不同坡面单元人工降雨产流试验与分析

牛永振， 李张楠， 栾清华*， 徐 丹， 庞婷婷

(1.河北工程大学，河北省智慧水利重点实验室， 邯郸 056038； 2.桂林理工大学环境科学与工程学院， 桂林 541006)

降雨产流是水循环过程中的重要环节，具有时空多变的特点[1-2]。因此，正确解析流域降水产流过程对提高区域水文预报精度、解析流域水文基本情势至关重要。目前，中国对降雨产流机制的研究主要集中在黄土高原干旱地区和南方湿润地区，主要研究降雨、地面坡度、植被覆盖、土壤前期含水率等因子对产流过程的影响[3-5]。杨春霞等[6]在甘肃省罗玉沟试验场通过研究发现不同垂直覆盖结构下的坡面产流量均较无覆盖情况小，其中完整覆盖结构的减流率最高；孙佳美等[7]采用模拟降雨的方法研究了不同雨强下5种枯落物对产流过程的影响，结果表明不同枯落物的减流效果不同且产流量均小于裸坡；常松涛等[8]在南方丘陵区通过研究发现，植被覆盖对产流有明显的滞后作用，雨强和坡度与产流量和产沙量均呈正相关关系；郭星星等[9]通过试验发现雨强对坡面产流影响显著，坡面产流随着雨强和坡度的增加均呈现增加趋势，随着雨强增加，其增流作用会掩盖坡度对产流的影响。华北平原因其下垫面变化的复杂性和人类活动扰动的高强度性，在该区域开展降雨产流试验及其相关研究相对较少，其产汇流过程至今尚未明确。

为此，针对华北平原，借助河北工程大学人工降雨径流试验平台，通过设计不同情景，分析找寻不同情景下、不同因素的区域产流响应机制的差异性和规律性，以期为构建适宜于华北平原产汇流模式提供依据和参考。

1 试验方案

1.1 试验场概况

河北工程大学临洺关校区人工降雨径流-节水灌溉试验基地位于河北省邯郸市永年区，属于暖温带大陆性季风气候，全年无霜期200 d，多年平均气温14 ℃，多年平均日照2 557 h，多年平均降水量为527.8 mm，降水量时空分布不均匀，降水多集中在6～9月份，约占全年降水的60%～80%。

试验场上方安装有5台降雨行车，用来模拟人工降雨，模拟雨强范围为0.3～3 mm/min。2个试验单元如图1中的1号、2号场地所示，尺寸均为9 m(长)×3 m(宽)×3 m(高)，坡度分别为2°和4°，周围使用混凝土预制板打入基岩作为隔水墙。土槽内部土层为回填土，回填土类型为试验场附近山前平原区典型土壤类型，其性状与区域大田土壤特性较为接近，能够更真实的反应田间土壤特性对降雨产流过程的影响。回填土从上到下依次为沙壤土(0～30 cm)、壤土(30～100 cm)和粉质黏土(100～300 cm)。主要研究对象为地表径流(0～30 cm)，0～30 cm土层土壤容重为1.51 g/cm3，孔隙度为42%。土壤前期含水率采用RIME-PICO IPH2仪器进行测定。每个试验单元共装有4层200 mm槽宽的水槽，各层水槽收集对应产流类型分别为直接地表径流、地面下1 m内、1～2 m、2～3 m的壤中流，水槽末尾设有薄壁三角堰，利用浮子式自动水位计测定不同土层出水量，如图2所示。

图1 试验场概况图

图2 三角堰测流装置

1.2 试验方法

对研究区天然降雨特性进行分析并结合已有研究[10-11]，确定各次模拟降雨雨强和降雨历时，设定4种不同降雨情景，如表1所示。试验设置0.67、1 mm/min两种降雨强度，降雨历时均为60 min，植被覆盖情况分别为自然草地、裸地。开展试验时一般选取天气晴好且无风时进行，以减小误差，且不同设计强度的人工降雨都会与实际落地雨强进行率定分析，以保证仪器喷洒降雨和落地降雨的强度及均匀度达到试验要求。从开始产流起每隔1 min对三角堰水位进行一次读数，直至产流结束，不同情景下产流量和累积产流量的数据均在SPSS 24.0中进行分析。

