人工模擬降雨條件下不同雨強、坡度對紫色土坡面產(chǎn)流的影響

車明軒， 宮淵波， 穆罕默德·納伊姆·漢， 劉 蓮， 呂 宸， 匡昆林

(四川農(nóng)業(yè)大學 林學院， 四川 成都 611130)

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人工模擬降雨條件下不同雨強、坡度對紫色土坡面產(chǎn)流的影響

車明軒， 宮淵波， 穆罕默德·納伊姆·漢， 劉 蓮， 呂 宸， 匡昆林

(四川農(nóng)業(yè)大學 林學院， 四川 成都 611130)

[目的] 研究不同降雨強度和坡度對紫色土坡面產(chǎn)流過程的影響，為紫色土區(qū)域的水土流失防治提供科學依據(jù)。 [方法] 基于室內人工模擬降雨試驗開展研究。 [結果] 不同雨強和坡度下的產(chǎn)流過程可大致分為“下凹”型和“上凸”型，且分別可以用指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)描述。隨著雨強和坡度的增大，產(chǎn)流時間逐漸減小，產(chǎn)流過程逐漸趨于一致，坡面徑流量逐漸增加。坡度和雨強對徑流總量的貢獻率有著對比消長的關系，小雨強下(雨強為33和54 mm/h)，坡度是坡面徑流總量的主要貢獻因子，隨著雨強增大(雨強為94和125 mm/h)，雨強為坡面徑流總量的主要貢獻因子。 [結論] 坡度和雨強均為坡面侵蝕的主要影響因子，隨著坡度和雨強的增加，坡面侵蝕更加劇烈，主要侵蝕因子也由坡度轉變?yōu)橛陱姟?/p>

人工模擬降雨； 紫色土； 降雨強度； 坡度； 產(chǎn)流過程

文獻參數(shù)： 車明軒， 宮淵波， 穆罕默德·納伊姆·漢， 等.人工模擬降雨條件下不同雨強、坡度對紫色土坡面產(chǎn)流的影響[J].水土保持通報，2016,36(4)：164-168.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.030

紫色土是我國特有土壤之一，廣泛分布于我國長江中下游地區(qū)[1]，其礦質養(yǎng)分充足，肥力高，是當?shù)刂匾霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源。然而由于紫色土土壤發(fā)育程度低，土壤抗蝕性差，導致該地區(qū)的水土流失情況十分嚴重，僅次于黃土地區(qū)[2]，嚴重阻礙了當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展[3]。侵蝕產(chǎn)流是評估水土流失的重要指標之一，其不僅是泥沙輸移的動力與載體[4]，使表層土壤大量流失；而且溶解并流失土壤中植物生長不可或缺的速效養(yǎng)分[5]，降低土壤肥力。紫色土分布區(qū)域降水充沛，降雨產(chǎn)生的徑流攜帶大量土壤，是坡面土壤侵蝕的主要動力之一；加之該地區(qū)土地利用以坡耕地為主，大于10°的坡耕地占全區(qū)面積的70%以上[6]，大面積的坡耕地為土壤侵蝕提供有利的侵蝕場所，導致該地區(qū)水土嚴重流失。由此可見，降雨和坡度是紫色土區(qū)影響侵蝕產(chǎn)流的重要因素。國內學者針對紫色土坡面侵蝕產(chǎn)流進行了很多研究。高美榮等[7]通過對徑流小區(qū)的觀測實驗，對川中丘陵區(qū)旱坡地3種典型的耕作制在4次降雨過程中的產(chǎn)流過程結果表明，3種不同耕作制隨降雨歷時的產(chǎn)流量大小順序為：聚土免耕<平板種植<順坡種植；Liu等[8]設計了一種壤中流觀測系統(tǒng)，在不同雨強條件下對比坡面產(chǎn)流和壤中流的產(chǎn)流過程進行研究，認為在暴雨和大暴雨時，表面徑流和壤中流都有發(fā)生，且壤中流滯后更明顯；王玉寬等[9]利用人工模擬降雨裝置對紫色土坡面侵蝕過程研究表明，紫色土坡面降雨侵蝕率與降雨強度呈線性相關，與坡度符合二次拋物線關系。本研究以坡耕地紫色土為研究對象，采用室內人工模擬降雨的方法，通過準確控制降雨強度、坡度兩個主要因子變量，研究不同雨強、坡度對紫色土坡面產(chǎn)流過程影響、產(chǎn)流隨時間變化的規(guī)律及坡度與雨強耦合作用對紫色土坡面產(chǎn)流的影響，旨在加深降雨對紫色土水土流失規(guī)律的認識，為紫色土區(qū)域的土壤侵蝕防治提供科學依據(jù)，促進紫色土區(qū)域水土保持研究。

