穆文彬李義豪李傳哲劉佳程雙虎趙娜娜

摘要：坡度和前期土壤含水率是降雨產(chǎn)流過(guò)程的重要影響因素。為研究華北半干旱地區(qū)的降雨產(chǎn)流機(jī)制，采用人工模擬降雨的方法，進(jìn)行了不同坡度（5°、10°和15°）和前期土壤含水率（020、025和030）條件下的降雨產(chǎn)流試驗(yàn)。結(jié)果表明：在整個(gè)降雨產(chǎn)流過(guò)程中，地表徑流量隨坡度和前期土壤含水率的增加而增大，累積徑流量與產(chǎn)流歷時(shí)呈線性函數(shù)關(guān)系；土壤入滲率和產(chǎn)流滯時(shí)均隨前期土壤含水率和坡度的增加而減小，且前期土壤含水率對(duì)土壤入滲率和產(chǎn)流滯時(shí)的影響較坡度更加明顯；Horton模型對(duì)降雨入滲關(guān)系的擬合結(jié)果優(yōu)于Kostiakov 和Philip 模型。

關(guān)鍵詞：前期土壤含水率；坡度；降雨產(chǎn)流；土壤入滲率；裸地

中圖分類號(hào)：P334.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16721683（2016）06000606

Rainfall runoff test on bare soil with different slope gradient and soil moisture content

MU Wenbin1，2，LI Yihao1，3，LI Chuanzhe1，LIU Jia1，CHENG Shuanghu4，ZHAO Nana5

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources

and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Yellow River Institute of Science，North China University

of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；3.School of Environmental Science and Engineering

Donghua University，Shanghai 200051，China；4.Hebei Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，

Shijiazhuang 050031，China；5.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）

Abstract：Antecedent soil moisture content and slope gradient are significant influential factors for rainfallrunoff （RR） process.In order to study the RR mechanism of semiarid region in the North China，artificial RR simulation test was carried out in the condition of different slope gradient and antecedent soil moisture content.According to the results：（1） In the whole RR process，the overland flow increased with the increase of antecedent soil moisture and slope，and the relationship between cumulative runoff and rainfall duration complied with a linear function.（2） Soil infiltration rate and runoff lag time decreased with the increase of antecedent soil moisture content and slope，and the influence of antecedent soil moisture on soil infiltration rate and runoff lag time was more obvious than that of slope.（3）Horton model was better than Kostiakov and Philip model in fitting the relationship between rainfall and infiltration.

Key words：antecedent soil moisture content；slope gradient；rainfallrunoff；soil infiltration rate；bare soil

隨著人類活動(dòng)和氣候變化影響的加劇，各種氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生。作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)的華北地區(qū)，面臨著降水變率大、區(qū)域洪澇災(zāi)害頻發(fā)等嚴(yán)重問(wèn)題。因此，正確理解華北半干旱地區(qū)的降雨產(chǎn)流特性對(duì)準(zhǔn)確選擇或建立有效的水文模型至關(guān)重要 [12]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)降雨產(chǎn)流機(jī)理的研究主要集中在黃土高原地區(qū)，如王占禮等[3]采用人工模擬降雨試驗(yàn)法對(duì)黃土裸坡降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行了研究；孔剛等[4]利用室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，研究了黃土坡耕地土壤初始含水率對(duì)坡面降雨入滲、產(chǎn)流、溶質(zhì)遷移規(guī)律的影響；陳洪松等[5]通過(guò)對(duì)黃土高原區(qū)坡面降雨入滲、產(chǎn)流的研究，表明產(chǎn)流時(shí)間主要取決于土壤初始含水量；王輝等[6]研究了黃土區(qū)前期土壤含水量對(duì)不同土壤坡面降雨入滲、產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性的影響。然而針對(duì)華北半干旱區(qū)大田土壤的降水產(chǎn)流機(jī)理研究還相對(duì)較少，因此，本文基于華北半干旱區(qū)的土壤特性，以比重較大的砂壤土為研究對(duì)象，采用人工模擬降雨的方法，研究了降雨產(chǎn)流過(guò)程中坡度和前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流的響應(yīng)機(jī)理，從而為華北半干旱區(qū)降雨產(chǎn)流過(guò)程研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的土槽，長(zhǎng)×寬×高=200 cm×50 cm×60 cm，土槽坡度可在0～25°之間自由調(diào)整。土槽上端以及底部均布設(shè)有導(dǎo)流裝置，分別用以觀測(cè)地表徑流和壤中流。土槽頂端四周內(nèi)側(cè)安裝10 cm高的鐵片，防止雨滴濺蝕及表層水土的側(cè)向沖刷流失。同時(shí)，土槽前端出口的縱剖面用鐵質(zhì)的百葉窗封裝，并在百葉窗內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層紗網(wǎng)，防止降雨過(guò)程中土壤側(cè)漏（見圖1）。

