不同降雨模式对径流和土壤侵蚀的影响研究

2023-10-13陈菲菲

地下水 2023年5期

渠立,陈菲菲,方圆,祝旭

(江苏省水文水资源勘测局淮安分局,江苏淮安 223005)

0 引言

水对土壤的侵蚀常见降雨和径流原因引起的侵蚀力对土壤颗粒的分离、搬运和沉积过程。土壤的细沟沟间侵蚀是多因素共同作用的复杂过程,其中降雨原因引起的侵蚀在土壤水土流失和泥沙输送中占据着重要的部分[1]。降雨引起土壤侵蚀的主要过程是雨滴冲击导致的土壤颗粒分离以及浅地表径流和雨滴冲击的联合作用下的土壤颗粒搬运[2]。较多学者表明,土体的性质、渗透性和坡度等表面特征是影响土壤侵蚀过程的重要参数[3]。同时,降雨强度和动能等降雨特征也会对降雨侵蚀过程产生重要的影响。路培[4]认为在含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强,土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量,且强度越大,减蚀效应越强。在自然环境下的降雨强度随时间变化产生的差异很大,峰值降雨速率可能超过平均速率数倍。张兴义[5]研究了不同降雨强度和坡度对顺坡垄体溅蚀特征的影响,其中降雨强度对溅蚀量的影响显著大于坡度。

本文比较了恒定强度、递增强度、递减强度和先增后减强度四种不同降雨模式对径流和土壤流失的影响,通过室内降雨模拟试验量测不同降雨模式下的径流总量和土壤流失率、泥沙含量等数据,分析降雨模式对径流和降雨诱发侵蚀的影响,为降水土保持治理提供参考。

1 材料和方法

本文试验在室内降雨模拟试验室中进行,采用的降雨模拟器可形成落差为3 m的水滴,落到土壤表面的水滴速度约为其原始速度的85%,并可确保水滴不会反复落到土壤表面的同一点。降雨模拟器可以在1 m×1 m的面积上模拟30～120 mm/h的不同降雨强度,使用快速摄影法测量模拟雨滴的直径,测得模拟雨滴直径约为0.1～3 mm。本文试验中选择了四种简化的降雨模式:恒定强度、递增强度、递减强度和先增后减强度。图1(a)中设置的恒定降雨强度为75 mm/h,持续降雨30 min。图1(b)中设置的降雨强度从45 mm/h递增至112 mm/h。图1(c)中设置的降雨强度从112 mm/h递减至45 mm/h。图1(d)中设置的降雨强度从45 mm/h递增至112 mm/h后再递减至45 mm/h。递增强度、递减强度和先增后减强度的降雨模式与恒定强度的降雨模式具有相同的降雨动能。

图1 模拟降雨强度

试验中采用的土壤样本的有机碳含量小于0.5%,收集扰动土壤样本后经风干、粉碎过4.75 mm筛,充分混合,土壤下端放置可排水分离托盘。为了消除土壤湿度对试验结果的影响,在每次试验前24 h,将连接到蓄水池的排水出口管置于底部使土壤处于饱和状态,试验期间排水口保持打开状态,确保在试验过程中降雨是土壤主要的侵蚀原因。在不同强度的降雨模式下,各组试验过程中对径流量和泥沙含量进行量测,收集的样本放置24 h后,在105℃的烘箱中干燥直到达到恒定质量,并称重。泥沙含量根据干泥沙质量与采样径流体积的比值确定。

2 结果和讨论

2.1 径流

表1为不同降雨模式下的径流总量和土壤流失率量测数据,径流总量为1 026～1 148 ml,整体来看,不同的降雨模式对于土壤的径流量数据并没有非常明显的差异,恒定降雨强度模式下的径流总量最小,先增后减降雨强度模式下的径流总量最大。恒定降雨强度模式下的径流总量约占递增降雨强度、递减降雨强度和先增后减降雨强度模式下径流总量的96.9%、91.5%和89.4%。峰值径流速率受到不同强度降雨模式的影响,降雨强度持续增加、降雨强度持续降低的降雨模式的峰值径流速率是恒定降雨强度的降雨模式下峰值径流速率的1.32倍和1.37倍,恒定降雨强度的降雨模式下峰值径流速率最低,为56.2 mm/h。这一结果表明,降雨原因产生的径流的峰值径流速率因降雨模式的不同而变化,与早期降雨强度就达到峰值的降雨模式相比,降雨结束时强度才达到峰值时的降雨模式的峰值径流率要高出数倍,在恒定强度降雨模式期间,径流速率在降雨初期急剧增加,然后保持稳定,对于其他降雨模式,不同降雨阶段的径流速率均有显著变化。先增后减降雨强度模式下的峰值径流速率为65.4 mm/h,是恒定降雨强度的降雨模式下峰值径流速率的1.16倍,是降雨强度持续增加、降雨强度持续降低的降雨模式的峰值径流速率的0.88倍和0.85倍。

