張真真,單延功,郭紅麗,陳家棟,陳 霞,龔 暢,徐 飛
(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南京分局,江蘇 南京 210008;2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局,江蘇 南京 210008;3.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,江蘇 南京 210005)
小流域是我國(guó)水土流失綜合治理的基本單元,流域短時(shí)間內(nèi)地形地貌與土壤特征相對(duì)穩(wěn)定,無人為影響下植被覆蓋不會(huì)發(fā)生明顯變化,因此短期內(nèi)降雨是引起小流域土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿椭匾蛩豙1-3]。降水的時(shí)程雨型是指降雨過程中雨量隨歷時(shí)的分配,雨型對(duì)入滲、徑流和侵蝕過程有重要影響[4-5]。降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等降雨特征是區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要影響因素[6-9]。近年來,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[10-13]對(duì)降雨特征與區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。王萬忠[14]研究了黃土地區(qū)降雨特性與土壤流失關(guān)系,發(fā)現(xiàn)10~30 min最大降雨量的瞬時(shí)雨率是與土壤流失量的相關(guān)性較為密切的降雨參數(shù);周璟等[15]針對(duì)武陵山區(qū)女兒寨小流域77場(chǎng)典型降雨徑流觀測(cè)的研究結(jié)果表明,降雨量與徑流深和產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)較為顯著的線性相關(guān)性;楊云斌等[16]降雨量和歷時(shí)對(duì)農(nóng)地小流域產(chǎn)流的影響更大,雨強(qiáng)分布對(duì)封禁小流域產(chǎn)流的影響更大;晏清洪等[17]以黃土區(qū)小流域?yàn)檠芯繀^(qū),分析了不同降雨類型條件下流域水土流失特征,結(jié)果表明次降雨量和最大30 min雨強(qiáng)是影響流域產(chǎn)流輸沙的主要降雨特征;何楊洋等[18]通過研究北京市密云縣石匣小流域分析了密云水庫(kù)上游流域的降雨、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征發(fā)現(xiàn)降雨量、降雨強(qiáng)度與產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系。通過相關(guān)學(xué)者的研究成果發(fā)現(xiàn),不同研究區(qū)的降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)性也有所不同,因此,針對(duì)不同研究區(qū)分析降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)性是十分必要的。目前,針對(duì)江蘇省南京市水土流失方面的研究主要為水土流失監(jiān)測(cè)手段和水土侵蝕時(shí)空分布特征等。例如,馬力等[19]建立了基于USLE原理和3S技術(shù)的水土流失定量監(jiān)測(cè)方法,邵方澤等[20]利用RUSLE模型分析了南京市2006—2014年水土侵蝕時(shí)空分布特征。但對(duì)于南京市低山丘陵區(qū)小流域降雨特性與產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)性分析方面的研究較少,因此,本文通過對(duì)南京市低山丘陵區(qū)小流域2015—2018年156場(chǎng)降雨事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)降雨特性劃分不同雨型,對(duì)不同雨型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特性進(jìn)行分析,探討相關(guān)性,以期為水土保持綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。
