人工模拟不同降雨强度对贵阳市花溪区石灰土水分运移的影响

韩文君 潘佑静 杜波

摘要 采用人工降雨对各种降雨强度进行模拟，观测花溪区石灰土土壤水分在不同雨强下的入渗情况，总结和探讨了不同降雨强度对典型喀斯特区域石灰土土壤水分入渗的影响规律。结果表明：对于石灰土，降雨强度小于60 mm/h的降雨归类于有效降雨，≥60 mm/h的降雨归类为侵蚀性降雨。40 mm/h雨强降雨对土壤水分补充效果优于20 mm/h雨强降雨。在60～80 mm/h雨强范围的降雨是利用率最低的降雨，降雨强度越大，产流量越高，对土壤的侵蚀力越强，土壤对降雨的吸收率越低。雨强越大，土壤表层含水率变化越大，土壤水分的增加过程在降雨后20 min达到最大值然后缓慢降低。

关键词 石灰土；水分入渗；人工降雨；降雨强度；贵州贵阳

中图分类号 S714.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）06-0189-03

Effects of Different Rainfall Intensity on Limestone Soil Water Transport of Huaxi Area in Guiyang City

HAN Wen-jun PAN You-jing DU Bo

（College of Forestry，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550001）

Abstract Different rainfall intensity was simulated by artificial rainfall，in which，the soil water infiltration situation of lime-soil sampled in Huaxi Area was observed. The influence of different rainfall intensity on soil water infiltration in typical karst area was summarized and discussed. The results showed that：for lime-soil，the rainfall intensity less than 60 mm/h should be classified into the effective rainfall，oppositely the rainfall intensity greater than or equal to 60 mm/h should be classified into the erosive rainfall. For the effect of rainfall intensity on supplying soil water，at 40 mm/h was better than at 20 mm/h. It was the lowest availability rainfall in 60～80 mm/h rainfall intensity. In this range the greater the rainfall intensity，the higher the runoff yield，the stronger the soil erosion，the lower the absorbing rate of the soil to the rainfall. The change of soil surface water content increased with the increase of rainfall intensity. The process of the soil water content increase would be reached the maximum at 20 minutes after the rainfall，and then slowly decreased.

Key words limestone soil；water infiltration；artificial rainfall；rainfall intensity；Guiyang Guizhou

土壤的入渗性能是土壤重要的水分物理性质，是反映土壤涵养水源和抗侵蚀能力的重要指标[1-3]。土壤水分入渗的能力也对植被可利用的有效水与养分产生影响[4-5]。研究[6-7]发现喀斯特坡地土壤含水量主要受降水的影响，有明显的雨季、旱季变化，土壤水分依靠降雨补充完成水分入渗的过程。

目前喀斯特地区土壤水分研究大多都在植被覆盖[5，8-9]、土地利用类型[6]、坡地地形等方面，而气象因子对土壤水分的影响研究鲜见，而喀斯特地区土层薄、土壤侵蚀退化严重、地表漏水系数大，土层中的水分不受地下水分的影响[10]，降雨对土壤水分的作用更显重要，特别是雨强与土壤水分的入渗或产流有着直接的关系，降雨情况对土壤侵蚀的发生起着多方面的重要影响[11]。

雨水利用在解决全球部分地区水资源紧缺方面的可行性与有效性已经得到认可[12]，贵州喀斯特地区水热条件良好，降雨充沛，但是降雨时空分布极不均匀，季节性干旱问题突出，夏季降水强度大，持续性长，水仍然是喀斯特地区植物生长的限制因子[13]，研究降雨强度对土壤的作用，将该地区降雨进行类别划分，成为喀斯特地区在减少土壤侵蚀和降雨资源有效利用的关键点。

1 材料与方法

1.1 供試土壤

1.1.1 土壤取样及处理。土壤取样点位于贵州省贵阳市花溪区石板镇茨凹村，东经106°32′～106°34′，北纬26°25′～26°27′。地处贵州高原中部，苗岭山脉中段，属长江水系与珠江水系分水岭地带，地貌以中低丘陵为主，海拔999.0～1 655.9 m。属典型的亚热带季风湿润气候，具有明显的高原气候特点，冬春半干燥，夏季湿润，冬暖夏凉，气候宜人，年平均温度14.9 ℃，空气相对湿度平均85%，雨量充沛，水热同季。积温4 484.6 ℃，年平均降雨量1 187.1 mm，水资源丰富，土壤以山地黄棕壤、黄壤、石灰土、紫色土、潮土和水稻土为主。

