人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)下紅壤坡面徑流與泥沙特征分析

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(1.浙江省水資源管理中心(浙江省水土保持監(jiān)測(cè)中心)，杭州 310012；2.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

表1 試驗(yàn)用土基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of test soil

1 研究背景

我國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一，南方紅壤丘陵區(qū)地處熱帶、亞熱帶，具有多樣化的自然條件和豐富的水、熱、土地和生物資源，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。但由于受到降雨、地形、人類活動(dòng)等因素的影響，南方紅壤區(qū)成為我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，嚴(yán)重的水土流失會(huì)導(dǎo)致土壤退化，也會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究紅壤坡面的土壤侵蝕規(guī)律，對(duì)于南方紅壤丘陵區(qū)水土流失的防治、農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

應(yīng)用人工降雨試驗(yàn)，模擬坡面徑流與泥沙特征，是研究土壤侵蝕的一種非常重要的方法[1-5]，當(dāng)不考慮雨滴對(duì)地表的打擊作用時(shí)，也可采用放水沖刷試驗(yàn)研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。這2種試驗(yàn)方法相結(jié)合有助于我們了解土壤坡面在有無雨滴作用下的徑流與泥沙特征。以往有諸多學(xué)者采用人工降雨試驗(yàn)或放水沖刷試驗(yàn)對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行了研究，如付興濤等[6]采用人工降雨試驗(yàn)，研究了不同雨強(qiáng)下坡長對(duì)紅壤侵蝕的影響，并初步探討了侵蝕增強(qiáng)的臨界雨強(qiáng)和設(shè)置水土保持措施的合理坡長；洪斌等[7]采用室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，研究了降雨強(qiáng)度、坡度和坡長與云南紅土坡面土壤侵蝕之間的關(guān)系；馬美景等[8]利用室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)，分析了上方來水流量對(duì)紅壤坡面徑流侵蝕過程中泥沙的遷移規(guī)律及土壤溶質(zhì)運(yùn)移特征的影響；彭旭東等[9]采用野外放水沖刷試驗(yàn)研究了紫色丘陵區(qū)不同棄土棄渣下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律。也有的學(xué)者采用人工模擬降雨和放水沖刷試驗(yàn)相結(jié)合的方法來研究土壤侵蝕特征。王愛娟等[10]利用人工模擬降雨和放水沖刷試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征；尹武君[11]利用可變坡度土槽模擬黃土坡面，采用人工放水和人工降雨的方法，研究了不同土壤特性對(duì)雨滴能量傳遞的影響和不同坡度及地表糙度條件下徑流能傳遞規(guī)律等問題。

縱觀上述研究，采用人工降雨或放水沖刷試驗(yàn)研究土壤侵蝕的較多，而將2種試驗(yàn)方法結(jié)合起來研究土壤侵蝕的則較少，尤其是將這2種試驗(yàn)方法相結(jié)合對(duì)紅壤坡面侵蝕進(jìn)行的研究還相當(dāng)薄弱。因此，本文通過人工降雨和放水沖刷2種試驗(yàn)，研究紅壤坡面徑流與泥沙特征，以期為紅壤侵蝕的防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用土取自中國主要水蝕區(qū)南方山地丘陵區(qū)——湖北武漢，土地利用類型為坡耕地，坡度約為10°，地貌類型為低山丘陵，海拔高度約為45 m，成土母質(zhì)為泥質(zhì)頁巖，土壤類型為典型紅壤，土壤理化性質(zhì)見表1。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?5.8～17.5 ℃，多年平均降水量約為1 269 mm，主要集中分布在5—10月份，以暴雨徑流侵蝕為主。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在水土流失移動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)室內(nèi)安裝有可調(diào)節(jié)坡度(0°～28°)的土壤侵蝕槽(長3 m、寬1 m、深50 cm)，槽底部留有直徑5 mm的滲流孔，槽下部有壤中流和地表徑流的接收裝置。采用人工降雨法和放水沖刷法。人工降雨試驗(yàn)采用下噴式降雨器，降雨高度約為6 m，降雨噴頭有大、中、小3套，由移動(dòng)試驗(yàn)室上的多功能數(shù)據(jù)采集器和壓力表來率定降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度變化范圍為0.3～2.8 mm/min，每場(chǎng)降雨試驗(yàn)前先用9個(gè)集雨桶來率定降雨強(qiáng)度，試驗(yàn)過程中再用集雨桶來監(jiān)測(cè)降雨均勻度，以保證降雨均勻度系數(shù)達(dá)到90%左右。放水沖刷試驗(yàn)采用馬氏瓶原理控制恒定水頭，水箱尺寸長1 m、寬1 m、高1 m，箱底距離地面約4 m。

