苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

土壤侵蝕已經(jīng)影響區(qū)域社會(huì)和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題，不但會(huì)使得土地治理呈現(xiàn)明顯退化，還成為區(qū)域面源污染負(fù)荷的主要來(lái)源之一[1]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)區(qū)域水土流失進(jìn)行了大量研究[2- 8]，各研究均表明不同土壤類(lèi)型下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征差異程度十分明顯，與降雨強(qiáng)度、坡度以及土壤質(zhì)地關(guān)系密切。近年來(lái)，降水條件和雨強(qiáng)對(duì)區(qū)域土壤侵蝕影響的研究均是相對(duì)于單一要素進(jìn)行分析[9- 15]，而進(jìn)行雨強(qiáng)和坡度系統(tǒng)分析的研究還較少。為此本文結(jié)合室外人工降雨試驗(yàn)，對(duì)坡度、雨強(qiáng)、土壤類(lèi)型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙差異特征進(jìn)行試驗(yàn)分析，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合不同土壤類(lèi)型下產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量與雨強(qiáng)和坡度的相關(guān)方程。研究成果對(duì)于探討不同土壤類(lèi)型下的區(qū)域土壤侵蝕特征具有重要的意義，并且可為區(qū)域水土流失治理提供相應(yīng)的科學(xué)支撐。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室外人工降雨試驗(yàn)場(chǎng)地位于遼寧西部某水土保持試驗(yàn)區(qū)，結(jié)合人工移動(dòng)降雨設(shè)備進(jìn)行不同雨強(qiáng)的控制，降雨有效滴落的高度控制在4m，有效降水面積為12m2，采用可以升降的試驗(yàn)鋼槽進(jìn)行雨強(qiáng)的調(diào)節(jié)，頂部坡度的調(diào)節(jié)范圍在0°～15°之間，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。水土保持試驗(yàn)區(qū)坡度分別為4°、6°、8°、10°。通過(guò)數(shù)據(jù)分析區(qū)域雨強(qiáng)最大值75mm/h，因此選取20、40、60、80mm/h進(jìn)行人工降水重復(fù)試驗(yàn)，共進(jìn)行30組試驗(yàn)。

圖1 人工降雨試驗(yàn)場(chǎng)景

1.2 試驗(yàn)流程

水土流失試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的土壤主要為潮土和壤土，兩種試驗(yàn)土壤的主要質(zhì)地見(jiàn)表1。為最大程度模擬天然狀態(tài)下的土壤侵蝕，每次試驗(yàn)后進(jìn)行土層回填，回填的深度低于25cm，為了保持土壤的滲透性能，在試驗(yàn)土壤的底部設(shè)置25cm的過(guò)濾篩土層。結(jié)合含沙量測(cè)定儀對(duì)土壤侵蝕量進(jìn)行測(cè)定，每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為10個(gè)。在降水前期設(shè)置表層土壤含水量為15～20cm，采用翻斗式雨量計(jì)對(duì)其降雨量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)合三角堰的方式對(duì)試驗(yàn)區(qū)坡面產(chǎn)流量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合試驗(yàn)時(shí)間推算其總的產(chǎn)流量。產(chǎn)沙量主要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的產(chǎn)流量和含水量進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 不同雨強(qiáng)條件下土壤產(chǎn)流時(shí)間特征

不同降水條件對(duì)各類(lèi)型土壤下的初始產(chǎn)流影響不同，為此對(duì)各坡度下4種降雨條件下的初始產(chǎn)流時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同降水條件下的土壤初始產(chǎn)流時(shí)間對(duì)比結(jié)果 單位：s

從表1中可看出，同一坡度下隨著降雨強(qiáng)度的增加，其初始產(chǎn)流時(shí)間逐步縮短，而同樣在同一降雨強(qiáng)度下，隨著坡度的增加不同土壤類(lèi)型的初始產(chǎn)流時(shí)間也同樣縮短。降雨強(qiáng)度和坡度均對(duì)各土壤類(lèi)型的初始產(chǎn)流時(shí)間產(chǎn)生正向影響。在相同降雨和坡度條件下，壤土的總體初始產(chǎn)流時(shí)間均要高于潮土，這種由于潮土表面土層顆粒較為緊實(shí)，因此下滲率較小，影響降雨滲透。而壤土在降雨過(guò)程中，其表面較易形成干裂結(jié)皮，可有效增加降水下滲量，使得其初始產(chǎn)流時(shí)間要高于潮土。在同一坡度條件下，降雨強(qiáng)度越高，其區(qū)域能接收的降水量也相應(yīng)較大，因此其初始產(chǎn)流時(shí)間受到降雨強(qiáng)度遞增影響，其產(chǎn)流初始時(shí)間呈現(xiàn)遞減變化。

