黄土区降雨前期土壤含水量对降雨入渗产流和产沙特性的影响

黄土区降雨前期土壤含水量对降雨入渗产流和产沙特性的影响

0降雨前期土壤含水量由于洛杉矶高原山区地势平坦，年降水量集中，暴雨造成严重的水土流失。同时，黄土结构疏松，孔隙大，蓄水能力强。许多专家提出“减少和储存降水”作为改善罗素高原地区的战略方针。因此,如何增加降雨入渗、合理高效利用有限的水资源和减少水土流失是该地区生态环境建设和农业可持续发展的关键。降雨前期土壤含水量作为影响降雨入渗、产流和产沙的重要因子被诸多研究所证实。在积水入渗条件下,土壤初始含水量越高,初始入渗率越低,但对稳定入渗率的影响可以忽略。然后,在降雨入渗条件下,由于前期土壤含水量的差异导致了土壤颗粒间结合力不同,土壤团聚体的稳定性也不同,影响土壤剪切强度[13,14,15,16,17,18];在雨滴对土壤颗粒产生击溅作用和表土夯实作用下,表层土壤的物理性状发生不同程度的改变,因而坡面土壤入渗能力、产流和产沙与前期土壤含水量的关系变得更为复杂。Castillo等研究认为前期土壤含水量是半干旱环境下径流产生的重要控制因素,然而,针对黄土区降雨条件下前期土壤含水量对坡地水文过程的影响还有待深入。本研究中以黄土地区质地差异较大的塿土和砂黄土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,观测前期土壤含水量从风干土状态至近饱和条件下黄土坡地降雨入渗、产流产沙的特征,并探寻坡地土壤流失量最小的最优含水量,旨在为黄土坡地水土资源最优管理提供参考。1材料和方法1.1土壤侵蚀等降雨特性试验土料分别采自黄土区质地差异较大的土壤:陕西杨凌塿土和陕西神木砂黄土。根据中国土壤颗粒成分分级标准,其颗粒组成百分比分别为:杨凌塿土砂粒占5.4%,粉粒占68.7%,黏粒占25.9%;神木砂黄土砂粒占47.91%,粉粒占36.9%,黏粒占15.19%。供试土料去除植物根系、石块等杂物,过4.0mm孔筛网、风干、均匀混合,以备试验所用。模拟降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅的侧喷区内进行,其降雨高度达到16m,降雨雨滴达到的终点速度满足天然降雨特性,降雨强度变化范围为40~260mm/h,降雨均匀度大于80%。试验所用土槽为自制钢槽,其尺寸规格为:长×宽×高=100cm×30cm×20cm,坡度可在0°~30°之间任意调节,在土槽径流出口处安装了V形钢制径流收集槽,其他三边额外增高15cm钢板,以防雨滴打击作用,使槽内泥水溅出土槽外。1.2不同降雨时期土壤流失试验设计为了获得试验设计的不同前期土壤含水量的土料,按照如下程序操作。首先,测定供试土料初始含水量,根据土料的初始含水量和所要求控制的含水量,计算所需补水量;然后,将土料均匀摊开,用喷雾器将一定补充水量均匀喷洒在土料上,充分搅拌;然后,装入塑料大桶中,密封存放,静置24h。通过上述方法,可获得含水量分布均匀、含水量值达到控制要求的土料。试验中塿土和砂黄土的前期土壤质量含水量分别设定6个水平:风干土、5%、10%、15%、20%和25%。为了控制试验坡面物理状况一致性,采用每5cm厚度分层填装土料,层间接触面打毛,防止出现分层现象;填装10cm厚、含水量为10%的土料,来模拟犁底层,随后填装前述备制好的不同含水量的土料,模拟降雨前初始含水量即前期土壤含水量;并分别控制塿土和砂黄土容重为1.3g/cm3和1.38g/cm3,逐层填装至10cm厚度,土层表面与收集径流的V形槽在同一水平位置。最后,用塑料薄膜覆盖土壤表面,以防模拟降雨前期表层土壤含水量因蒸散而改变。