紅壤地區坡面產流產沙特征分析

高 望

(浙江四維水利設計有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

我國是世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一，尤其是在我國的南方紅壤丘陵地區更尤為嚴重[1-2]。由于我國南方夏季多雨，很容易造成水土流失現象出現，許多研究人員討論了氣候變化對水土流失的影響，我國早在20世紀90年代就開始實施了退耕還林政策。土壤侵蝕危害是當前氣候變化造成的不利事件之一，對環境、農業生產力、全球糧食不安全和生計產生負面影響。為了解決目前我國南方丘陵地區侵蝕紅壤嚴重、生態回復難度大等問題，研究紅壤坡面的土壤侵蝕規律，預測土壤侵蝕脆弱性，對于采取緩解措施保護寶貴的自然資源至關重要，同時對我國南方紅壤丘陵區水土流失的防治、農業的可持續發展均有重要意義。

在國內外土壤侵蝕研究的眾多方法中，最常用的手段是采用人工降雨試驗來模擬坡面徑流與泥沙特征。在不考慮雨滴對土壤侵蝕的沖擊作用時，也可以采取放水沖刷的方法進行研究坡面泥沙特征。基于上述2種方法，研究人員開展了大量的研究，趙偉[3]等人在人工降雨條件下，對水土保持區的土壤產流產沙進行了模擬試驗，并通過進一步的定性及定量分析，得出了不同人工降雨強度和坡度對土壤產沙的影響，進而得出了不同土壤類型下的降水強度與坡度的函數關系式。郭軍權[4]等人采用放水沖刷試驗，研究了不同坡度對土壤坡面侵蝕產沙的影響規律，進一步得出了不同流量下坡度與徑流率的關系。王愛娟[5]采用人工放水沖刷和人工降雨的方法，模擬了一種可變坡度的坡面，研究了不同土壤特性對雨滴能量傳遞的影響和不同坡度及地表粗糙度條件下徑流能傳遞規律。

綜上所述，國內學者對于采用人工降雨或放水沖刷的研究方式相對成熟，但同時結合2種方法對紅壤坡面徑流與泥沙特征的研究鮮有報道。因此，本文針對南方紅壤丘陵地區的水土流失嚴重的問題，對紅壤坡面的徑流和泥沙特征進行人工降雨和放水沖刷試驗，揭示不同坡度及不同降雨強度對紅壤坡面的徑流和泥沙的影響特征，研究成果為紅壤侵蝕的防治提供科學依據。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

試驗用土主要來自我國南方水土流失較嚴重的丘陵地區，土地的類型為坡耕地，坡度經過實際測量大致為10°，土壤類型為紅壤，土壤基本力學參數及土壤中不同顆粒含量詳見表1—2。通過對當地的氣溫及氣候進行充分調研，發現年平均降水量在1200mm左右，降雨類型以暴雨為主，對土壤侵蝕較嚴重。

表1 土壤基本力學參數

表2 土壤中不同顆粒含量 單位：%

1.2 試驗裝置

本研究試驗在水土流失移動實驗室內完成，實驗室內具備坡度可調(0°～30°)的土壤侵蝕槽，為了方便試驗裝置的滲流，在槽底部設置有直徑4mm的孔，槽下部設置有地表徑流的接收裝置。人工降雨試驗裝置采用下噴式的降雨器，其中試驗降雨的高度大約為5m。放水沖刷試驗采用馬氏瓶原理控制恒定水頭，水箱大小為1m×1m×1m的立方體，箱子底部距離地面約為5m。