降雨產(chǎn)流試驗(yàn)所用的土壤取自北京市大興區(qū)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試驗(yàn)基地，土壤質(zhì)地為砂壤土，并于2012年3月對(duì)試驗(yàn)土槽進(jìn)行填裝。裝土前篩去土壤中的雜物，經(jīng)10 mm的濾網(wǎng)過(guò)濾后風(fēng)干，每隔5 cm進(jìn)行分層裝土，土壤填充高度為50 cm，基本為同性、均質(zhì)的土壤[7]。本試驗(yàn)于2015年8月進(jìn)行，所用土槽中的土壤已經(jīng)沉積3年多的時(shí)間，其性狀與大田土壤特性相似，基本參數(shù)見表1。

試驗(yàn)中采用的美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)的電容式土壤水分傳感器EC5，通過(guò)測(cè)量土壤中的介電常數(shù)來(lái)計(jì)算土壤體積含水率，測(cè)量精度可達(dá)到±1%～2%[1，7]。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采用EM50數(shù)據(jù)采集器（采集時(shí)間間隔的可調(diào)整范圍為1～1 440 min）進(jìn)行采集。

1.2 試驗(yàn)方法

降雨產(chǎn)流試驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所的人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)定三種不同坡度（5°、10°和15°），每種坡度分別在前期土壤含水率為020、025和030時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，且每組均進(jìn)行一組重復(fù)試驗(yàn)，降雨歷時(shí)均為120 min。相關(guān)研究指出[812]，雨強(qiáng)較大時(shí)，前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流的影響不明顯，故本試驗(yàn)采用較小的雨強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)，標(biāo)定雨強(qiáng)為25 mm/h。各場(chǎng)次降雨的具體雨強(qiáng)和前期土壤含水率見表2。

試驗(yàn)采用人工計(jì)量的方式對(duì)降雨過(guò)程中的地表徑流進(jìn)行觀測(cè)，在產(chǎn)流過(guò)程中每隔3 min采集一次徑流樣，降雨停止后的退水過(guò)程每隔1 min采集一次。降雨過(guò)程中土壤含水率的變化使用EM50數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集，采集時(shí)間間隔為1 min。

2 結(jié)果分析

2.1 前期土壤含水率和坡度對(duì)產(chǎn)流量的影響

前期土壤含水率相同、不同坡度條件下的降雨產(chǎn)流過(guò)程見圖2。由該圖可知：當(dāng)前期土壤含水率相同時(shí)，產(chǎn)流量隨坡度的增加而增大，這與王占禮等[3]的研究結(jié)果相一致。當(dāng)前期土壤含水率θ=020時(shí)，三種坡度的產(chǎn)流量均未達(dá)到穩(wěn)定，且坡度從5°增加到15°時(shí)，產(chǎn)流量增加了144%；在θ=025和θ=030的條件下，則均在產(chǎn)流后30 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流，且坡度每增加5°，穩(wěn)定產(chǎn)流量約增加10%。然而，在前期土壤含水率為025時(shí)，坡度為15°的產(chǎn)流量卻小于坡度為10°和5°的產(chǎn)流量，原因是坡度為15°的土槽由于人為因素造成土壤表面出現(xiàn)裂縫，使得坡度為15°的土槽降雨產(chǎn)流過(guò)程受到了影響。

坡度相同、不同前期土壤含水率條件下的降雨產(chǎn)流過(guò)程見圖3。由該圖可知：坡度相同時(shí)，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流量越大。這是由于隨著土壤含水率的增高，土壤入滲能力不斷降低，進(jìn)而使產(chǎn)流量不斷增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下產(chǎn)流量的增加速率差異較大，前期土壤含水率θ=020時(shí)，產(chǎn)流后徑流量增加緩慢且降雨過(guò)程中未達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流。而θ=025和θ=030時(shí)，產(chǎn)流后徑流量迅速增加至穩(wěn)定狀態(tài)；相同坡度下，前期土壤含水率從025增加至030，穩(wěn)定產(chǎn)流量約增加10%。

不同坡度和前期土壤含水率的降雨產(chǎn)流試驗(yàn)，在起始產(chǎn)流至產(chǎn)流剛達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)段內(nèi)，單位時(shí)間產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時(shí)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)y=aln（x）+b關(guān)系（見表3）。

