模擬降雨下枯落物調(diào)控坡面徑流特征分析

高永華

(河北省衡水水文勘測研究中心,河北 衡水 053000)

0 引言

枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)組成的重要部分,在保護地表土壤、防止水土流失起著重要作用,如何利用森林枯落物防止土壤侵蝕。針對此問題,學者們進行了多方面研究,張益等[1]對北京山區(qū)典型植被枯落物和土壤層水文功能進行了研究,研究結(jié)果表明:枯落物最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率為側(cè)柏;賀萬鵬等[2]對青藏高原東北邊緣云杉屬-冷杉屬林火燒跡地枯落物持水特征進行了研究,研究結(jié)果表明:火燒跡地枯落物的持水性能中、下坡大于上坡;李東賓等[3]對浙江省四明山區(qū)不同森林類型枯落物及土壤持水性能進行了研究,研究結(jié)果表明:櫻花的種植顯著降低了枯落物的儲量和持水能力;孫佳美等[4]對模擬降雨下枯落物調(diào)控坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及特征進行了研究,研究結(jié)果表明:枯落物坡面徑流平均流速相比裸坡顯著減小;孫旭[5]對模擬降雨條件下枯落物覆蓋對坡面地表和壤中流產(chǎn)流過程的影響進行了研究,研究結(jié)果表明:枯落物覆蓋密度越大,地表產(chǎn)流時間越長,產(chǎn)流量越小。

本文總結(jié)了以上研究植被枯落物的持水特征及枯落物坡面產(chǎn)流過程,根據(jù)總結(jié),本文通過人工模擬降雨,更深入的研究了枯落物覆蓋坡面徑流特征,并對坡面徑流的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行了分析。

1 試驗材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)陸腹地,關(guān)中平原西部,東連咸陽,南接漢中,其地質(zhì)地貌結(jié)構(gòu)復雜,海拔差異懸殊。該地區(qū)的森林分布有松櫟林帶、樺木林帶、太白紅杉林帶。為研究該地區(qū)枯落物覆蓋條件下坡面土壤侵蝕過程,保護地表土壤,本文采取人工模擬降雨的試驗方法,對枯落物調(diào)控坡面的徑流特征進行了分析。

1.2 試驗設(shè)備及試驗方法

本次試驗在人工模擬降雨大廳進行(圖1),該設(shè)備有效降雨面積0～200 m2,降雨高度3～6 m,雨滴大小調(diào)控范圍1.0～5.0 mm,雨強連續(xù)變化范圍10～240 mm/h。試驗選用研究區(qū)常見的落葉樹種白樺為研究對象,為減少葉片表面攜帶的泥沙及葉片水分不同所造成的誤差,將收集的枯落物清水洗凈后,放在陰涼處自然風干,使葉片保持含水率基本一致,將處理好的葉片作為坡面枯落層。

圖1 人工模擬降雨設(shè)備

根據(jù)研究區(qū)白樺林枯落物量,降雨試驗設(shè)置4個枯落物生物量等級,分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2,設(shè)置三種類型的降雨強度,分別為25 mm/h、50 mm/h、75 mm/h,設(shè)置試驗坡度為15°,為保證實驗精度,經(jīng)72 h后重復上一次試驗,取所得數(shù)據(jù)平均值進行分析。

試驗坡面面積長×寬分別為3 m×5 m,深度為50 cm,坡面采用分層的方式進行填土,每10 cm一層,填土時注意保證土面平整,每層填土完成后均充分壓實,將最上一層填土壓實后刮毛,保證坡面有一定的粗糙度,防止土層間產(chǎn)生滑動影響試驗效果。在正式降雨前,將4個等級的枯落物均勻分布4個試驗土體表面,各個坡面的枯落物保證厚度相同。試驗設(shè)置降雨時間為1 h,因前期地表徑流變化較大,為保證測量準確,前10 min時間段每2 min測量一次地表徑流,在10 min后每5 min測量一次地表徑流,將收集的徑流靜置12 h后過濾,過濾出的沉積物烘干稱重。測量坡面流速時,由于徑流在坡面中上部產(chǎn)生,流至坡面底部時,徑流流速趨于平穩(wěn),所以測量流速時選擇從坡底往上50 cm開始,每隔0.9 m設(shè)置一個斷面,共5個測量斷面,然后分別測量各斷面流速。取其平均值作為坡面流速。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 地表徑流產(chǎn)流率分析

