不同水土保持措施下徑流小區(qū)降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系研究

王海斌

（陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所，西安710004）

北方土石山區(qū)主要包括海河流域和淮河流域，兩流域總面積58．8萬(wàn)k m2，其中山地丘陵面積約占48%［1］。區(qū)內(nèi)水土流失主要發(fā)生在北部的燕山山地、西部的太行山山地、南部的伏牛－桐柏－大別山山地和東部的沂蒙山地等低山丘陵區(qū)［2］。燕山山地位于灤河潮河上游，是北京重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，同時(shí)地處于內(nèi)蒙高原到華北平原的過(guò)渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失較為嚴(yán)重，因此在該區(qū)域開(kāi)展水土保持治理和研究都尤其重要。對(duì)水土保持措施攔蓄徑流泥沙關(guān)系研究的最終目的是為水土保持規(guī)劃、水土流失定量預(yù)報(bào)及各種水土保持措施的橫向比較提供依據(jù)［3］。多年來(lái)許多研究者在這方面已經(jīng)做了大量的工作，目前主要集中在利用水土保持實(shí)驗(yàn)小區(qū)觀測(cè)的方法，對(duì)影響土壤侵蝕的主導(dǎo)因子進(jìn)行研究，揭示不同地形地貌、土壤特征、林草植被、水文氣象條件下土壤侵蝕規(guī)律［4－10］。本文針對(duì)燕山山區(qū)水土保持研究的實(shí)際需要，選取區(qū)內(nèi)具有代表性的水土保持措施，通過(guò)小區(qū)實(shí)驗(yàn)，研究其在不同降雨條件下徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，揭示不同措施減水減沙規(guī)律，以期為該區(qū)域水土保持生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)的參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省灤平縣平坊小流域小鷂子溝（東經(jīng)117°15′30″，北緯40°53′01″），該區(qū)為典型的土石山區(qū)，區(qū)內(nèi)地貌類(lèi)型主要為土石低山。土壤類(lèi)型主要為棕壤、褐土、黃綿土、粗骨土、石質(zhì)土等；氣候類(lèi)型為北溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)最低氣溫－28℃，最高氣溫39℃，年平均氣溫7．2℃，無(wú)霜期為145 d，多年平均降雨量為550 mm，降雨主要集中在6－9月；植被類(lèi)型以溫帶針葉闊葉混交林為主，其中木本植物有油松（Pinus tabulif or mis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、落葉松（Larix g melinii）、楊樹(shù)（Popul us tomentosa）、榆樹(shù)（Ul mus pu mil a）等，草本植物有狗尾草 （Setaria viridis）、虎尾草 （Chloris gayana）、烏拉草（Carex meyeriana）、羊胡草（Eriop hor u m）、茵陳蒿（Artemisia capill aris Thunb）等。

2 研究方法

2．1 小區(qū)基本情況

共設(shè)置了4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，長(zhǎng)20 m，寬5 m，面積均為100 m2，周?chē)脻{砌磚塊圍護(hù)，下部為體積2 m3的小區(qū)徑流泥沙觀測(cè)池，觀測(cè)池內(nèi)用紅色油漆標(biāo)上以0．5 c m為最小刻度的觀測(cè)標(biāo)記?；牟莸匦^(qū)是當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)自然荒草地坡面，2，3，4小區(qū)亦是在自然荒草地坡面的基礎(chǔ)之上改造而成，期間治理措施采用魚(yú)鱗坑整地，分別種植山杏、刺槐、油松，三種樹(shù)種為該區(qū)域最普遍的樹(shù)種，三種樹(shù)苗均為3 a營(yíng)養(yǎng)杯種植后，移植在相應(yīng)小區(qū)，小區(qū)內(nèi)除挖魚(yú)鱗坑的區(qū)域，其余區(qū)域原狀保存良好?；牟莸匦^(qū)及其他3個(gè)小區(qū)的伴生草種主要為虎尾草、烏拉草、茵陳蒿等。魚(yú)鱗坑標(biāo)準(zhǔn)為1．5 m×0．7 m×0．5 m，株行距為3 m×3 m，呈“品”字形排列，這3種水土保持措施是該區(qū)域最常用的水土保持措施；4個(gè)坡面坡向均為南向坡，土壤類(lèi)型為褐土，土層厚度為50 c m左右。

