人工降雨和放水沖刷條件下紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

王愛娟,丁文峰,王萬君

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100055；2.長江科學(xué)院 水土保持研究所， 武漢 430010)

人工降雨和放水沖刷條件下紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

王愛娟1,丁文峰2,王萬君1

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100055；2.長江科學(xué)院 水土保持研究所， 武漢 430010)

采用可變坡的3 m×1 m土槽進(jìn)行人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)，在不同坡度(5°～20°)、不同雨強(qiáng)(0.6～2.5 mm/min)和放水流量(1.6～7 m3/s)情況下，對紫色土坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：放水沖刷試驗(yàn)中徑流流速從坡上到坡腳表現(xiàn)出先增加后減小、逐漸增大和逐漸減小3種趨勢，而人工降雨試驗(yàn)則恰恰相反，徑流流速從坡上到坡腳表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；15 min是2種試驗(yàn)方法產(chǎn)流過程穩(wěn)定的臨界時(shí)間；人工降雨試驗(yàn)徑流含沙量穩(wěn)定的時(shí)間介于5～50 min之間，放水沖刷試驗(yàn)含沙量穩(wěn)定的臨界時(shí)間為20 min。試驗(yàn)成果可為后續(xù)紫色土侵蝕相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

紫色土；徑流流速；含沙量；人工降雨；放水沖刷

1 研究背景

紫色土發(fā)育于亞熱帶地區(qū)石灰性紫色砂頁巖母質(zhì)土壤，主要分布在我國亞熱帶地區(qū)，以長江三峽地區(qū)分布較廣，四川盆地更為集中，是我國南方重要的耕作土壤。土壤侵蝕是土地退化的重要原因。紫色土土層較薄，平均厚度不超過50 cm，母質(zhì)疏松，物理風(fēng)化強(qiáng)烈。紫色土侵蝕規(guī)律的研究，關(guān)系到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，與糧食安全和生態(tài)安全息息相關(guān)。

降雨是土壤侵蝕的動(dòng)力來源，侵蝕強(qiáng)度主要取決于降雨強(qiáng)度、降雨量和降雨歷時(shí)。在土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律研究中，人工降雨因其可控的降雨過程被研究人員廣泛采用；當(dāng)不考慮雨滴對地表的打擊時(shí)，可采用放水沖刷試驗(yàn)研究土壤侵蝕和坡面流水力參數(shù)特征。研究人工降雨和放水沖刷條件下坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征有助于分辨有雨滴作用和無雨滴作用的侵蝕特征?？偨Y(jié)已有的研究成果發(fā)現(xiàn)，對紫色土的研究集中在不同土地利用類型對土壤侵蝕和徑流的影響[1-3]、土壤水分變化及壤中流特征[4-6]、坡耕地侵蝕和養(yǎng)分特征研究[7-10]等方面，而對紫色土裸坡土壤的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究較少。本研究以長江上游典型侵蝕性土壤——紫色土為研究對象，設(shè)計(jì)不同坡度、不同降雨強(qiáng)度和放水流量的人工降雨與放水沖刷試驗(yàn)，研究2種條件下坡面徑流流速、產(chǎn)流過程和產(chǎn)沙過程特征，以期為后續(xù)紫色土侵蝕相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 供試土壤

試驗(yàn)用土壤為紫色土，采自湖北省秭歸縣某坡耕地，母質(zhì)為紫色砂巖。土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.12 g/kg，密度為1.35 g/cm3，土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分別占54.51%，20.18%，6.64%。

