黃土高原小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)分析

梁 越，焦菊英

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

降雨是土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蜃?，但不是每個(gè)降雨事件都能引起土壤侵蝕，將發(fā)生侵蝕和不發(fā)生侵蝕區(qū)別開來的臨界降雨數(shù)值，稱為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)[1]。國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛的研究[1-5]。Wischmeier等[6]在通用土壤流失方程中使用的侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)為12.7 mm，但若次降雨15 min降雨量超過6.4 mm，則仍將此次降雨視為侵蝕性降雨。王萬忠[3]利用黃土高原大量的降雨侵蝕資料，擬定了黃土高原侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)為9.9 mm；XIE Yun等[1]利用陜北子洲團(tuán)山溝小流域3個(gè)徑流小區(qū)的降雨過程資料，分別擬定黃土高原坡面侵蝕的侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)(12 mm)、平均降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(0.04 mm/min)以及最大30min降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(0.25 mm/min)。

然而，目前黃土高原的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)研究多是以徑流小區(qū)為研究對(duì)象，而對(duì)小流域尺度侵蝕產(chǎn)沙的降雨閾值缺乏足夠的關(guān)注。由于侵蝕—產(chǎn)沙—輸沙過程對(duì)降雨的響應(yīng)存在顯著的空間尺度效應(yīng)[7-9]，故坡面侵蝕和流域產(chǎn)沙的降雨閾值存在較大差異。我們將區(qū)分小流域是否產(chǎn)沙的降雨參數(shù)稱為小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)，包括降雨量、降雨強(qiáng)度等指標(biāo)[10]。劉元保[11]通過對(duì)黃土高原20多個(gè)小流域次降雨徑流泥沙資料的研究，認(rèn)為小流域侵蝕性降雨的基本雨量標(biāo)準(zhǔn)為10.59 mm，平均降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為0.04 mm/min，并繪制了時(shí)段降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)曲線。XIE Yun等[1]分別擬定團(tuán)山溝小流域侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)7.5 mm和降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)0.029 mm/min。WEI Yanhong等[12]通過淤地壩淤積層次甄別及其與產(chǎn)流降雨事件的對(duì)應(yīng)分析，認(rèn)為皇甫川滿紅溝小流域最小產(chǎn)沙降雨量>20 mm。上述學(xué)者的研究區(qū)均位于黃土高原，但因研究對(duì)象、方法等不同而導(dǎo)致結(jié)果差異較大，所以黃土高原小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步的探討。

筆者利用黃土高原20個(gè)小流域多年降雨徑流泥沙數(shù)據(jù)，擬定小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)，分析其對(duì)小流域下墊面特征的響應(yīng)，以期為小流域尺度的降雨侵蝕力計(jì)算提供參數(shù)，提高黃土高原小流域產(chǎn)沙的預(yù)報(bào)精度，并為小流域水土保持效益評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

金建君等[13]認(rèn)為5年序列的觀測(cè)資料已經(jīng)能滿足擬定侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)的要求。筆者根據(jù)黃土高原天水、西峰、綏德、子洲、小河站、陜西省和山西省離石水土保持徑流泥沙測(cè)驗(yàn)資料，選取其中資料年限不小于5年的20個(gè)小流域(表1)，基于小流域次降雨、徑流、泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)，擬定小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合小流域的自然特征和治理情況，分析小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)的影響因素。部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)—國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.geodata.cn)。其中各試驗(yàn)站的降雨通過雨量計(jì)來觀測(cè)，以6 h為間隔劃分次降雨事件，即降雨過程中如果出現(xiàn)超過6 h的降雨量為“0”的情況，則劃分為2次降雨事件[14]。小流域次降雨事件的面雨量用面積加權(quán)法計(jì)算。

表1 研究小流域基本情況Tab.1 Basic situation of small watersheds

1.2 小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)的確定

小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)包括降雨量、降雨強(qiáng)度和籠罩面積等，筆者采用產(chǎn)沙性降雨的雨量標(biāo)準(zhǔn)。小流域產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)的確定采用王萬忠[6]的方法，將每個(gè)小流域多年所有的產(chǎn)流降雨事件，分別按降雨雨量由大到小排序，將其對(duì)應(yīng)的小流域產(chǎn)沙量逐個(gè)累加，計(jì)算大于某一雨量(P,mm)相應(yīng)的累積產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的比例(Ep, %)，再點(diǎn)繪降雨雨量與產(chǎn)沙累積比例散點(diǎn)圖，并進(jìn)行模擬配線，得出P和E的擬合方程式(表2)，取Ep=95%時(shí)的降雨雨量值，作為小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)

由表2可知，黃土高原研究小流域產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)在7.48～33.51 mm范圍內(nèi)。不同小流域產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)變異性較大，其中黃土高塬溝壑區(qū)林區(qū)小流域寺溝產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)最大，遠(yuǎn)高于其他小流域，黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū)治理小流域的產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)為14.0～16.8 mm，黃土丘陵溝壑區(qū)非治理小流域?yàn)?.5～14.0 mm。

