高 望

(浙江四維水利設(shè)計(jì)有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

我國(guó)是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤其是在我國(guó)的南方紅壤丘陵地區(qū)更尤為嚴(yán)重[1-2]。由于我國(guó)南方夏季多雨，很容易造成水土流失現(xiàn)象出現(xiàn)，許多研究人員討論了氣候變化對(duì)水土流失的影響，我國(guó)早在20世紀(jì)90年代就開始實(shí)施了退耕還林政策。土壤侵蝕危害是當(dāng)前氣候變化造成的不利事件之一，對(duì)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、全球糧食不安全和生計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響。為了解決目前我國(guó)南方丘陵地區(qū)侵蝕紅壤嚴(yán)重、生態(tài)回復(fù)難度大等問題，研究紅壤坡面的土壤侵蝕規(guī)律，預(yù)測(cè)土壤侵蝕脆弱性，對(duì)于采取緩解措施保護(hù)寶貴的自然資源至關(guān)重要，同時(shí)對(duì)我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)水土流失的防治、農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

在國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕研究的眾多方法中，最常用的手段是采用人工降雨試驗(yàn)來模擬坡面徑流與泥沙特征。在不考慮雨滴對(duì)土壤侵蝕的沖擊作用時(shí)，也可以采取放水沖刷的方法進(jìn)行研究坡面泥沙特征。基于上述2種方法，研究人員開展了大量的研究，趙偉[3]等人在人工降雨條件下，對(duì)水土保持區(qū)的土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，并通過進(jìn)一步的定性及定量分析，得出了不同人工降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)土壤產(chǎn)沙的影響，進(jìn)而得出了不同土壤類型下的降水強(qiáng)度與坡度的函數(shù)關(guān)系式。郭軍權(quán)[4]等人采用放水沖刷試驗(yàn)，研究了不同坡度對(duì)土壤坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響規(guī)律，進(jìn)一步得出了不同流量下坡度與徑流率的關(guān)系。王愛娟[5]采用人工放水沖刷和人工降雨的方法，模擬了一種可變坡度的坡面，研究了不同土壤特性對(duì)雨滴能量傳遞的影響和不同坡度及地表粗糙度條件下徑流能傳遞規(guī)律。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于采用人工降雨或放水沖刷的研究方式相對(duì)成熟，但同時(shí)結(jié)合2種方法對(duì)紅壤坡面徑流與泥沙特征的研究鮮有報(bào)道。因此，本文針對(duì)南方紅壤丘陵地區(qū)的水土流失嚴(yán)重的問題，對(duì)紅壤坡面的徑流和泥沙特征進(jìn)行人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)，揭示不同坡度及不同降雨強(qiáng)度對(duì)紅壤坡面的徑流和泥沙的影響特征，研究成果為紅壤侵蝕的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用土主要來自我國(guó)南方水土流失較嚴(yán)重的丘陵地區(qū)，土地的類型為坡耕地，坡度經(jīng)過實(shí)際測(cè)量大致為10°，土壤類型為紅壤，土壤基本力學(xué)參數(shù)及土壤中不同顆粒含量詳見表1—2。通過對(duì)當(dāng)?shù)氐臍鉁丶皻夂蜻M(jìn)行充分調(diào)研，發(fā)現(xiàn)年平均降水量在1200mm左右，降雨類型以暴雨為主，對(duì)土壤侵蝕較嚴(yán)重。

表1 土壤基本力學(xué)參數(shù)

表2 土壤中不同顆粒含量 單位：%

1.2 試驗(yàn)裝置

本研究試驗(yàn)在水土流失移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)具備坡度可調(diào)(0°～30°)的土壤侵蝕槽，為了方便試驗(yàn)裝置的滲流，在槽底部設(shè)置有直徑4mm的孔，槽下部設(shè)置有地表徑流的接收裝置。人工降雨試驗(yàn)裝置采用下噴式的降雨器，其中試驗(yàn)降雨的高度大約為5m。放水沖刷試驗(yàn)采用馬氏瓶原理控制恒定水頭，水箱大小為1m×1m×1m的立方體，箱子底部距離地面約為5m。

