不同坡度和前期土壤含水率條件下裸地降雨產(chǎn)流試驗研究

穆文彬李義豪李傳哲劉佳程雙虎趙娜娜

摘要：坡度和前期土壤含水率是降雨產(chǎn)流過程的重要影響因素。為研究華北半干旱地區(qū)的降雨產(chǎn)流機(jī)制，采用人工模擬降雨的方法，進(jìn)行了不同坡度（5°、10°和15°）和前期土壤含水率（020、025和030）條件下的降雨產(chǎn)流試驗。結(jié)果表明：在整個降雨產(chǎn)流過程中，地表徑流量隨坡度和前期土壤含水率的增加而增大，累積徑流量與產(chǎn)流歷時呈線性函數(shù)關(guān)系；土壤入滲率和產(chǎn)流滯時均隨前期土壤含水率和坡度的增加而減小，且前期土壤含水率對土壤入滲率和產(chǎn)流滯時的影響較坡度更加明顯；Horton模型對降雨入滲關(guān)系的擬合結(jié)果優(yōu)于Kostiakov 和Philip 模型。

關(guān)鍵詞：前期土壤含水率；坡度；降雨產(chǎn)流；土壤入滲率；裸地

中圖分類號：P334.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16721683（2016）06000606

Rainfall runoff test on bare soil with different slope gradient and soil moisture content

MU Wenbin1，2，LI Yihao1，3，LI Chuanzhe1，LIU Jia1，CHENG Shuanghu4，ZHAO Nana5

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources

and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Yellow River Institute of Science，North China University

of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；3.School of Environmental Science and Engineering

Donghua University，Shanghai 200051，China；4.Hebei Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，

Shijiazhuang 050031，China；5.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）

Abstract：Antecedent soil moisture content and slope gradient are significant influential factors for rainfallrunoff （RR） process.In order to study the RR mechanism of semiarid region in the North China，artificial RR simulation test was carried out in the condition of different slope gradient and antecedent soil moisture content.According to the results：（1） In the whole RR process，the overland flow increased with the increase of antecedent soil moisture and slope，and the relationship between cumulative runoff and rainfall duration complied with a linear function.（2） Soil infiltration rate and runoff lag time decreased with the increase of antecedent soil moisture content and slope，and the influence of antecedent soil moisture on soil infiltration rate and runoff lag time was more obvious than that of slope.（3）Horton model was better than Kostiakov and Philip model in fitting the relationship between rainfall and infiltration.

Key words：antecedent soil moisture content；slope gradient；rainfallrunoff；soil infiltration rate；bare soil

隨著人類活動和氣候變化影響的加劇，各種氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生。作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)的華北地區(qū)，面臨著降水變率大、區(qū)域洪澇災(zāi)害頻發(fā)等嚴(yán)重問題。因此，正確理解華北半干旱地區(qū)的降雨產(chǎn)流特性對準(zhǔn)確選擇或建立有效的水文模型至關(guān)重要 [12]。目前，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對降雨產(chǎn)流機(jī)理的研究主要集中在黃土高原地區(qū)，如王占禮等[3]采用人工模擬降雨試驗法對黃土裸坡降雨產(chǎn)流過程進(jìn)行了研究；孔剛等[4]利用室內(nèi)人工降雨試驗，研究了黃土坡耕地土壤初始含水率對坡面降雨入滲、產(chǎn)流、溶質(zhì)遷移規(guī)律的影響；陳洪松等[5]通過對黃土高原區(qū)坡面降雨入滲、產(chǎn)流的研究，表明產(chǎn)流時間主要取決于土壤初始含水量；王輝等[6]研究了黃土區(qū)前期土壤含水量對不同土壤坡面降雨入滲、產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性的影響。然而針對華北半干旱區(qū)大田土壤的降水產(chǎn)流機(jī)理研究還相對較少，因此，本文基于華北半干旱區(qū)的土壤特性，以比重較大的砂壤土為研究對象，采用人工模擬降雨的方法，研究了降雨產(chǎn)流過程中坡度和前期土壤含水率對產(chǎn)流的響應(yīng)機(jī)理，從而為華北半干旱區(qū)降雨產(chǎn)流過程研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗采用自行設(shè)計的土槽，長×寬×高=200 cm×50 cm×60 cm，土槽坡度可在0～25°之間自由調(diào)整。土槽上端以及底部均布設(shè)有導(dǎo)流裝置，分別用以觀測地表徑流和壤中流。土槽頂端四周內(nèi)側(cè)安裝10 cm高的鐵片，防止雨滴濺蝕及表層水土的側(cè)向沖刷流失。同時，土槽前端出口的縱剖面用鐵質(zhì)的百葉窗封裝，并在百葉窗內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層紗網(wǎng)，防止降雨過程中土壤側(cè)漏（見圖1）。

