人工模拟降雨条件下坡面产沙规律及侵蚀泥沙颗粒特征研究

崔 斌，张 瑜，许晓鸿，王 洋

(1.吉林省宏利水土保持咨询有限公司，吉林 长春 130033；2.吉林省水土保持科学研究院，吉林 长春 130033)

人工模拟降雨条件下坡面产沙规律及侵蚀泥沙颗粒特征研究

崔 斌1，2，张 瑜2，许晓鸿2，王 洋1

(1.吉林省宏利水土保持咨询有限公司，吉林 长春 130033；2.吉林省水土保持科学研究院，吉林 长春 130033)

模拟降雨；产沙量；侵蚀泥沙；颗粒特征

利用室内模拟降雨试验，研究了坡面产沙规律及其与径流的相关关系，并对比分析了侵蚀泥沙与原土壤的颗粒特征。结果表明：①产流时间受降雨强度与坡度共同影响，降雨强度和坡度越大，产流时间越短，随降雨强度增加坡度对产流时间的影响越加明显。②不同降雨强度作用下，产沙量(4 min产沙量)均随降雨历时的增加呈现先增加后减少的趋势，但峰值不同，降雨强度越大峰值越大。③累计产沙量与累计径流量呈显著的幂函数关系，可用方程y=AxB来表达，相关系数R2均大于0.986，达极显著水平，系数A随降雨强度和坡度的增加而减小，系数B受降雨强度和坡度的影响无明显规律性变化。④不同降雨强度作用下的侵蚀泥沙颗粒级配不同，与原坡面土壤颗粒级配的差异程度表现为1.2 mm/min<0.8 mm/min<0.5 mm/min，随着降雨强度的减小，侵蚀泥沙中<0.01 mm颗粒的相对含量有所增加，>0.01 mm颗粒的相对含量减少，并且降雨强度越小，这种变化程度越明显。

人类不合理利用自然资源导致生态环境恶化所引发的土壤侵蚀，尤其是水力侵蚀已成为当今世界最严重的环境问题之一。径流泥沙下泻造成土地质量下降，致使土地荒芜、难以利用。土壤肥力是评价土地质量的重要指标，而土壤颗粒组成对土壤肥力具有明显影响，比如土壤颗粒组成影响土壤持水性和保肥能力[1]，有机质、氮、磷、钾和锌的含量也与土壤颗粒组成密切相关[2]。近年来，国内在土壤颗粒流失与养分流失关系的研究方面取得了一定进展。有研究表明，土壤养分绝大部分是随着泥沙流失的，泥沙是土壤养分流失的主要载体[3-5]，泥沙携带的氮和磷等养分量甚至可以占到养分流失总量的90%以上[6]，但关于降雨强度、产沙强度等对泥沙颗粒组成变化的研究相对较少[7-9]。本研究在现有成果的基础上，研究黑土区水土流失规律及其泥沙颗粒特征，以期对黑土区坡耕地水土流失治理、养分流失控制、坡耕地生产力提高提供参考数据。

1 试验材料和研究方法

1.1 试验小区

选用吉林省水土保持科学研究院研制的坡度可调式径流小区作为试验小区，规格为2.0 m×1.0 m×0.4 m。试验土壤为暗棕壤，取土样过5 mm筛并清除杂质。试验小区填土时在最下层装填10 cm细沙并用纱布覆盖，保证小区有良好的透水性，再分6层装填试验土壤，每层装填5 cm，使下垫面土壤条件的变异性最小。试验前采用0.265 mm/min的降雨强度进行前期降雨至坡面产流为止，用塑料布覆盖并静置24 h，保证每次试验土壤的初始条件一致。

1.2 试验方法

本试验于2013年8月5日在吉林省杏木国家水土保持科技示范园区降雨大厅进行第一次模拟降雨试验，2013年9月10日完成全部降雨试验。依据侵蚀性降雨分布规律，选择试验降雨强度为1.2、0.8、0.5 mm/min，设置试验小区坡度为8°、12°，至产流45 min时停止降雨。自产流1 min后开始连续收集径流泥沙，每次收集时间为4 min，每场降雨共收集样品11个，降雨结束后利用比重法测量每个样品的产流量和产沙量。由于单次收集的产沙量较少，因此将测量后的11个径流泥沙样混合，对每场降雨产生的侵蚀泥沙进行颗粒分析，仪器采用GSL-IOIBL激光颗粒分布测量仪。每个处理重复2次，取平均值进行计算和分析。