小區(qū)建設(shè)時(shí)間為2003年8月，觀測(cè)年份為2004－2009年。為方便，以下簡(jiǎn)稱(chēng)4種小區(qū)分別為荒草地小區(qū)、山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)和油松小區(qū)（表1）。

表1 2004－2005年各徑流小區(qū)概況

2．2 數(shù)據(jù)觀測(cè)

降雨采用自記雨量計(jì)記錄，降雨后通過(guò)觀測(cè)池壁上的標(biāo)尺讀取次降雨所沖下的泥沙以及徑流量的總體積，然后將池中泥水?dāng)噭颍〕?00 ml渾水，過(guò)濾后烘干，測(cè)定泥沙含量，從而計(jì)算出此次降雨徑流量、產(chǎn)沙量，再根據(jù)此次降雨在小區(qū)投影面積上的降雨量計(jì)算不同植被下小區(qū)的入滲率，具體計(jì)算方法為：入滲率＝1－徑流總量／投影面積上的降雨總量。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2004－2009年。由于小區(qū)觀測(cè)后期的2006－2009年，在各個(gè)徑流小區(qū)均未產(chǎn)生徑流。因此本研究采用的降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙的數(shù)據(jù)為2004－2005年間的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3．1 2004－2005年降雨特征及產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

統(tǒng)計(jì)得出2004年全年降雨量為234．7 mm，降雨量小于該區(qū)域平均水平；2005年全年降雨量為559．7 mm，與該區(qū)域多年平均降雨量基本持平。同時(shí)按照我國(guó)氣象部門(mén)降雨強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即小雨為12 h內(nèi)雨量小于5 mm，或24 h內(nèi)雨量小于10 mm；中雨為12 h內(nèi)雨量為5～14．9 mm，或24 h內(nèi)雨量為10～24．9 mm；大雨為12 h內(nèi)雨量為15～29．9 mm，或24 h內(nèi)雨量為25～49．9 mm；暴雨為12 h雨量等于和大于30 mm，或24 h雨量等于和大于50 mm。將每次降雨劃分為暴雨、大雨、中雨和小雨（表2）?？梢缘贸鲈搮^(qū)域降雨主要為中雨和小雨，大雨和暴雨相對(duì)較少，2004年大雨和暴雨次數(shù)僅占全年降雨次數(shù)的15．8%，但是其降雨量卻占到全年降雨的39．8%，2005年大雨和暴雨次數(shù)僅占全年降雨次數(shù)的11．5%，但降雨量占37．2%；同時(shí)2004年小雨占全年降雨次數(shù)的57．9%，但其降雨量?jī)H占全年的24．7%，而2005年小雨次數(shù)占全年降雨次數(shù)的57．7%，降雨量?jī)H占22．8%。說(shuō)明全年降雨等級(jí)較為常見(jiàn)的是小雨和中雨，降雨量主要來(lái)自于大雨、暴雨以及中雨。從降雨強(qiáng)度分級(jí)可以看出，次降雨強(qiáng)度主要集中在＜10 mm／h范圍內(nèi)，2004年降雨強(qiáng)度＜10 mm／h的降雨占全年降雨的73．7%，而2005年占78．8%。

表2 2004－2005年研究區(qū)降雨及降雨強(qiáng)度分布情況

2004年全年降雨4個(gè)徑流小區(qū)產(chǎn)生徑流的降雨只有2次，2005年有8次，從產(chǎn)生徑流的降雨來(lái)看主要為大雨和中雨，其中降雨強(qiáng)度小于5 mm／h的有兩次降雨，處于5～10 mm／h之間的有3次，大于10 mm／h的降雨有5次（表3），說(shuō)明能夠產(chǎn)生徑流與侵蝕的降雨主要為降雨強(qiáng)度大于5 mm／h的降雨。

