红壤地区坡面产流产沙特征分析

2023-12-23高望

水利技术监督 2023年12期

高望

(浙江四维水利设计有限公司，浙江温州 325000)

0 引言

我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一，尤其是在我国的南方红壤丘陵地区更尤为严重[1-2]。由于我国南方夏季多雨，很容易造成水土流失现象出现，许多研究人员讨论了气候变化对水土流失的影响，我国早在20世纪90年代就开始实施了退耕还林政策。土壤侵蚀危害是当前气候变化造成的不利事件之一，对环境、农业生产力、全球粮食不安全和生计产生负面影响。为了解决目前我国南方丘陵地区侵蚀红壤严重、生态回复难度大等问题，研究红壤坡面的土壤侵蚀规律，预测土壤侵蚀脆弱性，对于采取缓解措施保护宝贵的自然资源至关重要，同时对我国南方红壤丘陵区水土流失的防治、农业的可持续发展均有重要意义。

在国内外土壤侵蚀研究的众多方法中，最常用的手段是采用人工降雨试验来模拟坡面径流与泥沙特征。在不考虑雨滴对土壤侵蚀的冲击作用时，也可以采取放水冲刷的方法进行研究坡面泥沙特征。基于上述2种方法，研究人员开展了大量的研究，赵伟[3]等人在人工降雨条件下，对水土保持区的土壤产流产沙进行了模拟试验，并通过进一步的定性及定量分析，得出了不同人工降雨强度和坡度对土壤产沙的影响，进而得出了不同土壤类型下的降水强度与坡度的函数关系式。郭军权[4]等人采用放水冲刷试验，研究了不同坡度对土壤坡面侵蚀产沙的影响规律，进一步得出了不同流量下坡度与径流率的关系。王爱娟[5]采用人工放水冲刷和人工降雨的方法，模拟了一种可变坡度的坡面，研究了不同土壤特性对雨滴能量传递的影响和不同坡度及地表粗糙度条件下径流能传递规律。

综上所述，国内学者对于采用人工降雨或放水冲刷的研究方式相对成熟，但同时结合2种方法对红壤坡面径流与泥沙特征的研究鲜有报道。因此，本文针对南方红壤丘陵地区的水土流失严重的问题，对红壤坡面的径流和泥沙特征进行人工降雨和放水冲刷试验，揭示不同坡度及不同降雨强度对红壤坡面的径流和泥沙的影响特征，研究成果为红壤侵蚀的防治提供科学依据。

1 试验部分

1.1 试验原材料

试验用土主要来自我国南方水土流失较严重的丘陵地区，土地的类型为坡耕地，坡度经过实际测量大致为10°，土壤类型为红壤，土壤基本力学参数及土壤中不同颗粒含量详见表1—2。通过对当地的气温及气候进行充分调研，发现年平均降水量在1200mm左右，降雨类型以暴雨为主，对土壤侵蚀较严重。

表1 土壤基本力学参数

表2 土壤中不同颗粒含量单位：%

1.2 试验装置

本研究试验在水土流失移动实验室内完成，实验室内具备坡度可调(0°～30°)的土壤侵蚀槽，为了方便试验装置的渗流，在槽底部设置有直径4mm的孔，槽下部设置有地表径流的接收装置。人工降雨试验装置采用下喷式的降雨器，其中试验降雨的高度大约为5m。放水冲刷试验采用马氏瓶原理控制恒定水头，水箱大小为1m×1m×1m的立方体，箱子底部距离地面约为5m。

1.3 试验方法

通过结合湖北省宜昌市气象局近5年的降雨资料，本实验初步拟定人工降雨强度为0.5、1.0、1.5、2.0mm/min，放水冲刷试验流量为1.2、2.8、4.2、5.2L/min。同时本文结合当地的实际耕地坡度，将试验的坡度拟定在6°、12°、18°、24°。通过控制变量法，将每场降雨试验总雨量维持在40mm保持不变，然后将红壤过1cm的筛，装入侵蚀槽中，其中厚度保持0.4m左右。待土壤完全装入侵蚀槽后，将其自然放置一段时间，当土壤状态接近自然状态时用环刀法对侵蚀槽内的土壤密度进行测试，当土壤密度达到自然密度1.37g/cm3进行备用。为了使室内试验尽可能与现场条件相吻合，对现场土壤取样进行含水率的测定，通过调整土壤含水量与现场含水量保持一致。同时，为了保证试验误差尽可能小，每次试验要连续进行。人工降雨试验强度由小到大逐步增加，同理，放水试验也是从小流量到大流量进行。在试验开始时，每隔1min测试径流量与泥沙含量，试验进行过程中每2min采样观测一次直至试验结束。