1　材料與方法

1.1試驗材料

模擬降雨裝置采用日本制造的DIK-6000人工降雨機，有效降雨高度為2 m，有效降雨面積為1.040 4 m2，該裝置可以調節(jié)降雨強度及雨滴大小。試驗土壤為四川盆地西部邊緣的雅安市(東經(jīng)101°51′10″—103°23′28″，北緯28°51′10″—30°56′40″)坡耕地土壤，土壤質地分類參考國際土壤質地分類標準[10]，為砂質黏壤土(砂粒、粉粒、黏粒含量分別為59.12%，24.39%和16.49%)。試驗前將土樣自然風干并通過10 mm孔徑的篩，除去石礫、枯落物等雜質并充分混勻以備使用。試驗所用坡面實體模型土槽為移動式可變坡度鋼槽，長1 m，寬0.3 m，深0.5 m，土槽上部有向外延伸的V形出水口，下部有排水孔。實驗前先在土槽下部填5 cm細沙，以保持實驗用土的透水狀況接近天然坡面。采用分層填裝的方法，邊填充、邊壓實，使土層的土壤緊實度由下至上依次降低，使實驗土壤剖面接近自然土壤剖面。并在壓實過程中使用SL-TSA型土壤水分緊實度速測儀隨機取樣測定土壤水分及緊實度，通過調整確保同一土層土壤水分和緊實度值接近。

1.2試驗方法

試驗采用33，54，94，125 mm/h共4種設計雨強，5°，10°，25°共3種設計坡度，共計12場降雨。雨強由人工降雨機準確設置，坡度以人工調節(jié)土槽角度準確設置。室內模擬降雨試驗每場試驗歷時60 min，每場實驗重復3次，分析計算采用三次試驗數(shù)據(jù)的平均值。實驗開始前堵塞土槽下部排水孔，以排除壤中流對試驗的影響，并在土槽出水口部放置水桶，收集產(chǎn)流樣品。確定雨強大小和降雨均勻度后開始試驗。從雨滴下落至土壤表面時開始計時，每隔10 min收集一次土槽出口的徑流樣并更換水桶。當土槽出水口水流開始流至水桶內時，記錄時間，為該場次降雨的產(chǎn)流時間。降雨結束后立即用量筒測量各階段的產(chǎn)流量。

2　結果與分析

2.1雨強、坡度對產(chǎn)流時間的影響

降雨初期，雨水主要消耗于土壤孔隙的填充，所以從降雨開始至徑流產(chǎn)生有一個明顯的滯后時間，即初始產(chǎn)流時間[11]。由圖1可知，相同降雨強度條件下，產(chǎn)流時間隨坡度的增加而呈現(xiàn)減小趨勢，而產(chǎn)流時間的減小幅度隨坡度的增加而呈現(xiàn)降低趨勢(坡度由5°增加至15°時，4種雨強產(chǎn)流時間約減小51.82%，而由15°增加至25°時，產(chǎn)流時間約減小19.85%)。這可能由于坡度在15°時，入滲率較小，降雨后坡面形成超滲產(chǎn)流的時間更快，初始產(chǎn)流時間越短，其變化幅度也更劇烈；而當坡度大于18°時，坡度對入滲率的影響不再顯著，導致初始產(chǎn)流時間延遲[12]，其變化幅度也就相對較小。在相同坡度條件下，產(chǎn)流時間隨雨強增大而呈現(xiàn)先急劇減少，后逐漸趨于穩(wěn)定并有小幅增加的趨勢。產(chǎn)流時間隨雨強的增大而減短，這一結論與陳洪松等在野外模擬降雨條件下的結論一致[13]。而在大雨強下(雨強為125 mm/h)產(chǎn)流時間出現(xiàn)小幅增加，可能由于大雨強下雨滴過于密集，濺蝕十分劇烈。雨滴連續(xù)打擊坡面而使坡面產(chǎn)生凹凸不平且分布不均勻的土坑，增加了坡面糙度。坡面糙度增加坡面徑流動阻力[14]，延緩局部徑流流速，導致產(chǎn)流時間略有延遲。