南京市溧水區(qū)橋頭小流域位于江蘇省南京市溧水區(qū)東部低山丘陵區(qū)的秦淮河支流溧水二干河上游,匯入溧水區(qū)方便水庫(kù)。橋頭小流域總流域面積為3.1 km2,東經(jīng)119°10′05″,北緯31°40′28″,年平均溫度15.5 ℃,流域長(zhǎng)度10.71 km,以坡度<3°的平坡為主,占比44.5%,溝壑密度3.45 km/km2,土地利用結(jié)構(gòu)以耕地為主,占比41.87%,流域內(nèi)人口約1 350人。橋頭小流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),氣候溫暖濕潤(rùn),降雨量較豐沛,多年平均降水量1 107.3 mm,降雨多集中在汛期。洪澇災(zāi)害主要是受梅雨、臺(tái)風(fēng)雨影響,梅雨通常發(fā)生在6—7月,其特點(diǎn)是總量大,歷時(shí)長(zhǎng),范圍廣;臺(tái)風(fēng)雨多發(fā)生在8—9月,其特點(diǎn)是雨強(qiáng)大,歷時(shí)短,降雨范圍相對(duì)較小。2013年橋頭小流域水土保持綜合觀測(cè)站納入全國(guó)水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目。
南京市東部丘陵區(qū)主要分布在溧水區(qū),平均海拔70.4 m,主要土壤類型為黃棕壤和水稻土,土地利用類型包括耕地、園地、林地、農(nóng)用地。南京市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量豐富,一年中汛期降雨集中,降水量約占全年總降水量的60%左右,對(duì)南京市水土流失影響較大。暴雨極易對(duì)裸露表土形成嚴(yán)重的水力侵蝕,較陡的坡面還會(huì)發(fā)生小規(guī)模重力侵蝕。丘陵地區(qū)地形起伏較大,加劇了徑流對(duì)地表土壤的沖刷侵蝕作用,遇降雨容易產(chǎn)生溝蝕和面蝕;崗地雖然地形起伏不大,但大多為第四紀(jì)下蜀黃土,并早已開發(fā)成農(nóng)田和果、茶園,地表多為栽培植被,遇降雨易造成細(xì)溝狀面蝕和深溝侵蝕。根據(jù)《南京市水土保持規(guī)劃(2016—2030年)》,南京市2011—2015年水土流失定量監(jiān)測(cè)成果顯示,南京市全市年平均土壤流失量1.68×106t(其中輕度3.60×105t,中度2.94×105t,強(qiáng)烈2.76×105t,極強(qiáng)烈3.65×105t,劇烈3.73×105t)。
本文選取近4 a連續(xù)觀測(cè)的氣象水文泥沙等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。橋頭小流域2015—2018年水文泥沙數(shù)據(jù)來源于國(guó)家水土保持基礎(chǔ)信息平臺(tái)建設(shè)水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)——南京市溧水區(qū)方便水庫(kù)小流域水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn),卡口站位于方便水庫(kù)上游入庫(kù)河流司家瓦河上游位置的浮山橋,控制上游流域面積3.1 km2,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括降水量、水位、流速、含沙量等,通過流量計(jì)算公式得出斷面徑流量及輸沙量等數(shù)據(jù)。2015—2018年南京市橋頭小流域年徑流量和年輸沙量詳見表1。
表1 2015-2018年南京市橋頭小流域年徑流量和年輸沙量
雨量觀測(cè)使用現(xiàn)場(chǎng)安裝的江蘇省水文局雨量站遙測(cè)終端,降雨數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送到遙測(cè)平臺(tái)上,每天從平臺(tái)上下載當(dāng)日雨量,每月下載降雨過程數(shù)據(jù),并運(yùn)用軟件進(jìn)行降雨量、雨強(qiáng)、I30以及降雨侵蝕力等指標(biāo)計(jì)算;流量監(jiān)測(cè)用流速儀法監(jiān)測(cè),在斷面上設(shè)立3條垂線,分別測(cè)量水位和流速,計(jì)算流量;泥沙樣品按照《泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求,采用烘干法處理,采集的樣品經(jīng)沉淀、濃縮后倒入烘杯烘干、冷卻后稱重,計(jì)算得出垂線平均含沙量。
為探討橋頭小流域降雨及產(chǎn)流產(chǎn)沙特性,借助SPSS 20.0對(duì)水文泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析、皮爾遜相關(guān)性分析、K-均值聚類分析、最小顯著差異法(LSD)方差分析、多元線性回歸分析等統(tǒng)計(jì)分析。本文數(shù)據(jù)來源于卡口站浮山橋斷面監(jiān)測(cè)成果,分析使用的12個(gè)變量為:降雨歷時(shí)(D,min);雨量(P,mm);最大30 min雨強(qiáng)(I30 max,mm/h);降雨侵蝕力(R,MJ·mm/(hm2·h);洪峰流量(Qmax,m3/s);徑流深(H,mm);徑流系數(shù)(Rc)、含沙量(C,g/L);產(chǎn)沙模數(shù)(Ms,t/hm2);前7 d降雨量(P7 d,mm);前3 d降雨量(P3 d,mm);前1 d降雨量(P1 d,mm)。
