袁 溪，潘忠成，李 敏*，劉 峰（.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，水體污染源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00083；.北京未來科技發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 009）

雨強(qiáng)和坡度對裸地徑流顆粒物及磷素流失的影響

袁 溪1，潘忠成1，李 敏1*，劉 峰2（1.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，水體污染源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京未來科技發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 102209）

采用人工模擬降雨的方法，研究了不同雨強(qiáng)（0～100mm/h）和坡度（0°～10°）條件下，北方砂壤土裸地降雨徑流中顆粒物（SS）、總磷（TP）、顆粒態(tài)磷（PP）的流失量及徑流污染物之間的相關(guān)關(guān)系，并分析了雨強(qiáng)和坡度對污染物流失量的影響.研究結(jié)果表明，雨強(qiáng)和坡度越大，SS和TP流失量越大；徑流中SS與TP、TP與PP的單位面積流失量呈顯著線性相關(guān)關(guān)系（R2＞0.946）；在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，雨強(qiáng)對顆粒物及磷素流失量的影響比坡度更顯著；徑流中顆粒物及磷素單位面積流失量與雨強(qiáng)、坡度及場降雨徑流總量之間均有明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.911，由于0°裸地和有坡度裸地的下滲及產(chǎn)流情況差異較大，在模擬雨強(qiáng)和坡度對顆粒物及磷素流失量影響時(shí)需分別考慮.結(jié)果可為我國北方砂壤土裸地徑流中顆粒物及磷素單位面積流失量的估算提供計(jì)算方法和科學(xué)依據(jù).

降雨雨強(qiáng)；坡度；裸地；顆粒物；磷素

降雨易導(dǎo)致裸露土地形成徑流，沖刷出大量顆粒物及溶解態(tài)污染物，造成水土流失，產(chǎn)生面源污染.隨水土流失所攜帶養(yǎng)分的流失是造成河流及湖泊水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重的重要原因之一

［1-2］.徑流中的顆粒物含有相當(dāng)數(shù)量的粘土礦物和有機(jī)、無機(jī)膠體，不僅其本身就是一種污染物，同時(shí)由于絡(luò)合、吸附等作用，又成為許多污染物的載體［3］.

降雨條件下土壤中的磷既隨下滲的水分向深層遷移，也可在雨滴打擊及徑流沖刷作用下向地表徑流傳遞［4］.地表徑流是磷的主要流失途徑，其遷移量是壤中流的3～4倍［5］.地表徑流中的磷從形態(tài)上分為顆粒態(tài)和溶解態(tài)兩部分，顆粒態(tài)磷占流失磷素的80%以上，流失主要通過顆粒物對磷的吸附作用而進(jìn)行［6］.磷的徑流流失量與土壤的物理結(jié)構(gòu)、坡度、降雨量等有密切關(guān)系［7］，目前主要采用人工降雨方法研究不同雨強(qiáng)和坡度條件下裸土養(yǎng)分流失的規(guī)律［8-10］.

已有研究表明，泥沙粒徑分布顯著影響輸沙量，粒徑小于0.054mm的懸浮顆粒物輸移是最重要的侵蝕機(jī)制［11］.土壤中粘粒是磷素流失的載體，由泥沙攜帶的顆粒態(tài)磷占絕對優(yōu)勢［12-13］.國內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)［14-16］，降雨量越大，顆粒態(tài)磷比例越高；磷流失量與次降雨量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，但在降雨量增加到一定程度時(shí)即達(dá)最大值.Ziadat［17-18］等認(rèn)為，坡度對徑流和未開墾土壤流失量有較大影響.在0°～10°坡度范圍內(nèi)，地表徑流中磷濃度和磷流失量均隨土壤坡度增加呈上升趨勢［19］；而在15°～20°范圍，存在磷流失的坡度臨界值，超過坡度臨界值，磷流失減?。?2］. Qian［20］還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中含磷量較少時(shí)，磷流失量主要取決于徑流量.