2.2雨強、坡度對產(chǎn)流過程的影響

地表徑流產(chǎn)流機制主要分為超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流兩種類型，但這兩種類型并不是截然分開的。一場降雨中，當凈降雨強度超過入滲強度時，會形成超滲產(chǎn)流，而當入滲量不斷累積至田間持水量時，又會轉化成蓄滿產(chǎn)流[15]。由于實驗時堵塞土槽下部出水口以排除壤中流對產(chǎn)流的影響，所以隨著降雨歷時的不斷增加，雨水充分下滲，土壤水最終趨于飽和，最終產(chǎn)流量會趨于穩(wěn)定(33和54 mm/h兩種降雨強度在降雨結束后產(chǎn)流量仍有明顯差異，可能是由于降雨強度較小且降雨時間不足，土壤中仍有孔隙，未能達到最終狀態(tài)所致)。由圖2可以看出，室內人工模擬降雨有著不同的產(chǎn)流過程，大致可以分為“下凹”型產(chǎn)流過程(如降雨強度為33 mm/h，坡度為25°的降雨類型)和“上凸”型產(chǎn)流過程(如降雨雨強為124 mm/h，坡度為5°，15°，25°的3次降雨類型)。對“下凹”型和“上凸”型的產(chǎn)流數(shù)據(jù)分析表明，“下凹”型產(chǎn)流過程可以用指數(shù)函數(shù)描述，而“上凸”型產(chǎn)流過程可以用對數(shù)函數(shù)描述(表1)。國內關于坡面產(chǎn)流過程的研究大多為“上凸”型產(chǎn)流[3,16]，可能因為其在正式降雨前進行過預降雨處理，增加了土壤初始含水率，趨于穩(wěn)定入滲速率的時間變短，導致產(chǎn)流進程加快[17]，未體現(xiàn)出土壤初始含水率較低時存在的“下凹”型產(chǎn)流過程。

分析兩種產(chǎn)流過程，“下凹”型產(chǎn)流過程在降雨初期，雨水主要以下滲為主。隨著產(chǎn)流歷時的增長，土壤表層部分逐漸被雨水填充。由于土壤剖面由上至下緊實度逐漸增高，土壤孔隙的大小和數(shù)量由上至下也逐漸減小，土壤入滲率也由上至下遞減；所以當土層上部水分趨于飽和而下滲能力較弱時，隨降雨的持

續(xù)會出現(xiàn)超滲產(chǎn)流。由于雨強相對較小，坡度也相對較為緩和，并且土層上部分水分持續(xù)下滲，以至于產(chǎn)流量的增加比較緩和，而這個產(chǎn)流量的增加很可能與下滲量的遞減有關。隨著時間的推移，雨水下滲至土槽底部，下滲速度不再減小，雨水開始由下至上逐漸填滿土壤中所有孔隙，此時產(chǎn)流速度會有顯著的提升，而這個時間節(jié)點很可能為“下凹”型產(chǎn)流過程的第一個拐點。當雨水持續(xù)填充土壤內孔隙，最終填滿土壤內所有孔隙時，產(chǎn)流量會趨于一個定值，此時產(chǎn)流由超滲產(chǎn)流轉化為蓄滿產(chǎn)流，而這個時間節(jié)點則可能是“下凹”型產(chǎn)流過程的第二個節(jié)點。而“上凸”型產(chǎn)流過程形成的原因是由于降雨強度相對較大，降雨量遠大于土壤入滲量，初始即形成超滲產(chǎn)流，產(chǎn)流增加量較大且變化不大，直至雨水充滿土壤孔隙時，產(chǎn)流量趨于定值，此時也是“上凸”型產(chǎn)流過程的唯一拐點。

