人工降雨試驗在普通褐土上的應用

人工降雨試驗在普通褐土上的應用

1土壤侵蝕過程模型的建立和應用需要重新審視和解決土地在碎石山區(qū)，土壤表面上有大量礫石（土壤直徑大于2mm）。另外,土壤侵蝕也導致了某些地區(qū)的土壤出現(xiàn)了嚴重的土地退化和土壤粗化問題,使得土壤含有大量的礫石。土壤中礫石存在不僅會影響土壤的入滲特性,而且對地表徑流、水力參數(shù)和土壤侵蝕產(chǎn)生影響。因此土壤中礫石的存在會直接影響到土地退化的程度,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和經(jīng)濟社會發(fā)展水平等產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)有的土壤侵蝕過程模型,如水蝕預報模型WEPP,歐洲土壤侵蝕模型EUROSEM,Linburg土壤侵蝕模型LISEM以及美國土壤侵蝕經(jīng)驗模型RUSLE,都描述了土壤中礫石存在對土壤侵蝕的影響。但是已有的研究表明,礫石覆蓋既可增加徑流和侵蝕,也可減少徑流和侵蝕,這種關(guān)系與土壤質(zhì)地有關(guān)。了解和掌握北京市的水土流失狀況,對于合理開發(fā)和利用北京市的水土資源,建立良好的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),保護北京市地表飲用水源的水質(zhì),促進北京山區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展有著極其重要的指導作用。坡面土壤侵蝕模型是水土流失評估的一個重要技術(shù)工具。北京石質(zhì)山區(qū)的粗骨褐土中,荒草地土壤表層的礫石含量高達22%以上,因此土壤侵蝕模型中考慮礫石的存在會直接提高坡面土壤侵蝕模型的計算精度。Box提議將礫石覆蓋因子作為一個單獨的因子放在土壤通用流失方程中,但目前關(guān)于北京地區(qū)土壤中礫石存在對土壤侵蝕的研究還較少。因此,本文擬用人工降雨試驗,研究不同坡度下礫石覆蓋對降雨徑流和土壤侵蝕的影響,為土壤侵蝕模型提供參數(shù)服務。2數(shù)據(jù)和方法2.1不同降雨強度對土壤覆蓋度的影響采用人工降雨裝置來進行試驗。人工降雨機采用美國國家土壤試驗室研制的諾頓降雨機,降雨機長5m,每臺降雨機有4個等間距的噴頭,一臺降雨機的有效降雨面積為5m×1.5m,試驗使用兩臺降雨機,兩降雨機之間間距為1.10m。降雨空間分布的均勻性用均勻性系數(shù)進行評價,即:Cv=1-s/x,式中x為平均值,s為標準差。根據(jù)試驗區(qū)間(1.92m2)60個采樣瓶的3次重復取樣結(jié)果,計算得到Cv=0.88。人工降雨機的模擬降雨強度范圍為15～130mm/h。本研究選擇了30,67,92mm/h3個不同的降雨強度來進行試驗。試驗土盤長1.0m、寬0.5m、深0.5m。土盤底部均勻分布有間距為0.1m、直徑為0.01m的小孔。在土盤底部,先放置一層20cm厚的粒徑較均勻的礫石,在其上層鋪一塊透水性好的厚布,布的上層裝厚20cm的試驗土壤。試驗土壤為普通褐土(粉壤土),采集于北京延慶縣上辛莊棄耕地0-20cm土壤,土壤機械組成為砂粒22%、粉粒62%、粘粒16%,試驗前將土壤過5mm篩,試驗土壤含水量為(5.1±2.3)%,土壤容重為(1.28±0.07)×103kg/m3。礫石采自北京延慶縣上辛莊山上,將礫石過6mm和20mm直徑的方孔篩,其中粒徑為6～20mm的礫石用于試驗。礫石長、中、短軸直徑分別為23.4,16.4,11mm(樣本數(shù)為100)。0%,5%,10%,20%,40%和80%共6個不同的礫石覆蓋度被模擬。