不同雨型下辽西丘陵区坡耕地侵蚀特征试验研究

2021-10-21谷强

水利科学与寒区工程 2021年5期

谷强

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000)

1 研究背景

土壤资源是农业生产最基本的物质条件，同时也是人类赖以生存和发展的重要物质基础[1]。长期以来，由于人类对土地资源的掠夺性开发，造成了十分严重的土壤退化。在当前引起土壤退化的诸因素中，土壤侵蚀是最普遍和最重要的因素之一，目前已经成为威胁人类生存发展的重要环境问题，对区域生态建设和经济发展产生了严重的制约[2]。造成土壤侵蚀的因素很多，除了土壤自身的理化性质和地貌形态等内在因素之外，气候环境和侵蚀动力等外部因素同样重要[3]。辽西地区属于典型的生态脆弱区，由于长期实行资源消耗为导向的粗放式经济发展模式，导致地表植被破坏、水土流失严重，已经成为制约当地经济可持续发展和社会主义新农村建设的重要瓶颈因素。受寒温带大陆性季风气候的影响，当地的土壤侵蚀以水蚀为主[4]。此外，该地区以低山丘陵为主，耕地多为坡耕地，土层薄且粗骨质的含量大，土壤下方为透水性差的岩石，加之夏季多短时强降雨，因此成为全国比较严重的土壤侵蚀区[5]。基于此，本次研究通过室内试验的方式，对不同雨型下的坡面侵蚀特征进行研究，力求为当地的土壤侵蚀防治和生态环境建设提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究材料

本次研究所使用的土样均采自辽西朝阳地区坡耕地的表层，属于典型的石灰性褐土和黄土性褐土，均为辽西丘陵坡耕地的典型粉砂质壤土。将采集的土壤样品在自然条件下风干，然后利用10 mm方孔筛进行筛分，除去土壤样品中的石块、草根等杂物[6]。取部分土壤样品进行物理性质测定，土壤样本的容重为1.25～1.28 g/cm3。

本次试验所使用的试验装置主要有10.0 m×3.0 m×0.6 m(长×宽×高)的铁质土槽；利用定水头针管式降雨器作为降雨侵蚀试验中的模拟降雨装置，其主要结构包括针管式降雨器、恒压给水装置、供水管路以及流量调节阀[7]。其中，给水装置与试验水槽的距离为12.0 m，通过可调式流量表和调节阀调节雨强和稳定水流。

2.2 试验方案

为了研究不同雨型下的土壤坡面侵蚀特征，结合当地的降雨特征研究中设计了三种不同的降雨雨型[8]，分别为增强型、减弱型和均衡型，每个雨型划分为起始、中间和结束三个阶段，总降雨强度为60 mm。其中，增强型雨型三个阶段的降雨强度分别为20 mm/h、40 mm/h和60 mm/h；减弱型雨型三个阶段的降雨强度分别为60 mm/h、40 mm/h和20 mm/h；均衡型雨型三个阶段的降雨强度均为40 mm/h；各阶段的持续时长均为30 min。结合研究区的实际情况，土壤类型设计了黄土性褐土和石灰性褐土两种土壤类型，设计5°和10°两种不同的坡度。

试验中为了保证土槽中土壤的透水性，预先在土槽的底部铺上厚度为10 cm的细砂，在砂层之上再装厚度为50 cm的试验土样。为了保证装土的均匀性，采用分层装土的方式。具体做法是将砂层上50 cm厚的土体按照10 cm一层，分5层装填。在填土过程中要边填充边压实，以减小土槽边壁对试验结果的影响。在每次正式降雨试验之前，先采用30 mm/h的雨强进程前期降雨，到坡面产流为止，以减少试验土槽的空间变异性。

