雨強和地表糙度對坡面微地形及侵蝕的影響

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(長江科學(xué)院 水土保持研究所， 武漢 430010)

1 研究背景

雨強和地表糙度是影響土壤侵蝕過程的重要因素[1-3]。雨強不僅直接影響降雨侵蝕力，還影響坡面的產(chǎn)流方式和徑流水動力學(xué)特征[4]；地表糙度對地表徑流產(chǎn)流方式、特征、入滲過程及侵蝕產(chǎn)沙過程也有重要影響[5-6]。由于試驗土壤類型、研究方法、測量手段等的不同，目前關(guān)于地表糙度對坡面侵蝕過程的影響研究結(jié)果還存在分歧。有學(xué)者認(rèn)為地表糙度可增大坡面流填洼量及徑流阻力，使徑流流速變緩，徑流剪切力降低，侵蝕作用減弱[7-14]，而部分學(xué)者認(rèn)為地表糙度對坡面侵蝕的影響存在不確定性[15]，降雨初期粗糙坡面侵蝕量小于光滑坡面侵蝕量，但隨著侵蝕過程的進一步發(fā)展，粗糙度對侵蝕量的影響幾乎沒有差別[16]。地表糙度作為坡面微地形因子之一，會伴隨著侵蝕過程的發(fā)生而變化，其變化又反過來影響坡面徑流的流向和流態(tài)[8, 15]，進而影響侵蝕產(chǎn)沙過程[17]。已有的粗糙度與侵蝕關(guān)系的研究注重分析粗糙度對坡面侵蝕特征的影響[18-23]，而未考慮雨強和粗糙度共同作用下坡面侵蝕產(chǎn)沙與地表微地形變化的關(guān)系。

本文通過不同雨強和地表糙度條件下的人工模擬降雨試驗，結(jié)合近景攝影測量技術(shù)，獲得高精度坡面微地形因子及其變化量，探討不同雨強和地表糙度下坡面侵蝕產(chǎn)沙與微地形變化的關(guān)系，為揭示地表糙度對土壤侵蝕的影響機理和建立坡面土壤侵蝕模型提供依據(jù)。

表1 試驗土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of experimental soil

2 試驗材料與方法

2.1 供試土壤

試驗土壤取自武漢沌口防洪模型基地坡耕地0～20 cm表層土壤。試驗土樣屬于中國土壤系統(tǒng)分類(2001)中的紅壤，屬于美國土壤分類系統(tǒng)(U. S. Soil Taxonomy USDA 1999)中的老成土(Ultisols)。自然風(fēng)干后，過10 mm篩除去礫石和植物根系等雜質(zhì)，以保證土壤顆粒的均質(zhì)性。試驗土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

2.2 試驗過程

試驗時間為2016年7月—2016年10月，試驗方法為人工模擬降雨法。試驗用可變坡土槽尺寸為2 m×1 m×0.5 m(長×寬×深)，坡度設(shè)置為10°。在裝填土壤之前，先在土槽底部裝填20 cm厚的碎石，以保持良好的透水性。在碎石上鋪一層紗布后再裝填土壤，土層厚度20 cm，采用分層裝填法，每層裝填完之后用實心方木錘擊壓實。土槽裝土完成后，在土槽長邊和寬邊各布置2個十字絲控制點，并測出沿土槽4邊兩兩相鄰控制點的距離，以便計算各個控制點的坐標(biāo)值。

試驗開始前，為了保證每次試驗前期土壤含水量基本一致，先在坡面上降一場小雨，雨強為30 mm/h，降雨量控制在10 mm，試驗前，在坡面上隨機選取4個點，取表層土樣，采用烘干法測土壤含水量。每次試驗結(jié)束后，更換土槽內(nèi)的土，以保證每次試驗前土壤基本情況一致。試驗設(shè)計0.5，1.0，1.5，2 mm/min 4個雨強。試驗前對雨強進行率定，率定時以五點法布設(shè)雨量筒，取其平均值。

正式降雨試驗開始之前，2個土槽的坡面分別作“光滑”和“粗糙”的處理，其中光滑坡面保持填土完成后坡面壓實刮平的原狀，粗糙坡面用小鋤頭對坡面鋤挖形成，糙度主要由土塊和鋤挖痕跡構(gòu)成。每次試驗，詳細(xì)觀測徑流產(chǎn)流過程并收集徑流量與泥沙樣，記錄初始產(chǎn)流時間，產(chǎn)流初期，每2 min取一個徑流泥沙樣，10 min后每5 min取一個徑流泥沙樣，直至產(chǎn)流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)是通過觀察相同時間段內(nèi)收集的徑流量的體積來判斷。徑流收集用50 mL的燒杯，并記錄接樣的時間，換算成產(chǎn)流率，烘干法測泥沙干質(zhì)量，換算成產(chǎn)沙率。

