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Effects of slope gradient on slope runoff and sediment yield under different single rainfall conditions.

次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响



全 文 :次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响*
和继军1,2 摇 蔡强国3**摇 刘松波4
( 1首都师范大学初等教育学院, 北京 100048; 2中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实
验室, 陕西杨凌 712100; 3中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地水循环与地表过程重点实验室, 北京 100101;
4北京市水利规划设计研究院, 北京 100044)
摘摇 要摇 以野外径流小区的次降雨产流产沙数据为基础,对不同次降雨条件下坡面产流产沙
随坡度的变化规律进行研究.结果表明: 降雨性质的差异对坡面产流随坡度而变化的影响较
小,在研究区的 6 场次降雨中,坡面产流量随坡度的变化规律基本一致,坡面径流量均随坡度
增大而增大,但坡面径流量随坡度增加而增加的趋势较弱,这主要由降雨量与入渗量之间的
转化程度所决定;次降雨性质对不同坡度的坡面产沙规律有重要影响,一般情况下存在临界
侵蚀坡度,但临界坡度不是唯一值,而是随着降雨特性的不同而不同,临界侵蚀坡度随径流量
的增大而增大,临界坡度较大时,坡面产沙量随坡度变化而变化的趋势也往往较大.
关键词摇 临界坡度摇 次降雨摇 土壤侵蚀摇 稳渗率
文章编号摇 1001-9332(2012)05-1263-06摇 中图分类号摇 S157. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of slope gradient on slope runoff and sediment yield under different single rainfall
conditions. HE Ji鄄jun1,2, CAI Qiang鄄guo3, LIU Song鄄bo4 ( 1Elementary Educational College, Cap鄄
ital Normal University, Beijing 100048, China; 2State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland
Farming on the Loess Plateau, Institute of Water and Soil Conservation, Chinese Academy of Sciences
and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3Key Laboratory of Water
Cycle & Related Land Surface Processes, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources
Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 4Beijing Institute of Water, Beijing
100044, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(5): 1263-1268.
Abstract: Based on the field observation data of runoff and sediment yield produced by single rain鄄
fall events in runoff plots, this paper analyzed the variation patterns of runoff and sediment yield on
the slopes with different gradients under different single rainfall conditions. The differences in the
rainfall conditions had little effects on the variation patterns of slope runoff with the gradient. Under
the conditions of six different rainfall events in the study area, the variation patterns of slope runoff
with the gradient were basically the same, i. e. , the runoff increased with increasing gradient, but
the increment of the runoff decreased slightly with increasing gradient, which was mainly determined
by the infiltration flux of atmospheric precipitation. Rainfall condition played an important role on
the slope sediment yield. Generally, there existed a critical slope gradient for slope erosion, but the
critical gradient was not a fixed value, which varied with rainfall condition. The critical slope gradi鄄
ent for slope erosion increased with increasing slope gradient. When the critical slope gradient was
greater, the variation of slope sediment yield with slope gradient always became larger.
Key words: critical slope gradient; single rainfall; soil erosion; steady infiltration rate.
*国家自然科学基金面上基金项目(40971165)和黄土高原土壤侵
蚀与旱地农业国家重点实验室开放基金项目(10501鄄1220)资助.
**通讯作者. E鄄mail: caiqg@ igsnrr. ac. cn
2011鄄08鄄15 收稿,2012鄄02鄄19 接受.
摇 摇 坡耕地是我国水土流失的主要策源地. 我国现
有坡耕地 3513伊104 hm2,其中,>25毅的坡耕地(520伊
104 hm2)占坡耕地总面积的 14郾 5% ,大部分地区坡
耕地的土壤侵蚀量占当地总侵蚀量的 50% ~ 60% .