礫石覆蓋度與礫石重量之間的關(guān)系通過試驗確定,其具體做法是:稱取一定重量的礫石(粒徑為6～20mm),將其均勻、不重疊地鋪在1m×1m的水平小區(qū)上(以綠紙做背景色),用可遙控的奧林巴斯全自動光學相機,固定焦距為28mm,相機距離地表3m左右,進行垂直照相,所得照片用GIS軟件IDRISI分類處理,可計算出礫石在綠色紙上的覆蓋度,并建立礫石覆蓋度與礫石重量之間的相關(guān)關(guān)系:Rc=11.787RgR2=0.925(1)式中:Rc為礫石覆蓋度(%);Rg為礫石重量(kg/m2)。試驗時,根據(jù)試驗覆蓋度,稱取相應重量的礫石,均勻不重疊地將礫石置于土壤表層。土盤坡度可調(diào)節(jié),試驗坡度為20°。試驗具體設計方案如表1。2.2地表流速和含沙量過程線在降雨過程中,進行流量和流速觀測。每隔3～7min用廣口瓶取一次徑流樣,用以測量流量和含沙量,含沙量用烘干法進行測定。根據(jù)測定的流量過程線和含沙量過程線,計算出次降雨的總徑流深度和總土壤侵蝕量。表面流速用染色法進行測定,每隔5～10min測一次,流速測定距離為整個坡長1.0m。因本文主要目的是分析礫石覆蓋對流速的影響,并不關(guān)心平均流速。因此,分析時沒有對所觀測的表面流速進行修正,直接用次降雨過程中所有觀測流速次數(shù)的平均值做為流速分析的基礎。當降雨強度為30mm/h和礫石覆蓋度為40%和80%時,流量太小導致觀測的流速誤差太大,在試驗分析中沒有考慮。3結(jié)果與分析3.1流量在加大壓力中的分布當?shù)[石覆蓋度較小和降雨強度較大時(92mm/h降雨強度,礫石覆蓋度小于80%時,以及67mm/h降雨強度,礫石覆蓋度小于20%時),流量隨降雨的繼續(xù)逐漸增加并趨于穩(wěn)定(圖1)。當?shù)[石覆蓋度較大(60%和80%)和降雨強度較低(30mm/h降雨強度)時,隨降雨繼續(xù)流量在逐漸增大。隨礫石覆蓋度的增加,流量有減小的趨勢,但不同降雨強度下,影響的程度不同。在降雨強度為30mm/h時,礫石覆蓋度對流量的影響最明顯。而降雨強度為92mm/h時,除80%覆蓋度的徑流量明顯低于其他礫石覆蓋度外,其余幾個礫石覆蓋度間的流量差異不如其他降雨強度那么明顯。隨著礫石覆蓋度的增加,徑流深有減小趨勢(圖2)。當降雨強度分別為92,30mm/h時,礫石覆蓋度為80%時的徑流深度分別比無礫石覆蓋時的徑流深減小了80%和90%,即降雨強度較小時,礫石覆蓋度的減流效益更明顯。為了消除降雨強度和降雨量的影響,將同一降雨強度、不同礫石覆蓋度下產(chǎn)生的徑流深與無礫石覆蓋時產(chǎn)生的徑流深的比值即相對徑流深作為分析的基礎。相對徑流深隨礫石覆蓋度的增加而減少,二者有較好的線性關(guān)系:R=-0.0093Cv+0.9742R2=0.7407(2)式中:R——相對徑流深;Cv——礫石覆蓋度(%)。F檢驗表明公式在0.05水平是顯著的。3.2不同降雨強度下的土壤侵蝕量變化規(guī)律一次降雨過程存在最大輸沙率,但最大輸沙率出現(xiàn)的時間卻因降雨強度和礫石覆蓋度的不同而有所差別(圖3)。高降雨強度(92mm/h)的最大輸沙率主要出現(xiàn)在剛產(chǎn)流的時候。低降雨強度(67,30mm/h)最大輸沙率則出現(xiàn)在產(chǎn)流后的一段時間里。67mm/h降雨強度的最大輸沙率出現(xiàn)在產(chǎn)流后的12～20min;30mm/h降雨強度的最大輸沙率出現(xiàn)在產(chǎn)流后15～40min。在相同礫石覆蓋度下,最大輸沙率出現(xiàn)的時候隨降雨強度的減小而延長。在同一降雨強度下,隨礫石覆蓋度的增加,輸沙率有減小的趨勢。這種差異在峰值時最明顯,隨降雨的繼續(xù),差異變小。降雨強度為92,67,30mm/h時,地表無礫石覆蓋時的最大輸沙率分別為40%覆蓋度最大輸沙率的3.8,2.4,2.7倍。