模拟降雨条件下坡面产流产沙过程及特征研究

王成江

（黔西南州兴源水利电力勘察设计有限公司,贵州 兴义 562400）

1 引言

在我国黄土高原,降雨引起的土壤侵蚀严重破坏了当地的生态环境,如何提高土壤的抗蚀能力,防止水土流失。针对此问题,学者们在多方面进行了研究,何伟鹏等[1]研究了不同植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度的影响,研究结果表明：边坡草本植物的种植,能显著抑制坡面产流产沙；淡彩虹等[2]研究了模拟降雨下前期含水量对黄绵土坡面产流产沙过程的影响,研究结果表明：采取耕作、植被覆盖等措施维持适当土壤含水量可使土层减少侵蚀；温永福等[3]对野外模拟降雨条件下径流小区产流产沙试验进行了研究,研究结果表明：相较于裸耕地,自然草地起着减流固沙的重要作用；权鑫等[4]对室内模拟降雨情形下黄土坡面沉降程度的试验进行了研究,研究结明表明：土壤侵蚀能引起黄土坡面沉降；陈泽勋等[5]对模拟降雨条件下典型草原坡面初始产流时间及产流产沙量进行了研究,研究结明表明：草地坡面植被覆盖度越大,减沙减流效果越明显。

本文总结以上研究的减流减沙措施,并深入研究自然草地和裸耕地的产流产沙过程,通过人工模拟降雨试验,对不同降雨强度条件下,自然草地和裸耕地的径流特征和不同坡度条件下,裸耕地的产沙特征进行分析。

2 试验材料及方法

2.1 研究区概况

研究区属西北黄土高原的丘陵沟壑区,地势东高西低,区内黄土层结构松散,抗侵蚀能力较差,在长期风化剥蚀和流水侵蚀作用下,被逐渐切割成沟壑纵横、山丘交错的复杂地貌。该地区平均降水量为485.6 mm。为提高该地区土壤抗侵蚀能力,防止水土流失,本文进行了人工模拟降雨试验,对黄土坡面产流和产沙过程及特征进行了研究。

2.2 试验设备及试验方法

人工模拟降雨试验在野外进行,径流小区的坡度分别选择15°和25°两种坡度,小区的土地类型选择自然草地和裸耕地两种类型,共4 个小区进行降雨试验,每个小区设置长×宽分别为3 m×4 m,面积为12 m2。每个小区四周都设置不锈钢围板,围板高50 cm,其中30 cm 插入小区周围土层下,20 cm 在地表上,防止径流外渗流出,影响试验精度。小区坡下设有V 型集流槽,集流槽出水口设有集流桶,降雨在地表上形成的径流汇入集流桶。将收集的径流过滤,除去里面的沉积物,即为小区降雨产生的径流量。

模拟降雨设备采用井架式人工模拟降雨,有效降雨面积为0～400 m2,降雨高度为3 m～6 m,雨强连续变化范围为15 mm/h～150 mm/h,降雨均匀系数≥0.9,雨滴大小调控范围为1.0 mm～5.0 mm。本次降雨试验设置两种雨强,分别为1.2 mm/min、1.8 mm/min,降雨时长为30 min。降雨前测试四个小区的土壤含水率,保证小区土壤含水率基本一致。降雨开始后,当雨水降落到地表时开始记录降雨时间,当雨水在小区坡面形成层流状态,由地表至上而下流入集流桶时,开始记录产流时间,并每隔2 min 测量一次小区径流,试验时长为30 min。试验结束后,将收集的径流静置24 h 后进行过滤,将过滤所得沉积物干燥处理,并将其称重,记录所得数据。为保证试验的准确,间隔72 小时后,重复进行一次降雨试验。

3 试验结果与分析

3.1 不同雨强下的径流特征

通过模拟人工降雨试验,根据测量所得数据,得出不同雨强条件下,草地和裸地的径流特征曲线,见图1。

图1 不同雨强下小区径流量

如图1（a）所示,在草地坡度为15°,降雨强度分别为1.2 mm/min、1.8 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,草地径流量分别为0.1 L、1 L；当时间为30 min时,径流量分别为3.2 L、5.6 L。由此可知,雨强为1.2 mm/min 草地径流量先缓慢增大,在18min 后,径流量增大趋势逐渐平稳。在相同时间条件下,雨强大的径流量较雨强小的径流量增大明显。

如图1（b）所示,在草地坡度为25°,降雨强度分别为1.2 mm/min、1.8 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,草地径流量分别为0.8 L、1.2 L；当时间为30 min时,径流量分别为4.2 L、9.6 L。由此可知,相同坡度条件下,雨强为1.8 mm/min 草地径流量快速增加,在24 min 时,径流量增大趋势逐渐平稳。雨强为1.2 mm/min 草地径流量增加缓慢,曲线较为平缓。