降雨试验前,分别测定表层塿土和砂黄土前期含水量为:4.92%(风干土)、5%、9.6%、15.5%、20.1%和24.5%;1.7%(风干土)、5.2%、9.1%、14%、20%和25%。模拟坡地坡度设置为10°。由于暴雨是造成黄土区水土流失的主要降雨类型,试验降雨强度设为80mm/h。为了便于对比分析产流产沙全过程,需获得稳定的产流过程,分别设定塿土降雨历时为80min,砂黄土除了较高前期含水量(20%和25%)的处理降雨历时设为80min外,其他处理降雨历时为90min。降雨雨滴打击到地表后开始计时,坡面产流后,记录下产流时刻(tp);产流初期径流强度变化快,产流后前10min内,每间隔1min用塑料小桶采集一次1min径流样;随后径流强度变化趋于稳定,每间隔5或10min取一次1min的径流样,其余径流全收集在径流大桶中。降雨停后,用称重法测定塑料小桶中径流样,确定不同降雨时刻的径流强度;最后,把所有径流水样集中在一起,沉淀,风干,测定总泥沙流失量和总径流量。每个试验处理均进行2个独立重复试验,以下结果和分析内容所采用的数据值均为重复降雨试验所获数据的算术平均值。2结果与分析2.1土坡面前期含水量tp坡地产流时刻综合反映了产流前坡地土壤物理状况差异。前期土壤含水量对坡地降雨-入渗-产流过程有着重要的影响,裸地土壤产流时刻随前期土壤含水量的变化反映最为明显。在其他因素控制一致条件下,仅是改变坡地前期土壤含水量(θ0),产流时刻(tp)则表现不同;土壤质地不同,前期土壤含水量对产流时刻的影响程度也不同。对于塿土而言,由于塿土黏粒含量较高,结构相对稳定,抗雨滴溅蚀能力强,土壤入渗能力低;在大坡度、大雨强的条件下,模拟坡面产流快,各θ0间的tp值差异很小,极差值仅为1.57min,因而塿土坡地前期含水量θ0对产流时刻tp的影响程度不明显(表1);然而,对于质地较粗、渗透性较好的砂黄土来说,tp随着θ0的提高,呈先增加后减少的趋势,θ0在10%~15%范围内,tp变化最剧烈,各θ0间的tp极差值为28.91min;显然,砂黄土的前期土壤含水量对产流时刻影响十分显著,也表明砂黄土的物理状况在θ0值处于10%~15%范围内明显存在一临界值,它对降雨条件下入渗过程有着显著的影响,这一问题有待深入研究。2.2早期土壤含水量的影响图1和图2分别描述了塿土和砂黄土坡面不同前期含水量下径流强度和坡面平均入渗率变化过程。其中坡面平均入渗率利用如下公式反推算出:式中ue5e5ia——坡面平均入渗率,mm/min;P——降雨强度,mm/min;a——地表坡度,(°);R——降雨时间t内产生的径流量,mL;S——坡面实际承雨面积,cm2;t——降雨时间,min。由图1所示,塿土坡面径流强度随时间呈对数函数变化,坡面入渗率与时间关系服从幂函数规律;降雨20min后,径流强度和坡面平均入渗率均趋于稳定值,但随着前期土壤含水量的提高,径流强度稳定值的增大和坡面稳定入渗率的减少并不明显。这是由于塿土黏粒含量较高,结构相对稳定,土壤团聚体不易分散,雨滴击溅作用对地表结构状况改变较弱;同时,在雨强(80mm/h)和坡度(10°)均较大情况下,入渗能力较低的塿土坡面弱化了前期土壤含水量对入渗和产流的影响。然而,在相同条件下前期土壤含水量对砂黄土坡面入渗和产流规律的影响却表现出不同特征(图2)。根据入渗和产流规律可把各前期含水量归为两组;一组是低含水量区:风干土、5%和10%;第二组是高含水量区:15%、20%和25%。前期含水量处于低含水量区时的径流强度随时间变化曲线近似符合“S”形状,而在高含水量区时的径流强度随时间变化曲线服从对数函数规律,与塿土的变化规律相似。