在采样点挖土壤剖面，每10 cm为一层测定石灰土的物理性质。容重：环刀法。比重：比重计法。含水量：烘干重量法。毛管持水量：浸泡称重。土壤吸湿水含量：标准方法。

1.1.2 土壤装填。按实际测量的土壤各层紧实度分层装填土壤在铁箱中，模拟实际的土壤状态，铁箱尺寸1 m×1 m×1 m，其中一面开孔与装填土壤处于同一水平，用塑料瓶做成引水管，下部放置小水桶用于承接径流。铁箱底部打有若干直径1 cm小孔，用于渗透水分，底部用塑料膜接渗透水。

1.2 试验方法

人工模拟降雨器参数：采用西安清远测控技术有限公司生产的QYJY-501型便携式全自动下喷式不锈钢人工降雨设备，该设备由降雨器、雨量计、小泵及控制器四部分组成。降雨器高6.5 m，长6.5 m，降雨高度4 m，降雨面积20 m2，雨强变化范围15～200 mm/h。

人工降雨方法模拟降雨设计梯度如表1所示，梯度设计根据贵州省1960—2005年降雨资料，选择实际发生频率最大的5个降雨强度。

1.3 数据采集及计算

土壤水分测定：每次降雨前测定试验土壤的水分含量。降雨过程中观察记录产流时间、入渗时间。每次降雨后及时收集土槽所产径流，用1 000 mL量筒测。降雨停止后每小时测量入渗量，持续监测5 h。

2 结果与分析

2.1 雨强对石灰土水分配的影响

“降雨-土壤吸收渗透-渗漏”过程可看作是一个小型水分平衡系统，降雨落在土壤上，首先入渗进土壤，若降雨强度大于土壤入渗能力降雨产生地表径流；若降雨强度小于土壤入渗能力，入渗的水分在土壤非饱和带中运动，土壤含水量增加，当土壤水分达到饱和状态，水分穿过土体渗漏形成渗漏水，同时发生蓄满产流现象。

2.1.1 雨强对降雨量的分布影响。由图1可知，随着雨强增大，降雨从被土壤接纳1条路径增加至3条走向，降雨量分别形成径流量、累计渗漏量、土壤接纳量。

雨强为20 mm/h时，降雨100%被土壤吸收，没有水分渗漏也没有产流，说明在较小的雨强下降雨资源可以充分补充土壤，不会对土壤产生侵蚀作用，雨水资源高效利用；当雨强为40 mm/h时，91.42%降雨补充土壤水分，8.58%降雨通过土体成为渗漏水，无产流，说明在此雨强下，降雨20 min的降雨量已经可以使土壤达到饱和水分状态，并且水分通过土体补充土壤水分有多余的水分從土壤下界面渗漏；雨强为60 mm/h时，2.23%降雨量形成径流，14.24%渗漏，83.53%被土壤吸收接纳，说明此雨强是产生径流的转折雨强，60 mm/h雨强是喀斯特地区石灰土产流的最小雨强，大于此雨强的降雨都会产流对土壤产生一定的侵蚀作用，在实际生活中，当降雨达到60 mm/h时，应采取一定的措施尽可能避免降雨直接落于土壤表层，降低产流率，同时由图观之此时产生的径流量与渗漏量和接纳量相比较小，说明此雨强虽然是产生径流的开始，但径流量不是最主要的降雨量走向，此时的雨量还是能够满足土壤水分的补充，并使土壤水分饱和后产生渗漏，雨强60 mm/h的降雨对水土流失来说属于预防阶段；雨强为80 mm/h时，11.85%降雨量形成径流，28.59%渗透，59.56%被土壤吸收接纳，与前一个雨强梯度相比，产流量显著增大，渗漏量也有所增加，土壤吸收接纳量明显降低，说明此雨强下降雨对土壤水分补充作用大幅度降低，侵蚀性作用增强；雨强为120 mm/h时，18.05%降雨量形成径流，26.59%渗漏，55.35%被土壤吸收接纳，对比上一梯度雨强可以发现，尽管降雨量随着降雨强度的增大而增加，但径流量、渗漏量、土壤接纳量三者之间占降雨量的比例基本不变，说明80 mm/h的雨强是降雨落于土壤上水分走向的节点，当降雨使土壤水分饱和后，土壤水与土体成为一个均匀的介质，再多的降雨对土壤水分没有补充作用，反而随着降雨强度的增加径流量增大，对土壤表面的侵蚀力度也随之增大，由此可以推断此时的降雨属于侵蚀性降雨，是引发喀斯特地区灾害的源头之一。

