模拟降雨条件下南方典型粘土坡面土壤侵蚀过程及其影响因素_霍云梅

土壤侵蚀使得 土 壤 肥 力 下 降，理 化 性 质 变 劣，土 地利用率降低，生态 环 境 恶 化，已 成 为 制 约 地 区 社 会 经济发展的 重 要 因 素 。 ［１］ 国 内 外 学 者 对 土 壤 侵 蚀 的 影 响 因 素 研 究 表 明 ，影 响 土 壤 侵 蚀 的 因 素 主 要 包 括 土
ＤＯＩ：１０．１３８７０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｔｂｃｘｂ．２０１５．０４．００５
Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｃｌａｙ Ｓｌｏｐｅ Ｕｎｄｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ＨＵＯ Ｙｕｎｍｅｉ １，ＢＩ Ｈｕａｘｉｎｇ１，２，ＺＨＵ Ｙｏｎｇｊｉｅ１，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｘｉａｎ１，ＣＡＩ Ｚｈｉｃａｉ １，ＨＡＩ Ｘｕａｎ１
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３； ２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｊｉｘｉａｎ Ｃｏｕｎｔｙ，Ｊｉｘｉａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ０４２２００）
１ 材料与方法
１．１ 试 验 材 料 试验于２０１４年 ５—９ 月 在 北 京 林 业 大 学 鹫 峰 试
验 基 地 的 降 雨 大 厅 进 行 ，人 工 模 拟 降 雨 装 置 为 西 安 清 远测控技术有限公司生产及安装的 ＱＹＪＹ－５０３Ｃ 人 工模拟降雨 装 置。 降 雨 控 制 面 积 ２５６ ｍ２，划 分 为 ４ 个降雨区 域，采 用 多 个 雨 量 筒 现 场 实 际 测 量 降 雨 强 度，降雨强度 变 化 范 围 为 １０～３００ ｍｍ／ｈ，降 雨 过 程 计 算 机 全 自 动 控 制 。 喷 头 类 型 为 旋 转 下 喷 式 ，有 效 降 雨 高 度 为 １２ ｍ，使 得 雨 滴 可 达 到 终 点 速 度 ，容 易 获 得 与天然降雨相似的降雨 。 ［９］ 经率定，降雨均匀度 达 到 ８０％以上，可满足人工模拟降雨试验的要求 。 ［１０］
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｏｕｔｈｅｒｎ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｌａｙ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｒａｉｎｆａｌｌ，ｓｌｏｐｅ ｏｎ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：（１）Ｉｎｉｔｉａｌ ｒｕｎｏｆｆ ｔｉｍｅ ｓｈｏｗｅｄ ａ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｒｕｎｏｆｆ ｔｉｍｅ ｂｅｃａｍｅ ｓｍａｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ．（２）Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｒｅａｃｈｅｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｒａｔｅ ｗａｓ ｆｉｒｓｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｕｄｄｅｎｌｙ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｆｉｎａｌｌｙ ｒｅａｃｈｅｄ ａ ｓｔａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｒａｔｅ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ａｎｄ ｒｕｎｏｆｆ ｈａｄ ａ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ ｓｌｏｐｅ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｏｂｖｉｏｕｓ．（３）Ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ，ｔｏｔａｌ ｒｕｎｏｆｆ，ｔｏｔａｌ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ａｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｒｅａｃｈｅｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ９３ ３３５ ｍｌ ａｎｄ ６３６．１０ｇ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｗｅｒｅ ９０ ｍｍ／ｈ ａｎｄ ２０ｄｅｇｒｅｅｓ．（４）Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｒａｉｎｆａｌｌ，ｓｌｏｐｅ ｈａｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ，ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ．（５）Ａｆｔｅｒ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｓｏ ｔｈｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ａｎｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ；ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ；ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
