黃土區(qū)野外模擬降雨條件下坡面徑流—產(chǎn)沙試驗研究*

賈蓮蓮,李占斌,2,李 鵬,于國強,陳 磊

（1.西安理工大學西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點試驗室,西安710048;2.中國科學院水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西楊陵 712100）

長期以來,由于人類不合理地利用自然資源,導致植被生存環(huán)境受到極大地破壞,引發(fā)了嚴重的土壤侵蝕[1],也就是水土流失。土壤侵蝕與產(chǎn)沙,尤其是降雨徑流所引起的水力侵蝕產(chǎn)沙問題,不少國家表現(xiàn)的更為嚴重,這也是當今世界上最大的環(huán)境問題之一。我國黃土高原地處內(nèi)陸腹地,是全球黃土分布面積最廣、厚度最深、地層分布最全的高地,屬于黃河中游流域的一部分。黃土高原土壤侵蝕劇烈,產(chǎn)沙強度高,多年平均輸入黃河的泥沙量約16億t,成為黃河泥沙的主要來源區(qū)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),不同的立地條件強烈影響著流域的土壤侵蝕和產(chǎn)沙[2-4]。由此可以通過調(diào)整土地立地條件,以達到減少徑流和保持土壤的目的[5-7]。近年來,關(guān)于侵蝕產(chǎn)沙影響的研究已經(jīng)取得不少成果,但在野外自然狀態(tài)下開展降雨試驗的研究還較少。本文通過自然條件下的野外降雨試驗,探討不同下墊面下侵蝕產(chǎn)沙與徑流規(guī)律,為推動建立黃土高原流域土壤侵蝕預報模型提供理論基礎(chǔ),為小流域坡溝治理措施的優(yōu)化配置提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本次試驗選擇天水市北郊的羅玉溝流域,其位于甘肅省天水市北郊,系渭河支流藉河左岸的一級支溝,屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。流域地形從西北向東南傾斜,溝系呈狹長羽狀,海拔1 165.1～1 895.6 m,主溝道長 21.81 km,平均比降2.35%,支毛溝比降一般大于25%,流域溝壑密度3.54 km/km2,平均坡度18°。溝口測站控制面積72.79 km2,其中梁峁坡、溝坡和溝道分別占總面積的55.4%、28.4%和16.2%。流域按其土壤自然特征可以劃分為3個類型區(qū),即黃土區(qū)、雜土區(qū)和土石山區(qū)。

2 試驗設(shè)計與方法

2.1 試驗設(shè)備

試驗于2008年7-9月在天水羅玉溝進行野外模擬降雨,試驗采用自行設(shè)計研發(fā)的下噴式降雨器,有效雨滴降落高度為6 m,雨滴霧化效果良好。選取流域內(nèi)4個天然坡面為試驗小區(qū)(具體情況見表1),小區(qū)四周用薄鋼板隔離,以防止水分側(cè)漏,有效降雨面積皆為2 m×10 m。

2.2 試驗方法

每個小區(qū)分別進行三次降雨試驗,設(shè)計雨強大小分別為60 mm/h、90 mm/h 、120 mm/h,降雨歷時為30 min,每場降雨的時間間隔為24 h。為了保證試驗的準確性,降雨在無風條件下進行,每次試驗前對雨強進行率定,并對降雨均勻性進行檢驗。在降雨開始產(chǎn)流后,每分鐘接取一次全部水沙樣,產(chǎn)流30 min后停止降雨,記錄產(chǎn)流停止時間,同時接取水沙樣。

