基于人工模擬降雨的黃潮土坡面侵蝕規(guī)律研究

許 滸，王 健，索梅芹，王振龍，胡永勝，周 超

(1.安徽省(水利部淮委)水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000；2.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021)

0 引 言

淮北平原多坡地，平原坡地占比為68%，地勢西北高而東南低。其中，黃潮土占淮北平原總面積的33%，主要分布在蕭縣、碭山、亳州等平原區(qū)和低山殘丘坡地區(qū)，最大坡度在10°左右。該地區(qū)自然降水資源的70%以上集中在夏季，多以暴雨形式出現(xiàn)，地表徑流量大，易造成土壤侵蝕。杜明成[1]等通過人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)分析了黃潮土在多雨強(qiáng)變坡度產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，認(rèn)為雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響略大于坡度。雨強(qiáng)作為與土壤侵蝕相關(guān)的重要的條件，已有許多研究成果，An[2]、Wu[3]等通過對(duì)不同雨強(qiáng)和不同性質(zhì)土壤的降雨侵蝕實(shí)驗(yàn)認(rèn)為雨強(qiáng)是與土壤侵蝕關(guān)系最密切的降雨因子。張夢[4]等通過人工降雨試驗(yàn)對(duì)黃土坡面進(jìn)行侵蝕研究表明，在相同坡度下，坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)，降雨過程中侵蝕強(qiáng)度上下波動(dòng)，降雨強(qiáng)度越大，波動(dòng)值越大。姜芃等利用稀土示蹤法在人工降雨條件下在南方坡耕地水土流失研究中得出坡面侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加；不同坡段的侵蝕量有所不同，上坡段占總侵蝕量的10%左右，而中、下坡段占總侵蝕量的90%左右[5]。坡面土壤侵蝕地形條件包括坡度、坡長等，地形條件與侵蝕量關(guān)聯(lián)性很大[6-10]。在不同坡度下紫色土土壤侵蝕的研究顯示，產(chǎn)沙率隨坡度的增大速率先上升而后趨于穩(wěn)定，坡度對(duì)產(chǎn)沙量的影響最大[11]。張少博等基于前人對(duì)臨界坡度的研究，分析了坡度對(duì)伊犁河流域土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)該流域土壤侵蝕區(qū)域主要集中在10°～15°的雪線以下至洪積平原由陡變緩的區(qū)域，此區(qū)域土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)易被破壞，進(jìn)而形成土壤侵蝕[12]。陳思旭[13]等通過對(duì)南方丘陵區(qū)土壤進(jìn)行降雨侵蝕研究得出海拔200～500 m坡度在15°～25°范圍的地區(qū)的侵蝕最為嚴(yán)重。本文采用人工模擬降雨方法，通過對(duì)不同雨強(qiáng)和坡度下黃潮土產(chǎn)流產(chǎn)沙及入滲分析，得出降雨侵蝕規(guī)律，對(duì)淮北平原水土保持和環(huán)境保護(hù)具有參考意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2020年6月～7月，在五道溝水文實(shí)驗(yàn)站人工降雨實(shí)驗(yàn)場進(jìn)行。人工模擬降雨裝置為西安清遠(yuǎn)QYJY—503型移動(dòng)式人工模擬降雨系統(tǒng)，徑流小區(qū)為固定坡長可調(diào)坡度的變坡鋼槽，尺寸為8 m×4 m×2 m，回填黃潮土取自蕭縣楊樓鎮(zhèn)農(nóng)田，取土后分層回填并自然密實(shí)，底部設(shè)置30 cm過濾層。實(shí)驗(yàn)區(qū)近30年實(shí)測最大雨強(qiáng)為78 mm/h，本次實(shí)驗(yàn)選定40、60、80 mm/h 3種雨強(qiáng)和3°、6°、9°、12°等4種坡度。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次，共進(jìn)行了36組人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)，每次降雨歷時(shí)60 min。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)流量和泥沙濃度數(shù)據(jù)由位于鋼槽底部傳感器間隔1 min自動(dòng)采集，侵蝕量由測量的泥沙濃度與產(chǎn)流量的乘積得出。不同埋深的土壤含水率由預(yù)先埋設(shè)的TDR315H土壤水分傳感器測出。鋼槽內(nèi)沿坡面方向上、中、下3個(gè)位置，分別在垂向距地表0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1.5 m深處埋設(shè)了TDR315H土壤水分傳感器共21個(gè)，采集頻率為1次/10 min。實(shí)驗(yàn)在夜晚或凌晨無風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行，人工降雨裝置實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行雨強(qiáng)率定和均勻度檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前24 h預(yù)先采用25 mm/h雨強(qiáng)進(jìn)行預(yù)降雨，坡面即將產(chǎn)流時(shí)停止降雨，使每次實(shí)驗(yàn)前表層土壤含水率相差不超過2%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度、雨強(qiáng)對(duì)坡面產(chǎn)流過程的影響

