近地表土壤水分條件下土壤侵蝕過程的模擬研究

近地表土壤水分條件下土壤侵蝕過程的模擬研究

近地表土壤水分條件對徑向流的形成和侵蝕有重要影響。已有的研究表明,降雨強(qiáng)度50mm/h、降雨歷時90min時,土壤水分飽和時,坡面產(chǎn)流量較自由下滲時的坡面徑流量增加30%～40%,侵蝕產(chǎn)沙量是自由下滲條件下的2.8～3.5倍。有關(guān)黃土高原土壤水分條件對徑流形成和侵蝕產(chǎn)沙的影響,主要集中在前期土壤含水量的影響。已有的研究結(jié)果表明,土壤含水量愈高,同一時間內(nèi)的非穩(wěn)定產(chǎn)流速率愈大,達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流速率的時間愈早。而對土壤水分飽和條件下,坡面土壤侵蝕過程研究較少。因此,筆者采用模擬降雨實驗,研究近地面土壤水分條件對土壤侵蝕過程的影響,尤其是土壤水分飽和條件下的土壤侵蝕過程,以期豐富土壤侵蝕過程機(jī)制研究,為侵蝕預(yù)報模型中土壤參數(shù)計算提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1試驗設(shè)計及方法試驗在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。供試土壤為陜北安塞坡耕地黃綿土和楊陵農(nóng)耕地土的表層土壤(0～20cm)。采用的土槽為移動式變坡度鋼槽,坡度變化范圍為0～25°,土槽長100cm,寬50cm,深45cm。采用的降雨機(jī)為中國科學(xué)研究院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式人工降雨機(jī),降雨采用兩組單噴頭降雨機(jī)對噴,降雨高度為12m,降雨強(qiáng)度為30～200mm/h。試驗設(shè)計穩(wěn)壓供水裝置利用土壤毛管吸水原理,從試驗土槽底部由下而上供給土壤剖面水分。當(dāng)土槽表面有充分的積水時,即土壤剖面水分充分飽和后,停止供水。1.2實際降雨強(qiáng)度模擬試驗設(shè)計坡面坡度為15°;設(shè)計降雨強(qiáng)度為50mm/h,由于受模擬降雨系統(tǒng)管道水壓力和噴頭水壓力的影響,實際降雨強(qiáng)度變化范圍為48～59mm/h。對于安塞黃綿土設(shè)計4個水平的土壤含水量處理,對于楊陵土設(shè)計3個水平的土壤含水量處理,具體試驗處理如表1所示。1.3飽和含水量用環(huán)刀法測定土壤飽和含水量,經(jīng)測定安塞黃綿土的飽和含水量為33.9%,楊陵土的飽和含水量為46.7%。根據(jù)安塞黃綿土土壤飽和含水量,可分別計算出土壤含水量為飽和含水量75%、50%和25%時的土壤含水量,其值分別為25.5%、17.0%和8.5%。對于楊陵土,用同樣方法分別計算出土壤含水量為飽和含水量50%和25%時的土壤含水量,其值分別為23.4%和11.7%。1.4測試步驟1.4.1土壤樣品的干燥將野外采集的土壤樣品風(fēng)干,過10mm篩。1.4.2土槽裝土質(zhì)量為保證良好的透水性,在試驗土槽底部裝5cm細(xì)沙,在沙層之上裝供試土壤。為保證裝土的均勻性,試驗土槽采用分層裝土。將沙層以上35cm深的試驗土槽,按5cm為一土層分為7層。根據(jù)下式計算各層所需的裝土質(zhì)量。試驗土槽分層填土?xí)r,采用邊填充邊壓實,保證試驗設(shè)計的土壤密度。m=ρlbh(1+θ/100)式中:m為所需裝土質(zhì)量,kg;ρ為土壤密度,g/cm-3;l為土槽長,cm;b為土槽寬,cm;h為土槽深,cm;θ為土壤含水量,%。一次降雨試驗共準(zhǔn)備3個試驗土槽,其中1個裝土試驗土槽供采集土壤水分樣品使用,另外2個裝土試驗土槽供降雨試驗使用。1.4.3土壤剖面水合利用根據(jù)所測定的試驗土槽中土壤含水量及試驗應(yīng)控制的含水量,根據(jù)下式計算需要的供給水量。當(dāng)控制土壤含水量為飽和含水量的100%時,通過穩(wěn)壓供水裝置,使供水水壓與試驗土槽的土壤表面高度相同,并利用土壤毛管吸水原理,從試驗土槽的底部自下而上給土壤剖面供水。