王爱娟，李亚龙，王一峰

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

人工降雨条件下扰动坡面土壤侵蚀规律研究

王爱娟，李亚龙，王一峰

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

应用人工模拟降雨实验，拟定3种不同雨强对砂土、粉壤土、石质土和黏土4种`不同土壤质地扰动坡面产流产沙规律进行研究。结果表明:地表径流的产流开始时间随着雨强的增加缩短，在3.3～24.9min之间变化;坡上、坡中、坡下的径流流速呈现递增的趋势，但是整个坡面的单位水流功率在降雨过程中变化不大;石质土和黏土的产沙量最大，且在降雨过程中呈现先增后减的趋势，而砂土和粉壤土的产沙量不大且呈现增加的趋势;同一坡度同样降水量情况下产沙量呈现石质土＞粉壤土＞砂土的规律;黏土坡面的产沙量随着雨强的增大而增大。

开挖坡面;地表径流;侵蚀;人工降雨

1 研究背景

近年来，我国国民经济快速发展，工业化、城镇化速度加快，基础设施建设与交通、能源开发等项目急剧增加，扰动地表造成人为水土流失量剧增，开发建设项目导致的新增水土流失问题成为有关专家关注的热点。

由于开发建设项目类型众多，下垫面条件各异，工程规模引致新增水土流失是自然水土流失的2～40 000倍［1］，精确计算开发建设项目水土流失量化困难。国内目前应用的开发建设项目造成的水土流失量化方法主要包括类比分析法、数学模型法、实地调查法（径流小区法、测钎法、侵蚀沟量测法）、侵蚀等级划分法和专家预测法等［2-4］。这些方法简单易行、可操作性强，但是很难得到开发建设项目引起的水土流失量的精确值，其科学性也较差。只有在对开发建设项目水土流失特点的正确认识基础上，结合已有水土流失防治成果和防治措施体系及防治技术，才能进行防治分区和防治措施布设［5-7］。由于开发建设项目往往使地表大面积硬化，改变了地表的入渗、产流、产沙规律，扰动后的地表侵蚀规律鲜有研究，鉴于此，本文以工程开挖面为研究对象，采用人工模拟降雨和三维激光扫描的方法研究工程扰动地表的土壤侵蚀规律，量化开挖面土壤侵蚀量，为开发建设项目水土流失监测提供技术支撑。

2 研究区概况和研究方法

2.1 研究区概况

研究区位于南水北调中干线工程石家庄段（N37°27'—38°47'，E113°30'—115°20'），属暖温带大陆性季风气候，多年平均降雨量521 mm，6至8月份3个月的降水占全年降水量的63%～70%，多年平均蒸发量2 000 mm，蒸发量为降水量的4倍，多年平均气温12.8℃，标准冻土深度0.54 m。石家庄市地处太行山前洪积平原，西靠太行山，东接河北中部平原，地势由西向东逐渐降低，项目区属平原、浅山丘陵的地貌形态，土壤类型主要有棕壤、褐土、石质土、粗骨土、新积土、风沙土、潮土、沼泽土、草甸土、水稻土和盐土。

2.2 研究方法

采用人工降雨的方法研究扰动土地表土壤侵蚀规律，降雨器为下喷式，喷头有大、中、小3套，其进水口水压由压力表控制，工作频率由多功能数据采集器控制，工作时间和间隔时间可在0～99 min内调节，降雨强度可在0.5～3.5 mm/min之间调节，均匀度达到90%，喷头高度为3 m，降雨覆盖面积为1.2 m×3.5 m。根据河北省降雨资料统计，设定3种不同雨强，分别为1，1.5，1.8 mm/min，降雨量均为45 mm。径流小区面积为3 m×1 m，布设在南水北调中线工程的渠道开挖面，由于是线性工程，开挖坡度较均一，平均为26°，土壤质地分别为砂土、粉壤土、黏土和石质土。

试验开始前测定土壤含水量和重度并采样用于分析土壤粒径组成等。降雨开始后记录产流开始时间，收集径流泥沙样的时间分别为产流后的1，2，3，5，7，10，15 min，之后每隔5 min收集一个径流泥沙样，收集泥沙样的同时反复采用示踪法测定坡面上、中、下的流速。降雨结束后测定泥沙样的含沙量。

