沙土区河道土壤侵蚀强度定量分析
2013-03-02炜范敬兰王
胡 炜范敬兰王 宾
（1.3.江苏省徐州市丰县水利局 丰县 221700 2.江苏省徐州市水科所 徐州 221000）
沙土区河道土壤侵蚀强度定量分析
胡 炜1范敬兰2王 宾3
（1.3.江苏省徐州市丰县水利局 丰县 221700 2.江苏省徐州市水科所 徐州 221000）
徐州黄泛冲积平原为古代黄河泛滥泥沙沉积所形成，其面积分布较广，水土流失严重。本次试验在徐州市丰县水土保持示范区通过3种不同强度人工降雨试验，得到7种处理在不同降雨强度下土壤侵蚀量，画出不同处理降雨强度和土壤侵蚀量关系曲线，为开发建设项目和生态建设项目规划设计提供数据支持。
人工降雨试验 土壤侵蚀强度 率定 关系曲线
降水落到地面，一部分会渗透到土壤中，另一部分则形成地表径流，径流夹带泥沙汇入河道形成水土流失。在科研和规划设计研究中，通常缺少实测的土壤流失量，因此，需要有一种定量测定技术设施和场地，来测量土壤流失强度和流失量。2011年，在丰县赵庄镇设立沙土区河道坡面水土流失测定的径流试验场，以测定不同处理径流中的含沙量。
1 试验小区的设定
试验小区按《水土保持监测技术规程》（SL277—2002）中5.2.3的规定要求设置，试验场内共14个径流小区，每个径流小区连着3个集水桶，为三级集水，二级分流。该小区宽度为5m，直边加斜边长度为20.1m，斜坡倾斜度为8°，计算出小区垂直投影面积为100m2，小区边界由水泥板围成，边墙露出地面20cm，埋入地下30cm。上缘向小区外呈60°倾斜，径流小区末端为水泥做成的集流槽，集流槽上缘与地面同高，槽底向下及中间倾斜，集流槽上面用镀锌铁皮覆盖，防止雨水落入集流槽，集流桶与集流槽用镀锌铁皮做成的导流管连接，见图1。
图1 径流小区分流桶布置示意图
集流桶采用镀锌铁皮制成，按24h降雨200mm的坡面径流标准确定三级集流桶的尺寸，集流桶的尺寸直径50cm，高80cm，溢流口至桶底大致50cm。采用三级集流，两级分水的方式，收集小区径流。小区总的径流量为一级集流桶的径流量加上二级集流桶的径流量的11倍，再加上三级集流桶径流量的121倍，见下公式：
式中：Q——小区径流量；
Q1——一级集流桶水量；
Q2——二级集流桶水量；
Q3——三级集流桶水量。
2 径流场区处理布置
该试验地区位于丰县赵庄镇太行堤河右侧河堤。该地区属于废黄河冲积平原区，是徐州市沙土区河道的典型代表区域。
径流小区共设置14个，7个处理，每个处理2次重复。7个处理分别是：标准小区、刮平夯实器、撂荒地、混种草、立体种植、W-OH+混种草及生态混凝土+混种草。
3 观测项目
（1）气象要素：按《气象观测规范》规定的方法进行，主要内容有降雨量、降雨历时、降雨强度等。
（2）土壤资料：包括土壤容重和土壤水分。
（3）径流量：次降雨产生的径流，通过径流量计算径流系数。
（4）泥沙量：包括3个集流桶中的泥沙量，3个桶分别取样，每次取水样500mL，烘干称量水样中的含沙量，推算整个径流小区的土壤侵蚀量。
（5）示范区项目观测：示范区的沟蚀状况、植被长势。
4 人工降雨试验
利用人工降雨设备在径流小区的人工降雨试验，可得到不同雨强下的各种处理的径流量，通过取样，可得到样本泥沙量，从而得到径流小区的此次降雨的土壤侵蚀量。
4.1 人工模拟降雨试验介绍
此次试验选用的人工降雨设备，是中科院水利部水土保持研究所仪器设备厂生产的BX－1型便携式野外降雨器。针对该小区试验，采用的小区两边各设置4组喷头组合，共8组，做径流小区不同雨强的降雨试验。
其原理及组成：采用侧喷式喷头内不同的孔径挡水板，在一定水压下，会形成各种均匀的降雨强度，再将各个喷头组合进行合理排布，即可形成设定区域内不同雨强的均匀降雨，达到试验目的。
4.2 人工模拟降雨试验主要参数的率定
4.2.1 率定的目的及准备工作
确定人工模拟降雨器在不同供水压力条件下喷洒的降雨强度和对应的喷洒均匀度。
降雨强度：在设定供水压力的条件下，测点处单位时间内的降雨量。
