模擬降雨條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及特征研究

王成江

（黔西南州興源水利電力勘察設(shè)計有限公司,貴州 興義 562400）

1 引言

在我國黃土高原,降雨引起的土壤侵蝕嚴重破壞了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,如何提高土壤的抗蝕能力,防止水土流失。針對此問題,學(xué)者們在多方面進行了研究,何偉鵬等[1]研究了不同植物對黃土邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙與抗剪強度的影響,研究結(jié)果表明：邊坡草本植物的種植,能顯著抑制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙；淡彩虹等[2]研究了模擬降雨下前期含水量對黃綿土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響,研究結(jié)果表明：采取耕作、植被覆蓋等措施維持適當土壤含水量可使土層減少侵蝕；溫永福等[3]對野外模擬降雨條件下徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗進行了研究,研究結(jié)果表明：相較于裸耕地,自然草地起著減流固沙的重要作用；權(quán)鑫等[4]對室內(nèi)模擬降雨情形下黃土坡面沉降程度的試驗進行了研究,研究結(jié)明表明：土壤侵蝕能引起黃土坡面沉降；陳澤勛等[5]對模擬降雨條件下典型草原坡面初始產(chǎn)流時間及產(chǎn)流產(chǎn)沙量進行了研究,研究結(jié)明表明：草地坡面植被覆蓋度越大,減沙減流效果越明顯。

本文總結(jié)以上研究的減流減沙措施,并深入研究自然草地和裸耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程,通過人工模擬降雨試驗,對不同降雨強度條件下,自然草地和裸耕地的徑流特征和不同坡度條件下,裸耕地的產(chǎn)沙特征進行分析。

2 試驗材料及方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬西北黃土高原的丘陵溝壑區(qū),地勢東高西低,區(qū)內(nèi)黃土層結(jié)構(gòu)松散,抗侵蝕能力較差,在長期風(fēng)化剝蝕和流水侵蝕作用下,被逐漸切割成溝壑縱橫、山丘交錯的復(fù)雜地貌。該地區(qū)平均降水量為485.6 mm。為提高該地區(qū)土壤抗侵蝕能力,防止水土流失,本文進行了人工模擬降雨試驗,對黃土坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程及特征進行了研究。

2.2 試驗設(shè)備及試驗方法

人工模擬降雨試驗在野外進行,徑流小區(qū)的坡度分別選擇15°和25°兩種坡度,小區(qū)的土地類型選擇自然草地和裸耕地兩種類型,共4 個小區(qū)進行降雨試驗,每個小區(qū)設(shè)置長×寬分別為3 m×4 m,面積為12 m2。每個小區(qū)四周都設(shè)置不銹鋼圍板,圍板高50 cm,其中30 cm 插入小區(qū)周圍土層下,20 cm 在地表上,防止徑流外滲流出,影響試驗精度。小區(qū)坡下設(shè)有V 型集流槽,集流槽出水口設(shè)有集流桶,降雨在地表上形成的徑流匯入集流桶。將收集的徑流過濾,除去里面的沉積物,即為小區(qū)降雨產(chǎn)生的徑流量。

模擬降雨設(shè)備采用井架式人工模擬降雨,有效降雨面積為0～400 m2,降雨高度為3 m～6 m,雨強連續(xù)變化范圍為15 mm/h～150 mm/h,降雨均勻系數(shù)≥0.9,雨滴大小調(diào)控范圍為1.0 mm～5.0 mm。本次降雨試驗設(shè)置兩種雨強,分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min,降雨時長為30 min。降雨前測試四個小區(qū)的土壤含水率,保證小區(qū)土壤含水率基本一致。降雨開始后,當雨水降落到地表時開始記錄降雨時間,當雨水在小區(qū)坡面形成層流狀態(tài),由地表至上而下流入集流桶時,開始記錄產(chǎn)流時間,并每隔2 min 測量一次小區(qū)徑流,試驗時長為30 min。試驗結(jié)束后,將收集的徑流靜置24 h 后進行過濾,將過濾所得沉積物干燥處理,并將其稱重,記錄所得數(shù)據(jù)。為保證試驗的準確,間隔72 小時后,重復(fù)進行一次降雨試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同雨強下的徑流特征

通過模擬人工降雨試驗,根據(jù)測量所得數(shù)據(jù),得出不同雨強條件下,草地和裸地的徑流特征曲線,見圖1。

圖1 不同雨強下小區(qū)徑流量

如圖1（a）所示,在草地坡度為15°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為0.1 L、1 L；當時間為30 min時,徑流量分別為3.2 L、5.6 L。由此可知,雨強為1.2 mm/min 草地徑流量先緩慢增大,在18min 后,徑流量增大趨勢逐漸平穩(wěn)。在相同時間條件下,雨強大的徑流量較雨強小的徑流量增大明顯。

