于曉杰,魏勇明

（內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院,呼和浩特 010020）

坡形是坡度和坡長的組合形態(tài),決定著徑流的匯集方式和過程,進(jìn)而影響坡面土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的過程及侵蝕程度。對于不同坡形土壤侵蝕特性的研究,國內(nèi)外研究很少,東北地區(qū)更屬空白,因此深入研究坡形因子與土壤侵蝕的關(guān)系,明確各種因子對土壤侵蝕的綜合影響,增加對土壤侵蝕規(guī)律更深層次的認(rèn)識(shí),具有現(xiàn)實(shí)意義。

由于坡度和坡長的多變性,天然坡形是多種多樣的,國內(nèi)外對坡形與土壤侵蝕關(guān)系研究很少[1],萬廷朝等在定西高泉溝流域進(jìn)行地形因素對坡面水土流失關(guān)系的定位研究過程中,曾得出不同坡形下的坡面土壤侵蝕量、徑流量與PI30關(guān)系較為密切,但密切程度有別。侵蝕量與PI30均呈S形曲線關(guān)系,徑流量與PI30均呈線性相關(guān)[2]。唐克麗在杏子河流域關(guān)于不同地形部位與不同土地利用狀況下坡耕地的侵蝕量資料表明:凸凹形坡與凹形坡上的土壤流失量均高于直形坡。在其他條件相同的情況下,凸凹形地塊的侵蝕量較凹形坡地塊的侵蝕量增加一倍[3-4]。

本研究根據(jù)天然坡形的形態(tài)特征,在室內(nèi)人工修筑坡形徑流小區(qū)模型,通過人工模擬降雨試驗(yàn),揭示自然條件下飽和坡面土壤侵蝕過程,闡明不同坡度,不同降雨條件下,飽和坡面土壤侵蝕過程與機(jī)理,分析降雨、坡度等因素對不同坡形坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的影響,將為坡面水土保持措施配置提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)場水土保持人工降雨大廳利用可調(diào)坡土槽進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殚L3 m(包括出口匯流段0.18 m)、寬1.5 m的土槽,試驗(yàn)采用下噴式人工降雨設(shè)備(由一套直立管道、調(diào)壓器、壓力表、電磁閥、向下的噴嘴裝置構(gòu)成,其中直立管道高9.5 m,向下的噴頭連接于水平延伸管上,噴嘴型號(hào)為1/2HH-SS-50WSQ),降雨面積為5 m×5 m,降雨高度為7.80 m,能夠滿足試驗(yàn)要求的雨滴終點(diǎn)速度,模型底部留有直徑5 mm小孔,以消除槽底封閉對土壤入滲的影響。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括三種坡形:凸形、凹形、直線形三個(gè)徑流小區(qū);分 5°、10°、15°共三個(gè)坡度組 ;三種降雨強(qiáng)度:0.64,1.24,1.52 mm/min。每次試驗(yàn)通過坡形、坡度、降雨強(qiáng)度的不同組合來研究不同坡形條件下坡面的侵蝕產(chǎn)沙過程。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)用土為遼寧省沈陽市東陵區(qū)的潮棕壤土[4-5]。在填裝試驗(yàn)土前,為保證試驗(yàn)土自由入滲,在底部填裝當(dāng)?shù)氐耐寥?然后在其上裝40 cm厚的試驗(yàn)土。填土?xí)r采用分層裝土,并適當(dāng)壓實(shí),把土壤容重控制在 1.30 g/cm3左右。每次填土深度 5 cm,以使下墊面土壤條件的變異性達(dá)到最小。填每層土?xí)r,用手指將土槽四周壓實(shí),以減少邊界效應(yīng)的影響。每次試驗(yàn)前,進(jìn)行前期降雨,使坡面土壤達(dá)到飽和為止,為保證每場降雨前期坡面土壤水分狀況基本一樣,先預(yù)降一場小雨濕透土壤,至產(chǎn)流為止。(前期降雨作為準(zhǔn)備工作的一部分,其目的是保證相對均勻的下界面條件,減少土壤表面的變異性。)每次降雨試驗(yàn)完成后,整理坡面,使坡面坡度、形態(tài)等各方面條件達(dá)到設(shè)計(jì)要求,隨后進(jìn)行下一場試驗(yàn)。

1.3 測定方法

(1)土壤容重:烘干法,用環(huán)刀在徑流小區(qū)內(nèi)取樣,將土樣在電熱鼓風(fēng)干燥箱(HG101-1)內(nèi)烘干后稱重,計(jì)算出土樣的容重。

(2)徑流量和含沙量測定:降雨產(chǎn)流后,每隔1 min用燒杯收集徑流泥沙量,靜置(2 h)量出每個(gè)樣的水體積并用烘干法求得泥沙量,計(jì)算出該時(shí)刻的徑流含沙量。

降雨過程中,每10 min替換一個(gè)接取徑流泥沙的塑料桶,由于兩個(gè)試驗(yàn)小區(qū)同時(shí)進(jìn)行降雨,故整個(gè)試驗(yàn)過程中共用6個(gè)塑料桶,試驗(yàn)結(jié)束后塑料桶內(nèi)的泥沙樣用一標(biāo)準(zhǔn)的圓筒來量測徑流泥沙體積。將塑料桶內(nèi)的徑流泥沙樣攪勻后,取3個(gè)樣,計(jì)算出平均含沙量,推算出各時(shí)段總的徑流量和泥沙量。