第 ２９ 卷 第 ４ 期 ２０１５ 年 ８ 月
水土保持学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０１５
模拟降雨条件下南方典型粘土坡面土壤侵蚀过程及其影响因素
霍 云 梅１，毕 华 兴１，２，朱 永 杰１，王 晓 贤１，蔡 智 才１，海 璇１
壤、降雨、植被、地形 等，但 不 同 研 究 条 件 下 各 影 响 因 素对土壤侵 蚀 的 影 响 各 不 相 同。 郝 少 英 通 ［２］ 过 人 工 模拟降雨试验对我国干旱半干旱地区土壤进行研究， 指出侵蚀量随雨强的增大呈先增大后减小最后趋于
收 稿 日 期 ：２０１５－０２－０５ 基 金 项 目 ：国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 重 大 专 项 “城 市 地 表 径 流 减 控 与 面 源 污 染 削 减 技 术 研 究 ”（２０１３ＺＸ０７３０４－００１） 第 一 作 者 ：霍 云 梅 （１９９２— ），女 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 林 业 生 态 工 程 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：１５２１５０６７３１７＠１６３．ｃｏｍ 通 信 作 者 ：毕 华 兴 （１９６９— ），男 ，博 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 水 土 保 持 与 林 业 生 态 工 程 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｈｘ＠ｂｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
（１．北京林业大学 水土保持学院，北京 １０００８３；２．山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，山百度文库 吉县 ０４２２００）
摘 要 ：采 用 人 工 模 拟 降 雨 的 方 法 ，研 究 了 南 方 典 型 粘 土 坡 面 土 壤 侵 蚀 过 程 及 降 雨 强 度 、降 雨 量 、坡 度 对 坡 面 产 流产沙量的影响，建立了试验条件下坡面 土 壤 侵 蚀 模 型。结 果 表 明：（１）试 验 条 件 下 初 始 产 流 时 间 与 降 雨 强 度和坡度呈线性关系，随着降雨强度和坡 度 的 增 加，初 始 产 流 时 间 变 小；（２）随 着 降 雨 时 间 的 增 加，坡 面 产 流 率先逐渐增加后达到稳定，产沙率呈先迅速增加后降低再逐渐达到稳定，产流率和产沙率随 降 雨 强 度 的 增 加 而相应增加，但随坡度变化不明显；（３）径流含沙量、总产流量、产沙 量 均 随 降 雨 强 度 和 坡 度 的 增 加 而 增 加 ， 其 中 降 雨 强 度 为 ９０ｍｍ／ｈ、坡 度 为２０°时 总 产 流 量 为９３ ３３５ｍｌ，产 沙 量 为６３６．１０ｇ，达 到 最 大 值 ；（４）降 雨 强 度、降雨量、坡度都与产流量和产沙量呈极显 著 正 相 关 关 系，其 中 降 雨 量 和 降 雨 强 度 分 别 是 产 流 量 和 产 沙 量最主要的影响因子，坡度对产流产沙量影响 最 小；（５）得 出 试 验 条 件 下 土 壤 侵 蚀 量 与 降 雨 强 度 、坡 度、时 间 的 回 归 方 程 ，经 过 验 证 ，预 测 值 和 实 测 值 相 关 性 良 好 ，说 明 该 方 程 可 用 于 试 验 条 件 下 的 土 壤 侵 蚀 量 预 测 。 关 键 词 ：土 壤 侵 蚀 ；影 响 因 素 ；模 拟 降 雨 ；降 雨 强 度 中 图 分 类 号 ：Ｓ１５７．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００９－２２４２（２０１５）０４－００２３－０４
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水土保持学报
第 ２９ 卷
稳定的趋势。何 成 龙 等 ［３］ 针 对 国 内 外 众 多 学 者 开 展 的 土 壤 侵 蚀 研 究 进 行 分 析 ，认 为 使 土 壤 侵 蚀 发 生 的 最 主要因素是土壤自身性 质 与 外 界 降 雨 环 境。陈 强 等 通 ［４］ 过对重庆市 黄 壤 坡 耕 地 土 壤 的 产 沙 特 征 进 行 研究得出产流量和降雨强度是侵蚀产沙量的主要决 策 因 子 ，降 雨 量 主 要 通 过 降 雨 强 度 和 产 流 量 对 侵 蚀 产 沙量起间接作用；辛伟等 通 ［５］ 过对紫色土丘陵区 坡 面 的产流产沙特征进 行 研 究 得 出，同 一 降 雨 历 时 下，相 对坡度而言，降雨强 度 是 决 定 产 沙 量 的 主 要 因 子；马 琨等［６］通过对宁南 黄 土 高 原 坡 面 土 壤 侵 蚀 的 影 响 因 子进行分析得出次 降 雨 量、降 雨 强 度、降 雨 动 能 和 降 雨侵蚀力是影响坡面侵蚀的主要因子；韩浩等 将 ［７］ 降 雨 侵 蚀 力 考 虑 到 坡 面 土 壤 侵 蚀 中 进 行 研 究 ，得 出 坡 面 降雨径流 泥 沙 起 动 的 影 响 因 素 主 要 为 流 速、降 雨 强 度、泥沙粒径和坡 度。 对 于 不 同 的 侵 蚀 类 型、地 区 及 边 界 条 件 ，其 坡 面 侵 蚀 临 界 坡 度 是 不 同 的 。 坡 面 土 壤 侵 蚀 的 临 界 坡 度 主 要 取 决 于 坡 面 流 的 流 量 、水 深 及 搬 运颗粒的粒径 。 ［８］ 这些研究表明，影响土壤侵蚀 的 因 素很多且其中一些 因 素 之 间 又 彼 此 相 关，因 此，不 同 因 素 对 土 壤 侵 蚀 的 影 响 是 个 复 杂 的 问 题 ，仍 需 进 一 步 研 究 。 另 外 ，前 人 对 坡 面 土 壤 侵 蚀 的 研 究 多 集 中 在 降 雨 强 度 和 坡 度 对 产 流 产 沙 量 的 影 响 上 ，对 小 尺 度 的 土 壤侵蚀模型研究较少。本文在人工模拟降雨条件下 研究了降雨强度、降 雨 量、坡 度 对 南 方 典 型 粘 土 坡 面 产 流 产 沙 的 影 响 ，建 立 了 南 方 典 型 粘 土 坡 面 土 壤 侵 蚀 模型，旨在 进 一 步 讨 论 不 同 条 件 下 坡 面 土 壤 侵 蚀 过 程 ，为 裸 地 坡 面 水 土 保 持 规 划 和 土 壤 侵 蚀 预 报 等 方 面 提供理论依据。