2.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在水土流失移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置中可變坡土槽長3 m、寬1 m、深50 cm，坡度變化范圍為0°～30°，槽底部有滲流孔，在出口處有壤中流和地表徑流收集裝置。土槽裝土厚度為40 cm，邊填邊壓實(shí)，控制填土密度為1.3 g/cm3。采用人工降雨法和放水沖刷法進(jìn)行試驗(yàn)。降雨采用下噴式降雨器，降雨器的噴頭有大、中、小3套，由進(jìn)水口壓力表控制降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度可調(diào)范圍為0.5～3.5 mm/min，降雨均勻度為90%。放水沖刷法采用馬氏瓶原理控制恒定水頭，水箱尺寸中長、寬、高均為1 m，水箱底部距地面高度約4 m。本次試驗(yàn)設(shè)5°，10°，15°，20°共4種坡度，降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為0.6，1，1.5，2，2.5 mm/min，對應(yīng)的放水沖刷流量分別為1.6，2.5，3.6，6，7 m3/s，所有試驗(yàn)降雨量控制為50 mm，對應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間分別為83，46，31，24，20 min。共開展人工降雨試驗(yàn)20場，放水沖刷試驗(yàn)20場。采用風(fēng)干法保證試驗(yàn)時(shí)土壤前期含水量基本一致，約為16%。

徑流、泥沙樣的采集方法為坡面開始產(chǎn)流后0～3 min每隔1 min采樣1次，3～11 min每隔2 min采樣1次，11 min到試驗(yàn)結(jié)束每隔5 min采樣1次，用水桶收集徑流并測量產(chǎn)流量，采用烘干法測量徑流含沙量。分別在坡面的上、中、下部采用高錳酸鉀染色法測定流速。

表1 不同試驗(yàn)條件下坡面不同部位地表徑流流速分布Table 1 Distribution of runoff velocity on different parts of the slope surface under different test conditions

表2 不同試驗(yàn)條件下全坡面地表徑流平均流速分布Table 2 Distribution of average full-slope runoff velocity under different test conditions

3 結(jié)果與分析

3.1 不同試驗(yàn)條件下紫色土坡面流速特征

人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)條件下坡面不同部位地表徑流流速見表1。從表1可以看出，對于3 m坡長的坡面，放水沖刷試驗(yàn)中，坡面流速呈現(xiàn)從坡上到坡中流速增加、坡中到坡腳流速減小及流速從坡上到坡腳逐漸增加和流速從坡上到坡腳逐漸減小3種趨勢；人工降雨試驗(yàn)中只有1種趨勢，流速分布都表現(xiàn)為從坡上到坡腳逐漸增大的趨勢。分析原因認(rèn)為放水沖刷時(shí)，因坡面粗糙度和流量的不同，從坡頂而下的徑流受重力作用逐漸增加、或徑流克服摩擦阻力向坡腳流動(dòng)導(dǎo)致流速減小，而人工降雨試驗(yàn)坡面產(chǎn)生徑流后，由于整個(gè)坡面都受雨，土壤飽和造成坡面不同部位都有入流，因此從坡頂?shù)狡履_徑流量增大，流速也增加。

全坡面平均流速分布見表2。從表2可以看出，放水沖刷條件下，坡面平均流速隨流量和坡度的增大而增大；而人工降雨條件下，流速隨雨強(qiáng)的增加增大幅度很小，基本不隨坡度的增加而變化。

圖1 不同試驗(yàn)條件下紫色土坡面產(chǎn)流過程Fig.1 Runoff processes of purple soil under different test conditions

圖2 不同試驗(yàn)條件下紫色土坡面產(chǎn)沙過程Fig.2 Sediment yield processes of purple soil under different test conditions

降雨強(qiáng)度0.6 mm/min和放水沖刷流量6 m3/s試驗(yàn)條件下的紫色土坡面產(chǎn)流過程見圖1。以這2種情況下的產(chǎn)流過程為例，可以看出坡面產(chǎn)流開始后流量迅速增加，直至15 min后趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)所有場次的試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，15 min是紫色土坡面產(chǎn)流過程穩(wěn)定的臨界時(shí)間。

