降雨强度对坡地径流和产沙的影响研究

李彦芳

(山西鸿海工程设计有限公司，山西 太原 030000)

由于碳酸盐岩孔隙率较低，保水能力较差，因此土壤侵蚀和水土流失较为严重。喀斯特地区形成于可溶性碳酸盐岩区域，这些碳酸盐岩经受了地质和化学溶解的影响，形成由裂缝、管道和洞穴网组成的地下岩溶排水系统。岩溶系统的地表和地下形成了一个空间开放的双层水文系统。这种特殊的“二元结构”导致了地表和地下水土资源的损失。研究表明，地表和地下水土资源流失会引起喀斯特石漠化、土壤沉降和塌陷等危害。由于自然因素和人类活动的影响，我国西南喀斯特地区地表呈现出特殊的喀斯特石漠化景观，包括裸露的岩石、植被退化和严重的水土流失。

喀斯特石漠化是我国日益严重的环境问题，已成为仅次于西北荒漠化和黄土高原水土流失的第三大生态问题。喀斯特石漠化主要发生在石灰岩岩溶地区。这些地区也是主要的农业区。由于人类活动的影响，石灰岩土壤形成速度极其缓慢，土壤侵蚀速度远远大于土壤形成速度，随着时间的推移，这种不平衡导致了石漠化的景观。因此，防治岩溶地区地下渗漏是防治水土流失的关键。

目前的研究中，关于岩溶地下渗漏的相关研究较少。研究地下水土流失的方法和技术尚处于探索阶段。近年来，极端降水事件更加频繁，造成的极端降水更多，影响更显著。相关研究表明，极端降水事件的数量和比例呈增加趋势。降雨是导致土壤侵蚀的最重要动态因素之一，降雨强度的变化对土壤侵蚀产生了重大影响。因此，本文通过模拟降雨研究了地下裂缝孔隙度、坡度和降雨强度对坡面径流和产沙的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1土壤

试验土壤由碳酸盐岩和钙质黏土组成，土壤的物理特性见表1。

表1 试验土壤的物理特性

试验土壤采集地区属于亚热带季风气候，四季分明，季风发达。年平均气温22.5°C，年平均降水量约1100mm。雨季主要发生在4—8月。土壤的厚度在18～31cm范围内。因此，从坡耕地中收集了深度为0～25cm的土壤。

1.1.2地貌模拟

首先，将高度超过32cm的碳酸盐岩随机放置在长4m×宽2m×深0.4m的钢槽中。然后，根据采样时实地测量的土壤密度，在岩石空间中分层均匀回填，模拟基岩裸露率。土层总深度为28cm。土壤和岩石之间的接触区域进行人工压实。

1.1.3测试设备

试验使用侧撒降雨模拟器。降雨设备由控制器、仪表、水泵、水管、旋转吊杆以及其他部件组成。降雨的有效高度为2～4.5m，有效降雨面积为6m×6m。降雨均匀度>85%，雨滴直径在0.5～6mm，降雨强度为6～130mm/h。模拟降雨的最终速度与自然降雨的速度相似。

1.2 实验设计

本研究综合考虑了基岩裸露率、土层特征、降雨强度、坡度和地下裂缝孔隙度等影响因素。基岩裸露率是地表基岩裸露面积与水平投影面积的比值。实验基岩裸露率为15%。本试验土壤厚度为28cm，分为耕作层和犁底层，耕作层深度为18cm，压实力为300kPa，犁底层深度为10cm，压实力为1000kPa。降雨强度分别为30、60和90mm/h，分为3种类型，即轻度降雨强度(30mm/h)、中度降雨强度(60mm/h)和极端降雨强度(90mm/h)。通过调整钢槽的坡度，模拟了2种不同的斜坡角度：缓坡(10°)和陡坡(20°)。地下裂缝孔隙度是指地下裂缝孔隙总面积与水平投影面积的比值。钢槽的底部由2块可移动的钢板组成。钢板上有很多直径为5cm间隔均匀的孔。这些孔用于收集土壤侵蚀过程中进入地下孔隙的水和泥沙径流。通过调节两板孔的重叠程度来模拟地下裂缝孔隙度，模拟了3种类型的地下裂缝孔隙度，即微孔裂缝(2%)、小孔裂缝(4%)和大孔裂缝(6%)。每次降雨持续90min，每项试验重复3次。在每次降雨之前，用新鲜的土壤替换钢槽内的土壤。

