模擬降雨下枯落物調控坡面徑流特征分析

高永華

(河北省衡水水文勘測研究中心,河北 衡水 053000)

0 引言

枯落物層是森林生態系統組成的重要部分,在保護地表土壤、防止水土流失起著重要作用,如何利用森林枯落物防止土壤侵蝕。針對此問題,學者們進行了多方面研究,張益等[1]對北京山區典型植被枯落物和土壤層水文功能進行了研究,研究結果表明:枯落物最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率為側柏;賀萬鵬等[2]對青藏高原東北邊緣云杉屬-冷杉屬林火燒跡地枯落物持水特征進行了研究,研究結果表明:火燒跡地枯落物的持水性能中、下坡大于上坡;李東賓等[3]對浙江省四明山區不同森林類型枯落物及土壤持水性能進行了研究,研究結果表明:櫻花的種植顯著降低了枯落物的儲量和持水能力;孫佳美等[4]對模擬降雨下枯落物調控坡面產流產沙過程及特征進行了研究,研究結果表明:枯落物坡面徑流平均流速相比裸坡顯著減小;孫旭[5]對模擬降雨條件下枯落物覆蓋對坡面地表和壤中流產流過程的影響進行了研究,研究結果表明:枯落物覆蓋密度越大,地表產流時間越長,產流量越小。

本文總結了以上研究植被枯落物的持水特征及枯落物坡面產流過程,根據總結,本文通過人工模擬降雨,更深入的研究了枯落物覆蓋坡面徑流特征,并對坡面徑流的產流產沙特征進行了分析。

1 試驗材料及方法

1.1 研究區概況

研究區位于內陸腹地,關中平原西部,東連咸陽,南接漢中,其地質地貌結構復雜,海拔差異懸殊。該地區的森林分布有松櫟林帶、樺木林帶、太白紅杉林帶。為研究該地區枯落物覆蓋條件下坡面土壤侵蝕過程,保護地表土壤,本文采取人工模擬降雨的試驗方法,對枯落物調控坡面的徑流特征進行了分析。

1.2 試驗設備及試驗方法

本次試驗在人工模擬降雨大廳進行(圖1),該設備有效降雨面積0～200 m2,降雨高度3～6 m,雨滴大小調控范圍1.0～5.0 mm,雨強連續變化范圍10～240 mm/h。試驗選用研究區常見的落葉樹種白樺為研究對象,為減少葉片表面攜帶的泥沙及葉片水分不同所造成的誤差,將收集的枯落物清水洗凈后,放在陰涼處自然風干,使葉片保持含水率基本一致,將處理好的葉片作為坡面枯落層。

圖1 人工模擬降雨設備

根據研究區白樺林枯落物量,降雨試驗設置4個枯落物生物量等級,分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2,設置三種類型的降雨強度,分別為25 mm/h、50 mm/h、75 mm/h,設置試驗坡度為15°,為保證實驗精度,經72 h后重復上一次試驗,取所得數據平均值進行分析。

試驗坡面面積長×寬分別為3 m×5 m,深度為50 cm,坡面采用分層的方式進行填土,每10 cm一層,填土時注意保證土面平整,每層填土完成后均充分壓實,將最上一層填土壓實后刮毛,保證坡面有一定的粗糙度,防止土層間產生滑動影響試驗效果。在正式降雨前,將4個等級的枯落物均勻分布4個試驗土體表面,各個坡面的枯落物保證厚度相同。試驗設置降雨時間為1 h,因前期地表徑流變化較大,為保證測量準確,前10 min時間段每2 min測量一次地表徑流,在10 min后每5 min測量一次地表徑流,將收集的徑流靜置12 h后過濾,過濾出的沉積物烘干稱重。測量坡面流速時,由于徑流在坡面中上部產生,流至坡面底部時,徑流流速趨于平穩,所以測量流速時選擇從坡底往上50 cm開始,每隔0.9 m設置一個斷面,共5個測量斷面,然后分別測量各斷面流速。取其平均值作為坡面流速。

2 試驗結果與分析

2.1 地表徑流產流率分析

通過人工模擬降雨試驗,根據所得數據,得出在不同降雨強度條件下,覆蓋枯落物的地表徑流產流率曲線,如圖2所示。

圖2 地表徑流產流率

如圖2(a)所示,隨著時間的增加,坡面產流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩。降雨強度相同時,在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產流率最大,枯落物量為45 g/m2時產流率次之,枯落物量為135 g/m2時產流率最小。由于地表枯落物減緩了徑流的流動,增加了地表入滲率,相較于裸坡,產生的徑流較小。地表覆蓋的枯落物越多,地表的產流率越低。

