淮北平原砂姜黑土区坡面产流产沙规律试验模拟

（水利水资源安徽省重点实验室 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 引言

土壤侵蚀是指地面土壤及其母质在水力、重力、风力等作用和自然、人为因素影响下，产生剥蚀、分离、搬运和沉淀的现象，已经引起世界性的广泛关注[1]。通常来说，土壤侵蚀是社会经济因素和自然因素共同作用的结果[2]。据资料统计，淮北平原区水土流失面积达470.8km2，砂姜黑土面积占比为54%，土壤侵蚀比较严重，而国内研究淮北平原砂姜黑土土壤侵蚀较少。因此，本文以淮北平原砂姜黑土为例，采用室外人工模拟降雨方法研究不同坡度不同雨强下产流产沙规律，对于开展淮北平原区土壤侵蚀的防治及治理和水土保持具有一定的意义和作用。

2 试验设计与研究方法

2.1 试验设计

试验设备为QYJY-503 人工模拟降雨系统，有效降雨高度为6m，80%以上均匀度。试验土槽为安装液压装置钢槽，可调节0～20°坡度，规格为8m×4m×2m，钢槽顶部出水端设有集水孔，试验共设计3 个坡度（5°、10°、15°），3 个雨强（40mm/h、60mm/h、80mm/h），降雨时间为产流后60min，每个处理重复2次，取平均值进行计算和分析。

2.2 试验过程

试验用土采自五道沟水文实验站典型砂姜黑土，其中土壤颗粒分布：粉粒（0.001～0.01mm）的含量占35%，砂粒（0.01～1.0mm）的含量占65%（取土深度为0.0～0.2cm）取土后分层回填，不进行过筛操作，并让其自然密实。先标定泥沙测量传感器，取足量的实验土壤进行人为烘干，土壤烘干后，碾成粉末状，然后将已经安装传感器的三角堰堰口进行封堵，禁止水流出，根据三角堰结构计算出等量水位的水量，加入适量的水，再加入步长为5g/L 粉末土，直至溶液浓度达到50g/L，一个步长为一组，每组测量至少三个数据，求平均值，并拟合出泥沙浓度与感光度曲线，得出的泥沙传感器误差在5%以下，整个测量过程要始终进行搅拌，不让泥沙沉淀。压力水位传感器通过标定，误差小于0.1mm。预降雨前先用塑料薄膜覆盖试验小区，在薄膜上面均匀摆放500mL的盛雨器，按1m×1m 矩形摆放，降雨时间5min 后，计算出降雨强度，保证降雨强度误差在2mm 以内，然后开始正式降雨试验，降雨开始后，记录产流时间，径流和泥沙含量传感器每隔3min 测量一次水位与泥沙含量值，降雨历时为产流后60min，降雨结束后，通过测量的水位值计算出产流量，由产流量和泥沙含量计算出产沙量。

3 试验结果与分析

3.1 不同雨强条件下坡度对坡面产流过程影响

由图1 看出，在产流后9min 内随降雨时间变化产流量快速增大，然后缓慢增大直至平稳，其中5°40mm/h 差异较大，随时间变化产流量增大，其主要原因是雨强、坡度较小时，随时间的推移，入渗量渐渐减小，径流量渐渐增大，使产流量呈增大趋势。40mm/h 雨强产流量随坡度的增大而增大，10°较5°增大33.3%，15°产流量较10°增大9.2%；雨强为60mm/h 时，10°产流量较5°增大10.1%，15°和10°产流量基本相同，雨强80mm/h，10°产流量较5°增大16.9%，15°产流量和10°产流量基本相同。不同雨强下，相同坡长、坡度单位时间单位面积内接受的雨量随雨强增大而增大，产流量也随之增大[3]。当雨强超过60mm/h，坡度大于10°时，相同雨强下产流量随坡度的增大而基本相同，主要原因是径流流速随坡度增大而增大，但承雨面积随之减小，二者相互抵消，使产流量基本相同。