1.3 降雨模拟

每次降雨实验前，对基岩裸露率、地下裂缝孔隙度、坡度和降雨强度进行调整。模拟顺序为：首先将地下裂缝孔隙度调整到设计水平。然后，根据试验设计，对钢槽内岩石进行调整，之后用土壤进行回填，最后将钢槽的坡度调整为设计坡度。利用降雨加速土壤沉降，使土壤含水量达到饱和。在降雨开始后，实验的时间从地表或地下首次发生径流开始。

1.4 实验方法和数据分析

1.4.1地下裂缝孔隙度模拟

地下裂缝孔隙度通过调整两个板孔之间的重叠面积来模拟。地下裂缝孔隙度可由公式(1)和(2)进行计算。

(1)

(2)

式中，UPD—地下裂缝孔隙度，%；S孔—2板孔洞重叠总面积，m2；S槽—钢槽底面积，m2；π—圆周率；R—底板孔的半径，m；L—孔洞重叠区域的最大的弦，m。

1.4.2径流量

根据径流来源，将径流类型分为地表径流、次表层径流和地下径流。从坡面收集地表径流。次表层径流通过土壤充气层饱和流中收集。地下径流通过地下裂缝孔隙收集。在测量期间，使用塑料大桶每10min收集一次地表径流、次表层径流和地下径流。对不同时期和整个降雨期的总径流进行了统计分析。

1.4.3产沙量

首先用定性滤纸过滤地表径流和地下径流中的沉积物，然后将沉积物样品转移到烧杯中，放入105℃的烘箱中烘干24h，干燥至恒重并称重。

1.4.4径流系数

径流系数是地表或地下径流与总径流量的比值。径流系数可由公式(3)进行计算。

(3)

式中，Cr—径流系数，%；Ri—地表或地下径流，L；R—总径流量，L。

1.4.5侵蚀比

利用侵蚀比可以直观地观察地表和地下渗漏对土壤侵蚀的影响。侵蚀比为地表或地下产沙量与总产沙量的比值，可由公式(4)进行计算。

(4)

式中，Ep—侵蚀比，%；Si—地表或地下产沙量，g；S—总产沙量，g。

1.4.6径流率

径流率是单位时间内单位面积产生的径流量。径流率可由公式(5)进行计算。

(5)

式中，Rr—径流率，L/(m2·min)；R—径流量，L；A—坡面面积，m2；T—降雨持续时间，min。

1.4.7产沙率

产沙率是单位时间内单位面积产生的泥沙量。产沙率可由公式(6)进行计算。

(6)

式中，Sr—产沙率，g/(m2·min)；S—产沙量，g；A—坡面面积，m2；T—降雨持续时间，min。

2 结果和讨论

降雨是土壤侵蚀的主要驱动因素，降雨强度对径流和土壤侵蚀有积极的影响。本文通过试验数据分析降雨强度对径流和土壤侵蚀的影响。

2.1 轻度降雨强度下径流特征

轻度降雨强度下径流产沙特征见表2。轻度降雨强度下不同坡度的径流率随降雨时间增加的变化规律如图1所示。轻度降雨强度下不同坡度的产沙率随降雨时间增加的变化规律如图2所示。从表中可以看出，轻度降雨强度(30mm/h)的情况下持续90min不产生坡面径流和土壤侵蚀。降水几乎全部渗入充气层和地下裂隙孔隙。产沙总量很小，且极其缓慢，但对土壤侵蚀的贡献率高达100%。地下裂缝孔隙度和坡度对坡面的径流率和产沙率均有着非常显著的影响。

图1 轻度降雨强度下不同坡度的径流率随时间的变化规律

图2 轻度降雨强度下不同坡度的产沙率随时间的变化规律

表2 轻度降雨强度下径流产沙特征

轻度降雨强度下，降水过程中不发生地表径流，地下径流是坡面径流的主要过程，地下径流系数在68.8%～96.6%之间。地下裂缝孔隙为径流提供了额外的通道，地貌具有地表高渗透性的特征。本次研究中，轻度降雨强度下地下径流率随降雨持续时间的增加呈先增加后趋于稳定的变化。地下径流率为0.16～0.50L/(m2·min)。

径流是坡面水蚀的主要驱动因素，能输送泥沙。轻度降雨强度下，由于斜坡表面没有发生径流，试验中没有泥沙被输送到斜坡范围之外。地貌斜坡上输沙的主要过程为小规模地下渗漏，输沙量在4.5～6.4g。产沙率随降雨持续时间的增加呈先减小后增大然后趋于稳定的变化。试验结果表明，轻度降雨强度下，地下渗漏虽然是一个非常缓慢的过程，但不可忽视。

