紫色土坡面产流产沙模拟试验研究

钟壬琳,张平仓

(1.浙江省水土保持监测中心,浙江 杭州 310009;2.长江科学院水土保持研究所,湖北 武汉 430010)

1 问题的提出

长江作为我国流域面积最大的河流,既是中华民族的重要发祥地,也是我国总体经济实力最雄厚的地区之一。但是,长期以来,由于自然和人为因素的共同影响,长江流域水土流失问题十分严重。据20世纪80年代中期的遥感调查成果表明,长江流域水土流失面积达62.22万km2,占流域总面积的34.57%,其中水蚀面积56.97万km2,风蚀面积5.25万km2。长江中上游地区作为水土流失最严重的地区之一,共有水土流失面积35.2万km2,占流域水土流失面积的56.57%。紫色土作为一种侵蚀型的高生产力岩性土,主要分布于长江中上游地区[1]。由于紫色土发育于岩性松软的沉积岩上,风化成土速度快,加之其自身结构和稳定性差,以及人为的强烈干扰,使得紫色土坡面的水土流失问题十分严重。有关研究表明,目前紫色土地区的平均侵蚀模数约为3365 t/(km2◦a),个别地区甚至高达9000 t/(km2◦a)[2]。严重的水土流失不仅会导致表土流失,土层变薄,使当地生态环境变得十分脆弱,严重制约当地生产、生活和经济的发展,而且由于坡耕地侵蚀产生的大量泥沙淤积在下游河道,加大了下游的洪灾风险,给人民生命财产和经济建设造成巨大威胁。

应用人工降雨试验,模拟坡面产流产沙,是研究土壤侵蚀的一种非常重要的方法。以往有诸多学者从不同的角度对降雨产流产沙规律进行了研究,王万忠[3]以黄土高原水文气象部门和水土保持试验站的实测资料为基本数据,对黄土高原水土流失区降雨侵蚀产沙与黄河输沙的时空分布特征、变化规律以及相互间的关系进行了系统研究;郑粉莉[4]基于野外观测资料,研究了黄土梁峁坡面不同侵蚀带侵蚀产沙特点、相互影响及降雨强度和能量对坡面侵蚀产沙分配的影响;王玉宽[5-6]、吴普特[7]在野外与室内人工模拟降雨试验条件下对黄土地区的入渗、暴雨产流、产沙过程及薄层水流侵蚀过程进行了研究。

然而,与黄土坡面土壤侵蚀过程研究相比,紫色土坡面侵蚀过程及机理的研究还相当薄弱。因此,研究紫色土坡面侵蚀过程及机理,对开发、保护紫色土资源和长江中上游地区生态环境建设有着重要的意义。本文通过人工模拟降雨试验的方法,模拟紫色土坡面产流产沙过程,研究紫色土坡面侵蚀过程及机理,从而为紫色土的土壤侵蚀防治提供科学依据。

2 试验器材与方法

2.1 供试土壤及理化性质

本试验地点为长江水利委员会长江科学院沌口科研基地,试验用土选自湖北秭归,对其进行理化性质测试,测试结果见表1。

表1 试验用土理化性质表

2.2 试验装置

试验在人工模拟降雨试验大厅内的水土流失移动试验室内的可调节土壤侵蚀槽 (坡度可在0～28°之间调节)中进行,该土壤侵蚀槽长3 m,宽1m,深50 cm,槽底部留有直径5 mm小孔,用以排出雨水,土槽下部也有同样的小孔,并配备了铁皮槽,以接收地表径流和壤中流。采用下喷式降雨器,降雨高度2.5 m。

2.3 试验方案

本次人工模拟降雨试验选择紫色土作为试验用土,设计5,10,15,20°4个坡度和 0.60,1.10,1.61,2.12mm/min 4种雨强,共计16场试验,每场降雨试验控制总雨量50 mm不变 (见表2)。

