三峽庫區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙產(chǎn)流研究

朱曉軍 肖 海

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

由于長期不合理的土地利用方式，加之較頻繁的侵蝕性降雨，導(dǎo)致三峽庫區(qū)水土流失嚴(yán)重，不僅致使庫區(qū)土層日趨貧瘠，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，而且水庫泥沙淤積給三峽工程和長江中下游的安危造成極大威脅［1］。小流域是水土保持研究的基本單元，對(duì)其侵蝕產(chǎn)沙空間分布的了解是預(yù)測(cè)和防治流域水土流失的重點(diǎn)［2］。本文以三峽庫區(qū)主要土壤類型紫色土為研究對(duì)象，通過建立小流域微縮模型，結(jié)合人工模擬降雨試驗(yàn)，研究小流域在不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，為三峽庫區(qū)小流域治理以及水土流失預(yù)測(cè)模型的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 建立小流域模型

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)湖北宜昌段，以秭歸縣水田壩鄉(xiāng)的王家橋小流域(31°12′N ～31°15′N，110°40′E ～110°43′E)為原型，通過實(shí)地勘察，按1∶100的比例尺將其微縮模型建于三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗(yàn)場(chǎng)。小流域模型外圍邊界用紅磚及水泥砌成，模型中下層鋪設(shè)砂土以便透水。上層按照1.3 g/cm3的容重鋪設(shè)10 cm厚的紫色土層。小流域模型建成后，其溝道分布如圖1所示。

圖1 小流域模型（單位：m）

1.2 人工降雨過程及處理

人工降雨試驗(yàn)在三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗(yàn)場(chǎng)開展。降雨設(shè)施采用南京南林電子科技生產(chǎn)的NLJY-10-01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度4 m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于 0.86，降雨強(qiáng)度為 60 mm/h，90 mm/h，120 mm/h。利用均勻分布于小流域中的雨量筒，通過多次測(cè)定平均降雨強(qiáng)度對(duì)降雨強(qiáng)度率定。每次降雨開始前，先將小流域表層濕潤，直至接近產(chǎn)生地表徑流。然后，將降雨強(qiáng)度調(diào)至設(shè)定值，在降雨開始產(chǎn)流后開始計(jì)時(shí)，以2 min為時(shí)間間隔接取全部泥沙樣品以待測(cè)試，同時(shí)照相，并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行記錄。降雨30 min結(jié)束后，覆蓋防雨布以備下次試驗(yàn)使用。泥沙樣品接收后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

2 結(jié)果與討論

2.1 總產(chǎn)流產(chǎn)沙分析

從表1可以看出，徑流量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，但是增加幅度相差較大，雖然三次降雨強(qiáng)度均相差30 mm/h，但與60 mm/h相比，90 mm/h徑流量增加 325.106 kg，120 mm/h相對(duì)于90 mm/h只增加261.616 kg，增幅減少了19.53%。

表1 三次降雨徑流量及侵蝕量對(duì)比表

與徑流量變化規(guī)律相同，三場(chǎng)降雨侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，且增加幅度相差較大:降雨強(qiáng)度為90 mm/h侵蝕量比60 mm/h 增加20.852 kg，120 mm/h 侵蝕量比90 mm/h 增加1.79 kg，增幅較前兩場(chǎng)減少91.42%，這個(gè)增幅遠(yuǎn)小于同期徑流量的增幅。

2.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙過程分析

從圖2可以看出，徑流量在三場(chǎng)降雨過程中均隨徑流時(shí)間呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。雖然三場(chǎng)降雨徑流量均隨時(shí)間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，但由圖3可知，三場(chǎng)降雨的土壤侵蝕量變化規(guī)律并不一致。在60 mm/h雨強(qiáng)下，土壤侵蝕量隨徑流時(shí)間逐漸增加。而在隨后的90 mm/h雨強(qiáng)下，土壤侵蝕量隨降雨歷時(shí)變化出現(xiàn)了先陡增后穩(wěn)定波動(dòng)的趨勢(shì)。在120 mm/h雨強(qiáng)下，整個(gè)降雨過程中侵蝕量仍呈現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)的變化規(guī)律。

圖2 三場(chǎng)降雨徑流量隨時(shí)間變化圖

圖3 三場(chǎng)降雨土壤侵蝕量隨時(shí)間變化圖

3 結(jié)語

本研究通過模擬人工降雨實(shí)驗(yàn)，對(duì)三峽庫區(qū)模擬小流域泥沙來源及其產(chǎn)沙過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:

1)三場(chǎng)降雨徑流量及侵蝕量均隨雨強(qiáng)增加，但徑流量的增加幅度遠(yuǎn)大于侵蝕量;2)三場(chǎng)降雨過程中徑流量均隨徑流時(shí)間呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì);3)三場(chǎng)降雨過程中侵蝕量變化規(guī)律不一致，在60 mm/h雨強(qiáng)下，土壤侵蝕量隨徑流時(shí)間逐漸增加，在90 mm/h及120 mm/h雨強(qiáng)下，土壤侵蝕量隨降雨歷時(shí)變化出現(xiàn)了先陡增后穩(wěn)定波動(dòng)的趨勢(shì)。

［1］ 熊平生，謝世友，謝金寧.初探三峽水庫濕地面臨的問題及其對(duì)策［J］.國土與自然資源研究，2004(4):60-62.

［2］ Kimoto A，Nearing M A，Shipitalo，et al.Multi-year tracking of sediment sources in a small agricultural watershed using rare earth elements［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2006(31):1763-1774.