曾鳳鈴，劉淑婧，運劍葦，常 寶，鮑玲玲，劉建軍，張衛(wèi)華?

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，400716，重慶；2.重慶市涪陵區(qū)水利局，408000，重慶；3.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，400010，重慶)

三峽庫區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年面降雨量800～1 400 mm，雨水資源豐富，但年際差異較大[1]。地形以山地丘陵為主，分別占庫區(qū)總面積的71.3%和22.8%，其中紫色土分布廣泛，占庫區(qū)耕地的65%，是我國水土流失最嚴重的地區(qū)之一[2]。紫色土母巖疏松，膠結(jié)度和持水能力較差，侵蝕風(fēng)化劇烈[3]，降雨充沛時極易發(fā)生蓄滿產(chǎn)流，致使水土資源大量流失，土地耕層質(zhì)量下降，這嚴重阻礙山區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，也對庫區(qū)水體的生態(tài)安全造成了威脅。

坡面是發(fā)生土壤侵蝕以及水文響應(yīng)的基本單元，降雨是侵蝕發(fā)生的動力[4]。徑流機理是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，坡面土壤侵蝕程度與徑流的水動力學(xué)特征密切相關(guān)[5]。因此，對坡面徑流特征及其形成過程與機理方面的研究引起了學(xué)者們的重視。胡堯等[6]研究了降雨強度、坡度對紅壤產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，結(jié)果表明徑流強度隨降雨強度的增大而增大，且穩(wěn)定時間趨于提前。Dai等[7]通過模擬降雨和田間徑流監(jiān)測，對喀斯特地區(qū)斜坡黃壤進行研究，發(fā)現(xiàn)降雨強度對地表徑流深有顯著影響，但對下滲的影響不顯著。車明軒等[8]采用室內(nèi)人工模擬降雨裝置，研究了紫色土坡面產(chǎn)流特征，認為降雨強度和坡度對徑流總量的貢獻率有著對比消長的關(guān)系，隨著降雨強度的增大，坡面徑流總量的主要貢獻因子先是坡度，后變?yōu)榻涤陱姸?，而相較于坡長，坡度對產(chǎn)流量的影響更大。王茹[9]的研究表明入滲率、徑流強度和產(chǎn)流量3個因素隨產(chǎn)流歷時的變化曲線可用冪函數(shù)來表達。付智勇等[10]研究三峽庫區(qū)紫色土不同土層厚度的產(chǎn)流機制，發(fā)現(xiàn)由于不同土層的土體結(jié)構(gòu)以及人為擾動情況存在差異，對于地表徑流和壤中流，薄層紫色土分別表現(xiàn)為飽和產(chǎn)流和優(yōu)先流，厚層紫色土分別表現(xiàn)為超滲產(chǎn)流和基質(zhì)流。前人對黃土高原、南方紅壤的研究較多，在紫色土地區(qū)多為對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程或入滲過程單一方面的研究；因此，筆者采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法，結(jié)合紫色土自身物理性質(zhì)，探討不同降雨強度和坡度組合下紫色土坡面降雨-產(chǎn)流-入滲特征，以期為三峽庫區(qū)水土流失治理，徑流調(diào)控以及紫色土坡面水文過程模型的確立提供理論依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

西南大學(xué)紫色土試驗基地(E 106°18′14″～106°56′53″，N 29°39′10″～30°03′53″)位于重慶市北碚區(qū)，背靠縉云山，屬西南坳褶帶，境內(nèi)由窄條狀山脈和丘陵谷地構(gòu)成，海拔175～1 312 m。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫18.2 ℃，年均降水量1 156.8 mm，全年降水集中在5—9月，雨熱資源充沛，土壤類型以紫色土、水稻土為主。坡耕地種植植物有水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)、紅薯(Ipomoeabatatas)、蠶豆(Viciafaba)和天竺桂(Cinnamomumpedunculatum)等。

