基于人工模拟降雨的黄潮土坡面侵蚀规律研究

许 浒，王 健，索梅芹，王振龙，胡永胜，周 超

(1.安徽省(水利部淮委)水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233000；2.河北工程大学，河北 邯郸 056021)

0 引 言

淮北平原多坡地，平原坡地占比为68%，地势西北高而东南低。其中，黄潮土占淮北平原总面积的33%，主要分布在萧县、砀山、亳州等平原区和低山残丘坡地区，最大坡度在10°左右。该地区自然降水资源的70%以上集中在夏季，多以暴雨形式出现，地表径流量大，易造成土壤侵蚀。杜明成[1]等通过人工模拟降雨实验分析了黄潮土在多雨强变坡度产流产沙规律，认为雨强对产流产沙的影响略大于坡度。雨强作为与土壤侵蚀相关的重要的条件，已有许多研究成果，An[2]、Wu[3]等通过对不同雨强和不同性质土壤的降雨侵蚀实验认为雨强是与土壤侵蚀关系最密切的降雨因子。张梦[4]等通过人工降雨试验对黄土坡面进行侵蚀研究表明，在相同坡度下，坡面产流量和产沙量与降雨强度呈正相关，降雨过程中侵蚀强度上下波动，降雨强度越大，波动值越大。姜芃等利用稀土示踪法在人工降雨条件下在南方坡耕地水土流失研究中得出坡面侵蚀量随着降雨强度的增大而增加；不同坡段的侵蚀量有所不同，上坡段占总侵蚀量的10%左右，而中、下坡段占总侵蚀量的90%左右[5]。坡面土壤侵蚀地形条件包括坡度、坡长等，地形条件与侵蚀量关联性很大[6-10]。在不同坡度下紫色土土壤侵蚀的研究显示，产沙率随坡度的增大速率先上升而后趋于稳定，坡度对产沙量的影响最大[11]。张少博等基于前人对临界坡度的研究，分析了坡度对伊犁河流域土壤侵蚀的影响，发现该流域土壤侵蚀区域主要集中在10°～15°的雪线以下至洪积平原由陡变缓的区域，此区域土壤团粒结构易被破坏，进而形成土壤侵蚀[12]。陈思旭[13]等通过对南方丘陵区土壤进行降雨侵蚀研究得出海拔200～500 m坡度在15°～25°范围的地区的侵蚀最为严重。本文采用人工模拟降雨方法，通过对不同雨强和坡度下黄潮土产流产沙及入渗分析，得出降雨侵蚀规律，对淮北平原水土保持和环境保护具有参考意义。

1 材料与方法

1.1 实验设计

实验时间为2020年6月～7月，在五道沟水文实验站人工降雨实验场进行。人工模拟降雨装置为西安清远QYJY—503型移动式人工模拟降雨系统，径流小区为固定坡长可调坡度的变坡钢槽，尺寸为8 m×4 m×2 m，回填黄潮土取自萧县杨楼镇农田，取土后分层回填并自然密实，底部设置30 cm过滤层。实验区近30年实测最大雨强为78 mm/h，本次实验选定40、60、80 mm/h 3种雨强和3°、6°、9°、12°等4种坡度。每组实验重复2次，共进行了36组人工模拟降雨实验，每次降雨历时60 min。

1.2 实验过程

实验过程中产流量和泥沙浓度数据由位于钢槽底部传感器间隔1 min自动采集，侵蚀量由测量的泥沙浓度与产流量的乘积得出。不同埋深的土壤含水率由预先埋设的TDR315H土壤水分传感器测出。钢槽内沿坡面方向上、中、下3个位置，分别在垂向距地表0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1.5 m深处埋设了TDR315H土壤水分传感器共21个，采集频率为1次/10 min。实验在夜晚或凌晨无风的环境下进行，人工降雨装置实验前进行雨强率定和均匀度检验，实验前24 h预先采用25 mm/h雨强进行预降雨，坡面即将产流时停止降雨，使每次实验前表层土壤含水率相差不超过2%。