由于水體中總磷質(zhì)量濃度與泥沙含量有一定關(guān)系［21-22］，而徑流中顆粒態(tài)磷是總磷的主要組成成分，因此可以嘗試建立顆粒物、總磷、顆粒態(tài)磷流失量的數(shù)學(xué)關(guān)系.在現(xiàn)有資料中，研究多集中于對我國中部［23］、南部［24］小流域坡耕地養(yǎng)分流失規(guī)律的研究，且多為現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，針對北方地區(qū)砂壤土裸地的徑流磷流失規(guī)律研究較少，給定量評估北方草地對降雨徑流污染物的削減帶來困難.本文通過人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了4種雨強(qiáng)、3個(gè)坡度條件下砂壤土裸地徑流中顆粒物及磷素的變化規(guī)律，得出雨強(qiáng)、坡度與單位面積土壤磷素流失量的數(shù)量關(guān)系，可用于估算裸地徑流中顆粒物及磷素的流失量，并為裸地土壤種植草坪后對降雨徑流中顆粒物及磷素的削減效果提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為控制城市徑流面源污染提供理論依據(jù).

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)施

模擬降雨試驗(yàn)場地位于北京林業(yè)大學(xué)鷲峰試驗(yàn)基地的降雨大廳.人工模擬降雨裝置為QYJY-503C型降雨裝置，降雨強(qiáng)度變化范圍為10～300mm/h，降雨過程由計(jì)算機(jī)自動控制.噴頭類型為旋轉(zhuǎn)下噴式，有效降雨高度12m，雨滴可達(dá)終點(diǎn)速度，容易獲得與天然降雨相似的降雨［25］.試驗(yàn)降雨面積為64m2，利用雨量筒測量實(shí)際雨強(qiáng)［26］.率定后的降雨均勻度達(dá)80%以上，可滿足人工模擬降雨試驗(yàn)的要求［27］.試驗(yàn)所用沖刷土槽的規(guī)格為1m（長）×0.3m（寬）×0.5m（高），底部均勻分布直徑5mm的小孔，土壤水分可自然下滲，試驗(yàn)裝置見圖1.試驗(yàn)土采自北京市昌平區(qū)，為典型北方砂壤土，容重為1.40g/cm3，pH值為7.34，全磷含量為0.83g/kg，速效磷含量為4.43mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為19.10g/kg.對土壤粒徑分析得出，粘粒、砂粒、粉粒占總質(zhì)量的比例分別為0.38%，25.97%，73.65%.

圖1 沖刷土槽裝置Fig.1 The flush tank device

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測定

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)降雨強(qiáng)度（30、50、65、100mm/h）、3個(gè)坡度（0°、5°、10°），降雨歷時(shí)均為1h，每組試驗(yàn)設(shè)一組平行以保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性.填土前在槽底均勻鋪上10cm厚細(xì)沙，保證透水性良好.根據(jù)設(shè)計(jì)容重和土壤厚度（40cm）計(jì)算填土質(zhì)量，填土?xí)r以5cm為1層分層填土并壓實(shí).實(shí)驗(yàn)前按照常見城市道路徑流中SS和磷濃度［28-29］配置模擬徑流溶液，將45mL溶液用注射器均勻滴在土壤表層，每次試驗(yàn)前用TDR（Time Domain Reflectometer）測定土壤水分，使土壤含水率保持在20%左右.降雨開始后用秒表記錄產(chǎn)流時(shí)間，自產(chǎn)流開始間隔一定時(shí)間測定徑流量并收集徑流水樣，采樣時(shí)間間隔分別為產(chǎn)流開始的前30min每5min取1次，30～60min每10min取1次.

試驗(yàn)結(jié)束后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析.懸浮顆粒物（SS）測定采用重量法，總磷（TP）測定采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法［30］.樣品經(jīng)0.45um濾膜過濾后測定溶解態(tài)磷（DP），測定方法同TP；顆粒態(tài)磷（PP）為TP與DP的差值.

