模拟降雨条件下林地的地表径流特征分析

王庆红,宋宜彤

(临沂市水文中心,山东 临沂 276000)

1 概 述

水土流失是一种危害严重的地质灾害,如何防止水土流失,许多学者对此进行了相关研究,孙若修等［1］研究了模拟降雨下坡面草带分布对产流产沙过程的影响,结果表明相同植被覆盖度条件下,草带的相对距离较小,有较好地减少径流和泥沙的作用。孙旭等［2］对模拟降雨条件下枯落物覆盖对坡面地表和壤中流产流过程的影响进行了研究,结果表明枯落物覆盖密度越大,地表产流时间越长,产流量越小。沈子雅等［3］对模拟降雨条件下灌草配置对坡面侵蚀泥沙颗粒分布的影响进行了研究,结果表明灌木覆盖度50%、草本覆盖度25%时,能有效防止坡面径流泥沙流失,起到较好的水土保持效果。周秋文等［4］对模拟降雨条件下岩溶地区马尾松林下地表径流特征进行了研究,结果表明岩溶地区马尾松林下,雨强对地表径流有明显影响,随着时间增加,较大的坡度径流量大。郑腾辉等［5］对连续模拟降雨下岩溶区含砾石堆积体坡面径流产沙特征进行了研究,结果表明随雨强增大,偏土质、偏石质坡面径流率增加较快,土质坡面侵蚀速率较偏石质坡面明显增大。

结合上述研究成果,本文通过对林地小区进行模拟降雨试验,分析在不同雨强条件下林地的地表径流特征以及不同坡度条件下林地的地表径流特征,研究成果可为水土保持治理提供参考与借鉴。

2 试验材料和方法

2.1 研究区概况

临沂位于山东省东南部,山地集中分布在沂水、沂南、蒙阴、平邑、费县、莒南等县。地势较高,一般海拔400m以上。山地植被比较茂密,是发展林果业、畜牧业的主要基地。临沂气候属温带季风区大陆性气候,夏季温高湿重,雨量充沛,盛东南风,洪涝、大风、冰雹灾害性天气较为频繁;秋季气温急降,亦有秋旱或连阴雨灾害性天气出现。选定的研究区原生植被以阔叶林为主,其中杨树是该地区的主要乔木之一,分布面积极广。为研究该地区水土流失的原因,本文通过模拟降雨,对林地的地表径流特征进行分析。

2.2 试验方法

本次模拟降雨试验在野外进行。首先选取一块区域作为样地,面积长×宽分别为12m×12m。该区域乔木层全部为杨木,其中最大树龄为30年,最小树龄为4年,平均树龄为17年。在试验区上设置3个相同面积的径流小区,小区长×宽分别为0.6m×1.2m,为减少误差的产生,径流小区相隔距离尽量靠近。3个小区的坡度为别设置为12°、18°、24°,在小区坡下边缘设置V形不锈钢集流槽,在集流槽出水口后设置集流桶,用于收集导流槽输导下来的径流。

模拟降雨设备采用全自动便携式野外人工模拟降雨器。该设备雨强连续变化范围0～150mm,降雨均匀度系数大于0.86,雨滴大小调控范围0.5～5.0mm,降雨调节精度3mm/h。将降雨设备安装在径流小区上,喷头高度3.5m,试验设置3种降雨强度,分别为45、90、135mm/h。降雨开始后,在降雨到达地面时开始计时,当地表开始产生径流时,记录径流产生的时间。开始产流后,每隔2min收集地表产生的径流,产流后45min降雨结束,将收集的径流搅拌均匀,测量其体积,然后静置12h后进行过滤,并将过滤出的沉积物烘干称重。为保证数据可靠,模拟降雨试验选择无风的晴朗天气进行,并在进行模拟降雨后72h重复上一次试验。

3 结果与分析

3.1 不同雨强下的径流特征

模拟降雨结束后,根据所得数据,分析不同雨强下地表的径流特征,见图1。

图1 不同雨强下径流特征

由图1(a)可知,在降雨强度为45mm/h条件下,随着时间的增加,3个小区径流量均逐渐增大。当小区坡度分别为坡度12°、坡度18°、坡度24°时,开始产流后,产生的径流量分别为10.5、12、21ml;当时间为6min时,径流量分别为15、17、19ml;当时间为10min时,径流量分别为22、13、18ml;当时间为20min时,径流量分别为22、22、21ml;当时间为30min时,径流量分别为23、32、41ml;当时间为40min时,径流量分别为28、27、49ml;当时间为45min时,径流量分别为25、33、41ml。由此可知,开始产流后,3个小区产生的径流量相差不大,径流量变化较小;当时间增加到30min后,相较于其它两个小区,坡度24°的小区产流量快速增加;在40min时,达到峰值49ml,然后再逐渐减小。

由图1(b)可知,在降雨强度为90mm/h条件下,随着时间的增加,3个小区径流量均逐渐增大。当小区坡度分别为坡度12°、坡度18°、坡度24°时,开始产流后,产生的径流量分别为18、19、38ml;当时间为6min时,径流量分别为21、22、60ml;当时间为10min时,径流量分别为24、25.5、68ml;当时间为20min时,径流量分别为35、36、140ml;当时间为30min时,径流量分别为27、41、101ml;当时间为40min时,径流量分别为38、43、78ml;当时间为45min时,径流量分别为37、38、62ml。由此可知,随着时间的增加,坡度12°和坡度18°的小区径流量变化较小,曲线较为平缓;相较于其它两种小区,坡度24°的小区径流量变化较大,径流增加迅速,在20min时,径流量达到峰值140ml。

