中小雨强下谷子坡地的降雨入渗特征模拟

吴 佳，王林华，李占斌，赵 慢

(1 西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710004；2 西北农林科技大学 a 水土保持研究所,b 资源环境学院,陕西 杨凌 712100)

中小雨强下谷子坡地的降雨入渗特征模拟

吴 佳1，王林华2a，李占斌1，赵 慢2b

(1 西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710004；2 西北农林科技大学 a 水土保持研究所,b 资源环境学院,陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究谷子坡地的降雨入渗特征，为谷子坡地水分管理及防治水土流失提供科学依据。【方法】 采用人工模拟降雨的方法，以裸露坡地为对照，研究中小雨强(40 mm/h)下，3°、5°、10°、15°的坡地在谷子拔节初期、拔节中期、抽穗初期和灌浆初期的降雨入渗特征，并筛选出最优拟合模型。【结果】 谷子坡地最初入渗率较高，随降雨历时的延长入渗率呈下降趋势，至降雨后50 min基本接近稳定入渗阶段，入渗率与入渗时间之间符合幂函数关系。入渗总量随坡度的增大而减小，随谷子生长期的延长而增大；与裸地相比，谷子坡地的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、累积入渗量分别提高了10.4%，28.17%，16.46%和20.47%。Kostiakov模型基本能模拟谷子坡地的入渗特征，但平均入渗率估算值(0.420 mm/min)比实测值(0.474 mm/min)降低了11.39%。【结论】 谷子坡地的入渗总量大于裸地，入渗曲线可用Kostiakov模型拟合。

谷子坡地；降雨入渗；模型模拟；黄土高原

谷子(Sutraitalica)是黄土高原主要种植的秋作物之一，性喜高温，主要栽培在黄土梁峁坡地上。因此，其种植与生长过程既可降低雨滴浅蚀，降低土壤侵蚀量，又可增加潜在土壤移动量，加剧侵蚀的发生。这两方面的作用大小主要取决于谷子冠幅对降雨的分配能力、茎秆对径流的分散阻碍能力及根系增强土壤入渗能力的大小。通常，在苗期其作用很小，之后随着谷子的生长这些作用愈来愈强。

植被是防治水土流失的治本措施，就其防蚀机理来看，提高了降雨入渗量是主要原因之一。因此，关于植被对降雨入渗的影响研究受到人们的普遍重视。袁建平等[1]对陕北纸坊沟小流域入渗率空间变异性的研究发现，刺槐林地土壤稳定入渗率最高，撂荒地最低。高人等[2]对辽宁东部山区6种植被类型土壤水分的入渗性能研究证实，阔叶林下土壤入渗性能明显优于针叶林，且林龄越大，土壤初渗性能越好。李斌兵等[3]发现，相同降雨情况下，林地入渗量是草地的2倍、农地的3倍。李毅等[4]就人工草地覆盖度对降雨入渗的影响也进行了探讨。刘素军等[5]证实，在相同条件下，草地雀麦保水、固土能力是玉米的5.2和1.5倍。宋孝玉等[6]采用数值模拟方法建立了不同下垫面农田降雨入渗及产流关系的模型。总体来看，植被能够增加降雨入渗，减少地表径流和土壤侵蚀。

农作物也是植被种类之一，但其与森林植被又有明显的区别。如农作物多数为一年生，地面无凋落层，且有明显的生长阶段等。因此，农作物对降雨入渗的影响可能也不同于其他植被。为此，本研究对40 mm/h降雨强度下谷子坡地的降雨入渗特征进行了分析，以期为谷子坡地水分管理及水土流失防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

本试验是在陕西杨凌西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治教学实验基地的径流小区上完成的。供试作物为晋谷29谷子。在播种前一次性施入2 500 kg/hm2有机肥(腐熟羊粪和鸡粪)和400 kg/hm2磷酸二铵后，再进行人工翻耕和播种。谷子定苗后的株行距为10 cm×20 cm。生长期的管理按当地农作习惯进行。

