不同坡度和前期土壤含水率条件下裸地降雨产流试验研究

穆文彬李义豪李传哲刘佳程双虎赵娜娜

摘要：坡度和前期土壤含水率是降雨产流过程的重要影响因素。为研究华北半干旱地区的降雨产流机制，采用人工模拟降雨的方法，进行了不同坡度（5°、10°和15°）和前期土壤含水率（020、025和030）条件下的降雨产流试验。结果表明：在整个降雨产流过程中，地表径流量随坡度和前期土壤含水率的增加而增大，累积径流量与产流历时呈线性函数关系；土壤入渗率和产流滞时均随前期土壤含水率和坡度的增加而减小，且前期土壤含水率对土壤入渗率和产流滞时的影响较坡度更加明显；Horton模型对降雨入渗关系的拟合结果优于Kostiakov 和Philip 模型。

关键词：前期土壤含水率；坡度；降雨产流；土壤入渗率；裸地

中图分类号：P334.2文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06000606

Rainfall runoff test on bare soil with different slope gradient and soil moisture content

MU Wenbin1，2，LI Yihao1，3，LI Chuanzhe1，LIU Jia1，CHENG Shuanghu4，ZHAO Nana5

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources

and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Yellow River Institute of Science，North China University

of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；3.School of Environmental Science and Engineering

Donghua University，Shanghai 200051，China；4.Hebei Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，

Shijiazhuang 050031，China；5.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）

Abstract：Antecedent soil moisture content and slope gradient are significant influential factors for rainfallrunoff （RR） process.In order to study the RR mechanism of semiarid region in the North China，artificial RR simulation test was carried out in the condition of different slope gradient and antecedent soil moisture content.According to the results：（1） In the whole RR process，the overland flow increased with the increase of antecedent soil moisture and slope，and the relationship between cumulative runoff and rainfall duration complied with a linear function.（2） Soil infiltration rate and runoff lag time decreased with the increase of antecedent soil moisture content and slope，and the influence of antecedent soil moisture on soil infiltration rate and runoff lag time was more obvious than that of slope.（3）Horton model was better than Kostiakov and Philip model in fitting the relationship between rainfall and infiltration.

Key words：antecedent soil moisture content；slope gradient；rainfallrunoff；soil infiltration rate；bare soil

随着人类活动和气候变化影响的加剧，各种气象灾害频繁发生。作为我国粮食主产区的华北地区，面临着降水变率大、区域洪涝灾害频发等严重问题。因此，正确理解华北半干旱地区的降雨产流特性对准确选择或建立有效的水文模型至关重要 [12]。目前，国内相关学者对降雨产流机理的研究主要集中在黄土高原地区，如王占礼等[3]采用人工模拟降雨试验法对黄土裸坡降雨产流过程进行了研究；孔刚等[4]利用室内人工降雨试验，研究了黄土坡耕地土壤初始含水率对坡面降雨入渗、产流、溶质迁移规律的影响；陈洪松等[5]通过对黄土高原区坡面降雨入渗、产流的研究，表明产流时间主要取决于土壤初始含水量；王辉等[6]研究了黄土区前期土壤含水量对不同土壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响。然而针对华北半干旱区大田土壤的降水产流机理研究还相对较少，因此，本文基于华北半干旱区的土壤特性，以比重较大的砂壤土为研究对象，采用人工模拟降雨的方法，研究了降雨产流过程中坡度和前期土壤含水率对产流的响应机理，从而为华北半干旱区降雨产流过程研究提供数据支撑和理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验采用自行设计的土槽，长×宽×高=200 cm×50 cm×60 cm，土槽坡度可在0～25°之间自由调整。土槽上端以及底部均布设有导流装置，分别用以观测地表径流和壤中流。土槽顶端四周内侧安装10 cm高的铁片，防止雨滴溅蚀及表层水土的侧向冲刷流失。同时，土槽前端出口的纵剖面用铁质的百叶窗封装，并在百叶窗内侧铺设一层纱网，防止降雨过程中土壤侧漏（见图1）。

降雨产流试验所用的土壤取自北京市大兴区中国水利水电科学研究院试验基地，土壤质地为砂壤土，并于2012年3月对试验土槽进行填装。装土前筛去土壤中的杂物，经10 mm的滤网过滤后风干，每隔5 cm进行分层装土，土壤填充高度为50 cm，基本为同性、均质的土壤[7]。本试验于2015年8月进行，所用土槽中的土壤已经沉积3年多的时间，其性状与大田土壤特性相似，基本参数见表1。

试验中采用的美国Decagon公司生产的电容式土壤水分传感器EC5，通过测量土壤中的介电常数来计算土壤体积含水率，测量精度可达到±1%～2%[1，7]。土壤水分数据采用EM50数据采集器（采集时间间隔的可调整范围为1～1 440 min）进行采集。

1.2 试验方法

降雨产流试验于中国科学院水利部水土保持研究所的人工模拟降雨大厅进行。试验设定三种不同坡度（5°、10°和15°），每种坡度分别在前期土壤含水率为020、025和030时进行试验，且每组均进行一组重复试验，降雨历时均为120 min。相关研究指出[812]，雨强较大时，前期土壤含水率对产流的影响不明显，故本试验采用较小的雨强进行试验，标定雨强为25 mm/h。各场次降雨的具体雨强和前期土壤含水率见表2。

