牛永振， 李張楠， 欒清華*， 徐 丹， 龐婷婷

(1.河北工程大學(xué)，河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 邯鄲 056038； 2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 桂林 541006)

降雨產(chǎn)流是水循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，具有時(shí)空多變的特點(diǎn)[1-2]。因此，正確解析流域降水產(chǎn)流過(guò)程對(duì)提高區(qū)域水文預(yù)報(bào)精度、解析流域水文基本情勢(shì)至關(guān)重要。目前，中國(guó)對(duì)降雨產(chǎn)流機(jī)制的研究主要集中在黃土高原干旱地區(qū)和南方濕潤(rùn)地區(qū)，主要研究降雨、地面坡度、植被覆蓋、土壤前期含水率等因子對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響[3-5]。楊春霞等[6]在甘肅省羅玉溝試驗(yàn)場(chǎng)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)不同垂直覆蓋結(jié)構(gòu)下的坡面產(chǎn)流量均較無(wú)覆蓋情況小，其中完整覆蓋結(jié)構(gòu)的減流率最高；孫佳美等[7]采用模擬降雨的方法研究了不同雨強(qiáng)下5種枯落物對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響，結(jié)果表明不同枯落物的減流效果不同且產(chǎn)流量均小于裸坡；常松濤等[8]在南方丘陵區(qū)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋對(duì)產(chǎn)流有明顯的滯后作用，雨強(qiáng)和坡度與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均呈正相關(guān)關(guān)系；郭星星等[9]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)對(duì)坡面產(chǎn)流影響顯著，坡面產(chǎn)流隨著雨強(qiáng)和坡度的增加均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，隨著雨強(qiáng)增加，其增流作用會(huì)掩蓋坡度對(duì)產(chǎn)流的影響。華北平原因其下墊面變化的復(fù)雜性和人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)的高強(qiáng)度性，在該區(qū)域開(kāi)展降雨產(chǎn)流試驗(yàn)及其相關(guān)研究相對(duì)較少，其產(chǎn)匯流過(guò)程至今尚未明確。

為此，針對(duì)華北平原，借助河北工程大學(xué)人工降雨徑流試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同情景，分析找尋不同情景下、不同因素的區(qū)域產(chǎn)流響應(yīng)機(jī)制的差異性和規(guī)律性，以期為構(gòu)建適宜于華北平原產(chǎn)匯流模式提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)概況

河北工程大學(xué)臨洺關(guān)校區(qū)人工降雨徑流-節(jié)水灌溉試驗(yàn)基地位于河北省邯鄲市永年區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年無(wú)霜期200 d，多年平均氣溫14 ℃，多年平均日照2 557 h，多年平均降水量為527.8 mm，降水量時(shí)空分布不均勻，降水多集中在6～9月份，約占全年降水的60%～80%。

試驗(yàn)場(chǎng)上方安裝有5臺(tái)降雨行車(chē)，用來(lái)模擬人工降雨，模擬雨強(qiáng)范圍為0.3～3 mm/min。2個(gè)試驗(yàn)單元如圖1中的1號(hào)、2號(hào)場(chǎng)地所示，尺寸均為9 m(長(zhǎng))×3 m(寬)×3 m(高)，坡度分別為2°和4°，周?chē)褂没炷令A(yù)制板打入基巖作為隔水墻。土槽內(nèi)部土層為回填土，回填土類(lèi)型為試驗(yàn)場(chǎng)附近山前平原區(qū)典型土壤類(lèi)型，其性狀與區(qū)域大田土壤特性較為接近，能夠更真實(shí)的反應(yīng)田間土壤特性對(duì)降雨產(chǎn)流過(guò)程的影響?；靥钔翉纳系较乱来螢樯橙劳?0～30 cm)、壤土(30～100 cm)和粉質(zhì)黏土(100～300 cm)。主要研究對(duì)象為地表徑流(0～30 cm)，0～30 cm土層土壤容重為1.51 g/cm3，孔隙度為42%。土壤前期含水率采用RIME-PICO IPH2儀器進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)試驗(yàn)單元共裝有4層200 mm槽寬的水槽，各層水槽收集對(duì)應(yīng)產(chǎn)流類(lèi)型分別為直接地表徑流、地面下1 m內(nèi)、1～2 m、2～3 m的壤中流，水槽末尾設(shè)有薄壁三角堰，利用浮子式自動(dòng)水位計(jì)測(cè)定不同土層出水量，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)概況圖