1.2 方 法

1.2.1 径流小区的设计 径流小区建成于2005年，坡度分别为3°、5°、10°和15°，共4组16个小区，小区规格为4 m×1 m。小区内装填的土壤为杨凌农田耕层(0～20 cm)的土娄土，其养分含量为：有机质5.0～15.0 g/kg，全N 0.5～1.3 g/kg，碱解N 23.0～80.0 mg/kg，速效磷2.2～23.0 mg/kg，质地黏重。2011年5月上旬，在同一坡度4个小区中的2个小区播种谷子，另外2个小区为裸露对照(CK)。

1.2.2 降雨入渗试验 于2011年6月中旬定苗管理后，分别于谷子的拔节初期(7月上旬)、拔节中期(7月中旬)、抽穗初期(7月下旬)、灌浆初期(8月中旬)进行降雨入渗试验。模拟降雨设备来自于中国科学院水土保持研究所水保实验设备工厂设计制造的侧喷式降雨机，降雨高度7.5 mm，有效降雨面积5 m×7 m，率定后雨滴均匀度达90%以上。试验设计降雨强度为40 mm/h，降雨历时1 h。每次降雨产流后，对小区均每3 min收集1次径流泥沙样。降雨的同时，在各小区的4个边角上放置量雨筒，收集降雨以测定实际降雨强度。试验操作及泥沙、径流、雨强等的测算均按《水土保持试验规范》[7]执行。

1.2.3 入渗量的推算 入渗量推算按水量平衡原理进行。坡面产流过程通常可用下式表示：

(1)

式中：R(t)为径流量，t为时间，I为降雨强度，In为植物截留量，e为蒸散发率，Sd为填洼量，f为入渗强度。

一般情况下，在降雨过程中e可忽略不计，可用喷雾法测定In；Sd受制于人为管理，本试验中每次降雨结束后，均人为将小区坡面整平，故Sd也可忽略不计。故对式(1)微分整理后，入渗量F=I′-R(t)-In,其中I′为净雨强，I′=Icosα，α为坡度。

1.3 模型的模拟

本研究采用以下4个常用入渗模型对降雨入渗试验结果进行模拟与评价。

1.3.1 Kostiakov模型[8]Kostiakov于1932年提出了以下经验公式来模拟土壤水分入渗：

i=i1×t-a。

(2)式中：i为t时刻的入渗率，i1为第1分钟末的入渗率，t为入渗时间，a为经验常数，由试验资料拟合出的参数。

1.3.2 Horton模型[9]Horton提出了以下指数型入渗经验公式：

i=ic+(i0-ic)e-kt。

(3)

式中：i为t时刻的入渗率，ic为稳定入渗率，i0为初始入渗率，t为入渗时间，k为反映土壤特性的常数。

1.3.3 Philip模型[10]该模型是Philip在Richards方程的半解析方法基础上提出的，模型中2个参数有明确的物理意义。该模型如下：

i=0.5×S×t-1/2+A。

(4)

式中：i为t时刻的入渗率，S为土壤吸湿率，t为入渗时间，A为饱和导水率。

1.3.4 蒋定生模型[11]在分析Kostiakov和Horton模型的基础上，结合黄土高原大量的野外测试资料，蒋定生和黄国俊提出的入渗公式为：

i=ic+(i1-ic)/ta。

(5)

式中：i为t时刻的入渗率，i1为第1分钟末的入渗率，ic为稳定入渗率，t为入渗时间，a为经验常数。

2 结果与分析

2.1 谷子坡地降雨入渗特征分析

图1～4是谷子4个生育期不同坡地下的降雨入渗曲线。由图1～4可以看出，无论是CK还是种植谷子的小区，在产流初期其初始入渗率都很高，随着降雨时间的延长，入渗率总体呈下降趋势，但在50 min左右基本接近稳渗阶段，这一特征可用幂函数f=a×tb进行描述；式中：f为入渗率，mm/min；t为入渗时间，min；a和b为回归系数。入渗曲线各参数统计结果见表1。另外，随着坡度的增大，入渗量减少，例如，拔节初期3°小区的总入渗量为 29.367 mm，15°小区的则为16.658 mm(表2)，其它生长阶段也是类似的情况。随着作物的生长，其冠幅、叶面积指数增大，对降雨的分配能力增强，降低了雨滴的能量，从而抑制了土表结皮的形成，使入渗量增加，例如，拔节初期的总入渗量平均为22.947 mm，灌浆初期时则高达30.457 mm(表2)。图1和图2中，拔节初期和中期裸露小区与谷子小区入渗曲线的交织，可能是坡度、作物生长状况和结皮等地表因素综合作用的结果。