2.2 不同雨強(qiáng)條件下土壤產(chǎn)流量特征

結(jié)合人工降雨試驗(yàn)，分析不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下區(qū)域各類(lèi)型土壤的產(chǎn)流量差異變化特征，試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表2及圖2。

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可看出，在同一降雨強(qiáng)度和坡度條件下，壤土的產(chǎn)流量總體高于潮土，40mm/h降雨強(qiáng)度下壤土和潮土的產(chǎn)流變化最為明顯，壤土的產(chǎn)流可達(dá)到潮土產(chǎn)流量的1.3～2.1倍，坡度最高時(shí)兩種土壤類(lèi)型的產(chǎn)流差異有所減小，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到最大時(shí)，兩種土壤類(lèi)型下的

表2 不同雨強(qiáng)和坡度下的土壤產(chǎn)流差異特征分析 單位：L

產(chǎn)流總量的差異特征達(dá)到最小值。這主要是因?yàn)槿劳恋念w粒含量較小，土壤含水結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性較弱，因此滲透量總體較低，其降水基本以坡面產(chǎn)流的方式快速排出。在降雨強(qiáng)度和坡度均較小時(shí)，壤土的滲透水量也高于潮土?？傮w上，隨著降雨強(qiáng)度的遞增，各土壤類(lèi)型的滲透水量逐步趨于相同，在40mm/h降雨強(qiáng)度4°和6°下壤土的產(chǎn)流總量明顯高于潮土。從圖2的試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著降雨強(qiáng)度的增加，各坡度下的兩種土壤類(lèi)型的產(chǎn)流差異性逐步加大。在產(chǎn)流初期兩種土壤的產(chǎn)流關(guān)系較為復(fù)雜，隨著產(chǎn)流時(shí)間的增加，兩種土壤類(lèi)型產(chǎn)流差異增幅加大，而當(dāng)降雨強(qiáng)度增加到60、80mm/h時(shí)，兩種土壤類(lèi)型的差異特征有減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)坡度較低時(shí)，潮土表層有結(jié)皮使得其下滲水量減少。當(dāng)降雨強(qiáng)度增加到80mm/h后，坡度為6°下壤土隨產(chǎn)流時(shí)間遞增的差異性要高于潮土。隨著坡度的遞增，潮土和壤土產(chǎn)流差異變幅呈現(xiàn)先遞增后減小的變化趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡S著降雨強(qiáng)度和坡度的加大，土壤表層產(chǎn)流特征明顯。

2.3 不同雨強(qiáng)條件下土壤產(chǎn)沙量特征

結(jié)合人工降雨試驗(yàn)，分析不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下區(qū)域各類(lèi)型土壤的產(chǎn)沙量差異變化特征，試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表3及圖3。