坡度是影响坡面土壤侵蚀的主要地形因子,其对土
壤侵蚀的影响主要表现在对土壤入渗、径流流速和
土壤稳定性等的影响.随着坡度的增加,土壤稳渗率
降低,入渗量减小,径流量增加,径流流速提高,土壤
稳定性降低[1] . 大量野外观测资料表明,在我国主
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 5 月摇 第 23 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2012,23(5): 1263-1268
要水蚀区的一定范围和条件下,土壤侵蚀量与坡度
呈正相关关系.刘善建[2]对天水水保站坡耕地径流
小区 1949 年产流降雨资料的统计分析表明,坡度与
冲刷量呈指数关系,坡度愈大,冲刷量愈高,当坡度
增加到 8郾 5毅时,冲刷量明显增加. 四川省遂宁水土
保持试验站 1985 年紫色土坡耕地径流小区的观测
资料显示,当降水量为 642郾 5 mm时,坡度>25毅坡耕
地的侵蚀量为 1郾 59伊104 t·km-2,比 5毅坡耕地的侵
蚀量(3郾 7伊103 t·km-2)增加 3 倍多[3] .水建国等[4]
对浙江省红壤丘陵区坡耕地径流小区 1987—2000
年的观测数据进行分析发现,红壤坡地的土壤侵蚀
量与坡度呈极显著的对数正相关,土壤坡度每增加
1毅,全年土壤侵蚀量将递增 120 t·km-2 . 坡面侵蚀
量并不随着坡度的增长而持续增加,而是存在一个
侵蚀量发生变化的临界坡度. 由于试验方法和土壤
性质的差异,不同研究得出的临界坡度差异较大,通
过理论推导或野外调查得出的坡度临界值普遍在
40毅以上,而通过径流小区试验和室内模拟降雨试验
得出的坡度临界值多在 30毅以下[5-9] . 如 Renner[10]
对爱达荷洲博伊斯河流域坡面侵蚀的实地调查发
现,临界坡度为 40郾 5毅;曹文洪[11]在考虑泥沙粒径、
径流深和坡面糙度的基础上,采用理论推导方法得
出土壤侵蚀的临界坡度在 41郾 4毅 ~ 45毅;刘青泉等[8]
从坡面流切应力、土壤的抗冲蚀能力、坡面流速等方
面考虑,通过理论推导得出土壤侵蚀的临界坡度在
41郾 5毅 ~ 50毅;陈法扬[12]采用室内模拟降雨试验的结
果表明,江西第四纪红粘土的红壤临界坡度为 25毅;
陈永宗等[13]对绥德、离石黄土质野外径流小区的实
测资料进行分析的结果显示,临界坡度在 25毅 ~
28毅.
坡度是影响坡面土壤侵蚀的重要因素,但由于
坡度与坡面侵蚀关系的复杂性,使坡度对土壤侵蚀
的影响规律存在一定的不确定性.而坡度与坡面侵
蚀关系的复杂性和不确定性一定程度上也限制了坡
面水土保持措施的有效实施.因此,本文采用野外径
流试验站(野外径流小区的实测数据某种程度上更接
近实际情况)的天然次降雨数据,分析了不同次降雨
条件下坡度对坡面土壤侵蚀规律的影响,期望为坡面
水土保持措施的合理配置提供一定的理论支持.
1摇 研究地区与数据来源
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于张家口市郊沈家屯镇马场沟流域郭
家梁水土保持试验站西南坡的耕地上(40毅47忆 N,
114毅50忆 E),海拔 822 m,土壤为黄土.研究区年均降
水量 400 mm,其中 80%集中在 7—9 月.研究区设有
6 个坡度小区,坡度分别为 5毅、10毅、15毅、20毅、25毅、
30毅,每个小区面积均为 2 m伊5 m.小区修建于 1988
年,没有设置重复,处理方式相同,均采用休闲处理,
小区边界用混凝土板围成,耕层为粉质沙壤土,有机
质含量较低,为 5 g·kg-1 . 土壤质地分类采用中国
制,砂粒(0郾 05 ~ 1 mm)占 40郾 5% ,粉粒(0郾 002 ~
0郾 05 mm)占 49郾 4% ,粘粒(<0郾 002 mm)占 10郾 1% .
1郾 2摇 数据来源
该试验站数据观测年限为 1991—2000 年,期间
共记录 66 场产流降雨,除 9 场降雨发生在 6 月外,
他场次降雨均发生在 7—9 月,占产流降雨次数的
86郾 4% ,占产流降雨量的 80郾 6% . 监测数据包括降
雨量、平均雨强、最大 30 min 雨强、最大 10 min 雨
强、产流量和产沙量.根据每次降雨的特点和研究的
目的,本文选取其中 6 场降雨(表 1),分为 3 组对比
雨型,为了尽量避免不同年份下垫面条件的差异对
降雨产流产沙的影响,每两场对比降雨选择在同一
年份,用于分析降雨特征和坡度对坡面侵蚀的影响.