总体来看，种植谷子的小区降雨入渗能力要强于裸地。统计可知，种植谷子小区的初始入渗率平均为0.584 mm/min，稳定入渗率为0.364 mm/min，平均入渗率为0.474 mm/min，累积入渗量为27.027 mm；CK的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量分别为0.529 mm/min，0.284 mm/min，0.407 mm/min和22.435 mm，可知种植谷子小区的4个入渗特征指标值分别较CK提高了10.4%，28.17%，16.46%和20.47%。

2.2 坡地降雨入渗特征的模拟

本研究分别采用Kostiakov、Horton、Philip和蒋定生模型对不同坡度(3°～15°)谷子小区的试验结果进行了拟合，结果见表3。

由表3可以看出，Horton和蒋定生模型不适合谷子全生育期坡地降雨入渗特征的描述。从R2值来看，Philip模型的拟合程度最好，但它不能拟合谷子拔节初期15°坡地的降雨入渗特征。与这3个模型的拟合结果相比，Kostiakov模型能拟合谷子各生育期不同坡地的降雨入渗特征，且R2较高，基本满足了模拟谷子坡地的入渗过程要求，但平均入渗率估算值(0.420 mm/min)比实测值(0.424 mm/min)降低了11.39%。

3 结 论

在中小雨强(40 mm/h)条件下，谷子坡地初始入渗率都较高，随着降雨历时的延长入渗率呈下降趋势，在50 min左右基本接近稳渗阶段，符合幂函数关系。总入渗量随着坡度的增大而减少，随着谷子生长期延长而增大。谷子坡地的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量较裸地提高了10.4%,28.17%,16.46%和20.47%。Kostiakov模型可基本模拟谷子坡地全生育期的入渗特征，但平均入渗率估算值(0.420 mm/min)比实测值(0.474 mm/min)降低了11.39%。

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Simulation of soil infiltration in millet sloping field under medium rainfall intensity

WU Jia1,WANG Lin-hua2a,LI Zhan-bin1,ZHAO Man2b

(1CollegeofWaterResourcesandHydro-electricEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710004,China;2 aInstituteofSoilandWaterConservation,bCollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This paper investigated soil infiltration in millet sloping field to provide scientific basis for soil and water conservation in millet sloping field.【Method】 The characteristics of soil infiltration at different growth stages of millet including early jointing stage,middle jointing stage,early heading stage and early filling stage were studied.The gradients of millet field were 3°,5°,10°,and 15° and the rainfall intensity was 40 mm/h.Bare sloping field was used as control and the best fitting model was selected.【Result】 The infiltration rate in millet field generally presented a decreasing tendency with the increase of rainfall duration and reached a stable stage nearly 50 min after the beginning of rainfall.The relationship between infiltration rate and rainfall time could be described by a power function.The total infiltration amount decreased as the increase of slope whereas increased from early jointing stage to early filling stage.Compared with control treatment,the initial infiltration rate, steady infiltration rate,average infiltration rate and the total infiltration amount in millet field were increased by 10.4%,28.17%,16.46%,and 20.47%,respectively.Kostiakov infiltration model generally fitted the soil infiltration characteristics at different growth stages in millet field,while the predicted value of average infiltration (0.420 mm/min) rate was 11.39% lower than the measured value (0.474 mm/min).【Conclusion】 The total infiltration amount in millet field was higher than the control treatment.Kostiakov infiltration model could be used to simulate the infiltration rate in millet field.

millet sloping field;rainfall infiltration;infiltration model;Loess Plateau

2014-02-25

国家自然科学基金项目(41271288)；西北农林科技大学国家级大学生创新训练项目

吴 佳(1984-)，女，陕西西安人，博士，主要从事水土资源过程与生态环境保护研究。E-mail：270704408@qq.com

李占斌(1962-)，男，河南镇平人，教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。 E-mail:zbli@mail.xaut.edu.cn

时间:2015-05-11 15:03

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.06.031

S157.1

A

1671-9387(2015)06-0228-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150511.1503.031.html