通過人工模擬降雨試驗,根據(jù)所得數(shù)據(jù),得出在不同降雨強度條件下,覆蓋枯落物的地表徑流產(chǎn)流率曲線,如圖2所示。

圖2 地表徑流產(chǎn)流率

如圖2(a)所示,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩(wěn)。降雨強度相同時,在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)流率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)流率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)流率最小。由于地表枯落物減緩了徑流的流動,增加了地表入滲率,相較于裸坡,產(chǎn)生的徑流較小。地表覆蓋的枯落物越多,地表的產(chǎn)流率越低。

如圖2(b)所示,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩(wěn)。當降雨強度相同時,在9～20 min階段,坡面枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)流率較枯落物量為90 g/m2時產(chǎn)流率大,在20～60 min階段,枯落物量為90 g/m2時產(chǎn)流率快速增加,曲線變化明顯,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)流率增加緩慢,曲線較平緩。

在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)流率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)流率次之。

如圖2(c)所示,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩(wěn)。當降雨強度相同時,開始產(chǎn)流后,在2～4 min階段,坡面枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)流率較枯落物量為90 g/m2時產(chǎn)流率大,在4 min后,枯落物量為90 g/m2時產(chǎn)流率快速增大,曲線變化明顯。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)流率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)流率次之,枯落物量為135 g/m2時,在4 min后產(chǎn)流率最小。

如圖2可知,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩(wěn),降雨強度越大,產(chǎn)流越快達到穩(wěn)定狀態(tài)。在相同降雨條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)流率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)流率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)流率最小。坡面覆蓋枯落物等級越大,產(chǎn)流率越低,因枯落物的覆蓋增大了土壤入滲速率,減小了地表徑流量,坡面產(chǎn)流率隨之降低。

2.2 地表徑流產(chǎn)沙率分析

通過人工模擬降雨試驗,根據(jù)所得數(shù)據(jù),得出在不同降雨強度條件下,覆蓋枯落物的地表徑流產(chǎn)沙率曲線,如圖3所示。

圖3 地表徑流產(chǎn)沙率

如圖3(a)所示,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩(wěn)。當降雨強度相同時,在4～8 min階段,坡面枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率較枯落物量為90 g/m2時產(chǎn)沙率大,在8 min后,枯落物量為90 g/m2時產(chǎn)沙率逐漸增大,達到峰值0.7 g/(min·m2)后,再逐漸減小,然后趨于平穩(wěn),曲線平緩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率最小。

如圖3(b)所示,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩(wěn)。當降雨強度相同時,坡面枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率在4 min時達到峰值1.2 g/(min·m2),然后在逐漸減小,曲線趨于平緩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率最小。

如圖3(c)所示,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均先快速減小,到一定時間段后逐漸趨于平穩(wěn)。在當降雨強度相同時,在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率最小。在20 min前,各坡面產(chǎn)沙率下降幅度較大,在20 min后,各坡面產(chǎn)沙率趨于相對穩(wěn)定狀態(tài),

如圖3可知,隨著時間的增加,在降雨強度分別為25 mm/h、50 mm/h時,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩(wěn)。在降雨強度為75 mm/h時,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均快速減小,到一定時間段后逐漸趨于平穩(wěn)。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率最小。降雨強度越大,產(chǎn)沙率越大,坡面覆蓋枯落物量越大,產(chǎn)沙率越小。因為降雨強度是影響土地侵蝕過程的主要因素,而坡面覆蓋枯落物可避免雨滴直接滴落地表,起到緩沖雨滴動能的作用,防止雨滴濺蝕地表,造成水土流失。同時坡面覆蓋枯落物增加了地表的粗糙度,降低地表徑流的速度,減少了徑流對地表面的侵蝕。

3 結(jié)語

通過人工模擬降雨試驗,在不同降雨強度條件下,本文對不同枯落物生物量坡面侵蝕過程進行了觀測,并對坡面徑流的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行了分析,可得如下結(jié)論:

(1)相同降雨強度條件下,枯落物量分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2時,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩(wěn),降雨強度越大,產(chǎn)流越快達到穩(wěn)定狀態(tài)。在相同降雨條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)流率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)流率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)流率最小。

(2)降雨強度分別為25 mm/h、50 mm/h條件下,枯落物量分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2時,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩(wěn)。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產(chǎn)沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率最小。

(3)降雨強度為75 mm/h條件下,枯落物量分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2時,隨著時間的增加,坡面產(chǎn)沙率在極短時間均快速減小,到一定時間段后逐漸趨于平穩(wěn)。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產(chǎn)沙率最大,枯落物量為135 g/m2時產(chǎn)沙率最小。