2011姚文艺水利学报-坡面产流过程及产沙临界对立地条件的响应关系

水利学报SHUILI XUEBAO 2011年12月第42卷第12期文章编号：0559-9350（2011）12-1438-07坡面产流过程及产沙临界对立地条件的响应关系姚文艺，肖培青，申震洲，杨春霞（黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003）摘要：利用人工模拟降雨试验，以黄土高原黄土丘陵沟壑区第三副区黄土为模拟对象，依据45、90和130mm/h 降雨强度下共计18个试验组次观测资料，定量研究了裸地、草地和灌木地3种立地条件20°陡坡产流过程及其产沙临界的响应关系。

研究表明，高强度降雨条件下，草地和灌木地的减流作用会降低；裸地径流过程具有明显的起涨阶段，而草地和灌木地的起涨阶段不明显，对径流过程具有消波调控作用，同时草地产流量受下渗率的影响比灌木地的大；裸地下渗率比草地和灌木地的明显为小，且其过程波动性强；3种立地条件的初渗率与稳渗率之差以裸地的最大，草地的最小，而且，产流与入渗的关系对降雨的响应是非线性的；断面比能参数可表征为产沙的主导因子，裸地、草地和灌木地的临界断面比能分别为0.074、0.11和0.13cm 。

该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理，为生态修复工程建设提供科学依据具有重要科学意义。

关键词：立地条件；产流产沙；水动力学参数；模拟降雨中图分类号：S157.1文献标识码：A1研究背景自20世纪40年代以来，植被增强土壤抗蚀能力及其效应的机理一直是土壤侵蚀研究的前沿领域，对植被类型、坡度和盖度等条件下的水土保持效应取得了不少研究成果。

近年来，一些学者在植被改变土壤入渗性能和增强土壤抗蚀性等方面开展了大量研究工作，从土壤学角度揭示和明晰了植被保水保土的作用［1-8］。

关于植被减蚀作用的室内模拟，不少人多是利用水流冲刷试验研究植被作用下坡面流水力学参数的变化［9-16］，如有人曾通过放水冲刷试验研究黄土坡地林地、草地、农地、搁荒地及硬地面的产流过程线和径流系数的变化特征等［17］，而从水动力学的层面揭示降雨作用下坡面产流过程及其产沙临界对裸地、草地和灌木地等立地条件响应关系的成果还较少。

随着土壤侵蚀过程模型的建立和发展，坡面产流过程及产沙的水动力学临界对不同立地条件响应关系的研究尚待加强。

鉴于此，本文以黄土高原黄土丘陵沟壑区第三副区为研究背景，通过室内人工模拟降雨试验对此进行了探讨。

2试验设计与方法2.1试验装置试验在黄河水利科学研究院“模型黄河”试验基地进行。

根据目前国内外通常采用的室内土壤侵蚀试验小区的尺度，并考虑到坡面发育细沟的主体范收稿日期：2010-04-09基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2011CB403303）；国家自然科学基金项目（41071191）作者简介：姚文艺（1957-），男，河南周口人，博士，教授级高级工程师，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。

E-mail ：wyyao@图1试验装置——1438围，试验土槽设计为长5m 、宽3m 、深0.6m ，用PVC 板将土槽隔成3个长5m 、宽1m 的单元土槽。

土槽底部钻有直径5mm 左右的透水孔并粘有大小不等的沙粒，以降低填土和钢板之间的边界影响。

降雨设备为侧喷式人工降雨机，其喷头距地面7.5m ，上喷高度为1.5m ，降雨均匀系数为86%~92%。

试验装置见图1。

2.2试验下垫面条件模型沙选用位于黄土丘陵沟壑区第三副区的邙山坡面表层黄土。

根据土样团粒大小，填土时过10mm 筛，供试土样级配见表1。

为保证填土密度达到上、下层均匀分布，按10cm 分层填充、压实的方法填土，土壤水分含量控制在15%左右，压实后填土深度超过50cm ，土壤密度在1.05g/cm 3左右，与原状土接近。

粒径/mm百分比/％>1.001~0.251.050.25~0.0535.450.05~0.0143.400.01~0.0053.200.005~0.0016.40<0.00110.50表1供试土样颗粒组成下垫面条件包括裸地、草地和灌木地3种。

草被措施选用黄土高原常见的紫花苜蓿（Medicago sa ⁃tiva L.），草被盖度为60%~65%；灌木措施选用紫穗槐（Amorpha fruticosa L.），按“品”字型排列种植，覆盖度平均为70％，与草被的覆盖度接近。

草被平均高度为40cm 左右，灌木平均高度为110cm 左右。

考虑到土样所处的黄土丘陵沟壑区第三副区坡面平均坡度多在20°左右，故选择试验坡度为20°。

2.3试验方法根据黄土高原典型暴雨频率特征和人工降雨装置性能，设计3个降雨强度，分别为45、90和130mm/h 。

在正式试验前，对降雨强度进行验证。

试验前一天，用不会引起坡面发生明显侵蚀的小于30mm/h 的降雨强度进行大约10min 的前期降雨，以保证每次试验前期土壤含水量基本一致和消除地表处理的差异性。

试验过程中每隔2min 接取一个径流泥沙样。

沿坡面自上至下分为5段，即断面1~断面5，用染色剂法每隔2min 测定一次全坡面流速。

在测定流速的同时，用测尺和数字照相机相结合的方法测定侵蚀地貌形态及流深。

产流后的场次降雨历时均控制为60min ，每场试验至少重复1次。

3试验结果分析3.1不同下垫面条件下坡面产流过程特征绘制不同雨强不同下垫面条件的产流过程线（图2），并由此进一步统计裸地、草地和灌木地的产流特征值（表2）。

由图2和表2可见，在相同降雨条件下，不同下垫面的产流量差异很大，裸地的产流量远较草地、灌木地的为大，且与草地的差异最大。

同时，雨强越大，裸地的产流量与其他两种被覆条件的产流量差别越小，由此说明，在高强度降雨条件下，草地和灌木地的减流作用将会降低。

这一结论的实践意义在于，即使在被覆度达到60％以上时，对于陡坡黄土而言，在强降雨条件下，草灌等水土保持生物措施对产流的作用仍是有限的，因而，黄土高原治理很有必要采取生物措施与梯田、淤地坝等工程措施相结合的模式。