在降雨結(jié)束時,67,92mm/h降雨強度下地表無礫石覆蓋時的輸沙率都為40%覆蓋度輸沙率的1.7倍。而對于30mm/h降雨強度,降雨結(jié)束時地表無礫石覆蓋時的輸沙率小于40%覆蓋度的輸沙率。降雨強度對侵蝕總量有影響。高降雨強度由于大的降雨侵蝕力而產(chǎn)生較大的土壤侵蝕量(圖4),但降雨強度并不影響礫石覆蓋度對土壤侵蝕量的影響趨勢。同一降雨強度下,土壤侵蝕總量隨礫石覆蓋度的增加有減小趨勢。因此,為了定量分析礫石覆蓋度對土壤侵蝕量的影響,將同一降雨強度下、不同礫石覆蓋度產(chǎn)生的土壤侵蝕量與無礫石覆蓋時產(chǎn)生的土壤侵蝕量的比值即相對侵蝕量作為定量分析的基礎。圖5點繪了不同降雨強度、不同礫石覆蓋度下的相對侵蝕量。隨礫石覆蓋度的增加,相對土壤侵蝕量減小。相對土壤侵蝕量(S1)與礫石覆蓋度(Cv)之間存在負指數(shù)相關(guān)關(guān)系:Sl=ae-bCv(3)式中:a為系數(shù),b為指數(shù),它們反映了礫石覆蓋度對土壤侵蝕量的影響程度。對本試驗土壤來說,b值取0.03,這與Box,Collinet,Weltz等以及Poesen等的研究結(jié)果都比較接近。4礫石覆蓋度對降雨過程的影響本研究的實驗結(jié)果表明,地表礫石的存在,對礫石下土壤起到了保護作用。隨著礫石覆蓋度的增加,對其下土壤的保護作用相應增強。在降雨過程中直接表現(xiàn)在地表礫石覆蓋減小了雨滴對土壤表層的直接打擊,減緩了土壤結(jié)皮的形成。因此隨礫石覆蓋度增加,徑流量減小,直接導致了水流流速的降低?；貧w結(jié)果表明,水流流速與徑流深度之間有很好的相關(guān)關(guān)系:Vs=0.0013R0.9104R2=0.91(4)式中:Vs——水流流速(m/s);R——徑流深(mm)。上述公式表明隨徑流深度減小,水流流速也隨之降低。此外,隨地表礫石覆蓋度增加,增加了地表阻力,也導致了水流流速減小(圖6)。相對水流流速是為了消除降雨強度的影響,不同礫石覆蓋度下產(chǎn)生的水流流速與無礫石覆蓋時產(chǎn)生的水流流速的比值。相對水流流速隨礫石覆蓋度增大呈指數(shù)遞減,其公式為:V=1.039e-0.016CvR2=0.76(5)式中:V——相對水流流速(m/s);Cv——礫石覆蓋度(%)。公式(5)在顯著水平為0.05時,通過了F檢驗,表明其是顯著的。因此隨著礫石覆蓋度的增加,水流流速降低,導致相應的水流挾沙力降低,同時水流可攜帶的松散沙量也隨礫石覆蓋度增加而減小。這兩方面共同作用,使得土壤侵蝕量隨礫石覆蓋度的增加而減小。在礫石覆蓋度為60%或80%時,輸沙率較小,且在整個降雨過程中幾乎保持不變(圖3),但流量卻是隨著降雨的繼續(xù)而逐漸增大(圖1)。這可能是由于水流挾沙力太小,不足以攜帶較多的泥沙;另一個可能的原因是地表過多的礫石覆蓋,使水流可攜帶的松散泥沙較少。降雨強度對徑流量和土壤侵蝕量與礫石覆蓋度之間的關(guān)系不存在影響,但對流量過程和輸沙率過程卻有明顯的影響。當降雨強度較大時,較高的降雨動能打擊地表,可以促進地表結(jié)皮的形成,因此,較低礫石覆蓋度下的流量在降雨過程中都逐漸趨于穩(wěn)定,而輸沙率也是產(chǎn)流剛開始時最大,而后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。但是在降雨強度較小時,尤其是30mm/h時,降雨動能比較小,對地表土壤顆粒的分散能力較弱,因此可延緩地表結(jié)皮的形成,有助于雨水入滲。因此,在30mm/h降雨強度下,即使降雨歷時達到90min時,流量也沒有達到穩(wěn)定。受流量過程和地表松散泥沙量的共同影響,小降雨強度的最大輸沙率出現(xiàn)在產(chǎn)流發(fā)生后的一段時間里。5地表礫石覆