當(dāng)試驗土槽表面有充分的積水時,停止供水。當(dāng)為其他試驗設(shè)計的土壤含水量時,自上而下利用噴水壺供給土壤剖面水量。mw=ms×7w(θ1-θ2)(1+θ2/100)/100式中:mw為所需補充水量,kg;ms為每層填裝土壤質(zhì)量,kg;θ1為試驗控制土壤水分含量,%;θ2為測試土壤含水量,%。1.4.4坡面侵蝕過程降雨前進(jìn)行降雨強(qiáng)度的測定,以確保降雨均勻度和降雨強(qiáng)度達(dá)到試驗要求。在降雨過程中,記錄產(chǎn)流時間,觀測坡面土壤侵蝕過程;當(dāng)坡面出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕后,每隔一定時間量測細(xì)溝的長、寬、深,記錄細(xì)溝侵蝕過程,并用數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄坡面侵蝕過程。對于安塞黃綿土試驗,降雨歷時為90min;對于楊陵土試驗,降雨歷時為60min。1.4.5徑流泥沙樣的采集坡面產(chǎn)流后,用5L塑料桶,對于安塞黃綿土,每隔3min采集次徑流段的全部徑流泥沙樣;對于楊陵土,每隔5min采集次徑流段的全部徑流泥沙樣。1.4.6土壤水分樣的采集對于前期土壤含水量的測定,在裝土試驗土槽內(nèi)采集土壤水分樣。將1m長的試驗土槽分成上、中、下3段,分別在坡長為25、50和75cm處,按0～2、2～5、5～10、10～20和20～30cm采集土壤剖面土壤水分樣,并將不同部位同一采樣深度的土壤水分樣混合,裝于土壤水分盒中。測定的前期土壤含水量用于核對試驗設(shè)計土壤含水量的準(zhǔn)確性。對于降雨后土壤含水量的測定是用同樣的方法,在降雨試驗結(jié)束1h后,采集試驗土槽土壤水分樣。2結(jié)果與分析2.1前期土壤含水量的變化降雨前后土壤含水量在土壤剖面的分布圖(圖1)表明,降雨試驗后土壤剖面土壤水分同降雨前相比發(fā)生了很大的變化。對于安塞黃綿土,前期土壤含水量為飽和土壤含水量的75%、50%和25%的試驗處理,在降雨試驗后,土壤含水量出現(xiàn)了不同程度的增長。對于前期土壤含水量為飽和土壤含水量的75%的試驗處理,土壤含水量增長幅度小于50%和25%的試驗處理,雨后剖面0～2、2～5、5～10、10～20和20～30cm處土壤含水量分別比前期的土壤含水量增長10%、10%、8%、9.8%和9.2%。對于前期土壤含水量為飽和土壤含水量的50%的試驗處理,土壤剖面中,表層土壤含水量比中下層土壤含水量大,接近于土壤飽和含水量的75%,雨后剖面0～2、2～5、5～10、10～20和20～30cm處土壤含水量分別比前期土壤含水量增長42.7%、42.7%、35.6%、37%和35.5%。對于前期土壤含水量為飽和土壤含水量的25%的試驗處理,土壤剖面中表層土壤含水量比中下層土壤含水量大,也接近于土壤飽和含水量的75%,雨后剖面0～2、2～5、5～10、10～20和20～30cm處土壤含水量分別比前期土壤含水量增長188.8%、185.3%、184.9%、139.2%和121.8%。表明前期土壤含水量越低,雨后同一采樣深度的土壤水分增長幅度越大,降水入滲量越多。楊陵■土土壤含水量的剖面分布也符合這一規(guī)律。試驗結(jié)果說明:隨著前期近地表土壤含水量的增大,土壤入滲量越來越小,至前期土壤含水量為飽和土壤含水量時,降雨過程中降水入滲量很小,同時土壤中的部分水分隨著徑流被帶出土壤,成為徑流的一部分,隨著前期近地表土壤含水量的增加,土壤中的水分隨著徑流被帶出土壤而成為徑流的一部分的比例越高,從而對徑流侵蝕過程產(chǎn)生一定的影響。降雨過程中隨時間增長,土壤入滲呈現(xiàn)出由大變小并趨向穩(wěn)定的變化,前期近地表土壤含水量越大,土壤的入滲量越小(圖2)。而徑流強(qiáng)度則隨著降雨歷時的增長,由小變大并呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢,同時隨著前期近地表土壤含水量的增大,其徑流強(qiáng)度也越大。