2 結(jié)果與討論

2.1 徑流中SS及磷素濃度隨降雨歷時(shí)的變化

對于0°坡度裸地，在30mm/h雨強(qiáng)的降雨條件下基本沒有產(chǎn)生徑流.其他條件下徑流中的懸浮顆粒物及各形態(tài)磷濃度隨降雨歷時(shí)變化如圖2所示.由圖可知，坡度和雨強(qiáng)增大，產(chǎn)流時(shí)間提前.在產(chǎn)流后的較短時(shí)間內(nèi)，SS和磷素濃度隨降雨歷時(shí)延長先迅速降低，隨后減少速度變緩，其濃度在波動中漸趨穩(wěn)定.0°坡度徑流SS濃度較低，磷素流失以溶解態(tài)為主.10°坡度徑流SS濃度較高，磷素流失以顆粒態(tài)為主，PP變化趨勢與TP一致，DP濃度很低并隨歷時(shí)延長略有增加.在降雨初期，雨滴濺蝕破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)［31-33］，分散表層土壤，土壤顆粒被初期徑流卷攜，導(dǎo)致SS濃度很高.磷素流失主要通過地表徑流，在具坡度條件下徑流PP占TP的83.7%以上，而PP不會淋溶和從土壤溶出，因此TP與SS濃度變化規(guī)律類似.初期降雨后，雨水對裸地地面的沖刷基本穩(wěn)定，同時(shí)土壤表層被壓實(shí)并形成水膜，使被徑流卷攜出的顆粒物和磷素濃度也基本穩(wěn)定.

圖2 徑流SS及各形態(tài)磷濃度隨降雨歷時(shí)的變化Fig.2 SS and phosphorus concentrations in runoff during the artificial simulated rainfall period

2.2 雨強(qiáng)和坡度對徑流SS濃度的影響

事件平均濃度EMC計(jì)算公式為：

式中：Ci為取樣時(shí)間段內(nèi)污染物濃度，mg/L；Vi為取樣時(shí)間段內(nèi)徑流體積，L；n為整場降雨的取樣次數(shù).據(jù)此計(jì)算出不同雨強(qiáng)和坡度條件下徑流中SS及TP的EMC濃度.

不同雨強(qiáng)和坡度條件下，降雨徑流中SS的EMC濃度變化如圖3所示.從圖中可以看出，相同坡度下，雨強(qiáng)對SS濃度有顯著影響.隨雨強(qiáng)增大，SS濃度增大.但在0°坡度下，中小雨強(qiáng)對SS濃度影響有限.這是因?yàn)橛陱?qiáng)越大，單位坡面面積上受到雨滴的擊濺力越大，更多的土壤顆粒得以分散，地表徑流量增加，徑流中卷攜有更多的泥沙，導(dǎo)致SS濃度增大.而在0°坡度下，雨滴垂直擊打土壤，在中小雨強(qiáng)下不會對土壤造成沖刷，因此雨強(qiáng)增大，SS濃度的增加不明顯.

圖3 不同雨強(qiáng)和坡度對徑流中SS濃度的影響Fig.3 Effect of rainfall intensity and slope gradient on SS concentrations in runoff

相同雨強(qiáng)下，坡度對SS濃度影響顯著.隨坡度的增加，SS濃度增大.這是因?yàn)槠露仍酱螅亓υ陧樒路较虻姆至υ龃?，沿垂直坡面方向的分力減小，導(dǎo)致入滲總量減小，地面徑流總量增加同時(shí)也加快了徑流的流速，使徑流對土壤的沖擊力更大，沖刷出的顆粒物更多.傅濤等研究表明［8］，坡度是影響土壤顆粒物流失最主要的地形因子之一，坡度小于22°時(shí)，坡度越大，地面侵蝕泥沙量越大，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其吻合.從圖中還可看出，5°和10°坡度下徑流中SS濃度明顯高于0°坡度下SS濃度；雨強(qiáng)從50mm/h增加到100mm/h時(shí)，5°和10°坡度徑流中SS濃度差值從715mg/L降至212mg/L，說明大雨強(qiáng)條件下坡度不是影響徑流污染物濃度的主要因素.

2.3 雨強(qiáng)和坡度對徑流TP濃度的影響

不同雨強(qiáng)和坡度條件下，降雨徑流中TP的EMC濃度變化見圖4.從圖中可以看出，相同坡度下，雨強(qiáng)對TP濃度有顯著影響.隨雨強(qiáng)增大，TP濃度增大.這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度越大，徑流中SS濃度越大，致使吸附于土壤小顆粒表面和微團(tuán)聚體表面的磷隨SS的流失而流失.

相同雨強(qiáng)下，坡度對TP濃度影響顯著.隨坡度的增加，TP濃度增大.這是因?yàn)槠露饶芡ㄟ^影響降雨入滲時(shí)間及徑流流速從而影響坡面表層土壤顆粒起動、侵蝕方式和徑流的挾沙能力，對坡面土壤磷素流失產(chǎn)生主要影響.