降雨试验采用的是定水头针管式降雨器，在雨滴降落到地面之前均能够达到终点速度，雨滴的直径在0.36～3.11 mm之间，降雨的均匀度可以达到80%以上。在试验开始前进行雨强的滤定，在降雨开始后，每间隔3 min接样1次，在降雨结束后，利用烘干称重法测量径流和泥沙重量，然后计算产流和产沙率。在坡面出现细沟侵蚀之后，每间隔一定时间用直尺测量坡面细沟的长度、宽度和深度的变化，并计算出细沟的体积以及侵蚀量。由于本次研究设计了两种土壤类型、两种坡面坡度以及三种不同的雨型，因此需要进行12场不同的人工模拟降雨试验。

在试验过程中做好相关数据的记录工作，试验数据利用SPSS和Excel等软件进行分析处理，图表利用Excel中的制图软件制作。

3 试验结果与分析

3.1 总侵蚀量试验结果与分析

按照上述的试验设计进行试验，根据试验中获取的数据，获得如表1所示的不同雨型下的坡面总侵蚀量。由计算结果可知，石灰性褐土的侵蚀量小于黄土性褐土的侵蚀量，这说明不同土壤类型对总侵蚀量存在一定的影响。其次，在不同的降雨雨型下，坡面的总侵蚀量之间存在比较显著的差异，主要表现为较大降雨强度的增强型和减弱型降雨的总侵蚀量明显偏大。究其原因，可能是在较大的降雨强度下，降雨雨滴对坡面的打击破坏能力和径流搬运能力较强，因此造成总侵蚀量较大。增强型雨型和减弱型雨型相比，减弱型雨型的总侵蚀量较大。究其原因，可能是减弱型雨型的起始阶段降雨强度大，对坡面产生了更为明显的破坏作用，表层土壤在打击作用下分散出更多的细小颗粒。这些细小颗粒对土壤孔隙的堵塞，不仅减弱了坡面入渗，增强了坡面径流，同时也为坡面侵蚀提供了较多的物质来源，因此总侵蚀量更大。总之，不同降雨阶段的降雨强度不同，会对坡面造成不同的侵蚀效果，即使下一阶段的雨强相同，也会由于土壤类型和降雨过程中的变化产生不同的侵蚀效果。

表1 总侵蚀量试验结果 kg

3.2 细沟形态试验结果与分析

在试验过程中，对不同试验方案下的细沟侵蚀特征进行测量和统计计算，结果如表2所示。由表2的结果可知，不同的降雨雨型相比，细沟侵蚀的各个特征值均为减弱型最大，增强型次之，均衡型最小，这与总侵蚀量的试验结果较为一致。究其原因，减弱型降雨的起始阶段降雨强度较大，坡面会迅速形成较强的径流，冲刷能力也较强，因此会迅速形成侵蚀细沟，而细沟一旦形成，坡面的侵蚀作用就会明显加剧。增强型降雨的前期雨强相对较小，雨滴对坡面的打击和径流冲刷能力相对较弱，损失的泥沙量也相对较小，但随着雨强的逐渐增加，细沟迅速发育，产沙量也迅速增加。而均衡型降雨由于雨强始终不大，雨滴的打击和径流侵蚀作用最弱，因此细沟发育也最弱。从不同的土壤类型对比来看，其细沟发育的方式也存在一定的差异。一般来说，溯源侵蚀最终会增加细沟的长度和密度，而细沟沟壁的坍塌会进一步扩张细沟的宽度。与黄土性褐土坡面相比，石灰性褐土坡面细沟的长度、密度和宽度等特征值均明显偏小。黄土性褐土坡面细沟的宽深比在1.8～4.3之间，明显大于石灰性褐土坡面，说明沟壁坍塌的作用更为显著。对于石灰性褐土坡面而言，随着侵蚀量的增大和细沟逐渐发育，细沟的长度和密度显著增加，而细沟的宽度逐渐减小，说明溯源性侵蚀在石灰性褐土坡面细沟发育中占据主导地位，沟壁坍塌的影响较小。