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（1.3.江蘇省徐州市豐縣水利局 豐縣 221700 2.江蘇省徐州市水科所 徐州 221000）

沙土區(qū)河道土壤侵蝕強(qiáng)度定量分析

胡 煒1范敬蘭2王 賓3

（1.3.江蘇省徐州市豐縣水利局 豐縣 221700 2.江蘇省徐州市水科所 徐州 221000）

徐州黃泛沖積平原為古代黃河泛濫泥沙沉積所形成，其面積分布較廣，水土流失嚴(yán)重。本次試驗(yàn)在徐州市豐縣水土保持示范區(qū)通過(guò)3種不同強(qiáng)度人工降雨試驗(yàn)，得到7種處理在不同降雨強(qiáng)度下土壤侵蝕量，畫出不同處理降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量關(guān)系曲線，為開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目和生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

人工降雨試驗(yàn) 土壤侵蝕強(qiáng)度 率定 關(guān)系曲線

降水落到地面，一部分會(huì)滲透到土壤中，另一部分則形成地表徑流，徑流夾帶泥沙匯入河道形成水土流失。在科研和規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中，通常缺少實(shí)測(cè)的土壤流失量，因此，需要有一種定量測(cè)定技術(shù)設(shè)施和場(chǎng)地，來(lái)測(cè)量土壤流失強(qiáng)度和流失量。2011年，在豐縣趙莊鎮(zhèn)設(shè)立沙土區(qū)河道坡面水土流失測(cè)定的徑流試驗(yàn)場(chǎng)，以測(cè)定不同處理徑流中的含沙量。

1 試驗(yàn)小區(qū)的設(shè)定

試驗(yàn)小區(qū)按《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（SL277—2002）中5.2.3的規(guī)定要求設(shè)置，試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)共14個(gè)徑流小區(qū)，每個(gè)徑流小區(qū)連著3個(gè)集水桶，為三級(jí)集水，二級(jí)分流。該小區(qū)寬度為5m，直邊加斜邊長(zhǎng)度為20.1m，斜坡傾斜度為8°，計(jì)算出小區(qū)垂直投影面積為100m2，小區(qū)邊界由水泥板圍成，邊墻露出地面20cm，埋入地下30cm。上緣向小區(qū)外呈60°傾斜，徑流小區(qū)末端為水泥做成的集流槽，集流槽上緣與地面同高，槽底向下及中間傾斜，集流槽上面用鍍鋅鐵皮覆蓋，防止雨水落入集流槽，集流桶與集流槽用鍍鋅鐵皮做成的導(dǎo)流管連接，見(jiàn)圖1。

圖1 徑流小區(qū)分流桶布置示意圖

集流桶采用鍍鋅鐵皮制成，按24h降雨200mm的坡面徑流標(biāo)準(zhǔn)確定三級(jí)集流桶的尺寸，集流桶的尺寸直徑50cm，高80cm，溢流口至桶底大致50cm。采用三級(jí)集流，兩級(jí)分水的方式，收集小區(qū)徑流。小區(qū)總的徑流量為一級(jí)集流桶的徑流量加上二級(jí)集流桶的徑流量的11倍，再加上三級(jí)集流桶徑流量的121倍，見(jiàn)下公式：

式中：Q——小區(qū)徑流量；

Q1——一級(jí)集流桶水量；

Q2——二級(jí)集流桶水量；

Q3——三級(jí)集流桶水量。

2 徑流場(chǎng)區(qū)處理布置

該試驗(yàn)地區(qū)位于豐縣趙莊鎮(zhèn)太行堤河右側(cè)河堤。該地區(qū)屬于廢黃河沖積平原區(qū)，是徐州市沙土區(qū)河道的典型代表區(qū)域。

徑流小區(qū)共設(shè)置14個(gè)，7個(gè)處理，每個(gè)處理2次重復(fù)。7個(gè)處理分別是：標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)、刮平夯實(shí)器、撂荒地、混種草、立體種植、W-OH+混種草及生態(tài)混凝土+混種草。

3 觀測(cè)項(xiàng)目

（1）氣象要素：按《氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定的方法進(jìn)行，主要內(nèi)容有降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等。

