苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

土壤侵蝕已經(jīng)影響區(qū)域社會和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的的熱點和焦點問題，不但會使得土地治理呈現(xiàn)明顯退化，還成為區(qū)域面源污染負荷的主要來源之一[1]。國內(nèi)許多學者對區(qū)域水土流失進行了大量研究[2- 8]，各研究均表明不同土壤類型下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征差異程度十分明顯，與降雨強度、坡度以及土壤質(zhì)地關系密切。近年來，降水條件和雨強對區(qū)域土壤侵蝕影響的研究均是相對于單一要素進行分析[9- 15]，而進行雨強和坡度系統(tǒng)分析的研究還較少。為此本文結(jié)合室外人工降雨試驗，對坡度、雨強、土壤類型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙差異特征進行試驗分析，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)擬合不同土壤類型下產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量與雨強和坡度的相關方程。研究成果對于探討不同土壤類型下的區(qū)域土壤侵蝕特征具有重要的意義，并且可為區(qū)域水土流失治理提供相應的科學支撐。

1 試驗方案設計

1.1 試驗設計

室外人工降雨試驗場地位于遼寧西部某水土保持試驗區(qū)，結(jié)合人工移動降雨設備進行不同雨強的控制，降雨有效滴落的高度控制在4m，有效降水面積為12m2，采用可以升降的試驗鋼槽進行雨強的調(diào)節(jié)，頂部坡度的調(diào)節(jié)范圍在0°～15°之間，試驗場景如圖1所示。水土保持試驗區(qū)坡度分別為4°、6°、8°、10°。通過數(shù)據(jù)分析區(qū)域雨強最大值75mm/h，因此選取20、40、60、80mm/h進行人工降水重復試驗，共進行30組試驗。

圖1 人工降雨試驗場景

1.2 試驗流程

水土流失試驗區(qū)內(nèi)的土壤主要為潮土和壤土，兩種試驗土壤的主要質(zhì)地見表1。為最大程度模擬天然狀態(tài)下的土壤侵蝕，每次試驗后進行土層回填，回填的深度低于25cm，為了保持土壤的滲透性能，在試驗土壤的底部設置25cm的過濾篩土層。結(jié)合含沙量測定儀對土壤侵蝕量進行測定，每組試驗數(shù)據(jù)為10個。在降水前期設置表層土壤含水量為15～20cm，采用翻斗式雨量計對其降雨量進行測定。結(jié)合三角堰的方式對試驗區(qū)坡面產(chǎn)流量進行測定，結(jié)合試驗時間推算其總的產(chǎn)流量。產(chǎn)沙量主要通過試驗測定的產(chǎn)流量和含水量進行計算。

2 試驗結(jié)果討論

2.1 不同雨強條件下土壤產(chǎn)流時間特征

不同降水條件對各類型土壤下的初始產(chǎn)流影響不同，為此對各坡度下4種降雨條件下的初始產(chǎn)流時間進行試驗分析，分析結(jié)果見表1。

表1 不同降水條件下的土壤初始產(chǎn)流時間對比結(jié)果 單位：s

從表1中可看出，同一坡度下隨著降雨強度的增加，其初始產(chǎn)流時間逐步縮短，而同樣在同一降雨強度下，隨著坡度的增加不同土壤類型的初始產(chǎn)流時間也同樣縮短。降雨強度和坡度均對各土壤類型的初始產(chǎn)流時間產(chǎn)生正向影響。在相同降雨和坡度條件下，壤土的總體初始產(chǎn)流時間均要高于潮土，這種由于潮土表面土層顆粒較為緊實，因此下滲率較小，影響降雨滲透。而壤土在降雨過程中，其表面較易形成干裂結(jié)皮，可有效增加降水下滲量，使得其初始產(chǎn)流時間要高于潮土。在同一坡度條件下，降雨強度越高，其區(qū)域能接收的降水量也相應較大，因此其初始產(chǎn)流時間受到降雨強度遞增影響，其產(chǎn)流初始時間呈現(xiàn)遞減變化。

