基于辽西小流域模拟降雨入渗产流特征研究

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

辽西乐园小流域属于我国水土保持重点治理区域，共包含1个小流域、3个行政村，流域面积20.98km2。研究流域为低山丘陵区，位于半干旱半湿润气候区，地理位置东经122°44′58″～122°45′18″、北纬42°31′49″～42°36′36″。多年年平均降雨量470mm，其中每年6—8月降雨量占全年的68%左右。乐园小流域受水土流失和干旱缺水的影响，其农业可持续发展缓慢，加强对水土流失的治理和提高水资源有效利用率，是推动当地农业经济发展的决定性措施[1]。大气环境降雨是该区域水资源的主要来源，小流域具有该地区的明显特征，据此，实现小流域降水资源的可持续有效利用是保证当地小流域生态经济的持续健康发展关键性基础[2]。本文在详细分析生态系统用水平衡基本原理和非饱和超渗产流基本理论的基础上，分别利用人工模拟降雨和自然降雨对径流小区进行观测试验，并定量分析了小流域入渗和产流变化特征，研究成果可为相关小流域的降雨径流蓄积利用和水环境的生态治理提供决策依据和理论支持。不同农作方式下的降雨入渗产流变化规律一直是国内外水资源可持续发展利用的研究热点。不同下垫面的产流特征、集流要素和效率特点及地表坡度、坡长、降雨强度、土壤侵蚀作用等是降雨蓄积工程的主要研究内容，是构建降雨入渗产流、产沙模型的关键性参数。利用模型可准确预测和评价水土流失综合治理效益和雨水集流潜力发展状况，为降雨蓄积工程方案设计和实施提供科学指导[3-5]。

1 试验设计及方法

1.1 试验设计

对人工降雨标准用地和径流小区的数据采集整理进行选择和设计。本文结合彰武县乐园小流域的地形地貌结构和降雨特征，人工模拟降雨下的入渗产流试验研究所用标准用地选取具有一定代表性的坡耕玉米地和谷地、油松林地、裸地、沙棘林地、山杏林地等共48块，其中坡地、林地和裸地分别为16块、25块和7块。在进行人工模拟降雨前对各类型标准块地的坡度、坡长、土壤初始含水量、植被覆盖率、土壤物理性能、胸径、腐殖物厚度、林龄等有关参数进行试验测试。标准块地基本特征和土壤物理性能测试结果见表1。

表1 人工模拟降雨条件下标准块地基本特征和土壤物理性能测试结果

选用下喷式人工模拟降雨机，其主要结构包括支架、输水管、供水箱、径流收集器和针式喷水箱等5部分。人工降雨土地有效面积为2m×2m和1.5m×2.5m，降雨小区范围为2.5m×2.5m和2m×3m。地表径流起止时间为降雨产流开始至降雨径流结束，降水径流排水孔通过导水管进入集水桶，对集水桶每5min记录1次径流量、累计径流量。为提高人工模拟降雨的真实性，结合彰武县乐园小流域的多年年平均降雨量监测资料，分别设定4种降雨强度：2.5mm/min、2mm/min、1.5mm/min、1mm/min。

对人工模拟降雨块地、强度、土壤物理性能等相关参数完成设定和测量后，需设计和修建自然降雨径流小区，并完成其数据处理[6]。自然降雨径流小区面积设计为5m×20m，设定农作物主要有玉米、谷子，树木主要有山杏、沙棘、刺槐、大枣、白榆、油松，牧草主要有沙打旺、紫花苜蓿，并在同等环境下设计裸地为对比参照。在自然降雨条件下分别对上述不同块地类型的降雨量、径流量以及泥沙量进行同等条件的监测和计算，计算结果见表2和表3。

表2 自然降雨条件下各试验区的林木生长状况

表3 自然降雨条件下各试验区与裸地地表径流基本状况

1.2 数据处理与分析

试验数据处理采用SPSS10.0统计软件，运用Philip入渗和逐步回归分析理论进行计算处理，Philip入渗公式为

式中f(t)——小流域在t时刻的土壤入渗率；

S——土壤初始入渗率；

A——土壤稳渗率。

2 结果与分析

2.1 小流域不同立地产流量、产沙量

自然降雨条件下各试验区农作物的小区径流量和泥沙量观测计算结果见表4。

表4 自然降雨径流下各试验区农作物小区径流量和泥沙量观测计算结果

由表4可知，农作物区域内玉米和谷子试验区的产流量分别为205.7mm和216.8mm，其径流量和产沙量分别为325.8m3/hm2、267.1m3/hm2和4015.2kg/hm2、3594.5kg/hm2，相对于裸地-1，其拦蓄径流和泥沙效率系数分别为36.7%、48.1%和44.4%、50.2%；而对于自然降雨条件下的牧草径流区域，紫花苜蓿和沙打旺立地的产流量分别为150.6mm和130.4mm，相对于裸地-2，其径流拦蓄和泥沙拦蓄效率系数分别为51.5%、72.2%和52.2%、61.4%；林地径流范围内的不同林地，径流量拦蓄效益变化范围为36.3%～91.4%，其拦蓄泥沙效益变化范围为48.4%～92.3%，沙棘拦蓄径流效益系数最小，且泥沙拦蓄效率最大。

