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(1.浙江省水資源管理中心(浙江省水土保持監(jiān)測中心)，杭州 310012；2.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

表1 試驗(yàn)用土基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of test soil

1 研究背景

我國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一，南方紅壤丘陵區(qū)地處熱帶、亞熱帶，具有多樣化的自然條件和豐富的水、熱、土地和生物資源，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。但由于受到降雨、地形、人類活動等因素的影響，南方紅壤區(qū)成為我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，嚴(yán)重的水土流失會導(dǎo)致土壤退化，也會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究紅壤坡面的土壤侵蝕規(guī)律，對于南方紅壤丘陵區(qū)水土流失的防治、農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

應(yīng)用人工降雨試驗(yàn)，模擬坡面徑流與泥沙特征，是研究土壤侵蝕的一種非常重要的方法[1-5]，當(dāng)不考慮雨滴對地表的打擊作用時，也可采用放水沖刷試驗(yàn)研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。這2種試驗(yàn)方法相結(jié)合有助于我們了解土壤坡面在有無雨滴作用下的徑流與泥沙特征。以往有諸多學(xué)者采用人工降雨試驗(yàn)或放水沖刷試驗(yàn)對土壤侵蝕進(jìn)行了研究，如付興濤等[6]采用人工降雨試驗(yàn)，研究了不同雨強(qiáng)下坡長對紅壤侵蝕的影響，并初步探討了侵蝕增強(qiáng)的臨界雨強(qiáng)和設(shè)置水土保持措施的合理坡長；洪斌等[7]采用室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，研究了降雨強(qiáng)度、坡度和坡長與云南紅土坡面土壤侵蝕之間的關(guān)系；馬美景等[8]利用室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)，分析了上方來水流量對紅壤坡面徑流侵蝕過程中泥沙的遷移規(guī)律及土壤溶質(zhì)運(yùn)移特征的影響；彭旭東等[9]采用野外放水沖刷試驗(yàn)研究了紫色丘陵區(qū)不同棄土棄渣下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律。也有的學(xué)者采用人工模擬降雨和放水沖刷試驗(yàn)相結(jié)合的方法來研究土壤侵蝕特征。王愛娟等[10]利用人工模擬降雨和放水沖刷試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征；尹武君[11]利用可變坡度土槽模擬黃土坡面，采用人工放水和人工降雨的方法，研究了不同土壤特性對雨滴能量傳遞的影響和不同坡度及地表糙度條件下徑流能傳遞規(guī)律等問題。

縱觀上述研究，采用人工降雨或放水沖刷試驗(yàn)研究土壤侵蝕的較多，而將2種試驗(yàn)方法結(jié)合起來研究土壤侵蝕的則較少，尤其是將這2種試驗(yàn)方法相結(jié)合對紅壤坡面侵蝕進(jìn)行的研究還相當(dāng)薄弱。因此，本文通過人工降雨和放水沖刷2種試驗(yàn)，研究紅壤坡面徑流與泥沙特征，以期為紅壤侵蝕的防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用土取自中國主要水蝕區(qū)南方山地丘陵區(qū)——湖北武漢，土地利用類型為坡耕地，坡度約為10°，地貌類型為低山丘陵，海拔高度約為45 m，成土母質(zhì)為泥質(zhì)頁巖，土壤類型為典型紅壤，土壤理化性質(zhì)見表1。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?5.8～17.5 ℃，多年平均降水量約為1 269 mm，主要集中分布在5—10月份，以暴雨徑流侵蝕為主。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在水土流失移動試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)室內(nèi)安裝有可調(diào)節(jié)坡度(0°～28°)的土壤侵蝕槽(長3 m、寬1 m、深50 cm)，槽底部留有直徑5 mm的滲流孔，槽下部有壤中流和地表徑流的接收裝置。采用人工降雨法和放水沖刷法。人工降雨試驗(yàn)采用下噴式降雨器，降雨高度約為6 m，降雨噴頭有大、中、小3套，由移動試驗(yàn)室上的多功能數(shù)據(jù)采集器和壓力表來率定降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度變化范圍為0.3～2.8 mm/min，每場降雨試驗(yàn)前先用9個集雨桶來率定降雨強(qiáng)度，試驗(yàn)過程中再用集雨桶來監(jiān)測降雨均勻度，以保證降雨均勻度系數(shù)達(dá)到90%左右。放水沖刷試驗(yàn)采用馬氏瓶原理控制恒定水頭，水箱尺寸長1 m、寬1 m、高1 m，箱底距離地面約4 m。