2 材料與方法

2.1 供試材料

供試土壤為沙溪廟組灰棕紫泥，采自西南大學(xué)紫色土試驗基地，采樣深度0～30 cm，室內(nèi)自然風(fēng)干后，揀去雜物并過10 mm篩備用；其黏粒質(zhì)量分數(shù)7.4%、粉粒質(zhì)量分數(shù)46.1%、砂粒質(zhì)量分數(shù)46.5%，屬于粉砂壤土(國際制)，pH值為6.50，密度1.35 g/cm3，飽和含水量39.7%，可代表三峽庫區(qū)主要的耕作土壤類型。

2.2 試驗設(shè)計

本試驗于2018年7—9月在西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院模擬降雨試驗室進行，包括雙環(huán)入滲試驗和人工模擬降雨試驗。試驗共設(shè)計3種降雨強度(0.38、0.75和1.10 mm/min)和4種坡度(5°、10°、15°和20°)，每場試驗做3個平行。采用人工模擬降雨裝置，下噴式噴頭距試驗坡面2 m，由計算機控制降雨強度與降雨歷時，降雨強度變化范圍0.20～2.23 mm/min。試驗土槽選擇長×寬×高=2 m×1 m×0.5 m的可變坡式鋼槽，土槽底部密封，坡面無植被覆蓋，試驗土槽表面自帶V型集流槽，坡度調(diào)節(jié)范圍5°～20°。填裝土槽時，在土槽底部依次填充細砂5 cm、紗布1層以保證土壤透水性，再按5 cm 1層分層填裝土樣，邊填充邊壓實，保證土壤密度在1.35 g/cm3左右，土樣填裝厚度30 cm。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

土槽填裝完畢后先進行30 min的預(yù)降雨(降雨強度為0.38 mm/min)，靜置24 h后將坡面整平，保證每次試驗前土壤含水量和坡面糙度基本一致。每次正式試驗開始前需率定降雨強度和均勻度，相鄰降雨強度誤差控制在5%以內(nèi)，降雨均勻度超過90%，迅速揭開土槽表面塑料布開始降雨試驗。試驗中需觀測產(chǎn)流過程，記錄產(chǎn)流時間及產(chǎn)流量(前30 min每隔1 min接1次徑流樣品，之后每隔5 min接1次徑流樣品)。

采用雙環(huán)法測定坡面單點穩(wěn)定入滲率，外環(huán)和內(nèi)環(huán)直徑分別為50和25 cm，試驗時用橡膠錘將雙環(huán)均勻打入鋼制土槽表層土深10 cm處，雙環(huán)高度保持一致，用馬氏瓶向環(huán)內(nèi)供水并維持內(nèi)外環(huán)水層深度相同。入滲開始后用秒表計時，記錄不同時刻馬氏瓶水位讀數(shù)。入滲率是指單位面積上單位時間水分從地表進入土壤的強度，其計算公式如下：

(1)

式中：f為t時段內(nèi)的入滲率，mm/min；F為t時段內(nèi)的入滲量，cm3；t為入滲時間，min；s為入滲面積，cm2，內(nèi)環(huán)面積490.87 cm2。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進行試驗數(shù)據(jù)計算與作圖，SPSS 21.0做方差分析與模型擬合，用最小顯著性差異法對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗，顯著水平為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨強度、坡度對坡面初始產(chǎn)流時間的影響

起始產(chǎn)流時間即降雨開始至地表產(chǎn)生徑流的這段時間。由表1可知，降雨強度0.38～0.75 mm/min時，4種坡度對應(yīng)的起始產(chǎn)流時間縮短近5 min；降雨強度0.75～1.10 mm/min時，起始產(chǎn)流時間僅縮短1 min左右，表明起始產(chǎn)流時間衰減程度隨降雨強度的增大而縮小，陳洪松等[11]在野外模擬降雨下觀測紫色土產(chǎn)流時也得到相似的結(jié)論。坡度5°～20°時，3種降雨強度下的起始產(chǎn)流時間分別縮短39、25和25 s，相差不大。

表1 不同處理下坡面起始產(chǎn)流時間Tab.1 Initial runoff generation time under different treatments s

