不同人工降雨和坡度条件下区域产流产沙变化特征影响试验研究

苗雨池

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

土壤侵蚀已经影响区域社会和农业持续发展的的热点和焦点问题，不但会使得土地治理呈现明显退化，还成为区域面源污染负荷的主要来源之一[1]。国内许多学者对区域水土流失进行了大量研究[2- 8]，各研究均表明不同土壤类型下坡面产流产沙特征差异程度十分明显，与降雨强度、坡度以及土壤质地关系密切。近年来，降水条件和雨强对区域土壤侵蚀影响的研究均是相对于单一要素进行分析[9- 15]，而进行雨强和坡度系统分析的研究还较少。为此本文结合室外人工降雨试验，对坡度、雨强、土壤类型下的产流产沙差异特征进行试验分析，并结合试验数据拟合不同土壤类型下产流、产沙总量与雨强和坡度的相关方程。研究成果对于探讨不同土壤类型下的区域土壤侵蚀特征具有重要的意义，并且可为区域水土流失治理提供相应的科学支撑。

1 试验方案设计

1.1 试验设计

室外人工降雨试验场地位于辽宁西部某水土保持试验区，结合人工移动降雨设备进行不同雨强的控制，降雨有效滴落的高度控制在4m，有效降水面积为12m2，采用可以升降的试验钢槽进行雨强的调节，顶部坡度的调节范围在0°～15°之间，试验场景如图1所示。水土保持试验区坡度分别为4°、6°、8°、10°。通过数据分析区域雨强最大值75mm/h，因此选取20、40、60、80mm/h进行人工降水重复试验，共进行30组试验。

图1 人工降雨试验场景

1.2 试验流程

水土流失试验区内的土壤主要为潮土和壤土，两种试验土壤的主要质地见表1。为最大程度模拟天然状态下的土壤侵蚀，每次试验后进行土层回填，回填的深度低于25cm，为了保持土壤的渗透性能，在试验土壤的底部设置25cm的过滤筛土层。结合含沙量测定仪对土壤侵蚀量进行测定，每组试验数据为10个。在降水前期设置表层土壤含水量为15～20cm，采用翻斗式雨量计对其降雨量进行测定。结合三角堰的方式对试验区坡面产流量进行测定，结合试验时间推算其总的产流量。产沙量主要通过试验测定的产流量和含水量进行计算。

2 试验结果讨论

2.1 不同雨强条件下土壤产流时间特征

不同降水条件对各类型土壤下的初始产流影响不同，为此对各坡度下4种降雨条件下的初始产流时间进行试验分析，分析结果见表1。

表1 不同降水条件下的土壤初始产流时间对比结果 单位：s

从表1中可看出，同一坡度下随着降雨强度的增加，其初始产流时间逐步缩短，而同样在同一降雨强度下，随着坡度的增加不同土壤类型的初始产流时间也同样缩短。降雨强度和坡度均对各土壤类型的初始产流时间产生正向影响。在相同降雨和坡度条件下，壤土的总体初始产流时间均要高于潮土，这种由于潮土表面土层颗粒较为紧实，因此下渗率较小，影响降雨渗透。而壤土在降雨过程中，其表面较易形成干裂结皮，可有效增加降水下渗量，使得其初始产流时间要高于潮土。在同一坡度条件下，降雨强度越高，其区域能接收的降水量也相应较大，因此其初始产流时间受到降雨强度递增影响，其产流初始时间呈现递减变化。

2.2 不同雨强条件下土壤产流量特征

结合人工降雨试验，分析不同降雨强度和坡度条件下区域各类型土壤的产流量差异变化特征，试验分析结果见表2及图2。

从表2的试验结果可看出，在同一降雨强度和坡度条件下，壤土的产流量总体高于潮土，40mm/h降雨强度下壤土和潮土的产流变化最为明显，壤土的产流可达到潮土产流量的1.3～2.1倍，坡度最高时两种土壤类型的产流差异有所减小，当雨强达到最大时，两种土壤类型下的

表2 不同雨强和坡度下的土壤产流差异特征分析 单位：L

产流总量的差异特征达到最小值。这主要是因为壤土的颗粒含量较小，土壤含水结构层稳定性较弱，因此渗透量总体较低，其降水基本以坡面产流的方式快速排出。在降雨强度和坡度均较小时，壤土的渗透水量也高于潮土。总体上，随着降雨强度的递增，各土壤类型的渗透水量逐步趋于相同，在40mm/h降雨强度4°和6°下壤土的产流总量明显高于潮土。从图2的试验结果可看出，随着降雨强度的增加，各坡度下的两种土壤类型的产流差异性逐步加大。在产流初期两种土壤的产流关系较为复杂，随着产流时间的增加，两种土壤类型产流差异增幅加大，而当降雨强度增加到60、80mm/h时，两种土壤类型的差异特征有减小的变化趋势。当坡度较低时，潮土表层有结皮使得其下渗水量减少。当降雨强度增加到80mm/h后，坡度为6°下壤土随产流时间递增的差异性要高于潮土。随着坡度的递增，潮土和壤土产流差异变幅呈现先递增后减小的变化趋势，这主要是因为随着降雨强度和坡度的加大，土壤表层产流特征明显。

