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        模擬降雨條件下三峽庫區(qū)紫色土坡地產(chǎn)流入滲特征

        2022-03-25 07:34:34曾鳳鈴劉淑婧運劍葦鮑玲玲劉建軍張衛(wèi)華
        中國水土保持科學(xué) 2022年1期

        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。

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