3.2 不同試驗(yàn)條件下紫色土坡面產(chǎn)沙過程

分析人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)條件下紫色土邊坡的降雨產(chǎn)沙過程發(fā)現(xiàn)，徑流產(chǎn)生后的前10 min，徑流含沙量很大，之后迅速減小并趨于穩(wěn)定，見圖2。統(tǒng)計(jì)所有場次的試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)(表3、表4)：人工降雨試驗(yàn)時(shí)，含沙量穩(wěn)定的時(shí)間介于5～50 min，初始含沙量大約是穩(wěn)定含沙量的2倍；放水沖刷試驗(yàn)時(shí)，含沙量穩(wěn)定的時(shí)間介于5～20 min，試驗(yàn)過程中前3 min徑流含沙量很大，甚至可達(dá)到穩(wěn)定含沙量的100倍以上。

表3 人工降雨條件下徑流含沙量穩(wěn)定時(shí)間Table 3 Time of sediment concentration getting stablein artificial rainfall condition

表4 放水沖刷條件下徑流含沙量穩(wěn)定時(shí)間Table 4 Time of sediment concentration getting stablein scouring condition

總結(jié)發(fā)現(xiàn)：人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)條件下，紫色土坡面產(chǎn)流后徑流量含沙量穩(wěn)定所需時(shí)間很短。在人工降雨試驗(yàn)中，坡度大于5°時(shí)，徑流含沙量在前15 min變化較大，之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定；雨強(qiáng)越大，含沙量穩(wěn)定所需要的時(shí)間越短。相對而言，在本次試驗(yàn)設(shè)定的放水沖刷流量情況下，含沙量穩(wěn)定的時(shí)間較短，所有20場試驗(yàn)的含沙量在產(chǎn)流后20 min前都能達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

本次試驗(yàn)以降雨量50 mm為控制，設(shè)計(jì)不同雨強(qiáng)、坡度情況下的人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)。在2種不同試驗(yàn)條件下紫色土坡面不同部位的徑流流速有不同的變化規(guī)律，這主要與坡面入流方式不同有關(guān)，表現(xiàn)為放水沖刷時(shí)從坡上到坡腳先增加后減小、逐漸增大和逐漸減小3種趨勢，人工降雨時(shí)呈逐漸增加趨勢；坡面產(chǎn)流穩(wěn)定時(shí)間大約為15 min，產(chǎn)沙穩(wěn)定時(shí)間在放水沖刷試驗(yàn)條件下為5～20 min，人工降雨條件下為5～50 min。

[1] 劉剛才,朱 波,代華龍,等.四川低山丘陵區(qū)紫色土不同土地利用類型的水蝕特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(6):96-99.(LIU Gang-cai,ZHU Bo,DAI Hua-long,etal.Study of Water Erosion Features of Purple Soil under Different Land Utilization in Hilly and Low Mountain in Area of Sichuan[J].Journal of Soil and Water Conservation,2001,15(6): 96-99.(in Chinese))

[2] 嚴(yán)風(fēng)碩,何丙輝,劉立志.不同土地利用方式下紫色土坡地水土流失特征——以涪陵為例[J].亞熱帶水土保持,2009,21(4):14-19.(YAN Feng-shuo,HE Bing-hui,LIU Li-zhi.Soil Erosion Characteristics of Purple Soil Upland under the Different Land Use Types in Fuling District[J].Subtropical Soil and Water Conservation,2009,21(4): 14-19.(in Chinese))

[3] 陳 晏,史冬梅,文卓立,等.紫色土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤抗沖性特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(2):24-28.(CHEN Yan,SHI Dong-mei,WEN Zhuo-li,etal.Study on Soil Anti-scourablity of Different Land Use Types in Purple Soil Hilly Region[J].Journal of Soil and Water Conservation,2007,21(2):24-28.(in Chinese))

[4] 崔靈周,丁文峰,李占斌.紫色土丘陵區(qū)農(nóng)用地土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究[J].土壤與環(huán)境,2000,9(3):207-209.(CUI Ling-zhou,DING Wen-feng,LI Zhan-bin.Study on Soil Moisture Dynamic Variation Law of Farmland in Purple Soil Hilly Region[J].Soil and Environmental Sciences,2000,9(3):207-209.(in Chinese))

