王軍，魏颯，劉鳳嬋，周輝

（1.河北師范大學(xué)匯華學(xué)院，河北 石家莊050091；2.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊050057；3.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊050061；4.河北省水文勘測研究中心，河北 石家莊050031）

坡耕地是我國耕地資源的重要組成部分，其治理滯后已成為影響生態(tài)重建和恢復(fù)的關(guān)鍵因素[1]。河北省山丘和丘陵區(qū)總面積占全省國土總面積的60%，其中坡耕地面積為79.67萬hm2，占全省耕地總面積的11.0%[2]。根據(jù)《全國坡耕地水土流失綜合治理工程規(guī)劃》（2010-2030），國家發(fā)改委、水利部聯(lián)合開展了坡耕地水土流失綜合治理試點工程，自2010年11月起河北省列入首批國家坡耕地水土流失綜合治理試點項目。因此，防范水土流失成為河北省坡耕地綜合治理亟待解決的問題。

采用人工降雨試驗，模擬坡耕地水土流失，是研究土壤侵蝕的一種非常重要的方法，也是國內(nèi)外水土保持、環(huán)境保護學(xué)研究的熱點[3～5]。國際社會對土壤侵蝕的研究迄今已有上百年的歷史[6～8]。國內(nèi)學(xué)者對土壤侵蝕的研究大多是針對土層深厚的黃土高原進行的[9～11]，在東北丘陵區(qū)、西南貴州、四川山地區(qū)也開展過類似研究[12～14]，但截至目前，針對土層薄、土壤滲透性較差的北方土石山區(qū)進行的相關(guān)研究尚未廣泛開展。河北省山區(qū)、丘陵區(qū)屬于典型的北方土石山區(qū)類型，坡面土壤侵蝕過程與機理研究相當(dāng)薄弱，甚至鮮有報道。通過人工模擬降雨試驗，對不同坡度和降雨強度下北方土石山區(qū)坡面土壤侵蝕過程與機理進行研究，旨為該區(qū)坡改梯建設(shè)、水土資源保護和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件與裝備

本研究在室內(nèi)條件下進行。人工模擬降雨試驗在河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心人工模擬降雨大廳實施，試驗裝備由人工降雨系統(tǒng)、坡面實驗系統(tǒng)、實驗控制系統(tǒng)和供水系統(tǒng)四部分組成。

人工降雨系統(tǒng)：總控制降雨面積6 m2，有效降雨高度18 m，降雨均勻度大于85%，雨滴模擬噴頭為不銹鋼材質(zhì)的旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，通過3種不同規(guī)格的噴頭疊加來對自然降雨進行模擬。

坡面實驗系統(tǒng)：移動式可變坡鋼體土槽，試驗土槽規(guī)格為長4.0 m、寬1.5 m、高0.5 m的移動式液壓可調(diào)坡鋼制土槽（在寬度方向上每50 cm劃分1個試驗槽，形成3個獨立的4.0 m×0.5 m×0.5 m試驗槽），坡度調(diào)節(jié)范圍為0°～25°，調(diào)節(jié)步長為5°。

實驗控制系統(tǒng)：試驗用土為壤土，使用前過10 mm篩，填土至距土槽頂部5 cm處，防止雨滴降落使侵蝕的泥沙濺出槽外而造成泥沙量損失；土槽尾部設(shè)置“V”型收集口，用來收集產(chǎn)生的徑流和泥沙，同時底部留孔，便于土壤水滲透出槽外。

供水系統(tǒng)：水源采用地下水，經(jīng)水泵提水后至分水器內(nèi)，通過壓力表調(diào)節(jié)水壓控制降雨強度。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計在人工模擬降雨量60 mm、坡面長4.0 m、坡面寬0.5 m的條件下，通過模擬不同坡度與降雨強度組合處理的坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程，明晰坡度和降雨強度對坡面水土流失及土壤侵蝕過程的調(diào)控機制。試驗設(shè)計的坡度有4個，分別為10°、15°、20°和25°；降雨強度有4個，分別為40、90、120和180 mm/h，通過不同的降雨歷時控制各降雨強度下的降雨量均為60 mm，降雨強度與歷時組合分別為40 mm/h×90 min、90 mm/h×40 min、120 mm/h×30 min和180 mm/h×20 min。