如图1（c）所示,在裸地坡度为15°,降雨强度分别为1.2 mm/min、1.8 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,草地径流量分别为3 L、4 L；当时间为30 min时,径流量分别为10.2 L、12.3 L。由此可知,相同坡度条件下,两种雨强的裸地径流量均先快速增加,再减小,然后再逐渐增大,在14 min 时,径流量增大,其变化逐渐趋于平稳。

如图1（d）所示,在裸地坡度为25°,降雨强度分别为1.2 mm/min、1.8 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,草地径流量分别为2 L、4 L；当时间为30 min 时,径流量分别为8.6 L、11.9 L。由此可知,相同坡度条件下,雨强为1.8 mm/min 裸地径流量先快速增加,在6 min～14 min 阶段,径流量增加缓慢。雨强为1.2 mm/min 裸地径流量先快速增加,在16 min 时其变化逐渐趋于平稳。

如图1 可知,随着时间的增加,各小区的径流量均逐渐增大再逐渐趋于平稳。在相同坡度、相同土地类型的条件下,雨强大的小区较雨强小的小区,径流量增加明显。由于自然草地有良好的覆盖度,其发达的根系降低了径流的流动,入渗率较低,对径流有较高的截留率,因此其径流增加缓慢,起到较强的保水作用。

3.2 不同坡度下的产沙特征

通过模拟人工降雨试验,根据测量所得数据,得出不同坡度条件下,裸地的产沙特征曲线,见图2。

图2 裸耕地产沙量

如图2（a）所示,在降雨强度为1.2 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,坡度15°裸地和坡度25°裸地产沙量分别为10 g、24 g；当时间为30min 时,产沙量分别为18 g、22 g。由此可知,相同时间条件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地产沙量均先增大再减小。在18 min 时,产沙量趋于平稳。

如图2（b）所示,在降雨强度为1.2 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,坡度15°裸地和坡度25°裸地累计产沙量分别为10 g、26 g；当时间为30min 时,累计产沙量分别为720 g、930 g。由此可知,相同时间条件下,坡度25°裸地相较于坡度15°裸地累计产沙量明显增大。相同雨强条件下,坡度较大的裸地,累计产沙量大。

如图2（c）所示,在降雨强度为1.8 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,坡度15°裸地和坡度25°裸地产沙量分别为44 g、82 g；当时间为30 min 时,产沙量分别为26.5 g、23 g。由此可知,相同时间条件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地产沙量均先增大再减小。在18 min～30 mim 阶段,坡度15°裸地产沙量大于坡度25°裸地产沙量。

如图2（d）所示,在降雨强度为1.8 mm/min 条件下,当时间为2 min 时,坡度15°裸地和坡度25°裸地累计产沙量分别为20 g、120 g；当时间为30 min 时,累计产沙量分别为820 g、1260 g。由此可知,相同时间条件下,坡度25°裸地相较于坡度15°裸地累计产沙量明显增大。相同雨强条件下,坡度较大的裸地,累计产沙量大。

如图2 可知,随着时间的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的产沙量均先增大再减小。相同时间条件下,随着时间的增加,坡度25°裸地相较于坡度15°裸地累计产沙量明显增大。相同雨强条件下,坡度较大的裸地,累计产沙量大。由于坡度对土壤的侵蚀影响与土壤的入渗率相关,入渗量随坡度的增大而减小,入渗时间越短,入渗量越小,产生的径流越大,土壤的侵蚀量越大。

4 结论

通过人工模拟降雨试验,本文对不同降雨强度条件下,自然草地和裸耕地的径流特征和不同坡度条件下,裸耕地的产沙特征进行了分析。

（1）随着时间的增加,坡度15°草地、坡度25°草地、坡度15°裸地、坡度25°裸地四个小区的径流量均快速增大。在相同坡度的条件下,雨强大的小区较雨强小的小区,径流量增加明显。在相同时间的条件下,坡度大的小区较坡度小的小区,径流量增加明显。

（2）随着时间的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的产沙量均先增大再减小。在雨强为1.2 mm/min 条件下,在18 min～30 mim 阶段,坡度15°裸地和坡度25°裸地产沙量基本相同。在雨强为1.8 mm/min 条件下,在18 min～30 mim阶段,坡度15°裸地的产沙量大于坡度25°裸地产沙量。

（3）相同时间条件下,随着时间的增加,坡度25°裸地相较于坡度15°裸地累计产沙量明显增大。相同坡度条件下,坡度越大,裸地的累计产沙量越大。