沂蒙山區(qū)棕壤土侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及特征

馬修京，呂 英，韓存寶

（費(fèi)縣水土保持局，山東 費(fèi)縣 273400）

沂蒙山區(qū)位于魯中南部，是典型的北方土石山區(qū)。地勢西北高東南低，土壤表層疏松、淺薄，且夾雜大量石礫，蓄水能力極低，土壤侵蝕嚴(yán)重，以水力侵蝕為主,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏秋季節(jié)雨量充沛，氣候溫和，全年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫36.5℃，最低氣溫-11.1℃，年降水量849 mm，全年無霜期200 d以上。

1 試驗(yàn)材料與方法

以沂蒙山區(qū)費(fèi)縣的山地棕壤土為試驗(yàn)土壤，取土地點(diǎn)為費(fèi)縣薛莊鎮(zhèn)彩山前村。

試驗(yàn)方法：采用人工模擬降雨方法。在山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨大廳進(jìn)行，降雨采用自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng)，可設(shè)定不同雨強(qiáng)變化范圍、降雨歷時(shí)及降雨范圍。降雨高度為20 m，降雨均勻度大于80%，雨滴降落終速可達(dá)到自然雨滴的98%以上，降雨特性接近天然降雨。采用自水平液壓邊坡鋼槽140 cm×70 cm×25 cm，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為 50 mm/h、75 mm/h、100 mm/h，試驗(yàn)坡度為 5°、10°、15°、20°、25°。

泥沙樣采集與烘干：坡面產(chǎn)流后用帶有編號的水桶收集泥沙樣，采集時(shí)間為產(chǎn)流后1 min、2 min、3 min、6 min、10 min，之后每間隔 5 min 采集一次，直至降雨結(jié)束，在采集過程中避免雨水直接進(jìn)入采集桶，經(jīng)量測后靜置，倒掉上清液，用烘干法測干沙重。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS16.0和Excel2007軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨強(qiáng)和坡度對坡面產(chǎn)流量的影響

坡面徑流主要受降雨強(qiáng)度和下墊面變化的影響，下墊面特征是由地形、土壤、地表覆蓋度等因素決定。

在相同雨強(qiáng)下，產(chǎn)流量均隨坡度的增加而減小，本文主要分析了75 mm/h雨強(qiáng)不同坡度下和20°坡度時(shí)不同雨強(qiáng)下坡面產(chǎn)流量的動(dòng)態(tài)變化。如圖1、圖2示。

圖1 75 mm/h雨強(qiáng)下不同坡度產(chǎn)流量動(dòng)態(tài)變化過程

圖2 20°坡度下不同雨強(qiáng)產(chǎn)流量動(dòng)態(tài)變化過程

由圖1可以看出，在相同雨強(qiáng)下，坡度越大，坡面產(chǎn)流量越少，但不同坡度坡面產(chǎn)流量隨降雨歷時(shí)逐漸增大，坡面產(chǎn)流量均在降雨初期增加急劇，且坡度越大，增加幅度越大，25°時(shí)產(chǎn)流量增加速率幾乎為5°時(shí)的10倍，之后，增加較為平緩。分析原因可能為：在降雨強(qiáng)度一定的條件下,地表徑流量的大小主要由坡面土壤入滲特性和承雨量來決定。在每次正式試驗(yàn)前，都進(jìn)行了前期預(yù)降雨，使土壤水分含量基本達(dá)到飽和，故本試驗(yàn)的坡面產(chǎn)流量大小主要取決于承雨面積，坡度越大，承雨面積越小，單位面積上降雨量減少，使產(chǎn)流量也越小。坡度越大，水流沿坡面向下分力越大，使加速度越大，水流速度加大，產(chǎn)流速度較快，進(jìn)而坡度增加，產(chǎn)流量在降雨初期較大坡度時(shí)增加速度較快。

由圖2可知，相同坡度下，雨強(qiáng)越大，坡面產(chǎn)流量越大，且產(chǎn)流過程曲線表現(xiàn)為一定的波動(dòng)性，雨強(qiáng)越大，產(chǎn)流量差異性也越明顯，雨強(qiáng)在100 mm/h與75 mm/h時(shí)產(chǎn)流量之差約為75 mm/h與50 mm/h時(shí)產(chǎn)流量之差的3倍。

2.2 雨強(qiáng)和坡度對坡面產(chǎn)沙率的影響

產(chǎn)沙過程特征是研究土壤侵蝕過程的一項(xiàng)重要內(nèi)容，本文著重分析了75 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同坡度下和20°坡度時(shí)不同雨強(qiáng)下的坡面產(chǎn)沙率的特征曲線。如圖3、圖4示。

圖3 20°坡度下不同雨強(qiáng)下產(chǎn)沙率動(dòng)態(tài)變化曲線

由圖3可知，相同坡度下，雨強(qiáng)越大，產(chǎn)沙率越大，且雨強(qiáng)較大時(shí)，產(chǎn)沙率相差幅度越大。在開始降雨后的短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的增加而快速增加達(dá)到峰值。之后，隨著降雨過程的延續(xù)，產(chǎn)沙率隨降雨過程呈波狀起伏變化，且變化幅度不大。雨強(qiáng)為50 mm/h、75 mm/h條件下，坡面侵蝕產(chǎn)沙率分別在坡面產(chǎn)流后15 min、3 min達(dá)到最大值，最大產(chǎn)沙率分別為1.87 g/min·m2和5.20 g/min·m2。 雨強(qiáng) 100 mm/h條件下，坡面侵蝕產(chǎn)沙率在產(chǎn)流之后3 min內(nèi)迅速增大，在第3 min達(dá)到最大值17.67 g/min·m2之后，隨著降雨過程的繼續(xù)，產(chǎn)沙率有減小的趨勢，在產(chǎn)流之后第40 min，又呈直線遞增直至降雨結(jié)束。

圖4 75 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同坡度下產(chǎn)沙率動(dòng)態(tài)變化曲線

由圖4可知，相同雨強(qiáng)下，產(chǎn)沙率隨坡度增大而增大，在降雨初期，5個(gè)坡度下產(chǎn)沙率都呈跳躍式上升，且坡度越大，產(chǎn)沙率出現(xiàn)峰值時(shí)間越短，之后在一個(gè)范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，20°、25°時(shí)產(chǎn)沙率明顯高于 5°、10°、15°時(shí)。 分析原因可能為：坡度越大，水流沿坡面向下分力增大，使坡面方向加速度增大，致使水流速度越大，從而使水流具有更大的沖蝕力，所以在相同雨強(qiáng)下，坡度越大，坡面產(chǎn)沙率越大。

3 結(jié)語

1）徑流量隨降雨強(qiáng)度增加而增大、隨坡度增大而減少，在相同坡度下，100 mm/h雨強(qiáng)時(shí)產(chǎn)流量遠(yuǎn)大于50 mm/h、75 mm/h雨強(qiáng)，且在大雨強(qiáng)、大坡度下，產(chǎn)流量相差幅度較大。

2）產(chǎn)沙率均隨降雨強(qiáng)度、坡度的增大而增大，且產(chǎn)沙率峰值出現(xiàn)時(shí)間也隨之提前，在降雨初期，產(chǎn)沙率呈跳躍式增加，之后其變化過程在一定范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。

3）大雨強(qiáng)、大坡度會加大產(chǎn)流量、產(chǎn)流率各自之間的差異性。同雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流量在25°時(shí)比5°減少約44%；同坡度條件下，50 mm/h雨強(qiáng)比100 mm/h減少約63%。