王成江

（黔西南州興源水利電力勘察設(shè)計(jì)有限公司,貴州 興義 562400）

1 引言

在我國(guó)黃土高原,降雨引起的土壤侵蝕嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,如何提高土壤的抗蝕能力,防止水土流失。針對(duì)此問(wèn)題,學(xué)者們?cè)诙喾矫孢M(jìn)行了研究,何偉鵬等[1]研究了不同植物對(duì)黃土邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙與抗剪強(qiáng)度的影響,研究結(jié)果表明：邊坡草本植物的種植,能顯著抑制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙；淡彩虹等[2]研究了模擬降雨下前期含水量對(duì)黃綿土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響,研究結(jié)果表明：采取耕作、植被覆蓋等措施維持適當(dāng)土壤含水量可使土層減少侵蝕；溫永福等[3]對(duì)野外模擬降雨條件下徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：相較于裸耕地,自然草地起著減流固沙的重要作用；權(quán)鑫等[4]對(duì)室內(nèi)模擬降雨情形下黃土坡面沉降程度的試驗(yàn)進(jìn)行了研究,研究結(jié)明表明：土壤侵蝕能引起黃土坡面沉降；陳澤勛等[5]對(duì)模擬降雨條件下典型草原坡面初始產(chǎn)流時(shí)間及產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行了研究,研究結(jié)明表明：草地坡面植被覆蓋度越大,減沙減流效果越明顯。

本文總結(jié)以上研究的減流減沙措施,并深入研究自然草地和裸耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程,通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn),對(duì)不同降雨強(qiáng)度條件下,自然草地和裸耕地的徑流特征和不同坡度條件下,裸耕地的產(chǎn)沙特征進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬西北黃土高原的丘陵溝壑區(qū),地勢(shì)東高西低,區(qū)內(nèi)黃土層結(jié)構(gòu)松散,抗侵蝕能力較差,在長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕和流水侵蝕作用下,被逐漸切割成溝壑縱橫、山丘交錯(cuò)的復(fù)雜地貌。該地區(qū)平均降水量為485.6 mm。為提高該地區(qū)土壤抗侵蝕能力,防止水土流失,本文進(jìn)行了人工模擬降雨試驗(yàn),對(duì)黃土坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過(guò)程及特征進(jìn)行了研究。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

人工模擬降雨試驗(yàn)在野外進(jìn)行,徑流小區(qū)的坡度分別選擇15°和25°兩種坡度,小區(qū)的土地類(lèi)型選擇自然草地和裸耕地兩種類(lèi)型,共4 個(gè)小區(qū)進(jìn)行降雨試驗(yàn),每個(gè)小區(qū)設(shè)置長(zhǎng)×寬分別為3 m×4 m,面積為12 m2。每個(gè)小區(qū)四周都設(shè)置不銹鋼圍板,圍板高50 cm,其中30 cm 插入小區(qū)周?chē)翆酉?20 cm 在地表上,防止徑流外滲流出,影響試驗(yàn)精度。小區(qū)坡下設(shè)有V 型集流槽,集流槽出水口設(shè)有集流桶,降雨在地表上形成的徑流匯入集流桶。將收集的徑流過(guò)濾,除去里面的沉積物,即為小區(qū)降雨產(chǎn)生的徑流量。

模擬降雨設(shè)備采用井架式人工模擬降雨,有效降雨面積為0～400 m2,降雨高度為3 m～6 m,雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍為15 mm/h～150 mm/h,降雨均勻系數(shù)≥0.9,雨滴大小調(diào)控范圍為1.0 mm～5.0 mm。本次降雨試驗(yàn)設(shè)置兩種雨強(qiáng),分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min,降雨時(shí)長(zhǎng)為30 min。降雨前測(cè)試四個(gè)小區(qū)的土壤含水率,保證小區(qū)土壤含水率基本一致。降雨開(kāi)始后,當(dāng)雨水降落到地表時(shí)開(kāi)始記錄降雨時(shí)間,當(dāng)雨水在小區(qū)坡面形成層流狀態(tài),由地表至上而下流入集流桶時(shí),開(kāi)始記錄產(chǎn)流時(shí)間,并每隔2 min 測(cè)量一次小區(qū)徑流,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為30 min。試驗(yàn)結(jié)束后,將收集的徑流靜置24 h 后進(jìn)行過(guò)濾,將過(guò)濾所得沉積物干燥處理,并將其稱(chēng)重,記錄所得數(shù)據(jù)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確,間隔72 小時(shí)后,重復(fù)進(jìn)行一次降雨試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同雨強(qiáng)下的徑流特征

通過(guò)模擬人工降雨試驗(yàn),根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù),得出不同雨強(qiáng)條件下,草地和裸地的徑流特征曲線,見(jiàn)圖1。

圖1 不同雨強(qiáng)下小區(qū)徑流量

如圖1（a）所示,在草地坡度為15°,降雨強(qiáng)度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),草地徑流量分別為0.1 L、1 L；當(dāng)時(shí)間為30 min時(shí),徑流量分別為3.2 L、5.6 L。由此可知,雨強(qiáng)為1.2 mm/min 草地徑流量先緩慢增大,在18min 后,徑流量增大趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)。在相同時(shí)間條件下,雨強(qiáng)大的徑流量較雨強(qiáng)小的徑流量增大明顯。

如圖1（b）所示,在草地坡度為25°,降雨強(qiáng)度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),草地徑流量分別為0.8 L、1.2 L；當(dāng)時(shí)間為30 min時(shí),徑流量分別為4.2 L、9.6 L。由此可知,相同坡度條件下,雨強(qiáng)為1.8 mm/min 草地徑流量快速增加,在24 min 時(shí),徑流量增大趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)。雨強(qiáng)為1.2 mm/min 草地徑流量增加緩慢,曲線較為平緩。