表2 人工模拟降雨试验方案设计表

在侵蚀槽中铺0.4 m高的供试土壤,该土壤过1 cm的筛,以去除杂草和石块。为了控制土壤前期含水率基本一致以消除土壤前期含水率对侵蚀的影响,在人工模拟降雨前先用0.60 mm/min的小雨强润湿10 min,搁置24 h后进行试验,并在试验前再次对土壤进行适当的耙松。然后调整不同的坡度和雨强进行一系列的试验。为保证每场试验的一致性,试验不换土,降雨试验连续进行。在1场试验结束后,土槽搁置,让水分充分下渗,在自然状态下风干,进行第2场试验前测定土壤含水率,当所测含水率与第1场试验基本一致时再开始第2场试验。试验从小雨强开始,4个坡度试验结束后,再增大雨强,开始下一组试验。

该试验采用可升降式土槽调节坡度,利用环刀法测量土壤容重;利用烘干法测量土壤前期含水率;利用筛分法结合沉降法分析供试土壤颗粒组成;利用水土流失移动试验室上的多功能数据采集器和压力表来率定降雨强度。试验中前10min按如下方法观测:前3 min每1 min观测1次径流量、泥沙量,接下来的4 min每2min观测1次,然后3 min观测1次;10 min之后每5 min观测1次直至地表径流结束。径流小区出口的径流总量用塑料桶全部收集测量;利用烘干法测量径流含沙量,利用高锰酸钾示踪法测定坡面流速,利用直尺测量坡面水深和侵蚀沟横断面。

3 试验结果与讨论

3.1 雨强、坡度对径流特征的影响

3.1.1 径流随时间变化的规律

暴雨初期,雨水主要消耗于土面浸润和地表土层大孔隙的填充,所以从降雨开始至径流产生有一个明显的滞后时间,即初始产流时间,也叫初损历时[8]。本次试验共计16场,初始产流时间1.10～5.30 min,在同一坡度条件下,初始产流时间随雨强的增大而减少,以5°坡的变化幅度最为明显,且随着雨强的不断增大,不同坡度条件下的初损历时逐渐趋于稳定,当雨强为2.12 mm/min时,各个坡度的初损历时基本一致 (1.10～1.28 min)。这表明在裸露土壤表层前期含水率基本一致条件下,小雨强下坡度对初始产流时间的影响显著,但在大雨强下不明显。分析其原因可能为雨强不同时,地表产流方式不同。小雨强时,入渗率大,产流方式主要为蓄满产流;大雨强时,主要为饱和超渗产流,相比小雨强情况下,坡度的影响难以表现[9](见表3)。

表3 不同坡度、不同雨强下紫色土坡面的初始产流时间表 min

由图1可以看出,在同一雨强条件下,降雨产流初期,各个坡度的径流流量涨幅都很大,随着时间的增加 (一般 不超过10min),径流流量就逐渐趋于稳定。

图1 不同坡度、不同雨强下紫色土坡面地表径流过程图

3.1.2 径流总量比较

由图2可以看出,径流总量有随坡度和雨强的增加而增大的趋势,当雨强为0.60 mm/min时,坡度由5°变为20°时,径流总量增长了30.25%,1.10,1.61,2.12 mm/min雨强时,坡度由5°变为20°时,径流总量分别增加了30553.8,19773.8,13057.6 mL,是0.60 mm/min雨强的 1.01、0.65和0.43倍。这表明0.60,1.10 mm/min雨强时的径流总量随坡度的变化幅度较1.61 mm/min和2.12 mm/min这2个雨强大。

从图2还可以看出,坡度为5°时,雨强由0.6 mm/min变为2.12 mm/min时,增长了36.13%,10,15,20°坡度时,雨强由0.60 mm/min变为2.12 mm/min时,径流总量分别增加了 26522.4,17686.4,18934.6 mL, 是 5°坡 的 0.73、0.49和0.52倍。这表明各个雨强下的径流总量呈现出随坡度的增加而增大的趋势,但这种趋势随着雨强的增大越来越不明显。

