譚金泉

（韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

0 引言

長期以來，水土保持都是我國重點(diǎn)防范的問題。多年以來，我國經(jīng)常因?yàn)榇蠼涤陮?dǎo)致許多事故發(fā)生，例如山體滑坡、洪水等自然災(zāi)害。由于我國是一個(gè)多種氣候的國家，尤其是南方地區(qū)，經(jīng)常因?yàn)榻涤赀^剩導(dǎo)致事故發(fā)生。而對(duì)小流域的水土保持情況研究的并不多?；诖爽F(xiàn)象，針對(duì)不同降雨強(qiáng)度與小流域水土保持的關(guān)系進(jìn)行研究，這對(duì)我國小流域水土保持工程具有重要意義。

面對(duì)土壤侵蝕時(shí)空格局影響[1]、水土流失時(shí)需要的保持措施[2]以及對(duì)不同流域下的水、沙通量變化情況[3]，這都會(huì)威脅到小流域水土保持工作，其中李桂靜等[4]通過觀測3種不同措施下的產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況，研究在不同降雨條件下產(chǎn)流和產(chǎn)沙的變化特征，并評(píng)估其水土保持效益。但目前我國對(duì)小流域的水土保持情況研究依然較少，且考慮得不夠全面。該文通過研究不同降雨強(qiáng)度與小流域水土保持的關(guān)系。通過建立Hy-drus-1D模型框架建立模型，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究降雨強(qiáng)度對(duì)工程平均降雨量、平均產(chǎn)沙量、減流效益以及減沙效益的影響。

2 工程概況與研究方法

2.1 工程概況

某一山區(qū)小流域周邊多山，山地最大海拔差距43 m，且該流域水資源主要來自降雨天氣。試驗(yàn)選取地存在10°左右坡度，占地面積為40 km2。而該試驗(yàn)土壤為該區(qū)域0cm～10cm表層土，呈灰棕色，且存在一定雜質(zhì)，土體的孔隙度為0.45。含水率則由FDR自動(dòng)記錄儀采集，并每4 d觀察并取走室外地表地下水體，得出降雨后土體基本力學(xué)變化和化學(xué)成分變化。

2.2 研究方法

該研究在土保持實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模擬小流域周邊環(huán)境。采用人工降雨設(shè)備進(jìn)行降雨，降雨強(qiáng)度選取3個(gè)等級(jí)，分別為60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h，降雨時(shí)長為2 h。試驗(yàn)土槽將土壤分層充填入槽內(nèi)，土槽坡度為5°和15°，長寬高為2.0m×1.0m×0.5m。

試驗(yàn)開始前，先用如果降雨方法進(jìn)行30 min的60 mm/h的降雨，并靜置24h，保證土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。土槽準(zhǔn)備工作結(jié)束進(jìn)行等高掏挖、機(jī)械鋤耕等水土保持措施。試驗(yàn)開始后，降雨量和產(chǎn)沙量為該試驗(yàn)指標(biāo)，記錄土槽底部徑流的時(shí)間以及每2 min一次的泥沙采樣。降雨量通過稱重法測量，產(chǎn)沙量可將泥沙干燥后稱其質(zhì)量。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 模型建立

由于小流域水土保持所受影響因素很多，因此采用Hy-drus-1D模型框架建立模型，精確模擬試驗(yàn)中溶質(zhì)運(yùn)移情況，該模型考慮多種因素，主要模擬一維尺度水等物質(zhì)運(yùn)移，具有靈活輸入出功能。該模型的地表水分運(yùn)動(dòng)方程如公式（1）和公式（2）所示。

地表水分運(yùn)動(dòng)方程如公式（1）所示。

式中：θ、K、X、t和A分別為含水率、水傳導(dǎo)率、橫縱坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和水流-水平線夾角。

地表溶質(zhì)運(yùn)移方程如公式（2）所示。

式中：c、p、q、s和D分別為溶質(zhì)的濃度、土壤的凈容重、溶質(zhì)擴(kuò)散量、線性吸附能力和綜合擴(kuò)散系數(shù)。

利用公式（1）和公式（2）確定參數(shù)，并結(jié)合以往數(shù)據(jù)，得出各個(gè)參數(shù)初始值和率定值，見表1。

表1 率定值和初始值

確定模型參數(shù)后，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠硇?。由?可知，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)值相關(guān)性接近于1，說明模型計(jì)算結(jié)果有效可靠。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在公式（1）和公式（2）的基礎(chǔ)上研究不同條件下人工耕作、機(jī)械鋤耕和等高掏挖措施降雨試驗(yàn)，主要分析2種不同坡度和3種不同降雨強(qiáng)度。不同降雨強(qiáng)度的工程平均降雨量和平均產(chǎn)沙量如公式（3）所示。

