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        人工模擬降雨條件下花崗巖紅壤坡面侵蝕過程與特征分析

        2014-01-02 10:49:12馮秀查軒黃少燕
        中國水土保持科學 2014年1期
        關鍵詞:產(chǎn)沙產(chǎn)流紅壤

        馮秀,查軒,黃少燕

        (福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室,福建師范大學地理科學學院,350007,福州)

        花崗巖紅壤侵蝕區(qū)廣泛分布在我國南方的福 建、江西、廣東、湖南等省區(qū),面積達19.72 萬km2,占紅壤侵蝕區(qū)總面積的28.5%[1]。由于自然環(huán)境、花崗巖母質(zhì)的特征及人為植被的破壞,花崗巖紅壤區(qū)已成為我國水土流失嚴重的區(qū)域,生態(tài)環(huán)境極其脆弱,生態(tài)修復和重建困難大、任務重[2-3]。目前已有學者就花崗巖紅壤侵蝕方面開展了有關研究[1-6],如周剛等[7]從不同地類研究了花崗巖紅壤區(qū)土壤的抗蝕性分異規(guī)律,阮伏水等[8]按不同土地利用類型確定了紅壤坡地的水土流失特征,李朝霞等[9]從紅壤表土結構的變化分析了其對土壤侵蝕的影響。眾多研究結果說明影響花崗巖紅壤侵蝕的因素十分復雜,前人傾向于對單一因素進行分析研究,但從不同降雨強度、坡度和地表覆蓋多因素條件下揭示花崗巖紅壤坡面侵蝕發(fā)生發(fā)展過程機制的研究鮮有報道。基于此,筆者以具有典型代表性的長汀縣河田鎮(zhèn)花崗巖嚴重侵蝕退化紅壤為試驗用土,通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗,從降雨強度、坡度和地表覆蓋3方面系統(tǒng)探討花崗巖紅壤坡面的侵蝕過程和特征,以期為花崗巖紅壤區(qū)水土保持措施配置和規(guī)劃及坡地改良和合理利用提供參考。

        1 研究方法

        1.1 試驗設計

        試驗采用福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室模擬降雨大廳的下噴式人工降雨設備進行,噴頭距地面高度3.5 m,所有降雨雨滴都可以達到終點速度。試驗土槽自行設計,其尺寸規(guī)格為150 cm×50 cm×30 cm(長×寬×高)。土槽底部均勻鉆5×5 個孔,保持土壤的透水性,并在土槽下端設集流槽,用來收集徑流樣品。試驗通過壓力閥和噴頭組合控制降雨強度和雨滴直徑分布。

        根據(jù)紅壤區(qū)山地地形和野外調(diào)查結果,試驗共設計3 種坡度(10°、15°、20°),每個坡度進行3 種降雨強度(1.0、1.5、2.0 mm/min)試驗。另外,在15°坡度增設一個有地表覆蓋的試驗,地面覆蓋選擇馬尾松(Pinus massoniana)松針,地表覆蓋松針量為325 g/m2。試驗采用降雨量一定、不同降雨歷時的原則,降雨量控制在50 mm 左右,1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強度的降雨歷時分別控制在50、33 和25 min 左右。

        1.2 試驗過程

        試驗用土采自長汀縣河田鎮(zhèn)花崗巖嚴重侵蝕退化紅壤,采樣深度控制在0 ~30 cm 的表層土,土壤在試驗前過10 mm 篩,剔除土樣中的沙礫、石塊、植物根茬等雜質(zhì),均勻混合。試驗土槽分3 層裝土,每10 cm 為一層,每層裝好后用木板將表面刮平打毛,以便相鄰土層土壤能很好地結合在一起,并控制土壤密度及含水量與采樣時的實測值相近。邊填土邊壓實,目的是減少坡面微形態(tài)的影響。

        為保證土壤前期含水量一致,每次模擬降雨試驗的前一天降雨至產(chǎn)流,第2 天再進行試驗。另外,為保證試驗區(qū)降雨強度分布均勻,每場試驗前均進行降雨強度的率定,時間為1 min,盡量減少降雨強度的誤差。