1.3 試驗方法

通過結合湖北省宜昌市氣象局近5年的降雨資料，本實驗初步擬定人工降雨強度為0.5、1.0、1.5、2.0mm/min，放水沖刷試驗流量為1.2、2.8、4.2、5.2L/min。同時本文結合當地的實際耕地坡度，將試驗的坡度擬定在6°、12°、18°、24°。通過控制變量法，將每場降雨試驗總雨量維持在40mm保持不變，然后將紅壤過1cm的篩，裝入侵蝕槽中，其中厚度保持0.4m左右。待土壤完全裝入侵蝕槽后，將其自然放置一段時間，當土壤狀態接近自然狀態時用環刀法對侵蝕槽內的土壤密度進行測試，當土壤密度達到自然密度1.37g/cm3進行備用。為了使室內試驗盡可能與現場條件相吻合，對現場土壤取樣進行含水率的測定，通過調整土壤含水量與現場含水量保持一致。同時，為了保證試驗誤差盡可能小，每次試驗要連續進行。人工降雨試驗強度由小到大逐步增加，同理，放水試驗也是從小流量到大流量進行。在試驗開始時，每隔1min測試徑流量與泥沙含量，試驗進行過程中每2min采樣觀測一次直至試驗結束。

2 結果與討論

2.1 不同試驗條件對坡面徑流的影響規律

人工降雨試驗和放水沖刷試驗條件下紅壤坡面初始產流時間見表3—4。結果表明，在人工降雨試驗條件下，土壤坡面的初始產流時間范圍在0.28～6.82之間，并且隨著坡度和強度的增加，其產流時間整體表現出下降的趨勢。其中坡度在6°～12°范圍內時下降速率最快。同時人工降雨強度在0.5～1.0mm/min范圍內存在明顯的突變，反觀隨著坡度與降雨強度的增加，其初始產流時間的下降幅度有明顯的減小。對比放水沖刷試驗下坡面初始產流時間來看，其表現出來的趨勢與人工降雨條件下基本一致，但整體初始產流時間要大于人工降雨試驗。究其主要原因是因為在人工降雨的試驗過程中，雨水的滴落會比較均勻的分散到坡面，在坡面形成一種薄層的水流，最終產生坡面徑流；在放水沖刷試驗中，形成坡面徑流的過程較多，尤其是在形成坡面薄層水流流程較長，導致其初始的產流時間較長[6-7]。

表3 人工降雨試驗下坡面初始產流時間 單位：min

表4 放水沖刷試驗下坡面初始產流時間 單位：min

2.2 不同試驗條件對坡面泥沙的影響規律

通過分析人工降雨條件下的徑流過程(如圖1所示)，可以看出，徑流量隨著坡度和降雨強度的增加呈現出增加的趨勢，并且通過降雨時間可以看出，隨著降雨時間的延長，徑流量在初期迅速增加，但經過一段時間后，其徑流量的增加速度有所減緩，并在50～60min內趨于穩定。

圖1 人工降雨試驗下的徑流過程

通過分析放水沖刷試驗下的徑流過程(如圖2所示)，可以看出，徑流量隨著放水流量的增加而增加，徑流量在放水時間前期呈現迅速增加的趨勢，但隨著放水時間的延長，趨勢逐漸趨于緩和，同時坡度也表現出了相應的趨勢變化。綜上，可以發現，放水時間在5～20min是紅壤坡面徑流穩定的突變值，超過這一時間段，徑流量趨于穩定。

圖2 放水沖刷試驗下的徑流過程

2.3 不同試驗條件對徑流總量的影響規律

如圖3所示為人工降雨試驗下紅壤坡面徑流總量，可以看出，隨著降雨強度和坡度的增加，徑流總量表現出明顯增加的趨勢。當坡度為6°，降雨強度由0.5mm/min增加到2.0mm/min時，徑流總量由60000mL增加到140000mL；當降雨強度為0.5mm/min，坡度由6°變化到24°時，徑流總量分別為60000、61000、82000、91000mL。由此可以看出，坡度在12°～18°階段內，徑流總量變化幅度最大。

圖3 人工降雨試驗下紅壤坡面徑流總量

如圖4所示為放水沖刷試驗下紅壤坡面徑流總量，可以看出，隨著降雨強度和坡度的增加，徑流總量同樣表現出明顯增加的趨勢。當坡度為6°，放水流量從1.2L/min增加到5.2L/min時，徑流總量增幅2倍多；當放水流量在1.2L/min，坡度變化范圍在6°～24°時，徑流總量分別為30000、41000、54000、74000mL，可以看出，在坡度18°～24°時增加趨勢最大，這表明徑流總量受坡度變化范圍影響較大。

