肖登攀,楊永輝,韓淑敏,樊 彤,馬 林,王明磊

(1.中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049;3.國家環(huán)境保護總局環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心,北京 100035)

地表徑流是土壤侵蝕、面源污染以及養(yǎng)分流失的動力[1-3],也是集雨灌溉的主要水源[4]。坡面徑流是流域徑流的基本單元,同時也是流域洪水的重要組成部分。近年來,水文學(xué)者對不同降雨條件、土壤類型及植被類型的坡面產(chǎn)流進行了大量研究[5-7],同時也探討了徑流的形成機制及影響因素,研究表明不同的降雨條件、地表特征及植被覆蓋,徑流產(chǎn)生機制和響應(yīng)不同[8-10]。但影響地表徑流的因子很多,并且相互關(guān)系復(fù)雜,只有針對具體情況進行研究,才能提出具有指導(dǎo)意義的理論。本實驗通過自制的截流鏟截取坡面地表徑流,對太行山花崗片麻巖區(qū)坡面產(chǎn)流的幾個主要影響因素進行了分析。研究結(jié)果對太行山低山丘陵區(qū)防治水土流失,提高集雨灌溉集水量等方面具有現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于河北省元氏縣中國科學(xué)院太行山山地生態(tài)試驗站(114°15′50″E,37°52′44″N)西南 1.5 km的石門小流域,面積約0.6 km2,海拔401～823.7 m,溝向東南,平均坡度 30°,部分坡度達 60°～ 70°,在該區(qū)具有典型性和代表性。

該區(qū)屬于干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候,雨熱同季,春冬季干旱少雨雪,夏季炎熱多雨。年均降水量513.2 mm,雨季(6—9月)平均降雨量392.4 mm,占全年降雨量的71.5%,年均蒸發(fā)量1 598.5 mm,日照時數(shù)2 038 h,太陽總輻射 116～136 k J/cm2。

研究區(qū)內(nèi)土壤種類主要為花崗片麻巖(部分地帶為石灰?guī)r和頁巖)母質(zhì)上發(fā)育的山地褐土,土壤結(jié)構(gòu)不良,石礫含量大,且多屬粗骨土,易侵蝕。土層淺薄,土層厚度在20—50 cm之間,陰坡少量砂土深度可達70 cm左右,陽坡土層厚度20 cm左右,平均土層厚度34.1 cm,土壤常年較干旱,春季和初夏土壤含水量多在10%以下。陰陽坡植被差別較大,陽坡主要以蓋度較低的荊條(V.negundo var.heterophylla Rehd.)、酸棗(Z.jujube var.spinosa Hu)為主,陰坡植被以黃背草〔T.japonica(Willd.)Tanaka〕、白羊草〔B.ischaemum(L.)Keng〕為主,蓋度較高。

2 試驗布設(shè)與方法

在小流域內(nèi)植被比較均勻一致的坡面上,選取6個徑流小區(qū),各小區(qū)特征見表1。在小區(qū)上方挖截流溝,溝內(nèi)靠小區(qū)一側(cè)用水泥砌墻擋水,切斷樣地外地表徑流對樣地的干擾。根據(jù)不同的坡長在坡面上安裝自制的截流鏟,截流鏟用鋁合金板焊接而成,鏟底板長、寬均為10 cm,橫向截流板高10 cm,并留有出水孔。降雨過程中徑流沿坡面流入截流鏟中,用導(dǎo)水管把收集的徑流導(dǎo)入儲水桶中,降雨結(jié)束后次日用量筒量取儲水桶中的水量,若降雨間隔小于24 h,則視為一次降雨。為保證截流鏟所測數(shù)據(jù)的準確性,每個樣地重復(fù)布置3個截流鏟。通過安裝自記雨量計測得每次降雨量,同時還可以得到相應(yīng)降雨歷時,從而可以計算出平均降雨強度。試驗于2006年5月布置完畢,7月開始,共監(jiān)測到42次降雨。

表1 徑流小區(qū)基本特征

由于截流鏟截取的水量中包括部分降雨量,通過公式(1)計算地表徑流量。

式中:R——地表徑流量(ml);RT——截流鏟截流量(ml);P——降雨量(mm);δ——植被截流系數(shù)(取0.15);S——截流鏟底面積(10 cm ×10 cm);β——坡面坡度(°)。