如圖1（c）所示,在裸地坡度為15°,降雨強(qiáng)度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),草地徑流量分別為3 L、4 L；當(dāng)時(shí)間為30 min時(shí),徑流量分別為10.2 L、12.3 L。由此可知,相同坡度條件下,兩種雨強(qiáng)的裸地徑流量均先快速增加,再減小,然后再逐漸增大,在14 min 時(shí),徑流量增大,其變化逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖1（d）所示,在裸地坡度為25°,降雨強(qiáng)度分別為1.2 mm/min、1.8 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),草地徑流量分別為2 L、4 L；當(dāng)時(shí)間為30 min 時(shí),徑流量分別為8.6 L、11.9 L。由此可知,相同坡度條件下,雨強(qiáng)為1.8 mm/min 裸地徑流量先快速增加,在6 min～14 min 階段,徑流量增加緩慢。雨強(qiáng)為1.2 mm/min 裸地徑流量先快速增加,在16 min 時(shí)其變化逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖1 可知,隨著時(shí)間的增加,各小區(qū)的徑流量均逐漸增大再逐漸趨于平穩(wěn)。在相同坡度、相同土地類(lèi)型的條件下,雨強(qiáng)大的小區(qū)較雨強(qiáng)小的小區(qū),徑流量增加明顯。由于自然草地有良好的覆蓋度,其發(fā)達(dá)的根系降低了徑流的流動(dòng),入滲率較低,對(duì)徑流有較高的截留率,因此其徑流增加緩慢,起到較強(qiáng)的保水作用。

3.2 不同坡度下的產(chǎn)沙特征

通過(guò)模擬人工降雨試驗(yàn),根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù),得出不同坡度條件下,裸地的產(chǎn)沙特征曲線,見(jiàn)圖2。

圖2 裸耕地產(chǎn)沙量

如圖2（a）所示,在降雨強(qiáng)度為1.2 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量分別為10 g、24 g；當(dāng)時(shí)間為30min 時(shí),產(chǎn)沙量分別為18 g、22 g。由此可知,相同時(shí)間條件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量均先增大再減小。在18 min 時(shí),產(chǎn)沙量趨于平穩(wěn)。

如圖2（b）所示,在降雨強(qiáng)度為1.2 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),坡度15°裸地和坡度25°裸地累計(jì)產(chǎn)沙量分別為10 g、26 g；當(dāng)時(shí)間為30min 時(shí),累計(jì)產(chǎn)沙量分別為720 g、930 g。由此可知,相同時(shí)間條件下,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計(jì)產(chǎn)沙量明顯增大。相同雨強(qiáng)條件下,坡度較大的裸地,累計(jì)產(chǎn)沙量大。

如圖2（c）所示,在降雨強(qiáng)度為1.8 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量分別為44 g、82 g；當(dāng)時(shí)間為30 min 時(shí),產(chǎn)沙量分別為26.5 g、23 g。由此可知,相同時(shí)間條件下,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量均先增大再減小。在18 min～30 mim 階段,坡度15°裸地產(chǎn)沙量大于坡度25°裸地產(chǎn)沙量。

如圖2（d）所示,在降雨強(qiáng)度為1.8 mm/min 條件下,當(dāng)時(shí)間為2 min 時(shí),坡度15°裸地和坡度25°裸地累計(jì)產(chǎn)沙量分別為20 g、120 g；當(dāng)時(shí)間為30 min 時(shí),累計(jì)產(chǎn)沙量分別為820 g、1260 g。由此可知,相同時(shí)間條件下,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計(jì)產(chǎn)沙量明顯增大。相同雨強(qiáng)條件下,坡度較大的裸地,累計(jì)產(chǎn)沙量大。

如圖2 可知,隨著時(shí)間的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的產(chǎn)沙量均先增大再減小。相同時(shí)間條件下,隨著時(shí)間的增加,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計(jì)產(chǎn)沙量明顯增大。相同雨強(qiáng)條件下,坡度較大的裸地,累計(jì)產(chǎn)沙量大。由于坡度對(duì)土壤的侵蝕影響與土壤的入滲率相關(guān),入滲量隨坡度的增大而減小,入滲時(shí)間越短,入滲量越小,產(chǎn)生的徑流越大,土壤的侵蝕量越大。

4 結(jié)論

通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn),本文對(duì)不同降雨強(qiáng)度條件下,自然草地和裸耕地的徑流特征和不同坡度條件下,裸耕地的產(chǎn)沙特征進(jìn)行了分析。

（1）隨著時(shí)間的增加,坡度15°草地、坡度25°草地、坡度15°裸地、坡度25°裸地四個(gè)小區(qū)的徑流量均快速增大。在相同坡度的條件下,雨強(qiáng)大的小區(qū)較雨強(qiáng)小的小區(qū),徑流量增加明顯。在相同時(shí)間的條件下,坡度大的小區(qū)較坡度小的小區(qū),徑流量增加明顯。

（2）隨著時(shí)間的增加,坡度15°裸地和坡度25°裸地的產(chǎn)沙量均先增大再減小。在雨強(qiáng)為1.2 mm/min 條件下,在18 min～30 mim 階段,坡度15°裸地和坡度25°裸地產(chǎn)沙量基本相同。在雨強(qiáng)為1.8 mm/min 條件下,在18 min～30 mim階段,坡度15°裸地的產(chǎn)沙量大于坡度25°裸地產(chǎn)沙量。

（3）相同時(shí)間條件下,隨著時(shí)間的增加,坡度25°裸地相較于坡度15°裸地累計(jì)產(chǎn)沙量明顯增大。相同坡度條件下,坡度越大,裸地的累計(jì)產(chǎn)沙量越大。