        從開始降雨記時,并記錄產(chǎn)流時間,產(chǎn)流后每隔3 min 采集一次徑流樣。試驗結束后,記錄每3 min產(chǎn)流的體積,再將徑流樣靜置過夜(大約24 h),倒掉上部清液,剩余的混水樣倒入鋁盒中,放入烘箱,在105 ℃烘干稱量,測定其泥沙含量。

        2 結果與分析

        2.1 起始產(chǎn)流時間

        坡面產(chǎn)流受降雨特性和下墊面等因素影響,根據(jù)霍頓的產(chǎn)流理論,在下墊面條件一定,降雨強度大于土壤入滲率時,地面產(chǎn)流,降雨強度小于土壤入滲率時,則降雨全部入滲[10]。起始產(chǎn)流時間一定程度上可以反映地表徑流變化情況。

        不同降雨強度下不同坡度的產(chǎn)流時間見表1。可知:相同降雨強度時,隨著坡度的增加,起始產(chǎn)流時間縮短;相同坡度條件下,隨著降雨強度的增加,起始產(chǎn)流時間也縮短;在15°坡度條件下,裸露和坡面松針覆蓋條件下的產(chǎn)流時間都是隨著降雨強度的增大而縮短;降雨強度1.0 mm/min、坡度10°下的產(chǎn)流時間最長,達到2.98 s,是降雨強度2.0 mm/min、坡度20°產(chǎn)流時間的5 倍;10°坡度的起始產(chǎn)流時間在相鄰2 降雨強度處理間的相差幅度分別是1.56和0.47 s,明顯大于20°坡度的相應變化幅度,即0.28 和0.38 s;10°、15°、20°坡度條件下,2.0 mm/min 降雨強度的產(chǎn)流時間分別比1.0 mm/min 的快2.03、0.88 和0.67 s,1.0、1.5、2.0 mm/min 降雨強度條件下,20°坡度的產(chǎn)流時間分別比10°坡度快1.73、0.45 和0.37 s;與裸露相比,15°坡度地表覆蓋隨著降雨強度的增大其產(chǎn)流時間分別相差0.52、0.32 和0.12 s。由此可見,全部處理都對產(chǎn)流時間有影響,降雨強度和坡度越大,產(chǎn)流時間越快,且降雨強度對產(chǎn)流時間的影響比對坡度的影響更為顯著,且地表覆蓋有助于延緩產(chǎn)流時間。

        試驗中各因子對產(chǎn)流時間的影響顯著,起始產(chǎn)流時間與降雨強度關系密切的原因可能是與坡面的產(chǎn)流方式有關,當降雨強度小時,雨水全部下滲,產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流,當降雨強度大時,可能是超滲產(chǎn)流;坡度增大后,徑流重力沿坡面方向上的水平分力增大,可加快徑流速度和擊濺雨滴沿坡面下落的速度[11],都有利于增加徑流;地表覆蓋則能截留降水,從而有效延緩產(chǎn)流時間。

        表1 不同降雨強度、坡度以及坡面覆蓋條件下起始產(chǎn)流時間Tab.1 The initial time producing runoff at different rainfall intensities,slope degrees and cover on the slope surface

        2.2 降雨強度和坡度對紅壤坡面侵蝕過程的影響

        2.2.1 降雨強度和坡度對徑流率的影響 圖1 為不同降雨強度和不同坡度條件下的坡面徑流過程曲線。可以看出,在同一降雨強度條件下,隨著坡度的增加,徑流率增大,任意時間點的瞬時產(chǎn)流率坡度10°<坡度15°<坡度20°,而且這種坡度對徑流率的影響程度隨降雨強度的不同有明顯差異。同一降雨強度條件下,不同坡度在降雨初期產(chǎn)流率小,然后隨降雨時間推移,徑流率快速增加,7 ~10 min 后達到穩(wěn)定狀態(tài)。1.0 mm/min 降雨強度下,不同坡度產(chǎn)流較小且差異不大,降雨強度為1.5 和2.0 mm/min時,部分時間段的瞬時產(chǎn)流率比相鄰時間段的產(chǎn)流率偏低或偏高,導致徑流歷時過程線有所波動。由于地面坡度、降雨強度、土壤物理化學性質(zhì)等因素都能影響細溝的演變與發(fā)展,所以徑流較為隨機,徑流率的變化過程出現(xiàn)波動。經(jīng)統(tǒng)計,累計徑流量隨著坡度的增加也逐漸增加。坡度大小影響徑流重力在斜坡水平方向的分力,坡度大,分力變大,導致徑流沿坡面流動速度加快,利于增加徑流。