由公式(2)計算徑流深。

式中:Rd——徑流深(mm);S′——徑流的集水面積(cm2)。

徑流系數(shù)θ由公式(3)計算。

3 結(jié)果分析

3.1 雨強和雨量對地表徑流量的影響

地表徑流與降雨量和降雨強度密切相關(guān),但不同地區(qū)其影響程度是不同的。在降雨量與地表徑流相關(guān)關(guān)系的研究中,因試驗條件不同而出現(xiàn)相關(guān)或者不相關(guān)的結(jié)論,而在降雨強度及降雨歷時與地表徑流關(guān)系研究中,同樣出現(xiàn)類似分歧[6]。相關(guān)研究[11]認為北方特別是黃土高原區(qū),地表徑流主要取決于降雨強度,南方地區(qū)則主要取決于降雨量。尹忠東[6]的研究認為采取4類坡面治理措施在降低地表徑流量的同時,提高了降雨量、降雨歷時與地表徑流量的相關(guān)性,降低了降雨強度與地表徑流的相關(guān)性。還有些研究者[12]通過研究得到地表徑流量與降雨量的擬合關(guān)系式,并認為降雨強度對徑流量的影響要比降雨量、土壤表層初始含水量小的多。在本研究區(qū)域以超滲產(chǎn)流為主,降雨強度是地表徑流產(chǎn)生的關(guān)鍵因子,坡度為30°的坡面,只有當(dāng)降雨強度大于一定值(0.05 mm/min),才有地表徑流產(chǎn)生,坡度為16°的坡面,產(chǎn)生地表徑流需要的雨強更大(圖1)。也就是說隨著坡度的降低,產(chǎn)生地表徑流需要更大的降雨強度。

通過相關(guān)分析表明,當(dāng)降雨強度達到產(chǎn)流條件后,徑流量與降雨量及雨強都成正相關(guān),相關(guān)系數(shù)見表2,但與降雨量的相關(guān)系數(shù)要大于與雨強的相關(guān)系數(shù)且達到極顯著水平,與雨強的相關(guān)系數(shù)不顯著。表明當(dāng)坡面開始產(chǎn)流后,徑流量的大小主要取決與降雨量,并且降雨量越大,徑流量越大。

圖1 地表徑流量與平均雨強的相關(guān)性

表2 不同坡長地表徑流與降雨量和降雨強度相關(guān)分析

3.2 坡面因子對地表徑流的影響

坡面徑流是降雨與下墊面因素相互作用的結(jié)果,降雨是產(chǎn)生徑流的先決條件,雨量與雨強對徑流的影響較大,但是下墊面因素特別是坡面因子(坡長、坡度及坡向)對徑流的形成具有重要影響。

坡長和徑流的關(guān)系十分復(fù)雜,有研究者[13]認為徑流量隨著坡長的增加逐漸減少,而有些研究[14]結(jié)論正好相反,認為徑流量隨著坡長的增加而增大,同時另一種觀點認為,陡坡條件下,隨著坡長的增加徑流沒有明顯變化[15]。本研究通過設(shè)置2,4和6 m的3個不同坡長處理來研究坡長對地表徑流的影響,發(fā)現(xiàn)坡長對地表徑流的影響程度很弱,不同的坡長地表徑流量相差很小(圖2a),理論上坡長越大地表徑流的集水面積越大,但結(jié)果表明不同坡長的徑流量差別很小,地表徑流不隨著集水面積的增加而增加。分析認為主要是由于徑流入滲,也就是徑流在匯流過程中,由于局部土壤未飽和而導(dǎo)致上游徑流被土壤吸收,該過程主要出現(xiàn)在以超滲產(chǎn)流的干旱半干旱地區(qū),而本研究區(qū)域正是這種區(qū)域的典型代表。

坡度是影響地表徑流的又一關(guān)鍵因素。在相同的條件下,地面坡度大、漫流速度快,歷時短,下滲量就小,相反地表徑流量就大;然而在受雨面積相等的情況下,隨著坡度的增大,實際坡度面積增加,從而入滲面積增大,使得入滲量增大,所以坡度增大,地表徑流量增加還是減小,還要考慮上述哪種趨勢占優(yōu)勢。已有研究表明[14]徑流開始隨著坡度的增加而增加,坡度達到一定值后,徑流又有減少的趨勢[16],也有研究認為隨著坡度的增大徑流增大。本研究通過2個不同的坡度處理發(fā)現(xiàn),隨著坡度的增大,地表徑流量明顯增大(圖2b),坡度為30°的地表徑流量約為坡度為16°的 2倍,由此可知在該試驗區(qū),至少在 30°的坡度范圍內(nèi),坡度與地表徑流成正相關(guān)。

