不同坡度和前期土壤含水率条件下裸地降雨产流试验研究

1、不同坡度和前期土壤含水率条件下裸地降雨产流试验研宄摘要：坡度和前期土壤含水率是降雨产流过程 的重要影响因素。为研究华北半干旱地区的降雨产流 机制，采用人工模拟降雨的方法，进行了不同坡度 （5°、10°和15° ）和前期土壤含水率（020、025 和030）条件下的降雨产流试验。结果表明：在整个 降雨产流过程中，地表径流量随坡度和前期土壤含水 率的增加而增大，累积径流量与产流历时呈线性函数 关系；土壤入渗率和产流滞时均随前期土壤含水率和 坡度的增加而减小，且前期土壤含水率对土壤入渗率 和产流滞时的影响较坡度更加明显；horton模型对降 雨入渗关系的拟合结果优于ko

2、stiakov和philip模 型。关键词：前期土壤含水率；坡度；降雨产流；土 壤入渗率；裸地中图分类号：p334.2文献标志码：a文章编号： 16721683 （2016） 06000606rainfall runoff test on bare soil with different slope gradient and soil moisture contentmuwenbinl，2，liyihaol，3，li chuanzhel,liu jia 1，cheng shuanghu4, zhao nana5 (1.state key laboratory of simulation and

3、regulation of water cycle in river basin, china institute of water resourcesand hydropower research，beijing 100038, china； 2.the yellow river institute of science，north china universityof water resources and electric power, zhengzhou 450045，china； 3.school of environmental science and engineeringdon

4、ghua university, shanghai 200051，china； 4.hebei survey bureau of hydrology and water resources,shijiazhuang 05003 b china； 5.institute of wetland research，chinese academy of forestry, beijing 100091，china)abstract： antecedent soil moisture content and slope gradient are significant influential facto

5、rs for rainfallrunoff (rr) process.in order to study the rr mechanism of semiarid region in the north china， artificial rr simulation test was carried out in the condition of different slope gradient and antecedent soil moisture content. according to the results: (1) in the whole rr process，the over

6、land flow increased with the increase of antecedent soil moisture and slope，and the relationship between cumulative runoff and rainfall duration complied with a linear function. (2) soil infiltration rate and runoff lag time decreased with the increase of antecedent soil moisture content and slope，

7、and the influence of antecedent soil moisture on soil infiltration rate and runoff lag time was more obvious than that of slope. (3) horton model was better than kostiakov and philip model in fitting the relationship between rainfall and infiltration.key words: antecedent soil moisture content； slop

8、e gradient； rainfallrunoff； soil infiltration rate； bare soil随着人类活动和气候变化影响的加剧，各种气象 灾害频繁发生。作为我国粮食主产区的华北地区，面 临着降水变率大、区域洪涝灾害频发等严重问题。因 此，正确理解华北半干旱地区的降雨产流特性对准确 选择或建立有效的水文模型至关重要12。目前，国 内相关学者对降雨产流机理的研究主要集中在黄土高 原地区，如王占礼等3采用人工模拟降雨试验法对黄土裸坡降雨产流过程进行了研宄；孔刚等4利用室内 人工降雨试验，研宄了黄土坡耕地土壤初始含水率对 坡面降雨入渗、产流、溶质迁移规律的影响；陈洪松 等5

9、通过对黄土高原区坡面降雨入渗、产流的研宄， 表明产流时间主要取决于土壤初始含水量；王辉等6 研宄了黄土区前期土壤含水量对不同土壤坡面降雨入 渗、产流和产沙特性的影响。然而针对华北半干旱区 大田土壤的降水产流机理研宄还相对较少，因此，本 文基于华北半干旱区的土壤特性，以比重较大的砂壤 土为研究对象，采用人工模拟降雨的方法，研究了降 雨产流过程中坡度和前期土壤含水率对产流的响应机 理，从而为华北半干旱区降雨产流过程研宄提供数据 支撑和理论依据。1材料与方法1.1试验材料试验采用自行设计的土槽，长x宽x高=200 cm x50 cmx60 cm, 土槽坡度可在025°之间自由调整。土槽上端

