大孔隙坡面产汇流及侵蚀试验

解河海，冯 杰

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611;2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

大孔隙流是土壤中的一种普通存在的现象，而不是一种例外。土壤中的大孔隙由物理或生物过程形成,物理过程包括：由土壤的干湿作用造成的收缩和膨胀,土壤中可溶性物质的溶解,冻融的循环交替以及耕种等；生物过程包括蚯蚓和啮齿动物活动和植物根系的生长[1，2]。土壤中的孔隙分为：裂隙、大孔隙、根孔、虫穴等。由于土壤孔隙结构是影响水土流失的重要因素，而坡面产汇流与坡面侵蚀是相辅相成的。大孔隙流的存在，改变了坡面径流的形成过程和不同径流成分的比例，最终影响坡面出口断面的流量过程，相应影响土壤的侵蚀量以及其在不同径流成分的存在，进而影响化学物质在土壤中的存在和运移。

1 试验设计

1）试验目的。在实验室中利用人工降雨装置，对含有大孔隙结构和无大孔隙结构的可变坡土槽，进行水流对比试验。首先确定土壤水力参数及土壤侵蚀参数，分析大孔隙分布对它们的影响；分析大孔隙对径流形成过程的影响，大孔隙对坡面出口断面不同径流成分流量（地表径流、壤中流和地下径流）和地表径流中含沙量的影响。研究不同降雨强度和不同前期土壤含水量对大孔隙条件下坡面产汇流和坡面侵蚀的影响，同时研究大孔隙对土壤中化学物质的运移的影响。

2）大孔隙制造。在本试验中主要用2种方法制造大孔隙：人工插孔和种植植物。其中种植的植物是紫花苜蓿，其是多年生植物，植物根系发达，是产生大孔隙的理想植物。人造大孔隙，是用钢钎人为在土壤中做出不同深度和孔径的大孔隙；试验中人造大孔隙的直径为8 mm，大孔隙深度分为5，20，30 cm三个不同深度；人造大孔隙空间分布见图1。

图1 人造大孔隙分布图

3）土槽设置。土槽为长2 m，宽0.50 m，高0.35 m的矩形钢槽。野外选点，取表层30 cm的土进行试验，分两层每层15 cm挖取，根据野外实测每层土壤容重填充土槽。本次试验做3个土槽，1个土槽保持原状，另一个土槽种植紫花苜蓿，第三个土槽做人造大孔隙。土槽坡度可以改变，设有 5°，10°，15°，20°，25°，30°坡度。本实验中用到前 3 个坡度。

4）人工降雨。利用黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的可控制降雨时间和强度的人工降雨装置，对3个土槽同时实施人工降雨。降雨强度分为：30，60，120 mm/h，降雨时间控制 60～120 min。

5）溶质观测。为了分析大孔隙对化学物质运移的影响，本实验对Br-，No-3，NH+43种离子进行取样分析。施加的化学物质为（NH4）2SO4每次0.7 g，KBr每次 1.7 g。

6）试验仪器。本次试验是针对大孔隙对坡面产汇流和坡面侵蚀及化学物质运移的影响，因此需要对降雨强度、蒸发量、土壤含水量、坡面流速和溶质浓度进行观测。由于实验室缺少TDR，本次试验需要18个，所以对含水量观测采用土壤特征曲线法，采用负压计观测土壤的水土势，负压计由陶土头、橡胶管、U型压力计（水银）组成；取溶质的仪器是由陶土头、橡胶管、抽水瓶和真空泵组成；降雨观测是实验室的雨量筒；蒸发通过蒸发皿进行观测；坡面流速观测采用染色剂法。

7）仪器布置。需要对土壤的含水量和溶质进行连续观测，对土槽侧面打孔观测，土壤含水量观测孔的分布见图2，而溶质取水样孔在土槽另一侧，分布见图3。

图2 含水量观测孔分布图

图3 溶质取样孔分布图

坡面流流速采用广泛应用的染色剂（试验中采用红墨水）的方法，用秒表记录染色剂通过坡面固定坡长的时间。

8）记录数据。降雨强度、地表径流、壤中流、地下径流、含沙量、蒸发量、离子浓度。

9）降雨试验。降雨强度是从小到大的顺序，30，60，120 mm/h。试验采取定雨强变坡度的方式进行，首先是 30 mm/h 降雨，土槽坡度从 5°，10°，15°进行变坡降雨；然后是60 mm/h降雨，为了防止对土壤的人为干扰，从 15°，10°，5°进行变坡降雨；最后是 120 mm/h 降雨，坡度还是从 5°，10°，15°进行变坡降雨，共计9场降雨。

2 室内试验与分析

首先对土壤物理性质进行分析，土壤分为2层（0～15 cm 为第一层、15～30 cm 为第二层），通过分析，土壤的物理特性为：上层容重1.269、下层容重1.305，土壤特征曲线如图4所示，级配曲线表1所示，饱和土壤传导率分别为1.624 3×10-4cm/s，1.326 1×10-4cm/s。

