基于不同降雨特征的空閑坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征解析

宋月君，謝頌華，廖凱濤

(江西省水利科學院，江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

1 研究背景

土壤侵蝕是全球范圍內(nèi)的環(huán)境問題，據(jù)《2019年中國水土保持公報》數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)有水土流失面積271.08×104km2，其中水力侵蝕面積113.47×104km2，占到了國土總面積的11.82%。全國水土流失面積中，坡耕地占6.7%，年均土壤侵蝕量近15×108t，是水土流失的主要策源地[1-4]。南方紅壤區(qū)坡耕地面積占該區(qū)域旱地面積的70%以上[5]，其分布面積廣，開發(fā)利用程度高，是我國重要的名、優(yōu)、特農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。然而在自然以及人為因素的雙重影響下，極易造成嚴重的水土流失[6]。南方紅壤區(qū)坡耕地土壤侵蝕問題受到國內(nèi)外學者越來越多的關(guān)注[4,7]。目前，關(guān)于坡耕地水土保持防治的研究，主要集中在生物、工程、耕作以及化學措施等方面[7-14]?？臻e裸露坡耕地是坡耕地綜合開發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，摸清其土壤侵蝕規(guī)律以及機理可為坡耕地綜合整治提供相關(guān)依據(jù)，當前研究發(fā)現(xiàn)，紅砂巖發(fā)育的裸露坡耕地的徑流系數(shù)可達60%以上，短歷時、雨強大的降雨類型產(chǎn)流、產(chǎn)沙量可占總量的50%以上[11]；通過對紅壤區(qū)裸露坡地不同侵蝕性降雨的產(chǎn)沙規(guī)律以及貢獻率分析，可實現(xiàn)典型裸露坡地的水土流失防御設(shè)計暴雨特征值的推算[12]。相關(guān)學者雖對裸露坡地的產(chǎn)流、產(chǎn)沙做過相關(guān)研究，但是其研究的重點仍主要在與水土保持措施的效益對比以及侵蝕性降雨估算方面，而對于其自身的產(chǎn)流、產(chǎn)沙規(guī)律以及影響因子分析還有待進一步深入探討。

鑒于此，本文結(jié)合南方紅壤區(qū)坡耕地農(nóng)作物開發(fā)的地形地貌特征，以第四紀紅黏土發(fā)育紅壤為研究對象，采用野外徑流小區(qū)長期定位試驗的方法，分析了天然降雨條件下的空閑坡耕地產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征及其對降雨特征的響應(yīng)機制，可為坡耕地土壤侵蝕估算以及水土保持綜合防治提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)，該園區(qū)總面積80 hm2。位于115°42′38″～115°43′06″E和29°16′37″～29°17′40″N之間，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，且雨熱基本同期。多年平均降雨量為1 350.9 mm，因受季風影響而在季節(jié)分配上極不均勻，具有明顯的干季和濕季。最大年降雨量為1 807.7 mm，最小年降雨量為865.6 mm[13-15]。地貌類型為淺丘崗地，海拔在30～100 m之間，坡度多為5°～25°。土壤為發(fā)育于母質(zhì)主要是泥質(zhì)巖類的風化物、第四紀紅黏土的紅壤[16]。

2.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)位于江西水土保持生態(tài)科技園一期，修建于2011年。園區(qū)內(nèi)共設(shè)計3個20 m×5 m(長×寬)的坡耕地裸露標準徑流小區(qū)，小區(qū)水平投影面積為100 m2，坡度均為10°，小區(qū)周邊設(shè)有圍埂，圍埂埋深45 cm，出露地表30 cm，小區(qū)下面配備有矩形集水槽，接納小區(qū)徑流及泥沙，并引入到徑流桶內(nèi)。徑流桶內(nèi)配有水位尺以及雷達水位計用以測定集流桶水位。徑流、泥沙樣品的試驗觀測均按照《水土保持試驗規(guī)范》(SL 419—2007)進行。在小區(qū)周圍設(shè)置自記雨量計記錄降雨數(shù)據(jù)。試驗觀測期為2013年1月-2016年12月。

2.3 數(shù)據(jù)獲取與分析

(1)降雨數(shù)據(jù)：主要通過江西水土保持生態(tài)科技園氣象觀測場內(nèi)安裝的自記雨量計進行測定，間隔大于6 h的降雨為1次降雨事件[18]，降雨數(shù)據(jù)主要包括降雨量(P，單位：mm)、平均雨強(Iave，單位：mm/h)、最大30 min雨強(I30，單位：mm/h)、降雨動能(E，單位：MJ/hm2)、降雨侵蝕力(EI30，單位：MJ·mm/(hm2·h))以及降雨歷時(T，單位：h)等[12]。降雨動能(E)主要采用Foster(1981)[19]提出的降雨動能公式進行計算。

(2)產(chǎn)流數(shù)據(jù)：主要用徑流深(F)來表示，具體換算公式如下[18]：

F=V·1000/S

(1)