（2）土壤資料：包括土壤容重和土壤水分。

（3）徑流量：次降雨產(chǎn)生的徑流，通過(guò)徑流量計(jì)算徑流系數(shù)。

（4）泥沙量：包括3個(gè)集流桶中的泥沙量，3個(gè)桶分別取樣，每次取水樣500mL，烘干稱量水樣中的含沙量，推算整個(gè)徑流小區(qū)的土壤侵蝕量。

（5）示范區(qū)項(xiàng)目觀測(cè)：示范區(qū)的溝蝕狀況、植被長(zhǎng)勢(shì)。

4 人工降雨試驗(yàn)

利用人工降雨設(shè)備在徑流小區(qū)的人工降雨試驗(yàn)，可得到不同雨強(qiáng)下的各種處理的徑流量，通過(guò)取樣，可得到樣本泥沙量，從而得到徑流小區(qū)的此次降雨的土壤侵蝕量。

4.1 人工模擬降雨試驗(yàn)介紹

此次試驗(yàn)選用的人工降雨設(shè)備，是中科院水利部水土保持研究所儀器設(shè)備廠生產(chǎn)的BX－1型便攜式野外降雨器。針對(duì)該小區(qū)試驗(yàn)，采用的小區(qū)兩邊各設(shè)置4組噴頭組合，共8組，做徑流小區(qū)不同雨強(qiáng)的降雨試驗(yàn)。

其原理及組成：采用側(cè)噴式噴頭內(nèi)不同的孔徑擋水板，在一定水壓下，會(huì)形成各種均勻的降雨強(qiáng)度，再將各個(gè)噴頭組合進(jìn)行合理排布，即可形成設(shè)定區(qū)域內(nèi)不同雨強(qiáng)的均勻降雨，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4.2 人工模擬降雨試驗(yàn)主要參數(shù)的率定

4.2.1 率定的目的及準(zhǔn)備工作

確定人工模擬降雨器在不同供水壓力條件下噴灑的降雨強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的噴灑均勻度。

降雨強(qiáng)度：在設(shè)定供水壓力的條件下，測(cè)點(diǎn)處單位時(shí)間內(nèi)的降雨量。

降雨均勻度：在無(wú)風(fēng)的理想狀態(tài)下，在設(shè)定的降雨強(qiáng)度下，某一降雨范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的降雨量與平均降雨量的差值的絕對(duì)值與平均降雨量的百分比。

要求率定場(chǎng)地地勢(shì)平坦，空曠無(wú)風(fēng)，水源充足，供水壓力穩(wěn)定，流量的設(shè)計(jì)壓力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，水源清澈無(wú)雜質(zhì)。

表1 BX-1型便攜式人工降雨器率定成果表

表2 人工降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的關(guān)系 單位：kg/km2

4.2.2 率定過(guò)程

首先將模擬降雨器按在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的布設(shè)安裝，即安裝在5m×20m的范圍內(nèi)布設(shè)8個(gè)降雨器，將壓力調(diào)節(jié)閥、壓力表和模擬降雨器用相應(yīng)的管道連接件與橡膠管連接在一起，每個(gè)接口用管卡箍筋，避免漏水，打開(kāi)供水閥門，調(diào)節(jié)供水壓力，在噴灑范圍內(nèi)安放40個(gè)雨量筒，雨量筒之間以正方形布設(shè)，準(zhǔn)備一個(gè)手持風(fēng)速儀，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)0.2m/s時(shí)，停止率定，當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)再重新開(kāi)始。

降雨器一邊4個(gè)，間隔5m。

率定開(kāi)始，觀測(cè)風(fēng)速如符合要求，打開(kāi)供水閥門，將供水壓力調(diào)節(jié)到0.1MPa，同是打開(kāi)秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，每一次試驗(yàn)應(yīng)持續(xù)10～30min，小雨強(qiáng)采用長(zhǎng)時(shí)間，大雨強(qiáng)采用短時(shí)間，在降雨過(guò)程中注意觀察實(shí)驗(yàn)條件是否發(fā)生變化，到設(shè)計(jì)降雨時(shí)間，關(guān)閉供水閥門，按雨量筒編號(hào)分別讀取降雨量值，記錄在表格中（見(jiàn)圖2）。