對不同降雨強度與坡度條件下的起始產(chǎn)流時間進行差異性分析，發(fā)現(xiàn)3種降雨強度下的起始產(chǎn)流時間存在顯著性差異(P<0.05)，多重比較結(jié)果表明，任意2種降雨強度下的起始產(chǎn)流時間差異性均達到顯著水平(P<0.05)；4種坡度下的起始產(chǎn)流時間不存在顯著性差異(P>0.05)，多重比較結(jié)果顯示，10°和15°、10°和20°之間的起始產(chǎn)流時間差異性未達到顯著水平(P>0.05)，其他任意2個坡度下的起始產(chǎn)流時間差異性均達到了顯著水平(P<0.05)。

3.2 降雨強度、坡度對坡面產(chǎn)流和入滲的影響

3.2.1 坡面徑流強度隨降雨歷時的變化 由圖2可知，一定坡度(采用三峽庫區(qū)坡耕地較常見的坡度15°)下，徑流強度隨降雨歷時逐漸增大，3種降雨強度下的曲線變化趨勢基本一致。降雨開始后，坡面并未立即產(chǎn)生徑流，開始產(chǎn)生徑流的幾分鐘內(nèi)，其增幅較小，隨著降雨持續(xù)進行，徑流強度迅速增加，隨后趨于穩(wěn)定。降雨強度1.10 mm/min時，在徑流產(chǎn)生后4～12 min，坡面徑流強度由0.04快速上升至0.61 mm/min，產(chǎn)流后12～18 min，徑流強度由0.61緩慢上升至0.73 mm/min后趨于穩(wěn)定；降雨強度0.75 mm/min時，在徑流產(chǎn)生后4～14 min，徑流強度快速上升至0.36 mm/min，產(chǎn)流后14～20 min，徑流強度緩慢上升至穩(wěn)定值0.39 mm/min；降雨強度0.38 mm/min時，在徑流產(chǎn)生后4～14 min，徑流強度快速上升，產(chǎn)流后14～18 min，徑流強度上升緩慢，18 min之后，徑流強度在0.32 mm/min上下波動。

圖2 不同降雨強度下坡面徑流強度隨降雨歷時的變化Fig.2 Changes of slope runoff intensity with rainfall duration under different rainfall intensities

3.2.2 穩(wěn)定徑流強度、徑流深隨降雨強度與坡度的變化 穩(wěn)定徑流強度與徑流深在不同降雨強度與坡度下的結(jié)果見表2。由表2可知，坡度一定時，穩(wěn)定徑流強度與降雨強度呈正相關(guān)，降雨強度0.38～0.75 mm/min時，4種坡度下的穩(wěn)定徑流強度增幅(0.06～0.09 mm/min)遠小于降雨強度0.75～1.10 mm/min時穩(wěn)定徑流強度的增幅(0.29～0.34 mm/min)。一定降雨強度下，穩(wěn)定徑流強度與坡度的關(guān)系比較復(fù)雜，降雨強度0.38和0.75 mm/min下，穩(wěn)定徑流強度在坡度5°～10°呈上升趨勢，10°～20°呈下降趨勢；降雨強度1.10 mm/min下，穩(wěn)定徑流強度在坡度5°～15°呈上升趨勢，15°～20°呈下降趨勢。

表2 不同降雨強度與坡度下的穩(wěn)定徑流強度與徑流深Tab.2 Steady runoff intensity and runoff depth under different rainfall intensities and slope gradients

坡面徑流深隨降雨強度的變化如圖3所示，4種坡度下的徑流深與降雨強度呈正相關(guān)，各坡度下的曲線幾乎重疊。降雨強度0.38～0.75 mm/min時，4種坡度下的徑流深增幅(2.61～4.70 mm)遠小于降雨強度0.75～1.10 mm/min下徑流深的增幅(16.43～18.25 mm)。由表2亦可知，一定降雨強度下，坡面徑流深隨坡度的增加先增大后減小，經(jīng)分析，二者的關(guān)系可以用拋物線來表示，具體結(jié)果見表3。

表3 不同降雨強度下徑流深與坡度的擬合方程Tab.3 Fitting equation of runoff depth and slope gradient under different rainfall intensities

圖3 不同坡度下徑流深隨降雨強度的變化Fig.3 Changes of runoff depth with rainfall intensity under different slope gradients