        另外,20°坡度條件下,1.0、1.5 和2.0 mm/min降雨強度時,平均徑流率分別是0.54、0.92 和1.08 L/min,表現(xiàn)為隨著降雨強度的增大徑流率相應的也增大,10°和15°坡度下亦是如此。同一坡度下徑流率與降雨強度呈正相關關系。

        圖1 3 種降雨強度條件下坡面徑流率隨坡度的變化Fig.1 Changes of runoff rate with slope degree at three rainfall intensities

        降雨前期產(chǎn)流量小,與降雨初始表土疏松、入滲大有關,之后產(chǎn)流率快速增加與結皮的形成有關。3種降雨強度條件下都不同程度出現(xiàn)結皮現(xiàn)象,而結皮能降低土壤的入滲能力。1.0 mm/min 降雨強度條件下,結皮較薄且零散,而降雨強度增大后,結皮進一步發(fā)育,變得更加緊實完整,同時伴隨著砂礫形成緊實的表土。

        2.2.2 降雨強度和坡度對產(chǎn)沙過程的影響 泥沙是導致河流淤積的主要根源,產(chǎn)沙率是坡面侵蝕產(chǎn)沙過程研究的重要指標。圖2 示出不同降雨強度和不同坡度條件下,產(chǎn)沙率隨降雨歷時的變化??梢钥闯?,在不同降雨強度和不同坡度條件下,產(chǎn)沙率隨降雨歷時變化都表現(xiàn)為先快速增加,然后慢慢達到穩(wěn)定。其中,1.0 mm/min 降雨強度時,各坡度的產(chǎn)沙率在7 min 左右達到穩(wěn)定,1.5 mm/min 降雨強度時,產(chǎn)沙率達到穩(wěn)定的時間約9 min,而2.0 mm/min降雨強度時,達到穩(wěn)定的時間大約在10 min。說明隨著降雨強度的增大,各坡度達到穩(wěn)定的時間有所延遲。1.0 mm/min 降雨強度時,坡度10°、15°和20°產(chǎn)沙率變化范圍在0.30 ~0.45 g/min 之間,1.5 mm/min 降雨強度時的變化范圍在0.30 ~0.60 g/min 之間,2.0 mm/min 降雨強度時則在0.50 ~0.70 g/min 之間,降雨強度越大,不同坡度侵蝕產(chǎn)沙率越大,且存在明顯的差異。另外,1.0 mm/min 降雨強度時,不同坡度的產(chǎn)沙率差別較小;在1.5 mm/min降雨強度時,坡度10°、15°和20°的平均產(chǎn)沙率分別是0.34、0.46 和0.44 g/min,各坡度侵蝕產(chǎn)沙率與坡度增加沒有表現(xiàn)出一定的規(guī)律性;在2.0 mm/min降雨強度時,坡度10°、15°和20°的平均產(chǎn)沙率分別是0.50、0.58 和0.62 g/min,侵蝕產(chǎn)沙率隨坡度的增加而增加。隨著降雨強度的增大,坡度對產(chǎn)沙率作用更加明顯。

        產(chǎn)沙率在降雨初期急劇上升,達到峰值后又迅速下降,最后達到穩(wěn)定,2.0 mm/min 降雨強度時這種規(guī)律更加明顯。產(chǎn)沙率與土壤侵蝕強度有關,降雨強度增大,對土壤表面的打擊能力變大,侵蝕能力增強,而產(chǎn)流初期流量小,土壤結構疏松易被分散,產(chǎn)沙量較高。隨著降雨的持續(xù)進行,流量變大,細小顆粒又填充了土壤空隙,減輕了侵蝕強度,導致含沙量下降。當?shù)乇韽搅骱屯寥澜Y構達到穩(wěn)定時,含沙量也就會趨于穩(wěn)定。