降雨產(chǎn)流試驗所用的土壤取自北京市大興區(qū)中國水利水電科學(xué)研究院試驗基地，土壤質(zhì)地為砂壤土，并于2012年3月對試驗土槽進(jìn)行填裝。裝土前篩去土壤中的雜物，經(jīng)10 mm的濾網(wǎng)過濾后風(fēng)干，每隔5 cm進(jìn)行分層裝土，土壤填充高度為50 cm，基本為同性、均質(zhì)的土壤[7]。本試驗于2015年8月進(jìn)行，所用土槽中的土壤已經(jīng)沉積3年多的時間，其性狀與大田土壤特性相似，基本參數(shù)見表1。

試驗中采用的美國Decagon公司生產(chǎn)的電容式土壤水分傳感器EC5，通過測量土壤中的介電常數(shù)來計算土壤體積含水率，測量精度可達(dá)到±1%～2%[1，7]。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采用EM50數(shù)據(jù)采集器（采集時間間隔的可調(diào)整范圍為1～1 440 min）進(jìn)行采集。

1.2 試驗方法

降雨產(chǎn)流試驗于中國科學(xué)院水利部水土保持研究所的人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗設(shè)定三種不同坡度（5°、10°和15°），每種坡度分別在前期土壤含水率為020、025和030時進(jìn)行試驗，且每組均進(jìn)行一組重復(fù)試驗，降雨歷時均為120 min。相關(guān)研究指出[812]，雨強(qiáng)較大時，前期土壤含水率對產(chǎn)流的影響不明顯，故本試驗采用較小的雨強(qiáng)進(jìn)行試驗，標(biāo)定雨強(qiáng)為25 mm/h。各場次降雨的具體雨強(qiáng)和前期土壤含水率見表2。

試驗采用人工計量的方式對降雨過程中的地表徑流進(jìn)行觀測，在產(chǎn)流過程中每隔3 min采集一次徑流樣，降雨停止后的退水過程每隔1 min采集一次。降雨過程中土壤含水率的變化使用EM50數(shù)據(jù)采集器實時采集，采集時間間隔為1 min。

2 結(jié)果分析

2.1 前期土壤含水率和坡度對產(chǎn)流量的影響

前期土壤含水率相同、不同坡度條件下的降雨產(chǎn)流過程見圖2。由該圖可知：當(dāng)前期土壤含水率相同時，產(chǎn)流量隨坡度的增加而增大，這與王占禮等[3]的研究結(jié)果相一致。當(dāng)前期土壤含水率θ=020時，三種坡度的產(chǎn)流量均未達(dá)到穩(wěn)定，且坡度從5°增加到15°時，產(chǎn)流量增加了144%；在θ=025和θ=030的條件下，則均在產(chǎn)流后30 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流，且坡度每增加5°，穩(wěn)定產(chǎn)流量約增加10%。然而，在前期土壤含水率為025時，坡度為15°的產(chǎn)流量卻小于坡度為10°和5°的產(chǎn)流量，原因是坡度為15°的土槽由于人為因素造成土壤表面出現(xiàn)裂縫，使得坡度為15°的土槽降雨產(chǎn)流過程受到了影響。

