降雨入渗下斜坡水文响应研究

佟文韬

( 保定水文水资源勘测局，河北 保定071000)

斜坡在大自然界中是一个特殊的地质构造，是地壳表部所有具备侧向临面的地质体。造成斜坡形成的原因包括自然因素、人为因素两种，在长期的自然地质构造运动中，斜坡受力后会出现变形而进一步倾斜变化。由于斜坡地质构造的特殊性，当斜坡区域内降雨量过大后容易引起斜坡水文变化，入渗现象的发生会破坏原有的稳定地质结构，对降雨入渗下斜坡的水文响应深入研究意义重大。

1 降雨入渗形成的相关因素

降雨入渗主要是大自然雨水从地表进入土壤的运动过程，适当的降雨量可以促进区域植物的生长，而若降雨量过大后则会导致整个地表水量过多而产生严重的入渗现象。入渗会破坏地质构造原有的黏合力，使得原本紧密配合的构造变得松动，若不及时排出入渗水则会形成降雨径流。导致降雨入渗现象形成的因素有:

1.1 地质构造

地质构造内结构状况变化常会对降雨径流带来影响，如:地质、土壤、黏性等方面的状态不一，会使得降雨在地面上形成不同程度的入渗，对土壤自身的渗水性能带来冲击［1］。此外，一些特殊的区域构造会产生较大的地壳变化，如:斜坡、悬崖、谷地等，这些地质构造的都容易产生入渗。

1.2 气候变化

我国是一个气候多变的国家，特别是每年的降雨量大小变化不一。气候变化不仅破坏了原有的降雨状况，也会使得稳定的水流体系变得更加复杂多样。自然区域气候不稳定对降水入渗的影响做大，主要表现为:降水、总量、强度、分布等，随着降水量的增多，入渗情况也更为严重。

1.3 森林植被

自然保护区在我国占据了较大的面积，森林植被需要吸收大量的水分来维持正常的生长环境，这往往容易造成不同程度的降雨入渗情况。如:就植被这一方面看，其在蓄水、保水、保土等方面发挥着重要的作用，当植被自身的功能受到水流破坏之后，则会出现植被受损的不利现象。

1.4 人为破坏

严重的降雨入渗现象除了自然地质变化造成外，也会因为各种认为因素形成。如: 砍伐森林加快了水土流失; 水利工程建设对降雨径流有调控功能;农田灌溉使得消耗了大量的自然水分。这些人为生产活动造成的不利影响都会给降雨入渗产生作用，让原先的地质结构出现异常变化。

2 降雨入渗造成的不利影响

斜坡是自然地质长期积累后形成的特殊地质构造，是地壳表部所有具备侧向临面的地质体。由于斜坡结构的特殊性，若降雨入渗控制不当则会引起各种水流囤积现象，如:降雨径流等，给斜坡及周围环境造成污染破坏。

2.1 斜坡坍塌

斜坡是山区构造的变形区域，降雨入渗会造成各种水污染问题日趋严重，给整个生态系统环境造成了一定的破坏作用。入渗会使得地表上的水过于集中到斜坡土壤中，使得原有的地质结构变得更为松散，地质结构难以达到足够的强度要求，若斜坡地下水量充足则会引起不同程度的坍塌。

2.2 水流混乱

从外形结构上看，斜坡本身存在一个倾斜角度，水流均是自上往下流入而到达特定区域。降雨入渗量增大之后，斜坡上水流的变化运动会处于混乱状态，如: 洪峰流量变大则容易对斜坡结构造成冲刷，原先斜坡结构能够控制的流量超出承载范围，这些引起了水流量的波动。

2.3 地质受损

降雨入渗之前的水运动则是降雨径流，若地表水不能及时入渗到土壤中，地表之上的区域会出现径流现象。径流对坡度( 垂直度) 较大的构造不会产生影响，但若坡度较小则容易破坏原有的地质结构。地面积水过多而损坏地表，大量水在地表、地下使得土壤之间的黏性减弱。

2.4 破坏系统

大自然是一个综合性的生态系统，动物、植物、地质等之间都是相互协调运行的。若其中一个要素出现变化，则会使得稳定的生态系统遭到破坏，这些都会对原始自然生态系统造成破坏作用，不利于生态环境的长期发展。如: 山区斜坡的水流变化会破坏原有的地质构造而损坏环境。

3 降雨入渗下斜坡水文的响应变化

降雨入渗环境下斜坡坡面会产生雨水聚集的现象，最终构造出面积大小不一的水流。而斜坡构造形式的不同使其在面对水流时出现各种变化，斜坡面水的运动变化呈现多样化趋势。笔者对降雨入渗下斜坡水文进行了模拟测试，最后得出了对水文响应造成变化的几个重要参数指标，具体包括:强度指标、入渗指标、含水指标、坡长指标、坡度指标等。“产流”是判别降雨入渗下斜坡水文响应的重要指标，其由降雨量减去损失量获得。

3.1 强度指标

即降雨强度，一个斜坡区域内的降雨强度是由该地区的气候特点决定，如:我国东、西、南、北等4个地区相比，东部、南部、东南部地区全年降雨量较大，使得坡面流单宽流量也会不断增多。试验得出水深、流速、流量之间存在这3/5、2/5次幂的关系［2］。一般降雨强度的变化会带动坡面流指标的转变，如:流速、水深、切应力等会随着降雨强度的增大而增大，且斜坡的退水时间也会受到影响。