圖4 不同雨強(qiáng)和坡度對徑流中TP濃度的影響Fig.4 Effect of rainfall intensity and slope gradient on TP concentrations in runoff

2.4 TP、PP及SS流失量的相關(guān)性分析

場降雨徑流污染物流失量計(jì)算公式為：

式中：L為流失量，mg/m2；Ci為取樣時(shí)間段內(nèi)污染物濃度，mg/L；Vi為取樣時(shí)間段內(nèi)徑流體積，L；n為場降雨取樣次數(shù)；S0為徑流槽面積，m2.

表1 不同雨強(qiáng)和坡度下裸地徑流中SS和磷素流失量Table 1 The losses of SS and TP in runoff under different rainfall intensities and slope gradients

圖5 不同雨強(qiáng)及坡度下，SS與TP、TP與PP流失量的變化關(guān)系Fig.5 Relationships of SS and TP， TP and PP losses under different slope gradients and rainfall intensities

不同坡度及雨強(qiáng)條件下，各污染物的單位面積流失量見表1.可以發(fā)現(xiàn)，SS、TP、PP單位面積流失量均隨著雨強(qiáng)和坡度的增大而增大.0°條件下PP占TP流失量的百分比較低， 5°和10°時(shí)，PP所占百分比均達(dá)到80%以上.將所有坡度及雨強(qiáng)條件下的SS、TP、PP流失量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示.

據(jù)圖5得出，裸地徑流不考慮坡度變化的各污染物單位面積流失量的綜合相關(guān)關(guān)系：L（TP）= 0.3699L（ss）-0.1314，R2=0.946；L（PP）=0.9613L（TP）-0.685，R2=0.999.裸地徑流中TP與SS、PP與TP之間均存在很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)槁愕貜搅髦蓄w粒物含量較高，沖刷出的磷素主要是由顆粒物吸附的顆粒態(tài)磷，可溶性磷酸鹽從土壤中浸出的量較低.

2.5 雨強(qiáng)、坡度對SS、TP流失量的影響

2.5.1 SS、TP流失量和雨強(qiáng)相關(guān)性分析 不同坡度下，徑流中SS、TP單位面積流失量與雨強(qiáng)的線性回歸方程見表2.

從表2可以看出，在各坡度條件下，雨強(qiáng)和SS、TP流失量都有較強(qiáng)的線性關(guān)系，雨強(qiáng)越大，污染物流失量越大.0°時(shí)，隨雨強(qiáng)增大，SS和TP增加不明顯，這是因?yàn)椴痪咂露葪l件下，降雨垂直撞擊土壤表面，土壤入滲能力增大，只有在入滲達(dá)到飽和或大雨強(qiáng)入滲速度小于降雨強(qiáng)度才產(chǎn)生徑流，雨強(qiáng)增大時(shí)，僅使雨滴對土壤的擊濺力增大，而對徑流量及污染物流失量的影響很小.

2.5.2 SS、TP流失量和坡度相關(guān)性分析 不同雨強(qiáng)下，徑流中SS、TP單位面積流失量與坡度的線性回歸方程見表3.

由表3可以看出，在小雨強(qiáng)時(shí)，坡度與SS、TP有較為明顯的線性關(guān)系.隨雨強(qiáng)增大，SS、TP流失量和坡度的線性關(guān)系明顯減弱.這是因?yàn)椋陱?qiáng)增大到一定程度，土壤被劇烈沖刷的同時(shí)產(chǎn)生大量徑流，徑流流速快，使表層土壤顆粒物被迅速帶入徑流流失，這時(shí)坡度對流速的影響逐漸減?。?4］，不是主要影響因素，5°和10°坡度SS及TP流失量相差不大甚至?xí)霈F(xiàn)5°坡度高于10°坡度流失量的情況.此外，對比表2和表3中直線斜率的變化可以看出，雨強(qiáng)相較于坡度，對污染物流失量有更大的影響.

表2 不同坡度下，SS、TP流失量和雨強(qiáng)（q）的關(guān)系Table 2 Relationships between SS， TP losses and rainfall intensity（q） under different slope gradients

表3 不同雨強(qiáng)下，SS、TP流失量和坡度（S）的關(guān)系Table 3 Relationships between SS， TP losses and slope gradient （S） under different rainfall intensities

2.5.3 雨強(qiáng)、坡度對SS、TP流失量的綜合影響不同坡度和雨強(qiáng)下，裸地徑流中的顆粒物及磷流失量有顯著差別，因此本文考察了雨強(qiáng)和坡度對污染物流失量的綜合影響，結(jié)果見表4.由于0°坡度下，徑流污染物流失規(guī)律和有坡度條件下的流失規(guī)律明顯不同，因此表4中未考慮0°條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).從表中可發(fā)現(xiàn)，在有坡度條件下，雨強(qiáng)、坡度和顆粒物及磷素流失量的線性相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)高于0.942.