坡度相同、不同前期土壤含水率條件下的降雨產(chǎn)流過程見圖3。由該圖可知：坡度相同時，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流量越大。這是由于隨著土壤含水率的增高，土壤入滲能力不斷降低，進(jìn)而使產(chǎn)流量不斷增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下產(chǎn)流量的增加速率差異較大，前期土壤含水率θ=020時，產(chǎn)流后徑流量增加緩慢且降雨過程中未達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流。而θ=025和θ=030時，產(chǎn)流后徑流量迅速增加至穩(wěn)定狀態(tài)；相同坡度下，前期土壤含水率從025增加至030，穩(wěn)定產(chǎn)流量約增加10%。

不同坡度和前期土壤含水率的降雨產(chǎn)流試驗，在起始產(chǎn)流至產(chǎn)流剛達(dá)到穩(wěn)定的時段內(nèi)，單位時間產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)y=aln（x）+b關(guān)系（見表3）。

2.2 不同坡度/前期土壤含水率對累積徑流

量的影響分析 對不同坡度和前期土壤含水率的累積徑流量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)：在產(chǎn)流過程中累積徑流量幾乎均呈線性變化趨勢，其確定性系數(shù)均在09以上（見表4），且均通過顯著水平α=001的方差分析和檢驗。表4中參數(shù)a和b分別表示擬合曲線的斜率和截距。通過對比不同條件下斜率a可發(fā)現(xiàn)：累積徑流量的變化速率整體上隨前期土壤含水率和坡度的增加而增大。然而，在前期土壤含水率為025時，坡度為15°的斜率值明顯小于5°和10°，其原因是由于土壤表面出現(xiàn)裂縫，使得在降雨過程中土壤入滲總量變大，導(dǎo)致累積徑流量增加緩慢。

2.3 不同坡度/前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時

的影響分析

坡度和前期土壤含水率是影響產(chǎn)流滯時的兩個重要因素[1316]。不同坡度和前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時的影響見圖4。試驗結(jié)果表明：相同坡度下，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流滯時越短。在前期土壤含水率θ=020時，三種坡度的產(chǎn)流滯時均在70 min以上，而在θ=025和θ=030時，均在35 min以內(nèi)產(chǎn)流。對比不同坡度與前期土壤含水率下的產(chǎn)流滯時可以發(fā)現(xiàn)：前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時的影響較坡度更加明顯，這與陳洪松等[5]的研究結(jié)果相一致。

2.4 不同坡度和前期土壤含水率對土壤入

滲率的影響

土壤入滲率是描述降雨條件下坡地水文過程的一個重要指標(biāo)，其變化可影響徑流的形成過程[1721]。為研究降雨過程中土壤入滲率的變化特征，本文采用水量平衡的方法，對不同坡度和前期土壤含水率下的土壤入滲率進(jìn)行計算。不同坡度和前期土壤含水率條件下土壤入滲率曲線見圖5。從圖5可以看出，降雨開始后，土壤含水率隨著降雨歷時的增加而增大，然而，由于降雨強(qiáng)度小于土壤入滲率，致使降雨全部入滲，無地表徑流產(chǎn)生，因此入滲曲線在地表徑流產(chǎn)生前是一條直線；當(dāng)土壤入滲率小于降雨強(qiáng)度時，開始產(chǎn)生地表徑流；當(dāng)土壤含水率達(dá)到田間持水量時，此時土壤入滲率趨于穩(wěn)定。同時，在相同坡度下，前期土壤含水率越大，土壤入滲率曲線越陡、下降速率越快。

采用傳統(tǒng)的降雨入滲模型Kostiakov模型[22]、Horton 模型[23]以及Philip 模型[24]對不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入滲關(guān)系進(jìn)行回歸分析（見表5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同降雨條件下，Horton 入滲模型擬合結(jié)果較好，而Kostiakov 模型和Philip 模型的計算結(jié)果精度相對較低。從而說明，對于試驗區(qū)域的砂壤土而言，Horton入滲模型用以估算土壤入滲率以及入滲量具有較好的適應(yīng)性，該結(jié)論與相關(guān)學(xué)者[1，2，7]的研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文采用人工模擬降雨的方法對華北半干旱區(qū)裸地不同坡度和前期土壤含水率條件下的降雨產(chǎn)流過程進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果如下。