10、以及底部均布设有导流装置，分别用以观测地表径流和壤中流。土槽顶端四周内侧安装10cm高的铁片，防止雨滴溅蚀及表层水土的侧向冲刷流 失。同时，土槽前端出口的纵剖面用铁质的百叶窗封 装，并在百叶窗内侧铺设一层纱网，防止降雨过程中 土壤侧漏（见图1）降雨产流试验所用的土壤取自北京市大兴区中国 水利水电科学研宄院试验基地，土壤质地为砂壤土， 并于2012年3月对试验土槽进行填装。装土前筛去土 壤中的杂物，经10 mm的滤网过滤后风干，每隔5 cm 进行分层装土，土壤填充高度为50 cm，基本为同性、 均质的土壤p。本试验于2015年8月进行，所用土 槽中的土壤己经沉积3年多的时间，其性状与大田土 壤特

11、性相似，基本参数见表1。试验中采用的美国decagon公司生产的电容式土 壤水分传感器ec5,通过测量土壤中的介电常数来计f 土壤体积含水率，测量精度可达到±1%2%1，7土壤水分数据采用em50数据采集器（采集时间间隔 的可调整范围为11 440 min）进行采集。1.2试验方法降雨产流试验于中国科学院水利部水土保持研究 所的人工模拟降雨大厅进行。试验设定三种不同坡度 率为020、025和030时进行试验，且每组均进行一组 重复试验，降雨历时均为120min。相关研宄指出 812,雨强较大时，前期土壤含水率对产流的影响不 明显，故本试验采用较小的雨强进行试验，标定雨强 为25mni

12、/h。各场次降雨的具体雨强和前期土壤含水 率见表2。(510° 和 15每种坡度分别在前期土壤含水试验采用人工计量的方式对降雨过程中的地表径 流进行观测，在产流过程中每隔3 min采集一次径流 样，降雨停止后的退水过程每隔1 min采集一次。降 雨过程中土壤含水率的变化使用em50数据采集器实 时采集，采集时间间隔为1 min。2结果分析2.1前期土壤含水率和坡度对产流量的影响前期土壤含水率相同、不同坡度条件下的降雨产 流过程见图2。由该图可知：当前期土壤含水率相同 时，产流量随坡度的增加而增大，这与王占礼等3的 研宄结果相一致。当前期土壤含水率0=020时，三种 坡度的产流量均未达

13、到稳定，且坡度从5°增加到 15°时，产流量增加了 144%；在q =025和0 =030的 条件下，则均在产流后30 min内达到稳定产流，且坡 度每增加5°，稳定产流量约增加10%。然而，在前 期土壤含水率为025时，坡度为15°的产流量却小于 坡度为10°和5°的产流量，原因是坡度为15°的土 槽由于人为因素造成土壤表面出现裂缝，使得坡度为 15°的土槽降雨产流过程受到了影响。坡度相同、不同前期土壤含水率条件下的降雨产 流过程见图3。由该图可知：坡度相同时，前期土壤 含水率越高，产流量越大。这是由于随着土壤含

14、水率 的增高，土壤入渗能力不断降低，进而使产流量不断 增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下产流量 的增加速率差异较大，前期土壤含水率e =020时，产 流后径流量增加缓慢且降雨过程中未达到稳定产流。 而0 =025和o =030时，产流后径流量迅速增加至稳 定状态；相同坡度下，前期土壤含水率从025增加至 030，稳定产流量约增加10%。不同坡度和前期土壤含水率的降雨产流试验，在 起始产流至产流刚达到稳定的时段内，单位时间产流 量与产流历时呈现对数函数y=aln （x） +b关系（见表 3）。2.2不同坡度/前期土壤含水率对累积径流 量的影响分析对不同坡度和前期土壤含水率的 累积径流量进行

15、回归分析发现：在产流过程中累积径 流量几乎均呈线性变化趋势，其确定性系数均在09 以上（见表4），且均通过显著水平a =001的方差分析 和检验。表4中参数a和b分别表示拟合曲线的斜率 和截距。通过对比不同条件下斜率a可发现：累积径 流量的变化速率整体上随前期土壤含水率和坡度的增 加而增大。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度 为15°的斜率值明显小于5°和10°，其原因是由于 土壤表面出现裂缝，使得在降雨过程中土壤入渗总量 变大，导致累积径流量增加缓慢。2.3不同坡度/前期土壤含水率对产流滞时的影响分析坡度和前期土壤含水率是影响产流滞时的两个重 要因素1316