表1 不同降雨情景设计

2 结果分析与讨论

2.1 产流起始时间

产流起始时间是反应土壤包气带对降雨再分配响应快慢的一个重要指标，不同情景下产流的起始时间，结果如表2所示。总体来看，情景1、2下地表径流产流起始时间在45 min左右，情景3、4下地表径流产流起始时间在8 min左右。前两种情景是在天气久旱无雨时进行的，土壤前期含水率较小，导致产流时间较晚；而后两种情景土壤前期含水率较大，其产流起始时间明显提早。由此可知，在土壤特性一致的前提下，相较于雨强、植被和坡度等其他因素，土壤前期含水率对产流起始时间的影响最为显著。在此基础上，结合4种降雨情景进一步分析不同坡度、雨强和植被条件下，产流起始时间的细微差异。

表2 不同降雨情景下产流起始时间

2.1.1 坡度对产流起始时间的影响

由情景2结果显示，土壤前期含水率为0.10时， 4°坡较2°坡产流起始时间提前了4 min；情景4结果显示，土壤前期含水率为0.23时，4°坡较2°坡产流起始时间分别提前了1 min。其他结果显示，4°坡较2°坡的产流时间均有不同程度的提前。这表明，当其他因素一致时，随着坡度增大，坡面流速增大，使得产流时间提前，这与王蕙等[12]的研究结论相一致。

2.1.2 雨强对产流起始时间的影响

比较情景3和情景4，土壤前期含水率相同，且均为裸地时，雨强从情景4的0.67 mm/min增加到情景3的1 mm/min，2°裸坡的产流起始时间提前了1 min， 4°裸坡的产流起始时间提前了2 min。由此可知，当坡度和植被覆盖一定，且土壤前期含水率相同时，随着雨强增加，单位时间内坡面承受的净雨量也随之增加，因此产流起始时间也会随之提前。

2.1.3 植被对产流起始时间的影响

比较情景1和情景2，在其他条件相近时，裸地的产流起始时间要早于自然草地。其中，2°草地坡产流起始时间较裸地坡滞后了2 min；4°草地坡产流起始时间较裸地坡滞后了4 min。由于降雨过程中，有植被覆盖的草地会对雨水进行阻挡并吸收水分，延长了下垫面对降雨的响应时间，从而使得产流起始时间增大。而裸地对降雨进行拦截作用相对较弱，降雨后可快速产流，因此其产流起始时间较早[13]。

2.2 产流量

2.2.1 坡度对产流量的影响

图3分别展示了裸地时不同坡度下情景2和情景4的降雨产流[图3(a)、图3(b)]和累积产流过程[图3(c)、图3(d)]。分析可知，无论前期土壤含水率条件如何，由于坡度的增加，沿坡方向重力梯度越大，导致坡面流速加快，水流渗入土壤的量相对减小，因此产流量随着坡度的增加而增加[14]。当土壤前期含水率θ=0.10时，坡度从2°增加到4°，达到稳定时的产流量增加了5.4%，在累积产流量区域稳定前，不同坡度的曲线近似平行，表明4°坡和2°坡的累积产流量的增长速率相近；θ=0.23时，4°坡的累积产流量较2°坡增加了25%，在累积产流量快速的增长阶段，两坡度曲线的增长率近似相等，甚至部分重合，但在累积量缓慢增长阶段，4°坡的累积产流量增长速率明显高于2°坡的增长速率。

对两种前期土壤含水率下不同坡度的累积径流量进行回归分析，不同条件下，产流量均呈现先增加后平稳的趋势。在土壤入渗率达到稳定之前，随着降雨历时和降雨的不断持续，土壤含水率逐渐增大，土壤入渗率逐渐减小，累积产流量持续增加，随着累积产流量趋于稳定，累积产流量与降雨历时呈现线性拟合关系，即y=ax+b。不同条件下的公式参数如图3(c)、图3(d)所示，拟合系数R2均在0.9以上。参数a表示累积产流量的增长速率，对比可知，在两种不同的前期土壤含水率条件下，2°坡的累积产流量增加速率均小于4°坡。

