水土保持措施下的土壤入渗研究及次暴雨地表产流计算方法(王秀英, 曹文洪)

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水土保持措施下的土壤入渗研究及次暴雨地表产流计算方法

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王秀英曹文洪
d1wb:NZCZ o0(中国水利水电科学研究院
)水利论文6n)|-r"]&Y0t

摘   要从土壤水分下渗能力曲线出发,从理论和实验分析两方面说明水土保持措施下土壤入渗性能的改良作用。考虑到流域实际的下渗能力,建立了将下渗能力曲线、不稳定降雨过程和前期土壤含水量有机联系起来的流域场(时段)暴雨地表径流计算模式。水利论文:U&r,?4B,T+L

关键词下渗曲线;入渗率;超渗产流

"w-W:mN)TH0

1前言水利论文(O)|9G3t8n d

  因为降水是沿着地表和地下两种主主要原因是由于大暴雨下高度集中的地表径流及其冲刷侵蚀挟带的泥沙而引起的。鉴于水土保持措施可拦截降水,增加土壤入渗,减少坡面地表径流量而增加地下径流量,改变汇流特性,从而削减洪峰,降低径流侵蚀力,起到减水减沙作用,所以,近年来许多专家指出:应充分重视土壤入渗的研究,主张“拦蓄降水、就地入渗”作为治理江河灾害的战略性措施。因此,研究土壤入渗规律,进而推导降雨地表径流计算模式,对于土壤侵蚀和洪水预报,各种水土保持措施,特别是各种措施的配置方案和设计及其效益评价都具有极为重要的意义。

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2土壤水分下渗能力曲线水利论文[?6u$J$~*` hF;~

2.1下渗能力曲线

3np'P(h#m \(Kp@0

  干旱和半干旱地区以超渗产流为主。下渗过程是一个消退过程。从水动力平衡角度分析,在只考虑垂向一维水流的情况下,水流在非饱和土壤中的运动的基本表达式为水利论文v,}k c A`5~

990618e1.gif (1161 bytes)水利论文"IAY#Q1?"Co

(1)

I;Uc%@&vz(w0

式中v为渗透速度;k为渗透系数;φ为水势;z为垂向距离。

6R.P|I!c(A0

根据质量守恒原理有

f fU4M1r)c0

990618e2.gif (1069 bytes)水利论文 @ \\8j@ ^2wl

(2)

ay a*O3x7];s0

式中θ为包气带含水量,其余符号同前。联解式(1)和式(2)水利论文:Lbgn{

990618e3.gif (1438 bytes)

5R"F-I:znY{"x%Z"@0

(3)水利论文9PU LG,Zd/u&O'B

式中D为扩散系数,其余符号同前。此即非饱和下渗的微分方程。水利论文Q/j+l C)cc$u:|*H R

  菲利浦在上述方程的基础上,考虑均质土壤,起始含水量均匀分布及充分供水条件下,经过代换和微分展开,取展开式的前两项求得如下近似计算公式水利论文*~NQR5Mf

f(t)=(1/2)St-1/2+A水利论文.Q9U!K1Apw7eyv

(4)

7V-fPU'`eT(@2t0

式中f为下渗率;S为吸水系数;A相当于稳定下渗率fc

Q.\9r!R R"z0

  若取扩散系数和渗透系数均为常数,通过分离变量解法,解式(3)和式(1)可得水利论文'CM#C dJ

f(t)=fc+(f0-fc)e-βt

)?,R4m Q.x @L?0

(5)水利论文 ?QC]j/_

式中β为常数,下渗曲线的递减参数(随土质而变);f0为初始下渗率(也称最大下渗率);fc为稳定下渗率;t为时间;e为自然对数底数。

U"n~;A#Nw _)Ri0N0

3水土保持措施下的土壤入渗能力水利论文0e/WO1l

  总的说来,水土保持措施的水文效应主要表现在涵养水源,保持水土,改良土壤,调节径流,改造局部地区水文循环等。而凡是构成对土壤物理性质影响的措施因子,都对土壤的入渗能力有重要影响。

Pf#| kH2C&^Y)E0

  在土壤物理性质中影响土壤入渗率的主要因素是土壤的孔隙状况,土壤质地,土壤结构的稳定性,地表是否有结皮,土内是否有间层等。一般说来,地表土壤的孔隙度越高,土壤结构的通透性越好,初期入渗率也越高;剖面通体的孔隙度越高土壤的稳渗率也越高。如果土壤表面被压实或有地表结皮产生,地表层将会被导水率极低的结皮盖住,极大地降低土壤入渗率。

