申震洲,姚文藝,李勉,肖培青,王玲玲,楊春霞,楊吉山

（水利部黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003）

短時(shí)期內(nèi),流域單元尺度內(nèi)產(chǎn)沙程度的加劇和減弱,氣候變化的影響是有限的,人類活動(dòng)造成的土地利用變化是影響流域侵蝕產(chǎn)沙的主要原因[1-4]。黃土高原開展大規(guī)模水土保持治理之后,土壤侵蝕的研究主要是圍繞在人類活動(dòng)減蝕的正面效應(yīng)影響下,流域和河道出現(xiàn)的水沙變異規(guī)律的研究[5-8]。水文法和水保法的研究結(jié)果均表明:除降雨偏少的原因外,水土保持工程對(duì)黃河泥沙的減少做出了重要的貢獻(xiàn)。黃土丘陵區(qū)植被覆蓋率也得到大幅度提高,一些水土保持綜合治理先進(jìn)的小流域,已恢復(fù)至60%以上,使該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化,特別是在一些由國家重點(diǎn)投資的項(xiàng)目治理區(qū)或由科研機(jī)構(gòu)設(shè)置的一些試驗(yàn)示范區(qū),生態(tài)環(huán)境狀況跨入一個(gè)新階段。在這種與以往生態(tài)建設(shè)強(qiáng)度、規(guī)模截然不同的新形勢(shì)下,流域的土地利用結(jié)構(gòu)和植被覆蓋度在相對(duì)很短時(shí)期內(nèi)發(fā)生了根本變化,勢(shì)必引起植被恢復(fù)重建過程中的流域環(huán)境和降雨—徑流—泥沙特征將與以前不同,極大地改變了流域系統(tǒng)的產(chǎn)沙輸沙過程,對(duì)流域水沙關(guān)系產(chǎn)生深刻的影響[9]。以往研究大多是針對(duì)較長時(shí)間尺度以及植被自然恢復(fù)背景下的水沙效應(yīng)動(dòng)態(tài)過程的定位監(jiān)測(cè)研究[10-13],本文利用模型試驗(yàn)的方法,重點(diǎn)研究不同立地條件下黃土坡面的侵蝕過程,分析不同地類坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律,希望對(duì)定量評(píng)價(jià)林草措施的水土保持效益提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗(yàn)土槽設(shè)計(jì)

試驗(yàn)是在黃河水利科學(xué)研究院“模型黃河”試驗(yàn)基地進(jìn)行的。試驗(yàn)土槽可調(diào)坡度為5°～45°,既可用于人工降雨試驗(yàn)也可用于徑流沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)土槽長5 m,寬3 m,深60 cm。試驗(yàn)時(shí)將土槽用PVC板隔成3個(gè)長5 m、寬1 m的同樣大小的試驗(yàn)區(qū),用于做同樣條件下的3次重復(fù)試驗(yàn)。降雨器為中科院水保所研制的側(cè)噴式降雨器,降雨強(qiáng)度可調(diào)為0.3～3.0 mm/min,試驗(yàn)土槽兩旁有可調(diào)高度的支架供測(cè)量使用。土槽的出口處設(shè)有集水槽,集水槽下放置集流桶以收集徑流泥沙,如圖1所示。

圖1 可移動(dòng)式變坡坡面模型

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土為鄭州邙山表層黃土,顆粒組成如表1,試驗(yàn)時(shí)土壤干容重控制在1.2 g/cm3。試驗(yàn)坡度設(shè)計(jì)為20°,有裸地、農(nóng)耕地及60%覆蓋度的草地3種立地條件,雨強(qiáng)有45 mm/h(小雨強(qiáng))、90 mm/h(中雨強(qiáng))、130 mm/h(大雨強(qiáng))3個(gè)不同雨強(qiáng),每場試驗(yàn)做2個(gè)重復(fù),分析數(shù)據(jù)時(shí)取其中比較接近的2場試驗(yàn)的平均數(shù),共做試驗(yàn)40余組次。

表1 供試土樣各級(jí)粒徑組成

1.3 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集

裸地的鋪填方法為:在土槽下部鋪填10 cm厚的天然沙以保持試驗(yàn)土壤的透水狀況接近于自然狀態(tài),在其上鋪填20 cm厚的過篩預(yù)處理的邙山黃土,用木板輕拍土壤,使其干容重達(dá)到1.2 g/cm3。然后,再分兩次鋪填15 cm厚的處理過的土樣,干容重均控制在1.2 g/cm3,以此避免填土容重的不均勻。試驗(yàn)開始前夜將土槽灑水至飽和含水量,放置一夜后第二天開始做試驗(yàn)。農(nóng)耕地的鋪填方法與裸地相似,填好后再將表面20 cm厚的土層翻松。草地的鋪填方法與裸地也類似,然后播種草籽,生長3個(gè)月后開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)率定雨強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)雨強(qiáng),開始計(jì)時(shí),記錄徑流進(jìn)入集流桶的時(shí)間,然后每隔2 min換一次集流桶,降雨60 min,試驗(yàn)完畢后,測(cè)量每個(gè)集流桶內(nèi)的徑流重量和體積,然后用換算法計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)的侵蝕量、含沙量以及入滲率,同時(shí)以2 min為步長測(cè)定坡面流的水動(dòng)力學(xué)參數(shù),包括流速、流寬及沿程含沙量等。最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分析雨強(qiáng)及不同的立地條件對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同立地條件及雨強(qiáng)對(duì)坡面徑流量的影響