如圖2(b)所示,隨著時間的增加,坡面產流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩。當降雨強度相同時,在9～20 min階段,坡面枯落物量為135 g/m2時產流率較枯落物量為90 g/m2時產流率大,在20～60 min階段,枯落物量為90 g/m2時產流率快速增加,曲線變化明顯,枯落物量為135 g/m2時產流率增加緩慢,曲線較平緩。

在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產流率最大,枯落物量為45 g/m2時產流率次之。

如圖2(c)所示,隨著時間的增加,坡面產流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩。當降雨強度相同時,開始產流后,在2～4 min階段,坡面枯落物量為135 g/m2時產流率較枯落物量為90 g/m2時產流率大,在4 min后,枯落物量為90 g/m2時產流率快速增大,曲線變化明顯。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產流率最大,枯落物量為45 g/m2時產流率次之,枯落物量為135 g/m2時,在4 min后產流率最小。

如圖2可知,隨著時間的增加,坡面產流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩,降雨強度越大,產流越快達到穩定狀態。在相同降雨條件下,枯落物量為0 g/m2時產流率最大,枯落物量為45 g/m2時產流率次之,枯落物量為135 g/m2時產流率最小。坡面覆蓋枯落物等級越大,產流率越低,因枯落物的覆蓋增大了土壤入滲速率,減小了地表徑流量,坡面產流率隨之降低。

2.2 地表徑流產沙率分析

通過人工模擬降雨試驗,根據所得數據,得出在不同降雨強度條件下,覆蓋枯落物的地表徑流產沙率曲線,如圖3所示。

圖3 地表徑流產沙率

如圖3(a)所示,隨著時間的增加,坡面產沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩。當降雨強度相同時,在4～8 min階段,坡面枯落物量為135 g/m2時產沙率較枯落物量為90 g/m2時產沙率大,在8 min后,枯落物量為90 g/m2時產沙率逐漸增大,達到峰值0.7 g/(min·m2)后,再逐漸減小,然后趨于平穩,曲線平緩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產沙率最小。

如圖3(b)所示,隨著時間的增加,坡面產沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩。當降雨強度相同時,坡面枯落物量為135 g/m2時產沙率在4 min時達到峰值1.2 g/(min·m2),然后在逐漸減小,曲線趨于平緩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產沙率最小。

如圖3(c)所示,隨著時間的增加,坡面產沙率在極短時間均先快速減小,到一定時間段后逐漸趨于平穩。在當降雨強度相同時,在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產沙率最小。在20 min前,各坡面產沙率下降幅度較大,在20 min后,各坡面產沙率趨于相對穩定狀態,

如圖3可知,隨著時間的增加,在降雨強度分別為25 mm/h、50 mm/h時,坡面產沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩。在降雨強度為75 mm/h時,坡面產沙率在極短時間均快速減小,到一定時間段后逐漸趨于平穩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產沙率最小。降雨強度越大,產沙率越大,坡面覆蓋枯落物量越大,產沙率越小。因為降雨強度是影響土地侵蝕過程的主要因素,而坡面覆蓋枯落物可避免雨滴直接滴落地表,起到緩沖雨滴動能的作用,防止雨滴濺蝕地表,造成水土流失。同時坡面覆蓋枯落物增加了地表的粗糙度,降低地表徑流的速度,減少了徑流對地表面的侵蝕。

3 結語

通過人工模擬降雨試驗,在不同降雨強度條件下,本文對不同枯落物生物量坡面侵蝕過程進行了觀測,并對坡面徑流的產流產沙特征進行了分析,可得如下結論:

(1)相同降雨強度條件下,枯落物量分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2時,隨著時間的增加,坡面產流率均先快速增大,再逐漸趨于平穩,降雨強度越大,產流越快達到穩定狀態。在相同降雨條件下,枯落物量為0 g/m2時產流率最大,枯落物量為45 g/m2時產流率次之,枯落物量為135 g/m2時產流率最小。

(2)降雨強度分別為25 mm/h、50 mm/h條件下,枯落物量分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2時,隨著時間的增加,坡面產沙率在極短時間均先快速增大,達到最大峰值后,再逐漸減小然后趨于平穩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產沙率最大,枯落物量為45 g/m2時產沙率次之,枯落物量為135 g/m2時產沙率最小。

(3)降雨強度為75 mm/h條件下,枯落物量分別為0 g/m2、45 g/m2、90 g/m2、135 g/m2時,隨著時間的增加,坡面產沙率在極短時間均快速減小,到一定時間段后逐漸趨于平穩。在相同時間條件下,枯落物量為0 g/m2時產沙率最大,枯落物量為135 g/m2時產沙率最小。