2.1.2 雨强与土壤水分产流量关系。径流系数是指一次降雨过程中的总径流量与总降雨量的比值[14]。由图2可知，径流系数变化随降雨强度增加而增加。雨强为20、40 mm/h时，径流系数均为0，说明在较小雨强下，不会引发产流，此刻的降雨能对土壤水分起积极补充作用；在降雨强度为60 mm/h时，径流系数为0.02，说明60 mm/h雨强是喀斯特地区石灰土产流的重要分界点，小于该雨强不产流，大于则产流；降雨强度达到80 mm/h时，径流系数增大到0.12，相较于60 mm/h的梯度对应的径流系数扩大了5倍，径流系数变化幅度很大说明雨强对产生径流有重要直接的影响；雨强为120 mm/h时，对应的径流系数是80 mm/h的1.5倍，说明径流系数的变化在降雨强度60～80 mm/h的范围内变化较大，大于80 mm/h后的雨强对产生径流的影响程度有所降低。

由图3可知，在雨强为20、40 mm/h情况下，径流量为0，说明在小于40 mm/h雨强下，土壤水分对降雨有完全吸收的能力，降雨无产流对土壤无侵蚀作用，但随着雨强增大，特别是到达60 mm/h时，径流量显著升高，径流量是446 mL，雨强为80 mm/h时径流量是3 162 mL，径流量相比上一梯度增加了7倍，说明在此区间里，降雨强度对径流量的发生影响十分巨大；当雨强是120 mm/h时，径流量是7 220 mL，径流量增加说明雨强对径流量的影响呈正相关关系的。而从不同雨强间径流量的差异来看，雨强为120 mm/h造成的径流量是80 mm/h的2.3倍，与80 mm/h和60 mm/h的径流量相比，增长幅度变小，也可以说明径流量随降雨强度增加，但雨强对径流量的影响程度呈抛物线的趋势，先增加，在60～80 mm/h这个范围内达到最大值，然后降低，因此可以定性的认为60～80 mm/h这个雨强下的降雨资源是利用率最低的降雨，可能是由于雨强增大对土壤表土的机械作用增强，加快表土结皮以至于径流量迅速增加，但随雨强继续增大，表土结皮可能被破坏，使得径流量增幅降低。

2.1.3 雨强与渗漏量的关系。由图4可知，雨强对渗漏量有着显著的影响，总的规律是渗漏量随雨强增大而增大。雨强为20 mm/h时，渗漏量为0 mL，说明在较小的雨强下，土壤能够充分吸收降雨并保持水分在土壤中，没有水分渗漏；雨强为40 mm/h时，渗漏量为1 143.7 mL，说明该降雨强度下土壤水分入渗吸收过程较为完整，经历渗润、渗吸过程后土壤空隙水分从不饱和状态逐渐发展为饱和状态，进而发生渗漏，结合图3中40 mm/h降雨径流量为0 mL，说明在这个雨强下土壤水分渗透属于未达产流且雨水能稳定入渗至渗漏，降雨强度小于土壤入渗速率；雨强为60 mm/L时，渗漏量为2 848.7 mL，与40 mm/h的雨强相比，渗漏量增加了2.5倍；渗漏量在雨强从40 mm/h增强到60 mm/h的过程中渗漏量显著升高，雨强为80 mm/h时渗漏量为7 623.7 mL，渗漏量是60 mm/h雨强的2.7倍，渗漏量随雨强增大而增大，但在增加幅度上仅略有增加；雨强为120 mm/h时渗漏量为10 637.7 mL，是雨强为80 mm/h时的1.4倍，在80～120 mm/h降雨强度的变化过程中，渗漏量增加幅度呈降低趋势，雨强从40 mm/h增加至120 mm/h的过程中可以看到40～60 mm/h内渗漏量随雨强增大迅速增加，在80 mm/h雨强时基本达到最大值，在80～120 mm/h增加过程中增幅降低，这个过程说明雨强增大对渗漏量增加影响是有限的，这也反映了雨强对土壤不同作用力下水分入渗率是不同的，雨强在一定范围内对入渗率显著影响，小于或超过此范围，雨强不再是影响渗漏量的主要因素。

2.1.4 雨强与土壤接纳量的关系。降雨落在土壤表面，入渗补充土壤水分且没有渗漏出来的部分降雨量是土壤接纳量。由图5可知，土壤对降雨的接纳量随降雨强度的增加基本呈增加趋势。雨强为20 mm/h时，接纳量为6 300 mL，降雨完全被土壤吸收，补充土壤水分；雨强为40 mm/h时，接纳量为12 186.3 mL，较20 mm/h雨强土壤接纳量增加2.1倍；雨强为60 mm/h时，接纳量为16 705.7 mL，较40 mm/h雨强土壤接纳量增加1.3倍；雨强为80 mm/h时，接纳量为15 884.7 mL，较60 mm/h雨强土壤接纳量增加1.2倍；雨强为120 mm/h时，接纳量为22 141.6 mL，较80 mm/h雨強土壤接纳量增加1.6倍，可以看出在雨强小于40 mm/h的范围内，土壤对降雨接纳量的吸收是较为显著的，雨强小，全部降雨可以充分完成入渗过程达到补充土壤水分的作用；当降雨强度增加至60 mm/h，土壤对水分的接纳量也在增加，但增幅小于40 mm/h以内雨强变化；雨强增至80 mm/h时，土壤吸收量却有一定的下降，可能由于雨强过大，雨水下落在土壤表层迅速形成地表击实层[15]，在一定时间内减少了雨水向土壤内部入渗的量，导致产流量增加，土壤接纳量减少；雨强为120 mm/h时，接纳量增加，这说明在此雨强下，土壤表面易产生积水，具有一定的水势加速土壤入渗速率，从而使得土壤水分接纳量增加。