試驗開始前和結(jié)束后，利用帶有定焦鏡頭的佳能5D Mark IV單反相機分別對降雨前和降雨后的坡面進行拍照，拍照時相機與坡面成45°角，在前、左、右3個方向上各拍3張。

表2 產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)Table 2 Parameters of runoff and sediment yield

注：產(chǎn)流率為產(chǎn)流穩(wěn)定之后的平均產(chǎn)流率，產(chǎn)沙率為產(chǎn)沙穩(wěn)定之后的平均產(chǎn)沙率

圖1 11×11窗口示意圖Fig1 Diagrammatic drawing of 11×11 window

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用加拿大EOS公司生產(chǎn)的Photo Modeler Scanner 6.5近景攝影測量系統(tǒng)對圖片進行對齊、拼接處理，并在同一坐標(biāo)下(以土槽出口端右角點為坐標(biāo)原點，沿著土槽長邊為Y軸，沿土槽寬邊為X軸)生成密集點云數(shù)據(jù)，最后把拼接成果導(dǎo)出為坡面微地形數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)文件。利用ArcGIS10.0提取地表糙度(Roughness，R)和另外3個常規(guī)的地形因子地形起伏度(Relief Amplitude，RA)、地表切割度(Surface Incision，SI)、洼地蓄積量(Depression Storage，DS)來表征坡面微地形[24-25]。

(1)R是地表柵格單元曲面面積與投影面積之比，提取時先用ArcGIS10.0中的表面分析中坡度(slope)工具，獲得坡度數(shù)據(jù)層，命名為slope，然后在Spatial Analyst下使用Raster Calculator計算粗糙度，即

R=1/cos([slope]·π/180)。

(1)

(2)RA是指在一個特定區(qū)域內(nèi)，地表單元最高點與最低點高程的差值，其計算式為

RA=Hmax-Hmin。

(2)

式中:Hmax為分析區(qū)域內(nèi)最大高程值(mm)；Hmin為分析區(qū)域內(nèi)最小高程值(mm)。本文中通過ArcGIS柵格鄰域計算工具Neighborhood Statistics設(shè)置鄰域大小11×11的矩形作為分析窗口進行分析獲取，如圖1所示。

(3)SI是指在一個特定區(qū)域內(nèi)，地表單元高程平均值與最小值之差，其計算式為

SI=Hmean-Hmin。

(3)

式中:Hmean是分析窗口內(nèi)高程平均值(mm)；Hmin是分析窗口內(nèi)高程最小值(mm)。

(4)DS是指坡面洼地被填滿所需雨水的體積，采用Jenson和Domingue算法[26]，先用J & D算法對原始DEM進行洼地填充，生成無洼地的DEM；然后通過ArcGIS的Raster Calculator工具，用填充過的DEM減去原始DEM，求出均值；最后用坡面面積乘以該均值，即得到洼地蓄積量(L)。

對以上提取的數(shù)據(jù)的平均值進行數(shù)理統(tǒng)計分析，使用SPSS對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡面產(chǎn)流及侵蝕產(chǎn)沙特征

3.1.1 坡面產(chǎn)流特征

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了坡面在不同雨強、不同粗糙度條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征(見表2)。

從表2中數(shù)據(jù)可見：在相同的地表處理方式下，產(chǎn)流時間隨雨強增大而減??；相同雨強條件下，產(chǎn)流時間隨地表糙度增大而增大；在雨強呈倍數(shù)增大時，產(chǎn)流時間并不呈等同的倍數(shù)減小，這可能是不同雨強下的產(chǎn)流方式不同引起的[27]。地表糙度越大，地表的填洼量越大，致使粗糙坡面的產(chǎn)流滯后于光滑坡面，0.5，1，1.5，2 mm/min雨強下，粗糙坡面產(chǎn)流時間滯后光滑坡面的產(chǎn)流時間分別為12，8，2.41，1.3 min；雨強越大，地表糙度對坡面產(chǎn)流時間的延緩作用越弱，這主要與大雨強條件下，雨滴對坡面土壤的打擊能力強，加劇了坡面土壤團聚體的破碎與剝蝕，部分被雨滴濺散的土粒填塞了坡面土壤孔隙，促進了土壤表層結(jié)皮發(fā)育，從而減弱了地表糙度對初始產(chǎn)流時間的延緩作用。

由圖2可知，不同雨強和地表糙度條件下坡面的產(chǎn)流率隨時間的變化特點為：隨著降雨時間的延長，產(chǎn)流率逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定；相同雨強、不同地表糙度條件下，光滑坡面的產(chǎn)流率在產(chǎn)流初期明顯大于粗糙坡面的產(chǎn)流率，但后期這種差異逐漸縮小，這主要與產(chǎn)流初期，粗糙坡面洼地蓄水和較低的徑流速度有效增加了雨水的入滲，導(dǎo)致光滑坡面的產(chǎn)流率大于粗糙坡面的產(chǎn)流率；產(chǎn)流后期，光滑坡面和粗糙坡面地表糙度差異進一步縮小且土壤含水量趨于飽和，導(dǎo)致光滑坡面和粗糙坡面產(chǎn)流率大小趨于一致。

