斜坡绿地的阶梯式改造对红壤径流过程的影响

    李雨航

    摘 要：以25°斜坡式绿地为研究对象，采用人工模拟自然降雨的试验方法，研究斜坡绿地的不同阶梯式改造对径流总量控制效果的影响，并提出梯坡比的概念，研究结果表面将斜坡绿地改造成阶梯式可以有效提高绿地的入渗能力，延长径流的起始产流时间。

    关键词：上凸绿地;阶梯改造;径流雨水

    0 引言

    我国华南地区多为凸起式绿地，在降雨量大时易形成较大的坡面径流，造成雨水外排，对坡面土壤造成冲刷侵蚀[1]，达不到削峰滞洪的效果。梯田是治理坡耕地水土流失的有效措施，蓄水、保土作用十分显著[2]。

    1 试验研究方法

    1.1 试验材料

    人工模拟降雨实验在广东工业大学实验楼旁边的露天分仓式人工降雨渗透床进行。渗透床利用喷灌系统模拟下喷式降雨装置，有效高度3.0m，可进行30-100mm/h的各种雨强模拟降雨，均匀度>75%，雨滴大小、落地速度、均匀性和自然降雨相似。在实验单元格四个方位角各放置一个直径67mm、容量1000ml的量筒，实际降雨强度由量筒测得，并进行降雨强度的转换。

    实验渗透床为自制钢槽，槽体规格为1.0m*1.0m*0.5m，槽体上部装配径流收集水槽，规格为0.9m*0.1m*0.1m，用于收集地表雨水径流。槽体下部为渗流收集系统，槽底两侧为倾斜混凝土基础，便于槽体雨水的收集和汇合。底部中间设置不锈钢穿孔管以收集渗流的雨水，外表面缠绕尼龙塞网，防止土壤进入穿孔管导致堵塞。

    试验供试土壤采自广东省广州市番禺区瀛洲生态公园，经测定粘粒含量38.41%，粉粒含量39.74，砂粒含量21.85%，平均容重1.3g/cm3，将剔除杂物并风干后大块的土壤打碎并过15mm筛子。采用分层法装填槽体。每层厚度为15cm，实验床槽体中土壤厚度35cm。

    1.2 试验设计

    25°为《水土保持法》规定的开荒限制坡度，水土流失最为严重，不准开荒种植农作物[3]，本试验以25°坡度为例，对应于25°的斜坡式绿地，S为阶梯式绿地的面积，S为斜坡式绿地总面积，试验按照阶梯式绿地占斜坡式绿地面积比（梯坡比）S/S=0、50%、100%共设计三种不同的绿地地形改造，35mm/h，60mm/h，80mm/h三组不同的雨强，进行组合试验，每种条件重复一次，试验共18场。

    1.3 试验过程

    每次模拟降雨试验前进行预降雨，使土壤含水率大致保持一致。从开始降雨记时，并记录产流时间，降雨开始后每隔5min测量试验床的径流出水量和下渗出水量，降雨历时为60min，测量径流历时70min，测量下渗历时130min，通过称重法测量，根据水的密度进行重量和体积的转换。降雨结束后，记录试验单元格四个方位角的量筒数据，并进行雨量的校核。

    2 结果分析

    2.1 产流起始过程分析

    起始产流时间如表1所示。

    不同的地表构型对于坡面产流时间具有一定的影响，初始产流时间随降雨强度的增大呈幂函数递减的形势，在0.58mm/min的降雨强度条件下，为进行斜坡绿地的台阶改造时，起始产流时间为6.5min、5.2min，进行阶梯式改造后，起始产流时间为24.5min、18.5min，延后了18.0min、13.3min，这是因为降雨强度一定时，将斜坡改造呈阶梯使雨滴落在地表的垂直分力增大，坡面入渗率增大，导致地表产流出现延迟，随着降雨强度的增加，产流时间提前，1.25mm/min的降雨条件下梯坡比为0的起始产流时间为2.7min、1.3min，较0.58mm/min的相同地形提前了3.8min、3.9min，进行阶梯式改造后，起始产流时间为8.7min、8.9min，较未进行阶梯改造的起始产流时间延后了6min、7.6min，由此可见，产流时间与降雨强度和地形改造有关，随着降雨强度增大，产流开始时刻提前，雨强一致的情况下，坡面的起始产流时间随着梯坡比（S/S）的增加而延后，且存在明显的滞后，但降雨强度对产流起始时间的影响更为显著。

    2.2 不同雨强下阶梯式改造对径流过程的影响

    试验条件下各梯坡比的地形改造在不同降雨条件下产流的过程基本上一致，在相同的梯坡比S/S的条件下，不同的降雨强度发生径流的过程有显著的不同，设计降雨强度为0.58mm/min的小雨强时，径流过程较为缓慢，产生径流的时间相对滞后，稳定径流强度较小，稳定径流强度的持续时间也短，产流的总量小;雨强越大时，径流过程较为迅速，产流时间越提前，稳定径流强度越大，稳定径流强度的持续时间越长，累积径流总量也越大。累积径流总量和降雨强度呈二次函数关系。随着梯坡比的增加会使降雨在垂直坡面的分力增大，水平坡面方向的分力减少，从而增加土壤的下渗，削减径流总量。当降雨强度增大到一定数值时，稳定入渗率趋于稳定状态，即土壤的入渗量趋于稳定状态，此时降雨强度不再影响土壤的稳定入渗率，未入渗的雨水会形成径流，降雨强度成为影响径流的唯一因素。1.25mm/min的降雨强度时，径流削减的作用并不明显，这是由于试验模型的研究尺度较小，阶梯式改造对地表径流的效果不如大尺度的坡面。

    3 结论

    绿地的起始产流时间随着降雨强度增加呈幂函数减少的关系，径流总量和降雨强度呈二次函數关系，进行阶梯式改造能延长绿地的起始产流时间，同时能够增加土壤的入渗率，在中小雨强的条件下效果更为明显，能达到一定的径流总量控制的作用。

    参考文献：

    [1]王丽园，查轩，黄少燕，陈世发，戴金梅，刘川.不同雨强条件下坡度对红壤坡面侵蚀的影响[J].水土保持学报，2017，31（05）：40-44.

    [2]孔磊，康威，谭松明，吴鸿，胡学斌，柴宏祥.绿色建筑小区阶梯式绿地设计与应用探究[J].中国给水排水，2016，32（01）：90-93.

    [3]王学强，蔡强国，和继军.红壤丘陵区水保措施在不同坡度坡耕地上优化配置的探讨[J].资源科学，2007（06）：68-74.