并結合已有研究[10-11]，確定各次模擬降雨雨強和降雨歷時，設定4種不同降雨情景，如表1所示。試驗設置0.67、1 mm/min兩種降雨強度，降雨歷時均為60 min，植被覆蓋情況分別為自然草地、裸地。開展試驗時一般選取天氣晴好且無風時進行，以減小誤差，且不同設計強度的人工降雨都會與實際落地雨強進行率定分析，以保證儀器噴灑降雨和落地降雨的強度及均勻度達到試驗要求。從開始產流起每隔1 min對三角堰水位進行一次讀數，直至產流結束，不同情景下產流量和累積產流量的數據均在SPSS 24.0中進行分析。

表1 不同降雨情景設計

2 結果分析與討論

2.1 產流起始時間

產流起始時間是反應土壤包氣帶對降雨再分配響應快慢的一個重要指標，不同情景下產流的起始時間，結果如表2所示。總體來看，情景1、2下地表徑流產流起始時間在45 min左右，情景3、4下地表徑流產流起始時間在8 min左右。前兩種情景是在天氣久旱無雨時進行的，土壤前期含水率較小，導致產流時間較晚；而后兩種情景土壤前期含水率較大，其產流起始時間明顯提早。由此可知，在土壤特性一致的前提下，相較于雨強、植被和坡度等其他因素，土壤前期含水率對產流起始時間的影響最為顯著。在此基礎上，結合4種降雨情景進一步分析不同坡度、雨強和植被條件下，產流起始時間的細微差異。

表2 不同降雨情景下產流起始時間

2.1.1 坡度對產流起始時間的影響

由情景2結果顯示，土壤前期含水率為0.10時， 4°坡較2°坡產流起始時間提前了4 min；情景4結果顯示，土壤前期含水率為0.23時，4°坡較2°坡產流起始時間分別提前了1 min。其他結果顯示，4°坡較2°坡的產流時間均有不同程度的提前。這表明，當其他因素一致時，隨著坡度增大，坡面流速增大，使得產流時間提前，這與王蕙等[12]的研究結論相一致。

2.1.2 雨強對產流起始時間的影響

比較情景3和情景4，土壤前期含水率相同，且均為裸地時，雨強從情景4的0.67 mm/min增加到情景3的1 mm/min，2°裸坡的產流起始時間提前了1 min， 4°裸坡的產流起始時間提前了2 min。由此可知，當坡度和植被覆蓋一定，且土壤前期含水率相同時，隨著雨強增加，單位時間內坡面承受的凈雨量也隨之增加，因此產流起始時間也會隨之提前。

2.1.3 植被對產流起始時間的影響

比較情景1和情景2，在其他條件相近時，裸地的產流起始時間要早于自然草地。其中，2°草地坡產流起始時間較裸地坡滯后了2 min；4°草地坡產流起始時間較裸地坡滯后了4 min。由于降雨過程中，有植被覆蓋的草地會對雨水進行阻擋并吸收水分，延長了下墊面對降雨的響應時間，從而使得產流起始時間增大。而裸地對降雨進行攔截作用相對較弱，降雨后可快速產流，因此其產流起始時間較早[13]。

2.2 產流量

2.2.1 坡度對產流量的影響

圖3分別展示了裸地時不同坡度下情景2和情景4的降雨產流[圖3(a)、圖3(b)]和累積產流過程[圖3(c)、圖3(d)]。分析可知，無論前期土壤含水率條件如何，由于坡度的增加，沿坡方向重力梯度越大，導致坡面流速加快，水流滲入土壤的量相對減小，因此產流量隨著坡度的增加而增加[14]。當土壤前期含水率θ=0.10時，坡度從2°增加到4°，達到穩定時的產流量增加了5.4%，在累積產流量區域穩定前，不同坡度的曲線近似平行，表明4°坡和2°坡的累積產流量的增長速率相近；θ=0.23時，4°坡的累積產流量較2°坡增加了25%，在累積產流量快速的增長階段，兩坡度曲線的增長率近似相等，甚至部分重合，但在累積量緩慢增長階段，4°坡的累積產流量增長速率明顯高于2°坡的增長速率。

對兩種前期土壤含水率下不同坡度的累積徑流量進行回歸分析，不同條件下，產流量均呈現先增加后平穩的趨勢。在土壤入滲率達到穩定之前，隨著降雨歷時和降雨的不斷持續，土壤含水率逐漸增大，土壤入滲率逐漸減小，累積產流量持續增加，隨著累積產流量趨于穩定，累積產流量與降雨歷時呈現線性擬合關系，即y=ax+b。不同條件下的公式參數如圖3(c)、圖3(d)所示，擬合系數R2均在0.9以上。參數a表示累積產流量的增長速率，對比可知，在兩種不同的前期土壤含水率條件下，2°坡的累積產流量增加速率均小于4°坡。