表2 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面初始產(chǎn)流時間對比Table 2 Comparison of the initial runoff yield duration on red soil slope in different tests

2.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)湖北武漢氣象站1971—2000年的次降雨資料，得到不同重現(xiàn)期下的次降雨強(qiáng)度，并結(jié)合已有研究，將本次人工降雨試驗(yàn)雨強(qiáng)擬定為0.8，1.2，2.1，2.6 mm/min，相應(yīng)地，放水沖刷試驗(yàn)流量擬定為1.4，3.0，5.7，7.0 L/min。本次試驗(yàn)根據(jù)坡耕地坡度特征，結(jié)合試驗(yàn)條件將坡度擬定為5°，10°，15°，20°，試驗(yàn)共計(jì)32場，控制每場降雨試驗(yàn)總雨量50 mm不變。侵蝕槽裝土厚度0.4 m，該土壤過1 cm的篩，采取分層裝填、邊填邊壓實(shí)的方法，土槽裝填完成后，擱置一段時間，使槽內(nèi)土壤沉實(shí)到接近自然狀態(tài)，并用環(huán)刀法測定槽內(nèi)土壤密度，達(dá)到1.38 g/cm3左右方可開始試驗(yàn)。

每場試驗(yàn)前測定土壤前期含水率，以保證所有試驗(yàn)前土壤前期含水率相對一致。同時，為保證每場試驗(yàn)的一致性，試驗(yàn)不換土，連續(xù)進(jìn)行。在第1場試驗(yàn)結(jié)束后，土槽擱置，讓水分充分下滲，在自然狀態(tài)下風(fēng)干，進(jìn)行第2場試驗(yàn)前先測定土壤含水率，當(dāng)所測含水率與第1場試驗(yàn)相對一致時再開始第2場試驗(yàn)。人工降雨試驗(yàn)從小雨強(qiáng)開始，經(jīng)過5°，10°，15°，20°四個坡度后，再增大雨強(qiáng)，開始下一組試驗(yàn)；放水沖刷試驗(yàn)也從小流量開始，經(jīng)過5°，10°，15°，20°四個坡度后，再增大流量，開始下一組試驗(yàn)。

每場試驗(yàn)中按照如下方法觀測：試驗(yàn)開始0～3 min時間段內(nèi)每分鐘采樣觀測一次徑流量、泥沙量，4～7 min時間段內(nèi)每2 min采樣觀測一次，8～10 min時間段內(nèi)每3 min采樣觀測一次，10 min之后每5 min采樣觀測一次直至試驗(yàn)結(jié)束。侵蝕槽出口的徑流量用塑料桶全部收集測量，泥沙含量采用烘干法測量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面徑流研究

人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)條件下紅壤坡面初始產(chǎn)流時間見表2。

從表2中可以看出:人工降雨試驗(yàn)條件下，紅壤坡面初始產(chǎn)流時間在0.12～6.25 min之間，隨著坡度和雨強(qiáng)的增大而減小，且以5°坡和0.8 mm/min雨強(qiáng)下的變化幅度最為明顯，至20°坡和2.6 mm/min雨強(qiáng)下逐漸趨于穩(wěn)定；放水沖刷試驗(yàn)條件下，紅壤坡面初始產(chǎn)流時間在0.28～7.35 min之間，隨著坡度和流量的增大而減小，且以5°坡和1.4 L/min流量下的變化幅度最為明顯，至20°坡和7.0 L/min流量下逐漸趨于穩(wěn)定。對比紅壤坡面在2種試驗(yàn)條件下的初始產(chǎn)流時間發(fā)現(xiàn)，坡度較小時(5°和10°)，人工降雨條件下的紅壤坡面明顯比放水沖刷試驗(yàn)條件下產(chǎn)流快，而當(dāng)坡度增加到15°和20°時，這種規(guī)律就不明顯了。分析其原因?yàn)槠露容^小時(5°和10°)，人工降雨試驗(yàn)中雨滴均勻落到坡面的各個部位后，形成坡面薄層水流，經(jīng)過匯流后，產(chǎn)生坡面徑流；而放水沖刷試驗(yàn)中水流自水箱的水管流到坡頂后，逐漸形成坡面薄層水流，流經(jīng)3 m長的土槽后，形成坡面徑流。與人工降雨試驗(yàn)相比，放水沖刷試驗(yàn)中的坡面薄層水流流程長，因此，初始產(chǎn)流時間較慢。