表2 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面初始產(chǎn)流時(shí)間對(duì)比Table 2 Comparison of the initial runoff yield duration on red soil slope in different tests

2.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)湖北武漢氣象站1971—2000年的次降雨資料，得到不同重現(xiàn)期下的次降雨強(qiáng)度，并結(jié)合已有研究，將本次人工降雨試驗(yàn)雨強(qiáng)擬定為0.8，1.2，2.1，2.6 mm/min，相應(yīng)地，放水沖刷試驗(yàn)流量擬定為1.4，3.0，5.7，7.0 L/min。本次試驗(yàn)根據(jù)坡耕地坡度特征，結(jié)合試驗(yàn)條件將坡度擬定為5°，10°，15°，20°，試驗(yàn)共計(jì)32場(chǎng)，控制每場(chǎng)降雨試驗(yàn)總雨量50 mm不變。侵蝕槽裝土厚度0.4 m，該土壤過1 cm的篩，采取分層裝填、邊填邊壓實(shí)的方法，土槽裝填完成后，擱置一段時(shí)間，使槽內(nèi)土壤沉實(shí)到接近自然狀態(tài)，并用環(huán)刀法測(cè)定槽內(nèi)土壤密度，達(dá)到1.38 g/cm3左右方可開始試驗(yàn)。

每場(chǎng)試驗(yàn)前測(cè)定土壤前期含水率，以保證所有試驗(yàn)前土壤前期含水率相對(duì)一致。同時(shí)，為保證每場(chǎng)試驗(yàn)的一致性，試驗(yàn)不換土，連續(xù)進(jìn)行。在第1場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，土槽擱置，讓水分充分下滲，在自然狀態(tài)下風(fēng)干，進(jìn)行第2場(chǎng)試驗(yàn)前先測(cè)定土壤含水率，當(dāng)所測(cè)含水率與第1場(chǎng)試驗(yàn)相對(duì)一致時(shí)再開始第2場(chǎng)試驗(yàn)。人工降雨試驗(yàn)從小雨強(qiáng)開始，經(jīng)過5°，10°，15°，20°四個(gè)坡度后，再增大雨強(qiáng)，開始下一組試驗(yàn)；放水沖刷試驗(yàn)也從小流量開始，經(jīng)過5°，10°，15°，20°四個(gè)坡度后，再增大流量，開始下一組試驗(yàn)。

每場(chǎng)試驗(yàn)中按照如下方法觀測(cè)：試驗(yàn)開始0～3 min時(shí)間段內(nèi)每分鐘采樣觀測(cè)一次徑流量、泥沙量，4～7 min時(shí)間段內(nèi)每2 min采樣觀測(cè)一次，8～10 min時(shí)間段內(nèi)每3 min采樣觀測(cè)一次，10 min之后每5 min采樣觀測(cè)一次直至試驗(yàn)結(jié)束。侵蝕槽出口的徑流量用塑料桶全部收集測(cè)量，泥沙含量采用烘干法測(cè)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面徑流研究

人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)條件下紅壤坡面初始產(chǎn)流時(shí)間見表2。

從表2中可以看出:人工降雨試驗(yàn)條件下，紅壤坡面初始產(chǎn)流時(shí)間在0.12～6.25 min之間，隨著坡度和雨強(qiáng)的增大而減小，且以5°坡和0.8 mm/min雨強(qiáng)下的變化幅度最為明顯，至20°坡和2.6 mm/min雨強(qiáng)下逐漸趨于穩(wěn)定；放水沖刷試驗(yàn)條件下，紅壤坡面初始產(chǎn)流時(shí)間在0.28～7.35 min之間，隨著坡度和流量的增大而減小，且以5°坡和1.4 L/min流量下的變化幅度最為明顯，至20°坡和7.0 L/min流量下逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)比紅壤坡面在2種試驗(yàn)條件下的初始產(chǎn)流時(shí)間發(fā)現(xiàn)，坡度較小時(shí)(5°和10°)，人工降雨條件下的紅壤坡面明顯比放水沖刷試驗(yàn)條件下產(chǎn)流快，而當(dāng)坡度增加到15°和20°時(shí)，這種規(guī)律就不明顯了。分析其原因?yàn)槠露容^小時(shí)(5°和10°)，人工降雨試驗(yàn)中雨滴均勻落到坡面的各個(gè)部位后，形成坡面薄層水流，經(jīng)過匯流后，產(chǎn)生坡面徑流；而放水沖刷試驗(yàn)中水流自水箱的水管流到坡頂后，逐漸形成坡面薄層水流，流經(jīng)3 m長的土槽后，形成坡面徑流。與人工降雨試驗(yàn)相比，放水沖刷試驗(yàn)中的坡面薄層水流流程長，因此，初始產(chǎn)流時(shí)間較慢。

