模拟降雨条件下三峡库区紫色土坡地产流入渗特征

曾凤铃，刘淑婧，运剑苇，常 宝，鲍玲玲，刘建军，张卫华†

(1.西南大学资源环境学院，400716，重庆；2.重庆市涪陵区水利局，408000，重庆；3.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，400010，重庆)

三峡库区属亚热带湿润季风气候，年面降雨量800～1 400 mm，雨水资源丰富，但年际差异较大[1]。地形以山地丘陵为主，分别占库区总面积的71.3%和22.8%，其中紫色土分布广泛，占库区耕地的65%，是我国水土流失最严重的地区之一[2]。紫色土母岩疏松，胶结度和持水能力较差，侵蚀风化剧烈[3]，降雨充沛时极易发生蓄满产流，致使水土资源大量流失，土地耕层质量下降，这严重阻碍山区农业的可持续性发展，也对库区水体的生态安全造成了威胁。

坡面是发生土壤侵蚀以及水文响应的基本单元，降雨是侵蚀发生的动力[4]。径流机理是一个复杂的非线性系统，坡面土壤侵蚀程度与径流的水动力学特征密切相关[5]。因此，对坡面径流特征及其形成过程与机理方面的研究引起了学者们的重视。胡尧等[6]研究了降雨强度、坡度对红壤产流产沙过程的影响，结果表明径流强度随降雨强度的增大而增大，且稳定时间趋于提前。Dai等[7]通过模拟降雨和田间径流监测，对喀斯特地区斜坡黄壤进行研究，发现降雨强度对地表径流深有显著影响，但对下渗的影响不显著。车明轩等[8]采用室内人工模拟降雨装置，研究了紫色土坡面产流特征，认为降雨强度和坡度对径流总量的贡献率有着对比消长的关系，随着降雨强度的增大，坡面径流总量的主要贡献因子先是坡度，后变为降雨强度，而相较于坡长，坡度对产流量的影响更大。王茹[9]的研究表明入渗率、径流强度和产流量3个因素随产流历时的变化曲线可用幂函数来表达。付智勇等[10]研究三峡库区紫色土不同土层厚度的产流机制，发现由于不同土层的土体结构以及人为扰动情况存在差异，对于地表径流和壤中流，薄层紫色土分别表现为饱和产流和优先流，厚层紫色土分别表现为超渗产流和基质流。前人对黄土高原、南方红壤的研究较多，在紫色土地区多为对坡面产流产沙过程或入渗过程单一方面的研究；因此，笔者采用室内人工模拟降雨的方法，结合紫色土自身物理性质，探讨不同降雨强度和坡度组合下紫色土坡面降雨-产流-入渗特征，以期为三峡库区水土流失治理，径流调控以及紫色土坡面水文过程模型的确立提供理论依据和参考。

1 研究区概况

西南大学紫色土试验基地(E 106°18′14″～106°56′53″，N 29°39′10″～30°03′53″)位于重庆市北碚区，背靠缙云山，属西南坳褶带，境内由窄条状山脉和丘陵谷地构成，海拔175～1 312 m。该区域属亚热带季风湿润气候，年平均气温18.2 ℃，年均降水量1 156.8 mm，全年降水集中在5—9月，雨热资源充沛，土壤类型以紫色土、水稻土为主。坡耕地种植植物有水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)、红薯(Ipomoeabatatas)、蚕豆(Viciafaba)和天竺桂(Cinnamomumpedunculatum)等。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试土壤为沙溪庙组灰棕紫泥，采自西南大学紫色土试验基地，采样深度0～30 cm，室内自然风干后，拣去杂物并过10 mm筛备用；其黏粒质量分数7.4%、粉粒质量分数46.1%、砂粒质量分数46.5%，属于粉砂壤土(国际制)，pH值为6.50，密度1.35 g/cm3，饱和含水量39.7%，可代表三峡库区主要的耕作土壤类型。

