不同降雨强度与小流域水土保持的关系研究

谭金泉

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000）

0 引言

长期以来，水土保持都是我国重点防范的问题。多年以来，我国经常因为大降雨导致许多事故发生，例如山体滑坡、洪水等自然灾害。由于我国是一个多种气候的国家，尤其是南方地区，经常因为降雨过剩导致事故发生。而对小流域的水土保持情况研究的并不多。基于此现象，针对不同降雨强度与小流域水土保持的关系进行研究，这对我国小流域水土保持工程具有重要意义。

面对土壤侵蚀时空格局影响[1]、水土流失时需要的保持措施[2]以及对不同流域下的水、沙通量变化情况[3]，这都会威胁到小流域水土保持工作，其中李桂静等[4]通过观测3种不同措施下的产流和产沙情况，研究在不同降雨条件下产流和产沙的变化特征，并评估其水土保持效益。但目前我国对小流域的水土保持情况研究依然较少，且考虑得不够全面。该文通过研究不同降雨强度与小流域水土保持的关系。通过建立Hy-drus-1D模型框架建立模型，并对数据进行分析，研究降雨强度对工程平均降雨量、平均产沙量、减流效益以及减沙效益的影响。

2 工程概况与研究方法

2.1 工程概况

某一山区小流域周边多山，山地最大海拔差距43 m，且该流域水资源主要来自降雨天气。试验选取地存在10°左右坡度，占地面积为40 km2。而该试验土壤为该区域0cm～10cm表层土，呈灰棕色，且存在一定杂质，土体的孔隙度为0.45。含水率则由FDR自动记录仪采集，并每4 d观察并取走室外地表地下水体，得出降雨后土体基本力学变化和化学成分变化。

2.2 研究方法

该研究在土保持实验室进行，模拟小流域周边环境。采用人工降雨设备进行降雨，降雨强度选取3个等级，分别为60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h，降雨时长为2 h。试验土槽将土壤分层充填入槽内，土槽坡度为5°和15°，长宽高为2.0m×1.0m×0.5m。

试验开始前，先用如果降雨方法进行30 min的60 mm/h的降雨，并静置24h，保证土壤结构稳定。土槽准备工作结束进行等高掏挖、机械锄耕等水土保持措施。试验开始后，降雨量和产沙量为该试验指标，记录土槽底部径流的时间以及每2 min一次的泥沙采样。降雨量通过称重法测量，产沙量可将泥沙干燥后称其质量。

3 数据分析

3.1 模型建立

由于小流域水土保持所受影响因素很多，因此采用Hy-drus-1D模型框架建立模型，精确模拟试验中溶质运移情况，该模型考虑多种因素，主要模拟一维尺度水等物质运移，具有灵活输入出功能。该模型的地表水分运动方程如公式（1）和公式（2）所示。

地表水分运动方程如公式（1）所示。

式中：θ、K、X、t和A分别为含水率、水传导率、横纵坐标、运动时间和水流-水平线夹角。

地表溶质运移方程如公式（2）所示。

式中：c、p、q、s和D分别为溶质的浓度、土壤的净容重、溶质扩散量、线性吸附能力和综合扩散系数。

利用公式（1）和公式（2）确定参数，并结合以往数据，得出各个参数初始值和率定值，见表1。

表1 率定值和初始值

确定模型参数后，检验模型合理性。由表1可知，模型计算结果与实际数值相关性接近于1，说明模型计算结果有效可靠。

3.2 数据分析

在公式（1）和公式（2）的基础上研究不同条件下人工耕作、机械锄耕和等高掏挖措施降雨试验，主要分析2种不同坡度和3种不同降雨强度。不同降雨强度的工程平均降雨量和平均产沙量如公式（3）所示。