圖1　不同降雨強度和坡度條件下產(chǎn)流時間的變化

圖2　不同降雨強度和坡度條件下產(chǎn)流量隨降雨歷時的變化

“下凹”產(chǎn)流過程與“上凸”產(chǎn)流過程相比，“下凹”的初始產(chǎn)流時間較長，且產(chǎn)流增長速度較為緩慢，累積產(chǎn)流量也明顯低于“上凸”的產(chǎn)流過程。由圖2可知，在雨強為33和54 mm/h時，25°坡面產(chǎn)流過程為“上凸”型產(chǎn)流，而其余坡度產(chǎn)流過程為“下凹”型，而當雨強增大到125 mm/h時，所有坡度產(chǎn)流均為“上凸”產(chǎn)流過程。這說明坡度和降雨強度共同影響著坡面徑流的產(chǎn)流過程。當雨強較小時，坡度是影響產(chǎn)流過程的主要因子，其對產(chǎn)流過程的類型、產(chǎn)流時間、產(chǎn)流量的增長速度以及累積產(chǎn)流量均有較大貢獻。而隨著雨強的增加，坡度對產(chǎn)流過程的影響逐漸減弱，當雨強為125 mm/h時，坡度僅對累積產(chǎn)流量由一定影響，說明此時坡度不再對坡面產(chǎn)流過程起主導作用，相反，雨強因子對坡面產(chǎn)流過程的影響隨著雨強的增加而越來越重要。隨著雨強的不斷增大，不同坡度產(chǎn)流過程的曲線趨于一致，在降雨強度為94和125 mm/h的60 min時，3種坡度在60 min時的產(chǎn)流量逐漸趨于一個定值，達到試驗的產(chǎn)流最終狀態(tài)，說明雨強的增大縮短了產(chǎn)流趨于穩(wěn)定的時間，加快了產(chǎn)流進程。

2.3雨強、坡度對產(chǎn)流總量的影響

圖3為不同降雨強度和坡度條件下徑流總量的變化規(guī)律。由圖3可知，隨著降雨強度和坡度的增大，其徑流總量也不斷增加，這一規(guī)律與國內外大多數(shù)研究結論一致[3,18-19]。通過分析其徑流總量隨坡度和雨強的增加而增長的規(guī)律(即斜率)，可以發(fā)現(xiàn)，當雨強在33～54 mm/h之間變化時，不同坡度增長幅度差異較大。隨雨強增長，不同坡度下徑流總量的增長幅度隨坡度的增加而增加，具體表現(xiàn)為：25°>15°>5°。說明當雨強在33～54 mm/h之間變化時，坡度的變化對坡面徑流總量有很大影響，坡度越大，其產(chǎn)流量越大。而當降雨強度由54 mm/h增長至125 mm/h時，15°坡和25°坡的增長幅度一致，說明當雨強在54～125 mm/h范圍內，坡度在15°～25°范圍內時，影響徑流總量的主要因子是雨強，坡度不再對產(chǎn)流量有明顯作用。而5°坡在雨強由54 mm/h增加至

125 mm/h時，徑流總量的變化與其余兩種坡度相比較有明顯差異，說明當雨強大于54 mm/h時，坡度在5°～15°的變化仍對徑流總量由很大影響。這與靳長興[12]入滲率隨坡度的減小在坡度小于15°時比較顯著，而當坡度超過15°后不再明顯的研究結論相似。

圖3　不同降雨強度和坡度下徑流總量的變化

上述分析表明徑流總量與坡度和雨強的變化有關。隨著雨強的增長，不同坡度對坡面徑流總量的影響有一定的差異性。為了具體分析其差別，采用計算貢獻率的方法來對不同坡度范圍和雨強兩個因子對產(chǎn)流量的貢獻進行簡單量化。以5°和15°坡面以及15°和25°坡面之間降雨強度和坡度變化對徑流總量的貢獻率進行分析，降雨強度以33 mm/h為基準。具體計算方法引用耿曉東[20]50和75 mm/h降雨強度下坡度、降雨強度貢獻率的計算和對比。