分析了不同立地條件的20°坡面在45 mm/h雨強(qiáng)時(shí)的徑流量隨時(shí)間變化(圖2),可以看出,裸地和坡耕地的徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地(60%覆蓋度,下同)的徑流量,且二者的徑流量相差不是太大,變化規(guī)律也比較接近,都是坡面徑流量隨時(shí)間延續(xù)逐漸增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到30 min左右時(shí)達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),約為10 kg/min,約為同樣雨強(qiáng)下草地坡面徑流量的40倍左右。

圖2 45 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件下徑流量隨時(shí)間變化

圖3 90 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件下徑流量隨時(shí)間變化

圖4 130 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件下徑流量隨時(shí)間變化

比較20°不同立地條件下坡面在90 mm/h雨強(qiáng)時(shí)徑流量隨時(shí)間變化(圖3)可知,裸地和農(nóng)耕地的徑流量相差不大,但是都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的徑流量,約是草地徑流量的7倍;同時(shí)可以看出,草地徑流量隨著降雨時(shí)間的延續(xù)是逐漸增加的,但變化量不是太大,而裸地和農(nóng)耕地的徑流量隨著降雨的進(jìn)行變化比較明顯,二者徑流量都是在降雨初期劇烈增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到8 min左右時(shí)達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),農(nóng)耕地甚至出現(xiàn)徑流量略為降低的態(tài)勢(shì)。

分析了不同立地條件的20°坡面在130 mm/h雨強(qiáng)時(shí)的徑流量隨時(shí)間變化(圖4),由圖可知,裸地和農(nóng)耕地的徑流量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的徑流量。草地徑流量在試驗(yàn)初期呈緩慢增加的態(tài)勢(shì),在試驗(yàn)進(jìn)行到12 min左右時(shí)基本穩(wěn)定在10 kg,裸地和農(nóng)耕地盡管在試驗(yàn)初期有一定區(qū)別,但其變化規(guī)律基本一致,在試驗(yàn)初期急劇增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到20 min左右時(shí)達(dá)到各自的最高點(diǎn),然后可能是由于試驗(yàn)過程中坡面滑塌或者下滲的原因,坡面徑流量維持在一個(gè)較低的水平。

2.2 不同立地條件及雨強(qiáng)對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響

分析了不同立地條件的20°坡面在45 mm/h雨強(qiáng)時(shí)的侵蝕產(chǎn)沙變化(圖5),可以看出,不同立地條件坡面的侵蝕產(chǎn)沙變化與徑流量變化基本一致,具有相當(dāng)好的關(guān)聯(lián)性。裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其20倍左右;同時(shí)可以看到裸地和坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙量在試驗(yàn)初期就呈現(xiàn)劇烈增加的態(tài)勢(shì),在試驗(yàn)進(jìn)行到30 min左右時(shí)達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),為10 kg左右。

圖5 45 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化

圖6 90 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化

圖7 130 mm/h雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件下侵蝕產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化

分析了不同立地條件的20°坡面在90 mm/h雨強(qiáng)時(shí)的侵蝕產(chǎn)沙變化(圖6),可以看出,不同立地條件坡面的侵蝕產(chǎn)沙變化與徑流量變化基本一致,具有相當(dāng)好的關(guān)聯(lián)性。裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其100倍左右,可見草地對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對(duì)坡面徑流的影響;同時(shí)可以看到草地坡面侵蝕產(chǎn)沙量是逐漸緩慢增加的,而裸地和坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙量在試驗(yàn)初期就呈現(xiàn)劇烈增加的態(tài)勢(shì),在試驗(yàn)進(jìn)行到8 min左右時(shí)達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),農(nóng)耕地也出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。

分析了不同立地條件的20°坡面在130 mm/h雨強(qiáng)時(shí)的徑流量隨時(shí)間變化(圖7),由圖可知,裸地和農(nóng)耕地的侵蝕量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的侵蝕量。裸地和農(nóng)耕地變化規(guī)律基本一致,在試驗(yàn)初期急劇增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到18 min左右時(shí)達(dá)到各自的最高點(diǎn),然后可能是由于試驗(yàn)過程中坡面滑塌或者下滲的原因,坡面侵蝕量維持在一個(gè)較低的水平。

