模拟降雨下枯落物调控坡面径流特征分析

高永华

(河北省衡水水文勘测研究中心,河北 衡水 053000)

0 引言

枯落物层是森林生态系统组成的重要部分,在保护地表土壤、防止水土流失起着重要作用,如何利用森林枯落物防止土壤侵蚀。针对此问题,学者们进行了多方面研究,张益等[1]对北京山区典型植被枯落物和土壤层水文功能进行了研究,研究结果表明:枯落物最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率为侧柏;贺万鹏等[2]对青藏高原东北边缘云杉属-冷杉属林火烧迹地枯落物持水特征进行了研究,研究结果表明:火烧迹地枯落物的持水性能中、下坡大于上坡;李东宾等[3]对浙江省四明山区不同森林类型枯落物及土壤持水性能进行了研究,研究结果表明:樱花的种植显著降低了枯落物的储量和持水能力;孙佳美等[4]对模拟降雨下枯落物调控坡面产流产沙过程及特征进行了研究,研究结果表明:枯落物坡面径流平均流速相比裸坡显著减小;孙旭[5]对模拟降雨条件下枯落物覆盖对坡面地表和壤中流产流过程的影响进行了研究,研究结果表明:枯落物覆盖密度越大,地表产流时间越长,产流量越小。

本文总结了以上研究植被枯落物的持水特征及枯落物坡面产流过程,根据总结,本文通过人工模拟降雨,更深入的研究了枯落物覆盖坡面径流特征,并对坡面径流的产流产沙特征进行了分析。

1 试验材料及方法

1.1 研究区概况

研究区位于内陆腹地,关中平原西部,东连咸阳,南接汉中,其地质地貌结构复杂,海拔差异悬殊。该地区的森林分布有松栎林带、桦木林带、太白红杉林带。为研究该地区枯落物覆盖条件下坡面土壤侵蚀过程,保护地表土壤,本文采取人工模拟降雨的试验方法,对枯落物调控坡面的径流特征进行了分析。

1.2 试验设备及试验方法

本次试验在人工模拟降雨大厅进行(图1),该设备有效降雨面积0～200 m2,降雨高度3～6 m,雨滴大小调控范围1.0～5.0 mm,雨强连续变化范围10～240 mm/h。试验选用研究区常见的落叶树种白桦为研究对象,为减少叶片表面携带的泥沙及叶片水分不同所造成的误差,将收集的枯落物清水洗净后,放在阴凉处自然风干,使叶片保持含水率基本一致,将处理好的叶片作为坡面枯落层。

图1 人工模拟降雨设备

根据研究区白桦林枯落物量,降雨试验设置4个枯落物生物量等级,分别为0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2,设置三种类型的降雨强度,分别为25 mm/h、50 mm/h、75 mm/h,设置试验坡度为15°,为保证实验精度,经72 h后重复上一次试验,取所得数据平均值进行分析。

试验坡面面积长×宽分别为3 m×5 m,深度为50 cm,坡面采用分层的方式进行填土,每10 cm一层,填土时注意保证土面平整,每层填土完成后均充分压实,将最上一层填土压实后刮毛,保证坡面有一定的粗糙度,防止土层间产生滑动影响试验效果。在正式降雨前,将4个等级的枯落物均匀分布4个试验土体表面,各个坡面的枯落物保证厚度相同。试验设置降雨时间为1 h,因前期地表径流变化较大,为保证测量准确,前10 min时间段每2 min测量一次地表径流,在10 min后每5 min测量一次地表径流,将收集的径流静置12 h后过滤,过滤出的沉积物烘干称重。测量坡面流速时,由于径流在坡面中上部产生,流至坡面底部时,径流流速趋于平稳,所以测量流速时选择从坡底往上50 cm开始,每隔0.9 m设置一个断面,共5个测量断面,然后分别测量各断面流速。取其平均值作为坡面流速。

2 试验结果与分析

2.1 地表径流产流率分析

通过人工模拟降雨试验,根据所得数据,得出在不同降雨强度条件下,覆盖枯落物的地表径流产流率曲线,如图2所示。

图2 地表径流产流率

如图2(a)所示,随着时间的增加,坡面产流率均先快速增大,再逐渐趋于平稳。降雨强度相同时,在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产流率最大,枯落物量为45 g/m2时产流率次之,枯落物量为135 g/m2时产流率最小。由于地表枯落物减缓了径流的流动,增加了地表入渗率,相较于裸坡,产生的径流较小。地表覆盖的枯落物越多,地表的产流率越低。

如图2(b)所示,随着时间的增加,坡面产流率均先快速增大,再逐渐趋于平稳。当降雨强度相同时,在9～20 min阶段,坡面枯落物量为135 g/m2时产流率较枯落物量为90 g/m2时产流率大,在20～60 min阶段,枯落物量为90 g/m2时产流率快速增加,曲线变化明显,枯落物量为135 g/m2时产流率增加缓慢,曲线较平缓。