模拟降雨装置采用国家“948”计划引入设备——Norton降雨模拟器。该降雨模拟器降雨方式为摆动式，有效雨滴降落高度为2.5 m，雨滴雾化效果良好，能有效抵抗风对降雨效果的影响。该降雨模拟器拥有专门的降雨强度控制模块，保证了降雨强度调节的准确性、简易性，标准调节强度为9.5～100 mm/h。经过率定与校核，Norton降雨模拟器的降雨均匀系数可达92%以上，满足本次试验要求。

2 结果与分析

2.1 降雨强度和坡度对产流时间的影响

两试验小区不同降雨强度条件下的产流产沙情况见表1。从表1可以看出，每场降雨的总产流量与总产沙量随着降雨强度和坡度的增加呈现增加的趋势，产流时间随降雨强度和坡度的增加而缩短。试验中两种坡度条件下，产流时间随降雨强度的增大有明显的缩短；当降雨强度为0.5 mm/min时，坡度的变化对产流时间的影响并不明显，8°和12°小区的产流时间仅相差1′36″；随着降雨强度的增大，坡度对产流时间的影响越趋明显，降雨强度1.2 mm/min时，两种坡度小区的产流时间相差13′11″。这说明降雨强度是影响产流时间的主导因素，而坡度对产流时间的影响是当降雨强度达到一定数值时才开始显现的。

分析其原因，在降雨强度较小时，坡面降水以入渗和被未饱和的土壤吸收为主，由于降雨强度相同时，坡面降水达到稳定入渗和土壤达到饱和时间基本相同，这一过程几乎不受坡度影响，因此不同坡度小区产流时间相差较小。当降雨强度较大时，随坡度增加，降水进入土壤的机会减少，同时径流沿坡面方向的力增大，而垂直坡面的压力减少，导致土壤入渗速率下降[10-11]，产流时间明显提前。

表1 两试验小区产流产沙情况

2.2 产沙量随产流历时变化

两小区不同降雨强度条件下的产沙情况见图1。从图1可以看出，在不同降雨强度条件下，产沙量(4min产沙量，下同)随产流历时增加呈现明显差异，在8°和12°坡度条件下这种差异情况比较一致，即产沙量随产流历时的增加呈现出先增加后减少的趋势，区别在于产沙量趋于稳定的时间及峰值不同：8°小区在3种降雨强度(0.5、0.8、1.2 mm/min)作用下，产沙量峰值分别为0.048、0.092、0.112 kg，达到峰值的时间分别为9、9、5 min；12°小区在3种降雨强度(0.5、0.8、1.2 mm/min)作用下，产沙量峰值分别为0.079，0.120，0.147 kg，达到峰值的时间分别为9、9、5 min。两种坡度小区的产沙量达到峰值后，0.5、0.8 mm/min降雨强度条件下的产沙量处于稳定减少的状态，而1.2 mm/min雨强条件下的产沙量在达到峰值后仍呈现较大的波动。

图1 两小区产沙量随产流历时变化

出现以上现象的原因是在径流形成初期，坡面土壤侵蚀以雨滴击溅和薄层水流冲刷为主；随着降雨继续，雨滴击溅侵蚀作用减弱，径流冲刷力和携沙力增强，且坡面松散土颗粒较多，极易被搬运和侵蚀，在这个阶段产沙量出现峰值；之后由于坡面可蚀性颗粒减少，径流中携带泥沙逐渐减少且以细颗粒为主，坡面上较大的土颗粒失去支撑，在重力作用和大雨强形成的径流搬运作用下发生侵蚀，而小雨强形成的径流搬运能力弱，小于坡面泥沙颗粒的起动能量，这就是在3种不同降雨强度条件下产沙量随降雨历时增加量出现差异的原因。

2.3 累积产流量与累积产沙量相关关系分析

对各降雨场次的累积产沙量与累积径流量进行拟合分析，得出的回归方程见表2。累积产沙量(y)与累积产流量(x)关系满足幂函数y=AxB，相关系数均大于0.986，达极显著水平。从函数关系式可以看出，系数A和B值越大，产沙量越多，并且系数A随着降雨强度和坡度的变化呈现一定变化规律，即总体上随着降雨强度和坡度的增加而减小，在试验中各影响因子作用下的取值区间为0.032～0.082。分析原因可能是在降雨强度和坡度增加的同时，也增加了坡面径流量和产沙量，但前者的增加量要远大于后者的增加量。系数B随降雨强度和坡度的变化规律不明显，取值区间为0.887～1.038。

表2 累积径流量与累积产沙量回归分析

2.4 侵蚀泥沙颗粒特征分析

将侵蚀泥沙与原土壤的颗粒级配进行对比，结果见图2。从图2可以看出，降雨强度越大，侵蚀泥沙颗粒级配与原土壤颗粒级配越接近，接近程度表现为1.2 mm/min>0.8 mm/min>0.5 mm/min。随着降雨强度的减弱，侵蚀泥沙中<0.01 mm颗粒的相对含量有所增加，>0.01 mm颗粒的相对含量减少，并且降雨强度越小，这种变化程度越明显。

