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降雨渗流及泥石流启动研究综述

郭元军　吕映霞
摘要：从降雨入渗与产流问题研究的角度出发，阐述了国内外有关降雨入渗与产流的经验模型；总结了降雨入渗与产流的影响因素一一土壤性质、土壤初始含水率、坡度和降雨强度；探讨了泥石流源区土体的降雨渗流特点及其与泥石流启动的关系；并对现有研究存在的不足和后续研究方向进行讨论。
关键词：降雨；入渗；产流；泥石流启动
降雨-入渗-产流是一个环环相扣、紧密联系的过程，认识这一过程的发生和发展规律对于防治土壤侵蚀、保持水土具有重要意义。围绕坡地降雨入渗与产流问题，学者对此问题的影响因素、机理及模拟等方面取得许多重要成果。但多以生态环境建设和农业可持续发展为目的。而对泥石流源区土体的入渗与产流变化规律及其与泥石流启动关系的研究较少。泥石流是一种突发性水土流失方式，常发生于山区。目前，有关泥石流源区的降雨渗流规律的研究多以云南东川蒋家沟泥石流典型为研究对象。本文在总结前人研究成果的基础上，归纳了国内外有关降雨入渗与产流的经验模型、影响因素，对降雨渗流与泥石流启动关系的问题进行初步探讨，以期为在这方面的深入研究提供一些有价值的信息。
一、降雨入渗与产流的经验模型
降雨入渗过程实质上是非饱和土壤水分的运动过程，产流研究的是流域内降雨转化成径流的过程，两者属于渗流理论范畴。自1856年法国工程师Darcy提出达西定律以来的一个多世纪里，基于单点降雨渗流和坡地产流过程的野外观测和试验研究，学者提出了多种重要的渗流理论和应用模型，如Richards方程、Gree-Ampt方程、Horton方程、Kostiakov方程、Philip方程、Freeze坡地水文数学模型、M.Hly和J.Mis的坡面产流模型、SCS模型和LCM模型等。理想的模型能结合各种影响因素来描述和反映复杂的入渗与产流过程。经验证，这些方程能适用于不同的地区，对土壤入渗与产流机理坐了很好的阐释。在此不一一赘述，下面，主要看看这些方程模型国内应用情况。
土壤入渗速率于时间关系的著名数学表达式有Kostiakov双曲线和Horton逆指数方程，但应用这两个公式在黄土高原实测拟合结果不甚理想。蒋定生综合大量野外实测资料，提出描述黄土高原土壤在积水条件下的入渗公式：
f=fc+（fl-fc）/tα
式中f为时间t时的瞬时入渗速率（毫米/分）；fc为土壤稳定入渗速率（毫米/分）；f1第1分钟末土壤的入渗速率（毫米/分）；t为时间（分钟）；α为常数（值介于0.863和2.567之间）。
此公式物理意义明确，但该公式是在积水条件下求得，与实际降雨条件还有一定的差异。方正三在Kostlakov公式的基础上，提出描述黄土高原的入渗过程的公式：
Kt=K+Kl/ta
式中Kt为时间t时的瞬时入渗速率（毫米/分）；Kl第1个单位时间的瞬时入渗速率（毫米/分）；K、a为常数。
此方程是对Kostiakov方程在垂直入渗情况下的修正，如果与KoStl&kov方程结合使用，可更好的说明土壤的初始入渗率和稳定入渗率的关系。此观点得到后续研究证实：康绍忠对敖包小流域实测数据拟合分析认为，在入渗不同阶段各公式拟合效果不同，瞬变阶段（0-10分钟），Kostiakov公式拟合最好，渐变阶段（10-70分钟），通用经验拟合最好，在稳定阶段，通用公式与Horton拟合最好。史世斌等在同一研究区域的研究表明，天然草地对Kostlakov公式和通用公式拟合较好，相关系数分别为0.9605和0.980l：人工草地对通用公式和指数公式拟合较好，相关系数分别为0.9539和0.987。王建、林代杰等还验证了Kostlakov方程能较好模拟陕西延安、四川盆地西缘的不同土地利用类型土壤水分入渗过程。
二、影響降雨入渗与产流的因素
天然降雨条件下的入渗与产流较积水条件下的渗流更为复杂。土壤在天然降雨条件下，其表面遭到雨滴的打击破坏，降雨入渗时，产流之前，地面并无水层覆盖，是一种无压入渗。因而，对于天然降雨条件下的渗流研究要考虑水分受到地形地貌、下垫面的综合影响。近年来，我国学者开展了这一领域的研究，取得宝贵的研究成果。
1.土壤性质。土壤系一多孔介质，当水流在其中运动时，无疑要受到土壤的孔隙状况、质地、容重等土壤物理性质的影响。土壤饱和重量含水量随容重的增加而减小，与容重成反比关系，饱和导水率随着容重的增加呈现幂函数形式递减。土壤容重与稳渗速率和产流历时分别呈指数函数关系。土壤容重越小，土壤入渗速率越大，产流历时越晚；降雨过程中雨滴对地表的打击使得土壤趋于紧实，容重增加，细小颗粒堵塞土壤孔隙，土壤入渗速率减小，地表产流提前。