表1 小區(qū)類型劃分表

3 結(jié)果與分析

3.1 不同雨強下坡面侵蝕產(chǎn)流特征

為了探討不同下墊面對坡面侵蝕產(chǎn)流的影響,分析雨強為90 mm/h和120 mm/h時4種下墊面徑流量的變化規(guī)律(圖1-2)。

從圖1中可以看出,雨強90 mm/h時,林草地的徑流量最小,其它3種下墊面情況下的徑流量均大于林草地的,4種下墊面徑流量大小的順序依次為:原生地＞荒地＞天然草坡＞林草地。在整個降雨過程中,荒地的徑流過程波動最大,徑流量始終不穩(wěn)定;林草地基本處于穩(wěn)定狀態(tài),沒有起伏,維持在4.1～7.6 L/min,在整個降雨過程中始終最小;天然草坡徑流量處于穩(wěn)定且緩慢上升狀態(tài),當試驗進行到23 min左右時,達到一個最大值26.28 L/min,后呈緩慢下降趨勢;原生地的徑流過程十分平穩(wěn),始終處于最大值28.4 L/min左右。

從圖 2中可以看出,雨強120 mm/h時,徑流量大小順序與雨強90 mm/h時大致相同,但荒地與天然草坡波動幅度更大一些,荒地的徑流量在18.84～35.92 L/min之間波動,天然草坡徑流量在25.37～34.54L/min之間波動,這是因為雨強大時,徑流量變大,雨滴的打擊使地表情況發(fā)生改變,產(chǎn)生不平穩(wěn)的狀態(tài);林草地徑流量依然最小,處于 6.85～10.88 L/min,原生地一直處于最大值的平穩(wěn)狀態(tài),大致為36.05～37.54 L/min。

圖1 雨強90 mm/h時不同下墊面產(chǎn)流過程

圖2 雨強120 mm/h時不同下墊面產(chǎn)流過程

這是由于原生地和荒地地表幾乎沒有植被覆蓋,雨滴降落到地表后直接形成徑流,所以處于穩(wěn)定產(chǎn)流狀態(tài)且徑流量始終最大;林草地的植被覆蓋率最高,當雨滴降落到地表后,地表植被對其進行攔截,形成入滲,所以徑流量很小。雨強較大時,雨滴動能更大,且雨量更大,所以在120 mm/h的雨強下,4種下墊面的徑流量總體變大。

3.2 不同雨強下坡面侵蝕產(chǎn)沙特征

侵蝕產(chǎn)沙量在不同下墊面情況下的變化也需要進一步分析,雨強為90 mm/h和120 mm/h時4種下墊面產(chǎn)沙的變化規(guī)律如圖所示(圖3-4)。

圖3 雨強90 mm/h時不同下墊面產(chǎn)沙過程

圖4 雨強120 mm/h時不同下墊面產(chǎn)沙過程

從圖3中可以看出,荒地和原生地的產(chǎn)沙量要明顯大于林草地和天然草坡的產(chǎn)沙量。荒地產(chǎn)沙量為49.07～133.05 g,其波動幅度最大且產(chǎn)沙量始終最大,天然草坡與林草地的產(chǎn)沙量始終處于最小值且?guī)缀鯖]有波動,林草地產(chǎn)沙量保持為2.82～6.99 g。圖4中荒地和原生地的產(chǎn)沙量依然最大,這與雨強90 mm/h時一致,其中荒地產(chǎn)沙量為52.76～162.48 g,林草地產(chǎn)沙量為7.33～40.24 g。

這是由于雨滴降落產(chǎn)生徑流后,首先選擇搬運細顆粒,隨著徑流時間的延長可被徑流帶走的細顆粒土壤變得越來越少,這時雨滴就會剝離分散大的土壤顆粒,土壤顆粒被剝離開的瞬間會有相對較多的泥沙隨徑流流失,此即圖中數(shù)據(jù)線有波動的主要原因。荒地的土壤結(jié)構(gòu)較為松散,當雨滴打擊地表時,其土壤性質(zhì)更容易發(fā)生改變,更易被剝離帶走,原生地土壤質(zhì)地較堅硬,且地表結(jié)皮更多,雨滴對其的打擊影響力較之荒地會小一點。當雨強為120 mm/h時,4種立地條件下的產(chǎn)沙量波動均較大,這也是由于雨強較大時,雨滴降落到地表時的動能較大,大塊土粒被擊濺分離的可能性更大,此時徑流量也更大,大塊土粒也在瞬間被徑流運移帶走,所以產(chǎn)沙量較小雨強時大些。這些可以說明,覆蓋度越大地表其水土保持功效越明顯,越能減少坡面的土壤侵蝕,能有效延緩坡面侵蝕明顯增強的發(fā)生時間。