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6p40.gif (4607 bytes)

m6p@8u??+\+@c0

图1 火山灰地带不同地被的下渗率曲线
;I.?SeDss0s*rp0(i=400mm/h雨强下)
水利论文N;h.o[5a(y.^9y

3.1水土保持林草措施的土壤入渗改良作用

(i7Vt/_ n9u `j0

  林草措施对土壤性质起到一定的改良作用,并且随着林龄的增加,草场的发育,这种作用逐渐增强,反映在下渗曲线的上移和曲线形状发生变化(见图1)。这主要是因为植物根系的生长发育过程及枯枝落叶层的形成分解过程,就是对土壤物化性质不断改善的过程,其有机质和腐殖质含量、根系活动使土壤孔隙度发达,整个剖面上的渗透能力比较高;同时,促进生物作用来改良土壤。水利论文 D;t;U:v#\CGq9I,s

林地枯枝落叶层还可减少雨滴的击溅,防止地表在雨滴打击作用下颗粒分散引起的结皮,同时对泥沙具有一定的过滤作用,防止了土壤孔隙的堵塞。

:E{2\_D L0  对晋西黄土残壑区实验林草地及对比裸地的实测资料进行分析,得土壤入渗方程各参数(见表1)。从表1可知,不同林分及草种对土壤入渗性能的影响是不同的。水利论文GS n T*z@*l

1晋西黄土残壑区各实验地类土壤入渗性能

y"Lgp9p Q/d4WW0

霍顿公式参数沙棘林地油松林地草地裸地

fc(mm/min)水利论文1FQ-A)nn c*X4M;ju

0.230.210.130.09

f0(mm/min)水利论文 n#h \^h o3e

0.710.580.480.41

β(1/min)

8]7|2j)Jz@0
0.05930.05250.05080.0602

3.2水土保持梯田及耕作措施对土壤入渗的影响

%Gs SD)X^0
  梯田对于改变地形、改良土壤有很大的作用。坡地修成水平梯田后,能够很好地拦截天然降水,增加土壤的蓄水供水能力,利于肥力的保持和作物的生长。根据四川盆地中部丘陵区50个梯田土样及23个坡地土样的分析结果:土壤有机质梯田比坡地高145.8%。而有机质的存在增加了土粒间的胶结而促进土壤团粒的形成,改良了土壤结构。

DI$uwUS9j([u(A0  以多次洪水的平均误差最小为原则,直接用下渗曲线公式来优选参数,分析子洲径流试验站内两个小流域:(0.18km2)和(0.133km2)的雨、洪资料,得出如图2所示的两小流域下渗曲线。这两个小流域的地貌植被情况是相仿的,但从图2可知,墨矾沟的下渗能力明显高于团山沟,究其原因是由于它们的梯田面积有所不同。墨矾沟的水平梯田的面积占相当的比例,而团山沟的梯田面积很少。水利论文U lq+iO8m

6p41.gif (3609 bytes)
L2P.z,M1\:ni0水利论文6s noMaG%_T
2团山沟、墨矾沟下渗曲线

u[ya1Z/A ?3x/e0

  水土保持耕作措施通过外界的机械力量的作用来改善土壤水分-物理性状。耕作可改善土壤的孔隙状况和通气性,利于土壤中微生物活动和有机物的积累;耕作可破坏雨后土壤表层的板结层,增强土壤的渗透能力。根据中科院西北水土保持研究所19571958年的研究资料表明:耕作能显著地提高土壤透水性和土壤的含水量,一般能提高15%30%,随着耕作深度的增加,土壤的含水量也随之提高。

"l wfkx0

4下渗曲线法产流计算公式的推导和应用

"q\ZOF t'P0

  土壤非饱和水流基本微分方程的求解是把下渗的出现作为地表饱和的结果,就是说是在充分供水条件下导出的下渗能力曲线(霍顿和菲利浦公式在充分供水条件下与实际资料配合较好便是很好的例证)。实际的降雨过程并不一定都大于下渗过程,这就使得供水条件不充足,所以在产流计算中就得考虑流域实际下渗曲线了。流域实际下渗曲线受控于下渗能力曲线、降雨强度(降雨过程)和前期土壤含水量。一定的土壤含水量和降雨过程便有一条与之对应的下渗曲线。这就使得利用下渗能力曲线计算流域产流存在一定的困难。