填槽土采用人工采集的砂質(zhì)壤土（事先已過10 mm篩），土壤顆粒中砂粒（粒徑＞0.05 mm）、粉粒（粒徑0.05～0.005 mm）、黏粒（粒徑＜0.005 mm）含量分別為40%、48%和12%。按照試驗設(shè)計容重（1.34 g/cm3）分層回填，每10 cm一層，裝土?xí)r盡量保持土面平整。此外，每次試驗前對坡面進行預(yù)降雨，待土壤含水量達到飽和且剛開始產(chǎn)流時停止降雨，保證試驗土壤初始含水量相同。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 降雨強度和均勻度。在模擬降雨前，對降雨強度和降雨均勻度進行率定。降雨前，在順坡方向每隔50 cm、水平方向每隔30 cm放置1個1 000 mL塑料燒杯，以承接降雨；降雨一定時間（＞10 min）后，用量筒稱量燒杯內(nèi)的雨水體積，根據(jù)燒杯口面積和降雨歷時，求得實際的降雨強度。利用公式，計算降雨均勻度（P）：

式中，Ii為第i點降雨強度；I為設(shè)定降雨強度；Iˉ為平均降雨強度。

1.2.2.2 徑流量和泥沙量。在每次模擬降雨前測定徑流小區(qū)的土壤含水量，以控制前期土壤含水量基本一致。降雨開始后計時，記錄初始產(chǎn)流時間；待產(chǎn)流后，每隔1 min更換1次徑流采集桶。采用稱重法，測定徑流采集桶中的徑流和泥沙總量。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析利用Excle 2013軟件，對坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡度對坡面土壤侵蝕特征的影響

坡度是表征地貌形態(tài)的主要指標(biāo)，也是影響坡面土壤侵蝕的重要因素。坡度與坡面侵蝕關(guān)系復(fù)雜，因此對土壤侵蝕的影響規(guī)律存在一定的不確定性[15]。

2.1.1 對坡面產(chǎn)流時間的影響在降雨強度一定的條件下，坡度由10°增大到25°，坡面的產(chǎn)流時間相差無幾（表1），相關(guān)分析結(jié)果顯示坡度與產(chǎn)流時間相關(guān)不顯著。坡面開始產(chǎn)流所需的時間受坡度影響很小，與土壤性質(zhì)如土壤類別、容重和含水量等有關(guān)。土壤中細(xì)顆粒越多，土壤的入滲能力越弱。本研究采用的填槽土黏粒占比（12%）和粉粒占比（48%）合計達到60%，降雨后剖面觀察發(fā)現(xiàn)，其濕潤峰不超過15 cm，說明試驗用土的入滲能力很弱，其產(chǎn)流方式為超滲產(chǎn)流。同時，在高強度暴雨雨滴的擊濺作用下，疏松的表土?xí)芸煨纬擅軐嵉谋硗两Y(jié)皮層，導(dǎo)致土壤入滲能力降低[16]。故隨著降雨強度的增大，但由于土壤的入滲能力幾乎不變或略有降低，因此坡面產(chǎn)流所需的時間明顯縮短。在降雨強度40 mm/h下，最短產(chǎn)流時間為22 min左右；在降雨強度90 mm/h下，最短產(chǎn)流時間為5 min；在降雨強度120 mm/h下，最短產(chǎn)流時間超過3 min；而在降雨強度180 mm/h下，最長產(chǎn)流時間尚不到2 min。

表1 不同坡度下各降雨強度處理的產(chǎn)流時間Table 1 Runoff generation time of each rainfall intensity treatment under different slopes （min）

2.1.2 對坡面產(chǎn)沙量的影響在降雨強度一定的條件下，隨著坡度增大，坡面產(chǎn)沙量逐漸增多，其中陡坡的產(chǎn)沙量明顯高于緩坡。以降雨強度180 mm/h為例，對坡面產(chǎn)沙量（y）與坡度（x）的關(guān)系進行回歸擬合，結(jié)果（圖1）顯示，二者關(guān)系方程為y=-45.48x2+1 986.3x-12 113（R2=0.988 3），計算得到坡度為21.83°時產(chǎn)沙量最高，為9 574.5 g。陳法楊[17]和靳長興[18，19]研究表明，土壤最大侵蝕量的臨界坡度為25°左右。本試驗中坡面最高產(chǎn)沙量的臨界坡度約為22°，與前人研究結(jié)果基本相近。