如圖1（b）所示,在草地坡度為25°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為0.8 L、1.2 L；當時間為30 min時,徑流量分別為4.2 L、9.6 L。由此可知,相同坡度條件下,雨強為1.8 mm/min 草地徑流量快速增加,在24 min 時,徑流量增大趨勢逐漸平穩(wěn)。雨強為1.2 mm/min 草地徑流量增加緩慢,曲線較為平緩。

如圖1（c）所示,在裸地坡度為15°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為3 L、4 L；當時間為30 min時,徑流量分別為10.2 L、12.3 L。由此可知,相同坡度條件下,兩種雨強的裸地徑流量均先快速增加,再減小,然后再逐漸增大,在14 min 時,徑流量增大,其變化逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖1（d）所示,在裸地坡度為25°,降雨強度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,草地徑流量分別為2 L、4 L；當時間為30 min 時,徑流量分別為8.6 L、11.9 L。由此可知,相同坡度條件下,雨強為1.8 mm/min 裸地徑流量先快速增加,在6 min～14 min 階段,徑流量增加緩慢。雨強為1.2 mm/min 裸地徑流量先快速增加,在16 min 時其變化逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖1 可知,隨著時間的增加,各小區(qū)的徑流量均逐漸增大再逐漸趨于平穩(wěn)。在相同坡度、相同土地類型的條件下,雨強大的小區(qū)較雨強小的小區(qū),徑流量增加明顯。由于自然草地有良好的覆蓋度,其發(fā)達的根系降低了徑流的流動,入滲率較低,對徑流有較高的截留率,因此其徑流增加緩慢,起到較強的保水作用。

3.2 不同坡度下的產(chǎn)沙特征

通過模擬人工降雨試驗,根據(jù)測量所得數(shù)據(jù),得出不同坡度條件下,裸地的產(chǎn)沙特征曲線,見圖2。

圖2 裸耕地產(chǎn)沙量

如圖2（a）所示,在降雨強度為1.2 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量分別為10 g、24 g；當時間為30min 時,產(chǎn)沙量分別為18 g、22 g。由此可知,相同時間條件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量均先增大再減小。在18 min 時,產(chǎn)沙量趨于平穩(wěn)。

如圖2（b）所示,在降雨強度為1.2 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地累計產(chǎn)沙量分別為10 g、26 g；當時間為30min 時,累計產(chǎn)沙量分別為720 g、930 g。由此可知,相同時間條件下,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產(chǎn)沙量明顯增大。相同雨強條件下,坡度較大的裸地,累計產(chǎn)沙量大。

如圖2（c）所示,在降雨強度為1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量分別為44 g、82 g；當時間為30 min 時,產(chǎn)沙量分別為26.5 g、23 g。由此可知,相同時間條件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量均先增大再減小。在18 min～30 mim 階段,坡度15°裸地產(chǎn)沙量大于坡度25°裸地產(chǎn)沙量。

如圖2（d）所示,在降雨強度為1.8 mm/min 條件下,當時間為2 min 時,坡度15°裸地和坡度25°裸地累計產(chǎn)沙量分別為20 g、120 g；當時間為30 min 時,累計產(chǎn)沙量分別為820 g、1260 g。由此可知,相同時間條件下,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產(chǎn)沙量明顯增大。相同雨強條件下,坡度較大的裸地,累計產(chǎn)沙量大。

如圖2 可知,隨著時間的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的產(chǎn)沙量均先增大再減小。相同時間條件下,隨著時間的增加,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產(chǎn)沙量明顯增大。相同雨強條件下,坡度較大的裸地,累計產(chǎn)沙量大。由于坡度對土壤的侵蝕影響與土壤的入滲率相關(guān),入滲量隨坡度的增大而減小,入滲時間越短,入滲量越小,產(chǎn)生的徑流越大,土壤的侵蝕量越大。

4 結(jié)論

通過人工模擬降雨試驗,本文對不同降雨強度條件下,自然草地和裸耕地的徑流特征和不同坡度條件下,裸耕地的產(chǎn)沙特征進行了分析。

（1）隨著時間的增加,坡度15°草地、坡度25°草地、坡度15°裸地、坡度25°裸地四個小區(qū)的徑流量均快速增大。在相同坡度的條件下,雨強大的小區(qū)較雨強小的小區(qū),徑流量增加明顯。在相同時間的條件下,坡度大的小區(qū)較坡度小的小區(qū),徑流量增加明顯。

（2）隨著時間的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的產(chǎn)沙量均先增大再減小。在雨強為1.2 mm/min 條件下,在18 min～30 mim 階段,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量基本相同。在雨強為1.8 mm/min 條件下,在18 min～30 mim階段,坡度15°裸地的產(chǎn)沙量大于坡度25°裸地產(chǎn)沙量。

（3）相同時間條件下,隨著時間的增加,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計產(chǎn)沙量明顯增大。相同坡度條件下,坡度越大,裸地的累計產(chǎn)沙量越大。