人工降雨和放水冲刷条件下紫色土坡面产流产沙特征分析

王爱娟,丁文峰,王万君

(1.水利部 水土保持监测中心，北京 100055；2.长江科学院 水土保持研究所， 武汉 430010)

人工降雨和放水冲刷条件下紫色土坡面产流产沙特征分析

王爱娟1,丁文峰2,王万君1

(1.水利部 水土保持监测中心，北京 100055；2.长江科学院 水土保持研究所， 武汉 430010)

采用可变坡的3 m×1 m土槽进行人工降雨和放水冲刷试验，在不同坡度(5°～20°)、不同雨强(0.6～2.5 mm/min)和放水流量(1.6～7 m3/s)情况下，对紫色土坡面的产流产沙特征进行了研究。结果表明：放水冲刷试验中径流流速从坡上到坡脚表现出先增加后减小、逐渐增大和逐渐减小3种趋势，而人工降雨试验则恰恰相反，径流流速从坡上到坡脚表现出逐渐增大的趋势；15 min是2种试验方法产流过程稳定的临界时间；人工降雨试验径流含沙量稳定的时间介于5～50 min之间，放水冲刷试验含沙量稳定的临界时间为20 min。试验成果可为后续紫色土侵蚀相关研究提供数据支持。

紫色土；径流流速；含沙量；人工降雨；放水冲刷

1 研究背景

紫色土发育于亚热带地区石灰性紫色砂页岩母质土壤，主要分布在我国亚热带地区，以长江三峡地区分布较广，四川盆地更为集中，是我国南方重要的耕作土壤。土壤侵蚀是土地退化的重要原因。紫色土土层较薄，平均厚度不超过50 cm，母质疏松，物理风化强烈。紫色土侵蚀规律的研究，关系到当地农业的可持续发展，与粮食安全和生态安全息息相关。

降雨是土壤侵蚀的动力来源，侵蚀强度主要取决于降雨强度、降雨量和降雨历时。在土壤侵蚀发生发展规律研究中，人工降雨因其可控的降雨过程被研究人员广泛采用；当不考虑雨滴对地表的打击时，可采用放水冲刷试验研究土壤侵蚀和坡面流水力参数特征。研究人工降雨和放水冲刷条件下坡面的产流产沙特征有助于分辨有雨滴作用和无雨滴作用的侵蚀特征。总结已有的研究成果发现，对紫色土的研究集中在不同土地利用类型对土壤侵蚀和径流的影响[1-3]、土壤水分变化及壤中流特征[4-6]、坡耕地侵蚀和养分特征研究[7-10]等方面，而对紫色土裸坡土壤的产流产沙特征研究较少。本研究以长江上游典型侵蚀性土壤——紫色土为研究对象，设计不同坡度、不同降雨强度和放水流量的人工降雨与放水冲刷试验，研究2种条件下坡面径流流速、产流过程和产沙过程特征，以期为后续紫色土侵蚀相关研究提供数据支持。

2 试验材料与方法

2.1 供试土壤

试验用土壤为紫色土，采自湖北省秭归县某坡耕地，母质为紫色砂岩。土壤有机质含量为5.12 g/kg，密度为1.35 g/cm3，土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分别占54.51%，20.18%，6.64%。

2.2 试验装置与方法

试验在水土流失移动实验室内进行，试验装置中可变坡土槽长3 m、宽1 m、深50 cm，坡度变化范围为0°～30°，槽底部有渗流孔，在出口处有壤中流和地表径流收集装置。土槽装土厚度为40 cm，边填边压实，控制填土密度为1.3 g/cm3。采用人工降雨法和放水冲刷法进行试验。降雨采用下喷式降雨器，降雨器的喷头有大、中、小3套，由进水口压力表控制降雨强度，降雨强度可调范围为0.5～3.5 mm/min，降雨均匀度为90%。放水冲刷法采用马氏瓶原理控制恒定水头，水箱尺寸中长、宽、高均为1 m，水箱底部距地面高度约4 m。本次试验设5°，10°，15°，20°共4种坡度，降雨强度设计为0.6，1，1.5，2，2.5 mm/min，对应的放水冲刷流量分别为1.6，2.5，3.6，6，7 m3/s，所有试验降雨量控制为50 mm，对应的试验时间分别为83，46，31，24，20 min。共开展人工降雨试验20场，放水冲刷试验20场。采用风干法保证试验时土壤前期含水量基本一致，约为16%。

径流、泥沙样的采集方法为坡面开始产流后0～3 min每隔1 min采样1次，3～11 min每隔2 min采样1次，11 min到试验结束每隔5 min采样1次，用水桶收集径流并测量产流量，采用烘干法测量径流含沙量。分别在坡面的上、中、下部采用高锰酸钾染色法测定流速。

表1 不同试验条件下坡面不同部位地表径流流速分布Table 1 Distribution of runoff velocity on different parts of the slope surface under different test conditions

表2 不同试验条件下全坡面地表径流平均流速分布Table 2 Distribution of average full-slope runoff velocity under different test conditions