圖1 坡度對坡面產(chǎn)沙量的影響（降雨強度180 mm/h）Fig.1 Effect of slope on slope sediment amount

2.1.3 對坡面產(chǎn)流量的影響在降雨強度180 mm/h條件下，當(dāng)降雨量為30 mm時，產(chǎn)流量隨著坡度增大呈先增加后降低的變化，其中，坡度由10°增大到15°時產(chǎn)流量由9 171 mL增加到21 131 mL，坡度為20°時產(chǎn)流量達到峰值21 587 mL；當(dāng)降雨量為60 mm時，產(chǎn)流量隨著坡度增大呈快速增加—緩慢降低—緩慢增加的變化，其中，坡度由10°增大到15°時產(chǎn)流量由38 814 mL增加到57 185 mL，坡度繼續(xù)增大后產(chǎn)流量變化比較平緩（圖2）。

圖2 坡度對地表產(chǎn)流量的影響（降雨強度180 mm/h）Fig.2 Effect of slope on surface runoff under the rainfall intensity of 180 mm/h

從不同降雨歷時的產(chǎn)流量與坡度關(guān)系曲線可以看出，在一定的降雨強度條件下，隨著坡度增大，產(chǎn)流量增加，而入滲量減少；但坡度超過一定數(shù)值后，產(chǎn)流量隨著坡度增大呈現(xiàn)遞減的趨勢。

本試驗采用的是固定坡長的土槽裝置，隨著坡度增大，坡面的承雨面積逐漸減少，坡度分別由10°增大到15°、由15°增大到20°、由20°增大到25°時，承雨面積縮小的幅度逐漸增大。在坡度10°和15°情況下，坡面沖刷相對較小，坡面細(xì)溝發(fā)育尚未明顯，下墊面表層粗糙度仍較低，土壤入滲速率低，故此時下墊面承雨面積降低的速率不及坡面匯流的速率，坡度由10°增大到15°時產(chǎn)流量呈增加趨勢；在坡度20°和25°情況下，一方面坡面沖刷迅速發(fā)育為細(xì)溝侵蝕，下墊面表層粗糙度變大，入滲能力增加[20，21]，加上承雨面積較大幅度降低，故坡度由15°增大到25°時產(chǎn)流量呈遞減趨勢。此外，由于試驗用土壤為超滲產(chǎn)流，隨著降雨歷時的增加，產(chǎn)流量與坡度的相關(guān)性逐漸降低，故總降雨量60 mm條件下，15°、20°和25°不同坡度的產(chǎn)流量相差不大。

2.2 降雨強度對坡面土壤侵蝕特征的影響

2.2.1 對坡面產(chǎn)流量的影響在土壤入滲能力相同的前提下，隨著降雨強度增大，單位時間的坡面產(chǎn)流量逐漸增加（圖3）。本試驗是在總降雨量相等的條件下進行的，降雨強度小時歷時長，降雨強度大時歷時短，從整個降雨過程所產(chǎn)生的總產(chǎn)流量（圖4）可以看出，相對較小降雨強度（40 mm/h、90 mm/h）的總徑流量小于相對較大降雨強度（120 mm/h、180 mm/h）的總產(chǎn)流量，但降雨強度90 mm/h的總產(chǎn)流量并不一定大于降雨強度40 mm/h的總產(chǎn)流量，降雨強度180 mm/h的總產(chǎn)流量并不一定大于降雨強度120 mm/h的總產(chǎn)流量。由此可知，在降雨量相同的條件下，大降雨強度能夠帶來較大的單位時間產(chǎn)流量，但總產(chǎn)流量不一定最大。

圖3 降雨強度對坡面產(chǎn)流速率的影響Fig.3 Effect of rainfall intensity on slope runoff rate

圖4 降雨強度對坡面總產(chǎn)流量的影響Fig.4 Effect of rainfall intensity on total slope runoff amount