降雨量和I30對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙都有重要影響,為分析出不同降雨類型對(duì)小流域水沙的影響程度,按照Perruchet提出的分類標(biāo)準(zhǔn)[24],利用K-均值聚類將156場(chǎng)降雨事件分為5類,分類結(jié)果詳見表2。橋頭小流域降雨類型可分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ共5種雨型,降雨量中心值由大到小依次為Ⅱ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅴ,Ⅰ,I30中心值由大到小依次為Ⅳ,Ⅴ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅰ。Ⅰ雨型降雨量中心值為12.93 mm,為所有雨型中最小,I30中心值為5.79 mm/h,為所有雨型中最小,可定義為小雨量、小雨強(qiáng);Ⅱ雨型降雨中心值為148.8 mm,I30中心值為25.96 mm/h,可定義為大雨量、中雨強(qiáng);Ⅲ雨型降雨中心值為75.27 mm,I30中心值為21.34 mm/h,可定義為中雨量、小雨強(qiáng);Ⅳ雨型降雨中心值為86.75 mm,I30中心值為60.92 mm/h,可定義為中雨量、大雨強(qiáng);Ⅴ雨型降雨中心值為33.47 mm,I30中心值為28.45 mm/h可定義為小雨量、中雨強(qiáng)。小流域5種雨型發(fā)生頻次由大到小依次為Ⅰ,Ⅴ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅳ,其中,小雨量、小雨強(qiáng)的Ⅰ雨型發(fā)生頻率最高,共發(fā)生96場(chǎng)次,占總場(chǎng)次的61.54%,其次為小雨量、中雨強(qiáng)的Ⅴ雨型,共發(fā)生40場(chǎng),占總場(chǎng)次的25.64%,而大雨量、中雨強(qiáng)的Ⅱ雨型和中雨量、大雨強(qiáng)的Ⅳ雨型發(fā)生頻次較低,分別為6場(chǎng)和2場(chǎng),占總場(chǎng)次的3.85%,1.28%。
表2 降雨類型統(tǒng)計(jì)特征
侵蝕性降雨是指能夠引起土壤侵蝕的降雨,本次研究中僅針對(duì)侵蝕性降雨事件進(jìn)行分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2015—2018年南京市橋頭小流域共發(fā)生156場(chǎng)侵蝕性降雨事件,對(duì)9個(gè)變量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,分析結(jié)果詳見表3。從表3可知,橋頭小流域最小降雨量為5.0 mm,發(fā)生在2018年5月10日,最大降雨量為286.0 mm,發(fā)生在2016年5月20日,平均降雨量為52.4 mm,超過平均雨量的降雨事件共21場(chǎng),占所有降雨事件的13.46%。I30最大值為65.45 mm/h,發(fā)生在2017年6月1日,降雨量為33.0 mm,降雨歷時(shí)為40 min,I30最小值為3 mm/h,發(fā)生在2016年10月30日,降雨量為17.0 mm,降雨歷時(shí)較長(zhǎng),為885 min。徑流深變化范圍為0.40~398.40 mm,平均值為24.73 mm,徑流深超過5 mm的降雨事件有30場(chǎng),占所有侵蝕性降雨事件的43.48%。徑流系數(shù)變化范圍為0.01~0.94,平均值為0.29,徑流系數(shù)大于0.1的降雨事件有53場(chǎng),占所有侵蝕性降雨事件的76.81%。最小含沙量為0.01 g/L,最大含沙量為6.17 g/L,平均值為0.77 g/L,超過含沙量平均值的降雨事件有22場(chǎng),占所有侵蝕性降雨事件的31.88%。按年累計(jì)統(tǒng)計(jì),年均產(chǎn)沙模數(shù)為5.8 t/hm2(2015—2018年);按降雨場(chǎng)次統(tǒng)計(jì),156場(chǎng)侵蝕性降雨事件的平均產(chǎn)沙模數(shù)為0.33 t/hm2,超過平均值的降雨事件有12場(chǎng),占所有侵蝕性降雨事件的17.39%,產(chǎn)沙模數(shù)最大值為5.07 t/hm2,發(fā)生在2017年8月7日。
表3 降雨事件描述性統(tǒng)計(jì)特征
對(duì)156場(chǎng)降雨事件的9個(gè)變量進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析,結(jié)果詳見表4。根據(jù)皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果,降雨量與降雨侵蝕力、洪峰流量、徑流深、產(chǎn)沙模數(shù)、I30,含沙量在p<0.01水平上顯著相關(guān),與徑流系數(shù)在p<0.05水平上顯著相關(guān),表明降雨量是橋頭小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要影響因素。I30與降雨侵蝕力、洪峰流量、含沙量在p<0.01水平上顯著相關(guān),與徑流深、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)在p<0.05水平上顯著相關(guān),表明I30是橋頭小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要影響因素。