2.2 不同坡度/前期土壤含水率對(duì)累積徑流

量的影響分析 對(duì)不同坡度和前期土壤含水率的累積徑流量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)：在產(chǎn)流過(guò)程中累積徑流量幾乎均呈線性變化趨勢(shì)，其確定性系數(shù)均在09以上（見表4），且均通過(guò)顯著水平α=001的方差分析和檢驗(yàn)。表4中參數(shù)a和b分別表示擬合曲線的斜率和截距。通過(guò)對(duì)比不同條件下斜率a可發(fā)現(xiàn)：累積徑流量的變化速率整體上隨前期土壤含水率和坡度的增加而增大。然而，在前期土壤含水率為025時(shí)，坡度為15°的斜率值明顯小于5°和10°，其原因是由于土壤表面出現(xiàn)裂縫，使得在降雨過(guò)程中土壤入滲總量變大，導(dǎo)致累積徑流量增加緩慢。

2.3 不同坡度/前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流滯時(shí)

的影響分析

坡度和前期土壤含水率是影響產(chǎn)流滯時(shí)的兩個(gè)重要因素[1316]。不同坡度和前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流滯時(shí)的影響見圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同坡度下，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流滯時(shí)越短。在前期土壤含水率θ=020時(shí)，三種坡度的產(chǎn)流滯時(shí)均在70 min以上，而在θ=025和θ=030時(shí)，均在35 min以內(nèi)產(chǎn)流。對(duì)比不同坡度與前期土壤含水率下的產(chǎn)流滯時(shí)可以發(fā)現(xiàn)：前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流滯時(shí)的影響較坡度更加明顯，這與陳洪松等[5]的研究結(jié)果相一致。

2.4 不同坡度和前期土壤含水率對(duì)土壤入

滲率的影響

土壤入滲率是描述降雨條件下坡地水文過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo)，其變化可影響徑流的形成過(guò)程[1721]。為研究降雨過(guò)程中土壤入滲率的變化特征，本文采用水量平衡的方法，對(duì)不同坡度和前期土壤含水率下的土壤入滲率進(jìn)行計(jì)算。不同坡度和前期土壤含水率條件下土壤入滲率曲線見圖5。從圖5可以看出，降雨開始后，土壤含水率隨著降雨歷時(shí)的增加而增大，然而，由于降雨強(qiáng)度小于土壤入滲率，致使降雨全部入滲，無(wú)地表徑流產(chǎn)生，因此入滲曲線在地表徑流產(chǎn)生前是一條直線；當(dāng)土壤入滲率小于降雨強(qiáng)度時(shí)，開始產(chǎn)生地表徑流；當(dāng)土壤含水率達(dá)到田間持水量時(shí)，此時(shí)土壤入滲率趨于穩(wěn)定。同時(shí)，在相同坡度下，前期土壤含水率越大，土壤入滲率曲線越陡、下降速率越快。

采用傳統(tǒng)的降雨入滲模型Kostiakov模型[22]、Horton 模型[23]以及Philip 模型[24]對(duì)不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入滲關(guān)系進(jìn)行回歸分析（見表5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同降雨條件下，Horton 入滲模型擬合結(jié)果較好，而Kostiakov 模型和Philip 模型的計(jì)算結(jié)果精度相對(duì)較低。從而說(shuō)明，對(duì)于試驗(yàn)區(qū)域的砂壤土而言，Horton入滲模型用以估算土壤入滲率以及入滲量具有較好的適應(yīng)性，該結(jié)論與相關(guān)學(xué)者[1，2，7]的研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文采用人工模擬降雨的方法對(duì)華北半干旱區(qū)裸地不同坡度和前期土壤含水率條件下的降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果如下。

（1）徑流量隨坡度/前期土壤含水率的增加而增大，在起始產(chǎn)流至產(chǎn)流剛達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)段內(nèi)，產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時(shí)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系；產(chǎn)流過(guò)程中，累積徑流量與降雨歷時(shí)呈現(xiàn)線性關(guān)系。

（2）在降雨產(chǎn)流過(guò)程中，坡度和前期土壤含水率越大，產(chǎn)流滯時(shí)越短，且前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流滯時(shí)的影響較坡度更加明顯。

（3）土壤入滲率隨產(chǎn)流歷時(shí)的增加而不斷減小。在相同坡度下，土壤入滲率的變化趨勢(shì)受前期土壤含水率的影響較大，其變化速率隨前期土壤含水率的增加而增大；同時(shí)，與前期土壤含水率相比，坡度對(duì)土壤入滲率的影響程度則相對(duì)較低。

（4）采用Kostiakov模型、Horton 模型以及Philip 模型對(duì)不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入滲關(guān)系進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，Horton 模型的模擬結(jié)果優(yōu)于其它兩種模型。

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