不同雨強(qiáng)、坡度實(shí)測產(chǎn)流過程如圖1所示。由圖1可知，各雨強(qiáng)產(chǎn)流量隨坡度的變化均有較好的規(guī)律性：在降雨初期，經(jīng)過短暫的初損時(shí)間后坡面流會(huì)迅速增大直至穩(wěn)定產(chǎn)流，這與杜明成[1]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)殡S著土壤入滲使含水率增大，土壤入滲率迅速減小達(dá)到穩(wěn)滲，而雨強(qiáng)保持不變，因此會(huì)形成穩(wěn)定產(chǎn)流。3種雨強(qiáng)穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間會(huì)隨著坡度的增大而減少，其中坡度為3°的穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間近20 min，而6°、9°和12°條件下的穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間則大幅縮短，尤其在大雨強(qiáng)下迅速達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流。3種雨強(qiáng)3°和6°的穩(wěn)定徑流量都十分接近，在實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 min以后3°坡面底部1 m長的坡段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生積水。這是由于在雨強(qiáng)相同情況下3°的坡度較小導(dǎo)致坡面流流速低，降雨產(chǎn)生的徑流不能迅速從集水口排除。雖然6°時(shí)鋼槽底部未產(chǎn)生積水，但流速和3°時(shí)相比幾乎沒有變化，導(dǎo)致3°和6°情況下坡面徑流量出現(xiàn)接近的情況。而隨著坡度的增加達(dá)到9°時(shí)坡面流流速迅速增加，徑流流經(jīng)坡面的時(shí)間縮短，也減少了入滲水量，這兩方面原因使徑流量在9°時(shí)出現(xiàn)了較大幅度的增長，3種雨強(qiáng)穩(wěn)定坡面徑流量分別達(dá)到了30.02、32.22 L/min和36.51 L/min，較9°時(shí)徑流量增加了41.6%、41.3%和39.7%。而隨著坡度繼續(xù)增大至12°，3種雨強(qiáng)坡面徑流量都出現(xiàn)了較9°時(shí)減小的情況，原因在于變坡鋼槽在坡度增加的過程中有效承雨面積會(huì)相應(yīng)減少。根據(jù)三角函數(shù)余弦公式可知，在角度較小時(shí)坡度的增大坡面的承雨面積變化量輕微，隨著角度的逐漸增大，坡面承雨面積減小的幅度會(huì)迅速增加，坡度增大導(dǎo)致的承接雨量減少不能忽略。

圖1 相同雨強(qiáng)不同坡度坡面徑流過程

2.2 不同坡度、雨強(qiáng)對(duì)坡面侵蝕過程的影響

相同雨強(qiáng)不同坡度的坡面侵蝕過程規(guī)律較產(chǎn)流過程復(fù)雜，侵蝕量和徑流量、泥沙濃度大小關(guān)系密切，坡面侵蝕過程如圖2所示。在40 mm/h雨強(qiáng)下，坡面侵蝕率與坡度呈正相關(guān)，在3°坡和6°坡侵蝕產(chǎn)沙量由0增至穩(wěn)定值需要20 min，上升過程較為平緩，而隨著坡度繼續(xù)增大至9°和12°，坡面出現(xiàn)徑流并迅速加大，產(chǎn)沙量也隨著迅速增大至穩(wěn)定。這一過程的泥沙濃度見表1。在6°時(shí)由13.11 g/L增至16.37 g/L，增加了24.86%，在9°和12°時(shí)泥沙濃度有所下降。12°時(shí)前期產(chǎn)沙量有較大幅度的波動(dòng)，這是因?yàn)殡S著坡度的增大，土壤顆粒受重力方向的分離也隨之增大，降雨初期土坡面表層的土壤結(jié)構(gòu)比較松散，抗沖能力差，更容易被運(yùn)輸至坡底，坡度的增大也會(huì)形成更快的流速，水流對(duì)泥沙的運(yùn)輸能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了前期坡面侵蝕產(chǎn)沙量數(shù)值變化較大，經(jīng)過20 min表面松散土壤顆粒被降雨徑流沖刷殆盡后侵蝕量波動(dòng)減小，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 相同雨強(qiáng)不同坡度下坡面侵蝕過程