在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产流率最大,枯落物量为45 g/m2时产流率次之。

如图2(c)所示,随着时间的增加,坡面产流率均先快速增大,再逐渐趋于平稳。当降雨强度相同时,开始产流后,在2～4 min阶段,坡面枯落物量为135 g/m2时产流率较枯落物量为90 g/m2时产流率大,在4 min后,枯落物量为90 g/m2时产流率快速增大,曲线变化明显。在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产流率最大,枯落物量为45 g/m2时产流率次之,枯落物量为135 g/m2时,在4 min后产流率最小。

如图2可知,随着时间的增加,坡面产流率均先快速增大,再逐渐趋于平稳,降雨强度越大,产流越快达到稳定状态。在相同降雨条件下,枯落物量为0 g/m2时产流率最大,枯落物量为45 g/m2时产流率次之,枯落物量为135 g/m2时产流率最小。坡面覆盖枯落物等级越大,产流率越低,因枯落物的覆盖增大了土壤入渗速率,减小了地表径流量,坡面产流率随之降低。

2.2 地表径流产沙率分析

通过人工模拟降雨试验,根据所得数据,得出在不同降雨强度条件下,覆盖枯落物的地表径流产沙率曲线,如图3所示。

图3 地表径流产沙率

如图3(a)所示,随着时间的增加,坡面产沙率在极短时间均先快速增大,达到最大峰值后,再逐渐减小然后趋于平稳。当降雨强度相同时,在4～8 min阶段,坡面枯落物量为135 g/m2时产沙率较枯落物量为90 g/m2时产沙率大,在8 min后,枯落物量为90 g/m2时产沙率逐渐增大,达到峰值0.7 g/(min·m2)后,再逐渐减小,然后趋于平稳,曲线平缓。在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产沙率最大,枯落物量为45 g/m2时产沙率次之,枯落物量为135 g/m2时产沙率最小。

如图3(b)所示,随着时间的增加,坡面产沙率在极短时间均先快速增大,达到最大峰值后,再逐渐减小然后趋于平稳。当降雨强度相同时,坡面枯落物量为135 g/m2时产沙率在4 min时达到峰值1.2 g/(min·m2),然后在逐渐减小,曲线趋于平缓。在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产沙率最大,枯落物量为45 g/m2时产沙率次之,枯落物量为135 g/m2时产沙率最小。

如图3(c)所示,随着时间的增加,坡面产沙率在极短时间均先快速减小,到一定时间段后逐渐趋于平稳。在当降雨强度相同时,在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产沙率最大,枯落物量为45 g/m2时产沙率次之,枯落物量为135 g/m2时产沙率最小。在20 min前,各坡面产沙率下降幅度较大,在20 min后,各坡面产沙率趋于相对稳定状态,

如图3可知,随着时间的增加,在降雨强度分别为25 mm/h、50 mm/h时,坡面产沙率在极短时间均先快速增大,达到最大峰值后,再逐渐减小然后趋于平稳。在降雨强度为75 mm/h时,坡面产沙率在极短时间均快速减小,到一定时间段后逐渐趋于平稳。在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产沙率最大,枯落物量为45 g/m2时产沙率次之,枯落物量为135 g/m2时产沙率最小。降雨强度越大,产沙率越大,坡面覆盖枯落物量越大,产沙率越小。因为降雨强度是影响土地侵蚀过程的主要因素,而坡面覆盖枯落物可避免雨滴直接滴落地表,起到缓冲雨滴动能的作用,防止雨滴溅蚀地表,造成水土流失。同时坡面覆盖枯落物增加了地表的粗糙度,降低地表径流的速度,减少了径流对地表面的侵蚀。

3 结语

通过人工模拟降雨试验,在不同降雨强度条件下,本文对不同枯落物生物量坡面侵蚀过程进行了观测,并对坡面径流的产流产沙特征进行了分析,可得如下结论:

(1)相同降雨强度条件下,枯落物量分别为0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2时,随着时间的增加,坡面产流率均先快速增大,再逐渐趋于平稳,降雨强度越大,产流越快达到稳定状态。在相同降雨条件下,枯落物量为0 g/m2时产流率最大,枯落物量为45 g/m2时产流率次之,枯落物量为135 g/m2时产流率最小。

(2)降雨强度分别为25 mm/h、50 mm/h条件下,枯落物量分别为0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2时,随着时间的增加,坡面产沙率在极短时间均先快速增大,达到最大峰值后,再逐渐减小然后趋于平稳。在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产沙率最大,枯落物量为45 g/m2时产沙率次之,枯落物量为135 g/m2时产沙率最小。

(3)降雨强度为75 mm/h条件下,枯落物量分别为0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2时,随着时间的增加,坡面产沙率在极短时间均快速减小,到一定时间段后逐渐趋于平稳。在相同时间条件下,枯落物量为0 g/m2时产沙率最大,枯落物量为135 g/m2时产沙率最小。