2.2 降雨对土壤水分变化的影响分析

在喀斯特地区有研究[16]发现土壤水分含量随时间变化明显，在夏季达峰值，然后呈下降趋势，至冬季达最低值，随后又逐渐增加，同时随石漠化程度的加深，其土壤含水量变化幅度呈减少趋势，这个变化与该地区降雨规律基本符合。

土壤水分垂直入渗的过程是一个时变过程[17]，并且通过降雨前期、中期、后期的不同层次的土壤水分动态变化的分析来实现。降雨对土壤水分入渗的过程影响可由土壤不同层次间的含水量变化表示。

2.2.1 土壤各层水分对降雨的响应变化。图6是60 mm/h雨强、20 min历时的降雨后，各层土壤水分含量在80 min内的变化规律，可知0～30 cm 3层土壤水分峰值出现在降雨20 min后，之后随时间推移而降低至稳定，30～50 cm 2层土壤水分变化较小，缓慢增加，在降雨40 min后达到峰值才逐渐降低。土壤水分层次变化表示60 mm/h雨强下，降雨对厚度在30 cm的土层影响较大，水分变化较快幅度较高，其中0～10 cm表层土壤水分变化幅度较大，说明降雨后表层的土壤水分变化较大，较为敏感，因此接下来的分析主要讨论表层土壤水分对降雨强度变化的响应规律。

2.2.2 不同降雨强度下表层土壤含水率的变化。雨强不仅（下转第202页）

对雨水落在裸土表面的走向具有巨大影响，对土壤水分入渗过程也有显著影响。试验[18]表明雨强变化对黄土坡面降雨入渗及土壤水分再分布的微观水分运动过程具有重要影响。

图7是20 mm/h和60 mm/h雨强下，初始含水率一致的表层土壤水分的变化趋势，土壤水分在一定时间内增加，但达到峰值后降低，成一个抛物线状。由图7可知，在初始含水率相同的状态下，土壤水分变化达到峰值都在降雨后20 min，60 mm/h雨强下的土壤水分的增幅是1.7，高于20 mm/h雨强下土壤水分增幅1.1，降雨强度越大，土壤含水率变化越大。但是图上显示在降雨停止80 min后，不同降雨强度下土壤含水率稳定值几乎一样，说明降雨强度显著影响土壤含水率变化，但不是土壤水分最终的稳定值的主要影响因素。60 mm/h雨强降雨后表土水分变化较大，先显著增加而后降低，土壤含水率的变化展示了降雨后水分先是被表层土壤吸收后然后发生入渗过程，从第1层入渗至下层的土壤，使得土壤整体含水量增加这样一个过程，说明雨强增大，对土壤含水量的补充有着正面的影响意义。

3 结论

贵州喀斯特地区降雨落于石灰土表面后主要发生过程是入渗和径流，径流产生对土壤有侵蚀作用，60 mm/h雨强是石灰土的产流临界雨强，降雨强度小于60 mm/h的降雨可归类于有效降雨，降雨能完成土壤水分入渗过程，对土壤水分有补充作用，≥60 mm/h的降雨归类为侵蚀性降雨。

20、40 mm/h雨强的降雨对石灰土水分补充较好，20 mm/h雨强的降雨量较小，40 mm/h雨强的降雨量充足并可以充分补充土壤水分，因此40 mm/h属于最佳降雨。

60～80 mm/h降雨强度对径流量的发生影响达到峰值，在此范围内降雨强度越大，产流量越高，对土壤的侵蚀力越强，土壤对降雨的吸收率越低，对雨水资源的利用率就越低，因此这个雨强范围内的降雨是利用率最低的降雨。

降雨强度对土壤水分入渗后的再分布有显著影响，雨强越大，土壤表层含水率变化越大，土壤水分的增加过程在降雨后20 min达到最大值再缓慢降低，在土壤土水分饱和之前土壤含水量最大影响因素是雨强小于60 mm/h的降雨。

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