降雨均匀度：在无风的理想状态下，在设定的降雨强度下，某一降雨范围内各测点的降雨量与平均降雨量的差值的绝对值与平均降雨量的百分比。
要求率定场地地势平坦，空旷无风，水源充足，供水压力稳定，流量的设计压力在设计范围内可任意调节，水源清澈无杂质。
表1 BX-1型便携式人工降雨器率定成果表
表2 人工降雨强度和土壤侵蚀量的关系 单位：kg/km2
4.2.2 率定过程
首先将模拟降雨器按在标准小区的布设安装，即安装在5m×20m的范围内布设8个降雨器，将压力调节阀、压力表和模拟降雨器用相应的管道连接件与橡胶管连接在一起，每个接口用管卡箍筋，避免漏水，打开供水阀门，调节供水压力，在喷洒范围内安放40个雨量筒，雨量筒之间以正方形布设，准备一个手持风速仪，当风速超过0.2m/s时，停止率定，当无风时再重新开始。
降雨器一边4个，间隔5m。
率定开始，观测风速如符合要求，打开供水阀门，将供水压力调节到0.1MPa，同是打开秒表开始计时，每一次试验应持续10～30min，小雨强采用长时间，大雨强采用短时间，在降雨过程中注意观察实验条件是否发生变化，到设计降雨时间，关闭供水阀门，按雨量筒编号分别读取降雨量值，记录在表格中（见图2）。
图2 人工降雨与土壤侵蚀量关系图
T——降雨时间；
通过测定，BX-1型便携式人工降雨器率定成果见表1。
4.2.3 试验小区人工模拟降雨试验
在试验小区进行了喷嘴孔径为7mm、10mm、12mm三种雨强的人工降雨试验，试验采用3次重复，次降雨持续的时间10～30min，人工降雨试验按率定的标准和外部自然条件进行，如压力表的压力是否达到设定压力，7mm喷嘴工作压力0.15MPa，10mm、12mm喷嘴工作压力0.2MPa，风速是否超过2m/s，连接杆是否与水平面垂直。如果上述条件不能满足，不能开展工作。
5 试验资料分析及结果
降雨强度是指单位时间的降雨累计量。降雨强度影响土壤流失的关键是雨滴打击力对土壤的分散作用，缺乏植被覆盖的土壤易受降雨强度的影响，短历时的强降雨会分散土壤，即便以后降雨强度有所降低，只要产生坡面径流，也很容易输送已经被分散的土壤，产生土壤侵蚀，形成水土流失。
分析人工降雨的降雨强度和土壤侵蚀量的关系，因为人工降雨强度偏大，并能人工控制降雨强度，土壤侵蚀现象明显。
5.1 降雨强度和土壤侵蚀量关系
人工降雨试验在试验小区内进行。采用中科院水利部水保所仪器厂生产的BX-1型便携式野外降雨器，4组对喷的形式，降雨支架高4m，设置12mm、10mm、7mm3个挡水板的喷水孔径，由于降雨强度比较大，以分钟为单位进行统计，对应的降雨强度通过率定分别为0.409mm/min、0.299 mm/min和0.186 mm/min。
试验中要求土壤水分基本一致，处于基本饱和状态，风速要求在2m/s以下，此次试验采用3种不同降雨强度对各试验小区进行试验，每次试验采用3次重复，现将试验资料进行对比分析。
在100m2小区试验数据的基础上，扩大到1km2的面积上，得到表2。
表3 人工降雨强度和土壤侵蚀量的关系 单位：kg/km2
结果表明：降雨强度与土壤侵蚀量成正相关，相关系数在0.5～0.7之间，表示中等程度相关。从表中看出，随着降雨强度的增加，水土流失量也在增加。不同的处理中，标准小区土壤侵蚀量最大，其次是生态混凝土和撂荒地，刮平夯实器、立体种植、混种草和W-OH土壤侵蚀量最小。
从以上数据可以看出，W-OH不同强度降雨下，土壤侵蚀量最小，当植物覆盖小区地面后，土壤侵蚀量也很小，而裸土下的标准小区土壤侵蚀量最大。
5.2 降雨强度和土壤侵蚀量关系曲线
人工降雨试验降雨强度和土壤侵蚀量的相关系数为0.75以上，说明降雨强度和土壤侵蚀量的相关程度很高。
通过对2013年度小区人工降雨强度和土壤侵蚀量的测定，扩大到1km2的土壤侵蚀量，通过升序的方式，作出表3、图2。不同处理不同雨强的土壤侵蚀量可以查图，就能得到相应的土壤侵蚀量。
根据降雨强度和土壤侵蚀量的关系图2，可以查出各种处理下不同降雨强度的土壤侵蚀量，可满足开发建设项目和生态建设在不同条件下用降雨强度求土壤侵蚀量的需求■
