贵州师范大学

贵州师范大学毕业论文题目：雨强对石灰土产流产沙影响的模拟研究姓名：谢松学号: 111006010048指导教师: 蔡雄飞(副教授)班级: 2011级城乡规划学院: 地理与环境科学学院雨强对石灰土产流产沙影响的模拟研究摘要：选取贵州喀斯特山区代表性土壤石灰土作为研究对象，系统的开展12场不同雨强对土壤侵蚀影响的室内模拟试验，结果表明：（1）坡面径流量至产流后10min左右后保持稳定。

当坡度相同时, 径流量均随雨强的增大而增大。

（2）坡面输沙率随时间的变化表现为4个阶段：迅速减小、缓慢增大、缓慢减小、趋于稳定。

当坡度相同时, 输沙率均随雨强的增大而增大。

（3）坡面总径流量随雨强的增大而增加，总输沙量随着雨强的增大而增加。

关键词：喀斯特；雨强；土壤侵蚀Simulation study on the influence of rainfall intensity on runoffand sediment of limeproductsAbstract:taking Guizhou Karst mountainous area representative soillime soil as the research object, to carry out the 12 different rainfall intensities on soil erosion simulationtest system, the results show that: (1) runoff to produce stable flowabout 10min. When the slope is the same, the runoff was increased with the increase of rainfall intensity. (2) slope sediment transport rate with the change of time into 4 stages:rapid decrease, increase slowly, slowly decreases, tends to be stable. When the slope is the same, sediment transport rate increases with the increase of rainfall intensity. (3)the total runoff with rainfall intensity increases, the total sediment yield increased withthe increase ofrainfall intensity.Key words:Karst; rainfall intensity; soil erosion雨强是土壤侵蚀的重要影响因素之一，目前，针对贵州喀斯特山区的研究主要从宏观角度探讨贵州喀斯特山区土壤侵蚀的现状、特征、机理等[1-6]。

而从不同雨强角度针对石灰土的研究还少见报道。

本文选取贵州喀斯特山区代表性土壤石灰土作为研究对象，系统的开展了不同雨强条件下喀斯特山区土壤侵蚀过程及机理的室内模拟研究，拟为贵州喀斯特地区石漠化的防治提供参考依据。

1 研究区概况贵州作为我国西南喀斯特地区的中心[7]，全省喀斯特面积分布广，除黔东南及黔西北赤水一线外，全省均有分布，面积占全省总面积的73％[8]。

且境内地势起伏大，97％都是高山和坡地，只有3％的平地[9]。

而喀斯特山区的自然土壤以石灰土类为主，凡有碳酸盐岩出露的地方，几乎都有石灰土的发育。

但石灰土类与其它类土壤的土层相比较薄[10]，土层厚度一般30～50cm，其允许侵蚀量远小于非喀斯特区[11]。

而且，该区成土速率慢，据风化剥蚀速率推算每形成1cm厚的风化土层需要4000～8500余年[12]，成为贵州喀斯特山区土层浅薄且分布不连续、土壤生态系统脆弱易退化的背景和基本原因之一[13]。

该区属中——南亚热带和北热带气候区，气候温暖湿润，雨量充沛，光、热充足。

绝大部分地区年降水量为1000～1600mm，70％～80％的降水集中在每年的5～8月，形成水热同期的分布特点，为喀斯特地貌的强烈发育提供了必要的溶蚀条件[11]。

2 实验设计2.1 试验设备2.1.1 人工降雨设备本人工模拟降雨试验装置主要由供水箱、降雨器和土槽三部分组成。

试验时，由供水箱输水进入降雨器，通过降雨器降雨打击土槽中样土，从而进行模拟试验。

2.1.2 土槽设计土槽由不锈钢板焊接制成，长140cm、宽60cm、深50cm，置于钢架之上。

前端焊成倒三角形集流槽，通过合页与降雨器支架焊接，以便接收试验中的径流与泥沙；后端与降雨器支架的手动葫芦相连，可调节坡度0°～45°；底端溢流孔(U=5mm) 按棋盘式布局。

2.1.3 相关参数值的确定通过对典型喀斯特区域——贵州省安顺市普定县后寨河流域地表特征的12个野外样地调查，坡度多集中于25°—35°之间，最小坡度0°，最大坡度4O°。

自贵州有气象记录以来，全省1小时最大降水量出现在1979年7月20日安顺的116.0mm/h[14]。

综合分析选取三个雨强（47 mm/h、77 mm/h 、107 mm/h）和四个坡度(6°、16°、26°、36°)进行该地区土壤侵蚀的室内模拟试验。

2.1.4 样土的采集与填装供试样土为贵州喀斯特山区分布广泛的石灰土，于2012年7月18日取于贵阳市相宝山山麓，地表覆被多为菊科植物。

取0—20cm的表层土壤，带回室内风干，剔除石块、植物根茎以及杂草，过3.5mm筛。

野外取样的同时用环刀取原状土样3个，测容重均值为1.22g/cm3。

土槽底部铺设一层5cm厚度（过3.5mm筛子）的粗砂，并压实整平，以保持土槽的透水性。

在粗砂上以5cm为间隔分层填装试验土样，土与砂子用一层纱布隔开，防止颗粒小的土粒填堵沙子空隙，影响土槽底端的透水性。

为了控制试验坡面物理状况一致性，采用每5cm厚度分层填装过筛处理后的土壤，层间接触面用塑料刷子打毛，防止出现分层现象，填装土壤厚度共为35cm，并保证表层土靠土槽侧壁，容重控制为1.22g/cm3左右。

