肖 海，夏振堯，楊悅舒，梁永哲，柳 琪

由于長期不合理的土地利用方式，加之較頻繁的侵蝕性降雨，導致三峽庫區(qū)水土流失嚴重，不僅致使庫區(qū)土壤日趨貧瘠，當?shù)剞r業(yè)生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，而且水庫泥沙淤積給三峽工程和長江中下游的安危造成極大威脅［1］。小流域是水土保持研究的基本單元，對其侵蝕產沙空間分布的了解是預測和防治流域水土流失的重點［2］。

本研究以三峽庫區(qū)主要土壤類型紫色土為研究對象，通過建立小流域模型，結合人工模擬降雨試驗，研究小流域在不同降雨強度下產流產沙過程，為三峽庫區(qū)小流域治理以及水土流失預測模型的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 小流域模型的建立

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)湖北宜昌段，以秭歸縣水田壩鄉(xiāng)的王家橋小流域（31°12′—31°15′N，110°40′—110°43′E，小流域面積約為2.0km2，植被覆蓋良好）為原型，通過實地勘察，按1∶100的比例尺將其微縮模型建于三峽大學人工模擬降雨試驗場。

小流域模型外圍邊界用紅磚及水泥砌成，模型中下層鋪設砂土以便透水。上層土壤按照1.3g／cm3的容重鋪設10cm厚的紫色土層。小流域模型面積約為20m2，其最高處約1.3m，最低處高約0.4m，位于小流域出口處。由一條主溝、兩條支溝組成。主溝長約5.5m，上半主溝溝底坡度為10°～15°，溝壁坡度為20°～35°；下半主溝溝底坡度為0°～9°，溝壁坡度為15°～30°。支溝位于主溝兩側，左支溝長約2.2m，溝底坡度小于5°，溝壁坡度在25°～35°；右支溝長約1.9m，溝底坡度小于5°，溝壁坡度在15°～30°。各坡面坡度在10°以內，下半坡面坡度整體比上半坡面坡度大。

1.2 人工降雨過程及處理

人工降雨試驗在三峽大學人工模擬降雨試驗場開展。降雨設施采用南京南林電子科技生產的NLJY－10－01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度4m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于0.86，降雨強度分別為60，90，120mm／h。利用均勻分布于小流域中的雨量筒，通過多次測定平均降雨強度對降雨強度率定。每次降雨開始前，先將小流域表層濕潤，直至接近產生地表徑流。然后，將降雨強度調至設定值，在降雨開始產流后，開始計時，以2min為時間間隔接取全部泥沙樣品以待測試。同時照相，并對試驗過程進行記錄。降雨30min結束后，覆蓋防雨布以備下次試驗使用。泥沙樣品收集后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

2 結果與分析

2.1 總產流產沙量分析

分別于2012年10月27日、11月1日及11月10日完成3種雨強（60，90，120mm／h）條件的降雨試驗。從表1可以看出，產流量隨著降雨強度的增大而增加，但是增加幅度相差較大，雖然3次降雨強度均相差30mm／h，但與60mm／h雨強降雨試驗相比，90mm／h雨強試驗的產流量增加了325.12kg，120mm／h雨強試驗相對于90mm／h雨強試驗只增加了261.62kg，增幅減少了19.53%。分析認為，60mm／h雨強降雨試驗前雖然進行了預濕潤，但只是表面飽和，因此降雨過程中入滲較大，從而使得產流量減小。而由于第一次降雨試驗的進行，土壤基本趨于飽和，后兩次入滲相對較小，產流量增加，從而導致在第3場降雨試驗中產流量增幅減小。

與產流量變化規(guī)律相同，3場降雨產沙量隨著降雨強度的增大而增加，且增加幅度相差較大，90mm／h雨強試驗的產沙量比60mm／h雨強試驗的產沙量增加了20.85kg，120mm／h雨強試驗的產沙量比90mm／h雨強試驗增加了1.79kg，增幅較前兩場減少91.42%，這個增幅遠小于同期產流量的增幅。試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，在降雨強度為60mm／h雨強降雨試驗結束后小流域坡面僅出現(xiàn)了細溝雛形，細溝并未明顯發(fā)育，因此坡面產沙量很少，且產流量相對也較少，因此對溝道沖刷也不太劇烈，因而總產沙量相對較少。而在隨后的90mm／h降雨強度下，產沙量陡增，主要是由于在前場降雨的基礎上，一方面坡面細溝繼續(xù)發(fā)育，而且較大的降雨強度導致了較快的發(fā)育速度［3］引起坡面產沙量大增；另一方面較大的產流量使得對溝道沖刷較嚴重，產沙量也相應增加，從而使得總產沙量增幅較大，在120mm／h降雨強度下，由于前兩次降雨的作用，坡面細溝以及溝道發(fā)育已經較為穩(wěn)定，因此降雨強度及產流量的增加并不能導致產沙量的顯著增加，因此在整個降雨過程中產沙量增幅不大。

