三峡库区小流域产流产沙试验研究

肖 海，夏振尧，杨悦舒，梁永哲，柳 琪

由于长期不合理的土地利用方式，加之较频繁的侵蚀性降雨，导致三峡库区水土流失严重，不仅致使库区土壤日趋贫瘠，当地农业生态环境逐渐恶化，而且水库泥沙淤积给三峡工程和长江中下游的安危造成极大威胁［1］。小流域是水土保持研究的基本单元，对其侵蚀产沙空间分布的了解是预测和防治流域水土流失的重点［2］。

本研究以三峡库区主要土壤类型紫色土为研究对象，通过建立小流域模型，结合人工模拟降雨试验，研究小流域在不同降雨强度下产流产沙过程，为三峡库区小流域治理以及水土流失预测模型的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 小流域模型的建立

研究区位于三峡库区湖北宜昌段，以秭归县水田坝乡的王家桥小流域（31°12′—31°15′N，110°40′—110°43′E，小流域面积约为2.0km2，植被覆盖良好）为原型，通过实地勘察，按1∶100的比例尺将其微缩模型建于三峡大学人工模拟降雨试验场。

小流域模型外围边界用红砖及水泥砌成，模型中下层铺设砂土以便透水。上层土壤按照1.3g／cm3的容重铺设10cm厚的紫色土层。小流域模型面积约为20m2，其最高处约1.3m，最低处高约0.4m，位于小流域出口处。由一条主沟、两条支沟组成。主沟长约5.5m，上半主沟沟底坡度为10°～15°，沟壁坡度为20°～35°；下半主沟沟底坡度为0°～9°，沟壁坡度为15°～30°。支沟位于主沟两侧，左支沟长约2.2m，沟底坡度小于5°，沟壁坡度在25°～35°；右支沟长约1.9m，沟底坡度小于5°，沟壁坡度在15°～30°。各坡面坡度在10°以内，下半坡面坡度整体比上半坡面坡度大。

1.2 人工降雨过程及处理

人工降雨试验在三峡大学人工模拟降雨试验场开展。降雨设施采用南京南林电子科技生产的NLJY－10－01型便携式人工模拟降雨系统，降雨高度4m，由9组大中小喷头均匀喷出雨滴，降雨均匀度大于0.86，降雨强度分别为60，90，120mm／h。利用均匀分布于小流域中的雨量筒，通过多次测定平均降雨强度对降雨强度率定。每次降雨开始前，先将小流域表层湿润，直至接近产生地表径流。然后，将降雨强度调至设定值，在降雨开始产流后，开始计时，以2min为时间间隔接取全部泥沙样品以待测试。同时照相，并对试验过程进行记录。降雨30min结束后，覆盖防雨布以备下次试验使用。泥沙样品收集后静置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并将下部泥沙烘干称重保存于自封袋中。

2 结果与分析

2.1 总产流产沙量分析

分别于2012年10月27日、11月1日及11月10日完成3种雨强（60，90，120mm／h）条件的降雨试验。从表1可以看出，产流量随着降雨强度的增大而增加，但是增加幅度相差较大，虽然3次降雨强度均相差30mm／h，但与60mm／h雨强降雨试验相比，90mm／h雨强试验的产流量增加了325.12kg，120mm／h雨强试验相对于90mm／h雨强试验只增加了261.62kg，增幅减少了19.53%。分析认为，60mm／h雨强降雨试验前虽然进行了预湿润，但只是表面饱和，因此降雨过程中入渗较大，从而使得产流量减小。而由于第一次降雨试验的进行，土壤基本趋于饱和，后两次入渗相对较小，产流量增加，从而导致在第3场降雨试验中产流量增幅减小。

与产流量变化规律相同，3场降雨产沙量随着降雨强度的增大而增加，且增加幅度相差较大，90mm／h雨强试验的产沙量比60mm／h雨强试验的产沙量增加了20.85kg，120mm／h雨强试验的产沙量比90mm／h雨强试验增加了1.79kg，增幅较前两场减少91.42%，这个增幅远小于同期产流量的增幅。试验过程中观察发现，在降雨强度为60mm／h雨强降雨试验结束后小流域坡面仅出现了细沟雏形，细沟并未明显发育，因此坡面产沙量很少，且产流量相对也较少，因此对沟道冲刷也不太剧烈，因而总产沙量相对较少。而在随后的90mm／h降雨强度下，产沙量陡增，主要是由于在前场降雨的基础上，一方面坡面细沟继续发育，而且较大的降雨强度导致了较快的发育速度［3］引起坡面产沙量大增；另一方面较大的产流量使得对沟道冲刷较严重，产沙量也相应增加，从而使得总产沙量增幅较大，在120mm／h降雨强度下，由于前两次降雨的作用，坡面细沟以及沟道发育已经较为稳定，因此降雨强度及产流量的增加并不能导致产沙量的显著增加，因此在整个降雨过程中产沙量增幅不大。