所选取 1997 年两场降雨的特征基本相同,主要区别
在于 7 月 22 日为该年份第一场产流降雨,且该次降
雨之前一直没有有效降雨;1998 年两场降雨的区别
主要为降雨强度;2000 年两场降雨的区别主要为降
雨量和平均雨强.为了尽量避免降雨产流产沙的随
机性和偶然性,对 1991—2000 年间 66 场降雨的产
流产沙进行平均化处理,以分析坡度对产流产沙的
影响.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 降雨特征相同条件下坡度对坡面产流产沙的
影响
次降雨条件(降雨量、平均雨强、最大30 min雨
表 1摇 降雨数据基本特征
Table 1摇 Properties of the rainfall data
降雨日期
Rainfall date
降雨量
Precipitation
(mm)
平均雨强
Mean rain
intensity
(mm·h-1)
最大 30 min
雨强 I30
[mm·
(30 min) -1]
最大 10 min
雨强 I10
[mm·
(10 min) -1]
1997鄄07鄄22 15郾 1 0郾 22 13郾 1 7郾 5
1997鄄07鄄28 14郾 7 0郾 28 13郾 9 8郾 0
1998鄄06鄄23 21郾 4 0郾 05 8郾 3 7郾 9
1998鄄08鄄03 21郾 6 0郾 23 20郾 7 10郾 9
2000鄄06鄄23 22郾 2 0郾 08 10郾 9 8郾 2
2000鄄07鄄08 19郾 8 0郾 04 9郾 3 8郾 2
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强和最大 10 min 雨强)基本相同情况下,两场降雨
的坡面产流量和产沙量随坡度的变化差异较大(图
1). 1997 年 7 月 22 日降雨(以下简称为 A 降雨)在
不同坡度小区所产生的径流量和泥沙量均高于 7 月
28 日降雨(以下简称为 B 降雨)在相应坡度小区的
产流产沙量.对于 A降雨,在坡度较缓时,坡面产流
量随着坡度的增加而增加,在坡度 15毅 ~ 20毅时达最
大,随后呈波动变化,但在 5毅 ~ 30毅坡度范围内,径
流随坡度的变化总体呈增加趋势;坡度 0 ~ 20毅范围
内,产沙量随坡度增加而迅速增加,坡度超过 20毅
后,随着坡度增加而降低.对于 B 降雨,坡面产流量
随着坡度的增加而呈增加趋势;坡面产沙量随坡度
的变化趋势与 A降雨相似,但转折坡度为 15毅. A、B
两场降雨的特征基本相同,但其产流量和产沙量随
坡度的变化趋势却差异很大,且临界坡度也不一致,
这说明次降雨条件下坡度影响坡面产流产沙存在复
杂性和随机性,还有其他因素对坡面的产流和产沙
有重要影响.
摇 摇 坡度对产流产沙的影响主要通过影响降雨入渗
来实现.相同的降雨条件下,随着坡度的增加,坡面
水流的流速将增大,入渗能力降低(表 2),有多余的
雨水转化为地表径流,径流量增加[14-16],但当坡度
增加到一定程度后,雨滴对水面的打击作用减弱,且
坡面受雨面积也将显著减少,水流的侵蚀力减弱,侵
蚀量开始随坡度的增大而减小[7] . 此外,前期降雨
和坡面植被的生长状况也直接影响坡面产流产沙的
图 1摇 相同次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响
Fig. 1 摇 Effects of slope gradient on slope runoff and sediment
yields under the same rainfall condition.