降雨侵蝕力與洪峰流量、徑流深、產(chǎn)沙模數(shù)、徑流系數(shù)、含沙量在p<0.01水平上顯著相關(guān),與洪峰流量、徑流深、產(chǎn)沙模數(shù)的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上,表明降雨侵蝕力是影響區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素。P7 d與洪峰流量、徑流深在p<0.05水平上顯著相關(guān)、P3 d與洪峰流量在p<0.01水平上顯著相關(guān)、與含沙量在p<0.05水平上顯著相關(guān),這表明前期降雨量對(duì)流域降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙能力具有顯著影響。
表4 皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣
由于降雨量和降雨強(qiáng)度存在明顯差異,因而對(duì)流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙的影響也會(huì)有顯著差異[21-23]。為分析降雨量、I30對(duì)橋頭小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特性的影響程度,繪制降雨事件中降雨量、I30與含沙量、徑流系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖(見圖1)。最大徑流系數(shù)為0.94,對(duì)應(yīng)的降雨量為140 mm,I30為45.3 mm/h,前7 d降雨量為89.5 mm,土壤的體積含水量為50.3%(土壤深度30 cm),表明前期較為充分的降雨已使土壤含水量增大,再遇暴雨形成徑流;最大含沙量為6.17 g/L,對(duì)應(yīng)的降雨量為138 mm,I30為37.26 mm/h,前7 d降雨量為66.5 mm,土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài),為土壤侵蝕活動(dòng)提供了基礎(chǔ)。當(dāng)降雨量<75 mm,I30<20 mm/h時(shí),徑流系數(shù)主要在0.2范圍內(nèi),含沙量主要在1 g/L范圍內(nèi);當(dāng)降雨量位于75~125 mm之間,I30位于20~40 mm/h之間時(shí),徑流系數(shù)大致在0.17~0.34之間,含沙量大致在1~2 g/L之間;當(dāng)降雨量介于125~286 mm,I30介于40~65 mm/h之間時(shí),徑流系數(shù)大致在0.34~0.94之間,含沙量大致在2~4.5 g/L之間。
圖1 降雨量、最大30 min雨強(qiáng)(I30)與含沙量、徑流系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系
統(tǒng)計(jì)橋頭小流域在5種不同雨型下的累計(jì)降雨量、累計(jì)含沙量、累計(jì)徑流量占總量的比例,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,Ⅴ雨型的累計(jì)含沙量最高,為29.29%,但累計(jì)徑流量較小,為8.41%。Ⅳ雨型的累計(jì)徑流量最高,達(dá)47.18%,而累計(jì)降雨量和累計(jì)含沙量較低。Ⅱ雨型累計(jì)雨量占降雨總量的比例最高,為32.59%,同時(shí),累計(jì)含沙量和累計(jì)徑流量也較高,分別為22.82%,32.97%。Ⅰ雨型的累計(jì)降雨量、累計(jì)含沙量、累計(jì)徑流量在所有雨型中都為最小。
圖2 不同降雨類型下累計(jì)降雨量、累計(jì)含沙量、累計(jì)徑流量所占比例
為分析橋頭小流域在不同降雨類型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化特征,利用最小顯著差異法(LSD)方差分析不同降雨類型之間的產(chǎn)沙模數(shù)、含沙量、徑流系數(shù)、洪峰流量在統(tǒng)計(jì)上的差異性,分析結(jié)果見圖3。根據(jù)圖3可知,5種降雨類型下,Ⅱ,Ⅳ雨型的產(chǎn)沙模數(shù)分別與Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型在統(tǒng)計(jì)上具有顯著性差異,但Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型之間差異性不顯著。Ⅱ,Ⅳ雨型產(chǎn)沙模數(shù)相對(duì)其他雨型較大,分別為1.87,0.91 t/hm2,Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型的產(chǎn)沙模數(shù)較低。含沙量由大到小依次為Ⅱ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅴ,Ⅰ,Ⅰ雨型的含沙量?jī)H與Ⅱ雨型在統(tǒng)計(jì)上具有顯著性差異,與Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ雨型都沒有顯著性差異。