由此可见,在前期含水量10%~15%之间必定存在一临界含水量。前人研究表明砂黄土从风干土到饱和土之间土壤黏结力的增长并非线性,而近似抛物线,在土壤含水量10%~20%之间存在着最大值。因而,在含水量较低(低于10%)时,土壤颗粒在雨滴打击作用下容易分散,细颗粒随着雨水流动、入渗,填塞土壤孔隙,加上雨点打击和夯实作用,土壤表层逐步形成致密层,致密层厚也逐渐增大,土壤入渗能力大大减弱,径流强度迅速增大(图2)。然而,在含水量较高(大于15%)时,土壤入渗能力主要取决于土壤基质势和重力势,前期含水量越高,土壤入渗能力越低,径流强度越大。这说明了降雨入渗过程与积水入渗过程有着明显区别,前期含水量在两种条件下对入渗过程影响可能存在较大差异,尤其对结构性差的土壤。因此,通过室内积水入渗试验所获取的参数应用到降雨条件下需要谨慎处理,前期含水量的影响更要重点考虑。2.3砂黄土的入渗特征图3显示了塿土和砂黄土坡面在不同前期含水量下雨水累积入渗过程。由图3可知,对于塿土而言,因前期含水量不同,相同降雨条件下,累积入渗过程存在显著差异。根据水分累积入渗不同特征,前期含水量可划分为3区,高入渗区:风干土、10%;中入渗区:5%、15%、25%;低入渗区:20%。砂黄土的前期含水量则可分成2区,快入渗区(低含水量区):风干土、5%、10%;慢入渗区(高含水量区):15%、20%、25%。由于前期含水量不同,土壤的初始物理状况存在较大差异,加上雨滴击溅夯实作用和坡面径流冲刷作用,土壤物理性状发生不同程度变化,其过程十分复杂,从而导致塿土累积入渗量并不是随着前期含水量增大而逐渐减少趋势(图3a)。然而,砂黄土的累积入渗规律比较明显,降雨期间总累积入渗量随着前期含水量提高而逐渐减少;从累积入渗过程来看,快入渗区其累积入渗量增大较迅速,降雨约55min后入渗趋于稳定,累积入渗量变化很小;慢入渗区其累积入渗量增大相对缓慢(图3b)。2.4砂黄土坡面水土流失量随前期含水量x的变化规律前期含水量的差异导致不同质地坡面入渗特性差异很大,进而改变产流规律变化,从而影响坡面产沙特性。通过比较塿土和砂黄土坡面的径流系数和土壤流失量(图4),塿土坡面平均径流系数随着前期含水量的提高呈增大趋势,但变化趋势不明显;土壤流失量随前期含水量呈抛物线变化,前期含水量为25%时土壤流失量最大。对于砂黄土坡面而言,除了风干土情况外,径流系数随着前期含水量提高呈线性增长关系;土壤流失量与前期含水量的关系呈近似抛物线变化。采用一元二次方程拟合前期土壤含水量(X)与土壤流失量(Y)的关系(图4b),并求出了塿土和砂黄土坡地土壤流失量最少的最优前期土壤含水量值,分别为11.25%和12.74%。由此可知,通过植被覆盖、耕作措施维持土壤适当的含水量,可以达到减少土壤流失的作用;坡地土壤含水量过低或太高都会造成土壤大量流失;尤其在半干旱黄土区,久旱后的暴雨所造成的土壤流失问题应给予高度重视。3砂黄土的前期含水量对砂性土本文采用室内降雨模拟试验方法,在恒定雨强(80mm/h)和坡度(10°)条件下,研究了不同前期土壤含水量(风干土、5%、10%、15%、20%和25%)对塿土和砂黄土坡面降雨入渗和产流产沙特性的影响。结果表明,前期土壤含水量对塿土坡面产流时刻(tp)、入渗和产流过程影响不明显。砂黄土前期含水量在10%~15%范围内存在临界值,tp变化最剧烈;tp随着前期含水量提高呈先延长后缩短;当含水量小于临界值时,径流强度随时间变化曲线呈近似“S”形状;当含水量大于临界值时,其径流强度和入渗率随时间变化规律与塿土相似,分别服从对数函数和幂函数。根据前期土壤含水量对累积入渗过程的影响关系,塿土前期含水量