表1 不同坡度雨強(qiáng)下穩(wěn)定產(chǎn)流泥沙濃度

在60 、80 mm/h兩種雨強(qiáng)下坡度對(duì)坡面侵蝕的影響具有極高的相似性，坡度從3°增至6°后產(chǎn)沙量出現(xiàn)了大幅度增加，從表中可以看出6°時(shí)泥沙濃度達(dá)到最大值，分別較3°時(shí)增加了122.68%和205.76%，泥沙濃度的陡增使得侵蝕量也大幅增加，在3°～12°坡度間達(dá)到了最大值。隨著坡度的繼續(xù)增大到9°，雖然坡面徑流量較6°時(shí)有所增加，但此時(shí)泥沙濃度與3°時(shí)相比較為接近；因此，坡面產(chǎn)沙量出現(xiàn)了大幅回落。當(dāng)坡度達(dá)到12°時(shí)，侵蝕率增幅不明顯，坡面產(chǎn)流使初期土壤表面的不穩(wěn)定的顆粒被迅速?zèng)_刷至坡底，坡面侵蝕產(chǎn)沙量出現(xiàn)短時(shí)間大幅度變化。隨著坡面徑流量的減小，產(chǎn)流穩(wěn)定后的侵蝕量進(jìn)一步減小。60、80 mm/h兩種雨強(qiáng)下6°坡度時(shí)降雨侵蝕量達(dá)到峰值，而40 mm/h雨強(qiáng)下雖然侵蝕量未達(dá)到最大值，但此時(shí)的泥沙濃度最大，說明6°為黃潮土的臨界坡度。

2.3 不同坡度累計(jì)產(chǎn)流量與累計(jì)產(chǎn)沙量的關(guān)系

由降雨引起的坡面土壤侵蝕量與坡面徑流量有著十分密切的關(guān)系，不同雨強(qiáng)和坡度實(shí)測1 h累計(jì)產(chǎn)流量和侵蝕量數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同雨強(qiáng)和坡度累計(jì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量

累計(jì)產(chǎn)流量與累計(jì)侵蝕量擬合曲線如圖3所示，點(diǎn)子的分布可以按坡度分為兩部分分別擬合線性曲線。其中，坡度6°的產(chǎn)流量與侵蝕量單獨(dú)擬合，其余3種坡度的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量一起擬合效果較好，擬合精度分別達(dá)到了0.999 7和0.894 6，擬合公式分別為y=0.113x-111.9和y=0.019x-6.216。式中，x為總產(chǎn)流量，L；y為總侵蝕量，kg。

圖3 累計(jì)產(chǎn)流量與累計(jì)侵蝕量擬合曲線

2.4 不同坡度、雨強(qiáng)坡面入滲特征分析

降雨經(jīng)過植物截留、雨間蒸發(fā)、填洼及入滲后，剩余水量形成地表徑流，在裸土的降雨徑流過程中，入滲量為主要的徑流損失。產(chǎn)流形式分為超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流，不論哪種形式的產(chǎn)流，都要滿足降雨量超過入滲量。在降雨初期，土壤較為干燥，降雨受分子力、毛管力和重力共同作迅速入滲，隨著降雨的持續(xù)，毛管孔隙逐漸充滿，土壤含水率增大，入滲速率逐漸降低，當(dāng)土壤孔隙充水達(dá)到飽和時(shí)，入滲速率主要受重力影響。降雨強(qiáng)度對(duì)入滲的影響目前仍然沒有統(tǒng)一的結(jié)論，一部分學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)得出土壤入滲率和穩(wěn)定入滲率會(huì)隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，而另一部分學(xué)者認(rèn)為降雨強(qiáng)度與降雨動(dòng)能密切相關(guān)，而較大的降雨動(dòng)能會(huì)加速土壤結(jié)皮，從而影響降雨入滲。實(shí)驗(yàn)選取60 mm/h雨強(qiáng)時(shí)3°、6°、9°、12° 4個(gè)坡度和40、60 mm/h和80 mm/h 3個(gè)雨強(qiáng)9°坡度時(shí)的降雨入滲過程進(jìn)行分析(見圖4)。