表3 產(chǎn)生徑流的次降雨基本情況

3．2 不同水土保持措施的小區(qū)在次降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙分析

2004－2005 年徑流小區(qū)產(chǎn)生徑流與侵蝕的降雨共有10次（表4），這10次降雨總量為224 mm，荒草地、山杏、刺槐、油松4個(gè)小區(qū)中這10次降雨的徑流深總量分別為72．91，22．71，19．2，19．15 mm，產(chǎn)沙總量依次為139．36，15．69，7．57，5．41 kg，說(shuō)明2004－2005年間，4種措施小區(qū)中產(chǎn)流產(chǎn)沙總量大小關(guān)系是：荒草地小區(qū)＞山杏小區(qū)＞刺槐小區(qū)＞油松小區(qū)，同時(shí)可以看出荒草地產(chǎn)流量明顯高于其他三種小區(qū)，山杏、刺槐和油松小區(qū)坡面產(chǎn)流量相差不大。2004年與2005年荒草地小區(qū)產(chǎn)流總量分別是山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)、油松小區(qū)的3．2倍、3．7倍和3．8倍。分析2004－2005年4種小區(qū)的產(chǎn)沙總量可以得出，荒草地、山杏、刺槐和油松4種小區(qū)的產(chǎn)沙總量依次為139．34，15．69，7．56，5．41 kg，產(chǎn)沙總量是荒草地明顯大于山杏、刺槐以及油松小區(qū)，荒草地小區(qū)的產(chǎn)沙總量分別為山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)、油松小區(qū)的8．88倍、14．83倍、25．76倍。4種小區(qū)的入滲率也是荒草地明顯大于后三者，詳見(jiàn)表4。

表4 2004－2005年次降雨過(guò)程中4個(gè)徑流小區(qū)的徑流量、產(chǎn)沙量和入滲率

從表4可以看出，在相同降雨量下，荒草地小區(qū)的徑流深明顯高于其他3種措施的徑流小區(qū)，山杏、刺槐、油松3個(gè)小區(qū)的徑流深隨著降雨量的變化之間的差距不是很明顯，但是山杏小區(qū)的產(chǎn)流量在不同降雨量下都略微高于油松和刺槐小區(qū)。隨著降雨量的增大，荒草地的產(chǎn)流量與其它3個(gè)小區(qū)之間的差距有明顯增大的趨勢(shì)，但并不是降雨量越大，產(chǎn)流量越大。這主要是因?yàn)橛绊懏a(chǎn)流的因素很多，產(chǎn)流同樣受降雨歷時(shí)、地表入滲速率、地表植被截留能力等多種因素的影響。荒草地小區(qū)10次產(chǎn)流的徑流量平均值依次是山杏小區(qū)的3．21倍，刺槐小區(qū)的3．78倍，油松小區(qū)的3．80倍。說(shuō)明經(jīng)魚(yú)鱗坑整地，然后種植山杏、刺槐、油松，與荒草地相比，能夠有效地?cái)r蓄徑流，是一種有效的水土保持措施。

通過(guò)表4可以得出，相同降雨量下，荒草地小區(qū)的產(chǎn)沙量均明顯大于其它3種小區(qū)，同時(shí)山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)、油松小區(qū)的產(chǎn)沙量雖然相差不明顯，但是大小關(guān)系表現(xiàn)為山杏小區(qū)＞刺槐小區(qū)＞油松小區(qū)。當(dāng)降雨為中雨時(shí)，4種小區(qū)產(chǎn)沙量之間差距明顯小于降雨為小雨和大雨時(shí)荒草地的產(chǎn)沙量。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，荒草地的產(chǎn)沙量隨著降雨量的增加有先減小，然后逐漸緩慢上升的趨勢(shì)。荒草地小區(qū)10次產(chǎn)沙的產(chǎn)沙量平均值分別為山杏小區(qū)的8．88倍，刺槐小區(qū)的18．41倍，油松小區(qū)的25．76倍，其產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它3種小區(qū)。說(shuō)明荒草地最敏感，與其它3種土地利用類(lèi)型相比，是產(chǎn)沙的主要來(lái)源；同時(shí)采用魚(yú)鱗坑種植山杏、刺槐和油松都是有效的水土保持措施，它們不僅攔水效率高，而且攔沙的效益也很明顯。