降雨歷時也是影響坡面總產(chǎn)流量的重要因素。在坡面20°，分別以降雨強度120和180 mm/h為例，分析降雨歷時對產(chǎn)流量的影響。結(jié)果（圖5）顯示，隨著降雨歷時的增加，坡面累計產(chǎn)流量逐漸增加，其中，降雨伊始180 mm/h降雨強度的坡面產(chǎn)流量遙遙領(lǐng)先，而在降雨歷時20 min結(jié)束后，120 mm/h降雨強度下的坡面在29 min之后便超過了180 mm/h降雨強度坡面的總產(chǎn)流量，從而在降雨30 min后坡面總產(chǎn)流量大于120 mm/h降雨強度的坡面產(chǎn)流量。坡面產(chǎn)流過程是多方面因素共同作用的結(jié)果，除與降雨條件、土壤性質(zhì)、坡面地形等有關(guān)外，還與降雨過程中坡面土壤性質(zhì)、徑流條件、坡面粗糙度等有關(guān)。在坡度較大時，大降雨強度的坡面土壤侵蝕劇烈，坡面形態(tài)起伏變化，地表糙度增加，在一定程度上能夠增加土壤的入滲，但這部分入滲量的增加幅度不及降雨量增加的幅度，故會出現(xiàn)180 mm/h降雨強度的單位時間產(chǎn)流量較大，而最終的坡面總產(chǎn)流量較120 mm/h降雨強度略小。

圖5 降雨歷時對坡面累計產(chǎn)流量的影響Fig.5 Effect of rainfall duration on slope cumulative runoff amount

2.2.2 對坡面產(chǎn)沙量的影響在其他條件一致時，隨著降雨強度增大，坡面產(chǎn)沙量和單位產(chǎn)流的含沙量均逐漸增加（圖6和圖7）。由于大降雨強度可以增加坡面的產(chǎn)流速率及徑流的流動速度，從而能夠增強徑流的侵蝕能力，而水流的剪切力及其能力往往是水流速度、水流深度及坡面產(chǎn)流量的函數(shù)，從而降雨強度的加大能夠增強坡面流對坡面土壤的剝蝕和搬運能力，對坡面土壤侵蝕存在促進作用，故導(dǎo)致坡面產(chǎn)沙量增加[22，23]。而大降雨強度依然也會帶來較大的單位時間產(chǎn)流量，因產(chǎn)沙速率大于產(chǎn)流速率，故單位產(chǎn)流的含沙量隨降雨強大增大而逐漸增加。此外，圖中個別坡面的產(chǎn)沙情況與規(guī)律不符，究其原因可能有2個：一是試驗準(zhǔn)備過程中人為裝填土槽和降雨系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；二是降雨侵蝕本身具有很大的隨機性，即土壤侵蝕發(fā)展也具有很強的隨機性。

圖6 降雨強度對坡面產(chǎn)沙量的影響Fig.6 Effect of rainfall intensity on slope sediment amount

圖7 降雨強度對坡面含沙量的影響Fig.7 Effect of rainfall intensity on slope sediment concentration

3 結(jié)論

（1）坡面開始產(chǎn)流的時間受坡度影響很小，隨著降雨強度增大，坡面產(chǎn)流所需的時間明顯縮短。降雨強度40 mm/h下，最短產(chǎn)流時間為22 min左右；而降雨強度180 mm/h下，最長產(chǎn)流時間尚不到2 min。

（2）在降雨強度一定的條件下，隨著坡度增大，坡面產(chǎn)沙量逐漸增加，本試驗條件下坡面最高產(chǎn)沙量的臨界坡度約為22°。需要說明的是，不同降雨強度和不同土壤質(zhì)地條件下的臨界坡度值尚需進一步研究。

（3）徑流量隨坡度變化并非呈單調(diào)的遞增或遞減趨勢，而是隨著坡面由緩變陡呈先增加后降低的變化。在坡度10°和15°情況下，坡面沖刷相對較小，土壤入滲速率低，此時下墊面承雨面積降低的速率不及坡面匯流速率，在此坡度范圍內(nèi)徑流量呈增加趨勢；在坡度20°和25°情況下，坡面沖刷迅速發(fā)育，土壤入滲能力增加，且承雨面積迅速降低，故坡度從15°增大到25°時，產(chǎn)流量呈遞減趨勢。

（4）在降雨量相等的前提下，大降雨強度能夠帶來較大的單位時間產(chǎn)流量，但并不能保證總產(chǎn)流量也最大。由于坡面產(chǎn)流過程是多方面因素共同作用的結(jié)果，故會出現(xiàn)本研究中降雨強度180 mm/h的單位時間產(chǎn)流量較大，而最終的坡面總產(chǎn)流量較降雨強度120 mm/h略小的結(jié)果。

（5）在其他條件一致時，坡面侵蝕隨著降雨強度的增大而增加。