1.3 試驗(yàn)方法

通過結(jié)合湖北省宜昌市氣象局近5年的降雨資料，本實(shí)驗(yàn)初步擬定人工降雨強(qiáng)度為0.5、1.0、1.5、2.0mm/min，放水沖刷試驗(yàn)流量為1.2、2.8、4.2、5.2L/min。同時(shí)本文結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際耕地坡度，將試驗(yàn)的坡度擬定在6°、12°、18°、24°。通過控制變量法，將每場(chǎng)降雨試驗(yàn)總雨量維持在40mm保持不變，然后將紅壤過1cm的篩，裝入侵蝕槽中，其中厚度保持0.4m左右。待土壤完全裝入侵蝕槽后，將其自然放置一段時(shí)間，當(dāng)土壤狀態(tài)接近自然狀態(tài)時(shí)用環(huán)刀法對(duì)侵蝕槽內(nèi)的土壤密度進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)土壤密度達(dá)到自然密度1.37g/cm3進(jìn)行備用。為了使室內(nèi)試驗(yàn)盡可能與現(xiàn)場(chǎng)條件相吻合，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土壤取樣進(jìn)行含水率的測(cè)定，通過調(diào)整土壤含水量與現(xiàn)場(chǎng)含水量保持一致。同時(shí)，為了保證試驗(yàn)誤差盡可能小，每次試驗(yàn)要連續(xù)進(jìn)行。人工降雨試驗(yàn)強(qiáng)度由小到大逐步增加，同理，放水試驗(yàn)也是從小流量到大流量進(jìn)行。在試驗(yàn)開始時(shí)，每隔1min測(cè)試徑流量與泥沙含量，試驗(yàn)進(jìn)行過程中每2min采樣觀測(cè)一次直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同試驗(yàn)條件對(duì)坡面徑流的影響規(guī)律

人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)條件下紅壤坡面初始產(chǎn)流時(shí)間見表3—4。結(jié)果表明，在人工降雨試驗(yàn)條件下，土壤坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間范圍在0.28～6.82之間，并且隨著坡度和強(qiáng)度的增加，其產(chǎn)流時(shí)間整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。其中坡度在6°～12°范圍內(nèi)時(shí)下降速率最快。同時(shí)人工降雨強(qiáng)度在0.5～1.0mm/min范圍內(nèi)存在明顯的突變，反觀隨著坡度與降雨強(qiáng)度的增加，其初始產(chǎn)流時(shí)間的下降幅度有明顯的減小。對(duì)比放水沖刷試驗(yàn)下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間來看，其表現(xiàn)出來的趨勢(shì)與人工降雨條件下基本一致，但整體初始產(chǎn)流時(shí)間要大于人工降雨試驗(yàn)。究其主要原因是因?yàn)樵谌斯そ涤甑脑囼?yàn)過程中，雨水的滴落會(huì)比較均勻的分散到坡面，在坡面形成一種薄層的水流，最終產(chǎn)生坡面徑流；在放水沖刷試驗(yàn)中，形成坡面徑流的過程較多，尤其是在形成坡面薄層水流流程較長(zhǎng)，導(dǎo)致其初始的產(chǎn)流時(shí)間較長(zhǎng)[6-7]。

表3 人工降雨試驗(yàn)下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間 單位：min

表4 放水沖刷試驗(yàn)下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間 單位：min

2.2 不同試驗(yàn)條件對(duì)坡面泥沙的影響規(guī)律

通過分析人工降雨條件下的徑流過程(如圖1所示)，可以看出，徑流量隨著坡度和降雨強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，并且通過降雨時(shí)間可以看出，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，徑流量在初期迅速增加，但經(jīng)過一段時(shí)間后，其徑流量的增加速度有所減緩，并在50～60min內(nèi)趨于穩(wěn)定。

圖1 人工降雨試驗(yàn)下的徑流過程

通過分析放水沖刷試驗(yàn)下的徑流過程(如圖2所示)，可以看出，徑流量隨著放水流量的增加而增加，徑流量在放水時(shí)間前期呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)，但隨著放水時(shí)間的延長(zhǎng)，趨勢(shì)逐漸趨于緩和，同時(shí)坡度也表現(xiàn)出了相應(yīng)的趨勢(shì)變化。綜上，可以發(fā)現(xiàn)，放水時(shí)間在5～20min是紅壤坡面徑流穩(wěn)定的突變值，超過這一時(shí)間段，徑流量趨于穩(wěn)定。

圖2 放水沖刷試驗(yàn)下的徑流過程

2.3 不同試驗(yàn)條件對(duì)徑流總量的影響規(guī)律

如圖3所示為人工降雨試驗(yàn)下紅壤坡面徑流總量，可以看出，隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加，徑流總量表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)。當(dāng)坡度為6°，降雨強(qiáng)度由0.5mm/min增加到2.0mm/min時(shí)，徑流總量由60000mL增加到140000mL；當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.5mm/min，坡度由6°變化到24°時(shí)，徑流總量分別為60000、61000、82000、91000mL。由此可以看出，坡度在12°～18°階段內(nèi)，徑流總量變化幅度最大。

圖3 人工降雨試驗(yàn)下紅壤坡面徑流總量

如圖4所示為放水沖刷試驗(yàn)下紅壤坡面徑流總量，可以看出，隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加，徑流總量同樣表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)。當(dāng)坡度為6°，放水流量從1.2L/min增加到5.2L/min時(shí)，徑流總量增幅2倍多；當(dāng)放水流量在1.2L/min，坡度變化范圍在6°～24°時(shí)，徑流總量分別為30000、41000、54000、74000mL，可以看出，在坡度18°～24°時(shí)增加趨勢(shì)最大，這表明徑流總量受坡度變化范圍影響較大。