對不同降雨強度與坡度下的穩(wěn)定徑流強度進行差異性分析，發(fā)現(xiàn)3種降雨強度下的穩(wěn)定徑流強度存在顯著性差異(P<0.05)，且任意2種降雨強度下的穩(wěn)定徑流強度差異性均達到顯著性水平；5°、10°、15°和20°坡度下的任意2種坡度間的穩(wěn)定徑流強度均不存在顯著性差異。

對不同降雨強度與坡度下的徑流深進行差異性分析，發(fā)現(xiàn)3種降雨強度下的徑流深存在顯著性差異，且任意2種降雨強度下的徑流深差異性均達顯著水平；5°、10°、15°和20°坡度下的徑流深不存在顯著性差異，多重比較結(jié)果顯示，僅15°與20°坡度下的徑流深差異性達到顯著水平，其他任意2種坡度下的徑流深差異性均未達到顯著水平。

3.2.3 穩(wěn)定入滲率隨降雨強度與坡度的變化 入滲速率主要受土壤物理性質(zhì)、降雨強度、坡度以及耕作措施等因素的影響[10]。由表4可知，一定坡度下，穩(wěn)定入滲率與降雨強度呈正相關(guān)，降雨強度0.38～0.75 mm/min時，穩(wěn)定入滲率的增幅(0.28～0.31 mm/min)比0.75～1.10 mm/min降雨強度下的增幅(0.01～0.06 mm/min)更大，這與龍?zhí)煊宓萚12]和傅斌等[13]的研究結(jié)果相似。一定降雨強度下，穩(wěn)定入滲率與坡度的關(guān)系較復(fù)雜[12-14]；降雨強度為0.38和0.75 mm/min時，穩(wěn)定入滲率在坡度5°～10°下降，在10°～20°上升；降雨強度為1.10 mm/min時，穩(wěn)定入滲率在坡度5°～15°下降，在15°～20°上升。

表4 不同降雨強度和坡度下的穩(wěn)定入滲率Tab.4 Stable infiltration rates under different rainfall intensities and slope gradients

對不同條件下的穩(wěn)定入滲率進行差異性分析，結(jié)果表明：3種降雨強度下的穩(wěn)定入滲率存在顯著性差異(P<0.05)，但降雨強度0.75與1.10 mm/min下的差異性未達顯著水平；不同坡度處理下的穩(wěn)定入滲率沒有顯著性差異，多重比較結(jié)果表明，坡度超過10°時的任意2種坡度下的穩(wěn)定入滲率差異性均未達到顯著性水平。

4 討論

土壤初始含水量、土地利用情況、地表覆蓋、降雨強度和坡度等因素與起始產(chǎn)流時間關(guān)系緊密。在前期土壤含水量基本相同的情況下，于裸坡上進行降雨試驗。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，起始產(chǎn)流時間隨降雨強度和坡度的增大而趨于提前，且降雨強度對產(chǎn)流時間的影響更明顯，降雨強度0.38 mm/min時，各坡度下的起始產(chǎn)流時間極差值為39 s，降雨強度0.75和1.10 mm/min時各坡度下的起始產(chǎn)流時間極差值均為25 s。由于紫色土自身結(jié)構(gòu)疏松、膠結(jié)度較差的特點，在小降雨強度下，入滲強度大，坡面產(chǎn)流方式主要表現(xiàn)為蓄滿產(chǎn)流；隨著降雨強度的增大，入滲強度不斷減小，坡面產(chǎn)流方式轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡统瑵B產(chǎn)流[15]。因此在大降雨強度下，坡度對起始產(chǎn)流時間的影響不明顯，這與陳洪松等[11]和張會茹等[16]研究結(jié)果一致。