圖2 不同坡面因子地表徑流量與降雨量(雨強＞0.05 mm/min)關(guān)系

坡向做為因子,分析其對坡面產(chǎn)流影響的相關(guān)研究還鮮見報道,由于不同坡向接收的太陽輻射不同,導(dǎo)致不同的坡向地面植被,土壤質(zhì)地等因素差異顯著,坡向只是通過這些因素間接的影響坡面產(chǎn)流過程。本研究在試驗設(shè)計上考慮了坡向因素,目的在于發(fā)現(xiàn)坡向上的哪些具體因素使得不同坡向的徑流量出現(xiàn)差異。

分析發(fā)現(xiàn),不同坡向地表徑流量差異顯著,陽坡的地表徑流量明顯的多于陰坡(圖2c)。在樣地選擇上,陰陽坡的植被種類及地面覆蓋基本相似,分析認為不會對徑流產(chǎn)生較大影響。

通過分析土壤特性發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致坡面產(chǎn)流差異顯著的主要原因是不同坡向土壤機械組成的不同(表3),在土層30 cm以上,陰坡大于10 mm的碎石的含量在20%以上,而陽坡僅10%左右,陰坡大的碎石含量是陽坡的2倍,遠遠的多于陽坡;Munn等[17]的研究指出,在半干旱地區(qū)有限降水條件下,含碎石土壤水分入滲深度更大,而且較低的土壤水分含量下有效水比重較高,其它相關(guān)研究也有大的碎石有利于入滲的結(jié)果[18]。

由此可見,本試驗區(qū)陰坡的入滲能力要比陽坡強,同時野外入滲試驗也有相同結(jié)果[19],因此使得陽坡的地表徑流量要顯著的多于陰坡。

表3 不同坡向土壤機械組成 %

3.3 地表徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是降雨量轉(zhuǎn)化為徑流量的比率,能綜合反映流域內(nèi)自然地理-環(huán)境要素對降水和徑流的影響。試驗表明,該地區(qū)土壤強的入滲能力使得地表徑流系數(shù)很小,且不同的降雨等級徑流系數(shù)不同(見表4)。

對本試驗區(qū)2 m坡長的坡面徑流系數(shù)的進行分析,最大徑流系數(shù)僅為7.3%,由于4和6 m坡長的地表徑流量與2 m坡長相差不大,計算到相應(yīng)集水面積上,徑流系數(shù)比由2 m坡長計算出的數(shù)值更小。表明本試驗區(qū)坡面產(chǎn)流過程以入滲為主,同時徑流入滲普遍存在,從而使得坡面產(chǎn)流量較小。

對觀測到的42場降雨根據(jù)不同雨量進行分級,通過分析不同雨量級別的徑流系數(shù)(表4)發(fā)現(xiàn),并不是降雨量越大徑流系數(shù)越大,在陰坡,大雨雨級的徑流系數(shù)最大,為 3.8%,而在陽坡最大徑流系數(shù)是7.3%,由中雨雨級產(chǎn)生。

以上分析結(jié)果表明,徑流系數(shù)與降雨量有著復(fù)雜的關(guān)系,雖然降雨量越大產(chǎn)生的徑流量越大,但在轉(zhuǎn)換比例上不同。在陰坡,大雨過程中,降雨轉(zhuǎn)換為徑流的比例最高,而在陽坡是中雨轉(zhuǎn)換率最高。同時發(fā)現(xiàn),除小雨陰陽坡的徑流系數(shù)相同外,其它雨量級都是陽坡的徑流系數(shù)高有陰坡,與前面分析的不同坡向不同的土壤機械組成對坡面產(chǎn)流影響結(jié)果較為一致。

表4 不同雨量級地表徑流系數(shù)

4 結(jié)論

(1)利用自行設(shè)計的截流鏟測定了坡面地表徑流,與傳統(tǒng)的徑流小區(qū)相比,由于截流鏟本身面積較小的原因,測量的徑流量較小,但可以在人為不產(chǎn)生任何干擾的條件下多次測量天然降雨所產(chǎn)生的地表徑流,這是徑流小區(qū)觀測中難以實現(xiàn)的。同時在每個處理的坡面上都布置了3個截流鏟,通過統(tǒng)計檢驗,3個重復(fù)的截流鏟所截取的徑流量無顯著差異,表明截流鏟本身對試驗的影響很小,所得的徑流數(shù)據(jù)能夠反映本研究區(qū)域的坡面產(chǎn)流特征。

(2)降雨強度是決定地表徑流產(chǎn)生與否的關(guān)鍵因子,只有當(dāng)降雨強度大于特定值時,才產(chǎn)生地表徑流,且隨著坡度的降低,開始產(chǎn)生地表徑流所需要的降雨強度增大。當(dāng)降雨強度達到產(chǎn)流要求后,徑流量與降雨量和降雨強度都成正相關(guān)關(guān)系,但是與降雨量的相關(guān)性達到極顯著水平,與降雨強度的相關(guān)性不顯著。

