霍貴中

(山西省水土保持科學研究所)

隨著建設生產(chǎn)項目的不斷增加，導致原生地表破壞形成大量的人為擾動坡面。這種坡面，是一種易產(chǎn)生水土流失的新侵蝕界面［1］。目前，對擾動坡面的水土流失研究較少，研究主要是針對擾動地面徑流產(chǎn)沙關系、導氣率、導水率等方面［2－4］。在研究方法上，采用野外降雨試驗研究相對較少。本文采用野外人工模擬降雨試驗，對擾動坡面的徑流產(chǎn)沙規(guī)律進行研究，可為擾動地表的水土保持措施合理配置及生態(tài)恢復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及試驗布設

1.1 試驗地點概況

試驗地點位于山西省西部的呂梁山區(qū)，屬晉西黃土丘陵溝壑密布的水土流失嚴重地區(qū)。該區(qū)黃土廣布，森林植被差，地形支離破碎。屬半干旱大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫8－9℃，多年平均降水量524 mm，年降水量的73%集中在汛期(6－9月)［5］。土壤類型為黃綿土，有機質含量0.65%左右。

1.2 試驗布設與方法

試驗區(qū)設在呂梁市離石區(qū)郊區(qū)的一片撂荒地上。采用鐵鍬將撂荒地翻動20 cm土層，然后平整至設計坡度。經(jīng)過細致修整，使各個小區(qū)的土壤容重差異控制在允許范圍之內［3］。試驗小區(qū)長5 m，寬1 m，四周用2 mm厚的鋼板插入地下15 cm。以小區(qū)為中心，利用鋼管搭建臨時降雨棚，在垂直小區(qū)正上方5 m處配置兩排下噴式降雨器，水泵抽水至儲水箱中，閥門控制降雨強度。試驗前對雨強進行多次率定，保證誤差在5%范圍內。率定時用雨布遮蓋小區(qū)，雨強調整好后，快速揭開雨布，當開始產(chǎn)流時記錄下產(chǎn)流時間，并取水樣，前3 min每1 min取樣1次，3 min后每3 min取樣1次。小區(qū)設置4個坡度:8°、12°、16°和 20°;設置 4 個降雨強度:0.8 mm·min－1、1.2 mm·min－1、1.6 mm·min－1和2.0 mm·min－1。試驗結束后，量測水樣體積，測定泥沙量。

2 結果與分析

2.1 擾動坡面產(chǎn)流特征

降雨是形成徑流的最基本因素，在表征徑流強度的諸多因素中，徑流率在體現(xiàn)次降雨徑流強弱變化過程中最為直觀明了。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出每個坡度各降雨強度下的徑流率隨產(chǎn)流時間的變化(見圖1)。圖1表明，從整體上看，徑流率隨著產(chǎn)流時間的持續(xù)而增大，相同坡度隨著雨強增大而增大。雨強越大徑流增幅越大，徑流率過程線的波動也越大，出現(xiàn)多峰、多谷現(xiàn)象。主要原因:雨強越大，徑流量相對于入滲量來說也越大，從而使徑流率增大;雨強的增大會增強坡面徑流的紊動強度，導致土壤穩(wěn)定性降低，當剪切力大于土壤抗蝕力時徑流產(chǎn)生匯集。再者，徑流量的增大及徑流過程中入滲量的減少，導致徑流過程線出現(xiàn)波峰現(xiàn)象。隨著徑流時間的延長，沖刷量時大時小出現(xiàn)波動，所以會出現(xiàn)短時波谷的現(xiàn)象。

消除坡度和雨強的影響，采用SPSS16.0分別建立徑流率—降雨強度、徑流率—坡度的經(jīng)驗模型，可以看出徑流率與降雨強度、坡度分別呈對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關系，如式(1)、(2)。比較兩式的R2值，可見雨強對徑流率的影響大于坡度。

圖1 不同坡度下徑流率隨產(chǎn)流時間的變化

式中，W為徑流率，I為雨強，S為坡度。

2.2 擾動坡面產(chǎn)沙特征

2.2.1 擾動坡面徑流含沙量變化分析

繪制不同坡度下徑流含沙量隨降雨歷時的關系曲線如圖2。從整體上看，徑流含沙量開始很大，但隨著降雨時間延長很快下降之后逐漸趨于穩(wěn)定。起始徑流含沙量很大的原因，是產(chǎn)流初期坡面土壤表層細小散狀顆粒在雨滴擊濺及徑流沖刷下很快被搬運，這樣就產(chǎn)生了徑流量小而含沙量高的現(xiàn)象。在一定坡度情況下觀察雨強對含沙量的影響，雨強越大含沙量越大，曲線的波動性大，并且隨著坡度增加波動的幅度也在增大，尤其是大雨強時更加明顯。在20°時，小雨強(0.8 mm·min－1)也出現(xiàn)了微波動，造成該現(xiàn)象的原因可能是隨著雨強的增大，徑流的侵蝕力增強，加之土壤含水量逐漸達到飽和，土壤的抗蝕性降低，從而在坡面形成侵蝕溝，溝內土壤隨著徑流被輸移，從而出現(xiàn)波峰現(xiàn)象。由于徑流的作用，坡面各個小區(qū)土壤的穩(wěn)定性出現(xiàn)差異，從而使侵蝕溝出現(xiàn)的時間隨機發(fā)生，故曲線呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象。相同雨強下不同坡度的變化趨勢基本相同，隨著坡度增大其波動性也愈來愈劇烈，含沙量的增幅也在增大，說明坡度對徑流含沙量的變化影響越明顯。從以上分析可知，擾動地面嚴重的水土流失可能主要發(fā)生在產(chǎn)流初期。