此外,坡度为20°时,1.10,1.61,2.12 mm/min这3个雨强的径流总量基本一致,其值为141320.8～147282.0 mL,这表明坡度较大时,雨强对径流总量的影响不明显。

图2 不同坡度条件下紫色土坡面地表径流总量图

3.2 雨强、坡度对坡面侵蚀产沙的影响

3.2.1 产沙量随时间变化的规律

由图3可知,降雨产流初期产沙量在很短的时间内突涨突落,随着时间的不断增加,产沙量不断减少最终趋于稳定。这是因为在每场降雨试验开始前,都在坡面上铺了1层细土(过1 cm孔径的筛),该层细土是用来模拟耕作土壤的,其结构不同于试验槽内的扰动土。产流初期,坡面表土 (细土)比较松散,抗蚀能力低,易受雨滴击溅和径流冲刷而产生泥流,因而产沙量不断增加达到峰值。持续降雨时,随着地表松散土粒的减少,试验槽内被压实的土壤(近似于犁底层)裸露,坡面土壤侵蚀强度明显减小,因而产沙量不断减少直至达到稳定。

图3 不同坡度、不同雨强下紫色土坡面产沙过程图

3.2.2 产沙总量比较

从不同坡度下雨强与产沙量的关系曲线 (见图4)可知,坡面产沙总量随着坡度和雨强的增大而增大。5°坡时,雨强由0.60 mm/min变为2.12 mm/min时,产沙总量增长了143.04%;10,15,20°坡时,雨强由0.60 mm/min变为 2.12 mm/min时,产沙总量分别增加了2013.18,3580.55,4558.31 g,是5°坡的1.41、2.50和3.19倍。这表明坡面产沙总量随雨强的变化幅度与坡度成正比。

10,15,20°坡的产沙量为0.60～1.10 mm/min雨强时基本相当,均比5°坡的产沙量大,且随雨强的增大而增加。当雨强为0.60 mm/min时,坡度由5°变为20°,产沙量增长了265.64%,1.10,1.61,2.12 mm/min雨强时,坡度由 5°变为20°,产沙量分别增加了 2383.21,4686.05,5784.28 g,是0.60 mm/min雨强的0.90、1.76和2.18倍。这表明各个坡度的产沙量随雨强的增加而增大,且这种趋势随着坡度的增大越来越明显。

总体上来说,10,15,20°坡的产沙量较大,为3106.03～8117.09 g,如果坡面上出现同等强度的多次降雨,所导致的土壤侵蚀将非常严重。因此,为了更好地防治水土流失,应在坡度≥10°的坡地上实施有效的水土保持措施[10]。

图4 不同雨强条件下紫色土坡面产沙总量图

4 结 论

(1)同一坡度条件下,紫色土坡面初始产流时间随着雨强的增大而减少;且在小雨强条件下,坡度对初始产流时间的影响显著。

(2)紫色土坡面径流总量有随坡度和雨强的增加而增大的趋势,0.60,1.10mm/min雨强时的径流总量随坡度的变化幅度较1.61,2.12 mm/min这2个雨强大,随坡度的增加,各个雨强的径流总量增大,且这种趋势随着雨强的增大越来越不明显,坡度较大时,雨强对径流总量的影响不明显。

(3)紫色土坡面产沙总量随着坡度和雨强的增大而增大,坡面产沙总量随雨强的变化幅度与坡度成正比,随雨强的增加,各个坡度的产沙量增大,且这种趋势随着坡度的增大越来越明显。10,15,20°坡的产沙量较大,为3106.03～8117.09 g,如果坡面上出现同等强度的多次降雨,所导致的土壤侵蚀将非常严重,故应在坡度≥10°的坡地上实施有效的水土保持措施。

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