基于不同雨型的地表径流与壤中流输特征研究

全占东

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

降雨为地表径流、壤中流和坡地土壤侵蚀的产生提供了动力来源，同时为土壤蓄水创造了必要条件。棕壤的持水能力差、有效含水量低，从而导致棕壤坡地季节性干旱、洪涝灾害等问题并存的现象，对于坡面径流的合理调节及其输出规律的研究越来越引起国内外学者的关注。中国北方棕壤区壤中流的存在增大了坡地土壤水文过程的复杂程度，坡面径流的组成包括地下径流、壤中流和地表径流，这也是导致坡地产流分层输出的关键因素。目前，人工模拟降水属于研究坡面产流特征与不同雨型关系的主要手段，而考虑壤中流试验观测与自然降雨条件的研究还鲜有报道。对坡地径流与棕壤区降雨关系的研究，主要侧重于植被覆盖下年径流量空间分配、坡面径流与壤中流耦合关系、降雨影响因子、水量平衡、年尺度的水分动态等方面，然而棕壤坡地径流分层输出与自然场次不同雨型条件的关系仍需进一步研究[1-7]。因此，通过开展自然降雨观测试验，以3种不同方式的棕壤坡地壤中流和地表径流为例，利用土壤水分渗漏装置对不同雨型下的分层输出特征进行研究，科学分析产流受棕壤下垫面及坡地降雨产流特征的影响，以期为科学调控径流、水土保持提供一定指导。

1 试验方法

1.1 试验地段

试验地设于鞍山市岫岩县大洋河上游大虎沟小流域内(如图1)，其中心坐标为E40°29′39″，N123°26′52″。该流域地貌形态主要表现为山势陡峻、沟壑纵横，地貌北高南低，最高海拔624.2m，地形以低山、丘陵为主，间有小块冲积平原和盆地。试验地段位于北温带湿润季风气候区，春季多旱寡涝、冬季多雪干冷、夏季高温多雨、秋季阴晴多变，四季分明，雨热同步，年均降水量860mm，7月至8月占全年降水的60%，年均气温7.5℃，干燥度0.73，年蒸发量1237mm。土壤类型以棕壤为主，草甸土次之，属于暖温带落叶阔叶林带，华北松槐混交林型区，林草覆盖率63%，从下而上土壤坡面的典型土体构型依次为Bsv、Bs层、Ah层，相应的厚度为50-200cm、30-50cm、0-30cm[8-9]。

图1 流域分布图

1.2 设计方法

本研究设置A植草覆盖、B干草敷盖、C裸露3种不同处理小区，土壤物理性状如表1。其中，A小区种植覆盖度达100%的百喜草；B小区不种植植被，其地表横向100%敷盖刈割的百喜草，厚度15cm；C小区无植被，地表完全裸露用于对照处理。

表1 土壤物理性状

通过对坡脚修筑挡土墙、小区底部及周围浇筑厚20cm混凝土等，形成可排水式封闭的土壤渗漏装置。小区填土深1.2m，水平投影为长15m、宽5m的方形水泥槽，底部坡度15°。以大虎沟小流域内一块坡度、土壤理化特性、厚度等条件基本相同的典型坡地设置试验小区，从上至下分3层、每层厚40cm依次取出原土块，放置时要分开堆放。所有取土样完成后，按原样将土块回填至1.2m深。然后从上而下沿小区坡地断面依次设置出水口4处，径流池与出水口之前用塑胶管连接，发挥承接泥沙与径流的作用，地表径流出水口设置于最上部，而地下径流和壤中流出口分别设置于地下60cm、30cm处。

以2016年1月1日-2018年12月31日作为试验观测期，从中选出典型的32场次自然降雨事件。鉴于次降雨事件下地下径流出现不断流的情况，即无法准确区分场次降雨产流的问题，本研究未深入分析地下径流输出特征。试验中选择不同分层径流量、降雨历时、降雨量作为试验观测项目，并按照气象部门相关资料合理划分降雨标准，即24h降雨量<10mm、10.1-25mm、25.1-50mm、>50.1mm的属于小雨、中雨、大雨、暴雨及以上降雨。

2 结果与分析

2.1 小雨型下的输出特征

设A0、A30、A60依次代表A小区的地表径流、30cm和60cm土层深的壤中流，其它小区相同，小雨型下各小区径流分层输出量如表2。从表2看出，A、B、C小区在10场次小雨情况下均未产生地表径流。此外，30cm和60cm土层深情况下，A小区均未产生壤中流，而B小区均产生4次壤中流，C小区产生1次和2次壤中流。

表2 小雨型下各小区径流分层输出量

2.2 中雨型下的输出特征

中雨型下各小区径流分层输出量如表3。从表3可看出，A、B、C小区在10场次中雨情况下产生地表径流次数为3次、3次、5次，通过与表2的对比分析发现产生地表径流的降雨应达到中雨及以上等级。最易形成地表径流的是地表条件为裸露处理的C小区，结合C小区产流状况能够推断出产生地表径流的平均临界雨强为1.8-2.0mm/h区间，临界雨量处于10.1-11.0mm范围。裸露对照、干草敷盖、植草覆盖小区壤中流，在中雨雨型所有降雨产流中占壤中流和地表径流总量之比依次为12%、81%、58%。