        圖2 3 種降雨強度條件下產(chǎn)沙率隨坡度的變化Fig.2 Changes of sediment yield rate with slope degree at three rainfall intensities

        2.2.3 坡度和降雨強度對水土流失影響的綜合評價 土壤侵蝕是由各種因子綜合作用而形成的,其中坡度是產(chǎn)生土壤侵蝕的主要地形因子,降雨強度是主要的降雨因子,在地面裸露的情況下,這2 個因子起著十分重要的作用。由表2 可以看出:坡度和徑流總量之間相關系數(shù)為0.429(P=0.249)、坡度和產(chǎn)沙總量之間的相關系數(shù)為0.587(P=0.097),故認為坡度和徑流總量、產(chǎn)沙總量之間相關性不顯著;降雨強度和徑流總量、產(chǎn)沙總量之間存在極顯著的正相關,相關系數(shù)分別為0.892(P=0.001)和0.799(P=0.01);而徑流總量和產(chǎn)沙總量之間也存在著極顯著的正相關關系,相關系數(shù)為0.980(P=0.00)??梢?,坡度和降雨強度2 個因子相比,降雨強度對于水土流失影響更大。徑流總量和產(chǎn)沙總量的關系說明,一次降雨中,徑流越大,所攜帶的泥沙量就越多,其終歸結底就是降雨強度起著最重要的作用。

        表2 坡度、降雨強度和徑流總量、產(chǎn)沙總量的相關性分析Tab.2 Correlation among slope degree,rainfall intensity,total runoff and total sediment

        2.3 地表覆蓋對紅壤坡面侵蝕過程的影響

        15°坡度裸露和覆蓋坡面的徑流總量和產(chǎn)沙總量見表3??梢钥闯觯嗤涤陱姸葧r,徑流總量和產(chǎn)沙總量裸露坡面的明顯高于覆蓋坡面的。1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強度時,裸露坡面相應的徑流總量為21.28、24.31 和23.78 L,分別比有覆蓋坡面高62.2%、45.0%和40.7%;1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強度時,裸露坡面相應的產(chǎn)沙總量為7.42、13.37 和14.11 g,分別比有覆蓋坡面高96.0%、94.8%和94.0%。可見,坡面覆蓋能有效地減少水土流失量,且2.0 mm/min 降雨強度時的控制作用更明顯。主要是因為覆蓋可以增加地表糙率,雨滴先打在松針上,阻擋雨水,增加入滲,從而很好地減少徑流,同時降低了雨滴直接接觸到地表的動能,覆蓋處理足以克服大動力下的土壤侵蝕,減少土壤的侵蝕量。

        3 結論

        1)在花崗巖紅壤區(qū),坡度和降雨強度越大,起始產(chǎn)流時間越快,反之則所需時間越長,坡面有覆蓋時能延緩產(chǎn)流時間。

        表3 15°坡度時裸露坡面和覆蓋坡面的徑流總量和產(chǎn)沙總量Tab.3 Total runoff and total sediment between bareness and cover at a slope degree of 15°

        2)在花崗巖紅壤區(qū),隨著降雨強度和坡度的增加,徑流率明顯增加,并且從產(chǎn)流初期開始快速增加,經(jīng)過一段時間后達到穩(wěn)定;產(chǎn)沙率隨降雨強度的增大而明顯增大,同時降雨強度越大,坡度對產(chǎn)沙率的作用更加明顯,且各坡度達到穩(wěn)定的時間有所延遲;降雨強度和徑流總量、產(chǎn)沙總量相關性顯著,降雨強度對水土流失起著重要的作用。

        3)地表覆蓋能有效地減輕花崗巖紅壤區(qū)坡面土壤侵蝕,在一定坡度條件下,地表裸露和地面覆蓋2 種狀態(tài)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨著降雨強度的變化相差很大,地表覆蓋條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對較穩(wěn)定,含量較低。

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