表4 雨強(qiáng)（q）、坡度（S）和污染物流失量之間的關(guān)系Table 4 Integrated relationships between SS， TP， PP losses and rainfall intensity （q）， slope gradient （S）

由于雨強(qiáng)、坡度直接影響裸地徑流量，為了能夠通過徑流量預(yù)測裸地的污染物流失量，本文研究了次降雨徑流量與徑流污染物流失量之間的關(guān)系，結(jié)果見表5.從表中可看出，徑流量與污染物流失量存在明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.911以上.

表4中的線性回歸方程可用于預(yù)測不同雨強(qiáng)、坡度條件下北方砂壤土裸地徑流中顆粒物及磷素的單位面積流失量.當(dāng)已知某次降雨的徑流總量時(shí)，則可采用表5中的方程來預(yù)測污染物流失量.以上方程為預(yù)測一定條件下北方砂壤土裸地徑流中顆粒物及磷素單位面積流失量提供了簡便的計(jì)算方法和科學(xué)依據(jù)，對磷素的非點(diǎn)源污染模型預(yù)測及面源污染控制有重要意義.

表5 次降雨徑流量（Q）和污染物流失量之間的關(guān)系Table 5 Relationships between SS， TP， PP losses and runoff quantity （Q）

3 結(jié)論

3.1 坡度為0°～10°，雨強(qiáng)為30～100mm/h條件下，雨強(qiáng)和坡度越大，SS和TP的流失量越大，且雨強(qiáng)相較于坡度，對污染物流失量有更大的影響.

3.2 徑流中SS、TP、PP的單位面積流失量有很強(qiáng)的線性關(guān)系，TP與SS、PP與TP的相關(guān)系數(shù)分別為0.946、0.999，徑流中的磷素主要以顆粒形態(tài)流失，有坡度條件下顆粒態(tài)磷占總磷的80%以上.

3.3 0°＜坡度＜10°時(shí)，徑流顆粒物及磷素單位面積流失量與雨強(qiáng)、坡度以及次降雨徑流量之間有明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.911.方程為預(yù)測砂壤土裸地徑流中顆粒物及磷素單位面積流失量提供簡便的計(jì)算方法.

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Influence of rainfall intensity and slope gradient on suspended substance and phosphorus losses in runoff.

YUAN Xi1，PAN Zhong-cheng1， LI Min1*， LIU Feng2（1.College of Environmental Science & Engineering， Beijing Key Lab for Source Control Technology of Water Pollution， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China；2.Beijing Future Science Park Development Group Co. Ltd.， Beijing 102209， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3099～3106

Artificial simulated rainfall experiments were conducted in this study to investigate the effects of rainfall intensity （30～100mm/h） and slope gradient （0～10°） on suspended substance （SS）， total phosphorus （TP） and particulate phosphorus （PP） losses in runoff from bare land in north China. The relationships between SS， TP and PP losses were also studied. The results showed that SS and TP losses increased greatly with the increase of rainfall intensity and slope gradient. There was a significant linear relationship between SS and TP losses， as well as TP and PP losses （R2＞0.946）. Rainfall intensity had more intensive influence on SS and P losses than slope gradient in the range of our experimental conditions. There were clear linear relationships between SS， P losses and the rainfall intensity， slope gradient and the total amount of runoff （R2＞0.911）. The linear equations of SS， P losses from bare land with and without an incline should be separately simulated because the rainwater infiltration and the runoff generation pathway on 0degree and other slopes were distinctly different. The results provided a calculation method for estimating SS and P losses in runoff from sandy loam soil in north China.

rainfall intensity；slope gradient；bare land；suspended substance；phosphorus

X144，S157.1

A

1000-6923（2016）10-3099-08

袁 溪（1992-），男，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事綠地徑流污染物削減模型的研究.發(fā)表論文1篇.

2016-02-16

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2013ZX07304-001）

* 責(zé)任作者， 教授， liminbjfu@126.com