圖4 不同坡度和雨強(qiáng)下降雨入滲過程

由圖4可知，不同埋深的土層土壤含水率變化差異較大，埋深0.5m以內(nèi)的土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)較為敏感，土壤含水率隨著降雨過程的持續(xù)而逐漸增大，且表現(xiàn)為土壤埋深越大，變化程度越小，埋深大于0.5m的土壤含水率幾乎不受降雨影響。土壤含水率按照埋深自上而下逐漸增大，降雨后短時(shí)間內(nèi)便形成地表徑流，此時(shí)上層土壤含水率雖有一定程度增加，仍小于土壤飽和含水率，表現(xiàn)出超滲產(chǎn)流特征。本文選取埋深0.1m處的土壤含水率數(shù)據(jù)，通過計(jì)算土壤含水率變化速率分析坡度和雨強(qiáng)對(duì)降雨入滲的影響。土壤含水率變化速率

Δωi=(ωi+1-ωi)/t

(1)

式中，Δωi為土壤含水率變化速率，%/min；ωi為測量時(shí)段開始時(shí)刻的土壤含水率，%；ωi+1為測量時(shí)段結(jié)束時(shí)刻的土壤含水率，%；t為測量時(shí)段的時(shí)間，min。

60 mm/h雨強(qiáng)不同坡度下淺層土壤含水率變化速率見表3。由表3可以看出，60 mm/h雨強(qiáng)不同坡度下淺層土壤含水率變化速率總體上隨著降雨的持續(xù)而逐漸減小，符合入滲規(guī)律。觀察降雨期間不同坡度的淺層土壤含水率平均變化速率可以發(fā)現(xiàn)在坡度為6°時(shí)入滲速率最大，當(dāng)坡度繼續(xù)加大，土壤含水率平均變化速率有逐漸減小的趨勢，6°是降雨入滲的臨界坡度，分析40 mm/h和80 mm/h雨強(qiáng)降雨入滲數(shù)據(jù)與60 mm/h雨強(qiáng)表現(xiàn)一致。

表3 雨強(qiáng)60 mm/h時(shí)不同坡度淺層土壤含水率變化速率 %

坡度9°時(shí)不同雨強(qiáng)下淺層土壤含水率變化速率見表4。由表4可以看出，坡度9°時(shí)淺層土壤含水率變化速率與雨強(qiáng)大小的關(guān)系不明顯，坡度為3°和6°時(shí)也未發(fā)現(xiàn)顯著的關(guān)聯(lián)性，這說明黃潮土雨強(qiáng)對(duì)坡面入滲的影響較為復(fù)雜，沒有明顯的規(guī)律性。結(jié)合之前坡度對(duì)坡面產(chǎn)沙過程的影響分析中侵蝕量的臨界坡度也為6°，臨界坡度的出現(xiàn)可以認(rèn)為坡度影響降雨入滲，當(dāng)達(dá)到6°左右時(shí)入滲速率最大，而黃潮土黏粒含量偏低，降雨入滲后孔隙水壓力增大，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，土壤顆粒易分散，顆粒間有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，因此入滲是影響黃潮土降雨侵蝕的重要因素[14]。

表4 坡度9°時(shí)不同雨強(qiáng)淺層土壤含水率變化速率 %

3 結(jié) 論

(1)相同雨強(qiáng)坡面產(chǎn)流量隨著坡度的增加先增大后減小，坡度9°時(shí)產(chǎn)流量最大。40 mm/h雨強(qiáng)坡面侵蝕量隨坡度的增加而逐漸增大，60、80 mm/h時(shí)侵蝕量隨坡度增加表現(xiàn)為先增大而后逐漸減小，坡度6°時(shí)侵蝕量最大。泥沙濃度隨著坡度的增加先增大而后降低，在6°時(shí)達(dá)到峰值，6°為黃潮土降雨侵蝕的臨界坡度。累計(jì)產(chǎn)流量與累計(jì)侵蝕量在3°和其他坡度時(shí)均呈線性函數(shù)關(guān)系(R2分別為0.999 7和0.894 6)。

(2)黃潮土埋深0.5 m以內(nèi)的土壤含水率受降雨響應(yīng)較為敏感，坡度影響降雨入滲速率，淺層土壤含水率變化速率隨著坡度的增加先增大后逐漸減小，在坡度6°時(shí)達(dá)到最大值，黃潮土黏粒含量偏低，降雨入滲后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，入滲是影響黃潮土降雨侵蝕的重要因素。

(3)本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M降雨過程中保持雨強(qiáng)恒定，這與天然降雨存在差異，降雨過程中雨強(qiáng)的變化對(duì)坡面徑流和土壤侵蝕具有一定影響，在以后的土壤侵蝕規(guī)律研究中還應(yīng)考慮天然降雨條件的影響。

致謝：本文得到“河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心”的大力幫助，在此深表感謝!