式中：F為徑流深，mm；V為產(chǎn)流體積，m3；S為試驗小區(qū)面積，m2。

(3)產(chǎn)沙數(shù)據(jù)：主要用單位面積侵蝕量(Es)來表示，具體換算公式如下[18]：

Es=V·C·1000/S

(2)

式中：Es為單位面積侵蝕量，t/km2；C為采集徑流泥沙濃度，kg/m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨分布特征

圖1為研究區(qū)觀測期內(nèi)年際降雨及多年月際降雨特征，表1為研究區(qū)觀測期內(nèi)年降雨特征值各月平均分配比例。分析圖1(a)可知，研究區(qū)2013-2016年多年平均降雨量為1 664.7 mm，其中2015年降雨量最大，為1 889.7 mm，2013年降雨量最小，為1 336.4 mm，年際降雨量變異系數(shù)為0.145 9；年內(nèi)降雨量充沛，多年平均降雨場次為131.5次。由圖1(b)和表1可以看出，觀測期多年月平均降雨量主要集中在4-7月份，占多年平均降雨量的60.97%，其中以6月份最大，為310.28 mm，1月份最小，為31.23 mm，年內(nèi)降雨量分布呈現(xiàn)弱雙峰型降雨趨勢；從各月的降雨場次上來看，主要集中在3-7月份，與降雨量的集中月份基本一致，其中降雨次數(shù)以3月份和5月份的最多，綜合降雨量以及降雨場次分布特征可見，每年的4-7月份，為坡耕地坡面土壤侵蝕主要發(fā)生時段。

表1 研究區(qū)觀測期內(nèi)年降雨特征值各月平均分配比例

圖1 研究區(qū)觀測期內(nèi)年際降雨及多年月際降雨特征

氣象部門所采用的單場降雨等級分類標準(如表2所示)已在大量文獻資料中被引用[20-21]，表3為根據(jù)該標準分析得到的各年不同雨型降雨場次特征表。如表3所示，觀測期內(nèi)共有小雨287場次，中雨121場次，大雨56場次，暴雨47場次，大暴雨13場次，無特大暴雨。然而小雨雨型降雨量僅占到了總降雨量的6.73%，大雨及其以上的雨型降雨量則占到了總降雨量的77.52%，其中，60場暴雨和大暴雨雨型的降雨量就占到了總降雨量的58.40%?？梢姀恼麄€年降雨周期來看，大雨以上的降雨對坡面土壤侵蝕的貢獻率較大，特別是暴雨以上的雨型。圖2為研究區(qū)觀測期內(nèi)不同雨型各月份平均降雨量分配圖，從圖2可以看到，暴雨以上雨型主要發(fā)生在5-9月份，并主要表現(xiàn)為短時強降雨型以及長時段連綿降雨型為主。

圖2 研究區(qū)觀測期內(nèi)不同雨型各月份平均降雨量分配

表2 降雨等級劃分標準 mm

表3 研究區(qū)觀測期內(nèi)各年不同雨型降雨場次特征表

3.2 產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征

3.2.1 年際產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征 圖3為研究區(qū)觀測期內(nèi)各年小區(qū)徑流深和侵蝕模數(shù)，由圖3可以看出，空閑坡耕地試驗小區(qū)年徑流深主要在218.72～382.36 mm之間，變異系數(shù)為0.271 7，平均徑流深為279.28 mm；侵蝕模數(shù)在3 139.85～10 216.49 t/(km2·a)之間，變異系數(shù)為0.535 8，波動性較大，平均年土壤侵蝕模數(shù)為6 717.38 t/(km2·a)，為土壤侵蝕強烈等級，并存在逐年降低的趨勢，這可能與裸露坡面經(jīng)過多年的降雨侵蝕，其坡面表層土壤疏松層逐漸被流失殆盡，加之降雨造成了坡面微地貌變化，經(jīng)過多場次降雨，其坡面地表糙度發(fā)生了改變，同時受到各年降雨特征的影響所致。

圖3 研究區(qū)觀測期內(nèi)各年小區(qū)徑流深和侵蝕模數(shù)

通過相關(guān)性分析，年降雨歷時與年徑流深及土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)系數(shù)r分別為-0.901 1和-0.899 7，兩者之間雖然存在一定的負相關(guān)性，但相關(guān)性均不顯著(P>0.05)，其中，徑流深與土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)系數(shù)r為0.905 0，兩者存在正相關(guān)，但相關(guān)性也不顯著(P>0.05)。