2.2 不同雨強條件下土壤產(chǎn)流量特征

結(jié)合人工降雨試驗，分析不同降雨強度和坡度條件下區(qū)域各類型土壤的產(chǎn)流量差異變化特征，試驗分析結(jié)果見表2及圖2。

從表2的試驗結(jié)果可看出，在同一降雨強度和坡度條件下，壤土的產(chǎn)流量總體高于潮土，40mm/h降雨強度下壤土和潮土的產(chǎn)流變化最為明顯，壤土的產(chǎn)流可達到潮土產(chǎn)流量的1.3～2.1倍，坡度最高時兩種土壤類型的產(chǎn)流差異有所減小，當雨強達到最大時，兩種土壤類型下的

表2 不同雨強和坡度下的土壤產(chǎn)流差異特征分析 單位：L

產(chǎn)流總量的差異特征達到最小值。這主要是因為壤土的顆粒含量較小，土壤含水結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性較弱，因此滲透量總體較低，其降水基本以坡面產(chǎn)流的方式快速排出。在降雨強度和坡度均較小時，壤土的滲透水量也高于潮土?？傮w上，隨著降雨強度的遞增，各土壤類型的滲透水量逐步趨于相同，在40mm/h降雨強度4°和6°下壤土的產(chǎn)流總量明顯高于潮土。從圖2的試驗結(jié)果可看出，隨著降雨強度的增加，各坡度下的兩種土壤類型的產(chǎn)流差異性逐步加大。在產(chǎn)流初期兩種土壤的產(chǎn)流關系較為復雜，隨著產(chǎn)流時間的增加，兩種土壤類型產(chǎn)流差異增幅加大，而當降雨強度增加到60、80mm/h時，兩種土壤類型的差異特征有減小的變化趨勢。當坡度較低時，潮土表層有結(jié)皮使得其下滲水量減少。當降雨強度增加到80mm/h后，坡度為6°下壤土隨產(chǎn)流時間遞增的差異性要高于潮土。隨著坡度的遞增，潮土和壤土產(chǎn)流差異變幅呈現(xiàn)先遞增后減小的變化趨勢，這主要是因為隨著降雨強度和坡度的加大，土壤表層產(chǎn)流特征明顯。

2.3 不同雨強條件下土壤產(chǎn)沙量特征

結(jié)合人工降雨試驗，分析不同降雨強度和坡度條件下區(qū)域各類型土壤的產(chǎn)沙量差異變化特征，試驗分析結(jié)果見表3及圖3。

表3 不同雨強和坡度下的土壤產(chǎn)沙差異特征分析 單位：kg/m3

從表3的試驗結(jié)果可看出，隨著降雨強度和坡度的增加，試驗區(qū)內(nèi)兩種土壤類型的產(chǎn)沙量呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化，壤土的產(chǎn)沙總量總體高于潮土的產(chǎn)沙總量。在降雨強度和坡度較小時，潮土和壤土表面產(chǎn)流差異特征明顯，潮土的水土流失主要以降雨濺蝕為主，而壤土主要受到降雨沖刷影響為主。當降雨強度達到80mm/h時，壤土的產(chǎn)沙量隨著坡度的增加，呈現(xiàn)先遞增后減小的變化，而后與潮土的產(chǎn)沙差異性加大。當坡度低于6°時兩種土壤的產(chǎn)沙差異性較弱，這主要是因為降雨強度和坡度條件下對土壤侵蝕能力影響程度不同，降雨強度較大，潮土和壤土對土壤表層顆粒的沖刷作用較為明顯，而土壤表層具有一定的抗沖刷能力，因此對表層土壤顆粒沖刷影響較弱。而隨著坡度的遞增，水流的動力作用加強，不同坡度條件下的土壤侵蝕能力增加，同時由于降雨強度的增加，由于作用疊加效應，土壤侵蝕逐步增加。從圖3中可看出，在40mm/h降雨強度，坡度為6°的條件下，壤土的含沙量遞增較為顯著，坡面出現(xiàn)明顯的細溝侵蝕特征的變化，降雨初期的含沙量較大，隨著時間的變化，含沙量呈現(xiàn)明顯的遞減，在產(chǎn)流后期，含沙量逐步趨于穩(wěn)定變化。降雨強度為40mm/h兩種土壤類型差異較60mm/h雨強要大，這表明40mm/h降雨強度下壤土出現(xiàn)細溝侵蝕現(xiàn)象，土壤顆粒呈現(xiàn)團狀，使得各土壤類型下土壤侵蝕量呈現(xiàn)急劇變化。當坡度增加到10°后，降雨對壤土的沖蝕作用要高于潮土，在土壤表層的較容易形成溝壑，使得壤土的含沙量高于潮土。當降雨強度增加到80mm/h后其雨強變化較為一致。

