模拟降雨下坡度对含砾石土壤径流和产沙过程的影响

吴冰,邵明安,,毛天旭,朱元骏

（1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨陵712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨陵 712100）

由于成土过程以及人类活动的影响,含砾石土壤在黄土高原地区分布较为广泛。砾石在密度、尺寸、透水性、表面结构上与土壤颗粒不同,导致其在一定程度上能显著改变土壤结构和物理特性[1],进而影响坡面水土过程(入渗、径流、产沙)[2-4]。国外自20世纪30年代起就开始对土壤中砾石的重要性进行评价,并对其对水文过程影响展开研究。多数室内试验表明砾石能够阻止降雨入渗,增加地表径流量;含砾石土壤容易形成集中流,导致强烈的土壤侵蚀[5-7];另一方面,随砾石含量的增加,土壤中的大孔隙也随之增加,有可能促进入渗[8-9]。国内学者在坡面尺度上进行的入渗和产沙过程模拟降雨研究结果表明,砾石含量在一定范围内能增加降雨过程中的土壤入渗率、降低侵蚀产沙量[10-12]。然而,在自然条件下,砾石对坡面水土过程的影响是多种因素叠加作用的结果。由于研究方法和手段的欠缺,国内外相关研究较少涉及对不同坡度下含砾石土壤水土过程的研究。导致对坡面尺度上非均质土壤中水土过程的了解不足。深入了解这一过程不仅是水土过程及模型模拟的基础,也可以促进特定地区水土资源的保护和合理利用。

本试验通过室内模拟降雨来研究降雨过程中不同坡度下含砾石土壤的径流和产沙随时间的变化,初步探讨坡度对砾石土壤径流和产沙的影响,为该类型土壤的水土资源合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工降雨大厅进行。试验选用规格为 3 m(长)×1 m(宽)×0.5 m(深)的自制铁质土槽模拟坡面,供试土壤取自西北农林科技大学试验地表层土(钙积土垫旱耕人为土)。土壤过5 mm筛,风干并测定土壤初始含水率(3%左右)。土壤颗粒组成见表1(国际土壤质地分类系统),试验用砾石取自渭河河滩(花岗岩风化物),洗净后分别过20 mm和75 mm筛,留取 20～75 mm的砾石作为供试砾石,自然风干。

表1 土壤颗粒组成

1.2 试验方法

将风干过筛的土壤与砾石(直径为20～75 mm)按10∶0,9∶1,8∶2,7∶3,6∶4的质量比均匀混合(砾石质量含量分别为 0,10%,20%,30%,40%)。土壤容重控制为1.35 g/cm3,实测砾石密度为2.65 g/cm3,分5层装入土槽中,每两层之间打毛以防止土体分层。降雨过程中,雨强控制在60 mm/h(实际按率定雨强计算),坡度控制为 5°、10°和15°。降雨时,用SONY(DSC-HX1型)数码摄像机进行全程摄像,并记录土槽产流时间。产流开始后每隔1 min收集一次径流,每5 min测定一次坡面水流流速(采用KMnO4染色剂法,记录水流流过固定坡长的时间,然后换算成流速)。降雨历时60 min(从产量开始算起)。降雨结束后,用称重法和烘干法分别得到径流量和产沙量。

2 结果与分析

2.1 降雨过程中坡面径流量变化

图1为不同坡度下不同砾石含量的土壤在坡面产流开始后径流量随时间的变化趋势图。从图1中可以看出,同一砾石含量的土壤在不同坡度下径流量随时间呈上升的趋势,其中降雨的产流在0～20 min内有明显增加的趋势,随后径流量随时间的变化趋于平稳。砾石含量为0的土壤总径流量在不同坡度间的大小依次是 5°＞15°＞10°,其平均入渗深度依次为10°＞15°＞5°,与总径流量的变化正好相反。形成这种现象的原因主要在于:在径流量计算过程中,使用了水量平衡法(即径流等于降雨减去入渗),导致坡面径流量与土壤入渗深度密切相关,入渗深度大(相应入渗的水分就越多)则径流量小,反之亦然。其他砾石含量的土壤总径流量的变化均符合这个规律。另外,从图2中可以发现,随着砾石含量的增加,坡度对径流的影响减弱。这可能是由于砾石含量的增加,土壤表面裸露的砾石越多,导致径流流速增加。试验数据也表明,与均质土壤相比,表层具有砾石的土壤其径流流速更快。试验中,砾石含量及坡度与流速呈正相关;随着坡度的增加,其对坡面径流流速的影响减弱。

采用线性回归模型对累计径流量随时间的变化进行拟合,发现累计径流量与时间呈显著线性相关,可用以下公式来表达这种关系:

式中:W ——累计径流量(kg);t——时间(min);a,b——拟合参数,见表2。

表2 累计径流量随时间变化的线性拟合结果

图1 不同坡度下含砾石土壤中径流量随时间的变化趋势

图2 不同坡度下含砾石土壤中累计径流量随时间的变化

2.2 降雨侵蚀产沙过程

图3是含砾石土壤在不同坡度下产沙量随时间的变化趋势。从图中可以看出,含砾石土壤在不同坡度下均表现出现先增加后减少的趋势。其原因可能是雨水击溅产生大量分散的土壤颗粒,被坡面薄层水流运走,形成产流后的第一个产沙高峰期(产流后0～20 min)。

此产沙高峰期,5个不同砾石含量(分别为0,10%,20%,30%,40%)土壤产沙量占总产沙量的比例分别为:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%、49.3%(5°),58.2%、38.8%,57.3%,38.5%,41.9%(10°)和 40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4%(15°)。砾石含量为20%,30%,40%的土壤在坡度为15°时在30 min后又出现明显的增加的趋势。

从图4可以看出,坡度由10°变化到15°时,砾石含量为 20%,30%,40%的土壤产沙量分别增加了71.9%,74.2%,47.7%。原因可能是随着坡度的增加,坡面径流冲刷能力增强,加之砾石与土壤结合处是侵蚀发生的重点区域,导致此区域土壤侵蚀严重,细沟出现,产沙量增加。

图3 不同坡度下含砾石土壤中产沙量随时间的变化趋势

图4 不同坡度下含砾石土壤中累计产沙量随时间的变化

3 结论

本研究针对3个坡度下5个不同砾石含量土壤的径流和产沙过程及坡度对其的影响进行了初步分析,得出以下结论:

(1)不同砾石含量的土壤在降雨产流后 0～20 min内坡面径流有明显增加的趋势,之后趋于平稳;随着砾石含量的增加,坡度对径流的影响减弱。另外,累计径流量与时间之间呈良好的线性关系。

(2)不同砾石含量的土壤产沙高峰期出现在降雨产流后0～20 min内,此产沙高峰期,5个不同砾石含量(分别为0,10%,20%,30%,40%)土壤产沙量占总产沙量的比例分别为:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%,49.3%(5°),58.2%,38.8%,57.3%,38.5%,41.9%(10°)和 40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4%(15°)。当坡度较大时,较高砾石含量的土壤在产流30 min后,产沙量又出现明显增加的趋势。

(3)坡度对含砾石土壤总产沙量有很大影响。尤其当坡度从 10°增加到 15°时,砾石含量为为 20%,30%,40%的土壤总产沙量显著增加,分别增加了71.9%,74.2%,47.7%。

由于其他因素,如砾石形状、尺寸以及坡面形态等都会影响坡面径流和入渗,导致含砾石土壤中水土过程尤为复杂。全面深入理解该类型土壤中的水土过程还需综合考虑以上因素的影响。

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