2 结果与分析

2.1 不同坡度、雨强对坡面产流过程的影响

不同雨强、坡度实测产流过程如图1所示。由图1可知，各雨强产流量随坡度的变化均有较好的规律性：在降雨初期，经过短暂的初损时间后坡面流会迅速增大直至稳定产流，这与杜明成[1]等实验结果相似，产生这一现象是因为随着土壤入渗使含水率增大，土壤入渗率迅速减小达到稳渗，而雨强保持不变，因此会形成稳定产流。3种雨强稳定产流时间会随着坡度的增大而减少，其中坡度为3°的稳定产流时间近20 min，而6°、9°和12°条件下的稳定产流时间则大幅缩短，尤其在大雨强下迅速达到稳定产流。3种雨强3°和6°的稳定径流量都十分接近，在实验过程中可以发现实验进行20 min以后3°坡面底部1 m长的坡段内会产生积水。这是由于在雨强相同情况下3°的坡度较小导致坡面流流速低，降雨产生的径流不能迅速从集水口排除。虽然6°时钢槽底部未产生积水，但流速和3°时相比几乎没有变化，导致3°和6°情况下坡面径流量出现接近的情况。而随着坡度的增加达到9°时坡面流流速迅速增加，径流流经坡面的时间缩短，也减少了入渗水量，这两方面原因使径流量在9°时出现了较大幅度的增长，3种雨强稳定坡面径流量分别达到了30.02、32.22 L/min和36.51 L/min，较9°时径流量增加了41.6%、41.3%和39.7%。而随着坡度继续增大至12°，3种雨强坡面径流量都出现了较9°时减小的情况，原因在于变坡钢槽在坡度增加的过程中有效承雨面积会相应减少。根据三角函数余弦公式可知，在角度较小时坡度的增大坡面的承雨面积变化量轻微，随着角度的逐渐增大，坡面承雨面积减小的幅度会迅速增加，坡度增大导致的承接雨量减少不能忽略。

图1 相同雨强不同坡度坡面径流过程

2.2 不同坡度、雨强对坡面侵蚀过程的影响

相同雨强不同坡度的坡面侵蚀过程规律较产流过程复杂，侵蚀量和径流量、泥沙浓度大小关系密切，坡面侵蚀过程如图2所示。在40 mm/h雨强下，坡面侵蚀率与坡度呈正相关，在3°坡和6°坡侵蚀产沙量由0增至稳定值需要20 min，上升过程较为平缓，而随着坡度继续增大至9°和12°，坡面出现径流并迅速加大，产沙量也随着迅速增大至稳定。这一过程的泥沙浓度见表1。在6°时由13.11 g/L增至16.37 g/L，增加了24.86%，在9°和12°时泥沙浓度有所下降。12°时前期产沙量有较大幅度的波动，这是因为随着坡度的增大，土壤颗粒受重力方向的分离也随之增大，降雨初期土坡面表层的土壤结构比较松散，抗冲能力差，更容易被运输至坡底，坡度的增大也会形成更快的流速，水流对泥沙的运输能力增强，从而导致了前期坡面侵蚀产沙量数值变化较大，经过20 min表面松散土壤颗粒被降雨径流冲刷殆尽后侵蚀量波动减小，逐渐趋于稳定。

图2 相同雨强不同坡度下坡面侵蚀过程

表1 不同坡度雨强下稳定产流泥沙浓度

在60 、80 mm/h两种雨强下坡度对坡面侵蚀的影响具有极高的相似性，坡度从3°增至6°后产沙量出现了大幅度增加，从表中可以看出6°时泥沙浓度达到最大值，分别较3°时增加了122.68%和205.76%，泥沙浓度的陡增使得侵蚀量也大幅增加，在3°～12°坡度间达到了最大值。随着坡度的继续增大到9°，虽然坡面径流量较6°时有所增加，但此时泥沙浓度与3°时相比较为接近；因此，坡面产沙量出现了大幅回落。当坡度达到12°时，侵蚀率增幅不明显，坡面产流使初期土壤表面的不稳定的颗粒被迅速冲刷至坡底，坡面侵蚀产沙量出现短时间大幅度变化。随着坡面径流量的减小，产流稳定后的侵蚀量进一步减小。60、80 mm/h两种雨强下6°坡度时降雨侵蚀量达到峰值，而40 mm/h雨强下虽然侵蚀量未达到最大值，但此时的泥沙浓度最大，说明6°为黄潮土的临界坡度。

2.3 不同坡度累计产流量与累计产沙量的关系

由降雨引起的坡面土壤侵蚀量与坡面径流量有着十分密切的关系，不同雨强和坡度实测1 h累计产流量和侵蚀量数据见表2。

表2 不同雨强和坡度累计产流量和产沙量

累计产流量与累计侵蚀量拟合曲线如图3所示，点子的分布可以按坡度分为两部分分别拟合线性曲线。其中，坡度6°的产流量与侵蚀量单独拟合，其余3种坡度的产流量与产沙量一起拟合效果较好，拟合精度分别达到了0.999 7和0.894 6，拟合公式分别为y=0.113x-111.9和y=0.019x-6.216。式中，x为总产流量，L；y为总侵蚀量，kg。