2.2 入渗方程的拟合求解

本文在详细分析了Philip基本计算公式和人工模拟降雨入渗试验结果的基础上，采用最小二乘法基本公式进行土壤稳渗率和初始入渗率的计算，最小二乘法计算公式为

Y=aX+b

Y=f(t)X=t-1/2

其中

a=1/2Sb=A

经计算，得

b=Y-aX

将文中已获取的人工降雨在不同时段的地表径流入渗率及其相对应的时间带入上述公式即可求得稳渗率A、初始入渗率S以及入渗速率。为了更加直观、准确地表征不同立地条件下的土壤入渗特征，本文将不同标准用地的入渗参数平均值作为该立地类型入渗参数并代入如下公式:

结合公式迭代上述计算结果，可得各类型立地入渗方程分别为

玉米地：

f(t)=2.6518t-1/2+0.86420,R=0.9195

谷子坡耕地：

f(t)=2.4536t-1/2+0.80137,R=0.8845

油松林地：

f(t)=1.53492t-1/2+0.452801,R=0.9061

沙棘林地：

f(t)=2.01624t-1/2+0.63182,R=0.8663

山杏林地：

f(t)=1.34584t-1/2+0.43158,R=0.8068

裸地：

f(t)=1.00846t-1/2+0.32481,R=0.8605

试验结果表明：在降雨初始时期，土壤中含水还未达到饱和状态，参数的设定为决定入渗变化特征的主要因素，降雨入渗与水平吸渗特征相同，可用初始入渗率S表示土壤的入渗能力，此过程中入渗强度不仅受土壤物理性能影响而且与降雨响度相关；随着降雨时间的推移，土壤逐渐达到饱和，土壤入渗趋于稳定，地表开始产生径流，降雨强度大于土壤的入渗能力，此过程中可采用稳定入渗率表征土壤的入渗能力[7-9]。

2.3 构建小流域产流模型

在详细分析了研究流域内地表径流影响众多影响因子:小区坡度X1、小区长度X2、土壤初期含水量X3、土壤容重X4、土壤孔隙率X5、林地覆盖率X6、降雨量X7、降雨强度X8、非毛管孔隙率X9、林龄X10、腐殖物厚度X11及胸径X12的基础上，利用逐步回归分析基本理论建立了不同土地利用类型即坡耕地Y1、林地Y2和裸地Y2的降雨入渗产流回归方程：

本文所构建的乐园小流域不同立地的产流入渗模型见表5。

由降雨入渗产流回归方程可以看出，降雨强度、林地覆盖率、土壤初始含水量、地表坡度、土壤物理

表5 辽西小流域不同立地产流模型

续表

性能是影响裸地和坡耕地产流系数的主要因素；而腐殖物厚度、降雨强度、耕地坡长、非毛管孔隙率及土壤初始含水量是影响林地地表径流系数的主要因素[10]。

根据表5中各地类型标准回归系数，植被覆盖率、土壤孔隙率与裸地和林地成明显的负相关性，其基本作用原理为种植林地植被可有利于地表保持水流，提高土壤与降雨径流的接触时间，形成壤中渗流，减少地表径流量；土壤孔隙率越高则渗透性能越好，有利于发挥降水对土壤的入渗作用，使降雨在壤中渗流。腐殖物厚度、土壤非毛管孔隙率与林地的径流系数表现为负相关性，其基本作用原理为腐殖落叶的存在改变了土壤的理化性能，土壤结构得到改善且非毛管孔隙率增大，降雨径流产生时可通过非毛管孔隙和疏松结构的土壤减少地表径流量；降雨强度、土壤初始含水量以及地表坡度与坡耕地、裸地和林地的地表径流系数表现出正相关性，试验结果不仅符合降雨入渗产流的实际状况，同时与其他相关研究结果保持一致[11]。

降雨量与地表径流系数的变化规律表现不明显，其原因可能是乐园小流域的地表径流为超渗产流，故一般受降雨强度的影响较大，降雨量对地表径流系数的作用明显小于降雨强度。受人工模拟降雨范围和试验条件限制，加之坡长变化区间较小，且距离较近，故回归方程中没有反映出地表坡长影响因子的影响，坡度对径流系数的影响作用大于坡长。

3 结 论

本文分别采用两种降雨方式即人工模拟降雨和自然条件降雨对辽西小流域的地表径流和泥沙径流量进行试验观测，并选取不同的土地利用类型如坡耕地、草地、林地和裸地进行地表产流、产沙量的对比分析；在详细分析了Philip基本计算公式和人工模拟降雨入渗试验结果的基础上，采用最小二乘法基本公式进行土壤稳渗率和初始入渗率的计算，建立不同土地利用类型的降雨入渗方程；再利用逐步回归分析基本方法，通过对人工模拟降雨渗流试验结果进行分析处理，构建了用于乐园小流域的入渗产流及其相关影响因子的数学方程，并得出相关结论。本文揭示的辽西小流域的入渗产流变化特征，可为其他小流域的降雨径流蓄积利用和水环境生态治理提供决策依据和理论支撑。

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