（1）徑流量隨坡度/前期土壤含水率的增加而增大，在起始產(chǎn)流至產(chǎn)流剛達(dá)到穩(wěn)定的時段內(nèi)，產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系；產(chǎn)流過程中，累積徑流量與降雨歷時呈現(xiàn)線性關(guān)系。

（2）在降雨產(chǎn)流過程中，坡度和前期土壤含水率越大，產(chǎn)流滯時越短，且前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時的影響較坡度更加明顯。

（3）土壤入滲率隨產(chǎn)流歷時的增加而不斷減小。在相同坡度下，土壤入滲率的變化趨勢受前期土壤含水率的影響較大，其變化速率隨前期土壤含水率的增加而增大；同時，與前期土壤含水率相比，坡度對土壤入滲率的影響程度則相對較低。

（4）采用Kostiakov模型、Horton 模型以及Philip 模型對不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入滲關(guān)系進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，Horton 模型的模擬結(jié)果優(yōu)于其它兩種模型。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] MU Wenbin，YU Fuliang，LI Chuanzhe，et al.Effects of rainfall intensity and slope gradient on runoff and soil moisture content on different growing stages of spring maize[J].Water，2015（7）：29903008.

[2] ZHAO NaNa，YU Fuliang，LI Chuanzhe，et al.Investigation of rainfallrunoff processes and soil moisture dynamics in grassland plots under simulated rainfall conditions[J].Water，2014，6（9）：26712689.

[3] 王占禮，黃新會，張振國，等.黃土裸坡降雨產(chǎn)流過程試驗研究[J].水土保持通報.2005，25（4）：14.（WANG Zhanli，HUANG Xinhui，ZHANG Zhenguo，et al.Experimental study of runoff processes on bare loess hillslope[J].Bulletin of Soil and Water Conservation.2005，25（4）：14.（in Chinese））

[4] 孔剛，王全九，樊軍，等.前期含水量對坡面降雨產(chǎn)流和土壤化學(xué)物質(zhì)流失影響研究[J].土壤通報，2008，39（6）：13951399.（KONG Gang，WANG Quanjiu，F(xiàn)AN Jun，et al.Effects of initial water content on hillslope rainfall in filtration and soil nutrient loss[J].Chinese Journal of Soil Science，2008，39（6）：13951399.（in Chinese））

[5] 陳洪松，邵明安，張興昌，等.野外模擬降雨條件下坡面降雨入滲、產(chǎn)流試驗研究[J].水土保持學(xué)，2005，19（2）：58.（CHEN Hongsong，SHAO Mingan，ZHANG Xingchang，et al.Field experiment on hillslope rainfall infiltration and runoff under simulated rainfall conditions[J].Journal of Soil and Water Conservation，2005，19（2）：58.（in Chinese））

[6] 王輝，王全九，邵明安.前期土壤含水量對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性影響的模擬試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（5）：6568.（WANG Hui，WANG Quanjiu，SHAO Mingan.Simulation experiment of effect of antecedent soil moisture content on characteristics of runoff and sediment from two soil sloping lands[J].Transactions of the CSAE，2008，24（5）：6568.（in Chinese））

[7] 趙娜娜.土壤水分變化對降雨產(chǎn)流響應(yīng)機(jī)理的影響研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2014.（ZHAO Nana.Soil moisture dynamics and responsed to runoff processes at hillslope scale：experimental analysis and modeling[D].Beijing：China Institute of Water Resource and Hydropower Research，2014.（in Chinese））

[8] 張向炎，史學(xué)正，于東升，等.前期土壤含水量對紅壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性的影響[J].水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（1）：2329.（ZHANG Xiangyan，SHI Xuezheng，YU Dongsheng，et al.Effects of antecedent soil moisture on hillslope runoffgeneration and soil erosion over red soil.mantled landscapes[J].Advances in Water Science，2010，21（1）：2329.（in Chinese））

[9] 李樹利，彭培好，王玉寬，等.雨前土壤含水量對紫色土坡耕地地表產(chǎn)流過程的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36 （35）：1559315595.（LI Shuli，PENG Peihao，WANG Yukuan，et al.Effect of soil water content before rainfall on surface runoff yield process in farmland in purple slope land[J].Journal of Anhui Agri.Sci，2008，36 （35）：1559315595.（in Chinese））