一定降雨強度下，徑流深受坡度變化的影響較復(fù)雜。一方面，隨著坡度的增大，坡面水層壓力沿坡面的垂向分力減小，坡向分力增大，從而加速水流沿坡面運動，減少水流下滲，使徑流深增加；另一方面，隨著坡度的增加，坡面承雨面積也相應(yīng)減少，影響坡面徑流量。由此可見，可能存在一個臨界坡度使2方面對徑流深的影響抵消。王先拓等[17]研究表明該坡度在10°～15°之間，本試驗亦有同樣的結(jié)果。坡度一定時，徑流深與降雨強度呈正相關(guān)，兩者間的關(guān)系可用冪函數(shù)進行表述，這與馬星等[18]研究結(jié)果一致，但其研究發(fā)現(xiàn)隨坡度的增大，降雨強度對徑流深的影響程度也增大，而筆者發(fā)現(xiàn)隨坡度的增大，各坡度下徑流深隨降雨強度變化的曲線幾乎重疊。這可能是由于兩者的試驗設(shè)計條件不同以及受到試驗操作等的影響，導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異性，對此還需通過更多的野外試驗和室內(nèi)模擬做進一步的研究和驗證。

相同坡度下，穩(wěn)定入滲率與降雨強度呈正相關(guān)。0.38～0.75 mm/min降雨強度下穩(wěn)定入滲率的增加幅度遠大于0.75～1.10 mm/min降雨強度下的變化，說明隨著降雨強度的增大，雨滴動能增大(雨滴打擊的擠壓力增大)，坡面水深增加(地表水層壓力增大)，從而促進坡面水分的入滲，但這種作用可能在一定降雨強度范圍內(nèi)有效，隨著降雨強度的增大這種作用會逐漸減弱[6]。而坡度對坡面降雨入滲過程的影響比較復(fù)雜，龍?zhí)煊宓萚12]研究表明，坡度0～10°時，穩(wěn)定入滲率隨坡度的增加而增大，袁建平等[14]研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用下，穩(wěn)定入滲率均隨坡度的增加呈下降趨勢。通過分析坡面水分的受力情況，由于坡度的存在，此時土壤不僅受坡面水分的垂向壓力，同時還受到坡向壓力的作用。當坡度較小時，土壤受到的垂向力占主導(dǎo)地位，表層土體在雨滴擊濺作用下受到分散，產(chǎn)生細小顆粒，由于徑流的搬運能力有限，部分細小顆粒隨水分入滲堵塞土壤大孔隙，容易形成土壤結(jié)皮[19]；隨著坡度的增大，此時坡向力占主導(dǎo)地位，垂向力的作用受到分散，徑流搬運土壤顆粒的能力增強，從而抑制土壤結(jié)皮的產(chǎn)生，利于土壤水分入滲。因此降雨強度相同時，穩(wěn)定入滲率在坡度5°～10°下隨坡度的增大而減小，可能是由于在雨滴的擊打下，坡面土體表面變得致密阻礙了坡面水分入滲，隨著坡度的繼續(xù)增大，土壤結(jié)皮的產(chǎn)生受到抑制，垂向力對水分入滲的促進作用更大，穩(wěn)定入滲率逐漸增加，在坡度5°時穩(wěn)定入滲率最大[9]。

5 結(jié)論

1)起始產(chǎn)流時間隨降雨強度和坡度的增大而縮短，其隨坡度的變化對小降雨強度的響應(yīng)較顯著，對大降雨強度的響應(yīng)不明顯。

2)穩(wěn)定徑流強度、徑流深、穩(wěn)定入滲率均與降雨強度呈正相關(guān)，前二者隨坡度的增加呈先增大后減小，而穩(wěn)定入滲率隨坡度的增加呈先減小后增大，徑流深與坡度的關(guān)系可用拋物線表示；15°坡度下，徑流強度隨降雨歷時呈“S型”上升在約20 min時趨于穩(wěn)定。

3)坡面起始產(chǎn)流時間、穩(wěn)定徑流強度、徑流深以及穩(wěn)定入滲率受降雨強度的影響明顯，受坡度的影響不顯著，由此可認為影響三峽庫區(qū)紫色土坡地產(chǎn)流入滲過程的主要因素之一是降雨強度，本文證實了之前的研究成果，能為三峽庫區(qū)紫色土坡地降雨產(chǎn)流過程、洪水預(yù)測預(yù)報及土壤侵蝕防治工作提供一定的科學(xué)依據(jù)，但尚未在模型中得到充分研究與解釋。