2.2.2 土壤前期含水率對產流量的影響

由于情景2、情景4的降雨強度和下墊面條件相同，圖3同樣解析了一定坡度實驗單元下，不同土壤前期含水率對產流量的影響差異。以2°坡為例，由圖3(a)、圖3(b)可知，不同前期土壤含水率的產流過程都經歷了量值快速增加和穩定兩個階段；就增速階段，前期土壤含水率為0.10時的產流量時間變化率為0.065 L/min2，而前期土壤含水率為0.23時，產流量的時間變化率為0.202 L/min2。由圖3(c)、圖3(d)可知，前期土壤含水率為0.23時的累積產流量是土壤含水率為0.10時的2倍多。綜上，無論累積產流量值還是前期增速的變化率，試驗單元對不同前期土壤含水量產流響應的差異性都比較顯著。

圖3 相同土壤前期含水率下不同坡度條件下的產流和累積產流過程

盡管上述差異存在且久旱后的試驗單元產流起始時間很晚，為45 min(表2)，但產流增速階段的時長卻很短(約12 min)，與前期土壤含水率為0.23時的值(約14 min)相差不大。

2.2.3 雨強對產流量的影響

相同坡度不同雨強下(即情景3和情景4)的產流和累積產流過程線分別如圖4所示。當土壤前期含水率相同，坡面均為裸地時，隨著雨強增加，每分鐘產流量都有明顯增加。對比分析可知，雨強由0.67 mm/min增加到1 mm/min，2°坡產流穩定時徑流量增加了80%，4°坡穩定時徑流量增加了60%。

圖4 相同坡度下不同雨強的產流和累積產流過程

由于降雨是徑流過程的輸入項，隨著雨強的增大，坡面承接降雨量變大，使得產流增加。另外，隨著強的增大，雨滴對地面的打擊力隨之加大，從而導致土壤表層結皮，土壤逐漸趨于密實，減弱土壤入滲能力，使得產流量增加。對相同坡度不同雨強下的累積徑流量進行回歸分析，累積產流量達到穩定時的過程線與降雨歷時呈線性函數分布，擬合系數R2均在0.9以上, 這與李義豪等[15]的研究結果一致。無論哪種條件，雨強1 mm/min時的累積產流量對降雨歷時的累積產流量對降雨歷時響應的遞增速率均顯著大于0.67 mm/min時的對應值。

2.2.4 植被對產流量的影響

對比降雨情景1、情景2，得到兩坡度下裸地和天然草地的降雨產流過程，如圖5所示。可知，無論哪種坡度，草地的產流量過程線均處于裸地產流過程線的下方，表明天然草地單位時間內的產流量均小于裸地，且這種現象在2°坡地試驗過程中，更為顯著，裸地的產流量比草地增加了10%。產流初期裸地坡的產流歷時曲線較草地坡陡，表明其產流速率較快；當產流量達到穩定時，裸地坡的產流總量大于草地坡。由于草地能夠改善土壤的理化性質，植被根系生長在一定程度上增大了土壤孔隙度[16-17]，使得土壤入滲量相應的增加，降雨產流過程相對平緩，因此同等降雨情況下，草地的產流量小于裸地。進而解析圖5中各條件下從起始至剛好穩定時的產流過程線，得出產流量與產流歷時呈現對數y=alnx+b關系。各條件下，其對數函數的參數不盡相同，R2均在0.8以上，結果如表3所示。

表3 不同坡度下裸地和草地坡產流與產流歷時的回歸分析

3 結論

通過4種不同情景的人工模擬降雨試驗，對不同坡度、雨強和植被條件下的華北平原山前包氣帶試驗單元的降雨產流過程進行了研究，得出如下結論。

(1)在降雨產流過程中，坡度、雨強和土壤前期含水率越大，起始產流時間越小，且前期土壤含水率對產流滯時的影響更加明顯。

(2)產流量隨坡度、雨強和前期土壤含水率的增加而增加。累積產流量與降雨歷時呈線性函數y=ax+b分布，擬合優度均在0.9以上。

(3)裸地和草地坡產流量與產流歷時呈現對數關系，擬合優度均在0.8以上；雨強和植被條件一定時，裸地坡單位時間內的產流量均高于草地坡。

(4)前期土壤含水量是影響區域產流量的一個重要因素。未來在構建區域產匯流模塊時，應重點考慮前期土壤含水率對產流量及產流速率的差異；由于產流增速時長的一致性，還要考慮久旱和正常土壤墑情下，產流模式差異的可能性。