表1 3次降雨試驗的產流量及產沙量

2.2 產流產沙過程分析

從圖1可以看出，產流量在3場模擬降雨過程中均隨徑流時間呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。這是因為在降雨初期時，一方面小流域中土壤滲透性較強，另一方面隨著雨滴的打擊作用及徑流對土壤顆粒的剝離、搬運和沉積使得表層土壤中形成薄封閉層［4］。封閉層形成后土壤的入滲能力降低，從而使得產流量增加。當封閉層發(fā)育穩(wěn)定時，產流量也逐漸穩(wěn)定［5］，且降雨強度越大，這個過程也越快。

雖然3場降雨產流量均隨時間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，但由圖1可知，3場降雨的產沙量變化規(guī)律并不一致。在60mm／h降雨強度下，產沙量隨降雨歷時逐漸增加，主要是由于上述封閉作用引起入滲減小，徑流增加，徑流流速加快，從而徑流沖刷力增大，使徑流能夠運走更多的泥沙［6］。

通過試驗觀察，降雨結束后坡面細溝并未明顯發(fā)育，因此整個過程中產沙量均緩慢增加。而在隨后的90mm／h降雨強度下，產沙量隨降雨歷時變化出現(xiàn)了先陡增后穩(wěn)定再波動的趨勢。降雨初期產沙量陡增，主要是由于在前場降雨的基礎上，一方面在較大的降雨強度下坡面細溝快速發(fā)育；另一方面產流量的增加使得溝道侵蝕迅速增加［7］。坡面細溝以及溝道的溝壁坍塌使得產沙量出現(xiàn)了波動變化的趨勢。在120mm／h降雨強度下，隨著坡面細溝以及溝道發(fā)育已經較為穩(wěn)定，產流量的增加并不能導致產沙量的顯著增加，因此在整個降雨過程中產沙量仍呈現(xiàn)先增加后略有減小的變化趨勢。

圖1 3場模擬降雨試驗產流量及產沙量隨時間變化

2.3 累積產流產沙量分析

圖2 反映了3場模擬降雨試驗累積產流量和產沙量隨降雨歷時的變化。累積產流量及產沙量表明侵蝕產流產沙總量隨時間的變化規(guī)律。由圖2可以看出，3場降雨強度下累積產流量及產沙量均隨降雨歷時增長而增加，且降雨強度越大，累積產流量及產沙量越大，這與降雨強度增大，小流域單位時間所承受的降雨增多，侵蝕力增強有關。

圖2 3場模擬降雨試驗累積產流量及產沙量隨時間變化

在各場次降雨下，累積徑流、產沙量與降雨歷時的關系均可用進行線性擬合，相關系數(shù)R2均大于0.97，說明這些擬合方程具有較高的可靠性。60，90，120mm／h這3種雨強條件下，單位時間內所增加產流量分別為7.755，18.888和27.501kg，產流量相差不大；而累積產沙量在3場降雨下單位時間所增加的產沙量分別為0.144 2，0.856 3和0.890 7kg，相差較大。

分析認為，單位時間產流量的多少由承雨量及入滲量決定，3次降雨過程中，入滲量除了第一次降雨過程中入滲較強外，其與兩次由于第一次降雨的作用，小流域內土壤趨于飽和，因此入滲量變化不大，從而使得增幅相差不大。而產沙量受到多種因素的影響，在本試驗中，產沙量的多少主要有坡面細溝發(fā)育情況以及徑流對溝道的沖刷情況所決定的，分析可知，60mm／h降雨強度下坡面細溝發(fā)育不明顯且徑流沖刷溝道的強度不劇烈，因此單位時間產沙量較少；而在90mm／h時，坡面細溝快速發(fā)育，徑流對溝道沖刷也加劇，因此單位時間內產沙量較60mm／h降雨強度下大幅度增加；120mm／h降雨強度下，隨著坡面細溝發(fā)育趨于穩(wěn)定，單位時間產沙量增幅也相應變小。

2.4 含沙量變化規(guī)律

含沙量是產沙量和產流量兩者的比值，表明單位徑流中攜帶泥沙量的多少。由圖3可以看出3場降雨徑流含沙量變化規(guī)律并不一致。60mm／h降雨強度下徑流含沙量隨著降雨的持續(xù)呈增加趨勢，90mm／h降雨強度下徑流含沙量呈現(xiàn)先增加后波動變化，而120mm／h降雨強度下卻呈現(xiàn)先增加后略微遞減的趨勢。徑流含沙量出現(xiàn)這種不一致的變化規(guī)律，與產流產沙變化規(guī)律有密切相關，尤其與產沙量變化規(guī)律密切相關，這與本試驗各次降雨過程中產流量除前期略少外后期基本變化不大有關。

圖3 含沙量隨降雨歷時變化規(guī)律圖

3 結論

（1）3種雨強條件下，降雨產流量及產沙量均隨雨強增加，但產流量的增加幅度遠大于產沙量。

（2）3種雨強條件下，產流量均隨徑流時間的延長呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。

（3）3場降雨過程中產沙量及徑流含沙量變化規(guī)律不一致，在60mm／h雨強下，兩者變化均隨產流時間逐漸增加；90mm／h雨強下，兩者變化均隨產流時間變化出現(xiàn)了先陡增后穩(wěn)定波動的趨勢；而120mm／h降雨強度下兩者變化均隨產流時間變化出現(xiàn)了先增加后略微遞減的趨勢。

（4）在各場次降雨下，累積產流量和累積產沙量均隨降雨歷時的增加呈線性變化。

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