圖2 產(chǎn)流率Fig.2 Rate of runoff yield

3.1.2 坡面產(chǎn)沙特征

從圖2和圖3可以看出，粗糙坡面產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率變化趨勢基本一致，但光滑坡面產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率變化趨勢有著顯著差異。在1.0，1.5，2.0 mm/min雨強下，光滑坡面產(chǎn)沙率在產(chǎn)流開始后3 min內(nèi)迅速增加并達(dá)到整個產(chǎn)沙過程的峰值，峰值分別為4.59，6.34，9.74 g/(m2·min)，之后產(chǎn)沙率迅速降低并最終趨于穩(wěn)定；粗糙坡面的產(chǎn)沙率在產(chǎn)流開始后3 min內(nèi)也達(dá)到高峰，峰值分別為0.30,0.94,1.34 g/(m2·min)，之后產(chǎn)沙率基本趨于穩(wěn)定。

圖3 產(chǎn)沙率Fig.3 Rate of sediment yield

相同雨強條件下，光滑坡面的產(chǎn)沙峰值遠(yuǎn)大于粗糙坡面的產(chǎn)沙峰值。其原因主要是在產(chǎn)沙初期，光滑坡面侵蝕機制為“剝蝕限制”型，坡面侵蝕產(chǎn)沙量的大小主要受徑流搬運能力的制約，而粗糙坡面由于地表粗糙凹凸不平，雨滴擊濺破壞的坡面土壤顆粒在向下輸移過程中易于沉積在坡面上，只有顆粒較小的泥沙才能被徑流輸移，因此粗糙坡面侵蝕機制為“搬運限制”型。隨著試驗的繼續(xù)，光滑坡面由于土壤結(jié)皮的發(fā)育，土壤抗蝕能力增強，盡管徑流剪切力增大，但仍不足以剝蝕破壞更多土壤顆粒，因此，產(chǎn)沙率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。而粗糙坡面由于泥沙在輸移過程中的沉降和填充，凹凸不平的地表逐漸趨于平整，加之結(jié)皮的發(fā)育，坡面產(chǎn)沙也趨于穩(wěn)定。但由于形成結(jié)皮的特點不同，粗糙坡面的結(jié)皮為沉積結(jié)皮，相比與光滑坡面的結(jié)構(gòu)性結(jié)皮而言，更致密，抗蝕能力更強，因此抵抗徑流剪切的能力也更強，侵蝕產(chǎn)沙率也更低。

3.2 坡面微地形變化特征

圖4為雨強2 mm/min條件下粗糙坡面降雨前后的坡面微地形因子數(shù)值在空間上的分布情況。

坡面微地形因子的變化能間接反映坡面侵蝕程度，在2種不同坡面處理方式和4個雨強條件下，計算了地形因子的變化值(見表3)。

從表3可見，在0.5,1,1.5,2 mm/min雨強下，降雨結(jié)束后，和降雨前坡面比較，光滑坡面的地表糙度減幅依次為0.3%,0.6%,1.3%,1.5%；地形起伏度減幅依次為0.9%,5.8%,8.3%,11.1%；地表切割度減幅依次為1.2%,5.5%,17.4%,19.5%；洼地蓄積量減幅分別為6.6%,15.5%,32.0%,35.3%，粗糙坡面地表糙度減幅依次為5.5%,8.5%,11.5%,16.9%；地形起伏度減幅依次為16.4%,18.7%,19.6%,30.4%；地表切割度減幅依次為14.9%,16.1%,17.1%,27.3%；洼地蓄積量減幅依次為19.6%,21.6%,36.2%,50.0%。

圖4 坡面微地形因子數(shù)值量在空間上的分布Fig. 4 Spatial distribution of microtopographic factors in slope