圖2 三角堰測(cè)流裝置

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)研究區(qū)天然降雨特性進(jìn)行分析并結(jié)合已有研究[10-11]，確定各次模擬降雨雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)，設(shè)定4種不同降雨情景，如表1所示。試驗(yàn)設(shè)置0.67、1 mm/min兩種降雨強(qiáng)度，降雨歷時(shí)均為60 min，植被覆蓋情況分別為自然草地、裸地。開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)一般選取天氣晴好且無(wú)風(fēng)時(shí)進(jìn)行，以減小誤差，且不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度的人工降雨都會(huì)與實(shí)際落地雨強(qiáng)進(jìn)行率定分析，以保證儀器噴灑降雨和落地降雨的強(qiáng)度及均勻度達(dá)到試驗(yàn)要求。從開(kāi)始產(chǎn)流起每隔1 min對(duì)三角堰水位進(jìn)行一次讀數(shù)，直至產(chǎn)流結(jié)束，不同情景下產(chǎn)流量和累積產(chǎn)流量的數(shù)據(jù)均在SPSS 24.0中進(jìn)行分析。

表1 不同降雨情景設(shè)計(jì)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 產(chǎn)流起始時(shí)間

產(chǎn)流起始時(shí)間是反應(yīng)土壤包氣帶對(duì)降雨再分配響應(yīng)快慢的一個(gè)重要指標(biāo)，不同情景下產(chǎn)流的起始時(shí)間，結(jié)果如表2所示?？傮w來(lái)看，情景1、2下地表徑流產(chǎn)流起始時(shí)間在45 min左右，情景3、4下地表徑流產(chǎn)流起始時(shí)間在8 min左右。前兩種情景是在天氣久旱無(wú)雨時(shí)進(jìn)行的，土壤前期含水率較小，導(dǎo)致產(chǎn)流時(shí)間較晚；而后兩種情景土壤前期含水率較大，其產(chǎn)流起始時(shí)間明顯提早。由此可知，在土壤特性一致的前提下，相較于雨強(qiáng)、植被和坡度等其他因素，土壤前期含水率對(duì)產(chǎn)流起始時(shí)間的影響最為顯著。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合4種降雨情景進(jìn)一步分析不同坡度、雨強(qiáng)和植被條件下，產(chǎn)流起始時(shí)間的細(xì)微差異。

表2 不同降雨情景下產(chǎn)流起始時(shí)間

2.1.1 坡度對(duì)產(chǎn)流起始時(shí)間的影響

由情景2結(jié)果顯示，土壤前期含水率為0.10時(shí)， 4°坡較2°坡產(chǎn)流起始時(shí)間提前了4 min；情景4結(jié)果顯示，土壤前期含水率為0.23時(shí)，4°坡較2°坡產(chǎn)流起始時(shí)間分別提前了1 min。其他結(jié)果顯示，4°坡較2°坡的產(chǎn)流時(shí)間均有不同程度的提前。這表明，當(dāng)其他因素一致時(shí)，隨著坡度增大，坡面流速增大，使得產(chǎn)流時(shí)間提前，這與王蕙等[12]的研究結(jié)論相一致。

2.1.2 雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流起始時(shí)間的影響

比較情景3和情景4，土壤前期含水率相同，且均為裸地時(shí)，雨強(qiáng)從情景4的0.67 mm/min增加到情景3的1 mm/min，2°裸坡的產(chǎn)流起始時(shí)間提前了1 min， 4°裸坡的產(chǎn)流起始時(shí)間提前了2 min。由此可知，當(dāng)坡度和植被覆蓋一定，且土壤前期含水率相同時(shí)，隨著雨強(qiáng)增加，單位時(shí)間內(nèi)坡面承受的凈雨量也隨之增加，因此產(chǎn)流起始時(shí)間也會(huì)隨之提前。

2.1.3 植被對(duì)產(chǎn)流起始時(shí)間的影響

比較情景1和情景2，在其他條件相近時(shí)，裸地的產(chǎn)流起始時(shí)間要早于自然草地。其中，2°草地坡產(chǎn)流起始時(shí)間較裸地坡滯后了2 min；4°草地坡產(chǎn)流起始時(shí)間較裸地坡滯后了4 min。由于降雨過(guò)程中，有植被覆蓋的草地會(huì)對(duì)雨水進(jìn)行阻擋并吸收水分，延長(zhǎng)了下墊面對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間，從而使得產(chǎn)流起始時(shí)間增大。而裸地對(duì)降雨進(jìn)行攔截作用相對(duì)較弱，降雨后可快速產(chǎn)流，因此其產(chǎn)流起始時(shí)間較早[13]。