2 結(jié)果與分析

水流含沙量的變化是侵蝕產(chǎn)沙過程的一個(gè)重要體現(xiàn),含沙量的大小直接影響到坡面侵蝕量的大小,為此,根據(jù)試驗(yàn)所得的實(shí)測數(shù)據(jù),繪制了不同坡形、不同雨強(qiáng)和不同坡度條件下坡面水流含沙量隨時(shí)間的變化過程曲線,如圖1-3,從處理后的含沙量隨時(shí)間變化圖可見,水流含沙量在整個(gè)降雨過程中的變化具有一定的規(guī)律性。

對于不同坡形,在同坡度、同雨強(qiáng)條件下,從圖1看出,水流含沙量隨坡形的變化具有明顯的規(guī)律性,整個(gè)降雨過程中,凹形坡的水流含沙量相對最大,凸形坡的其次,直線形坡的最小。隨著降雨歷時(shí)的延長和雨強(qiáng)、坡度的增大,坡形對侵蝕產(chǎn)沙的影響還會(huì)越來越大,尤其是較大雨強(qiáng)和較大坡度情況下其影響更加明顯,分析其原因主要是:徑流在順坡向下流動(dòng)的過程中對坡面土壤具有剝蝕分離能力,分離的泥沙將被水流攜帶離開原來的地方。在不同的雨強(qiáng)和坡度條件下,徑流具有不同的挾沙能力,因此徑流含沙率隨雨強(qiáng)和坡度的變化不斷變化。降雨進(jìn)行到一定時(shí)間,坡面就會(huì)有細(xì)溝產(chǎn)生,最終導(dǎo)致坡面徑流與泥沙大量匯集于細(xì)溝之中,大大增強(qiáng)了水流侵蝕能力,徑流量與侵蝕產(chǎn)沙量均急劇增加。且凹形坡的臨界段和凹段匯集水流時(shí)間短,坡面流速大,坡面侵蝕動(dòng)力也就加大,侵蝕產(chǎn)沙量增大,坡面也最早有細(xì)溝侵蝕發(fā)生,侵蝕量明顯增加,小區(qū)單位體積的徑流含沙量的增量增大,侵蝕量也最大,其侵蝕含沙量自然相應(yīng)增加。因此,凹形坡的水流含沙量相對較大,凸形坡的侵蝕程度其次,直線形坡的侵蝕最小。

從圖2可以看出,對于同坡形、同雨強(qiáng)、不同坡度下水流含沙量隨時(shí)間變化圖,可以明顯看出,坡面水流含沙量隨著坡度的增加明顯增大,分析其原因是由于坡度增大,徑流本身具有的能量增加,沿坡面方向的重力分力就越大,加速度越大,流速越快,對坡面的侵蝕能力增強(qiáng),最終導(dǎo)致水流含沙率變大。

從圖3可以看出,對于同坡形、同坡度、不同雨強(qiáng)的情況,由于降雨過程中細(xì)溝的發(fā)育,水流的含沙量隨著雨強(qiáng)的增加呈波動(dòng)形式增加,究其原因是由于試驗(yàn)對應(yīng)小區(qū)的基本狀況是一致的,當(dāng)雨強(qiáng)增加時(shí),使雨滴動(dòng)能增大,降雨對地面的打擊力增強(qiáng),雨滴打擊表土形成結(jié)皮的能力增強(qiáng),同時(shí)濺散的土壤顆粒堵塞土壤孔隙,阻滯降雨的入滲,這兩者使降雨入滲作用減弱,形成徑流作用增強(qiáng),坡面徑流量增加,同時(shí),結(jié)皮的形成以及土壤孔隙的填充減小了地面糙度,使徑流的流速迅速加大,對坡面土壤的剝蝕能力增強(qiáng),所有這些作用的疊加,勢必造成水流含沙率隨雨強(qiáng)的增大急劇增大。

圖1 不同坡形下水流含沙量隨時(shí)間的變化

圖2 不同坡度下水流含沙量隨時(shí)間的變化

從圖4圖可以明顯看出,在同坡度、同雨強(qiáng)情況下,水流含沙量大小為:凹＞凸＞直線形,隨著坡度和雨強(qiáng)的增大各坡形的水流含沙量都逐漸增大,且各坡形含沙量大小比較依然是:凹＞凸＞直線形。

圖3 不同雨強(qiáng)下水流含沙量隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

(1)在同坡度、同雨強(qiáng)條件下,水流含沙量隨坡形的變化具有明顯的規(guī)律性,整個(gè)降雨過程中,凹形坡的水流含沙量相對最大,凸形坡的其次,直線形坡的最小。隨著降雨歷時(shí)的延長和雨強(qiáng)、坡度的增大,坡形對侵蝕產(chǎn)沙的影響還會(huì)越來越大,尤其是較大雨強(qiáng)和較大坡度情況下其影響更加明顯;

(2)對于同坡形、同雨強(qiáng)、不同坡度條件下,可以明顯看出,坡面水流含沙量隨著坡度的增加而明顯增大;

(3)對于同坡形、同坡度、不同雨強(qiáng)的情況,由于降雨過程中細(xì)溝的發(fā)育,水流的含沙量隨著雨強(qiáng)的增加呈波動(dòng)形式增加。

[1]武敏,鄭粉莉.淺溝侵蝕過程及預(yù)報(bào)模型研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2004,11(4):113-11.

[2]萬廷朝.黃丘五幅區(qū)降雨和地形因素與坡面水土流失關(guān)系研究[J].中國水土保持,1996(12):26-29.

[3]唐克麗,鄭世清,席道勤.杏子河流域坡耕地的水土流失及其防治[J].水土保持通報(bào),1983,3(5):43-48.

[4]唐克麗,席道勤,孫清芳,等.杏子河流域的土壤侵蝕方式及其分布規(guī)律[J].水土保持通報(bào),1984,4(5):10-19.

[5]賈文錦.遼寧土壤[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1992.