3.3 不同雨強下坡面累積產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

在分析不同下墊面徑流、產(chǎn)沙規(guī)律的基礎(chǔ)上,進一步分析累計徑流量與累計產(chǎn)沙量的變化規(guī)律及其相關(guān)關(guān)系。由此可以看出4種下墊面條件下,隨著降雨歷時的增加,不同雨強下累計徑流量和累計產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢,對于同一下墊面,雨強不同時,產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量兩者增加的速率和幅度均有所差別。

從圖5-6可以看出,在降雨過程中,林草地累計徑流量的增長趨勢最為平穩(wěn),增長幅度最小,原生地的累計徑流量增長趨勢和增長幅度最大。其中,雨強90 mm/h時,林草地累計最大產(chǎn)流量達到187.33 L,原生地累計最大產(chǎn)流量達到841.44 L;雨強120 mm/h時,林草地累計最大產(chǎn)流量達到318.63 L,原生地累計最大產(chǎn)流量達到1 109.68 L。顯然,植被覆蓋能有效延緩產(chǎn)流,并顯著減少產(chǎn)流量。在兩種不同雨強下,4種下墊面的累計產(chǎn)流量趨勢大致相同,只是雨強越大時產(chǎn)流越快,產(chǎn)流量也越大,符合降雨與徑流的正比關(guān)系。

圖5 雨強90 mm/h時不同下墊面累計產(chǎn)流量變化

圖6 雨強120mm/h時不同下墊面累計產(chǎn)流量變化

圖7 雨強90 mm/h時不同下墊面累計產(chǎn)沙量變化

圖8 雨強120 mm/h時不同下墊面累計產(chǎn)沙量變化

從圖7-8可以看出,在降雨過程中,兩種雨強不同時,4種下墊面的累計產(chǎn)沙量趨勢大致相同,依然是林草地累計產(chǎn)沙量的增長趨勢最為平穩(wěn),增長幅度最小,但荒地的累計產(chǎn)沙量增長趨勢最大,原生地與天然草坡次之。當雨強為90 mm/h時,林草地產(chǎn)沙量累計最大值達到139.95 g,而荒地的累計產(chǎn)沙量累計最大值達到2 276.43 g;雨強120 mm/h時,林草地產(chǎn)沙量累計最大值達到673.7 g,荒地的累計產(chǎn)沙量達到 2 925.35 g。雨強為120 mm/h時,雨滴的動能比較大,打擊地表后土粒被濺散,同時隨著徑流被帶出,所以雨強大時,產(chǎn)沙量也大。

以上結(jié)果說明坡面有植被覆蓋時其具有較強的攔截泥沙和徑流的功效,覆蓋度越大時產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量越小,因為此時地被物能阻延地表徑流、減少地表徑流平均流速、防止土壤濺蝕,并且土壤表層植被根系的存在,可以提高土壤對徑流侵蝕的抵抗力?；牡嘏c原生地在缺少植被覆蓋或覆蓋度很小的情況下,地表結(jié)皮較多,不能增加土壤入滲,導致徑流最大,產(chǎn)沙最多。當然雨強越大時產(chǎn)流產(chǎn)沙量也就越大。

3.4 不同雨強下坡面入滲特征

入滲率能反映土壤水源涵養(yǎng)作用和抗侵蝕能力,其對侵蝕產(chǎn)沙也有一定的影響,圖9-10是雨強分別為90 mm/h和120 mm/h時4種下墊面降雨入滲的變化規(guī)律。