T4vUr _8DiR!_0

  若通过实验已知土壤在最干燥情况下的最大下渗率f0,下面以霍顿公式为例推导出考虑下渗能力曲线、降雨过程和前期土壤含水量有机结合下的次降雨(990618e6a.gif (844 bytes)>fc)产流公式。水利论文 z TCp2S1TQ_C

4.1990618e6a.gif (844 bytes)j>f0

c0O#sm6\.vs W0

  若次降雨的前期土壤含水量为Pa,则下渗率相对要低,下渗能力曲线需向左平移Δta(见图3),平移后有水利论文6r1`,b0H:b2n5K?-v

6p42.gif (2917 bytes)水利论文/H'Hw x7_ S

3990618e6a.gif (844 bytes)j>f0Pa下下渗曲线的变化

/M.O jMr!|k0

f1(t)=f(t+Δta)

-{+X4@8nQ3V(^H:V:jt?0

(6)水利论文Gzi wUh u

平移后图中阴影部分的面积在数量上等于前期土壤含水量为Pa,即水利论文/L2l{C Hr K

990618e7.gif (1226 bytes)

,O2YT[W+s0

(7)

{o T cb#^/nu4E0

联立式(5)、式(6)和式(7),得

tX1c?%`%XZ^P0

990618e8a.gif (1551 bytes)

F9nU)a/J@i;\%tE$M0

(8)水利论文L9oJr8J)@#R?"i7\*Us

990618e8.gif (1347 bytes)

.O#~_?x6M@+A0

Δta也可作如下计算:水利论文r C&j,i3{e

  下渗水量部分将形成地下径流,形成地下径流的那部分下渗率即为下渗能力曲线中包含稳定下渗率的项,即为

8X$B/\;T.n-}I0

fg(t)=fc(1-e-βt)

|M` wty0

(9)水利论文0sA4S-^%ap

990618e10.gif (1478 bytes)水利论文WYG8[g

(10)

*~-M/p;{tv0

W在数值上等于在一定f0条件下的雨前土壤缺水量,其值为流域蓄水容量Wm与流域平均土壤含水量之差,所以水利论文"SX'rkK\P3QN

f0=β(Wm-Pa)水利论文6P|0\(A}Z.W

(11)水利论文^JO%q(sP w*b

由式(11)可知,若Pa0,则f0=βWm,达到最大值,即土壤最干燥时的最大初渗率。从图3中可得

n8U9~IdM0
990618e12.gif (1558 bytes)

(12)水利论文%w{T1A4]S"wZ4w

水利论文W'g4QQ e['T

990618e12b.gif (1165 bytes)

整理上式亦可得式(8)水利论文0`H/qYwj9z7i ~.N

  次降雨地表产流量为

'PsV#F!vl0

990618e13a.gif (1284 bytes)

x*I9M]?~9n |0

(13)

??^*?$u0

990618e13b.gif (1318 bytes)水利论文 F:^&t^U XO:HAq2f xe

式中Rl为第l个网格单元的产流量;t(i)为降雨强度的连续函数;tr为降雨历时;P0-tr为次降雨总量。

4|Y[8Cd*KxD0

  时段(Δtj=tj- tj-1)地表产流量为水利论文,qpR N ft!?]

990618e14a.gif (1541 bytes)水利论文n7` A.P8Z,QL

(14)水利论文lFY!e+AM2H/K I

990618e14b.gif (1391 bytes)水利论文#w;l(G4A5TS L

  注意若式(8)、式(13)和式(14)中的f0为土壤在最干燥情况下的下渗率,则Pa为次降雨前的土壤含水量;若f0是土壤含水量为Pa0时的初渗率,那么Pa需用Pa-Pa0代替。从式(8)可算得,当Pa=0时,Δta=0,即曲线不作平移。

_'^+|7y*u9Z*T.B)_0

4.2 f0>990618e6a.gif (844 bytes)j>fc  

MS [`2v-G,?H0_0

  在下渗最初阶段,下渗率具有较大的数值,但在降雨初期若雨强很小,小于下渗能力(i<f),很显然f大于i的那一部分下渗能力没能得到满足,需由i>f的部分降雨来补充(见图4,图中ta为产流时刻),下渗曲线需往右移,即水利论文qA S Iq

6p43.gif (4526 bytes)

-zZ2b,upws;X.Q0

4   f0>990618e6a.gif (844 bytes)j>fc时下渗曲线的变化

T |wg TeG+xxX0

f1(t)=f(t-Δta)水利论文6Ek qkt Kz2K

(15)水利论文o"lk1mBI?