式中：RY为平均降雨量；RY0为某一刻瞬时降雨量；N为采集数据数量。

式中：SR为平均产沙量；SY0为某一刻瞬时产沙量。

在不同降雨强度下，工程坡面减流效益的计算公式如公式（5）所示。

式中：ER为减流效益；RY1和RYt分别为平整地表和试验地表施工坡地总降雨量。在不同降雨强度下，工程坡面减沙效益如公式（6）所示。

式中：ES为减沙效益；RS1和RSt分别为平整地表和试验地表施工坡地总产沙量。

4 结果分析

4.1 降雨强度对工程平均降雨量和平均产沙量的影响

在不同降雨强度下，分析不同因素水土保持工程坡地平均降雨量情况，如图1所示。

由图1可知，当降雨强度为60mm/h～90mm/h时，等高掏挖、机械锄耕和人工耕作平均降雨量分别提升了109.7%、52.8%和136.7%。当降雨强度再次增加时，平均降雨量分别提升70.3%、80.5%和97.9%。与平整坡地相比，等高掏挖、机械锄耕和人工耕作的平均降雨量都在下降，通过坡度可以发现，坡度可以降低径流量，但当降雨强度达到一定值时，坡度作用较小。在不同的降雨强度下，不同因素水土保持工程坡地平均产沙量如图2所示。

图1 不同因素下降雨量与降雨强度关系曲线

图2 不同因素下产沙量与降雨强度关系曲线

由图2可知，降雨强度与平均产沙量呈正相关。当坡度为5°时，与平整坡地相比，等高掏挖和机械锄耕的产沙量趋于稳定且产沙量较低。而人工耕作的平均产沙量随着降雨强度增加越来越高，且当降雨强度达到一定值时，人工耕作的产沙量高于平整坡地。当坡度为15°时，等高掏挖、机械锄耕、人工耕作和平整坡地的产沙量先降低后增大，当降雨强度为80 mm/h时，产沙量都达到最低值。

4.2 降雨强度对工程坡面减流效益及减沙效益的影响

图3为不同因素下减流效益变化情况与降雨强度关系图，由图3可知，在3个等级的降雨强度下，等高掏挖在降雨强度为30 mm/h，坡度为5°时，减流量出现负值。而机械锄耕和人工耕作的减流量则随降雨强度增大而降低。但人工耕作的减流量一直保持在最大值。当坡度为15°时，等高掏挖随降雨强度变化较为平稳，而机械锄耕的减流量有明显峰值，在降雨强度为90 mm/h时，减流量最大。人工耕作的减流量随降雨强度增大而降低。综上所述，坡度与降雨强度对水土保持工程坡地有明显影响，但等高耕作减流效益最好，能够保证水土结构稳定。

图3 不同因素下减流效益变化情况与降雨强度关系图

当坡度为5°时，不同降雨强度条件下人工耕作和机械锄耕的减沙效果更显著，都呈先增大后减小的变化趋势，但等高掏挖在降雨强度为30 mm/h时，呈正值，然后减沙量逐渐降低。当坡度为15°时，等高掏挖的减沙量与降雨强度呈负相关，而机械锄耕的减沙量随降雨强度变化无明显波动，人工耕作减沙量则随降雨强度增大呈先减小后增大的变化趋势。综上所述，降雨强度增大，人工耕作、机械锄耕和等高掏挖等水土保持工程的坡地平均降雨量和产沙量呈正相关，但不同因素下的平均降雨量和产沙量对降雨强度响应特征呈出多元化变化。

5 结论

该文通过研究不同降雨强度与小流域水土保持的关系，得出以下3个结论：1）随着降雨强度增大，等高掏挖、机械锄耕和人工耕作平均降雨量也随之增大。且坡度可以降低径流量，但当降雨强度达到一定值时，坡度作用较小。2）降雨强度与平均产沙量呈正相关。当坡度为5°时，相较于平整坡地，等高掏挖和机械锄耕的产沙量趋于稳定且产沙量较低。当坡度为15°时，等高掏挖、机械锄耕、人工耕作和平整坡地的产沙量变化趋势呈先减低后增大，但降雨强度为80mm/h时，产沙量都达到最低值。3）等高掏挖在降雨强度为30mm/h，当坡度为5°时，减流量出现负值。而机械锄耕和人工耕作的减流量则随降雨强度增大而降低。当坡度为15°时，等高掏挖随降雨强度变化较为平稳，而机械锄耕的减流量有明显峰值。人工耕作的减流量则随降雨强度增大而降低。坡度与降雨强度对水土保持工程坡地具有明显影响，但等高耕作减流效益最好。4）当坡度为5°时，机械锄耕和人工耕作减沙量都呈先增大后减少的变化趋势，但等高掏挖在降雨强度为30 mm/h时，呈正值，然后减沙量逐渐降低。当坡度为15°时，等高掏挖的减沙量与降雨强度呈负相关，机械锄耕的减沙量无明显波动，人工耕作减沙量则随降雨强度增大呈先减少后增大的变化趋势。