(3)地表徑流量不隨坡長的增加而增加,坡面強烈的入滲能力,使得上方來水在產(chǎn)流過程中滲入土壤。隨著坡度的增加,地表徑流量顯著增加,坡度是影響地表徑流的又一關(guān)鍵因子。由于不同坡向的土壤機械組成不同,陰坡大的碎石含量遠遠大于陽坡,土壤入滲能力強于陽坡,使得陰坡地表徑流量要明顯的少于陽坡,平均徑流系數(shù)也比陽坡低。

(4)該試驗區(qū)坡面徑流系數(shù)均較小,以2 m坡長為對象,最大徑流系數(shù)僅為7.3%。由于4和6 m坡長的地表徑流量與2 m坡長相差不大,計算到相應(yīng)集流面積上,徑流系數(shù)比2 m坡長所得到的更小。表明本試驗區(qū)坡面產(chǎn)流過程以入滲為主,同時徑流入滲普遍存在。

(5)植被條件是影響地表產(chǎn)流的重要因素,本試驗在試驗設(shè)計上沒有設(shè)置不同的植被條件,在以后的研究中要考慮該研究區(qū)域不同植被條件對徑流的影響。

[1] 魏強,張秋良.地表徑流與土壤侵蝕研究進展[J].中國水土保持,2008(9):30-33.

[2] 李恒鵬,黃文鈺,楊桂山,等.太湖上游典型城鎮(zhèn)地表徑流面源污染特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,25(6):1598-1602.

[3] 黃河仙,謝小立,王凱榮,等.不同覆被下紅壤坡地地表徑流及其養(yǎng)分流失特征[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(4):1645-1649.

[4] 楊國強,何俊仁.集雨灌溉工程技術(shù)研究與應(yīng)用[J].人民黃河,1997(6):27-28.

[5] 唐小娟,郭雪蓮.幾種坡面徑流調(diào)控措施的篩選試驗研究[J].水土保持研究,2008,15(5):125-128.

[6] 尹忠東,叢曉紅,李永慈.江西丘陵紅壤區(qū)坡面徑流及其與降雨關(guān)系的影響因素[J].水土保持通報,2008,28(4):7-10.

[7] 魏強,張秋良,代海燕,等.大青山不同植被下的地表徑流和土壤侵蝕[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,30(5):111-117.

[8] 陳建鋒,楊曉俊.降雨徑流的機制分析[J].地下水,2007,29(1):3-4.

[9] Arnaez J,Lasanta T,Ruiz F P,et al.Factors affecting runoff and erosion under simulated rainfall in Mediterranean vineyards[J].Soil&Tillage Reshrch,2007,93(2):324-334.

[10] 楊曉俊.降雨產(chǎn)流影響因素分析[J].地下水,2007,29(5):50-51.

[11] 景可,王萬忠,鄭粉莉.中國土壤侵蝕與環(huán)境[M].北京:科學(xué)出版社,2005:55-58.

[12] 郭慶榮,張秉剛,鐘繼洪,等.丘陵赤紅壤降雨入滲產(chǎn)流模型及其變化特征[J].水土保持學(xué)報,2001,15(1):62-65.

[13] Aaron Y,Naama R Y.Hydrological processes in a small catchment:Scale effects of rainfall and slope length[J].Geomorphology,2004,61(1/2):155-169.

[14] 魏天興,朱金兆.黃土殘塬溝壑區(qū)坡度和坡長對土壤侵蝕的影響分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,24(1):59-62.

[15] 孔亞平,張科利,曹龍熹.土壤侵蝕研究中的坡長因子評價問題[J].水土保持研究,2008,15(4):43-47.

[16] 金雁海,柴建華,朱智紅,等.內(nèi)蒙古黃土丘陵區(qū)坡面徑流及其影響因素研究[J].水土保持研究,2006,13(5):292-295.

[17] Munn L,Harrington N,Mcgirr D R.Reclaiming mine soil and overburden in the western United States[M]//Williams R D,Schuman G E.Analytic Parameter and procedures soil conservation society of America.Ankery Lowa,1987:259-282.

[18] 王慧芳,邵明安.含碎石土壤水分入滲試驗研究[J].水科學(xué)進展,2006,17(5):604-609.

[19] 樊彤.太行山花崗片麻巖小流域水文過程試驗研究[D].石家莊:中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心,2008.