通過觀察人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)下的紅壤坡面地表徑流過程(圖1)可知，人工降雨試驗(yàn)下，徑流量隨坡度和雨強(qiáng)的增大而增大；放水沖刷試驗(yàn)下，徑流量隨坡度和流量的增大而增大；且在2種試驗(yàn)條件下，徑流量均隨著時(shí)間的推移先迅速增加，至15～20 min后逐漸趨于穩(wěn)定，分析所有場(chǎng)次的試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，15～20 min是紅壤坡面徑流量穩(wěn)定的臨界時(shí)間。

圖1 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面地表徑流過程Fig.1 Runoff processes on red soil slope in different tests

圖2 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面徑流總量Fig.2 Total runoff volumes on red soil slope in different tests

圖2為不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面徑流總量。由圖2(a)可知，人工降雨試驗(yàn)下，徑流總量有隨降雨強(qiáng)度和坡度增加而增大的趨勢(shì)。當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min，坡度由5°增加至20°時(shí)，徑流總量增長了22.51%，降雨強(qiáng)度為1.2，2.1，2.6 mm/min，坡度由5°增加至20°時(shí)，徑流總量分別增長了21.53%，14.50%，17.63%，這表明降雨強(qiáng)度為0.8，1.2 mm/min時(shí)，徑流總量隨坡度的變化幅度較2.1，2.6 mm/min時(shí)大；坡度為5°時(shí)，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時(shí)，徑流總量增長了47.83%，坡度為10°，15°，20°時(shí)，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時(shí)，徑流總量分別增長了55.94%，42.13%，41.95%，這表明坡度為5°和10°時(shí)，徑流總量隨降雨強(qiáng)度的變化幅度較坡度為15°和20°時(shí)大。

由圖2(b)可知，放水沖刷試驗(yàn)下，徑流總量有隨放水流量和坡度增加而增大的趨勢(shì)。當(dāng)放水流量為1.4 L/min時(shí)，坡度由5°增加至20°時(shí)，徑流總量增長了3倍多，放水流量為3.0，5.7，7.0 L/min時(shí)，坡度由5°增加至20°時(shí)，徑流總量分別增長了88.44%，38.74%，34.79%，這表明放水流量為1.4，3.0 L/min時(shí)，徑流總量隨坡度的變化幅度較放水流量5.7，7.0 L/min時(shí)大；坡度為5°時(shí)，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時(shí)，徑流總量增長了3.29倍，坡度為10°，15°，20°時(shí)，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時(shí)，徑流總量分別增長了1.30倍、1.03倍、43.37%，這表明坡度為5°和10°時(shí)，徑流總量隨放水流量的變化幅度較坡度為15°和20°時(shí)大。

對(duì)比紅壤坡面在2種試驗(yàn)條件下的徑流總量，發(fā)現(xiàn)人工降雨試驗(yàn)下的紅壤坡面徑流總量明顯比放水沖刷試驗(yàn)下的要多，且在坡度較小時(shí)，2種試驗(yàn)條件下的徑流總量差值更明顯。

圖3 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙過程Fig.3 Sediment yield processes on red soil slope in different tests

3.2 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙研究

通過觀察人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)下的紅壤坡面泥沙過程(圖3)發(fā)現(xiàn)，人工降雨試驗(yàn)下，含沙量在試驗(yàn)初期迅速達(dá)到峰值(峰值隨雨強(qiáng)的增大而增大)，而后迅速回落，有一個(gè)突漲突落過程，這個(gè)過程大約持續(xù)10～15 min，之后含沙量逐漸趨于穩(wěn)定，且趨于穩(wěn)定的時(shí)間隨雨強(qiáng)的增大不斷增大；放水沖刷試驗(yàn)下，含沙量在試驗(yàn)初期迅速達(dá)到峰值(峰值隨流量的增大而增大)，而后迅速回落，也有一個(gè)突漲突落的過程，這個(gè)過程大約持續(xù)15～20 min，之后含沙量逐漸趨于穩(wěn)定，且趨于穩(wěn)定時(shí)間隨流量的增大而增大。