2.2 產(chǎn)流量

2.2.1 坡度對(duì)產(chǎn)流量的影響

圖3分別展示了裸地時(shí)不同坡度下情景2和情景4的降雨產(chǎn)流[圖3(a)、圖3(b)]和累積產(chǎn)流過(guò)程[圖3(c)、圖3(d)]。分析可知，無(wú)論前期土壤含水率條件如何，由于坡度的增加，沿坡方向重力梯度越大，導(dǎo)致坡面流速加快，水流滲入土壤的量相對(duì)減小，因此產(chǎn)流量隨著坡度的增加而增加[14]。當(dāng)土壤前期含水率θ=0.10時(shí)，坡度從2°增加到4°，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的產(chǎn)流量增加了5.4%，在累積產(chǎn)流量區(qū)域穩(wěn)定前，不同坡度的曲線近似平行，表明4°坡和2°坡的累積產(chǎn)流量的增長(zhǎng)速率相近；θ=0.23時(shí)，4°坡的累積產(chǎn)流量較2°坡增加了25%，在累積產(chǎn)流量快速的增長(zhǎng)階段，兩坡度曲線的增長(zhǎng)率近似相等，甚至部分重合，但在累積量緩慢增長(zhǎng)階段，4°坡的累積產(chǎn)流量增長(zhǎng)速率明顯高于2°坡的增長(zhǎng)速率。

對(duì)兩種前期土壤含水率下不同坡度的累積徑流量進(jìn)行回歸分析，不同條件下，產(chǎn)流量均呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)。在土壤入滲率達(dá)到穩(wěn)定之前，隨著降雨歷時(shí)和降雨的不斷持續(xù)，土壤含水率逐漸增大，土壤入滲率逐漸減小，累積產(chǎn)流量持續(xù)增加，隨著累積產(chǎn)流量趨于穩(wěn)定，累積產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)呈現(xiàn)線性擬合關(guān)系，即y=ax+b。不同條件下的公式參數(shù)如圖3(c)、圖3(d)所示，擬合系數(shù)R2均在0.9以上。參數(shù)a表示累積產(chǎn)流量的增長(zhǎng)速率，對(duì)比可知，在兩種不同的前期土壤含水率條件下，2°坡的累積產(chǎn)流量增加速率均小于4°坡。

2.2.2 土壤前期含水率對(duì)產(chǎn)流量的影響

由于情景2、情景4的降雨強(qiáng)度和下墊面條件相同，圖3同樣解析了一定坡度實(shí)驗(yàn)單元下，不同土壤前期含水率對(duì)產(chǎn)流量的影響差異。以2°坡為例，由圖3(a)、圖3(b)可知，不同前期土壤含水率的產(chǎn)流過(guò)程都經(jīng)歷了量值快速增加和穩(wěn)定兩個(gè)階段；就增速階段，前期土壤含水率為0.10時(shí)的產(chǎn)流量時(shí)間變化率為0.065 L/min2，而前期土壤含水率為0.23時(shí)，產(chǎn)流量的時(shí)間變化率為0.202 L/min2。由圖3(c)、圖3(d)可知，前期土壤含水率為0.23時(shí)的累積產(chǎn)流量是土壤含水率為0.10時(shí)的2倍多。綜上，無(wú)論累積產(chǎn)流量值還是前期增速的變化率，試驗(yàn)單元對(duì)不同前期土壤含水量產(chǎn)流響應(yīng)的差異性都比較顯著。

圖3 相同土壤前期含水率下不同坡度條件下的產(chǎn)流和累積產(chǎn)流過(guò)程

盡管上述差異存在且久旱后的試驗(yàn)單元產(chǎn)流起始時(shí)間很晚，為45 min(表2)，但產(chǎn)流增速階段的時(shí)長(zhǎng)卻很短(約12 min)，與前期土壤含水率為0.23時(shí)的值(約14 min)相差不大。