由表1—2可以看出，坡度和降雨強度對產(chǎn)流量的貢獻存在對比消長的關系，坡度在小雨強下對產(chǎn)流量有著重要貢獻，隨雨強的不斷增加，坡度的貢獻率逐漸減少。當坡度變化范圍在15°～25°時，雨強超過54 mm/h后，坡度的主要貢獻因子地位就被雨強所取代(坡度貢獻率小于50%)；而當坡度的變化范圍在5°～15°時，直至雨強超過94 mm/h后，雨強的主要貢獻地位才漸漸體現(xiàn)。這說明雖然坡度因子對徑流總量的貢獻隨著雨強的增加而逐漸減少，主要貢獻因子會由坡度因子轉變?yōu)橛陱娨蜃樱蔷徠碌?坡度<15°)相比陡坡地(坡度>15°)而言，這種轉變需要更大的降雨強度。

表1　5°和15°坡度下降雨強度、坡度貢獻率計算和對比

表2　15°和25°坡度下降雨強度、坡度貢獻率計算和對比

3　結 論

(1) 在相同雨強條件下，初始產(chǎn)流時間隨坡度的增加而減小，而產(chǎn)流時間的減小幅度隨坡度的增加呈降低趨勢。在相同坡度條件下，產(chǎn)流時間隨雨強增大而呈現(xiàn)先急劇減少，然后逐漸呈穩(wěn)定并有小幅增加的趨勢。

(2) 坡度和雨強共同影響著坡面的產(chǎn)流過程。在坡度、雨強相對較小的條件下，坡面產(chǎn)流主要以“下凹”型產(chǎn)流過程為主，在坡度、雨強相對較大的條件下，坡面產(chǎn)流主要以“上凸”型產(chǎn)流過程為主。

(3) 在小雨強下，坡度是影響產(chǎn)流過程的主要因子。隨著雨強的增加，坡度因子對產(chǎn)流過程的影響逐漸減弱。當雨強增加到一定量時，產(chǎn)流過程基本趨于一致，且最終產(chǎn)流量也趨近一個定值。雨強的增大縮短了產(chǎn)流趨于穩(wěn)定的時間，加快了產(chǎn)流進程。

(4) 坡度和雨強對徑流總量的貢獻有著對比消長的關系。小雨強下，坡度對徑流總量有著主要影響，隨著雨強的不斷增大，坡度因子對徑流總量的貢獻逐漸減小，雨強因子對徑流總量的貢獻逐漸增大。

(5) 雖然坡度因子對徑流總量的貢獻隨著雨強的增加而逐漸減少，主要貢獻因子會由坡度因子轉化為雨強因子，但是緩坡地(坡度小于15°)相比陡坡地(坡度大于15°)而言，這種轉變需要更大的降雨強度。

[1]李世鋒,朱曉瑩,朱春波.浙江省華光潭梯級水電站水土保持監(jiān)測實踐[J].中國水土保持,2008(9)：48-50.

[2]劉力,鄭粉莉.紫色土土壤侵蝕研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2006,34(12):2804-2805.

[3]鐘壬琳,張平倉.紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬試驗研究[J].浙江水利科技,2011(2):6-9.

[4]王政.侵蝕產(chǎn)沙的影響因素研究[J].中國科技信息,2008(6):27-29.

[5]張海濤.人工模擬降雨條件下紫色土可溶性C，N流失特征[D].四川 成都:四川農(nóng)業(yè)大學,2013.

[6]中國科學院成都分院土壤研究室.中國紫色土(上篇)[M].北京：北京科學出版社,1994.

[7]高美榮,劉剛才,朱波.四川紫色土丘陵區(qū)不同耕作制的產(chǎn)流過程初步分析[J].水土保持學報,2000,14(5):118-121.

[8]Liu Gangcai, Tian Guanglong, Shu Dongcai, et al. Characteristics of surface runoff and through flow in a purple soil of Southwestern China under various rainfall events [J]. Hydrological Processes, 2005, 19(9): 1883-1891.