表1 3次降雨试验的产流量及产沙量

2.2 产流产沙过程分析

从图1可以看出，产流量在3场模拟降雨过程中均随径流时间呈现先增大后趋于稳定的趋势。这是因为在降雨初期时，一方面小流域中土壤渗透性较强，另一方面随着雨滴的打击作用及径流对土壤颗粒的剥离、搬运和沉积使得表层土壤中形成薄封闭层［4］。封闭层形成后土壤的入渗能力降低，从而使得产流量增加。当封闭层发育稳定时，产流量也逐渐稳定［5］，且降雨强度越大，这个过程也越快。

虽然3场降雨产流量均随时间呈现相同的变化规律，但由图1可知，3场降雨的产沙量变化规律并不一致。在60mm／h降雨强度下，产沙量随降雨历时逐渐增加，主要是由于上述封闭作用引起入渗减小，径流增加，径流流速加快，从而径流冲刷力增大，使径流能够运走更多的泥沙［6］。

通过试验观察，降雨结束后坡面细沟并未明显发育，因此整个过程中产沙量均缓慢增加。而在随后的90mm／h降雨强度下，产沙量随降雨历时变化出现了先陡增后稳定再波动的趋势。降雨初期产沙量陡增，主要是由于在前场降雨的基础上，一方面在较大的降雨强度下坡面细沟快速发育；另一方面产流量的增加使得沟道侵蚀迅速增加［7］。坡面细沟以及沟道的沟壁坍塌使得产沙量出现了波动变化的趋势。在120mm／h降雨强度下，随着坡面细沟以及沟道发育已经较为稳定，产流量的增加并不能导致产沙量的显著增加，因此在整个降雨过程中产沙量仍呈现先增加后略有减小的变化趋势。

图1 3场模拟降雨试验产流量及产沙量随时间变化

2.3 累积产流产沙量分析

图2 反映了3场模拟降雨试验累积产流量和产沙量随降雨历时的变化。累积产流量及产沙量表明侵蚀产流产沙总量随时间的变化规律。由图2可以看出，3场降雨强度下累积产流量及产沙量均随降雨历时增长而增加，且降雨强度越大，累积产流量及产沙量越大，这与降雨强度增大，小流域单位时间所承受的降雨增多，侵蚀力增强有关。

图2 3场模拟降雨试验累积产流量及产沙量随时间变化

在各场次降雨下，累积径流、产沙量与降雨历时的关系均可用进行线性拟合，相关系数R2均大于0.97，说明这些拟合方程具有较高的可靠性。60，90，120mm／h这3种雨强条件下，单位时间内所增加产流量分别为7.755，18.888和27.501kg，产流量相差不大；而累积产沙量在3场降雨下单位时间所增加的产沙量分别为0.144 2，0.856 3和0.890 7kg，相差较大。

分析认为，单位时间产流量的多少由承雨量及入渗量决定，3次降雨过程中，入渗量除了第一次降雨过程中入渗较强外，其与两次由于第一次降雨的作用，小流域内土壤趋于饱和，因此入渗量变化不大，从而使得增幅相差不大。而产沙量受到多种因素的影响，在本试验中，产沙量的多少主要有坡面细沟发育情况以及径流对沟道的冲刷情况所决定的，分析可知，60mm／h降雨强度下坡面细沟发育不明显且径流冲刷沟道的强度不剧烈，因此单位时间产沙量较少；而在90mm／h时，坡面细沟快速发育，径流对沟道冲刷也加剧，因此单位时间内产沙量较60mm／h降雨强度下大幅度增加；120mm／h降雨强度下，随着坡面细沟发育趋于稳定，单位时间产沙量增幅也相应变小。

2.4 含沙量变化规律

含沙量是产沙量和产流量两者的比值，表明单位径流中携带泥沙量的多少。由图3可以看出3场降雨径流含沙量变化规律并不一致。60mm／h降雨强度下径流含沙量随着降雨的持续呈增加趋势，90mm／h降雨强度下径流含沙量呈现先增加后波动变化，而120mm／h降雨强度下却呈现先增加后略微递减的趋势。径流含沙量出现这种不一致的变化规律，与产流产沙变化规律有密切相关，尤其与产沙量变化规律密切相关，这与本试验各次降雨过程中产流量除前期略少外后期基本变化不大有关。

图3 含沙量随降雨历时变化规律图

3 结论

（1）3种雨强条件下，降雨产流量及产沙量均随雨强增加，但产流量的增加幅度远大于产沙量。

（2）3种雨强条件下，产流量均随径流时间的延长呈现先增大后趋于稳定的趋势。

（3）3场降雨过程中产沙量及径流含沙量变化规律不一致，在60mm／h雨强下，两者变化均随产流时间逐渐增加；90mm／h雨强下，两者变化均随产流时间变化出现了先陡增后稳定波动的趋势；而120mm／h降雨强度下两者变化均随产流时间变化出现了先增加后略微递减的趋势。

（4）在各场次降雨下，累积产流量和累积产沙量均随降雨历时的增加呈线性变化。

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