2.2.3 雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流量的影響

相同坡度不同雨強(qiáng)下(即情景3和情景4)的產(chǎn)流和累積產(chǎn)流過(guò)程線分別如圖4所示。當(dāng)土壤前期含水率相同，坡面均為裸地時(shí)，隨著雨強(qiáng)增加，每分鐘產(chǎn)流量都有明顯增加。對(duì)比分析可知，雨強(qiáng)由0.67 mm/min增加到1 mm/min，2°坡產(chǎn)流穩(wěn)定時(shí)徑流量增加了80%，4°坡穩(wěn)定時(shí)徑流量增加了60%。

圖4 相同坡度下不同雨強(qiáng)的產(chǎn)流和累積產(chǎn)流過(guò)程

由于降雨是徑流過(guò)程的輸入項(xiàng)，隨著雨強(qiáng)的增大，坡面承接降雨量變大，使得產(chǎn)流增加。另外，隨著強(qiáng)的增大，雨滴對(duì)地面的打擊力隨之加大，從而導(dǎo)致土壤表層結(jié)皮，土壤逐漸趨于密實(shí)，減弱土壤入滲能力，使得產(chǎn)流量增加。對(duì)相同坡度不同雨強(qiáng)下的累積徑流量進(jìn)行回歸分析，累積產(chǎn)流量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的過(guò)程線與降雨歷時(shí)呈線性函數(shù)分布，擬合系數(shù)R2均在0.9以上, 這與李義豪等[15]的研究結(jié)果一致。無(wú)論哪種條件，雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)的累積產(chǎn)流量對(duì)降雨歷時(shí)的累積產(chǎn)流量對(duì)降雨歷時(shí)響應(yīng)的遞增速率均顯著大于0.67 mm/min時(shí)的對(duì)應(yīng)值。

2.2.4 植被對(duì)產(chǎn)流量的影響

對(duì)比降雨情景1、情景2，得到兩坡度下裸地和天然草地的降雨產(chǎn)流過(guò)程，如圖5所示?？芍?，無(wú)論哪種坡度，草地的產(chǎn)流量過(guò)程線均處于裸地產(chǎn)流過(guò)程線的下方，表明天然草地單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)流量均小于裸地，且這種現(xiàn)象在2°坡地試驗(yàn)過(guò)程中，更為顯著，裸地的產(chǎn)流量比草地增加了10%。產(chǎn)流初期裸地坡的產(chǎn)流歷時(shí)曲線較草地坡陡，表明其產(chǎn)流速率較快；當(dāng)產(chǎn)流量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，裸地坡的產(chǎn)流總量大于草地坡。由于草地能夠改善土壤的理化性質(zhì)，植被根系生長(zhǎng)在一定程度上增大了土壤孔隙度[16-17]，使得土壤入滲量相應(yīng)的增加，降雨產(chǎn)流過(guò)程相對(duì)平緩，因此同等降雨情況下，草地的產(chǎn)流量小于裸地。進(jìn)而解析圖5中各條件下從起始至剛好穩(wěn)定時(shí)的產(chǎn)流過(guò)程線，得出產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時(shí)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)y=alnx+b關(guān)系。各條件下，其對(duì)數(shù)函數(shù)的參數(shù)不盡相同，R2均在0.8以上，結(jié)果如表3所示。

表3 不同坡度下裸地和草地坡產(chǎn)流與產(chǎn)流歷時(shí)的回歸分析

3 結(jié)論

通過(guò)4種不同情景的人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)不同坡度、雨強(qiáng)和植被條件下的華北平原山前包氣帶試驗(yàn)單元的降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)在降雨產(chǎn)流過(guò)程中，坡度、雨強(qiáng)和土壤前期含水率越大，起始產(chǎn)流時(shí)間越小，且前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流滯時(shí)的影響更加明顯。

(2)產(chǎn)流量隨坡度、雨強(qiáng)和前期土壤含水率的增加而增加。累積產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)呈線性函數(shù)y=ax+b分布，擬合優(yōu)度均在0.9以上。

(3)裸地和草地坡產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時(shí)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均在0.8以上；雨強(qiáng)和植被條件一定時(shí)，裸地坡單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)流量均高于草地坡。

(4)前期土壤含水量是影響區(qū)域產(chǎn)流量的一個(gè)重要因素。未來(lái)在構(gòu)建區(qū)域產(chǎn)匯流模塊時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流量及產(chǎn)流速率的差異；由于產(chǎn)流增速時(shí)長(zhǎng)的一致性，還要考慮久旱和正常土壤墑情下，產(chǎn)流模式差異的可能性。