圖2 人工降雨與土壤侵蝕量關(guān)系圖

T——降雨時(shí)間；

通過(guò)測(cè)定，BX-1型便攜式人工降雨器率定成果見(jiàn)表1。

4.2.3 試驗(yàn)小區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)

在試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行了噴嘴孔徑為7mm、10mm、12mm三種雨強(qiáng)的人工降雨試驗(yàn)，試驗(yàn)采用3次重復(fù)，次降雨持續(xù)的時(shí)間10～30min，人工降雨試驗(yàn)按率定的標(biāo)準(zhǔn)和外部自然條件進(jìn)行，如壓力表的壓力是否達(dá)到設(shè)定壓力，7mm噴嘴工作壓力0.15MPa，10mm、12mm噴嘴工作壓力0.2MPa，風(fēng)速是否超過(guò)2m/s，連接桿是否與水平面垂直。如果上述條件不能滿足，不能開(kāi)展工作。

5 試驗(yàn)資料分析及結(jié)果

降雨強(qiáng)度是指單位時(shí)間的降雨累計(jì)量。降雨強(qiáng)度影響土壤流失的關(guān)鍵是雨滴打擊力對(duì)土壤的分散作用，缺乏植被覆蓋的土壤易受降雨強(qiáng)度的影響，短歷時(shí)的強(qiáng)降雨會(huì)分散土壤，即便以后降雨強(qiáng)度有所降低，只要產(chǎn)生坡面徑流，也很容易輸送已經(jīng)被分散的土壤，產(chǎn)生土壤侵蝕，形成水土流失。

分析人工降雨的降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的關(guān)系，因?yàn)槿斯そ涤陱?qiáng)度偏大，并能人工控制降雨強(qiáng)度，土壤侵蝕現(xiàn)象明顯。

5.1 降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量關(guān)系

人工降雨試驗(yàn)在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行。采用中科院水利部水保所儀器廠生產(chǎn)的BX-1型便攜式野外降雨器，4組對(duì)噴的形式，降雨支架高4m，設(shè)置12mm、10mm、7mm3個(gè)擋水板的噴水孔徑，由于降雨強(qiáng)度比較大，以分鐘為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度通過(guò)率定分別為0.409mm/min、0.299 mm/min和0.186 mm/min。

試驗(yàn)中要求土壤水分基本一致，處于基本飽和狀態(tài)，風(fēng)速要求在2m/s以下，此次試驗(yàn)采用3種不同降雨強(qiáng)度對(duì)各試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)采用3次重復(fù)，現(xiàn)將試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比分析。

在100m2小區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大到1km2的面積上，得到表2。

表3 人工降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的關(guān)系 單位：kg/km2

結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度與土壤侵蝕量成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.5～0.7之間，表示中等程度相關(guān)。從表中看出，隨著降雨強(qiáng)度的增加，水土流失量也在增加。不同的處理中，標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤侵蝕量最大，其次是生態(tài)混凝土和撂荒地，刮平夯實(shí)器、立體種植、混種草和W-OH土壤侵蝕量最小。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，W-OH不同強(qiáng)度降雨下，土壤侵蝕量最小，當(dāng)植物覆蓋小區(qū)地面后，土壤侵蝕量也很小，而裸土下的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤侵蝕量最大。

5.2 降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量關(guān)系曲線

人工降雨試驗(yàn)降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的相關(guān)系數(shù)為0.75以上，說(shuō)明降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的相關(guān)程度很高。

通過(guò)對(duì)2013年度小區(qū)人工降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的測(cè)定，擴(kuò)大到1km2的土壤侵蝕量，通過(guò)升序的方式，作出表3、圖2。不同處理不同雨強(qiáng)的土壤侵蝕量可以查圖，就能得到相應(yīng)的土壤侵蝕量。

根據(jù)降雨強(qiáng)度和土壤侵蝕量的關(guān)系圖2，可以查出各種處理下不同降雨強(qiáng)度的土壤侵蝕量，可滿足開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目和生態(tài)建設(shè)在不同條件下用降雨強(qiáng)度求土壤侵蝕量的需求■