從上述4個微地形因子的變化情況看，試驗后均表現(xiàn)出一定程度上的減小。這是因為在降雨過程中，團聚體受雨滴擊打、徑流浸潤作用發(fā)生崩解分散后，隨雨滴和徑流發(fā)生遷移，部分在平緩或低洼處沉積，導(dǎo)致不同坡度下地表微地形高差均有不同程度的縮小[28]。隨著雨強的增大，坡面微地形因子的減小幅度也增大，表明坡面處理方式相同的情況下，大雨強對地表的平滑作用更加明顯，粗糙處理方式下坡面的地形因子變化幅度整體上要大于光滑處理下坡面地形因子的變化幅度，說明坡面微地形的變化與雨強大小和初始地表糙度有關(guān)。雨強越大，雨滴對坡面的擊打作用越強，徑流能量越大，對坡面細(xì)溝的下切作用越強且搬運泥沙的能力越強；初始地表糙度越大，地表凸起和凹陷越多，凸起的土粒很容易被徑流侵蝕并搬運至凹陷處沉積，相同雨強下，糙度越大的坡面微地形的變化越明顯，對侵蝕的響應(yīng)更強。降雨后期粗糙坡面的光滑坡面的坡面微地形的差距縮小，這也從坡面微地形變化的角度解釋了光滑坡面和粗糙坡面產(chǎn)流率在產(chǎn)流初期相差較大，產(chǎn)流后期逐漸趨于一致的原因。

表3 降雨前后地形因子變化Table 3 Changes of topography factorsbefore and after rainfall

3.2.3 坡面微地形與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系

為說明坡面微地形因子與產(chǎn)流產(chǎn)沙間的聯(lián)系，分別對坡面光滑和粗糙坡面降雨前后4個微地形因子的變化量及產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率、累積徑流量、累積產(chǎn)沙量作相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，光滑坡面和粗糙坡面的4個地形因子變化量均呈顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在在0.926以上(P<0.05)，說明坡面在受降雨侵蝕坡面微地形變化過程當(dāng)中，坡面微地形因子之間具有較高的響應(yīng)度。累積產(chǎn)沙量、累積產(chǎn)流量等產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)與地表糙度等微地形因子的變化量之間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)均在0.934以上(P<0.05)，說明微地形因子的變化量與水土流失量之間有良好的線性關(guān)系，可以通過坡面微地形因子的變化量來預(yù)測坡面的水土流失量。

由表3和表4可知，處理方式相同的坡面，隨雨強的增大，地形因子的變化量也隨之增大，產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)與地形因子變化量之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，但是，這種正相關(guān)只在坡面處理方式相同時才成立。相同雨強和降雨歷時下，粗糙坡面的微地形因子變化量要大于光滑坡面，但粗糙坡面水土流失量均要小于光滑坡面。以地表糙度變化量和累積產(chǎn)沙量為例說明，在0.5，1.0，1.5，2 mm/min雨強下，降雨后，光滑坡面地表糙度變化量分別為0.003， 0.007，0.014，0.016，累積產(chǎn)沙量分別為2.865， 49.116，95.057，131.698 g/m2；粗糙坡面的地表糙度變化量分別為0.075，0.114，0.162，0.237，累積產(chǎn)沙量分別為1.655，11.894，36.841，75.736 g/m2，可以看出，粗糙坡面的地表糙度變化量大于光滑坡面，但是粗糙坡面的累積產(chǎn)沙量量要小于光滑坡面，說明在建立坡面侵蝕產(chǎn)沙模型時，不能僅僅根據(jù)微地表微地形因子的變化量來預(yù)測坡面的水土流失量，還要考慮初始地表糙度的影響。

表4 地形因子變化量、產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Coefficient of correlation between topographic factors variation and parameters of runoff and sediment

注：Δ，變化量；*. 在置信度(雙測)為0.05時，相關(guān)性是顯著的；**. 在置信度(雙測)為0.01時，相關(guān)性是顯著的；“()”內(nèi)數(shù)值表示地表粗糙時地形因子變化量、產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

(1)與光滑地表相比，粗糙地表只在在降雨初期能有效減少產(chǎn)流，隨著降雨時間延長，2種坡面的產(chǎn)流率趨于一致。

(2)在試驗選取的4個雨強下，粗糙坡面和光滑坡面的產(chǎn)流率均呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，粗糙坡面產(chǎn)沙率和產(chǎn)流率變化規(guī)律一致；但光滑坡面產(chǎn)沙率表現(xiàn)出在產(chǎn)流初期迅速增大，而后呈降低并趨于穩(wěn)定的趨勢。

(3)在試驗條件下，降雨后，光滑和粗糙坡面的4個微地形因子值均減小，坡面均趨向于平緩光滑。相同坡面處理方式和降雨歷時下，4個微地形因子隨降雨侵蝕力的增大，參數(shù)值減幅增大。相同雨強和降雨歷時下，粗糙坡面的地形因子變化幅度明顯大于光滑坡面地形因子的變化幅度，即粗糙坡面的微地形變化對侵蝕的響應(yīng)比光滑坡面強。

(4)降雨前后微地形因子變化量與產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)(產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率、累積產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量)之間呈顯著的正相關(guān)，但這種正相關(guān)性僅僅只能建立在初始坡面處理方式相同的條件下；在不同的坡面處理方式下，坡面微地形因子的變化量大小和與水土流失量大小并不對應(yīng)。

(編輯：王 慰)