沂蒙山区棕壤土侵蚀产流产沙过程及特征

2014-10-23马修京韩存宝

山东水利 2014年8期

马修京，吕英，韩存宝

（费县水土保持局，山东费县 273400）

沂蒙山区位于鲁中南部，是典型的北方土石山区。地势西北高东南低，土壤表层疏松、浅薄，且夹杂大量石砾，蓄水能力极低，土壤侵蚀严重，以水力侵蚀为主,属暖温带大陆性季风气候，四季分明，夏秋季节雨量充沛，气候温和，全年平均气温14.1℃，极端最高气温36.5℃，最低气温-11.1℃，年降水量849 mm，全年无霜期200 d以上。

1 试验材料与方法

以沂蒙山区费县的山地棕壤土为试验土壤，取土地点为费县薛庄镇彩山前村。

试验方法：采用人工模拟降雨方法。在山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室降雨大厅进行，降雨采用自动模拟降雨系统，可设定不同雨强变化范围、降雨历时及降雨范围。降雨高度为20 m，降雨均匀度大于80%，雨滴降落终速可达到自然雨滴的98%以上，降雨特性接近天然降雨。采用自水平液压边坡钢槽140 cm×70 cm×25 cm，设计雨强为 50 mm/h、75 mm/h、100 mm/h，试验坡度为 5°、10°、15°、20°、25°。

泥沙样采集与烘干：坡面产流后用带有编号的水桶收集泥沙样，采集时间为产流后1 min、2 min、3 min、6 min、10 min，之后每间隔 5 min 采集一次，直至降雨结束，在采集过程中避免雨水直接进入采集桶，经量测后静置，倒掉上清液，用烘干法测干沙重。

试验数据均采用SPSS16.0和Excel2007软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 雨强和坡度对坡面产流量的影响

坡面径流主要受降雨强度和下垫面变化的影响，下垫面特征是由地形、土壤、地表覆盖度等因素决定。

在相同雨强下，产流量均随坡度的增加而减小，本文主要分析了75 mm/h雨强不同坡度下和20°坡度时不同雨强下坡面产流量的动态变化。如图1、图2示。

图1 75 mm/h雨强下不同坡度产流量动态变化过程

图2 20°坡度下不同雨强产流量动态变化过程

由图1可以看出，在相同雨强下，坡度越大，坡面产流量越少，但不同坡度坡面产流量随降雨历时逐渐增大，坡面产流量均在降雨初期增加急剧，且坡度越大，增加幅度越大，25°时产流量增加速率几乎为5°时的10倍，之后，增加较为平缓。分析原因可能为：在降雨强度一定的条件下,地表径流量的大小主要由坡面土壤入渗特性和承雨量来决定。在每次正式试验前，都进行了前期预降雨，使土壤水分含量基本达到饱和，故本试验的坡面产流量大小主要取决于承雨面积，坡度越大，承雨面积越小，单位面积上降雨量减少，使产流量也越小。坡度越大，水流沿坡面向下分力越大，使加速度越大，水流速度加大，产流速度较快，进而坡度增加，产流量在降雨初期较大坡度时增加速度较快。

由图2可知，相同坡度下，雨强越大，坡面产流量越大，且产流过程曲线表现为一定的波动性，雨强越大，产流量差异性也越明显，雨强在100 mm/h与75 mm/h时产流量之差约为75 mm/h与50 mm/h时产流量之差的3倍。

2.2 雨强和坡度对坡面产沙率的影响

产沙过程特征是研究土壤侵蚀过程的一项重要内容，本文着重分析了75 mm/h雨强时不同坡度下和20°坡度时不同雨强下的坡面产沙率的特征曲线。如图3、图4示。

图3 20°坡度下不同雨强下产沙率动态变化曲线

由图3可知，相同坡度下，雨强越大，产沙率越大，且雨强较大时，产沙率相差幅度越大。在开始降雨后的短时间内，产沙率随降雨历时的增加而快速增加达到峰值。之后，随着降雨过程的延续，产沙率随降雨过程呈波状起伏变化，且变化幅度不大。雨强为50 mm/h、75 mm/h条件下，坡面侵蚀产沙率分别在坡面产流后15 min、3 min达到最大值，最大产沙率分别为1.87 g/min·m2和5.20 g/min·m2。雨强 100 mm/h条件下，坡面侵蚀产沙率在产流之后3 min内迅速增大，在第3 min达到最大值17.67 g/min·m2之后，随着降雨过程的继续，产沙率有减小的趋势，在产流之后第40 min，又呈直线递增直至降雨结束。

图4 75 mm/h雨强时不同坡度下产沙率动态变化曲线

由图4可知，相同雨强下，产沙率随坡度增大而增大，在降雨初期，5个坡度下产沙率都呈跳跃式上升，且坡度越大，产沙率出现峰值时间越短，之后在一个范围内趋于稳定，20°、25°时产沙率明显高于 5°、10°、15°时。分析原因可能为：坡度越大，水流沿坡面向下分力增大，使坡面方向加速度增大，致使水流速度越大，从而使水流具有更大的冲蚀力，所以在相同雨强下，坡度越大，坡面产沙率越大。