表3 不同雨強(qiáng)和坡度下的土壤產(chǎn)沙差異特征分析 單位：kg/m3

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)兩種土壤類(lèi)型的產(chǎn)沙量呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化，壤土的產(chǎn)沙總量總體高于潮土的產(chǎn)沙總量。在降雨強(qiáng)度和坡度較小時(shí)，潮土和壤土表面產(chǎn)流差異特征明顯，潮土的水土流失主要以降雨濺蝕為主，而壤土主要受到降雨沖刷影響為主。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到80mm/h時(shí)，壤土的產(chǎn)沙量隨著坡度的增加，呈現(xiàn)先遞增后減小的變化，而后與潮土的產(chǎn)沙差異性加大。當(dāng)坡度低于6°時(shí)兩種土壤的產(chǎn)沙差異性較弱，這主要是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度和坡度條件下對(duì)土壤侵蝕能力影響程度不同，降雨強(qiáng)度較大，潮土和壤土對(duì)土壤表層顆粒的沖刷作用較為明顯，而土壤表層具有一定的抗沖刷能力，因此對(duì)表層土壤顆粒沖刷影響較弱。而隨著坡度的遞增，水流的動(dòng)力作用加強(qiáng)，不同坡度條件下的土壤侵蝕能力增加，同時(shí)由于降雨強(qiáng)度的增加，由于作用疊加效應(yīng)，土壤侵蝕逐步增加。從圖3中可看出，在40mm/h降雨強(qiáng)度，坡度為6°的條件下，壤土的含沙量遞增較為顯著，坡面出現(xiàn)明顯的細(xì)溝侵蝕特征的變化，降雨初期的含沙量較大，隨著時(shí)間的變化，含沙量呈現(xiàn)明顯的遞減，在產(chǎn)流后期，含沙量逐步趨于穩(wěn)定變化。降雨強(qiáng)度為40mm/h兩種土壤類(lèi)型差異較60mm/h雨強(qiáng)要大，這表明40mm/h降雨強(qiáng)度下壤土出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕現(xiàn)象，土壤顆粒呈現(xiàn)團(tuán)狀，使得各土壤類(lèi)型下土壤侵蝕量呈現(xiàn)急劇變化。當(dāng)坡度增加到10°后，降雨對(duì)壤土的沖蝕作用要高于潮土，在土壤表層的較容易形成溝壑，使得壤土的含沙量高于潮土。當(dāng)降雨強(qiáng)度增加到80mm/h后其雨強(qiáng)變化較為一致。

圖2 不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下各類(lèi)型土壤產(chǎn)流特征分析

圖3 不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下各類(lèi)型土壤產(chǎn)沙特征分析

2.4 降水條件和坡度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙綜合影響

結(jié)合不同降雨強(qiáng)度和坡度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)，建立各土壤類(lèi)型產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)回歸方程，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各土壤類(lèi)型下產(chǎn)流產(chǎn)沙與坡度和雨強(qiáng)相關(guān)方程

注：θ表示為坡度(°)；I表示為降雨強(qiáng)度(mm/h)。

通過(guò)對(duì)建立的潮土和壤土回歸方程進(jìn)行分析，各回歸方程的相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，其中產(chǎn)流方程的相關(guān)系數(shù)總體高于產(chǎn)沙方程的相關(guān)系數(shù)。結(jié)合統(tǒng)計(jì)顯著性對(duì)各回歸方程進(jìn)行分析，結(jié)果表明各方程在0.05水平下的顯著性水平較高，結(jié)合相同坡度和降雨強(qiáng)度下的分析表明，降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響程度總體高于坡度，且對(duì)產(chǎn)流影響特征較為明顯。這主要是因?yàn)楦魍寥李?lèi)型下產(chǎn)流受到降雨強(qiáng)度和坡度影響外，受到土壤質(zhì)地影響程度較弱，而對(duì)于產(chǎn)沙條件而言，其產(chǎn)沙量除受到降雨強(qiáng)度和坡度的影響外，還受到土壤質(zhì)地影響，而土壤質(zhì)地影響的關(guān)鍵在于土壤侵蝕因子，土壤侵蝕因子是區(qū)域產(chǎn)沙量影響的重要關(guān)鍵參數(shù)，因此相比于產(chǎn)流而言，各土壤類(lèi)型下的產(chǎn)沙對(duì)于降雨強(qiáng)度和坡度影響的顯著性要低于產(chǎn)流影響。結(jié)合建立的不同土壤類(lèi)型下產(chǎn)流和產(chǎn)沙相關(guān)方程，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域各土壤類(lèi)型下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的簡(jiǎn)單換算。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)在同一降水強(qiáng)度下，隨著坡度增加土壤類(lèi)型對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響逐步減弱，40mm/h10°坡、60mm/h8°坡各類(lèi)型土壤坡產(chǎn)流量隨著降水時(shí)間的變化差異度明顯減弱。

(2)壤土在產(chǎn)流初始的10min內(nèi)含沙量較大，隨后逐步遞減并趨于穩(wěn)定，而潮土含沙量變化規(guī)律不明顯，壤土表層細(xì)溝侵蝕較為嚴(yán)重，集中于坡面中下區(qū)域，潮土表面易形成溝壑，細(xì)溝侵蝕程度較小。

(3)建立的產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸方程可方便水土保持區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，也可為其他類(lèi)型土壤回歸方程建立提高范例。

(4)本文在產(chǎn)沙影響中未能涉及土壤侵蝕因子的影響，以后還需結(jié)合土壤侵蝕因子的影響進(jìn)行重點(diǎn)研究。