[10] 孫明.下墊面含水狀態(tài)與降雨產(chǎn)流關(guān)系研究[J].山西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，30（1）：125128.（SUN Ming.Study on the relationships between the soil moisture condition of underlying surface and rainfallrunoff[J].Journal of Shanxi University：Nat.Sci.Ed，2007，30（1）：125128.（in Chinese））

[11] 韓廷印，孫英志.基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降雨產(chǎn)流預(yù)測研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2009，7（5）：5759.（HAN Tingyin，SUN Yingzhi.Rainfall runoff prediction based on radial basis function neural network[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2009，7（5）：5759.（in Chinese））

[12] 史致男.不同降雨特性對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.（SHI Zhinan.Impact of different rainfall characteristics on both runoff and erosion processes[D].Hangzhou：Zhejiang University，2014.（in Chinese））

[13] Esteves M，Lapetite J M.A multiscale approach of runoff generation in a Sahelian gully catchment：a case study in Niger[J].Catena，2003，50（2）：255271.

[14] 袁建平，蔣定生，甘淑.影響坡地降雨產(chǎn)流歷時的因子分析[J].山地學(xué)報，1999，17（3）：259264.（YUAN Jianping，JIANG Dingsheng，GAN Shu.Factors affecting rainfallrunoff duration on sloping land[J].Journal of Mountain Science，1999，17（3）：259264.（in Chinese））

[15] 李雪峰，李亞峰，樊福來.降雨入滲補(bǔ)給過程的研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2004，2（3）：3335.（LI Xuefeng，LI Yafeng，F(xiàn)AN Fulai.Experimental research on the process of rainfall infiltration feeding[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2004，2（3）：3335.（in Chinese））

[16] Hino M，Odaka Y，Nadaoka K，et al.Effect of initial soil moisture content on the vertical infiltration process—A guide to the problem of runoffratio and loss[J].Journal of Hydrology，1988，102（1）：267284.

[17] HUANG Jun，WU Pute，ZHAO Xining.Effect of rainfall intensity，underlying surface and slope gradient on soil infiltration under simulated rainfall experiments[J].Catena，2013，104 （5）：93102.

[18] 石生新.高強(qiáng)度人工降雨條件下影響入滲速率因素的試驗研究[J].水土保持通報，1992，12（2）：4954.（SHI Shengxin.A testing study of factors affecting infiltration rate under artificial rainfall with high intensity[J].Bulletin of Soil and Water Conservation，1992，12（2）：4954.（in Chinese））

[19] 李琪，蘇歡，吳東麗，等.降雨對鄭州市土壤水分下滲的影響[J].節(jié)水灌溉，2015（8）：5862.（LI Qi，SU Huan，WU Dongli，et al.Effect of rainfall on soil moisture infiltration in zhengzhou[J].Water Saving Irrigation，2015（8）：5862.（in Chinese））

[20] 吳佳，王林華，李占斌，等.中小雨強(qiáng)下谷子坡地的降雨入滲特征模擬[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，43（6）：17.（WU jia，WANG Linhua，LI Zhanbin，et al.Simulation of soil infiltration in millet sloping field under medium rainfall intensity[J].Journal of Northwest A & F University ：Nat.Sci.Ed.，2015，43（6）：17.（in Chinese））

[21] 趙娜娜，于福亮，李傳哲，等.降水入滲及土壤水分變化對產(chǎn)流過程影響研究進(jìn)展[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12（2）：111115.（ZHAO Nana，YU Fuliang，LI Chuanzhe，et al.Review on effect of rainfall infiltration and soil moisture variation on the rainfall runoff process[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2014，12（2）：111115.（in Chinese））

[22] Kostiakov A N.On the dynamics of the coefficient of waterpercolation in soil and on the necessity for studying it from a dynamic point of view for purposes of amelioration[C].Paris：International Soil Science Society，1932.

[23] Horton R E.An approach toward a physical interpretation of infiltration capacity[J].Soil Science Society of American Journal，1940，5（C）：399417.

[24] Philip J R.The theory of infiltration：5.The influence of the initial moisture content[J].Soil Science，1957，84（4）：329340.