3.2 入渗指标

即土壤入渗率，根据国内外斜坡水文资料显示，在降雨入渗环境下的土壤入渗均会出现不同程度的波动。如:当土壤渗透能力减弱之后，产流的状况会随着土壤含水率的变动而改变。从这一点看，土壤初期阶段的渗透系数会影响到产量的水量，如:渗透系数小，则产流早期吸收的水量偏少。试验中笔者注意到一些特殊情况，当土壤入渗率处于平衡时，对土壤的初始非饱和度不会带来变化，但在平衡产流量上则会有变动。

3.3 含水指标

即初始含水率，土壤含水率与入渗率之间紧密相关。通常土壤的入渗率越大，则含水率也随之上升。这是因为除了土壤自身储备的含水量外，绝大部分的土壤含水率都是雨水从地表入渗而成。土壤的初始含水率更大，则其初始非饱和度更小且坡面的产流量增大，水动力因子也在随之增大［3］。另外，根据斜坡坡面的水量会受到人为实践的影响，土壤的初始含水率也会产生大幅度的变化，如: 斜坡地表种植需要灌溉水量等。

3.4 阻力指标

即阻力系数，综合前面几个指标，阻力系数在降雨入渗中也是影响斜坡水文的一大因素，斜坡水文阻力可通过模拟试验及地址勘测获得。一方面，斜坡自身具备的坡度则造成了整体的外在阻力; 另一方面，斜坡内部土壤结构之间的内阻力也会影响水流的变化、运动。利用计算机模拟试验可发现，水流阻力系统变大后，斜坡内产流实现均衡状态或者完全退水的时间则会变长，这是由于水文运动受到阻力作用而速度变慢的缘故。

3.5 坡长指标

即坡度长度大小，上述提到斜坡产生的因素有自然因素、人为因素等。斜坡形成因素的不同使得坡度的长短也存在差异，据勘测显示国内山区斜坡长度在50 ～200 m不等，而城市地区的一些景观斜坡也有20 m左右［4］。通过计算产流形成的过程，对坡长状况进一步分析得出，在出口处的产流量变大之后，出口处坡面流的水流速度、水量大小、运动应力也在变化，见图1。从时间和水流量关系上看，斜坡长L 不断变化的同时，单宽流量大小也有所变动。

图1 不同坡长的产流过程图

3.6 坡度指标

即斜坡坡度，降雨入渗条件下斜坡坡度对产流会产生多个方面的作用。此次研究选择5° ～60°这一坡度值域为对象，分析了各种坡度大小下的产流状况。最大单宽流量在坡度处于平缓状态时有所增大，而坡度超过5°之后则相对减小。此外，在坡度不断变大之后，坡面流的流速、切应力也开始出现变动，流速、切应力最大值的临界坡度出现在1° ～60°这一值域内，且流速、切应力的临界坡度值为40° ～50°，这些都是降水入渗山造成的水文响应［5］。

4 控制斜坡水文响应的有效策略

为了处理好斜坡水文响应造成的不利，相关部门要在思想、实践、政策等方面调整方案，让斜坡水文朝着理想的状态变化。根据笔者长期研究的经验看，对斜坡水文响应需采取的措施包括:

4.1 转变观念

在思想上要对斜坡水文状态给予高度重视，处理好大流量降雨入渗下的斜坡水文问题。这就需要政府领导者注重地区环境建设，尤其是对山区的自然斜坡更应该重点防止处理。在控制斜坡产流时进行勘测收集，对不同的数据及时分析以提早采取方案处理异常的水文响应。

4.2 环境评估

环境评估可以提早预测分析斜坡的地质构造、环境变化、产流大小等，根据这些数据指标则能提前采取斜坡水文的处理方案。如:根据典型的评估模型对雨洪的管理模式的位置、方法实施测算研究，最终可制定更先进的管理模式，这对降雨入渗下斜坡结构受损、入渗过多等问题可有效处理。

4.3 调整结构

为了防止斜坡入渗量过大造成的不便，我们可以对斜坡地质结构合理调整，利用一些更新方式来控制雨水入渗量。如:对于坡度较小的斜坡，其雨水难以及时排出，可通过设置小型排水沟的方式将水流引出斜坡，避免入渗量过大引起土壤流失等。

4.4 定期监测

定期监测可及时发现斜坡水文响应状况，在内地表出现降雨入渗之后，则需尽快安排技术人员对入渗水量多方检测，核对水质中的各类元素指标与环保标准是否一致。这样不仅能弄清雨水中是否存在有害环境的物质，也可为环保人员的水文处理工作带来方便。

总之，降雨入渗表面上是自然环境变化的常见现象，但对于入渗程度的控制不足则会引起不同的破坏作用。降雨入渗下斜坡水文变动是正常的状态，但遇到降雨量大的斜坡区域，该面积内的斜坡地质构造会受到不利影响，这就需要管理者制定严格的控制方案，避免斜坡水文出现异常。

［1］路晓娟，王海军. 降雨入渗对斜坡水文变化造成的不利影响［J］. 南京大学学报( 社会版) ，2010，17(5) :84－86.

［2］张子旭，黄建国. 斜坡水文中产流变化的影响因素探究［J］.工程力学，2009，29(14) :32－35.

［3］曾达文，邱志义. 降雨对高填土路堤的入渗深度的相关作用［J］. 地质勘查报告，2010，36(11) :74－76.

［4］朱路平，许少华. 降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数研究［J］. 土木工程学报，2009，30(20) :55－58.

［5］杨永文. 胡宇. 利用产流指标分析斜坡水文变动的方法［J］.现代城市科技，2009，13(6) :49－51.