人工降雨和放水冲刷试验下红壤坡面径流与泥沙特征分析

2019-03-18，

长江科学院院报 2019年2期

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(1.浙江省水资源管理中心(浙江省水土保持监测中心)，杭州 310012；2.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010)

表1 试验用土基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of test soil

1 研究背景

我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一，南方红壤丘陵区地处热带、亚热带，具有多样化的自然条件和丰富的水、热、土地和生物资源，在农业生产中占有极其重要的地位。但由于受到降雨、地形、人类活动等因素的影响，南方红壤区成为我国水土流失最严重的区域之一，严重的水土流失会导致土壤退化，也会影响农业生产的可持续发展。因此，研究红壤坡面的土壤侵蚀规律，对于南方红壤丘陵区水土流失的防治、农业的可持续发展均有重要意义。

应用人工降雨试验，模拟坡面径流与泥沙特征，是研究土壤侵蚀的一种非常重要的方法[1-5]，当不考虑雨滴对地表的打击作用时，也可采用放水冲刷试验研究坡面产流产沙特征。这2种试验方法相结合有助于我们了解土壤坡面在有无雨滴作用下的径流与泥沙特征。以往有诸多学者采用人工降雨试验或放水冲刷试验对土壤侵蚀进行了研究，如付兴涛等[6]采用人工降雨试验，研究了不同雨强下坡长对红壤侵蚀的影响，并初步探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长；洪斌等[7]采用室内人工降雨试验，研究了降雨强度、坡度和坡长与云南红土坡面土壤侵蚀之间的关系；马美景等[8]利用室内放水冲刷试验，分析了上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响；彭旭东等[9]采用野外放水冲刷试验研究了紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面产流产沙规律。也有的学者采用人工模拟降雨和放水冲刷试验相结合的方法来研究土壤侵蚀特征。王爱娟等[10]利用人工模拟降雨和放水冲刷试验相结合的方法分析紫色土坡面产流产沙特征；尹武君[11]利用可变坡度土槽模拟黄土坡面，采用人工放水和人工降雨的方法，研究了不同土壤特性对雨滴能量传递的影响和不同坡度及地表糙度条件下径流能传递规律等问题。

纵观上述研究，采用人工降雨或放水冲刷试验研究土壤侵蚀的较多，而将2种试验方法结合起来研究土壤侵蚀的则较少，尤其是将这2种试验方法相结合对红壤坡面侵蚀进行的研究还相当薄弱。因此，本文通过人工降雨和放水冲刷2种试验，研究红壤坡面径流与泥沙特征，以期为红壤侵蚀的防治提供科学依据。

2 试验材料与方法

试验用土取自中国主要水蚀区南方山地丘陵区——湖北武汉，土地利用类型为坡耕地，坡度约为10°，地貌类型为低山丘陵，海拔高度约为45 m，成土母质为泥质页岩，土壤类型为典型红壤，土壤理化性质见表1。当地多年平均气温15.8～17.5 ℃，多年平均降水量约为1 269 mm，主要集中分布在5—10月份，以暴雨径流侵蚀为主。

2.2 试验装置

试验在水土流失移动试验室内进行，试验室内安装有可调节坡度(0°～28°)的土壤侵蚀槽(长3 m、宽1 m、深50 cm)，槽底部留有直径5 mm的渗流孔，槽下部有壤中流和地表径流的接收装置。采用人工降雨法和放水冲刷法。人工降雨试验采用下喷式降雨器，降雨高度约为6 m，降雨喷头有大、中、小3套，由移动试验室上的多功能数据采集器和压力表来率定降雨强度，降雨强度变化范围为0.3～2.8 mm/min，每场降雨试验前先用9个集雨桶来率定降雨强度，试验过程中再用集雨桶来监测降雨均匀度，以保证降雨均匀度系数达到90%左右。放水冲刷试验采用马氏瓶原理控制恒定水头，水箱尺寸长1 m、宽1 m、高1 m，箱底距离地面约4 m。

表2 不同试验条件下红壤坡面初始产流时间对比Table 2 Comparison of the initial runoff yield duration on red soil slope in different tests