试验采用人工计量的方式对降雨过程中的地表径流进行观测，在产流过程中每隔3 min采集一次径流样，降雨停止后的退水过程每隔1 min采集一次。降雨过程中土壤含水率的变化使用EM50数据采集器实时采集，采集时间间隔为1 min。

2 结果分析

2.1 前期土壤含水率和坡度对产流量的影响

前期土壤含水率相同、不同坡度条件下的降雨产流过程见图2。由该图可知：当前期土壤含水率相同时，产流量随坡度的增加而增大，这与王占礼等[3]的研究结果相一致。当前期土壤含水率θ=020时，三种坡度的产流量均未达到稳定，且坡度从5°增加到15°时，产流量增加了144%；在θ=025和θ=030的条件下，则均在产流后30 min内达到稳定产流，且坡度每增加5°，稳定产流量约增加10%。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度为15°的产流量却小于坡度为10°和5°的产流量，原因是坡度为15°的土槽由于人为因素造成土壤表面出现裂缝，使得坡度为15°的土槽降雨产流过程受到了影响。

坡度相同、不同前期土壤含水率条件下的降雨产流过程见图3。由该图可知：坡度相同时，前期土壤含水率越高，产流量越大。这是由于随着土壤含水率的增高，土壤入渗能力不断降低，进而使产流量不断增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下产流量的增加速率差异较大，前期土壤含水率θ=020时，产流后径流量增加缓慢且降雨过程中未达到稳定产流。而θ=025和θ=030时，产流后径流量迅速增加至稳定状态；相同坡度下，前期土壤含水率从025增加至030，稳定产流量约增加10%。

不同坡度和前期土壤含水率的降雨产流试验，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，单位时间产流量与产流历时呈现对数函数y=aln（x）+b关系（见表3）。

2.2 不同坡度/前期土壤含水率对累积径流

量的影响分析 对不同坡度和前期土壤含水率的累积径流量进行回归分析发现：在产流过程中累积径流量几乎均呈线性变化趋势，其确定性系数均在09以上（见表4），且均通过显著水平α=001的方差分析和检验。表4中参数a和b分别表示拟合曲线的斜率和截距。通过对比不同条件下斜率a可发现：累积径流量的变化速率整体上随前期土壤含水率和坡度的增加而增大。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度为15°的斜率值明显小于5°和10°，其原因是由于土壤表面出现裂缝，使得在降雨过程中土壤入渗总量变大，导致累积径流量增加缓慢。

2.3 不同坡度/前期土壤含水率对产流滞时

的影响分析

坡度和前期土壤含水率是影响产流滞时的两个重要因素[1316]。不同坡度和前期土壤含水率对产流滞时的影响见图4。试验结果表明：相同坡度下，前期土壤含水率越高，产流滞时越短。在前期土壤含水率θ=020时，三种坡度的产流滞时均在70 min以上，而在θ=025和θ=030时，均在35 min以内产流。对比不同坡度与前期土壤含水率下的产流滞时可以发现：前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明显，这与陈洪松等[5]的研究结果相一致。

2.4 不同坡度和前期土壤含水率对土壤入

渗率的影响

土壤入渗率是描述降雨条件下坡地水文过程的一个重要指标，其变化可影响径流的形成过程[1721]。为研究降雨过程中土壤入渗率的变化特征，本文采用水量平衡的方法，对不同坡度和前期土壤含水率下的土壤入渗率进行计算。不同坡度和前期土壤含水率条件下土壤入渗率曲线见图5。从图5可以看出，降雨开始后，土壤含水率随着降雨历时的增加而增大，然而，由于降雨强度小于土壤入渗率，致使降雨全部入渗，无地表径流产生，因此入渗曲线在地表径流产生前是一条直线；当土壤入渗率小于降雨强度时，开始产生地表径流；当土壤含水率达到田间持水量时，此时土壤入渗率趋于稳定。同时，在相同坡度下，前期土壤含水率越大，土壤入渗率曲线越陡、下降速率越快。

采用传统的降雨入渗模型Kostiakov模型[22]、Horton 模型[23]以及Philip 模型[24]对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归分析（见表5）。结果发现，不同降雨条件下，Horton 入渗模型拟合结果较好，而Kostiakov 模型和Philip 模型的计算结果精度相对较低。从而说明，对于试验区域的砂壤土而言，Horton入渗模型用以估算土壤入渗率以及入渗量具有较好的适应性，该结论与相关学者[1，2，7]的研究结果一致。

3 结论

本文采用人工模拟降雨的方法对华北半干旱区裸地不同坡度和前期土壤含水率条件下的降雨产流过程进行了试验研究，结果如下。

（1）径流量随坡度/前期土壤含水率的增加而增大，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，产流量与产流历时呈现对数关系；产流过程中，累积径流量与降雨历时呈现线性关系。

（2）在降雨产流过程中，坡度和前期土壤含水率越大，产流滞时越短，且前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明显。

（3）土壤入渗率随产流历时的增加而不断减小。在相同坡度下，土壤入渗率的变化趋势受前期土壤含水率的影响较大，其变化速率随前期土壤含水率的增加而增大；同时，与前期土壤含水率相比，坡度对土壤入渗率的影响程度则相对较低。

（4）采用Kostiakov模型、Horton 模型以及Philip 模型对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归分析发现，Horton 模型的模拟结果优于其它两种模型。

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