16、。不同坡度和前期土壤含水率对产流滞 时的影响见图4。试验结果表明：相同坡度下，前期 土壤含水率越高，产流滞时越短。在前期土壤含水率 0 =020时，三种坡度的产流滞时均在70 min以上， 而在0=025和e =030时，均在35 min以内产流。对 比不同坡度与前期土壤含水率下的产流滞时可以发 现：前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明 显，这与陈洪松等5的研究结果相一致。2.4不同坡度和前期土壤含水率对土壤入渗率的影响土壤入渗率是描述降雨条件下坡地水文过程的一 个重要指标，其变化可影响径流的形成过程1721。为研宄降雨过程中土壤入渗率的变化特征，本文采用 水量平衡的方法，对不同坡度和前

17、期土壤含水率下的 土壤入渗率进行计算。不同坡度和前期土壤含水率条 件下土壤入渗率曲线见图5。从图5可以看出，降雨 开始后，土壤含水率随着降雨历时的增加而增大，然而，由于降雨强度小于土壤入渗率，致使降雨全部入 渗，无地表径流产生，因此入渗曲线在地表径流产生 前是一条直线；当土壤入渗率小于降雨强度时，开始 产生地表径流；当土壤含水率达到田间持水量时，此 时土壤入渗率趋于稳定。同时，在相同坡度下，前期 土壤含水率越大，土壤入渗率曲线越陡、下降速率越 快。采用传统的降雨入渗模型kostiakov模型22、 horton模型23以及philip模型24对不同坡度和前 期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归

18、分析(见表 5)。结果发现，不同降雨条件下，horton入渗模型拟合结果较好，而kostiakov模型和philip模型的计算 结果精度相对较低。从而说明，对于试验区域的砂壤 土而言，horton入渗模型用以估算土壤入渗率以及入 渗量具有较好的适应性，该结论与相关学者1，2, 7的研究结果一致3结论本文采用人工模拟降雨的方法对华北半干旱区裸 地不同坡度和前期土壤含水率条件下的降雨产流过程 进行了试验研宄，结果如下。(1) 径流量随坡度/前期土壤含水率的增加而增 大，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，产流量 与产流历时呈现对数关系；产流过程中，累积径流量与降雨历时呈现线性关系。(2) 在降雨产

19、流过程中，坡度和前期土壤含水率 越大，产流滞时越短，且前期土壤含水率对产流滞时 的影响较坡度更加明显。(3) 土壤入渗率随产流历时的增加而不断减小。 在相同坡度下，土壤入渗率的变化趋势受前期土壤含 水率的影响较大，其变化速率随前期土壤含水率的增 加而增大；同时，与前期土壤含水率相比，坡度对土 壤入渗率的影响程度则相对较低。(4) 采用 kostiakov 模型、horton 模型以及 philip 模型对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系 进行回归分析发现，horton模型的模拟结果优于其它 两种模型。参考文献(references):1 muwenbin，yu fuliang, li

20、chuanzhe，et al.effects of rainfall intensity and slope gradient on runoff and soil moisture content on different growing stages of spring maize j .water，2015 (7): 29903008.2 zhao nana, yu fuliang, li chuanzhe, et al.investigation of rainfallrunoff processes and soil moisture dynamics in grassland pl

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22、in chinese)4 孔刚，王全九，樊军，等.前期含水量对坡面 降雨产流和土壤化学物质流失影响研宄j. 土壤通报， 2008,39(6)： 13951399.(kong gang, wang quanjiu, fan jun，et al.effects of initial water content on hillslope rainfall in filtration and soil nutrientlossj.chinese journal of soil science，2008，39 (6)： 13951399. (in chinese)5 陈洪松，邵明安，张兴昌，等.野外模拟

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25、：中国水利水电科学研究院，2014.(zhao nana.soil moisture dynamics and responsed to runoff processes at hillslope scale： experimental analysis and modelingd .beijing: china institute of water resource and hydropower research，2014. (in chinese)8 张向炎，史学正，于东升，等.前期土壤含水 量对红壤坡面产流产沙特性的影响j.水科学进展，2010, 21(1)： 2329.(zhang x

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