表 2摇 研究区不同植被覆盖和坡度条件下降雨稳渗率(雨强
1郾 4 mm·min-1)
Table 2 摇 Steady infiltration rate with different vegetation
covers and slope gradients ( rainfall intensity 1郾 4 mm·
min-1)
指标
Index
降雨历时
Rainfall
duration
(min)
稳渗率
Steady
infiltration
(mm·h-1)
植被覆盖度 1 82 18郾 0
Vegetation cover 12 96 31郾 2
(小区坡度 6毅 30 102 44郾 0
Plot slope 6毅) 60 98 51郾 2
(% ) 80 95 68郾 4
坡度 5 92 32郾 8
Slope 10 82 24郾 0
(毅) 15 88 20郾 0
20 91 18郾 0
强弱.一般情况下,前期降雨主要通过增加土壤水分
含量来降低降雨入渗,从而使地表径流量增加,水流
挟沙能力也随之增强,致使产沙量增加[17-18] . 有研
究表明,土壤水分饱和时的坡面产流量较自由下渗
时的坡面径流量增加 30% ~ 40% ,前者的侵蚀产沙
量是自由下渗条件下的 2郾 8 ~ 3郾 5 倍[19-22] . 陈洪松
等[23]、张玉斌和郑粉莉[24]对黄土坡面降雨入渗的
研究结果表明,尽管不同土壤存在差异,但随着土壤
水分含量的增加,坡面初始产流速度均加快,侵蚀产
沙量均增大.本研究中,由于 A 降雨是研究区 1997
第一场有效降雨,降雨前坡面松散物质较多,有利于
土壤侵蚀的发生,且土壤较干燥,坡面植被覆盖状况
较差,利于降雨入渗.研究区试验数据表明土壤入渗
能力随着植被覆盖度的增加而增加(表 2),因此,该
坡面的植被覆盖状况有降低 A 降雨入渗的作用. B
降雨发生在 A降雨后的第 6 天,A 降雨使坡面土壤
含水量增加,一定程度上降低了降雨的入渗量,同
时,土壤水分的增加利于坡面植被生长,导致坡面土
壤的入渗能力增加.在坡度、前期降雨和植被覆盖的
综合影响下,A、B两场降雨所产生的径流量和泥沙
量随坡度的变化趋势存在较大差异.
2郾 2摇 降雨和坡度对坡面产流产沙的影响
为了进一步分析坡面产流产沙随坡度的变化规
律,选取 4 场降雨资料按年度和降雨特性分成 2 个
对比组,用于研究降雨存在差异条件下坡面侵蚀规
律随坡度的变化.
1998 年 6 月 23 日降雨(以下简称为 C降雨)所
引起的坡面产流随坡度的增加有微弱增加趋势,但
不同坡度下的径流量相差不大,相对稳定;对于坡面
56215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 和继军等: 次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
产沙,当坡度<25毅,坡面产沙量随着坡度的增加而
微弱增加,当>25毅时,随坡度的增加而下降(图 2).
1998 年 8 月 3 日降雨(以下简称为 D 降雨)径流随
坡度的变化趋势与 C 降雨相似,但径流量更大,坡
面产沙随坡度的变化关系也与 C 降雨相似,临界坡
度均为 25毅,但变化程度更剧烈,当坡度<25毅时,随
坡度增加,坡面产沙量急剧增加,当坡度>25毅后,坡
面产沙量快速降低. C 降雨和 D 降雨的产流产沙量
随坡度变化的差异主要由降雨强度的差异所致,C、
D降雨的降雨量相等,但后者的平均雨强、最大 30
min雨强和最大 10 min雨强均远超过前者,大雨强、
短历时的降雨更容易在坡面上产流产沙[25-27] .
摇 摇 2000 年 6 月 23 日降雨(以下简称为 E降雨)产
流产沙随坡度的变化规律与 C 降雨的结果相似,但
相应坡度的产流量和产沙量较小,其产沙量发生转
折的临界坡度为 20毅(图 3),小于 C 降雨的临界坡
度(25毅),造成这种差异的主要原因可能在于前期
降雨的影响[8,15,17] .从表 1 可以看出,C 降雨和 E 降
雨的降雨量和降雨强度几乎相等,但 E 降雨是 2000
年的第一场降雨,前期土壤较干燥,容易形成降雨入
渗,使径流量减少、侵蚀降低,而 1998 年的 C降雨之
前有两场降雨发生,前期土壤水分含量较高,使入渗
能力降低,导致相应的径流量和土壤侵蚀均增加.
2000 年 7 月 8 日降雨(以下简称为 F 降雨)的坡面
产流量和产沙量均随着坡度的增加而增加,且在降
雨量小于E降雨的情况下,径流量和产沙量均明显
图 2摇 不同降雨强度下坡度对坡面产流产沙的影响
Fig. 2 摇 Effects of slope gradient on slope runoff and sediment
yields under different rainfall intensity.