2.土壤初始含水率
目前，关于初始含水率对入渗的影响研究基本上是以土壤含水率均匀分布的前提，土壤初始含水率主要影响入渗速率。早期研究认为，土壤初始含水率高，土壤入渗速率低，并随着时间的延续，初始含水率的影响变小，最终可予忽略。后期学者进一步讨论后，认为土壤初始含水率主要影响非稳渗流阶段的入渗率，土壤平均入渗速率与含水率呈显著负相关线性关系。不同下垫面也有不同，如裸地的产流时间随初始含水率的增加减少得最快。
3.坡度
对于坡度与入渗产流的共识是随着坡度的增大，稳渗速率降低，入渗水量减少，超渗产流提前，产流历时减少。但可能由于分析方法和试验条件的不同，不同学者得到不同的函数关系。吴发启、蒋定生认为，坡面产流历时与坡度呈指数关系：卫喜国则认为坡面产流历时与坡度呈对数关系。
4.降雨强度
降雨强度对土壤入渗速率的影响，可以从入渗水体的受力情况来分析。土壤孔隙中的水流主要受水体自重力、毛管吸力、地表水层压力、雨滴打击对入渗水體的冲力。在入渗速率达到稳定阶段，水体自重力和地表水层压力加大可导致入渗速率增大：雨滴打击力不仅加速入渗水流的运动速度，还使得部分静止在土壤中的毛管水加入到入渗水流中。降雨强度的增大会使得土壤的入渗率增大，产流历时提前，但土壤的入渗率存在一个极限入渗率，且达到此值后，随着降雨强度的增大，土壤的入渗率有下降趋势。
三、降雨渗流与泥石流启动关系
在泥石流形成启动过程中，水源、物源和地形地貌这3大条件缺一不可，单靠某一指标并不能判断泥石流的启动和划分其等级。渗流理论的研究将降雨、土体与地形融为一体，研究地[本文来自于Www.zz-News.coM]表水在转为地下水的过程中，渗流变化与泥石流侵蚀启动的关系。同时。渗流过程也是泥石流形成全过程中不可缺少的一个子过程，渗透规律是联系源区降雨和泥石流启动的纽带。因此，在泥石流多发区，研究降雨渗流变化规律与发展趋势及渗流临界值对于掌握泥石流的启动和制定预报模式具有重要的作用。
我国在这一方面的研究尚处于初始阶段，目前已积累了部分有价值的研究成果，主要以云南东川蒋家沟的泥石流启动与渗流关系的研究为主。王裕宜等选取蒋家沟泥石流形成区角砾土的细颗粒部分进行[本文来自于WWW.zz-news.cOM]室内的渗透试验，测定不同空隙率的渗透系数并得出渗透系数与空隙率呈极显著相关的，95%置信区间，相关系数介于0.8103与0.9992之间，将渗透系数换算得到的泥石流始发临界雨强为Ri10=4.84mm，这与实际所观测的泥石流始发雨强想接近，由此认为渗透系数实验对于探求泥石流启动的组合要素预报模式具有实际意义。
陈宁生和张军选择云南蒋家沟之沟——大凹子沟的弱固结坡积物坡面做径流产流实验，得出泥石流源区砾石土的稳定下渗率为0.13mm/min，发现利用Horton方程拟合建立的渗透方程可较好地反映实际渗透过程，以观测值进行对比阐述了超渗产流分析在泥石流形成和流量汇集中的重要性。
在泥石流源区，对不同利用类型的土地进行原位土体渗透试验，不同上限粒径的流变参数不一，宽级配砾石土体的渗透特殊性在于：水的渗流不是一般的水体运移，而是水和土体中的细颗粒一起在土体中运移，斜坡土体细粒含量对斜坡破坏模式和坡面产流的形成有重要作用。
综上所述，泥石流源区土体的渗流特点、渗透过程对于探讨泥石流形成启动有重要意义。各种渗透指标如渗透系数、稳渗率和产流历时能反映泥石流侵蚀启动的条件。因地制宜的了解泥石流源区的渗透过程，拟合出最有效的计算公式，制定最佳的泥石流启动预报模式，是未来该领域研究的重点内容之一。
四、结论与讨论
本文综述了坡地条件下的入渗产流过程及泥石流启动的渗透规律。目前，关于降雨入渗的研究，尽管已提出许多理论和入渗公式，但仅少数是建立在土壤非均一、有结皮，甚至是下垫面水平或积水等条件之上，离自然界真实现象尚有一段距离。我国学者大多从水文学和水土保持角度出发，研究水土保持措施对降雨入渗产流的影响，其研究方法多偏重于人工降雨试验，降雨强度和过程与野外相差很大，研究的入渗量、产流量为整个坡面的，没有反映两者沿坡的变化。因此，未来对降雨入渗产流研究或许可以转向非均质土壤问题的研究：研究人工模拟降雨下变雨强对渗流的影响，使模拟降雨更接近自然真实状态：注重坡面入渗、土壤水分运动和产流的内在联系：研究范围可扩大至泥石流、滑坡等领域。泥石流源区土体特点各异，研究不同地点的泥石流源区入渗规律，进行比较分析和综合，点面结合，为灾害区划和预报预测提供依据。

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