含沙量表征了流域產(chǎn)流量和輸沙量之間的關(guān)系,Ⅱ雨型的含沙量最大,為1.74 g/L,Ⅰ雨型最小,為0.37 g/L,由此可知,Ⅱ雨型對(duì)橋頭小流域水沙關(guān)系有明顯影響,是導(dǎo)致橋頭小流域產(chǎn)沙的主要雨型。Ⅱ,Ⅳ雨型的徑流系數(shù)與Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型在統(tǒng)計(jì)上具有顯著性差異,而Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型之間不具有顯著性差異,徑流系數(shù)表征了流域降雨產(chǎn)流能力,Ⅱ雨型的徑流系數(shù)最大,為0.58,表示在Ⅱ雨型下產(chǎn)流能力最強(qiáng),其次為Ⅳ雨型,徑流系數(shù)為0.51,其他雨型下徑流系數(shù)均小于0.5,產(chǎn)流能力較弱。Ⅱ,Ⅳ雨型的洪峰流量分別與Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型在統(tǒng)計(jì)上具有顯著性差異,但Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型之間差異性不顯著。Ⅱ雨型條件下洪峰流量最大,為5.89 m3/s,其次為Ⅳ雨型,洪峰流量為3.47 m3/s。
注:圖中不同小寫字母表示不同降雨類型在p<0.05水平上差異性顯著。
對(duì)影響小流域水土流失的產(chǎn)沙模數(shù)和洪峰流量2個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行多元逐步回歸擬合,選取與主要指標(biāo)相關(guān)性較高的指標(biāo)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果詳見表5。根據(jù)擬合回歸結(jié)果可知,擬合優(yōu)度R2都在0.75以上,表明模型擬合程度較高,擬合效果較好,數(shù)據(jù)方差F反映回歸方程的顯著性檢驗(yàn),擬合回歸方程的F>FINV(k,n-k-1)=2.74,表明各個(gè)解釋變量對(duì)因變量有顯著影響。F對(duì)應(yīng)的顯著性水平sig.均小于0.05,認(rèn)為回歸方程是有價(jià)值的。與產(chǎn)沙模數(shù)相關(guān)性較大的指標(biāo)為降雨量、含沙量、徑流深,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為0.197,0.535和0.386,影響程度由大到小依次為含沙量、徑流深、降雨量。與洪峰流量相關(guān)性較大的指標(biāo)為徑流深、含沙量、I30,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為0.720,0.237,0.189,影響程度由大到小依次為徑流深、含沙量、I30。
表5 主要指標(biāo)的擬合回歸方程
(1) 降雨量、I30,降雨侵蝕力與其他指標(biāo)在p<0.01,p<0.05水平上顯著相關(guān),是橋頭小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要影響因素。區(qū)域156場(chǎng)降雨事件中,主要以降雨量<75 mm,I30<20 mm/h且徑流系數(shù)<0.2,含沙量<1 g/L的水沙特征為主。
(2) 區(qū)域降雨類型分為Ⅰ(小雨量、小雨強(qiáng))、Ⅱ(大雨量、中雨強(qiáng))、Ⅲ(中雨量、小雨強(qiáng))、Ⅳ(中雨量、大雨強(qiáng))、Ⅴ(小雨量、中雨強(qiáng))5種,Ⅰ雨型發(fā)生頻率最高,共發(fā)生96場(chǎng),占總場(chǎng)次的61.54%,Ⅳ雨型發(fā)生頻次較低,僅發(fā)生2場(chǎng),占總場(chǎng)次1.28%。
(3) Ⅱ雨型的累計(jì)雨量占降雨總量的比例最高,為32.59%,Ⅴ雨型的累計(jì)含沙量最高,為29.29%,但累計(jì)徑流量較小,為8.41%。Ⅳ雨型的累計(jì)徑流量最高,達(dá)47.18%。Ⅰ雨型的累計(jì)降雨量、累計(jì)含沙量、累計(jì)徑流量在所有雨型中都為最小。Ⅱ,Ⅳ雨型的洪峰流量、含沙量、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)均高于其他雨型,Ⅲ雨型次之,Ⅰ,Ⅴ雨型最小。Ⅱ雨型的產(chǎn)流能力和輸沙能力最大,其次為Ⅳ雨型,Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ雨型的產(chǎn)水產(chǎn)沙特性差異不顯著。
(4) 產(chǎn)沙模數(shù)和洪峰流量多元回歸方程擬合效果較好,擬合回歸系數(shù)R2都在0.75以上且通過顯著性檢驗(yàn),回歸方程可用于相關(guān)指標(biāo)的定量計(jì)算。對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)影響較大的指標(biāo)為含沙量、徑流深、降雨量,對(duì)洪峰流量影響較大的指標(biāo)為徑流深、含沙量、I30。