總而言之,不同立地條件坡面的徑流、泥沙之間是相互關(guān)聯(lián)的,變化趨勢(shì)也是互為因果的。草地條件下坡面的徑流、泥沙變化都比較緩慢且變化量不大,而裸地和農(nóng)耕地條件下坡面的徑流、泥沙在試驗(yàn)初期就出現(xiàn)劇烈的變化,然后達(dá)到一個(gè)波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)可以看出,對(duì)于裸地和農(nóng)耕地,都是初期農(nóng)耕地的徑流、泥沙變化較大,達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定時(shí)則裸地較大,這可能是由于降雨初期農(nóng)耕地表面較疏松造成的徑流產(chǎn)沙偏大。而草地坡面在不同雨強(qiáng)條件下的徑流、泥沙也有其特點(diǎn),盡管中雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)條件下的徑流量差別較大,但其產(chǎn)沙量相差不是很大,而大雨強(qiáng)條件下的侵蝕產(chǎn)沙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中小雨強(qiáng)的。這也從側(cè)面說明了,草被覆蓋坡面可以防護(hù)中小雨強(qiáng)下的土壤流失。

3 結(jié)論

(1)在小雨強(qiáng)條件下,裸地和坡耕地的徑流量隨時(shí)間延續(xù)逐漸增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到30 min左右時(shí)達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),約為10 kg/min,約為同樣雨強(qiáng)下草地坡面徑流量的40倍左右。中雨強(qiáng)時(shí),裸地和農(nóng)耕地的徑流量約是草地徑流量的7倍;大雨強(qiáng)時(shí),裸地和農(nóng)耕地的徑流量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的徑流量。草地徑流量在試驗(yàn)初期呈緩慢增加的態(tài)勢(shì),在試驗(yàn)進(jìn)行到12 min左右時(shí)基本穩(wěn)定在10 kg;裸地和農(nóng)耕地徑流量在試驗(yàn)初期急劇增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到20 min左右時(shí)達(dá)到各自的最高點(diǎn),然后維持在一個(gè)較低的水平。

(2)小雨強(qiáng)時(shí)不同立地條件坡面的侵蝕產(chǎn)沙變化與徑流量變化基本一致,具有相當(dāng)好的關(guān)聯(lián)性。裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其20倍左右,在試驗(yàn)進(jìn)行到30 min左右時(shí)達(dá)到波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),為10 kg左右。

(3)中雨強(qiáng)時(shí),裸地和農(nóng)耕地的侵蝕產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的侵蝕產(chǎn)沙量,約是其100倍左右,可見草地對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對(duì)坡面徑流的影響;同時(shí)可以看到草地坡面侵蝕產(chǎn)沙量是逐漸緩慢增加的,而裸地和坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙量在試驗(yàn)初期就呈現(xiàn)劇烈增加的態(tài)勢(shì)。大雨強(qiáng)時(shí),裸地和農(nóng)耕地的侵蝕量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的侵蝕量。裸地和農(nóng)耕地變化規(guī)律基本一致,在試驗(yàn)初期急劇增加,在試驗(yàn)進(jìn)行到18 min左右時(shí)達(dá)到各自的最高點(diǎn),然后坡面侵蝕量維持在一個(gè)較低的水平。

(4)草地坡面盡管在中、小雨強(qiáng)條件下的徑流量差別較大,但其產(chǎn)沙量相差不是很大,而大雨強(qiáng)條件下的侵蝕產(chǎn)沙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中小雨強(qiáng),說明草被覆蓋坡面可以防護(hù)中小雨強(qiáng)下的土壤流失。

[1]傅伯杰,邱揚(yáng),王軍,等.黃土丘陵小流域土地利用變化對(duì)水土流失的影響[J].地理學(xué)報(bào),2002,57(6):718-721.

[2]柳長順,齊實(shí),史明昌.土地利用變化與土壤侵蝕關(guān)系的研究進(jìn)展[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(5):11-13.

[3]張曉明,余新曉,武思宏,等.黃土丘陵溝壑區(qū)典型流域土地利用/土地覆被變化對(duì)徑流產(chǎn)沙的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6):115-122.

[4]李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域:土地利用/土地覆蓋變化國際研究動(dòng)向[J].地理學(xué)報(bào),1995,51(6):553-558.

[5]唐克麗,蔡慶.黃土高原土壤侵蝕過程和生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)系[C]//黃河流域環(huán)境演變與水沙運(yùn)行規(guī)律研究文集(第1集).北京:地質(zhì)出版社,1991:62-73.

[6]張勝利,李倬,趙文林,等.黃河中游多沙粗沙區(qū)水沙變化原因及發(fā)展趨勢(shì)[M].鄭州:黃河水利出版社,1998:10-120.

[7]張仁,丁聯(lián)臻.黃河水沙變化的成因分析方法[C]//黃河水沙變化研究論文集(2卷).1993:188-237.

[8]劉昌明.黃河下游斷流的徑流序列分析[J].地理學(xué)報(bào),2000,55(3):257-265.

[9]賈紹鳳,梁季陽.黃土高原徑流、產(chǎn)沙相互關(guān)系的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1992,6(3):42-47.

[10]黃奕龍,陳利頂,傅伯杰.黃土丘陵小流域生態(tài)用水試驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,117(11):14-19.

[11]張洪江,李猛,江玉林.高速公路邊坡侵蝕溝特性初步研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6):143-146.

[12]李衛(wèi)紅,袁磊.中國干旱區(qū)中小流域水土保持生物措施分析[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào),1999,20(2):129-132.

[13]徐向舟,劉大慶,張紅武.室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(5):52-58.