圖2 不同降雨強度和坡度條件下各類型土壤產(chǎn)流特征分析

圖3 不同降雨強度和坡度條件下各類型土壤產(chǎn)沙特征分析

2.4 降水條件和坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙綜合影響

結(jié)合不同降雨強度和坡度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗數(shù)據(jù)進行回歸統(tǒng)計，建立各土壤類型產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關回歸方程，結(jié)果見表4。

表4 各土壤類型下產(chǎn)流產(chǎn)沙與坡度和雨強相關方程

注：θ表示為坡度(°)；I表示為降雨強度(mm/h)。

通過對建立的潮土和壤土回歸方程進行分析，各回歸方程的相關系數(shù)均在0.7以上，其中產(chǎn)流方程的相關系數(shù)總體高于產(chǎn)沙方程的相關系數(shù)。結(jié)合統(tǒng)計顯著性對各回歸方程進行分析，結(jié)果表明各方程在0.05水平下的顯著性水平較高，結(jié)合相同坡度和降雨強度下的分析表明，降雨強度對產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響程度總體高于坡度，且對產(chǎn)流影響特征較為明顯。這主要是因為各土壤類型下產(chǎn)流受到降雨強度和坡度影響外，受到土壤質(zhì)地影響程度較弱，而對于產(chǎn)沙條件而言，其產(chǎn)沙量除受到降雨強度和坡度的影響外，還受到土壤質(zhì)地影響，而土壤質(zhì)地影響的關鍵在于土壤侵蝕因子，土壤侵蝕因子是區(qū)域產(chǎn)沙量影響的重要關鍵參數(shù)，因此相比于產(chǎn)流而言，各土壤類型下的產(chǎn)沙對于降雨強度和坡度影響的顯著性要低于產(chǎn)流影響。結(jié)合建立的不同土壤類型下產(chǎn)流和產(chǎn)沙相關方程，可實現(xiàn)區(qū)域各土壤類型下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的簡單換算。

3 試驗結(jié)論

(1)在同一降水強度下，隨著坡度增加土壤類型對初始產(chǎn)流時間的影響逐步減弱，40mm/h10°坡、60mm/h8°坡各類型土壤坡產(chǎn)流量隨著降水時間的變化差異度明顯減弱。

(2)壤土在產(chǎn)流初始的10min內(nèi)含沙量較大，隨后逐步遞減并趨于穩(wěn)定，而潮土含沙量變化規(guī)律不明顯，壤土表層細溝侵蝕較為嚴重，集中于坡面中下區(qū)域，潮土表面易形成溝壑，細溝侵蝕程度較小。

(3)建立的產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸方程可方便水土保持區(qū)域規(guī)劃設計參數(shù)的計算，也可為其他類型土壤回歸方程建立提高范例。

(4)本文在產(chǎn)沙影響中未能涉及土壤侵蝕因子的影響，以后還需結(jié)合土壤侵蝕因子的影響進行重點研究。