2.2 试验设计

本试验于2018年7—9月在西南大学资源环境学院模拟降雨试验室进行，包括双环入渗试验和人工模拟降雨试验。试验共设计3种降雨强度(0.38、0.75和1.10 mm/min)和4种坡度(5°、10°、15°和20°)，每场试验做3个平行。采用人工模拟降雨装置，下喷式喷头距试验坡面2 m，由计算机控制降雨强度与降雨历时，降雨强度变化范围0.20～2.23 mm/min。试验土槽选择长×宽×高=2 m×1 m×0.5 m的可变坡式钢槽，土槽底部密封，坡面无植被覆盖，试验土槽表面自带V型集流槽，坡度调节范围5°～20°。填装土槽时，在土槽底部依次填充细砂5 cm、纱布1层以保证土壤透水性，再按5 cm 1层分层填装土样，边填充边压实，保证土壤密度在1.35 g/cm3左右，土样填装厚度30 cm。试验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Experimental apparatus

土槽填装完毕后先进行30 min的预降雨(降雨强度为0.38 mm/min)，静置24 h后将坡面整平，保证每次试验前土壤含水量和坡面糙度基本一致。每次正式试验开始前需率定降雨强度和均匀度，相邻降雨强度误差控制在5%以内，降雨均匀度超过90%，迅速揭开土槽表面塑料布开始降雨试验。试验中需观测产流过程，记录产流时间及产流量(前30 min每隔1 min接1次径流样品，之后每隔5 min接1次径流样品)。

采用双环法测定坡面单点稳定入渗率，外环和内环直径分别为50和25 cm，试验时用橡胶锤将双环均匀打入钢制土槽表层土深10 cm处，双环高度保持一致，用马氏瓶向环内供水并维持内外环水层深度相同。入渗开始后用秒表计时，记录不同时刻马氏瓶水位读数。入渗率是指单位面积上单位时间水分从地表进入土壤的强度，其计算公式如下：

(1)

式中：f为t时段内的入渗率，mm/min；F为t时段内的入渗量，cm3；t为入渗时间，min；s为入渗面积，cm2，内环面积490.87 cm2。

2.3 数据处理

采用Excel 2013进行试验数据计算与作图，SPSS 21.0做方差分析与模型拟合，用最小显著性差异法对数据进行显著性检验，显著水平为0.05。

3 结果与分析

3.1 降雨强度、坡度对坡面初始产流时间的影响

起始产流时间即降雨开始至地表产生径流的这段时间。由表1可知，降雨强度0.38～0.75 mm/min时，4种坡度对应的起始产流时间缩短近5 min；降雨强度0.75～1.10 mm/min时，起始产流时间仅缩短1 min左右，表明起始产流时间衰减程度随降雨强度的增大而缩小，陈洪松等[11]在野外模拟降雨下观测紫色土产流时也得到相似的结论。坡度5°～20°时，3种降雨强度下的起始产流时间分别缩短39、25和25 s，相差不大。

表1 不同处理下坡面起始产流时间Tab.1 Initial runoff generation time under different treatments s

对不同降雨强度与坡度条件下的起始产流时间进行差异性分析，发现3种降雨强度下的起始产流时间存在显著性差异(P<0.05)，多重比较结果表明，任意2种降雨强度下的起始产流时间差异性均达到显著水平(P<0.05)；4种坡度下的起始产流时间不存在显著性差异(P>0.05)，多重比较结果显示，10°和15°、10°和20°之间的起始产流时间差异性未达到显著水平(P>0.05)，其他任意2个坡度下的起始产流时间差异性均达到了显著水平(P<0.05)。

3.2 降雨强度、坡度对坡面产流和入渗的影响

3.2.1 坡面径流强度随降雨历时的变化 由图2可知，一定坡度(采用三峡库区坡耕地较常见的坡度15°)下，径流强度随降雨历时逐渐增大，3种降雨强度下的曲线变化趋势基本一致。降雨开始后，坡面并未立即产生径流，开始产生径流的几分钟内，其增幅较小，随着降雨持续进行，径流强度迅速增加，随后趋于稳定。降雨强度1.10 mm/min时，在径流产生后4～12 min，坡面径流强度由0.04快速上升至0.61 mm/min，产流后12～18 min，径流强度由0.61缓慢上升至0.73 mm/min后趋于稳定；降雨强度0.75 mm/min时，在径流产生后4～14 min，径流强度快速上升至0.36 mm/min，产流后14～20 min，径流强度缓慢上升至稳定值0.39 mm/min；降雨强度0.38 mm/min时，在径流产生后4～14 min，径流强度快速上升，产流后14～18 min，径流强度上升缓慢，18 min之后，径流强度在0.32 mm/min上下波动。