[9]王玉寬,王勇強,傅斌,等.紫色土坡面降雨侵蝕試驗研究[J].山地學報,2006,24(5):597-600.

[10]孫向陽.土壤學[M].北京：中國林業(yè)出版社,2004.

[11]吳發(fā)啟,趙西寧,佘雕.坡耕地土壤水分入滲影響因素分析[J].水土保持通報,2003,23(1):16-18.

[12]靳長興.坡度在坡面侵蝕中的作用[J].地理研究,1996,18(3):57-63.

[13]陳洪松,邵明安,張興昌,等.野外模擬降雨條件下坡面降雨入滲、產(chǎn)流試驗研究[J].水土保持學報,2005,19(2):5-8.

[14]吳發(fā)啟,賈銳魚.地表糙度的量測方法及對坡面徑流和侵蝕的影響[J].西北林學院學報,1998,13(2):15-19.

[15]吳偉,王雄賓,武會,等.坡面產(chǎn)流機制研究芻議[J].水土保持研究,2006,13(4):84-86.

[16]張會茹,鄭粉莉,耿曉東.地面坡度對紅壤坡面土壤侵蝕過程的影響研究[J].水土保持研究,2009,16(4):52-54.

[17]劉賢兆,康紹忠.降雨入滲和產(chǎn)流問題研究的若干進展及評述[J].水土保持通報,1999,19(2):57-62.

[18]Catherine B, Marcel S, Dirk R Z, et al. Rill development and soil erosion: A laboratory study of slope and rainfall intensity [J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2010,35(12):1456-1467.

[19]魯克新,李占斌,張霞,等.室內模擬降雨條件下徑流侵蝕產(chǎn)沙試驗研究[J].水土保持學報,2011,25(2):6-9.

[20]耿曉東,鄭粉莉,劉力.降雨強度和坡度雙因子對紫色土坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].泥沙研究,2010(6):48-53.

Impacts of Rainfall Intensity, Slope Gradient on Overland Flow of Purple Soil Under Simulated Rainfall

CHE Mingxuan, GONG Yuanbo, Muhammad Naeem Khan， LIU Lian， Lü Chen， KUANG Kunlin

(CollegeofForestry,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu，Sichuan611130,China)

[Objective] The effects of rainfall intensity and slope gradient on runoff process were studied to provide scientific basis for soil and water conservation control on purple soil areas. [Methods] Researches were studied based on indoor artificial rainfall simulation experiments. [Results] Runoff courses could be generally divided into concave and convex type, and can be described by exponential function and log function, respectively. With the increases of rainfall intensity and slope, the runoff initiation time decreased, the runoff amount increased, and the runoff course became similar. At low rainfall intensity, the effect of slope gradient was obvious in runoff generation, while at high intensity, the effect decreased. In this case, slope gradient was the main factor at low rainfall intensities(33,54 mm/h), while rainfall intensity became the main factor at high rainfall intensity(94,125 mm/h). [Conclusion] Both rainfall intensity and slope gradients were the main factors of hillslope erosion. With the increase in rainfall intensity, the hillslope erosion became more sharply. And the main erosion factor transferred from slope to rainfall intensity.

simulated rainfall; purple soil; rainfall intensity; slope; runoff course

2015-09-18

2015-12-03

國家“十二五”科技支撐計劃重大項目“長江上游低山丘陵區(qū)生態(tài)綜合整治技術與示范”(2011BAC09B05)； 四川省高校水土保持與荒漠化防治重點實驗室建設項目； 四川農(nóng)業(yè)大學研究生社會實踐和科技服務團

車明軒(1992—)，男(漢族)，甘肅省蘭州市人，碩士研究生，研究方向為土壤侵蝕。E-mail：CMXSTBC@163.com。

宮淵波(1957—)，男(漢族)，遼寧省昌圖縣人，博士，教授，博士生導師，主要從事水土保持和生態(tài)恢復的教學和科研工作。E-mail：mailto:gyb@sicau.edu.cn。

A

1000-288X(2016)04-0164-05

S157.1