由图1(c)可知,在降雨强度为135mm/h条件下,随着时间的增加,3个小区径流量均逐渐增大。当小区坡度分别为坡度12°、坡度18°、坡度24°时,开始产流后,产生的径流量分别为20、20.5、25ml;当时间为6min时,径流量分别为13、28、36ml;当时间为10min时,径流量分别为27、29.5、40ml;当时间为20min时,径流量分别为26、29.5、52ml;当时间为30min时,径流量分别为30、40、73ml;当时间为40min时,径流量分别为24、32、70ml;当时间为45min时,径流量分别为23、31、68ml。由此可知,随着时间的增加,坡度12°的小区在开始产流后,径流量逐渐下降,经过短时的下降后,再快速上升,在12min时,径流量变化趋于平稳;相较于其它两种小区,坡度24°的小区径流量增加迅速,曲线变化明显,在36min时,径流量达到峰值77ml。

综上可知,随着时间的增加,在雨强为45mm/h时,坡度24°的小区产流量快速增加,在40min时达到峰值49ml。在雨强为90mm/h时,坡度12°和坡度18°的小区径流量变化较小;坡度24°的小区径流量变化较大,径流增加迅速,在20min时,径流量达到峰值140ml。在雨强为135mm/h时,坡度24°的小区径流量增加迅速,在36min时,径流量达到峰值77ml。由此可知,中等雨强时地表径流大,大雨强时地表径流反而小。因为雨强过大时,掉落的树叶在地表形成的坡面水流通道被切断,水流受阻,径流变小。

3.2 不同坡度下的径流特征

根据模拟降雨所得数据,分析不同坡度下地表的径流特征,见图2。

由图2(a)可知,在小区坡度为12°条件下,随着时间的增加,3个小区径流量均逐渐增大。当降雨强度分别为45、90、135mm/h时,开始产流后,产生的径流量分别为10.5、12.5、20ml;当时间为6min时,径流量分别为12、22、12ml;当时间为10min时,径流量分别为24、18、35ml;当时间为20min时,径流量分别为26、30、22ml;当时间为30min时,径流量分别为22、33、31ml;当时间为40min时,径流量分别为31、40、23ml;当时间为45min时,径流量分别为27、36、21ml。由此可知,随着时间的增加,3个小区径流变化较明显,其曲线起伏较大,没有明显规律。当雨强为135mm/h时,在8～14min时间段内,径流量在整个试验阶段变化最大。

图2 不同坡度下径流特征

由图2(b)可知,在小区坡度为18°条件下,随着时间的增加,3个小区径流量均快速增大。当降雨强度分别为45、90、135mm/h时,开始产流后,产生的径流量分别为14、16、19ml;当时间为6min时,径流量分别为16、24、27ml;当时间为10min时,径流量分别为14.5、22、26ml;当时间为20min时,径流量分别为26、29、30ml;当时间为30min时,径流量分别为34、41、41ml;当时间为40min时,径流量分别为32、44、44ml;当时间为45min时,径流量分别为35、39、38ml。由此可知,随着时间的增加,3个小区径流量的变化趋势较明显,当雨强分别为90、135mm/h时,在产流后12～45min时间段,两种雨强产生的径流量基本保持一致;相较于这两种雨强产生的径流量,雨强45mm/h产生的径流量变化起伏较大,径流量最小。

由图2(c)可知,在小区坡度为24°条件下,随着时间的增加,3个小区径流量均快速增大。当降雨强度分别为45、90、135mm/h时,开始产流后,产生的径流量分别为20、38、21ml;当时间为6min时,径流量分别为18、58、36ml;当时间为10min时,径流量分别为16、66、41ml;当时间为20min时,径流量分别为19、140、39ml;当时间为30min时,径流量分别为39、103、72ml;当时间为40min时,径流量分别为43、86、76ml;当时间为45min时,径流量分别为38、58、57ml。由此可知,随着时间的增加,3个小区径流量的变化趋势较明显,在相同时间条件下,雨强90mm/h产生的径流量,相较于其它两种雨强的径流量,其变化最大,在20min时,径流量达到峰值140ml;当雨强为135mm/h时,产生的径流量变化次之;雨强为45mm/h时,产生的径流量变化最小。

综上可知,在不同坡度条件下,坡度越大,径流量变化越大。当小区坡度为24°时,在相同时间条件下,雨强90mm/h产生的径流量变化最大,雨强45mm/h产生的径流量变化最小。当小区坡度为18°时,在产流后12～45min时间段,雨强90和135mm/h产生的径流量基本保持一致。

4 结 论

本文通过对林地小区进行模拟降雨试验,分析了在不同雨强条件下林地的地表径流特征以及不同坡度条件下林地的地表径流特征,结论如下:

1)在雨强为45mm/h时,坡度24°的小区产流量在40min时达到峰值49ml。在雨强为90mm/h时,坡度24°的小区径流量变化较大,在20min时达到峰值140ml。在雨强为135mm/h时,坡度24°的小区在36min时,径流量达到峰值77ml。

2)在不同坡度条件下,坡度越大,径流量变化越大。小区坡度为24°时,在相同时间条件下,雨强90mm/h产生的径流量变化最大,雨强45mm/h产生的径流量变化最小。当小区坡度为18°时,在产流后12～45min时间段,雨强90和135mm/h产生的径流量基本保持一致。