图3 累计产流量与累计侵蚀量拟合曲线

2.4 不同坡度、雨强坡面入渗特征分析

降雨经过植物截留、雨间蒸发、填洼及入渗后，剩余水量形成地表径流，在裸土的降雨径流过程中，入渗量为主要的径流损失。产流形式分为超渗产流和蓄满产流，不论哪种形式的产流，都要满足降雨量超过入渗量。在降雨初期，土壤较为干燥，降雨受分子力、毛管力和重力共同作迅速入渗，随着降雨的持续，毛管孔隙逐渐充满，土壤含水率增大，入渗速率逐渐降低，当土壤孔隙充水达到饱和时，入渗速率主要受重力影响。降雨强度对入渗的影响目前仍然没有统一的结论，一部分学者通过实验得出土壤入渗率和稳定入渗率会随着降雨强度的增大而增大，而另一部分学者认为降雨强度与降雨动能密切相关，而较大的降雨动能会加速土壤结皮，从而影响降雨入渗。实验选取60 mm/h雨强时3°、6°、9°、12° 4个坡度和40、60 mm/h和80 mm/h 3个雨强9°坡度时的降雨入渗过程进行分析(见图4)。

图4 不同坡度和雨强下降雨入渗过程

由图4可知，不同埋深的土层土壤含水率变化差异较大，埋深0.5m以内的土壤含水率对降雨的响应较为敏感，土壤含水率随着降雨过程的持续而逐渐增大，且表现为土壤埋深越大，变化程度越小，埋深大于0.5m的土壤含水率几乎不受降雨影响。土壤含水率按照埋深自上而下逐渐增大，降雨后短时间内便形成地表径流，此时上层土壤含水率虽有一定程度增加，仍小于土壤饱和含水率，表现出超渗产流特征。本文选取埋深0.1m处的土壤含水率数据，通过计算土壤含水率变化速率分析坡度和雨强对降雨入渗的影响。土壤含水率变化速率

Δωi=(ωi+1-ωi)/t

(1)

式中，Δωi为土壤含水率变化速率，%/min；ωi为测量时段开始时刻的土壤含水率，%；ωi+1为测量时段结束时刻的土壤含水率，%；t为测量时段的时间，min。

60 mm/h雨强不同坡度下浅层土壤含水率变化速率见表3。由表3可以看出，60 mm/h雨强不同坡度下浅层土壤含水率变化速率总体上随着降雨的持续而逐渐减小，符合入渗规律。观察降雨期间不同坡度的浅层土壤含水率平均变化速率可以发现在坡度为6°时入渗速率最大，当坡度继续加大，土壤含水率平均变化速率有逐渐减小的趋势，6°是降雨入渗的临界坡度，分析40 mm/h和80 mm/h雨强降雨入渗数据与60 mm/h雨强表现一致。

表3 雨强60 mm/h时不同坡度浅层土壤含水率变化速率 %

坡度9°时不同雨强下浅层土壤含水率变化速率见表4。由表4可以看出，坡度9°时浅层土壤含水率变化速率与雨强大小的关系不明显，坡度为3°和6°时也未发现显著的关联性，这说明黄潮土雨强对坡面入渗的影响较为复杂，没有明显的规律性。结合之前坡度对坡面产沙过程的影响分析中侵蚀量的临界坡度也为6°，临界坡度的出现可以认为坡度影响降雨入渗，当达到6°左右时入渗速率最大，而黄潮土黏粒含量偏低，降雨入渗后孔隙水压力增大，使其结构稳定性变差，土壤颗粒易分散，颗粒间有效应力降低，导致土体抗剪强度降低，因此入渗是影响黄潮土降雨侵蚀的重要因素[14]。

表4 坡度9°时不同雨强浅层土壤含水率变化速率 %

3 结 论

(1)相同雨强坡面产流量随着坡度的增加先增大后减小，坡度9°时产流量最大。40 mm/h雨强坡面侵蚀量随坡度的增加而逐渐增大，60、80 mm/h时侵蚀量随坡度增加表现为先增大而后逐渐减小，坡度6°时侵蚀量最大。泥沙浓度随着坡度的增加先增大而后降低，在6°时达到峰值，6°为黄潮土降雨侵蚀的临界坡度。累计产流量与累计侵蚀量在3°和其他坡度时均呈线性函数关系(R2分别为0.999 7和0.894 6)。

(2)黄潮土埋深0.5 m以内的土壤含水率受降雨响应较为敏感，坡度影响降雨入渗速率，浅层土壤含水率变化速率随着坡度的增加先增大后逐渐减小，在坡度6°时达到最大值，黄潮土黏粒含量偏低，降雨入渗后结构稳定性变差，入渗是影响黄潮土降雨侵蚀的重要因素。

(3)本次实验模拟降雨过程中保持雨强恒定，这与天然降雨存在差异，降雨过程中雨强的变化对坡面径流和土壤侵蚀具有一定影响，在以后的土壤侵蚀规律研究中还应考虑天然降雨条件的影响。

致谢：本文得到“河北省水资源高效利用工程技术研究中心”的大力帮助，在此深表感谢!