3 结果与分析

3.1 不同试验条件下紫色土坡面流速特征

人工降雨和放水冲刷试验条件下坡面不同部位地表径流流速见表1。从表1可以看出，对于3 m坡长的坡面，放水冲刷试验中，坡面流速呈现从坡上到坡中流速增加、坡中到坡脚流速减小及流速从坡上到坡脚逐渐增加和流速从坡上到坡脚逐渐减小3种趋势；人工降雨试验中只有1种趋势，流速分布都表现为从坡上到坡脚逐渐增大的趋势。分析原因认为放水冲刷时，因坡面粗糙度和流量的不同，从坡顶而下的径流受重力作用逐渐增加、或径流克服摩擦阻力向坡脚流动导致流速减小，而人工降雨试验坡面产生径流后，由于整个坡面都受雨，土壤饱和造成坡面不同部位都有入流，因此从坡顶到坡脚径流量增大，流速也增加。

全坡面平均流速分布见表2。从表2可以看出，放水冲刷条件下，坡面平均流速随流量和坡度的增大而增大；而人工降雨条件下，流速随雨强的增加增大幅度很小，基本不随坡度的增加而变化。

图1 不同试验条件下紫色土坡面产流过程Fig.1 Runoff processes of purple soil under different test conditions

图2 不同试验条件下紫色土坡面产沙过程Fig.2 Sediment yield processes of purple soil under different test conditions

降雨强度0.6 mm/min和放水冲刷流量6 m3/s试验条件下的紫色土坡面产流过程见图1。以这2种情况下的产流过程为例，可以看出坡面产流开始后流量迅速增加，直至15 min后趋于稳定。统计所有场次的试验现象可以发现，15 min是紫色土坡面产流过程稳定的临界时间。

3.2 不同试验条件下紫色土坡面产沙过程

分析人工降雨和放水冲刷试验条件下紫色土边坡的降雨产沙过程发现，径流产生后的前10 min，径流含沙量很大，之后迅速减小并趋于稳定，见图2。统计所有场次的试验过程可以发现(表3、表4)：人工降雨试验时，含沙量稳定的时间介于5～50 min，初始含沙量大约是稳定含沙量的2倍；放水冲刷试验时，含沙量稳定的时间介于5～20 min，试验过程中前3 min径流含沙量很大，甚至可达到稳定含沙量的100倍以上。

表3 人工降雨条件下径流含沙量稳定时间Table 3 Time of sediment concentration getting stablein artificial rainfall condition

表4 放水冲刷条件下径流含沙量稳定时间Table 4 Time of sediment concentration getting stablein scouring condition

总结发现：人工降雨和放水冲刷试验条件下，紫色土坡面产流后径流量含沙量稳定所需时间很短。在人工降雨试验中，坡度大于5°时，径流含沙量在前15 min变化较大，之后逐渐减小并趋于稳定；雨强越大，含沙量稳定所需要的时间越短。相对而言，在本次试验设定的放水冲刷流量情况下，含沙量稳定的时间较短，所有20场试验的含沙量在产流后20 min前都能达到稳定。

4 结 语

本次试验以降雨量50 mm为控制，设计不同雨强、坡度情况下的人工降雨和放水冲刷试验。在2种不同试验条件下紫色土坡面不同部位的径流流速有不同的变化规律，这主要与坡面入流方式不同有关，表现为放水冲刷时从坡上到坡脚先增加后减小、逐渐增大和逐渐减小3种趋势，人工降雨时呈逐渐增加趋势；坡面产流稳定时间大约为15 min，产沙稳定时间在放水冲刷试验条件下为5～20 min，人工降雨条件下为5～50 min。

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(编辑：曾小汉)

Characteristics of Runoff and Sediment Yield of Purple Soil SlopeSurface in the Presence of Artificial Rainfall and Scouring

WANG Ai-juan1,DING Wen-feng2,WANG Wan-jun1

(1.Center of Soil and Water Conservation Monitoring,Ministry of Water Resources,Beijing 100055,China;2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Soil tank (3 m×1 m) of variable slope was taken for artificial rainfall and runoff scouring test.The features of runoff and sediment yield on purple soil slope in the presence of different slope gradients (5°～20°),rainfall intensities(0.6～2.5 mm/min),and scouring flow rates(1.6～7 m3/s) were researched.Results indicate that in scouring test,the runoff flow velocity from slope top to slope toe changes in three tendencies: first increases and then reduces,progressively increases,and progressively reduces;whereas for artificial rainfall test,the runoff flow velocity gradually increases from slope top to slope toe.The critical time of runoff getting stable in both tests is 15min;whereas for sediment concentration,the time of getting stable is between 5～50min in artificial rainfall test and 20min in scouring test.

purple soil;runoff velocity;sediment concentration;artificial rainfall;scouring

2015-01-09；

2015-01-19

国家自然科学基金项目(41101260，41271303)；长江科学院创新团队项目(CKSF2012052/TB)；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2013013/TB)；“十二五”科技支撑计划课题资助项目(2012BAK10B04)

王爱娟(1981-)，女，宁夏银川人，高级工程师，博士，主要研究方向为土壤侵蚀与水土保持，(电话)010-63207096(电子信箱)wang-ai-juan@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.007

S157.1

A

1001-5485(2015)03-0031-04

2015,32(03):31-34