圖4為不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面產(chǎn)沙總量。由圖4(a)可以看出，人工降雨試驗(yàn)下，產(chǎn)沙總量有隨降雨強(qiáng)度和坡度增加而增大的趨勢(shì)。當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min時(shí)，坡度由5°增加至20°時(shí)，產(chǎn)沙總量增長了3.84倍，降雨強(qiáng)度為1.2，2.1，2.6 mm/min時(shí)，坡度由5°增加至20°時(shí)，產(chǎn)沙總量分別增長了3.31倍、2.74倍、2.33倍，這表明降雨強(qiáng)度為0.8，1.2 mm/min時(shí)，產(chǎn)沙總量隨坡度的變化幅度較降雨強(qiáng)度2.1，2.6 mm/min時(shí)大；坡度為5°時(shí)，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時(shí)，產(chǎn)沙總量增長了7.72倍，坡度為10°，15°，20°時(shí)，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時(shí)，產(chǎn)沙總量分別增長了5.21倍、5.11倍、4.99倍，這表明坡度為5°和10°時(shí)，產(chǎn)沙總量隨降雨強(qiáng)度的變化幅度較坡度為15°和20°時(shí)大。

圖4 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面產(chǎn)沙總量Fig.4 Total sediment yield on red soil slope in different tests

由圖4(b)可看出，放水沖刷試驗(yàn)下，產(chǎn)沙總量有隨放水流量和坡度增加而增大的趨勢(shì)。當(dāng)放水流量為1.4 L/min時(shí)，坡度由5°增加至20°時(shí)，產(chǎn)沙總量增長了7.47倍，放水流量為3.0，5.7，7.0 L/min時(shí)，坡度由5°增加至20°時(shí)，產(chǎn)沙總量分別增長了1.40倍、1.13倍、1.14倍，這表明放水流量為1.4，3.0 L/min時(shí)，產(chǎn)沙總量隨坡度的變化幅度較放水流量5.7，7.0 L/min時(shí)大；坡度為5°時(shí)，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時(shí)，產(chǎn)沙總量增長了7.14倍，坡度為10°，15°，20°時(shí)，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時(shí)，徑流總量分別增長了2.91倍、2.64倍、1.05倍，這表明坡度為5°和10°時(shí)，產(chǎn)沙總量隨放水流量的變化幅度較坡度為15°和20°時(shí)大。

對(duì)比紅壤坡面在2種試驗(yàn)條件下的徑流總量，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min和放水流量為1.4 L/min條件下，放水試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量比降雨試驗(yàn)多，且2種試驗(yàn)條件下的產(chǎn)沙總量差值隨坡度的增加而增加；而隨著降雨強(qiáng)度和放水流量的增加，降雨試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量超過放水試驗(yàn)；在坡度為5°的條件下，放水試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量比降雨試驗(yàn)多，而隨著坡度的增加，降雨試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量超過放水試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本次試驗(yàn)保持總雨量50 mm不變，設(shè)計(jì)不同坡度、不同雨強(qiáng)及對(duì)應(yīng)流量的人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)2種試驗(yàn)條件下，紅壤坡面初始產(chǎn)流時(shí)間均隨著坡度和降雨強(qiáng)度(放水流量)的增大而減小，尤以5°坡和0.8 mm/min降雨強(qiáng)度(1.4 L/min放水流量)下變化幅度最為明顯；且在坡度較小時(shí)(5°和10°)，人工降雨試驗(yàn)下的紅壤坡面明顯比放水沖刷試驗(yàn)下產(chǎn)流快。

(2)2種試驗(yàn)條件下，紅壤坡面徑流量穩(wěn)定時(shí)間均為15～20 min；泥沙量穩(wěn)定時(shí)間在人工降雨試驗(yàn)下為10～15 min，放水沖刷試驗(yàn)下為15～20 min。

(3)紅壤坡面徑流總量有隨降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度增加而增大的趨勢(shì)，在降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度較小時(shí)變化幅度較大；徑流總量降雨試驗(yàn)超過放水試驗(yàn)，在坡度較小時(shí)，尤為明顯。

(4)紅壤坡面產(chǎn)沙總量有隨降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度增加而增大的趨勢(shì)，在降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度較小時(shí)變化幅度較大；在降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度較小時(shí)，放水試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量比降雨試驗(yàn)多，隨著降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度的增加，產(chǎn)沙總量降雨試驗(yàn)超過放水試驗(yàn)。

(5)5°坡雖然在較小的降雨強(qiáng)度和放水流量條件下徑流和泥沙總量都較少，但隨著降雨強(qiáng)度和放水流量的增加，其徑流和泥沙總量的變化幅度也較10°，15°，20°坡要大，故應(yīng)在坡度≥5°的紅壤坡地上實(shí)施有效的水土保持措施。