表1 径流总量和土壤流失率

2.2 土壤流失

在降雨引起的侵蚀过程中,水土流失情况会发生动态变化。因此,试验量测了降雨引起的土壤侵蚀引起的土壤流失率和泥沙含量随时间的变化,以了解降雨引起的水土流失过程中的泥沙输送及其相互作用。

如表1所示,先增后减的降雨模式产生了更高的土壤流失率为80.6 g/cm2,恒定强度、递增强度和递减强度降雨模式的土壤流失率分别为先增后减的降雨模式的土壤流失率的95.3%、97.9%和76.6%,递减强度的降雨模式的土壤流失率最少,为61.7 g/cm2。

为了进一步研究降雨强度与土壤流失之间的关系,图2和图3中比较了不同降雨模式中相同降雨强度产生的土壤损失量和随时间变化的土壤损失累积量。在恒定降雨强度模式下,5 min内的径流量为35.4 ml,土壤流失累积量为0.24 g,随时间的增加,每5 min内的土壤流失量稳定为0.55～0.75 g之间,产生的径流量也相对稳定在200 ml左右,在恒定降雨强度模式下,在10 min以后,土壤流失累积量随时间的变化基本呈线性上升。随着降雨强度从45 mm/h增加至112 mm/h,不同降雨模式下土壤损失量整体呈现逐渐增加的趋势。相同降雨强度下的土壤流失量受降雨模式和降雨阶段的影响,在递增降雨模式和递减降雨模式下最高土壤流失量分别为1.78 g和1.35 g,均为降雨强度为112 mm/h的阶段。在先增后减降雨模式下最高土壤流失量为2.23 g,为降雨强度88 mm/h的阶段。

图2 不同降雨模式下相同降雨强度的土壤损失量

图3 不同降雨模式下的土壤损失累积量

在递增强度降雨模式下,随着降雨强度的增加土壤流失量逐渐增大。在递减强度降雨模式下,随着降雨强度的降低土壤流失量逐渐减少,在88 mm/h的降雨强度下的土壤流失量显著高于递增强度降雨模式下同等降雨强度的土壤流失量,在后期降雨强度较小的情况下的土壤流失量反而显著低于递增强度降雨模式下同等降雨强度的土壤流失量,在降雨强度为46 mm/h时仅为0.19 g。在递减降雨强度模式下,20 min内土壤流失累积量增加较快,20 min后土壤流失累积量随时间的变化明显变缓。分析其原因,在递增强度降雨模式下,早期较小的降雨强度产生径流的水流动力不足以分离所有的土壤颗粒,而在后期随着降雨强度的增加分离的土壤颗粒越多,在后期产生大量集中的水流而引起更大的土壤损失量。在先增后减的降雨强度模式下,同等降雨强度的土壤流失量显著大于其他降雨模式下的土壤损失量,这与径流总量的数据结果一致,先增后减的降雨强度模式产生的径流总量最大,对应的土壤流失率最高,在各降雨阶段的土壤损失量也最高。结果表明,在小规模降雨引起的侵蚀中,降雨引起的土壤侵蚀取决于降雨强度和降雨模式两者的综合影响。

2.3 泥沙含量

图4显示了不同降雨模式下泥沙含量随时间的变化。在不同降雨模式情况下泥沙含量随时间的变化趋势存在一定的差异,在恒定降雨强度的降雨模式试验中,短时间内泥沙含量达到峰值并经历了快速下降,在五分钟内泥沙含量下降了44.7%。降雨初期泥沙含量从峰值快速下降的原因是因为土壤颗粒受到降雨雨滴的作用开始分散、分离,出现径流后分散的土壤颗粒随着径流进行搬运和输送。降雨期间泥沙含量随时间产生波动,这表明在降雨期间降雨强度的变化会对泥沙搬运机制产生一定的影响。

图4 不同降雨模式下的泥沙含量

在递增降雨强度和递减降雨强度模式中量测到土壤的最大泥沙含量分别为8.23 g/L和11.2 g/L,表明最初降雨强度较高的模式能够产生更大的泥沙含量。在递增降雨强度的模式下开始时泥沙含量达到峰值,然后逐渐降低,随着降雨的进行,直到降雨开始后约20分钟泥沙含量反而呈现小幅度的增加趋势。在不同强度降雨模式情况下,泥沙含量随时间的变化存在明显差异,这归因于不同降雨模式对泥沙搬运机制的影响。降雨雨滴对土壤颗粒的分离和输送受到壤中流的影响,随降雨强度的变化,径流与降雨强度之间存在一定的阈值。对于递减强度降雨模式,最大降雨强度和最大泥沙含量几乎同时出现,在5 min内出现最大泥沙含量后急剧下降,随着降雨强度的持续减小,在15 min以后泥沙含量随时间的变化经历了一个相对较低且稳定的阶段,泥沙含量均在2 g/L以下。在先增后减强度降雨模式,在降雨强度增加和降雨强度下降的阶段泥沙含量随时间的变化与上述结果一致,在25 min时泥沙含量有较明显的增加,此时降雨强度达到最大,随后泥沙含量逐渐减小并稳定在2 g/L左右。