對于安塞黃綿土,當(dāng)其入滲、徑流強(qiáng)度基本穩(wěn)定時,前期土壤含水量為飽和土壤含水量的100%、75%、50%和25%的試驗處理的穩(wěn)定入滲強(qiáng)度分別為0.52、0.64、0.66和0.72mm/min,穩(wěn)定徑流強(qiáng)度則分別為0.59、0.54、0.38和0.32mm/min。對楊陵■土,當(dāng)其入滲、徑流強(qiáng)度基本穩(wěn)定時,前期土壤含水量為飽和土壤含水量的100%、50%和25%的試驗處理的穩(wěn)定入滲強(qiáng)度分別為0.33、0.4和0.45mm/min,穩(wěn)定徑流強(qiáng)度則分別為0.56、0.54和0.53mm/min。同時可以看出,前期土壤水分飽和時,安塞黃綿土的入滲強(qiáng)度小于楊陵■土的入滲強(qiáng)度,其徑流強(qiáng)度則大于楊陵■土的徑流強(qiáng)度;而當(dāng)前期土壤水分非飽和時,安塞黃綿土的入滲強(qiáng)度大于楊陵■土,其徑流強(qiáng)度小于楊陵■土。此研究結(jié)果反映了土壤質(zhì)地對入滲和徑流過程影響的差異。2.2不同前期土壤水分含量的徑流和地表徑流的含量特征隨著近地表土壤水分含量的增加,坡面初始產(chǎn)流時間越早,降雨產(chǎn)生的徑流占降雨量的比例也越高(表2、表3)。當(dāng)安塞黃綿土前期土壤含水量為飽和土壤含水量(即100%)時,初始產(chǎn)流時間為43～54s;前期土壤含水量為飽和土壤含水量的75%時,初始產(chǎn)流時間為1～2min;當(dāng)前期土壤含水量為飽和土壤含水量的50%時,初始產(chǎn)流時間為3～5min;當(dāng)前期土壤含水量為飽和土壤含水量的25%時,初始產(chǎn)流時間推后到7～10min。同時,地表徑流量隨著前期近地表土壤水分含量增加的而增大,當(dāng)前期近地表土壤含水量分別為飽和含水量的100%、75%、50%和25%時,徑流占降雨量的百分比分別為65.1%、56.6%、6.9%和31.0%。當(dāng)近地表土壤含水量分別為飽和含水量的100%、75%和50%時,其徑流量分別約是土壤含水量為飽和土壤含水量25%時的2.5、2.2、和1.3倍。表2表明,對于楊陵土,當(dāng)前期土壤含水量為飽和土壤含水量(即100%)時,初始產(chǎn)流時間為7s,前期土壤含水量占飽和土壤含水量的50%時,初始產(chǎn)流時間在0.5min左右;而當(dāng)前期土壤含水量占飽和土壤含水量的25%時,初始產(chǎn)流時間推后到4～5min之間。同時,地表徑流量也隨著前期近地表土壤水分含量的增加的而增大,當(dāng)前期近地表土壤含水量分別為飽和含水量的100%、50%和25%時,徑流占降雨量的百分比分別為64.6%、59.4%和53.7%。當(dāng)前期近地表土壤含水量分別為占飽和土壤含水量的100%和50%時,其徑流量分別約是土壤含水量為占飽和土壤含水量的25%時徑流量的1.1和1.0倍。陳永宗等研究表明,土壤水分含量是影響入滲的極重要因素,土壤含水量越高,其穩(wěn)定入滲率和首30min入滲率越小,降雨轉(zhuǎn)化為徑流的量越多。據(jù)Torres研究,在降雨過程中,土壤儲水(可以看作為前期土壤含水量)的釋放導(dǎo)致壓力波前進(jìn)(pressurewaveadvance),從而使土壤剖面與徑流中的新舊水分(newerandolderwater)進(jìn)行再分布。這一物理過程的發(fā)生將對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程產(chǎn)生一定的影響。同時,在降雨入滲條件下,考慮滯后效應(yīng)時,土壤的吸水過程加快了入滲速率,從而使表層徑流量減少,相反不考慮滯后效應(yīng)的表層徑流量增大,再次表明滯后效應(yīng)對黃土區(qū)降雨入滲產(chǎn)流影響顯著。本試驗結(jié)果也表明,前期近地表土壤水分含量越高,降雨入滲量越少,產(chǎn)生的徑流越多。