2.3 试验方法

根据湖北武汉气象站1971—2000年的次降雨资料，得到不同重现期下的次降雨强度，并结合已有研究，将本次人工降雨试验雨强拟定为0.8，1.2，2.1，2.6 mm/min，相应地，放水冲刷试验流量拟定为1.4，3.0，5.7，7.0 L/min。本次试验根据坡耕地坡度特征，结合试验条件将坡度拟定为5°，10°，15°，20°，试验共计32场，控制每场降雨试验总雨量50 mm不变。侵蚀槽装土厚度0.4 m，该土壤过1 cm的筛，采取分层装填、边填边压实的方法，土槽装填完成后，搁置一段时间，使槽内土壤沉实到接近自然状态，并用环刀法测定槽内土壤密度，达到1.38 g/cm3左右方可开始试验。

每场试验前测定土壤前期含水率，以保证所有试验前土壤前期含水率相对一致。同时，为保证每场试验的一致性，试验不换土，连续进行。在第1场试验结束后，土槽搁置，让水分充分下渗，在自然状态下风干，进行第2场试验前先测定土壤含水率，当所测含水率与第1场试验相对一致时再开始第2场试验。人工降雨试验从小雨强开始，经过5°，10°，15°，20°四个坡度后，再增大雨强，开始下一组试验；放水冲刷试验也从小流量开始，经过5°，10°，15°，20°四个坡度后，再增大流量，开始下一组试验。

每场试验中按照如下方法观测：试验开始0～3 min时间段内每分钟采样观测一次径流量、泥沙量，4～7 min时间段内每2 min采样观测一次，8～10 min时间段内每3 min采样观测一次，10 min之后每5 min采样观测一次直至试验结束。侵蚀槽出口的径流量用塑料桶全部收集测量，泥沙含量采用烘干法测量。

3 结果与分析

3.1 不同试验条件下红壤坡面径流研究

人工降雨试验和放水冲刷试验条件下红壤坡面初始产流时间见表2。

从表2中可以看出:人工降雨试验条件下，红壤坡面初始产流时间在0.12～6.25 min之间，随着坡度和雨强的增大而减小，且以5°坡和0.8 mm/min雨强下的变化幅度最为明显，至20°坡和2.6 mm/min雨强下逐渐趋于稳定；放水冲刷试验条件下，红壤坡面初始产流时间在0.28～7.35 min之间，随着坡度和流量的增大而减小，且以5°坡和1.4 L/min流量下的变化幅度最为明显，至20°坡和7.0 L/min流量下逐渐趋于稳定。对比红壤坡面在2种试验条件下的初始产流时间发现，坡度较小时(5°和10°)，人工降雨条件下的红壤坡面明显比放水冲刷试验条件下产流快，而当坡度增加到15°和20°时，这种规律就不明显了。分析其原因为坡度较小时(5°和10°)，人工降雨试验中雨滴均匀落到坡面的各个部位后，形成坡面薄层水流，经过汇流后，产生坡面径流；而放水冲刷试验中水流自水箱的水管流到坡顶后，逐渐形成坡面薄层水流，流经3 m长的土槽后，形成坡面径流。与人工降雨试验相比，放水冲刷试验中的坡面薄层水流流程长，因此，初始产流时间较慢。

通过观察人工降雨试验和放水冲刷试验下的红壤坡面地表径流过程(图1)可知，人工降雨试验下，径流量随坡度和雨强的增大而增大；放水冲刷试验下，径流量随坡度和流量的增大而增大；且在2种试验条件下，径流量均随着时间的推移先迅速增加，至15～20 min后逐渐趋于稳定，分析所有场次的试验现象发现，15～20 min是红壤坡面径流量稳定的临界时间。

图1 不同试验条件下红壤坡面地表径流过程Fig.1 Runoff processes on red soil slope in different tests

图2 不同试验条件下红壤坡面径流总量Fig.2 Total runoff volumes on red soil slope in different tests

图2为不同试验条件下红壤坡面径流总量。由图2(a)可知，人工降雨试验下，径流总量有随降雨强度和坡度增加而增大的趋势。当降雨强度为0.8 mm/min，坡度由5°增加至20°时，径流总量增长了22.51%，降雨强度为1.2，2.1，2.6 mm/min，坡度由5°增加至20°时，径流总量分别增长了21.53%，14.50%，17.63%，这表明降雨强度为0.8，1.2 mm/min时，径流总量随坡度的变化幅度较2.1，2.6 mm/min时大；坡度为5°时，降雨强度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min时，径流总量增长了47.83%，坡度为10°，15°，20°时，降雨强度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min时，径流总量分别增长了55.94%，42.13%，41.95%，这表明坡度为5°和10°时，径流总量随降雨强度的变化幅度较坡度为15°和20°时大。