圖2 不同坡度下徑流含沙量隨產(chǎn)流時間的變化

為了更好地研究徑流含沙量與降雨強度、坡度的關系，采用SPSS16.0分別建立徑流含沙量—降雨強度和徑流含沙量—坡度的經(jīng)驗模型，可以看出，分別呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關系，如式(3)、(4)。從式中可以看出徑流產(chǎn)沙量與坡度之間的相關性高于降雨強度。

M=9.555·I0.826N=16 R2=0.338 (3)

M=3.528·e0.088SN=16 R2=0.650 (4)

式中，M為徑流含沙量，I為雨強，S為坡度。

2.2.2 擾動坡面侵蝕速率變化分析

侵蝕速率是表示土壤侵蝕強度的重要指標，根據(jù)侵蝕速率的大小確定采取不同的水土保持措施。因此，在研究坡面徑流產(chǎn)沙規(guī)律時，侵蝕速率是必不可少的分析因素。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出不同坡度下不同降雨強度的侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時的變化關系(見圖3)。從圖3可以看出，侵蝕速率變化曲線和產(chǎn)沙量的變化曲線有著明顯的相似性。從整體上看，其趨勢為先突增后下降，最后達到穩(wěn)定。小雨強下的曲線幾乎成直線型變化，雨強和坡度越大，波動性越明顯，與徑流含沙量變化基本相同。主要原因是隨著雨強和坡度增大，侵蝕溝形成就越快、越多，侵蝕量也越大，但在24 min后基本均達到穩(wěn)定。

圖3 不同坡度下侵蝕速率隨產(chǎn)流時間的變化

2.3 擾動坡面徑流產(chǎn)沙關系分析

次降雨的水沙關系可以通過分析次降雨的產(chǎn)沙量和徑流量的關系(見圖4)進一步明確其特點。從圖4可以看出，產(chǎn)沙量與徑流量關系密切，基本呈線性變化關系，產(chǎn)沙量隨著徑流量的增大而增大，即水多沙大。隨著坡度增大，產(chǎn)沙量明顯增大，尤其是20°坡度更為突出。

在坡度一定的情況下，建立產(chǎn)沙量與徑流量關系如式(5)。

式中，MS表示產(chǎn)沙量，kg;Wi表示徑流量，L。

由此可知，次降雨條件下的產(chǎn)沙量與徑流量呈顯著的線性關系。因此，為了控制擾動坡面嚴重的水土流失，必須要控制坡面來水，減少了坡面來水就可有效地降低土壤侵蝕量。

圖4 不同坡度下次降雨產(chǎn)沙量與徑流量的關系

2 結論

通過野外人工模擬降雨試驗，基本可得出擾動地面不同雨強和坡度下的徑流產(chǎn)沙規(guī)律。

(1)次降雨條件下徑流率隨著降雨歷時的延長而增大，隨著雨強增大而增大。徑流率與雨強、坡度分別呈對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關系。

(2)徑流含沙量隨降雨歷時的變化在初期急劇增大后下降，隨后趨于相對穩(wěn)定。徑流含沙量與雨強、坡度呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關系。次降雨過程中，侵蝕速率隨降雨歷時的變化呈現(xiàn)“突增—下降—穩(wěn)定”的變化趨勢，在產(chǎn)流起始后24 min時達到相對穩(wěn)定。

(3)擾動坡面的產(chǎn)沙量與徑流量呈顯著的線性相關，可用方程式MS=0.033Wi－2.902來表達。

［1］羅 婷，王文龍，等.開發(fā)建設中擾動地面新增水土流失研究［J］.水土保持研究，2012，19(3):30－35.

［2］秦百順，李占斌，李 鵬，等.擾動土與非硬化道路侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律研究［J］.西安理工大學學報，2012，28(2):138－144.

［3］王衛(wèi)華，王全九，樊 軍.原狀土與擾動土導氣率、導水率與含水率的關系［J］.農業(yè)工程學報，2008，24(8):25－29.

［4］李強，李占斌，魯克新，等.神府東勝礦區(qū)不同下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗研究［J］.水土保持研究，2008，15(3):1－3.

［5］任六平，馬顥玲，等.晉西呂梁地區(qū)降水特性分析［J］.山西水土保持科技，2002(4):22－23.