表3 中雨型下各小区径流分层输出量

2.3 大雨及以上雨型下的输出特征

大雨及以上型下各小区径流分层输出量如表3，不同小区各层径流量随着降雨量的增大逐渐增多。通过计算发现，大雨及以上雨型下A小区的地表径流量占壤中流与地表径流总量的比例为23.94%-64.11%，30cm深和60cm深壤中流所占比例为21.20%-52.33%、0%-42.26%；B小区的地表径流量占壤中流域地表径流总量的比例为21.88%-59.95%，30cm深和60cm深壤中流所占比例为24.25%-56.34%、4.28%-34.34%；C小区的地表径流量占壤中流域地表径流总量的比例为48.45%-96.98%，30cm深和60cm深壤中流所占比例为0.54%-18.46%、2.02%-35.80%。研究表明，从小到大各小区径流分配中地表径流所占比例为A

表4 大雨及以上雨型下各小区径流分层输出量

2.4 地表径流与壤中流输出特征

不同措施各雨型下的径流分层输出量占降雨量的比例等于各年份不同雨型下的径流量之和，如图2。从图2看出，2016-2018年，小雨型下仅产生壤中流，其径流分层输出仅占总降雨量的2%；中雨型下裸露处理小区C的地表径流占比较大，30cm深时小区B的壤中流占比较大；相对于中雨及以下雨型，大雨及以上雨型的各层径流量占降雨量比例较高，而地表径流占比最高的为C小区，总体处于10%-30%区间。

(a)小雨型

(b)中雨型

(c)大雨及以上雨型

2.5 讨论分析

1)通过计算各层径流输出在不同雨型下的总和揭示各分层径流输出规律，结果表明裸露对照、干草敷盖、植草覆盖在小雨雨型下均未产生地表径流，覆盖小区60cm深、30cm深壤中流和地表径流的各层径流输出比为100:0:0，敷盖小区为30:70:0，裸露对照小区为92:8:0；裸露对照、干草敷盖、植草覆盖在中雨雨型下60cm深、30cm深壤中流和地表径流的各层径流输出比为10:4:86、18:60:22、16:41:43，按照优劣排序各措施对促进中雨降雨入渗为裸露<覆盖<敷盖，该结果与现有资料年尺度研究成果高度一致；裸露对照、干草敷盖、植草覆盖在大雨及以上雨型下60cm深、30cm深壤中流和地表径流的各层径流输出比为5:2:93、22:41:37、25:37:38，说明单场大雨下裸露处理以地表径流为主，而覆盖与覆盖处理以壤中流为主。根据大雨雨型下至小雨雨型下的径流分配特征可知，裸露处理的坡地产流地表径流随次降雨雨量的增大而增大，敷盖和覆盖处理的坡地产流在暴雨、大雨、中雨雨型下均以壤中流为主。从时间的角度上，小雨型条件下，2017年覆盖小区60cm深壤中流占降雨量之比要高于2016年；中雨型条件下，2018年覆盖小区60cm深、30cm深壤中流占降雨量之比要高于2017年，分析其原因可知处理措施有利于径流下渗，通过改良土壤性状促进了坡地壤中流的发育。

2)结合各小区产流状况可知，在未达到临界雨量时各场次降雨无法形成壤中流，即降雨量对壤中流的影响较为显著。干草敷盖小区壤中流比例最大与枯落物消减径流动能、增大地表糙度相关，并且枯落物具有较强的持水能力，为增大降雨入渗提供了有利条件；前期土壤含水率与裸露小区壤中流产流情况相关，降雨量对壤中流的影响只发生在达到临界含水率以后的时段。

裸露小区地表径流比例随着中雨、大于及以上雨型的增大而增加，其比例超过90%，由于无法有效的阻滞地表径流，从而使得降雨从地表快速的输出；敷盖和覆盖处理以壤中流产流为主，可见在雨量较大的情况下枯落物敷盖、植草覆盖等措施能够显著增加地表入渗量。实践表明，在大到暴雨情况下不仅要栽种植物提高植被覆盖度，为达到较好的保水保墒效果还要辅以覆盖措施。

3)考虑到长期观测成本和区域经济条件，土壤水分渗漏装置对每种措施仅观测一个小区。经长期的自然下沉，各土层土壤容重和土壤性状会发生一定的改变，因此为壤中流的形成提供了条件。由于该装置设立时间较长，原状图与自然沉降后的回填土层相差不大。

3 结 论

通过试验分析揭示了三种不同处理措施在不同雨型下的径流输出特征，小雨雨型下裸露处理、干草敷盖和林草覆盖均未形成地表径流；优劣排序各措施对促进中雨降雨入渗为裸露<覆盖<敷盖；裸露处理的坡地产流地表径流随次降雨雨量的增大而增大，其比例超过90%；敷盖和覆盖处理的坡地产流在暴雨、大雨、中雨雨型下均以壤中流为主，在雨量较大的情况下枯落物敷盖、植草覆盖等措施能够显著增加地表入渗量。

研究表明，在大到暴雨情况下不仅要栽种植物提高植被覆盖度，为达到较好的保水保墒效果还要辅以覆盖措施。