图2 不同降雨强度下坡面径流强度随降雨历时的变化Fig.2 Changes of slope runoff intensity with rainfall duration under different rainfall intensities

3.2.2 稳定径流强度、径流深随降雨强度与坡度的变化 稳定径流强度与径流深在不同降雨强度与坡度下的结果见表2。由表2可知，坡度一定时，稳定径流强度与降雨强度呈正相关，降雨强度0.38～0.75 mm/min时，4种坡度下的稳定径流强度增幅(0.06～0.09 mm/min)远小于降雨强度0.75～1.10 mm/min时稳定径流强度的增幅(0.29～0.34 mm/min)。一定降雨强度下，稳定径流强度与坡度的关系比较复杂，降雨强度0.38和0.75 mm/min下，稳定径流强度在坡度5°～10°呈上升趋势，10°～20°呈下降趋势；降雨强度1.10 mm/min下，稳定径流强度在坡度5°～15°呈上升趋势，15°～20°呈下降趋势。

表2 不同降雨强度与坡度下的稳定径流强度与径流深Tab.2 Steady runoff intensity and runoff depth under different rainfall intensities and slope gradients

坡面径流深随降雨强度的变化如图3所示，4种坡度下的径流深与降雨强度呈正相关，各坡度下的曲线几乎重叠。降雨强度0.38～0.75 mm/min时，4种坡度下的径流深增幅(2.61～4.70 mm)远小于降雨强度0.75～1.10 mm/min下径流深的增幅(16.43～18.25 mm)。由表2亦可知，一定降雨强度下，坡面径流深随坡度的增加先增大后减小，经分析，二者的关系可以用抛物线来表示，具体结果见表3。

表3 不同降雨强度下径流深与坡度的拟合方程Tab.3 Fitting equation of runoff depth and slope gradient under different rainfall intensities

图3 不同坡度下径流深随降雨强度的变化Fig.3 Changes of runoff depth with rainfall intensity under different slope gradients

对不同降雨强度与坡度下的稳定径流强度进行差异性分析，发现3种降雨强度下的稳定径流强度存在显著性差异(P<0.05)，且任意2种降雨强度下的稳定径流强度差异性均达到显著性水平；5°、10°、15°和20°坡度下的任意2种坡度间的稳定径流强度均不存在显著性差异。

对不同降雨强度与坡度下的径流深进行差异性分析，发现3种降雨强度下的径流深存在显著性差异，且任意2种降雨强度下的径流深差异性均达显著水平；5°、10°、15°和20°坡度下的径流深不存在显著性差异，多重比较结果显示，仅15°与20°坡度下的径流深差异性达到显著水平，其他任意2种坡度下的径流深差异性均未达到显著水平。

3.2.3 稳定入渗率随降雨强度与坡度的变化 入渗速率主要受土壤物理性质、降雨强度、坡度以及耕作措施等因素的影响[10]。由表4可知，一定坡度下，稳定入渗率与降雨强度呈正相关，降雨强度0.38～0.75 mm/min时，稳定入渗率的增幅(0.28～0.31 mm/min)比0.75～1.10 mm/min降雨强度下的增幅(0.01～0.06 mm/min)更大，这与龙天渝等[12]和傅斌等[13]的研究结果相似。一定降雨强度下，稳定入渗率与坡度的关系较复杂[12-14]；降雨强度为0.38和0.75 mm/min时，稳定入渗率在坡度5°～10°下降，在10°～20°上升；降雨强度为1.10 mm/min时，稳定入渗率在坡度5°～15°下降，在15°～20°上升。

表4 不同降雨强度和坡度下的稳定入渗率Tab.4 Stable infiltration rates under different rainfall intensities and slope gradients

对不同条件下的稳定入渗率进行差异性分析，结果表明：3种降雨强度下的稳定入渗率存在显著性差异(P<0.05)，但降雨强度0.75与1.10 mm/min下的差异性未达显著水平；不同坡度处理下的稳定入渗率没有显著性差异，多重比较结果表明，坡度超过10°时的任意2种坡度下的稳定入渗率差异性均未达到显著性水平。