[5] 丁文峰,張平倉,王一峰.紫色土坡面壤中流形成與坡面侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2008,25(3):14-17.(DING Wen-feng,ZHANG Ping-cang,WANG Yi-feng.Experimental Study on Runoff and Sediment Yield Characteristics on Purple Soil Slope[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2008,25(3): 14-17.(in Chinese))

[6] 丁文峰,張平倉.紫色土坡面壤中流養(yǎng)分輸出特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(4):15-20.(DING Wen-feng,ZHANG Ping-cang.Characteristic of Nutrient Transportation of Subsurface Flow of Purple Soil Slope[J].Journal of Soil and Water Conservation,2009,23(4):15-20.(in Chinese))

[7] 劉剛才,李 蘭,周忠浩,等.紫色土丘陵區(qū)坡耕地退耕對水土流失的影響極其效益評價(jià)[J].中國水土保持科學(xué),2005,3(4):32-36.(LIU Gang-cai,LI Lan,ZHOU Zhong-hao,etal.Influence and Its Benefits Evaluation of Removal Lands from Cultivation to Afforestation and Grassland in Slope Farmland on Soil Erosion in Hilly Region of Purple Soil[J].Science of Soil and Water Conservation,2005,3(4): 32-36.(in Chinese))

[8] 徐 波,朱雪梅,劉 倩,等.川中丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征研究——以中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站小流域?yàn)槔齕J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,4(2):663-668.(XU Bo,ZHU Xue-mei,LIU Qian，etal.Study on Nutrient Characteristic of Soil under Different Land Utilization Types in Hillly Area of Central Sichuan Basin[J].Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2011,4(2): 663-668.(in Chinese))

[9] 汪 濤,朱 波,羅專溪,等.紫色土坡耕地硝酸鹽流失過程與特征研究[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(5):962-970.(WANG Tao,ZHU Bo,LUO Zhuan-xi，etal.Nitrate Loss from Sloping Cropland of Purple Soil[J].Acta Pedologia Sinica,2010,47(5): 962-970.(in Chinese))

[10]傅 濤,倪九派,魏朝富,等.不同雨強(qiáng)和坡度條件下紫色土養(yǎng)分流失規(guī)律研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2003,9(1):71-74.(FU Tao,NI Jiu-pai,WEI Chao-fu，etal.Research on the Nutrient Loss from Purple from Purple Soil under Different Rainfall Intensities and Slopes[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2003,9(1): 71-74.(in Chinese))

(編輯：曾小漢)

Characteristics of Runoff and Sediment Yield of Purple Soil SlopeSurface in the Presence of Artificial Rainfall and Scouring

WANG Ai-juan1,DING Wen-feng2,WANG Wan-jun1

(1.Center of Soil and Water Conservation Monitoring,Ministry of Water Resources,Beijing 100055,China;2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Soil tank (3 m×1 m) of variable slope was taken for artificial rainfall and runoff scouring test.The features of runoff and sediment yield on purple soil slope in the presence of different slope gradients (5°～20°),rainfall intensities(0.6～2.5 mm/min),and scouring flow rates(1.6～7 m3/s) were researched.Results indicate that in scouring test,the runoff flow velocity from slope top to slope toe changes in three tendencies: first increases and then reduces,progressively increases,and progressively reduces;whereas for artificial rainfall test,the runoff flow velocity gradually increases from slope top to slope toe.The critical time of runoff getting stable in both tests is 15min;whereas for sediment concentration,the time of getting stable is between 5～50min in artificial rainfall test and 20min in scouring test.

purple soil;runoff velocity;sediment concentration;artificial rainfall;scouring

2015-01-09；

2015-01-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101260，41271303)；長江科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(CKSF2012052/TB)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CKSF2013013/TB)；“十二五”科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2012BAK10B04)

王愛娟(1981-)，女，寧夏銀川人，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持，(電話)010-63207096(電子信箱)wang-ai-juan@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.007

S157.1

A

1001-5485(2015)03-0031-04

2015,32(03):31-34