圖4 放水沖刷試驗下紅壤坡面徑流總量

通過對比人工降雨和放水沖刷2種不同實驗情況下的徑流總量，可以看出，人工降雨試驗下的徑流總量要遠高于放水沖刷試驗下的徑流總量，尤其是在坡度相差較大時，徑流總量的差值會更大，這與鐘壬琳等人[8]的研究結果一致。

2.4 不同試驗條件下紅壤坡面泥沙含量變化

如圖5所示，顯示了人工降雨試驗條件下紅壤坡面泥沙過程，可以發現不同降雨強度下，泥沙含量有所變化，隨著降雨強度的增大，泥沙含量略有增加。當降雨強度穩定時，泥沙含量隨著坡度的增加而增加，隨著降雨時間的延長，泥沙含量表現出先增加后減少的趨勢，降雨時間在5～10min階段范圍內出現突變，之后泥沙含量隨著時間的變化趨于穩定。

圖5 人工降雨試驗條件下紅壤坡面泥沙過程

如圖6所示，顯示了放水沖刷試驗條件下紅壤坡面泥沙過程，由圖6(a)可以看出，隨著放水歷時的變化，含沙量整體表現出先增加后減少的趨勢，當坡度由6°增加到24°時，含沙量表現出明顯的增加現象。當坡度為24°時，含沙量較其他坡度增長了3倍，尤其在放水歷時5～15min階段，發生了明顯的突變現象，之后含沙量隨著放水歷時的延長，逐漸趨于穩定。

圖6 放水沖刷試驗條件下紅壤坡面泥沙過程

如圖7所示，為人工降雨試驗下紅壤坡面產沙總量，產沙總量隨著坡度和降雨強度的增加而增大，當坡度為6°時，隨著降雨強度的增加，產沙總量增加的趨勢較小，最大變化差值為1500g。隨著坡度的逐漸增加，產沙總量差值變大，當坡度為24°時，產沙總量差值為13800g，相比較坡度6°時，產沙總量增長了3倍多。表明，當坡度為6°、24°時，產沙總量隨著降雨強度的變化出現了最大突變。

圖7 人工降雨試驗下紅壤坡面產沙總量

如圖8所示，為放水沖刷試驗下紅壤坡面產沙總量，產沙總量隨著坡度與放水流量的增加呈現出增加的趨勢。當放水流量為5.2L/min時，坡度由6°增加到24°時，產沙總量變化最為明顯，產沙總量分別為6500、8100、9800、12400g，并且變化幅度呈現出越來越大的趨勢，這表明，防水流量為5.2L，坡度為24°時，產沙總量最大。

圖8 放水沖刷試驗下紅壤坡面產沙總量

通過對比人工降雨和放水沖刷2種不同實驗情況下的產沙總量，可以看出，2種試驗條件下的產沙總量差值隨著坡度的增加呈現增大的趨勢，隨著坡度的增加，人工降雨試驗下的產沙總量要遠高于放水沖刷試驗下的徑流總量，尤其是在坡度相差較大時，產沙總量的差值會更大。

3 結論

本文以紅壤坡面為研究對象，通過人工降雨和放水沖刷試驗，分析紅壤坡面的徑流和泥沙特征。得出以下結論。

(1)坡面產流時間都坡度和降雨強度的增加而減小，坡度6°～12°范圍內時下降速率最快，放水沖刷試驗下坡面初始產流時間明顯低于人工降雨試驗條件。

(2)徑流量隨著放水流量的增加而增加，徑流量在放水時間前期呈現迅速增加的趨勢，后逐漸趨于緩和；人工降雨試驗下的徑流總量高于放水沖刷試驗下的徑流總量，坡度較大時的徑流總量的差值更明顯。

(3)隨著降雨強度的增大，泥沙含量略有增加，放水沖刷試驗下的含沙量高于人工降雨。隨著坡度的增加，泥沙含量增加趨勢緩和。