圖4 放水沖刷試驗(yàn)下紅壤坡面徑流總量

通過對(duì)比人工降雨和放水沖刷2種不同實(shí)驗(yàn)情況下的徑流總量，可以看出，人工降雨試驗(yàn)下的徑流總量要遠(yuǎn)高于放水沖刷試驗(yàn)下的徑流總量，尤其是在坡度相差較大時(shí)，徑流總量的差值會(huì)更大，這與鐘壬琳等人[8]的研究結(jié)果一致。

2.4 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙含量變化

如圖5所示，顯示了人工降雨試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙過程，可以發(fā)現(xiàn)不同降雨強(qiáng)度下，泥沙含量有所變化，隨著降雨強(qiáng)度的增大，泥沙含量略有增加。當(dāng)降雨強(qiáng)度穩(wěn)定時(shí)，泥沙含量隨著坡度的增加而增加，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，泥沙含量表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，降雨時(shí)間在5～10min階段范圍內(nèi)出現(xiàn)突變，之后泥沙含量隨著時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定。

圖5 人工降雨試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙過程

如圖6所示，顯示了放水沖刷試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙過程，由圖6(a)可以看出，隨著放水歷時(shí)的變化，含沙量整體表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)坡度由6°增加到24°時(shí)，含沙量表現(xiàn)出明顯的增加現(xiàn)象。當(dāng)坡度為24°時(shí)，含沙量較其他坡度增長(zhǎng)了3倍，尤其在放水歷時(shí)5～15min階段，發(fā)生了明顯的突變現(xiàn)象，之后含沙量隨著放水歷時(shí)的延長(zhǎng)，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 放水沖刷試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙過程

如圖7所示，為人工降雨試驗(yàn)下紅壤坡面產(chǎn)沙總量，產(chǎn)沙總量隨著坡度和降雨強(qiáng)度的增加而增大，當(dāng)坡度為6°時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，產(chǎn)沙總量增加的趨勢(shì)較小，最大變化差值為1500g。隨著坡度的逐漸增加，產(chǎn)沙總量差值變大，當(dāng)坡度為24°時(shí)，產(chǎn)沙總量差值為13800g，相比較坡度6°時(shí)，產(chǎn)沙總量增長(zhǎng)了3倍多。表明，當(dāng)坡度為6°、24°時(shí)，產(chǎn)沙總量隨著降雨強(qiáng)度的變化出現(xiàn)了最大突變。

圖7 人工降雨試驗(yàn)下紅壤坡面產(chǎn)沙總量

如圖8所示，為放水沖刷試驗(yàn)下紅壤坡面產(chǎn)沙總量，產(chǎn)沙總量隨著坡度與放水流量的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。當(dāng)放水流量為5.2L/min時(shí)，坡度由6°增加到24°時(shí)，產(chǎn)沙總量變化最為明顯，產(chǎn)沙總量分別為6500、8100、9800、12400g，并且變化幅度呈現(xiàn)出越來越大的趨勢(shì)，這表明，防水流量為5.2L，坡度為24°時(shí)，產(chǎn)沙總量最大。

圖8 放水沖刷試驗(yàn)下紅壤坡面產(chǎn)沙總量

通過對(duì)比人工降雨和放水沖刷2種不同實(shí)驗(yàn)情況下的產(chǎn)沙總量，可以看出，2種試驗(yàn)條件下的產(chǎn)沙總量差值隨著坡度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，隨著坡度的增加，人工降雨試驗(yàn)下的產(chǎn)沙總量要遠(yuǎn)高于放水沖刷試驗(yàn)下的徑流總量，尤其是在坡度相差較大時(shí)，產(chǎn)沙總量的差值會(huì)更大。

3 結(jié)論

本文以紅壤坡面為研究對(duì)象，通過人工降雨和放水沖刷試驗(yàn)，分析紅壤坡面的徑流和泥沙特征。得出以下結(jié)論。

(1)坡面產(chǎn)流時(shí)間都坡度和降雨強(qiáng)度的增加而減小，坡度6°～12°范圍內(nèi)時(shí)下降速率最快，放水沖刷試驗(yàn)下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間明顯低于人工降雨試驗(yàn)條件。

(2)徑流量隨著放水流量的增加而增加，徑流量在放水時(shí)間前期呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)，后逐漸趨于緩和；人工降雨試驗(yàn)下的徑流總量高于放水沖刷試驗(yàn)下的徑流總量，坡度較大時(shí)的徑流總量的差值更明顯。

(3)隨著降雨強(qiáng)度的增大，泥沙含量略有增加，放水沖刷試驗(yàn)下的含沙量高于人工降雨。隨著坡度的增加，泥沙含量增加趨勢(shì)緩和。