图4 土壤特征曲线

表1 土壤的颗粒级配表

根据野外实测各层土壤容重填充土槽，一个土槽保持原状，另一个土槽种植紫花苜蓿，第3个也保持原状，到试验前进行人造大孔隙，分别编号为槽1、槽2和槽3。填充土的过程中，把测量含水量和溶质浓度的主要部件陶土头分层预埋入土壤中。由于作物需要一个生长周期，在之后每次对3个土槽进行同样的处理。在无雨期，将3个土槽运到室外，接受日光，遇到阴雨天气，推进实验室。直到紫花苜蓿生长成熟，然后进行试验。

黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室有可控制降雨时间和强度的人工降雨装置，其降雨有下喷区和侧喷区。在侧喷区布设两组侧喷式喷头，相互对喷，每组喷头由缩流孔板直径不同的4个喷头组成[3]。孔板直径分别为7，11，13和15 mm。2个喷头相互对喷的降雨强度见表2。4组喷头可单独降雨，也可以2组、3组、4组喷头同时降雨。

试验前先组装负压计，将U型管固定在小车上底部放置水平，使水银液面保持水平，U型管一侧用橡胶管与观测含水量的陶土头相连，另一侧为了防止降雨过程中雨水进入U型管也连上一小段橡胶管，使其一端开口向下，等其稳定后观测土壤的初始含水量。用真空机对各个取溶质的陶土头抽取水溶液，确定试验前化学物质的初始浓度。同时设置蒸发观测，每日一次。

表2 侧喷式喷头降雨强度率定结果

试验前还要对接收地表水、壤中流和地下水的小桶进行称重、编号。雨前还要进行雨强率定，将6个雨量器放在试验土槽放置的区域，开启降雨器电源，待降雨稳定后移开雨量器的盖子，10 min后把雨量器的盖子盖好，关掉降雨器的电源，读取6个雨量器的降雨量并计算平均雨量。雨量不符合要求时可以调节喷头组合或者调节压强，反复进行率定，直到雨强达到要求可以进行试验。

开启降雨器开始降雨，降雨过程中要对每个土槽进行水土势进行观测，还要记录每个土槽的地表径流、壤中流和地下径流，同时进行坡面流速测量。水土势的观测时间间隔是5 mim，地表径流的间隔是3 mim，壤中流和地下水的观测间隔是10 min。设计降雨时间为90 min。在降雨过程中观测3个土槽的地表变化，是否有积水，是否有冲刷等。

降雨进行到90 min关闭降雨器，结束降雨。降雨结束开始进行降雨后的第一次水溶液抽取。间隔5～6 h后进行第二次抽取，从3次开始每间隔12 h抽取一次，共抽取5次。

由于地下径流退水较慢，需要对其连续观测，有时会观测两天的时间。对水土势的观测降雨后也一直观测，时间间隔逐渐加长，从降雨过程中的5 min 到 10 min，然后到 20 min，30 min，1 h 不等。

每次降雨的时间间隔是3 d，3 d后改变土槽的坡度，再进行人工降雨试验。每次试验前对土壤水土势及土壤水溶液提取，得到下次降雨前的土壤含水量和化学物质初始浓度。

表3给出了在不同雨强和不同坡度下的槽1、槽2和槽3的地表产流、产沙量。

从表3可以看出，在30 mm/h下不同土槽产流量随坡度增加变化规律不同，槽1降雨产流量逐渐增大，而槽2是先增大后减小和槽3是逐渐减小；产沙量的变化规律槽1和槽3相同都是先减小后增大，而槽2是逐渐减小。在60 mm/h下3个土槽的产流量变化相同都是先减小后增大；产沙量槽1是先减小后增大，而槽2和槽3都是逐渐增大（对60 mm/h的15°是降雨1.0 h）。在120 mm/h下产流量对槽1是逐渐增大，而槽2和槽3是先增大后减小；产沙量都是先减小后增大。

表3 不同雨强和坡度下不同土槽的地表产流量、产沙量对比

3 结语

通过试验得到了土壤含水量的时空分布和土壤中Br-，No-3，NH+4的时空分布，还有每次降雨的地表径流、壤中流和地下径流及地表径流的含沙量和坡面流速。这些数据为建立坡面产汇流和坡面侵蚀模型奠定了基础，也为土壤化学物质运移模型建立打下基础。通过试验分析，我们发现有大孔隙与无空隙坡面的径流流速、土壤含水量分布、地表径流和含沙量的不同，从现象上我们看到了大孔隙对坡面产汇流和坡面侵蚀及化学物质运移的影响。

[1]冯杰，张佳宝，郝振纯，穆开功.水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究[J].水文地质工程地质，2004（3）：20-24.

[2]冯杰，张佳宝，郝振纯，穆开功，水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究[J].水文地质工程地质，2004（4）：77-82.

[3]周佩华，张学栋，唐克丽.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室土壤侵蚀模拟试验降雨大厅降雨装置[J].水土保持通报，2000，20（4）：27-30.