图2 侵蚀泥沙与试验土壤颗粒级配分析

分析以上原因可能是在降雨强度较大的条件下，降雨初期坡面径流形成前雨滴击溅侵蚀较强，对坡面土壤块体崩解、分散、输移程度高，随着后期坡面径流形成且冲刷能力逐渐增强，坡面发生层状面蚀，此时径流的侵蚀分选作用并不明显，因此大降雨强度(1.2 mm/min)作用下的侵蚀泥沙颗粒级配更接近原土壤，该结论与郭进等[12]的研究结论一致；在小降雨强度(0.5 mm/min)作用下，雨滴击溅侵蚀弱，形成的坡面径流侵蚀分选作用明显，使径流选择性地搬运土壤细颗粒，从而使侵蚀泥沙中<0.01mm颗粒的相对含量增加。

3 结 论

(1)产流时间受降雨强度与坡度的共同影响，降雨强度和坡度越大，产流时间越短；随雨强的增加，坡度对产流时间的影响越加明显。

(2)不同降雨强度条件下，产沙量(4 min)随产流历时呈现先增加后减少的趋势，但达到的峰值不同，降雨强度越大峰值越大；在1.2 mm/min雨强作用下，产沙量在达到峰值后呈现波动减少的状态，而在0.8 mm/min和0.5 mm/min雨强作用下，产沙量在达到峰值后均呈现稳定减少的状态。

(3)各降雨场次的累计产沙量与累计径流量呈显著的幂函数关系，可用方程y=AxB来表达，相关系数R2均大于0.986，达极显著水平；系数A随降雨强度和坡度的增加而减小，系数B受降雨强度和坡度的影响无明显规律性变化，有待进一步研究。

(4)不同雨强作用下的侵蚀泥沙颗粒级配不同，与原坡面土壤颗粒级配的接近程度表现为1.2 mm/min>0.8 mm/min>0.5 mm/min。随着雨强的减小，侵蚀泥沙中<0.01 mm颗粒的相对含量有所增加，>0.01 mm颗粒的相对含量减少，并且降雨强度越小这种变化程度越明显。

[1] 冯娜娜,李廷轩,张锡洲,等.不同尺度下低山茶园土壤颗粒组成空间变异性特征[J].水土保持学报,2006,20(3):123-128.

[2 ]黄绍文,金继运,杨俐苹,等.粮田土壤养分的空间格局及其与土壤颗粒组成之间的关系[J].中国农业科学,2002,35(3):297-302.

[3] 黄丽,丁树文,董舟,等.三峡库区紫色土养分流失的试验研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1998,4(1):9-14,22.

[4] Meyer L D, Line D E, Harmon W C. Size characteristics of sediment from agricultural soils[J].Journal of Soil and Water Conservation,1992,47(1):107-111.

[5] 张兴昌,邵明安.侵蚀泥沙、有机质和全氮富集规律研究[J].应用生态学报,2001,12(4):541-544.

[6] Peng L, Wang J Z, Yu C Z. Nutrient losses in soils on Loess Plateau[J]. Pedosphere,1995,5(1):83-92.

[7] 肖培青,郑粉莉.上方来水来沙对细沟侵蚀泥沙颗粒组成的影响[J].泥沙研究,2003(5):64-68.

[8] 鲁克新,李占斌,张霞,等.室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究[J].水土保持学报,2011,25(2):6-9,14.

[9] 李煜,苏芳莉,周欣,等.堆存时间对开发建设工程弃土流失特征的影响[J].水土保持学报,2012,26(1):38-42.

[10] 傅斌,王玉宽,朱波,等.紫色土坡耕地降雨入渗试验研究[J].农业工程学报,2008,24(7):39-43.

[11] 卫喜国,严昌荣,魏永霞,等.坡度和降雨强度对坡耕地入渗的影响[J].灌溉排水学报,2009,28(4):114-116.

[12] 郭进,文安邦,严冬春,等.三峡库区紫色土坡地土壤颗粒流失特征[J].水土保持学报,2012,26(3):18-21.

(责任编辑 李杨杨)

吉林省科技发展计划重点项目(20120409)；黑土区退化坡耕地生产力恢复关键技术研究(201401025)

S157.1

A

1000-0941(2015)04-0043-03

崔斌(1986—)，男，吉林蛟河市人，助理工程师，硕士，主要从事土壤侵蚀规律及其治理研究。

2014-12-31