荒草地小區(qū)的入滲率均小于其它3種小區(qū)，荒草地小區(qū)的地表入滲率均高于30%，山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)、油松小區(qū)的入滲率均高于65%；統(tǒng)計(jì)得出荒草地小區(qū)在10次降雨產(chǎn)流的過(guò)程中，平均入滲率為65．07%，山杏小區(qū)為88．36%，刺槐小區(qū)為90．16%，油松小區(qū)為90．03%。相同降雨條件下，荒草地小區(qū)的入滲率明顯小于其它3種小區(qū)。同樣說(shuō)明了山杏、刺槐和油松小區(qū)對(duì)徑流的攔蓄作用顯著。

對(duì)這10次產(chǎn)流的降雨按照降雨量＜10 mm，10～25 mm，＞25 mm進(jìn)行劃分，計(jì)算處于各個(gè)區(qū)間入滲率的平均值（表5），可以看出降雨量在10～25 mm的降雨，即荒草地小區(qū)、刺槐小區(qū)和油松小區(qū)在中雨的時(shí)候入滲率最大，而小雨、大雨及以上降雨入滲率都比中雨的時(shí)候小，而山杏小區(qū)則是逐漸增大，但10～25 mm與＞25 mm的入滲率僅相差0．03%。造成該現(xiàn)象的原因是因?yàn)楫a(chǎn)生徑流的小雨僅有一場(chǎng)，其降雨量雖然只有8．5 mm，但它歷時(shí)18 min，降雨強(qiáng)度在所有產(chǎn)流降雨中是最大的，屬于短歷時(shí)高強(qiáng)度的降雨，這樣地表來(lái)不及下滲，從而產(chǎn)生徑流；而大雨時(shí)候的入滲率比中雨時(shí)候的小，可能是因?yàn)橛炅看?，各個(gè)小區(qū)土壤含水量都趨于飽和，在降雨后期難以繼續(xù)下滲，徑流量相對(duì)于降雨前期有所增大，因而總比例相對(duì)于中雨來(lái)說(shuō)要略小。

表5 降雨量分級(jí)后各小區(qū)的平均入滲率 %

4 結(jié) 論

（1）全年降雨等級(jí)較為常見(jiàn)的是小雨和中雨，即＜25 mm；降雨量主要來(lái)自于大雨、暴雨以及中雨。從降雨強(qiáng)度分級(jí)可以看出，次降雨強(qiáng)度主要集中在＜10 mm／h范圍內(nèi)；2004－2005年產(chǎn)生徑流與侵蝕的降雨主要為降雨強(qiáng)度大于5 mm／h的降雨。

（2）2004－2005年4種小區(qū)中產(chǎn)流總量及產(chǎn)沙總量大小關(guān)系是：荒草地小區(qū)＞山杏小區(qū)＞刺槐小區(qū)＞油松小區(qū)。2004年與2005年荒草地小區(qū)產(chǎn)流總量分別是山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)、油松小區(qū)的3．2倍、3．7倍和3．8倍；荒草地小區(qū)的產(chǎn)沙總量分別為后3者的8．88倍、14．83倍、25．76倍?；牟莸匦^(qū)、山杏小區(qū)、刺槐小區(qū)、油松小區(qū)平均入滲率分別為65．07%，88．36%，90．16%，90．03%。

（3）荒草地小區(qū)徑流量的平均值依次是山杏小區(qū)的3．21倍，刺槐小區(qū)的3．78倍，油松小區(qū)的3．80倍；產(chǎn)沙量平均值分別為山杏小區(qū)的8．88倍，刺槐小區(qū)的18．41倍，油松小區(qū)的25．76倍。說(shuō)明經(jīng)魚(yú)鱗坑整地，然后種植山杏、刺槐、油松，與荒草地相比，能夠有效地?cái)r蓄徑流泥沙，是一種有效的水土保持措施。

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