图 3摇 不同降雨量下坡度对坡面侵蚀产流产沙的影响
Fig. 3 摇 Effects of slope gradient on slope runoff and sediment
yields under different rainfall amount conditions.
高于 E 降雨所产生的径流量和产沙量,原因可能在
于下垫面条件和前期降雨等多因素的综合影响. F
降雨的产沙量没有出现侵蚀发生转折的临界坡度,
当坡度超过 25毅时,产沙量随坡度增加而增加的程
度趋于平缓,坡面产沙量趋于稳定(图 3),这说明临
界坡度可能存在,应在 30毅或以上.为了进一步说明
上述问题,对 1991—2000 年降雨的产流产沙数据进
行了平均化处理,从图 4 可以看出,多年平均情况下
的径流量随坡度的变化规律与次降雨条件下相同,
但产沙量随坡度的增加而不断增加,并没有出现明
显的转折坡度,这与研究区野外模拟降雨试验结果
相似(表 3),说明了产流产沙随坡度变化的复杂性
和随机性.通过上述分析可知,对于某一地区而言,
图 4摇 坡面年均产流产沙情况随坡度的变化
Fig. 4 摇 Changes of average annual runoff and sediment yields
with slope郾
6621 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 3摇 野外模拟降雨条件下坡度对侵蚀量的影响
Table 3 摇 Effects of slope on erosion amount under field
simulated rainfall conditions
坡度
Slope
(毅)
土壤容重
Bulk density
(g·cm-3)
雨强
Rainfall intensity
(mm·min-1)
侵蚀量
Erosion amount
(kg)
5 1郾 01 0郾 53 0郾 20
15 1郾 02 0郾 62 2郾 05
20 1郾 02 0郾 60 2郾 14
30 1郾 04 0郾 60 8郾 43
其坡面产沙发生侵蚀转折的坡度临界值不是唯一
值,受到降雨特征、土壤特征及坡面侵蚀类型等因素
的综合影响.一般情况下,短历时、大雨强情况下坡
面产沙随坡度变化的临界坡度会增加或不出现,小
雨强情况下的临界坡度则可能降低,同时坡面侵蚀
类型也对临界坡度有重要影响,如以溅蚀面蚀为主
的坡面侵蚀的临界坡度一般小于 30毅,当坡面以细
沟侵蚀为主时,其临界坡度将超过 30毅[28-30] .
3摇 结摇 摇 论
在坡面产流产沙过程中,降雨和坡度存在一定
的交互作用,即不同降雨特征下,坡度对坡面产流产
沙的作用形式并不一致,特别是对坡面产沙的影响.
次降雨对坡面产流随坡度的变化规律的影响较
小.在本文的 6 场次降雨数据分析中,坡面产流量随
坡度的变化规律基本相同,均表现出坡度愈大,坡面
径流量愈大的趋势,但坡面径流量随坡度增加而增
加的程度一般较弱,这主要是由于影响坡面产流量
的主要因素是降雨量和入渗量,一般情况下土壤入
渗率随坡度的增加而降低,这样当坡度增大时会有
更多的降雨转化为径流;坡度的增加会使坡面承雨
量降低,这又使坡面径流降低. 因此,在两方面因素
共同作用下,坡面径流随坡度增加而增加的程度较
弱.同时前期降雨和植被覆盖也对降雨产流有重要
影响.
次降雨对坡面产沙随坡度的变化规律有重要影
响.在一定的坡度范围内,坡面产沙量随坡度的增加
而增加,当超过某一坡度后坡面产沙量随着坡度的
增加而降低,即存在临界坡度. 由于降雨特征差异,
某一区域内的临界坡度不是定值,而是随着降雨特
性的不同而不同,径流量大的降雨,临界坡度大,反
之较小;临界坡度较大时,坡面产沙量随坡度变化而
变化的程度也往往较大.在本文的 6 场降雨数据中,
有 5 场降雨的产沙数据出现了临界坡度,其值介于
15毅 ~ 25毅;有 1 场降雨虽然没有出现明显的临界坡
度,但当坡度达到 30毅时,坡面产沙量趋于稳定,说
明该临界坡度应该存在,但应在 30毅或以上.
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作者简介 摇 和继军,男,1979 年生,博士,讲师. 主要从事土
壤侵蚀、流域侵蚀产沙模拟研究. E鄄mail: hejiun_200018@
163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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