图2不同立地条件下坡面产流量变化过程从图2还可看出，在45mm/h 降雨强度下，尽管灌木地的覆盖度比草地的稍大，但是，草地的减——1439表2不同下垫面条件的产流特征差异流作用却比灌木地的大，由此可初步认为，在低雨强条件下，草地对径流的影响大于灌木地的。

或者说，在雨强为130mm/h 和90mm/h 时，灌木地的减流作用比45mm/h 降雨强度下的明显。

不同被覆的产流过程也有一定差异。

例如，从图2可以看出，裸地的产流过程具有明显的波动性，而草地和灌木地的波动性小。

根据试验分析，这主要是地表侵蚀形态差异所造成的。

图3是裸地和草地在相同雨强和相同降雨历时条件下的地表侵蚀形态。

相同坡度和降雨条件下，裸地侵蚀严重，细沟发育多且发育速率快，达到100cm/min ，同时，易形成侵蚀物质的“筑坝”等复杂的地表形态，从而引起“径流浪”现象，即使降雨恒定，仍会使产流过程不稳定；草被坡面侵蚀比较轻，仅在坡底部和中部有细沟产生，且发育速度缓慢，其中坡底部发育速度为2.62cm/min ，坡中部细沟试验过程中几乎没有发育；灌木地无明显的细沟发育。

因而，在一定覆盖条件下，地表形态的干扰作用小，产流过程相对平稳。

由此表明，被覆对径流过程具有削波调控作用。

图3不同立地条件下坡面侵蚀形态在雨强为45、90mm/h 时，裸地的径流具有明显的起涨过程，而草地和灌木地的起涨阶段不明显；在130mm/h 的强降雨条件下，3种被覆条件下均有明显的涨水过程。

这就是说，在试验雨强较小时，草地和灌木地在产流初期的滞水作用是比较明显的，而雨强较大时其对产流的控制作用就会降低。

文献［17］也认为，在2.5~22.5mm/min 的高强度降雨下，草地、林地的产流初期和终期都有一个突增突降的急变过程。

试验还表明，径流的起涨历时随雨强增加而缩短。

3.2不同下垫面条件下坡面土壤入渗特征图4为不同下垫面坡面入渗率随时间的变化过程，可以看出，裸地的下渗率比草地和灌木地的明显为小，且下渗过程波动性强。

同时，从趋势上看，尽管3种被覆度条件下的初始入渗率均大于后期的入渗率（接近稳渗率），但3种被覆的初渗率与各自的后期入渗率差别大小是不同的，总体上说，裸地的最大，灌木地的次之，草地的最小。

例如，以90mm/h 和130mm/h 的雨强下的初渗率和后期入渗率的差值为例，裸地的初渗率比后期的大2.8倍和3.6倍；灌木地的分别大0.5倍和1.5倍；草地的分别大0.1倍和0.6倍。

由此也可以看出，雨强越大，——1440初渗率和后期的入渗率差别越大。

进一步统计裸地入渗率与草地、灌木地的入渗率比值（表2）可知，裸地的入渗率远较后者为小，只占草地的23％~48％，占灌木地的21％~34％，且雨强越小，入渗率相差越大。

图4不同立地条件下坡面入渗率变化过程根据试验数据统计，产流率大小不仅取决于入渗率的高低，而且与立地条件和降雨强度之间呈非线性的响应关系。

例如，由表3草地、灌木地的产流率与入渗率的关系分析，若定义d y /d f 为产渗比，即产流率随入渗率的变化比，则可以看出，雨强较小或较大时，产渗比均较大，而试验的中等雨强90mm/min 的产渗比则最小。

由此表明，在小雨强和大雨强时，产流率随入渗率的变化更为明显，或者说与中雨强相比，相同入渗率情况下，前者的产流率减少更多。

显然，产流与入渗的关系对降雨强度的响应并非线性的。

实际上，这一结论从产流理论亦可得到说明。

在不考虑其他损失时，对于超渗产流，入渗率可写为f =Ki λ（1）式中：K 为损失系数；λ为损失指数，与下垫面条件等因素有关。

由此进一步可得产流率为y =i ()1-Ki λ-1（2）显然，由式（2）可以看出，产流率不仅与下垫面条件有关，而且与降雨强度成非线性的高阶响应关系，从而也证明了试验结论的成立。

当然，对其变化的临界雨强还有待做更多的试验和观测加以研究。

下垫面草地灌木地雨强/（mm/h ）45901304590130拟合方程y =-12554f +23200y =-4153f +633y =-5043f +3578y =-10006f +7150.3y =-8800f +12941y =-10485f +21049相关系数r 0.960.940.970.990.910.99说明式中，y 为产流率（ml/min ）；f 为入渗率（mm/min ）表3不同降雨强度下草地和灌木地坡面产流率与入渗率的关系分析还表明，雨强越大，入渗率越大，以灌木地为例（图5），在45mm/h 雨强条件下的相对稳渗图5灌木地坡面入渗率变化过程——1441阶段，坡面平均入渗率为0.6mm/min左右，在降雨强度为90mm/h和130mm/h时分别为0.9mm/min和0.98mm/min。