由图2(b)可知，放水冲刷试验下，径流总量有随放水流量和坡度增加而增大的趋势。当放水流量为1.4 L/min时，坡度由5°增加至20°时，径流总量增长了3倍多，放水流量为3.0，5.7，7.0 L/min时，坡度由5°增加至20°时，径流总量分别增长了88.44%，38.74%，34.79%，这表明放水流量为1.4，3.0 L/min时，径流总量随坡度的变化幅度较放水流量5.7，7.0 L/min时大；坡度为5°时，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min时，径流总量增长了3.29倍，坡度为10°，15°，20°时，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min时，径流总量分别增长了1.30倍、1.03倍、43.37%，这表明坡度为5°和10°时，径流总量随放水流量的变化幅度较坡度为15°和20°时大。

对比红壤坡面在2种试验条件下的径流总量，发现人工降雨试验下的红壤坡面径流总量明显比放水冲刷试验下的要多，且在坡度较小时，2种试验条件下的径流总量差值更明显。

图3 不同试验条件下红壤坡面泥沙过程Fig.3 Sediment yield processes on red soil slope in different tests

3.2 不同试验条件下红壤坡面泥沙研究

通过观察人工降雨试验和放水冲刷试验下的红壤坡面泥沙过程(图3)发现，人工降雨试验下，含沙量在试验初期迅速达到峰值(峰值随雨强的增大而增大)，而后迅速回落，有一个突涨突落过程，这个过程大约持续10～15 min，之后含沙量逐渐趋于稳定，且趋于稳定的时间随雨强的增大不断增大；放水冲刷试验下，含沙量在试验初期迅速达到峰值(峰值随流量的增大而增大)，而后迅速回落，也有一个突涨突落的过程，这个过程大约持续15～20 min，之后含沙量逐渐趋于稳定，且趋于稳定时间随流量的增大而增大。

图4为不同试验条件下红壤坡面产沙总量。由图4(a)可以看出，人工降雨试验下，产沙总量有随降雨强度和坡度增加而增大的趋势。当降雨强度为0.8 mm/min时，坡度由5°增加至20°时，产沙总量增长了3.84倍，降雨强度为1.2，2.1，2.6 mm/min时，坡度由5°增加至20°时，产沙总量分别增长了3.31倍、2.74倍、2.33倍，这表明降雨强度为0.8，1.2 mm/min时，产沙总量随坡度的变化幅度较降雨强度2.1，2.6 mm/min时大；坡度为5°时，降雨强度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min时，产沙总量增长了7.72倍，坡度为10°，15°，20°时，降雨强度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min时，产沙总量分别增长了5.21倍、5.11倍、4.99倍，这表明坡度为5°和10°时，产沙总量随降雨强度的变化幅度较坡度为15°和20°时大。

图4 不同试验条件下红壤坡面产沙总量Fig.4 Total sediment yield on red soil slope in different tests

由图4(b)可看出，放水冲刷试验下，产沙总量有随放水流量和坡度增加而增大的趋势。当放水流量为1.4 L/min时，坡度由5°增加至20°时，产沙总量增长了7.47倍，放水流量为3.0，5.7，7.0 L/min时，坡度由5°增加至20°时，产沙总量分别增长了1.40倍、1.13倍、1.14倍，这表明放水流量为1.4，3.0 L/min时，产沙总量随坡度的变化幅度较放水流量5.7，7.0 L/min时大；坡度为5°时，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min时，产沙总量增长了7.14倍，坡度为10°，15°，20°时，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min时，径流总量分别增长了2.91倍、2.64倍、1.05倍，这表明坡度为5°和10°时，产沙总量随放水流量的变化幅度较坡度为15°和20°时大。

对比红壤坡面在2种试验条件下的径流总量，发现降雨强度为0.8 mm/min和放水流量为1.4 L/min条件下，放水试验的产沙总量比降雨试验多，且2种试验条件下的产沙总量差值随坡度的增加而增加；而随着降雨强度和放水流量的增加，降雨试验的产沙总量超过放水试验；在坡度为5°的条件下，放水试验的产沙总量比降雨试验多，而随着坡度的增加，降雨试验的产沙总量超过放水试验。