2.3不同降雨時期土壤水分變化特征陜北安塞黃綿土產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出隨時間的增長而先增大而后減小的變化趨勢(圖3、表3)。當(dāng)近地表土壤含水量分別為飽和土壤含水量的100%、75%和50%時,其侵蝕產(chǎn)沙量分別約是飽和土壤含水量的25%時產(chǎn)沙量的50、25和1.3倍。而楊陵■土產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出隨時間的增長而減小的變化趨勢,當(dāng)近地表土壤含水量分別為飽和土壤含水量的100%和50%時,其侵蝕產(chǎn)沙量分別約是飽和土壤含水量的25%時產(chǎn)沙量的6.5和2.0倍。結(jié)果表明,降雨過程中,前期土壤含水量對產(chǎn)沙過程影響很大,土壤前期含水量越高,侵蝕產(chǎn)沙量越大。這與Zheng等的研究結(jié)果相吻合。降雨過程中侵蝕產(chǎn)沙量出現(xiàn)波動的原因應(yīng)該受細(xì)溝侵蝕的發(fā)育影響。據(jù)試驗觀測,在降雨過程中,隨著降雨時間的延長,坡面隨前期含水量的不同發(fā)生不同程度的片蝕和細(xì)溝侵蝕。前期土壤含水量越大,片蝕發(fā)展為細(xì)溝侵蝕的時間越早,侵蝕強(qiáng)度也越嚴(yán)重。同時,坡面中下部細(xì)溝侵蝕現(xiàn)象比中上部也要嚴(yán)重的多,出現(xiàn)的幾率也比較大。2.42降雨過程與徑流、侵蝕產(chǎn)沙過程的變化當(dāng)前期近地表土壤含水量相同或相近時,安塞黃綿土的入滲強(qiáng)度(或速率)大于楊陵土的入滲強(qiáng)度,且其變化幅度也比較小。在前期近地表土壤含水量為飽和含水量時,安塞黃綿土的徑流強(qiáng)度大于楊陵土的徑流強(qiáng)度;其他情況下,安塞黃綿土的徑流強(qiáng)度均小于楊陵土的徑流強(qiáng)度。降雨過程中,楊陵土的初始產(chǎn)流時間均要早于安塞黃綿土的初始產(chǎn)流時間,徑流過程的變化趨勢基本一致,而產(chǎn)沙過程則不同,楊陵土的產(chǎn)沙過程是隨時間的增長而呈減小的趨勢,安塞黃綿土的產(chǎn)沙過程則是基本呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)土壤為楊陵土?xí)r,除前期近地表土壤含水量為飽和含水量外,其降雨產(chǎn)生的徑流總量和侵蝕產(chǎn)沙量均大于安塞黃綿土的徑流總量和侵蝕產(chǎn)沙量。在降雨過程中,楊陵土徑流占降雨量的百分比較安塞黃綿土占降雨量的百分比大,說明降雨過程中楊陵土的入滲量比安塞黃綿土的入滲量少。同時,前期土壤含水量對細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程也有較大影響。3土壤水分含量影響著徑流、徑流和侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系1)前期不同近地表土壤含水量對土壤含水量的剖面分布、土壤入滲過程和徑流過程有著很大影響。前期近地表土壤含水量越大,土壤的入滲量越小,徑流強(qiáng)度越大。當(dāng)前期近地表土壤含水量相同或相近時,楊陵土的土壤入滲量較安塞黃綿土的土壤入滲量要小的多,且入滲強(qiáng)度的變化幅度也比較小。當(dāng)前期近地表土壤含水量為飽和含水量時,安塞黃綿土的徑流強(qiáng)度大于楊陵土的徑流強(qiáng)度,其他情況下安塞黃綿土的徑流強(qiáng)度均小于楊陵土的徑流強(qiáng)度。2)隨著前期近地表土壤水分含量的增加,坡面初始產(chǎn)流時間越早,且同一條件下楊陵土的初始產(chǎn)流時間均比安塞黃綿土的初始產(chǎn)流時間早。地表徑流量隨著前期近地表土壤水分含量增加而增大。除前期近地表土壤含水量為飽和含水量外,降雨過程中,楊陵土的徑流量均大于安塞黃綿土的徑流量。當(dāng)安塞黃綿土近地表土壤含水量分別為飽和含水量的100%、75%和50%時,其徑流量分別約是土壤含水量為飽和含水量的25%時徑流量的2.5、2.2和1.3倍。而楊