2.3 不同雨强条件下土壤产沙量特征

结合人工降雨试验，分析不同降雨强度和坡度条件下区域各类型土壤的产沙量差异变化特征，试验分析结果见表3及图3。

表3 不同雨强和坡度下的土壤产沙差异特征分析 单位：kg/m3

从表3的试验结果可看出，随着降雨强度和坡度的增加，试验区内两种土壤类型的产沙量呈现较为明显的递增变化，壤土的产沙总量总体高于潮土的产沙总量。在降雨强度和坡度较小时，潮土和壤土表面产流差异特征明显，潮土的水土流失主要以降雨溅蚀为主，而壤土主要受到降雨冲刷影响为主。当降雨强度达到80mm/h时，壤土的产沙量随着坡度的增加，呈现先递增后减小的变化，而后与潮土的产沙差异性加大。当坡度低于6°时两种土壤的产沙差异性较弱，这主要是因为降雨强度和坡度条件下对土壤侵蚀能力影响程度不同，降雨强度较大，潮土和壤土对土壤表层颗粒的冲刷作用较为明显，而土壤表层具有一定的抗冲刷能力，因此对表层土壤颗粒冲刷影响较弱。而随着坡度的递增，水流的动力作用加强，不同坡度条件下的土壤侵蚀能力增加，同时由于降雨强度的增加，由于作用叠加效应，土壤侵蚀逐步增加。从图3中可看出，在40mm/h降雨强度，坡度为6°的条件下，壤土的含沙量递增较为显著，坡面出现明显的细沟侵蚀特征的变化，降雨初期的含沙量较大，随着时间的变化，含沙量呈现明显的递减，在产流后期，含沙量逐步趋于稳定变化。降雨强度为40mm/h两种土壤类型差异较60mm/h雨强要大，这表明40mm/h降雨强度下壤土出现细沟侵蚀现象，土壤颗粒呈现团状，使得各土壤类型下土壤侵蚀量呈现急剧变化。当坡度增加到10°后，降雨对壤土的冲蚀作用要高于潮土，在土壤表层的较容易形成沟壑，使得壤土的含沙量高于潮土。当降雨强度增加到80mm/h后其雨强变化较为一致。

图2 不同降雨强度和坡度条件下各类型土壤产流特征分析

图3 不同降雨强度和坡度条件下各类型土壤产沙特征分析

2.4 降水条件和坡度对产流产沙综合影响

结合不同降雨强度和坡度下的产流产沙试验数据进行回归统计，建立各土壤类型产流产沙的相关回归方程，结果见表4。

表4 各土壤类型下产流产沙与坡度和雨强相关方程

注：θ表示为坡度(°)；I表示为降雨强度(mm/h)。

通过对建立的潮土和壤土回归方程进行分析，各回归方程的相关系数均在0.7以上，其中产流方程的相关系数总体高于产沙方程的相关系数。结合统计显著性对各回归方程进行分析，结果表明各方程在0.05水平下的显著性水平较高，结合相同坡度和降雨强度下的分析表明，降雨强度对产流和产沙的影响程度总体高于坡度，且对产流影响特征较为明显。这主要是因为各土壤类型下产流受到降雨强度和坡度影响外，受到土壤质地影响程度较弱，而对于产沙条件而言，其产沙量除受到降雨强度和坡度的影响外，还受到土壤质地影响，而土壤质地影响的关键在于土壤侵蚀因子，土壤侵蚀因子是区域产沙量影响的重要关键参数，因此相比于产流而言，各土壤类型下的产沙对于降雨强度和坡度影响的显著性要低于产流影响。结合建立的不同土壤类型下产流和产沙相关方程，可实现区域各土壤类型下的产流、产沙量的简单换算。

3 试验结论

(1)在同一降水强度下，随着坡度增加土壤类型对初始产流时间的影响逐步减弱，40mm/h10°坡、60mm/h8°坡各类型土壤坡产流量随着降水时间的变化差异度明显减弱。

(2)壤土在产流初始的10min内含沙量较大，随后逐步递减并趋于稳定，而潮土含沙量变化规律不明显，壤土表层细沟侵蚀较为严重，集中于坡面中下区域，潮土表面易形成沟壑，细沟侵蚀程度较小。

(3)建立的产流产沙回归方程可方便水土保持区域规划设计参数的计算，也可为其他类型土壤回归方程建立提高范例。

(4)本文在产沙影响中未能涉及土壤侵蚀因子的影响，以后还需结合土壤侵蚀因子的影响进行重点研究。