2 结果与讨论

2.1 不同试验条件对坡面径流的影响规律

人工降雨试验和放水冲刷试验条件下红壤坡面初始产流时间见表3—4。结果表明，在人工降雨试验条件下，土壤坡面的初始产流时间范围在0.28～6.82之间，并且随着坡度和强度的增加，其产流时间整体表现出下降的趋势。其中坡度在6°～12°范围内时下降速率最快。同时人工降雨强度在0.5～1.0mm/min范围内存在明显的突变，反观随着坡度与降雨强度的增加，其初始产流时间的下降幅度有明显的减小。对比放水冲刷试验下坡面初始产流时间来看，其表现出来的趋势与人工降雨条件下基本一致，但整体初始产流时间要大于人工降雨试验。究其主要原因是因为在人工降雨的试验过程中，雨水的滴落会比较均匀的分散到坡面，在坡面形成一种薄层的水流，最终产生坡面径流；在放水冲刷试验中，形成坡面径流的过程较多，尤其是在形成坡面薄层水流流程较长，导致其初始的产流时间较长[6-7]。

表3 人工降雨试验下坡面初始产流时间单位：min

表4 放水冲刷试验下坡面初始产流时间单位：min

2.2 不同试验条件对坡面泥沙的影响规律

通过分析人工降雨条件下的径流过程(如图1所示)，可以看出，径流量随着坡度和降雨强度的增加呈现出增加的趋势，并且通过降雨时间可以看出，随着降雨时间的延长，径流量在初期迅速增加，但经过一段时间后，其径流量的增加速度有所减缓，并在50～60min内趋于稳定。

图1 人工降雨试验下的径流过程

通过分析放水冲刷试验下的径流过程(如图2所示)，可以看出，径流量随着放水流量的增加而增加，径流量在放水时间前期呈现迅速增加的趋势，但随着放水时间的延长，趋势逐渐趋于缓和，同时坡度也表现出了相应的趋势变化。综上，可以发现，放水时间在5～20min是红壤坡面径流稳定的突变值，超过这一时间段，径流量趋于稳定。

图2 放水冲刷试验下的径流过程

2.3 不同试验条件对径流总量的影响规律

如图3所示为人工降雨试验下红壤坡面径流总量，可以看出，随着降雨强度和坡度的增加，径流总量表现出明显增加的趋势。当坡度为6°，降雨强度由0.5mm/min增加到2.0mm/min时，径流总量由60000mL增加到140000mL；当降雨强度为0.5mm/min，坡度由6°变化到24°时，径流总量分别为60000、61000、82000、91000mL。由此可以看出，坡度在12°～18°阶段内，径流总量变化幅度最大。

图3 人工降雨试验下红壤坡面径流总量

如图4所示为放水冲刷试验下红壤坡面径流总量，可以看出，随着降雨强度和坡度的增加，径流总量同样表现出明显增加的趋势。当坡度为6°，放水流量从1.2L/min增加到5.2L/min时，径流总量增幅2倍多；当放水流量在1.2L/min，坡度变化范围在6°～24°时，径流总量分别为30000、41000、54000、74000mL，可以看出，在坡度18°～24°时增加趋势最大，这表明径流总量受坡度变化范围影响较大。

图4 放水冲刷试验下红壤坡面径流总量

通过对比人工降雨和放水冲刷2种不同实验情况下的径流总量，可以看出，人工降雨试验下的径流总量要远高于放水冲刷试验下的径流总量，尤其是在坡度相差较大时，径流总量的差值会更大，这与钟壬琳等人[8]的研究结果一致。

2.4 不同试验条件下红壤坡面泥沙含量变化

如图5所示，显示了人工降雨试验条件下红壤坡面泥沙过程，可以发现不同降雨强度下，泥沙含量有所变化，随着降雨强度的增大，泥沙含量略有增加。当降雨强度稳定时，泥沙含量随着坡度的增加而增加，随着降雨时间的延长，泥沙含量表现出先增加后减少的趋势，降雨时间在5～10min阶段范围内出现突变，之后泥沙含量随着时间的变化趋于稳定。

图5 人工降雨试验条件下红壤坡面泥沙过程

如图6所示，显示了放水冲刷试验条件下红壤坡面泥沙过程，由图6(a)可以看出，随着放水历时的变化，含沙量整体表现出先增加后减少的趋势，当坡度由6°增加到24°时，含沙量表现出明显的增加现象。当坡度为24°时，含沙量较其他坡度增长了3倍，尤其在放水历时5～15min阶段，发生了明显的突变现象，之后含沙量随着放水历时的延长，逐渐趋于稳定。

图6 放水冲刷试验条件下红壤坡面泥沙过程

如图7所示，为人工降雨试验下红壤坡面产沙总量，产沙总量随着坡度和降雨强度的增加而增大，当坡度为6°时，随着降雨强度的增加，产沙总量增加的趋势较小，最大变化差值为1500g。随着坡度的逐渐增加，产沙总量差值变大，当坡度为24°时，产沙总量差值为13800g，相比较坡度6°时，产沙总量增长了3倍多。表明，当坡度为6°、24°时，产沙总量随着降雨强度的变化出现了最大突变。

图7 人工降雨试验下红壤坡面产沙总量

如图8所示，为放水冲刷试验下红壤坡面产沙总量，产沙总量随着坡度与放水流量的增加呈现出增加的趋势。当放水流量为5.2L/min时，坡度由6°增加到24°时，产沙总量变化最为明显，产沙总量分别为6500、8100、9800、12400g，并且变化幅度呈现出越来越大的趋势，这表明，防水流量为5.2L，坡度为24°时，产沙总量最大。