通過觀察人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)下的紅壤坡面地表徑流過程(圖1)可知，人工降雨試驗(yàn)下，徑流量隨坡度和雨強(qiáng)的增大而增大；放水沖刷試驗(yàn)下，徑流量隨坡度和流量的增大而增大；且在2種試驗(yàn)條件下，徑流量均隨著時間的推移先迅速增加，至15～20 min后逐漸趨于穩(wěn)定，分析所有場次的試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，15～20 min是紅壤坡面徑流量穩(wěn)定的臨界時間。

圖1 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面地表徑流過程Fig.1 Runoff processes on red soil slope in different tests

圖2 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面徑流總量Fig.2 Total runoff volumes on red soil slope in different tests

圖2為不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面徑流總量。由圖2(a)可知，人工降雨試驗(yàn)下，徑流總量有隨降雨強(qiáng)度和坡度增加而增大的趨勢。當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min，坡度由5°增加至20°時，徑流總量增長了22.51%，降雨強(qiáng)度為1.2，2.1，2.6 mm/min，坡度由5°增加至20°時，徑流總量分別增長了21.53%，14.50%，17.63%，這表明降雨強(qiáng)度為0.8，1.2 mm/min時，徑流總量隨坡度的變化幅度較2.1，2.6 mm/min時大；坡度為5°時，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時，徑流總量增長了47.83%，坡度為10°，15°，20°時，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時，徑流總量分別增長了55.94%，42.13%，41.95%，這表明坡度為5°和10°時，徑流總量隨降雨強(qiáng)度的變化幅度較坡度為15°和20°時大。

由圖2(b)可知，放水沖刷試驗(yàn)下，徑流總量有隨放水流量和坡度增加而增大的趨勢。當(dāng)放水流量為1.4 L/min時，坡度由5°增加至20°時，徑流總量增長了3倍多，放水流量為3.0，5.7，7.0 L/min時，坡度由5°增加至20°時，徑流總量分別增長了88.44%，38.74%，34.79%，這表明放水流量為1.4，3.0 L/min時，徑流總量隨坡度的變化幅度較放水流量5.7，7.0 L/min時大；坡度為5°時，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時，徑流總量增長了3.29倍，坡度為10°，15°，20°時，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時，徑流總量分別增長了1.30倍、1.03倍、43.37%，這表明坡度為5°和10°時，徑流總量隨放水流量的變化幅度較坡度為15°和20°時大。

對比紅壤坡面在2種試驗(yàn)條件下的徑流總量，發(fā)現(xiàn)人工降雨試驗(yàn)下的紅壤坡面徑流總量明顯比放水沖刷試驗(yàn)下的要多，且在坡度較小時，2種試驗(yàn)條件下的徑流總量差值更明顯。

圖3 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙過程Fig.3 Sediment yield processes on red soil slope in different tests

3.2 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面泥沙研究

通過觀察人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)下的紅壤坡面泥沙過程(圖3)發(fā)現(xiàn)，人工降雨試驗(yàn)下，含沙量在試驗(yàn)初期迅速達(dá)到峰值(峰值隨雨強(qiáng)的增大而增大)，而后迅速回落，有一個突漲突落過程，這個過程大約持續(xù)10～15 min，之后含沙量逐漸趨于穩(wěn)定，且趨于穩(wěn)定的時間隨雨強(qiáng)的增大不斷增大；放水沖刷試驗(yàn)下，含沙量在試驗(yàn)初期迅速達(dá)到峰值(峰值隨流量的增大而增大)，而后迅速回落，也有一個突漲突落的過程，這個過程大約持續(xù)15～20 min，之后含沙量逐漸趨于穩(wěn)定，且趨于穩(wěn)定時間隨流量的增大而增大。