2.2.2 土壤前期含水率对产流量的影响

由于情景2、情景4的降雨强度和下垫面条件相同，图3同样解析了一定坡度实验单元下，不同土壤前期含水率对产流量的影响差异。以2°坡为例，由图3(a)、图3(b)可知，不同前期土壤含水率的产流过程都经历了量值快速增加和稳定两个阶段；就增速阶段，前期土壤含水率为0.10时的产流量时间变化率为0.065 L/min2，而前期土壤含水率为0.23时，产流量的时间变化率为0.202 L/min2。由图3(c)、图3(d)可知，前期土壤含水率为0.23时的累积产流量是土壤含水率为0.10时的2倍多。综上，无论累积产流量值还是前期增速的变化率，试验单元对不同前期土壤含水量产流响应的差异性都比较显著。

图3 相同土壤前期含水率下不同坡度条件下的产流和累积产流过程

尽管上述差异存在且久旱后的试验单元产流起始时间很晚，为45 min(表2)，但产流增速阶段的时长却很短(约12 min)，与前期土壤含水率为0.23时的值(约14 min)相差不大。

2.2.3 雨强对产流量的影响

相同坡度不同雨强下(即情景3和情景4)的产流和累积产流过程线分别如图4所示。当土壤前期含水率相同，坡面均为裸地时，随着雨强增加，每分钟产流量都有明显增加。对比分析可知，雨强由0.67 mm/min增加到1 mm/min，2°坡产流稳定时径流量增加了80%，4°坡稳定时径流量增加了60%。

图4 相同坡度下不同雨强的产流和累积产流过程

由于降雨是径流过程的输入项，随着雨强的增大，坡面承接降雨量变大，使得产流增加。另外，随着强的增大，雨滴对地面的打击力随之加大，从而导致土壤表层结皮，土壤逐渐趋于密实，减弱土壤入渗能力，使得产流量增加。对相同坡度不同雨强下的累积径流量进行回归分析，累积产流量达到稳定时的过程线与降雨历时呈线性函数分布，拟合系数R2均在0.9以上, 这与李义豪等[15]的研究结果一致。无论哪种条件，雨强1 mm/min时的累积产流量对降雨历时的累积产流量对降雨历时响应的递增速率均显著大于0.67 mm/min时的对应值。

2.2.4 植被对产流量的影响

对比降雨情景1、情景2，得到两坡度下裸地和天然草地的降雨产流过程，如图5所示。可知，无论哪种坡度，草地的产流量过程线均处于裸地产流过程线的下方，表明天然草地单位时间内的产流量均小于裸地，且这种现象在2°坡地试验过程中，更为显著，裸地的产流量比草地增加了10%。产流初期裸地坡的产流历时曲线较草地坡陡，表明其产流速率较快；当产流量达到稳定时，裸地坡的产流总量大于草地坡。由于草地能够改善土壤的理化性质，植被根系生长在一定程度上增大了土壤孔隙度[16-17]，使得土壤入渗量相应的增加，降雨产流过程相对平缓，因此同等降雨情况下，草地的产流量小于裸地。进而解析图5中各条件下从起始至刚好稳定时的产流过程线，得出产流量与产流历时呈现对数y=alnx+b关系。各条件下，其对数函数的参数不尽相同，R2均在0.8以上，结果如表3所示。

表3 不同坡度下裸地和草地坡产流与产流历时的回归分析

3 结论

通过4种不同情景的人工模拟降雨试验，对不同坡度、雨强和植被条件下的华北平原山前包气带试验单元的降雨产流过程进行了研究，得出如下结论。

(1)在降雨产流过程中，坡度、雨强和土壤前期含水率越大，起始产流时间越小，且前期土壤含水率对产流滞时的影响更加明显。

(2)产流量随坡度、雨强和前期土壤含水率的增加而增加。累积产流量与降雨历时呈线性函数y=ax+b分布，拟合优度均在0.9以上。

(3)裸地和草地坡产流量与产流历时呈现对数关系，拟合优度均在0.8以上；雨强和植被条件一定时，裸地坡单位时间内的产流量均高于草地坡。

(4)前期土壤含水量是影响区域产流量的一个重要因素。未来在构建区域产汇流模块时，应重点考虑前期土壤含水率对产流量及产流速率的差异；由于产流增速时长的一致性，还要考虑久旱和正常土壤墒情下，产流模式差异的可能性。