3 结果分析

3.1 产流产沙规律分析

从图1中可以看到，不同雨强情况下都表现出石质土和黏土产沙量较大，砂土和粉壤土产沙量较小，分析原因认为工程扰动面土壤孔隙度较大，土壤含水率低，砂土和粉壤土入渗量较大，坡长较小造成侵蚀量小，而黏土由于质地较细，孔隙度相对小，产流量大导致侵蚀量大，石质土因砾石含量较大造成土壤入渗量小［8-9］，产流量大，径流冲刷导致侵蚀量较大;在降雨结束前石质土和黏土坡面侵蚀量开始下降，砂土和粉壤土产沙量还呈上升趋势，说明砂土和粉壤土坡面侵蚀形态还没有稳定而石质土和黏土受降雨影响较大。但是在1 mm/min雨强时，砂土质坡面在降雨结束前产沙量也已开始下降，分析原因认为由于该雨强情况下降雨历时长，入渗量随着时间增大，坡面径流小造成侵蚀量小。不同雨强不同质地坡面的产沙总量见表1。

图1 不同雨强情况下坡面产沙量Fig.1Sediment yields on slopes under different rainfall intensities

根据不同雨强4种质地土壤的产流时间可以看出（见图2），随着雨强增大，产流开始时间均缩短，说明不同类型的土壤坡面均处于超渗产流状态，在1 mm/min雨强情况下砂土和粉壤土的产流开始时间最晚，入渗量较黏土和石质土大，当雨强增大至1.8 mm/min时，这种差异就不明显。砂土、粉壤土和石质土坡面的产流总量随着雨强的增大呈现先增加后减小的趋势，产沙总量变化趋势与产流总量相同，是由于砂土、粉壤土和石质土粘结性较差，土壤孔隙度较大，此次降雨试验控制降雨量均为45 mm，1.8 mm/min雨强情况下降雨历时较短，而黏土坡面随雨强增大产流量和产沙量均呈增加趋势但是不明显，是由于黏土土壤粘结性大，在大雨强雨滴打击下造成土壤结构破坏形成侵蚀量大。

表1 不同雨强不同质地坡面产沙总量Table 1Total sediment yields on different slopes under different rainfall intensities

图2 不同土壤质地产流产沙特征Fig.2Runoff and sediment characteristics on different soil textures

3.2 坡面流速变化规律

从表2中可以看出不同雨强情况下石质土、粉壤土和黏土坡面的流速均呈现坡上、坡中、坡下流速递增趋势，因为随着流程增加，势能转化为动能，水流汇集使得流量增大，重力增大也使得流速增大;砂土坡面表现出减小或不变的趋势，主要是由于砂土坡面土壤松散，在水流汇集过程中入渗量增大加之坡面粗糙度大，势能消耗大造成。

从图3中可以看到不同雨强情况下整个坡面的单位水流功率随时间变化呈现波动起伏的变化趋势，但是浮动范围不大，基本保持稳定的流速，是由于整个降雨过程中雨强不变，坡长较短，流量小造成。

图3 不同雨强情况下坡面单位水流功率Fig.3Unit stream power on the slopes under different rainfall intensities

表2 不同雨强条件下坡位坡面流速Table 2Surface runoff velocities at different positions of the slopes under different rainfall intensities

4 结论

受工程施工影响，土壤含水率较小，在小雨强情况下产流开始时间较晚，产沙量较小，随着雨强增大，4种质地的土壤坡面产流开始时间没有明显区别，仅石质土和黏土产沙量相对较大。随着坡长增加，流速增加，但是整个坡面的平均流速变化不大，说明工程开挖面土壤侵蚀量与单位水流功率关系不大，主要与降雨历时和降雨强度有关。

4种质地的坡面产流量遵循黏土＞石质土＞粉壤土＞砂土，这与非扰动土产流规律一致［8-9］，但是同一坡度同一雨强情况下产沙量遵循石质土＞粉壤土＞砂土的规律，而黏土坡面产沙量随着雨强的增大呈增加趋势，主要是因为扰动土含水率较小，土壤孔隙度大造成产流量小，而黏土坡面土壤孔隙度小，入渗量小导致产流、产沙量都大。不同雨强情况下，石质土、粉壤土和黏土坡面的流速均呈现坡上、坡中、坡下流速递增趋势，砂土坡面表现出减小或不变的趋势，不同雨强情况下整个坡面的单位水流功率随时间变化浮动范围不大。

［1］HARBOR J.Engineering Geomorphology at the Cutting Edge of Land Disturbance:Erosion and Sediment Control on Construction Sites［J］.Geomorphology，1999，31: 247-263.