地下径流系数随地下裂缝孔隙度的增大而增大，随坡度的增大而减小。当角度为10°时，径流系数在40min后达到稳定状态，当角度增加到20°时，径流系数在30min后达到稳定状态。地下径流率随地下裂缝孔隙度的增加而增加，但随坡度的增大而减小。地下裂缝孔隙度和坡度对地下产沙的影响与上述地下径流的影响相似。

2.2 中度降雨强度下斜坡产流产沙特征

中度降雨强度下地下产沙特征见表3。中度降雨强度下地表径流系数和地下径流系数的分布特征如图3—4所示。中度降雨强度下地下渗漏产生的侵蚀比的分布特征如图5所示。中度降雨强度下，斜坡发生地表水土流失，但地下渗漏仍占斜坡水土流失的大部分。坡度越小，地下水土流失的量越大。

图4 中度降雨强度下地下径流系数的分布特征

图5 中度降雨强度下地下侵蚀比的分布特征

表3 中度降雨强度下产沙特征

中度降雨强度下地表径流系数在1.7%～11.2%之间，地下径流系数在43.3%～63.5%之间。在中度降雨强度下，地下径流仍是斜坡径流的主要途径。

降雨强度增大会引起地表水土流失，并增大地下产沙量。与轻度降雨强度相比，中度降雨强度下地下输沙量增加5.1倍～7.2倍。结果表明，降雨强度增加导致地表和地下水土流失增加。雨滴溅射侵蚀力随着降雨强度的增加而增大。这种侵蚀力的增大导致土块的破坏，从而导致侵蚀比的增加。本次试验中雨滴溅射侵蚀比例随着降雨强度的增加而增加。

地表和地下输沙量随降雨强度、坡度和地下裂缝孔隙度的变化特征分析结果表明，中度降雨强度下，随着地下裂缝孔隙度的增加，地表产沙量逐渐减小，地下产沙量逐渐增加。地表产沙总量和地下产沙总量相当。随着坡度的增加，地表产沙量增加，地下产沙量减小。地下侵蚀比例随着地下裂缝孔隙度的增加而增加，随着坡度的增加而减小，但坡度的影响较小。

2.3 极端降雨强度下斜坡径流产沙特征

极端降雨强度下地下产沙特征见表4。极端降雨强度下地表径流、次表层径流和地下径流分布特征如图6所示。极端降雨强度下地下侵蚀比的分布特征如图7所示。可以看出，极端降雨条件下以地表径流和地表产沙为主。极端降雨条件下地下侵蚀比小于轻度和中度降雨强度，但地下产沙最大。

图6 极端降雨强度下径流率的分布特征

图7 极端降雨强度下地下侵蚀比的分布特征

表4 极端降雨强度下产沙特征

极端降雨强度下，地下裂缝孔隙度为2%时，径流以地表径流为主，地表径流系数在40%～43%之间，地下径流系数在25%～27%之间。当地下裂缝孔隙度增大到6%，地表径流系数减小到16%～22%，地下径流系数增大到37%～41%。极端降雨强度大于土壤入渗速率，通过入渗过剩径流和饱和过剩径流产生地表径流。地表径流量系数随坡度增大而增大，地下径流量系数随坡度增大而减小。

极端降雨强度对地表和地下产沙均有显著的促进作用。与轻度降雨强度相比，地下侵蚀比急剧下降。然而，与轻度降雨强度和中度降雨强度相比，极端降水强度下的地下产沙量显著增加。

3 结论

本文通过实验分析降雨强度、坡度和地下裂缝孔隙度对坡面径流和产沙的影响。结果表明：①径流的影响因素依次为降雨强度、坡度和地下裂缝孔隙度，产沙的影响因素依次为降雨强度、地下裂缝孔隙度和坡度。②轻、中度降雨强度时，地下裂缝孔隙度是径流和产沙的主要途径；极端降雨条件下，坡面土壤侵蚀的主要部分是地表径流及其产沙量。在此期间，地下侵蚀比例较低，但产沙量较大。③轻、中度降雨强度是目前最主要降水事件，地表的径流和产沙很少，应防止或减轻地下水土流失。④实验设置条件可能导致结果存在偏差，水土保持治理中，需加强治理效果监测，最大限度减小水土流失。