4 讨论

土壤初始含水量、土地利用情况、地表覆盖、降雨强度和坡度等因素与起始产流时间关系紧密。在前期土壤含水量基本相同的情况下，于裸坡上进行降雨试验。研究结果发现，起始产流时间随降雨强度和坡度的增大而趋于提前，且降雨强度对产流时间的影响更明显，降雨强度0.38 mm/min时，各坡度下的起始产流时间极差值为39 s，降雨强度0.75和1.10 mm/min时各坡度下的起始产流时间极差值均为25 s。由于紫色土自身结构疏松、胶结度较差的特点，在小降雨强度下，入渗强度大，坡面产流方式主要表现为蓄满产流；随着降雨强度的增大，入渗强度不断减小，坡面产流方式转变为饱和超渗产流[15]。因此在大降雨强度下，坡度对起始产流时间的影响不明显，这与陈洪松等[11]和张会茹等[16]研究结果一致。

一定降雨强度下，径流深受坡度变化的影响较复杂。一方面，随着坡度的增大，坡面水层压力沿坡面的垂向分力减小，坡向分力增大，从而加速水流沿坡面运动，减少水流下渗，使径流深增加；另一方面，随着坡度的增加，坡面承雨面积也相应减少，影响坡面径流量。由此可见，可能存在一个临界坡度使2方面对径流深的影响抵消。王先拓等[17]研究表明该坡度在10°～15°之间，本试验亦有同样的结果。坡度一定时，径流深与降雨强度呈正相关，两者间的关系可用幂函数进行表述，这与马星等[18]研究结果一致，但其研究发现随坡度的增大，降雨强度对径流深的影响程度也增大，而笔者发现随坡度的增大，各坡度下径流深随降雨强度变化的曲线几乎重叠。这可能是由于两者的试验设计条件不同以及受到试验操作等的影响，导致研究结果存在差异性，对此还需通过更多的野外试验和室内模拟做进一步的研究和验证。

相同坡度下，稳定入渗率与降雨强度呈正相关。0.38～0.75 mm/min降雨强度下稳定入渗率的增加幅度远大于0.75～1.10 mm/min降雨强度下的变化，说明随着降雨强度的增大，雨滴动能增大(雨滴打击的挤压力增大)，坡面水深增加(地表水层压力增大)，从而促进坡面水分的入渗，但这种作用可能在一定降雨强度范围内有效，随着降雨强度的增大这种作用会逐渐减弱[6]。而坡度对坡面降雨入渗过程的影响比较复杂，龙天渝等[12]研究表明，坡度0～10°时，稳定入渗率随坡度的增加而增大，袁建平等[14]研究发现不同土地利用下，稳定入渗率均随坡度的增加呈下降趋势。通过分析坡面水分的受力情况，由于坡度的存在，此时土壤不仅受坡面水分的垂向压力，同时还受到坡向压力的作用。当坡度较小时，土壤受到的垂向力占主导地位，表层土体在雨滴击溅作用下受到分散，产生细小颗粒，由于径流的搬运能力有限，部分细小颗粒随水分入渗堵塞土壤大孔隙，容易形成土壤结皮[19]；随着坡度的增大，此时坡向力占主导地位，垂向力的作用受到分散，径流搬运土壤颗粒的能力增强，从而抑制土壤结皮的产生，利于土壤水分入渗。因此降雨强度相同时，稳定入渗率在坡度5°～10°下随坡度的增大而减小，可能是由于在雨滴的击打下，坡面土体表面变得致密阻碍了坡面水分入渗，随着坡度的继续增大，土壤结皮的产生受到抑制，垂向力对水分入渗的促进作用更大，稳定入渗率逐渐增加，在坡度5°时稳定入渗率最大[9]。

5 结论

1)起始产流时间随降雨强度和坡度的增大而缩短，其随坡度的变化对小降雨强度的响应较显著，对大降雨强度的响应不明显。

2)稳定径流强度、径流深、稳定入渗率均与降雨强度呈正相关，前二者随坡度的增加呈先增大后减小，而稳定入渗率随坡度的增加呈先减小后增大，径流深与坡度的关系可用抛物线表示；15°坡度下，径流强度随降雨历时呈“S型”上升在约20 min时趋于稳定。

3)坡面起始产流时间、稳定径流强度、径流深以及稳定入渗率受降雨强度的影响明显，受坡度的影响不显著，由此可认为影响三峡库区紫色土坡地产流入渗过程的主要因素之一是降雨强度，本文证实了之前的研究成果，能为三峡库区紫色土坡地降雨产流过程、洪水预测预报及土壤侵蚀防治工作提供一定的科学依据，但尚未在模型中得到充分研究与解释。