3.2 不同雨强条件下坡度对坡面产沙过程影响

由图2 看出，雨强为40mm/h，不同坡度产沙量随时间变化整体呈上升趋势，其中5°、10°产沙量随时间变化波动较小，15°波动较大。雨强为60mm/h，5°产沙量随时间变化缓慢增长后稳定在270～300g左右；60mm/h、80mm/h 雨强在 10°、15°时，产沙量随时间变化整体呈先快速上升后波动下降趋势，变化趋势基本相同；60mm/h 雨强时10°、15°都是在9min 内快速增长，9min 后有一定的波动，18min达到最大值分别为1106g、1403g， 18min 后波动下降，15°较10°波动较大，其中10°产沙量48min 后基本稳定在605～640g；雨强为80mm/h，5°产沙量随时间变化缓慢增长后稳定在480～510g，10°产沙量6min 内快速增长到1093g，15min 增长到最大值1856g，15min 后开始出现波动下降，54min 后基本稳定在1100～1140g，15°产沙量从3min456g 快速增长为6min2360g，6min 后波动下降，波动幅度较大。

图1 不同坡度下降雨时间对产流量影响图

图2 不同坡度下降雨时间对产沙量影响图

图3 累计产流产沙量与降雨时间拟合曲线图

表1 累计产流量与降雨时间回归分析结果表

表2 累计产沙量与降雨时间回归分析结果表

40mm/h 雨强，产沙量随坡度的增大缓慢增大；雨强60mm/h、80mm/h 时，5°产沙量随坡度的增大缓慢增大，10°、15°产沙量随坡度增大快速增大，其中雨强80mm/h 时10°、15°在降雨后期产沙量相近。主要原因是在较小雨强下，坡面侵蚀形式以溅蚀为主，在 15°坡面上出现部分斑状侵蚀，在降雨过程中没有可以导致产沙量剧增的细沟侵蚀出现，因此，产沙量变化幅度不大；当降雨强度增大后，径流量增大使得径流对土壤的破坏分散和冲刷能力增强并易于出现细沟侵蚀，从而造成侵蚀产沙量的增大，而在坡度较缓时，降雨强度对侵蚀产沙量的变化起主导作用，而当降雨强度和坡度同时增大时， 则侵蚀产沙量也就增大愈快，这是因为随着坡度增大，土壤稳定性下降更快，抵抗侵蚀能力减弱引起的含沙量增大也加剧了降雨强度所起的作用[4]。径流流速随坡度增大而增大，但承雨面积随之减小，二者相互抵消，使雨强80mm/h 时10°、15°在降雨后期产沙量相近。

3.3 累计产流产沙量与降雨时间关系

以60mm/h 雨强为例分析不同坡度累计产流量、产沙量与降雨时间关系。由图3 看出，随降雨的进行，不同坡度累计产流量、产沙量变化趋势基本相同，坡度增加，总产流、产沙量增大，主要是因为坡度增大，坡面径流流速加快，入渗量减小，径流携带泥沙量增大，使总产流产沙量增大。

分析不同坡度累计产流产沙量随时间变化关系（见表1、2），得出累计产流产沙量随时间变化关系呈y= ax+b（a，b 均为参数）线性函数关系，拟合优度均大于0.97，结果均为极显著。

4 结论

（1）产流量随降雨时间变化表现为先快速增大，再缓慢增大，后基本平稳，产流后9min 是产流量随降雨时间变化过程的转折点，其中5°40mm/h 差异较大，产流量随时间变化缓慢增大。同一坡度下，雨强越大，产流量越大；同一雨强下，坡度对产流量影响较复杂，雨强40mm/h，产流量随坡度增大而增大，雨强60mm/h、80mm/h，坡度由10°升到15°时，产流量随坡度增大而基本相同。

（2）40mm/h 雨强时，产沙量随坡度的增大而缓慢增大；雨强60mm/h、80mm/h 时，5°产沙量随坡度的增大缓慢增大，10°、15°产沙量随坡度增大快速增大，其中雨强80mm/h，坡度10°、15°在降雨后期产沙量相近。

（3）不同坡度，累计产流量、累计产沙量与降雨时间的函数关系均可用y= ax+b（a，b 均为参数）表示，R2＞0.97，拟合结果均为极显著■