式中：RY為平均降雨量；RY0為某一刻瞬時(shí)降雨量；N為采集數(shù)據(jù)數(shù)量。

式中：SR為平均產(chǎn)沙量；SY0為某一刻瞬時(shí)產(chǎn)沙量。

在不同降雨強(qiáng)度下，工程坡面減流效益的計(jì)算公式如公式（5）所示。

式中：ER為減流效益；RY1和RYt分別為平整地表和試驗(yàn)地表施工坡地總降雨量。在不同降雨強(qiáng)度下，工程坡面減沙效益如公式（6）所示。

式中：ES為減沙效益；RS1和RSt分別為平整地表和試驗(yàn)地表施工坡地總產(chǎn)沙量。

4 結(jié)果分析

4.1 降雨強(qiáng)度對(duì)工程平均降雨量和平均產(chǎn)沙量的影響

在不同降雨強(qiáng)度下，分析不同因素水土保持工程坡地平均降雨量情況，如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度為60mm/h～90mm/h時(shí)，等高掏挖、機(jī)械鋤耕和人工耕作平均降雨量分別提升了109.7%、52.8%和136.7%。當(dāng)降雨強(qiáng)度再次增加時(shí)，平均降雨量分別提升70.3%、80.5%和97.9%。與平整坡地相比，等高掏挖、機(jī)械鋤耕和人工耕作的平均降雨量都在下降，通過坡度可以發(fā)現(xiàn)，坡度可以降低徑流量，但當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，坡度作用較小。在不同的降雨強(qiáng)度下，不同因素水土保持工程坡地平均產(chǎn)沙量如圖2所示。

圖1 不同因素下降雨量與降雨強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖2 不同因素下產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖2可知，降雨強(qiáng)度與平均產(chǎn)沙量呈正相關(guān)。當(dāng)坡度為5°時(shí)，與平整坡地相比，等高掏挖和機(jī)械鋤耕的產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定且產(chǎn)沙量較低。而人工耕作的平均產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度增加越來越高，且當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，人工耕作的產(chǎn)沙量高于平整坡地。當(dāng)坡度為15°時(shí)，等高掏挖、機(jī)械鋤耕、人工耕作和平整坡地的產(chǎn)沙量先降低后增大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為80 mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量都達(dá)到最低值。

4.2 降雨強(qiáng)度對(duì)工程坡面減流效益及減沙效益的影響

圖3為不同因素下減流效益變化情況與降雨強(qiáng)度關(guān)系圖，由圖3可知，在3個(gè)等級(jí)的降雨強(qiáng)度下，等高掏挖在降雨強(qiáng)度為30 mm/h，坡度為5°時(shí)，減流量出現(xiàn)負(fù)值。而機(jī)械鋤耕和人工耕作的減流量則隨降雨強(qiáng)度增大而降低。但人工耕作的減流量一直保持在最大值。當(dāng)坡度為15°時(shí)，等高掏挖隨降雨強(qiáng)度變化較為平穩(wěn)，而機(jī)械鋤耕的減流量有明顯峰值，在降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，減流量最大。人工耕作的減流量隨降雨強(qiáng)度增大而降低。綜上所述，坡度與降雨強(qiáng)度對(duì)水土保持工程坡地有明顯影響，但等高耕作減流效益最好，能夠保證水土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖3 不同因素下減流效益變化情況與降雨強(qiáng)度關(guān)系圖

當(dāng)坡度為5°時(shí)，不同降雨強(qiáng)度條件下人工耕作和機(jī)械鋤耕的減沙效果更顯著，都呈先增大后減小的變化趨勢，但等高掏挖在降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，呈正值，然后減沙量逐漸降低。當(dāng)坡度為15°時(shí)，等高掏挖的減沙量與降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，而機(jī)械鋤耕的減沙量隨降雨強(qiáng)度變化無明顯波動(dòng)，人工耕作減沙量則隨降雨強(qiáng)度增大呈先減小后增大的變化趨勢。綜上所述，降雨強(qiáng)度增大，人工耕作、機(jī)械鋤耕和等高掏挖等水土保持工程的坡地平均降雨量和產(chǎn)沙量呈正相關(guān)，但不同因素下的平均降雨量和產(chǎn)沙量對(duì)降雨強(qiáng)度響應(yīng)特征呈出多元化變化。

5 結(jié)論

該文通過研究不同降雨強(qiáng)度與小流域水土保持的關(guān)系，得出以下3個(gè)結(jié)論：1）隨著降雨強(qiáng)度增大，等高掏挖、機(jī)械鋤耕和人工耕作平均降雨量也隨之增大。且坡度可以降低徑流量，但當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，坡度作用較小。2）降雨強(qiáng)度與平均產(chǎn)沙量呈正相關(guān)。當(dāng)坡度為5°時(shí)，相較于平整坡地，等高掏挖和機(jī)械鋤耕的產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定且產(chǎn)沙量較低。當(dāng)坡度為15°時(shí)，等高掏挖、機(jī)械鋤耕、人工耕作和平整坡地的產(chǎn)沙量變化趨勢呈先減低后增大，但降雨強(qiáng)度為80mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量都達(dá)到最低值。3）等高掏挖在降雨強(qiáng)度為30mm/h，當(dāng)坡度為5°時(shí)，減流量出現(xiàn)負(fù)值。而機(jī)械鋤耕和人工耕作的減流量則隨降雨強(qiáng)度增大而降低。當(dāng)坡度為15°時(shí)，等高掏挖隨降雨強(qiáng)度變化較為平穩(wěn)，而機(jī)械鋤耕的減流量有明顯峰值。人工耕作的減流量則隨降雨強(qiáng)度增大而降低。坡度與降雨強(qiáng)度對(duì)水土保持工程坡地具有明顯影響，但等高耕作減流效益最好。4）當(dāng)坡度為5°時(shí)，機(jī)械鋤耕和人工耕作減沙量都呈先增大后減少的變化趨勢，但等高掏挖在降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，呈正值，然后減沙量逐漸降低。當(dāng)坡度為15°時(shí)，等高掏挖的減沙量與降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，機(jī)械鋤耕的減沙量無明顯波動(dòng)，人工耕作減沙量則隨降雨強(qiáng)度增大呈先減少后增大的變化趨勢。