表2 研究小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Rainfall standards while sediment occuring in the studied small watersheds

2.2 水土流失治理對(duì)小流域產(chǎn)沙性降雨的影響

2.2.1 對(duì)比小流域的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn) 由表1、2可知，在對(duì)比小流域中，治理小流域的產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)均遠(yuǎn)大于非治理小流域。例如，離石插財(cái)主溝的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)是羊道溝的1.16倍，延安大砭溝的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)是小砭溝的1.26倍，綏德韭園溝產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)是裴家峁溝的1.85倍。水土保持綜合治理會(huì)顯著提高小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 治理模式對(duì)小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)的影響 面積較大的小流域往往修建了較多的淤地壩(表3)，淤地壩攔截了小雨量事件的徑流，極大地降低產(chǎn)流次數(shù)，使得小降雨事件泥沙不出溝，而韭園溝和王茂莊溝淤地壩數(shù)量較大，形成完整的壩系，與造林種草和梯田等水保措施結(jié)合，起到較好的治理效果，所以產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)較大。黃龍寺溝產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)為33.51 mm，遠(yuǎn)大于其他小流域。這主要是由于寺溝小流域位于林區(qū)，植被覆蓋度高，溝壑、坡面幾乎全部為森林覆蓋，因而溝坡土壤侵蝕輕微。

綜上，在面積較大的小流域，有淤地壩、水庫(kù)等水利水保工程的治理效果比較顯著，而當(dāng)小流域面積較小時(shí)，造林種草等植被措施更符合小流域水土流失治理的具體實(shí)踐。

2.2.3 治理程度對(duì)小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)的影響 筆者以離石王家溝和綏德韭園溝為例，劃分治理前期和后期并比較其2個(gè)時(shí)期內(nèi)的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)。王家溝小流域基于1964—1970年數(shù)據(jù)的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)是基于1955—1963年數(shù)據(jù)的1.75倍。王家溝小流域在1964年之后的水平梯田面積增加了54.7%，造林面積增加76.5%，壩地面積是1964年之前平均值的2.93倍。韭園溝小流域基于1965—1979年資料的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)比1954—1964年要高出8.81 mm。這同樣是由于韭園溝治理后期的水土保持措施面積要高于治理前期，例如水平梯田面積提高70.8%，而種牧草的面積提高了84.9%(表4)。

表3 小流域治理措施情況Tab.3 Management measures of small watersheds

注： 表內(nèi)數(shù)據(jù)反映研究期內(nèi)的平均值；南小河溝“3”指的是3個(gè)水庫(kù)。 Note: The data in the table represent the average status during the study period. The “3” in Nanxiaohegou refers to 3 reservoirs.

表4 小流域不同治理時(shí)期產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Rainfall standards while sediment occuring in different governance periods in the studied small watersheds

注： 資料中缺乏研究期內(nèi)王家溝種草和韭園溝的壩地面積數(shù)據(jù)。 Notes: The data of area of grass in Wangjiagou and area of dam field in Jiuyuangou are lacking.

3 結(jié)論與討論

1)黃土高原研究小流域產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)在7.48～33.51 mm范圍內(nèi)，不同小流域產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)變異性較大。

劉元保[11]認(rèn)為黃土高原小流域侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)沒有太大差異，這可能是因?yàn)閯⒃；诘臄?shù)據(jù)資料是黃土高原20多個(gè)非治理小流域，而本研究所挑選的小流域中存在較多的治理小流域，由于水土保持綜合治理而導(dǎo)致下墊面侵蝕環(huán)境發(fā)生改變，因而不同小流域的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)差異較大。

2)大部分小流域的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)要大于坡面侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)(12 mm)，但也存在少數(shù)幾個(gè)非治理小流域的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)小于坡面侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。

黃土高原小流域的降雨存在空間不均勻性[15]，面雨量小于坡面侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的次降雨，往往小流域內(nèi)局部的降雨量已經(jīng)大于坡面侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)，而由于非治理小流域內(nèi)存在村莊、道路等易侵蝕地面[1]，從而極易導(dǎo)致坡面產(chǎn)流并下溝，在面雨量不高的情況下小流域也會(huì)產(chǎn)沙。

3)治理小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)均大于與其對(duì)比的非治理小流域，同一小流域的產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)隨治理程度的提高而增大。

在小流域尺度，隨著治理程度的增加，小流域產(chǎn)流次數(shù)顯著降低[16-17]，產(chǎn)沙性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)會(huì)不斷升高；因此小流域產(chǎn)沙性降雨標(biāo)準(zhǔn)并不是一個(gè)定值，而是會(huì)隨著小流域下墊面特征的改變而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。