圖4為不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面產(chǎn)沙總量。由圖4(a)可以看出，人工降雨試驗(yàn)下，產(chǎn)沙總量有隨降雨強(qiáng)度和坡度增加而增大的趨勢。當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min時，坡度由5°增加至20°時，產(chǎn)沙總量增長了3.84倍，降雨強(qiáng)度為1.2，2.1，2.6 mm/min時，坡度由5°增加至20°時，產(chǎn)沙總量分別增長了3.31倍、2.74倍、2.33倍，這表明降雨強(qiáng)度為0.8，1.2 mm/min時，產(chǎn)沙總量隨坡度的變化幅度較降雨強(qiáng)度2.1，2.6 mm/min時大；坡度為5°時，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時，產(chǎn)沙總量增長了7.72倍，坡度為10°，15°，20°時，降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增加至2.6 mm/min時，產(chǎn)沙總量分別增長了5.21倍、5.11倍、4.99倍，這表明坡度為5°和10°時，產(chǎn)沙總量隨降雨強(qiáng)度的變化幅度較坡度為15°和20°時大。

圖4 不同試驗(yàn)條件下紅壤坡面產(chǎn)沙總量Fig.4 Total sediment yield on red soil slope in different tests

由圖4(b)可看出，放水沖刷試驗(yàn)下，產(chǎn)沙總量有隨放水流量和坡度增加而增大的趨勢。當(dāng)放水流量為1.4 L/min時，坡度由5°增加至20°時，產(chǎn)沙總量增長了7.47倍，放水流量為3.0，5.7，7.0 L/min時，坡度由5°增加至20°時，產(chǎn)沙總量分別增長了1.40倍、1.13倍、1.14倍，這表明放水流量為1.4，3.0 L/min時，產(chǎn)沙總量隨坡度的變化幅度較放水流量5.7，7.0 L/min時大；坡度為5°時，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時，產(chǎn)沙總量增長了7.14倍，坡度為10°，15°，20°時，放水流量由1.4 L/min增加至7.0 L/min時，徑流總量分別增長了2.91倍、2.64倍、1.05倍，這表明坡度為5°和10°時，產(chǎn)沙總量隨放水流量的變化幅度較坡度為15°和20°時大。

對比紅壤坡面在2種試驗(yàn)條件下的徑流總量，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min和放水流量為1.4 L/min條件下，放水試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量比降雨試驗(yàn)多，且2種試驗(yàn)條件下的產(chǎn)沙總量差值隨坡度的增加而增加；而隨著降雨強(qiáng)度和放水流量的增加，降雨試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量超過放水試驗(yàn)；在坡度為5°的條件下，放水試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量比降雨試驗(yàn)多，而隨著坡度的增加，降雨試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量超過放水試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本次試驗(yàn)保持總雨量50 mm不變，設(shè)計(jì)不同坡度、不同雨強(qiáng)及對應(yīng)流量的人工降雨試驗(yàn)和放水沖刷試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)2種試驗(yàn)條件下，紅壤坡面初始產(chǎn)流時間均隨著坡度和降雨強(qiáng)度(放水流量)的增大而減小，尤以5°坡和0.8 mm/min降雨強(qiáng)度(1.4 L/min放水流量)下變化幅度最為明顯；且在坡度較小時(5°和10°)，人工降雨試驗(yàn)下的紅壤坡面明顯比放水沖刷試驗(yàn)下產(chǎn)流快。

(2)2種試驗(yàn)條件下，紅壤坡面徑流量穩(wěn)定時間均為15～20 min；泥沙量穩(wěn)定時間在人工降雨試驗(yàn)下為10～15 min，放水沖刷試驗(yàn)下為15～20 min。

(3)紅壤坡面徑流總量有隨降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度增加而增大的趨勢，在降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度較小時變化幅度較大；徑流總量降雨試驗(yàn)超過放水試驗(yàn)，在坡度較小時，尤為明顯。

(4)紅壤坡面產(chǎn)沙總量有隨降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度增加而增大的趨勢，在降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度較小時變化幅度較大；在降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度較小時，放水試驗(yàn)的產(chǎn)沙總量比降雨試驗(yàn)多，隨著降雨強(qiáng)度(放水流量)和坡度的增加，產(chǎn)沙總量降雨試驗(yàn)超過放水試驗(yàn)。

(5)5°坡雖然在較小的降雨強(qiáng)度和放水流量條件下徑流和泥沙總量都較少，但隨著降雨強(qiáng)度和放水流量的增加，其徑流和泥沙總量的變化幅度也較10°，15°，20°坡要大，故應(yīng)在坡度≥5°的紅壤坡地上實(shí)施有效的水土保持措施。