［2］李璐，袁建平，刘宝元.开发建设项目水蚀量预测方法研究［J］.水土保持研究，2004，11（2）:81-84.（LI Lu，YUAN Jian-ping，LIU Bao-yuan.Review on Soil E-rosion Prediction in Construction Projects［J］.Research of Soil and Water Conservation，2004，11（2）:81-84. （in Chinese））

［3］宋立旺，牛俊文，黄爱玲.水蚀区建设项目土壤流失特点及监测方法［J］.水土保持应用技术，2010，（2）:23 -25.（SONG Li-wang，NIU Jun-wen，HUANG Ai-ling. Soil Erosion Characteristics and Monitoring Methods of Construction Projects in Water Erosion Area［J］.Technology of Soil and Water Conservation，2010，（2）:23-25.（in Chinese））

［4］孙厚才，袁普金.开发建设项目水土保持监测现状及发展方向［J］.中国水土保持，2010，（1）:36-39. （SUN Hou-cai，YUAN Pu-jin.Soil and Water Conservation Monitoring Present Condition and Future Development of Construction Projects［J］.Soil and Water Conservation of China，2010，（1）:36-39.（in Chinese））

［5］高旭彪，黄成志，刘朝晖.开发建设项目水土流失防治模式［J］.中国水土保持科学，2007，5（6）:93-97. （GAO Xu-biao，HUANG Cheng-zhi，LIU Zhao-hui.Soil and Water Conservation Model for Construction Projects［J］.Soil and Water Conservation of China，2007，5 （6）:93-97.（in Chinese））

［6］赵永军.生产建设项目水土流失防治技术综述［J］.中国水土保持，2007，（4）:47-50.（ZHAO Yong-jun. Review of Soil and Water Conservation Technology for Construction Projects［J］.Soil and Water Conservation of China，2007，（4）:47-50.（in Chinese））

［7］谭认.四川山区高速公路建设中水土流失预测及防治对策的研究［D］.成都:西南交通大学，2010.（TAN Ren.Soil Erosion Prediction and Control Measures for Highway Construction in Sichuan Mountainous Area［D］. Chengdu:Southwest Jiaotong University，2010.（in Chinese））

［8］ABRAHAMS A D，PARSONS A J.Relation Between Infiltration and Stone Cover on a Semiarid Hillslope，Southern Arizona［J］.Journal of Hydrology，1991，122:49-59.

［9］VALENTIN C.Surface Sealing as Affected by Various Rock Fragment Covers in West Africa［J］.Catena，1994，23:87-97.

（编辑:王慰）

Soil Erosion of Disturbed Slope Surface in Simulated Rainfall Conditions

WANG Ai-juan，LI Ya-long，WANG Yi-feng
（Soil and Water Conservation Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China）

By artificial simulated rainfall experiments，we researched the regularity of runoff and sediment yield on disturbed slope surface of four soil types（sandy soil，silty loam，stony soil，and clayey soil）under different rainfall intensities.Results showed that the time of surface runoff initiation shortened within the range of 3.3 min-24.9 min with the increase of rainfall intensity.The runoff velocity on the upper slope was larger than that on the middle slope，followed by that on the lower slope，but the stream power of the whole slope changed slightly throughout the entire rainfall process.The sediment yield of stony and clayey slope were the biggest，both increased firstly and decreased subsequently，while the sediment yield of sandy and silty loam slope were small and showed an increasing trend.At the same slope gradient and the same precipitation，the sediment yield of stony soil was the largest，followed by silty loam and sandy soil in sequence，while the sediment yield of clayey slope increased with the rainfall intensity increase.

excavated slope;surface runoff;erosion;simulated rainfall

S157

A

1001-5485（2013）04-0025-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.006 2013，30（04）:25-28

2012-03-22;

2012-10-17

国家自然科学基金项目（41101260）;水利部公益性行业科研专项项目（201001036）;长江科学院基本科研业务费项目（CKSF2012042/TB）

王爱娟（1981-），女，宁夏银川人，工程师，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面的研究，（电话）027-82827942（电子信箱） wang-ai-juan@163.com。