实验前用喷壶均匀洒水，使土壤表层达到饱和。

2.2 试验设计试验验由4个坡度（6°、16°、26°、36°），3个降雨强度（47mm/h、77mm/h 、107mm/h)相互交叉试验，共进行12场模拟降雨试验。

2.3 试验过程每次降雨历时设为1h，从雨滴打击到地表后开始计时，坡面产流后记录下产流时间，产流1min开始采样，为准确反映试验过程中的径流量及侵蚀产沙变化，每隔3min用容器采集径流样，所有泥沙样品先静置48h，记录下单个样品径流量体积，倾倒上层清水，置于烘箱中在105℃至恒重，秤量后得出径流泥沙含量。

3 结果与讨论3.1径流量变化过程不同雨强条件下不同坡度坡面土壤侵蚀径流量随时间的总体变化特征见图1～4，从图中可以看出：(1) 从产流后1min接样起径流量缓慢增加，至10min 左右后保持稳定。

(2)当坡度相同时, 径流量均随雨强的增大而增大。

坡度为6°时，雨强47mm/ h、77mm/ h、107mm/ h坡面平均径流量分别为4.03 ml/s、10.13 ml/s、 15.43 ml/s,其他坡度变化规律相同。

(3)当雨强相同时, 径流量均随坡度的增大而增大。

雨强47mm/ h时，坡度6°、16°、26°、36°坡面平均径流量分别为4.03ml/s、6.11ml/s、6.45ml/s、6.82ml/s,其他雨强变化规律相同。

表明坡度对坡面径流量的影响效果明显。

降雨初期，由于雨滴的打击作用，地表形成鱼鳞坑状高低不平的小洼地微地形，对坡面地表水具有滞蓄流作用，随着坡度的增大部分被积蓄在鱼鳞坑洼地的积水因坡度倾斜溢出形成地表径流，导致地表径流量的增加[15]。

图1 6°条件下径流量变化过程图2 16°条件下径流量变化过程图3 26°条件下径流量变化过程图4 36°条件下径流量变化过程3.2输沙率变化过程不同雨强条件下不同坡度坡面输沙率随时间的总体变化特征见图5～8。

从图中可以看出：(1)输沙率随时间的变化表现为4个阶段：迅速减小、缓慢增大、缓慢减小、趋于稳定。

从坡面产沙开始迅速减小，4～10min达到最小值，至10～22min左右达到第二次产沙高峰，之后缓慢减小，27～33min后趋于稳定。

这是因为，降雨初期土壤表层遭到雨滴打击，迅速脱落，产生大量的土壤颗粒，与此同时坡面上形成的薄层分散的地表径流将土壤中可溶性物质以及比较细小的土粒冲走，形成第一个产沙高峰[16]。

随着降雨的进行，土壤表层开始结皮，抑制了雨滴对土壤的剥蚀，输沙量逐渐减少。

接着细沟侵蚀开始，垂直方向向地表深层侵蚀，水平方向向细沟源头侵蚀，产生第二次产沙高峰，之后随着细沟发展趋于稳定，产沙量逐渐减少并逐渐稳定。

(2)当坡度相同时, 输沙率均随雨强的增大而增大。

坡度为6°时，雨强47mm/h、77mm/h、107mm/h坡面平均输沙量分别为0.009g/s、0.038g/s、0.054g/s，其他坡度变化规律相同。

这是因为随着降雨强度增大，很快形成地表径流，再加之雨滴的质量与体积越大，雨滴在下降过程中具有较大的落地终点速度，产生的动能导致较为严重的土壤溅蚀，所以雨强度越大，土壤侵蚀越严重[17]。

(3)当雨强相同时, 输沙量均随坡度的增大而增大。

雨强47mm/h时，坡度6°、16°、26°、36°坡面平均输沙量分别为0.009g/s、0.017g/s、0.024g/s、0.025g/s,其他雨强变化规律相同。

图5 6°条件下输沙率变化过程图6 16°条件下输沙率变化过程图7 26°条件下输沙率变化过程图8 36°条件下输沙率变化过程3.3总径流量与总侵蚀量不同雨强条件下不同坡度坡面总径流量见图9，同一坡度总径流量随雨强的增大而增加，6°坡面时，雨强47mm/h、77mm/h、107mm/h总径流量分别为12865.5ml、33887 ml、48986.5 ml，其它坡度情况变化相同，但随着坡度的增大而增加。

贵州地处云贵高原之上，喀斯特山区占有较大面积，地势起伏较大，且为季风气候区，夏季暴雨频发，应注意山洪的防范。