4中平移量水利论文&J,i m8x QS:z m4?^e

Δta=ta-t0水利论文s1q {4{ \I)Y

(16)水利论文 C!e1r7Xn:H?+G[%_

平移后阴影部分1的面积应与阴影部分2的面积相等,即水利论文l3`DF&a{.R

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.oQa7F1j.ZKF A0

(17)水利论文KIFn~

式中P0-ta0ta时刻的降雨量。联立式(5)、式(15)、式(16)和式(17),得水利论文+c!lm,Fgm

990618e18.gif (1338 bytes)

uq:f3w X#E0

(18)水利论文&N&ms9j2g

990618e18b.gif (1239 bytes)水利论文d:Kc^~/gs A

整理上式得水利论文 T z"SfpB

Pa+P0-ta-fcta=(1/β)(f0-fc)(1-e-βt0)

J1s,Hs(q3qS c;S0
由图4,次降雨地表径流在产流时刻ta所需的平均临界雨强990618e6a.gif (844 bytes)ta等于下渗率f01,所以可以结合下式计算出产流时刻

990618e19a.gif (1446 bytes)

l[p_/]#h0

整理得水利论文u!H1TRJ

990618e19b.gif (1174 bytes)

A6c:g.nI4RCIR0

(19)水利论文}g%a4WJ#H

代入式(18),得

AF cB3cs;d7n9s(V0

990618e20.gif (1287 bytes)水利论文.Z(v_*Dxq3kt

(20)水利论文GKk^Ky

由式(20)可知,产流时刻不仅与前期土壤含水量Pa有关,而且与平均雨强990618e6a.gif (844 bytes)ta有关(即与产流前的降雨量有关)。可以用试算法找出式(20)中的ta990618e6a.gif (844 bytes)ta

  次降雨地表产流量为水利论文:hp;NJ;wg

990618e21.gif (1781 bytes)水利论文~"m8~,ud6@8P8R

(21)水利论文/M1^-|D1UVmK!Q5`+I

  将式(20)中通过试算法找出的ta990618e6a.gif (844 bytes)ta代入式(21)即可求出次降雨地表产流量。时段(Δtj=tj-tj-1)地表产流量的计算则以tjtj-1及相应历时的降雨量分别代入式(21)后相减即得。水利论文.[.T#Q)Uq'?

  根据以上的计算公式,对子洲径流实验站团山沟站1969511日的暴雨进行计算,其下渗与雨强历时曲线见图5,土壤初期入渗率为2.02mm/min(fc=0.42mm/mim,β=0.0538min-1),求得产流时刻在11.8分;各时段产流总和为16.6mm,与实测值15.5mm很接近,误差为7.1%。对1969720日的(前期土壤含水量为14mm)暴雨进行计算,土壤初期入渗率为1.47mm/min,产流总和为0.94mm,实测值0.9mm,误差为4.44%。计算产流量均略大于实测值,这主要是因为用下渗曲线法计算的流域次暴雨产流量是流域的当地产流量,而实测流域出口的产流量是经流域汇流后的流量,而在汇流过程中必有一定的填凹等损失。所以,可以认为计算结果基本上是符合实际的。

6p44.gif (4188 bytes)

3B-D2C w-TT"rB&x0

图5 下渗与雨强历时曲线(1969.5.11)

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5结论水利论文H:F:BP.G6a~:bF4}!y

  1.水土保持措施对土壤水文性质有一定的改良作用,反映在下渗曲线的上移和形状的变化上,从而增加了土壤入渗量,将地表径流更多地转化为地下径流,可作为治理流域,减少洪水和泥沙灾害的战略性措施。

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  2.本文在超渗产流计算中考虑到流域实际的下渗能力,即建立了一个将下渗能力曲线、不稳定降雨过程和前期土壤含水量有机联系起来的流域产流计算方法。

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参 考 文 献水利论文)|+]H/X6y

1王礼先主编。水土保持学。中国林业出版社,1995.

0K:\:u*EJMd0

2汤立群,陈国祥。流域产沙动力学模型。全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集,1992.

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3余新晓。土壤动力水文学及其应用。中国林业出版社,1995.

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4赵人俊,王佩兰。霍顿与菲利蒲下渗公式对子洲径流站资料的拟合。人民黄河1982,(1)

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