圖9可以看出,4種下墊面的降雨入滲過程有所不同。入滲率均隨著降雨歷時的增加逐漸降低最后趨于平穩(wěn),但林草地的入滲率明顯高于其它3種下墊面情況下的入滲率,且入滲過程最為平穩(wěn),波動很小,基本維持在1.007～1.394 mm/min,入滲量和截流量達到最大;天然草坡的降雨入滲過程基本處于穩(wěn)定下降狀態(tài);荒地的降雨入滲過程也在逐漸下降,但是其波動程度最大,而原生地的入滲過程在初始階段就降到最低,然后保持在此最低點狀態(tài),波動很小,基本維持在0.179～0.043mm/min。從圖10中看出,入滲規(guī)律也是林草地最大,原生地最小,只是在此雨強下,每種下墊面的入滲波動比較大,尤其是天然草坡與荒地的入滲規(guī)律波動最大,其中荒地的波動范圍在0.192～1.028 mm/min,天然草坡的波動范圍在0.224～0.624 mm/min。總的來說,雨強小時,入滲率較小,小雨強時林草地最大入滲率為1.5 mm/min左右,大雨強時,林草地入滲率達到1.8 mm/min左右。

圖9 雨強90 mm/h時不同下墊面入滲率變化

圖10 雨強120 mm/h時不同下墊面入滲率變化

由此可知,與裸地相比,地表有植被覆蓋時能延緩產(chǎn)流,并有效攔蓄徑流;裸地形成地表結(jié)皮后,產(chǎn)流提前,平均入滲率降低。所以林草地在有枯枝落葉層及腐殖質(zhì)層覆蓋的作用下能夠有效增加土壤入滲,在很大程度上減少了徑流量和泥沙量;天然草坡在有植物根系的作用下,也可以在一定程度上增加降雨入滲;荒地植被覆蓋度較低,地表結(jié)皮較多,因而入滲率較小,徑流量和產(chǎn)沙量較大;原生地地表結(jié)皮最多,地表結(jié)構(gòu)無破壞,所以入滲率最小,徑流量和產(chǎn)沙量最大。

4 結(jié)論

通過在野外條件下模擬降雨試驗,從徑流量、侵蝕產(chǎn)沙量與入滲率的變化規(guī)律及彼此之間的關(guān)系討論了黃土區(qū)不同下墊面情況下的侵蝕產(chǎn)沙特性,得出以下結(jié)論:

4種下墊面情況下,產(chǎn)流量的順序依次為原生地最大,荒地與天然草坡次之,林草地產(chǎn)流量最小;產(chǎn)沙量的順序依次為荒地最大,原生地與天然草坡次之,林草地最小;入滲率的順序依次為林草地最大,天然草坡和荒地次之,原生地最小。當雨強增大時,4種下墊面的產(chǎn)流,產(chǎn)沙,入滲順序不變,只是相對小雨強時波動更大,產(chǎn)流、產(chǎn)沙和入滲的量更大。

這些都與徑流產(chǎn)沙以及入滲規(guī)律相符合:由于林草地地表有枯枝落葉物和腐殖質(zhì)等地被物層的覆蓋,除了與林冠層一樣能截持降水外,同時削弱雨滴動能,有效防止土壤濺蝕,而且延長匯流,使地表徑流速率及徑流量減小且地表徑流的侵蝕能量減少,增加了徑流下滲的時間,從本質(zhì)上削弱了徑流沖刷挾沙的能力。草地由于植物根系等的作用,改良了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤的抗沖和抗蝕性,更能有效增加降雨入滲,所以能夠吸收和阻延地表徑流、減少地表徑流平均流速?；牡睾驮卦谌鄙僦脖桓采w或覆蓋度很小的情況下,地表結(jié)皮較多,不能增加土壤入滲,導致徑流最大,產(chǎn)沙最多。說明植被具有保持水土的功能,可以發(fā)揮其涵養(yǎng)水源,改善生態(tài)環(huán)境的作用。

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