3.2.2 際產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征 圖4為研究區(qū)觀測期內(nèi)平均各月徑流深和單位面積侵蝕量分布圖，由圖4可以看到，徑流深以及單位面積侵蝕量主要集中在汛期(4-9月份)，其產(chǎn)生的徑流深和單位面積侵蝕量分別占到了全年的96.73%和99.35%，結(jié)合圖2中的不同雨型在各月份的分布情況來看，在年初的1-2月和年末的10-12月，雖然月內(nèi)有一定的降雨量，但是主要以小雨型為主，以至于整個月內(nèi)未產(chǎn)流、產(chǎn)沙，而汛期內(nèi)短時強降雨對于坡面的土壤侵蝕貢獻率較為突出。通過年內(nèi)月時間尺度的降雨特征與徑流深和單位面積侵蝕量的關(guān)系分析來看，月尺度內(nèi)的徑流深和單位面積侵蝕量不僅僅受到降雨量的影響，其月內(nèi)的雨型組成以及降雨歷時特征對其影響更為突出。

圖4 研究區(qū)觀測期內(nèi)平均各月徑流深和單位面積侵蝕量分布

3.2.3 不同雨型坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征 圖5為研究區(qū)觀測期內(nèi)各年不同雨型徑流深和單位面積侵蝕量。由圖5可以看出，各年份小雨型幾乎均無產(chǎn)流、產(chǎn)沙，暴雨及其以上雨型的徑流深和單位面積侵蝕量分別占到了全年總量的74.06%～95.09%和50.00%～95.31%，暴雨及其以上的雨型對于坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的貢獻率極大，其產(chǎn)流、產(chǎn)沙的多年平均貢獻率分別為88.43%和82.99%。

圖5 研究區(qū)觀測期內(nèi)各年不同雨型徑流深和單位面積侵蝕量

3.3 基于單場降雨的坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙驅(qū)動分析

為了更好地詮釋坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的主要驅(qū)動機制，選取94場典型侵蝕性降雨數(shù)據(jù)，主要從降雨歷時(T)、降雨量(P)、平均雨強(Iave)、降雨侵蝕力(EI30)、降雨動能(E)以及最大30 min雨強(I30)等降雨特征角度出發(fā)，開展不同降雨特征對坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的驅(qū)動分析。表4為徑流深以及單位面積侵蝕量與降雨特性因子的相關(guān)系數(shù)表。

由表4可以看到，在產(chǎn)流方面，以降雨動能(E)的相關(guān)系數(shù)最高，其次是降雨量(P)和降雨侵蝕力(EI30)，再者是降雨歷時(T)和最大30 min雨強(I30)，平均雨強(Iave)無顯著性相關(guān)；在產(chǎn)沙方面，以降雨動能(E)相關(guān)性最大，其次是降雨量(P)和降雨侵蝕力(EI30)，再者是最大30 min雨強和降雨歷時(T)，平均雨強(Iave)相關(guān)系數(shù)最小，且無顯著性。通過對比產(chǎn)流、產(chǎn)沙方面各降雨特征因子的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流方面的相關(guān)系數(shù)普遍大于產(chǎn)沙方面，可見降雨的坡面產(chǎn)流驅(qū)動要大于產(chǎn)沙驅(qū)動關(guān)系，坡面產(chǎn)沙是在降雨濺蝕以及坡面徑流聯(lián)合驅(qū)動作用下發(fā)生的，這也是產(chǎn)沙相關(guān)系數(shù)較低的主要原因。

表4 徑流深以及單位面積侵蝕量與降雨特性因子的相關(guān)系數(shù)

3.3.1 單場降雨坡面產(chǎn)流的降雨特征因子驅(qū)動模型 主要從呈極顯著性相關(guān)的降雨量、降雨歷時、最大30 min雨強、降雨動能以及降雨侵蝕力角度出發(fā)，進行單場降雨坡面產(chǎn)流驅(qū)動模型的建立分析。圖6為不同降雨特征與產(chǎn)流的關(guān)系驅(qū)動模型圖。

圖6 不同降雨特征與產(chǎn)流的關(guān)系驅(qū)動模型

由圖6可見，降雨量、降雨歷時及降雨動能的坡面產(chǎn)流驅(qū)動模型均呈二次曲線函數(shù)關(guān)系；降雨侵蝕力的坡面產(chǎn)流驅(qū)動模型呈直線函數(shù)關(guān)系；最大30 min雨強的坡面產(chǎn)流驅(qū)動模型呈冪函數(shù)關(guān)系，統(tǒng)計分析中的P值均小于0.05，表明各因素與坡面產(chǎn)流存在顯著的線性關(guān)聯(lián)，完全滿足統(tǒng)計學范疇。通過對其可決系數(shù)的對比可以發(fā)現(xiàn)，降雨動能的可決系數(shù)最大，為0.809 2，其次是降雨量和降雨侵蝕力，可決系數(shù)分別為0.755 9和0.654 7，再次是降雨歷時，可決系數(shù)為0.398 5，降雨動能對于坡面產(chǎn)流貢獻最為突出。

3.3.2 單場降雨坡面產(chǎn)沙的降雨特征因子驅(qū)動模型 圖7為不同降雨特征與產(chǎn)沙的關(guān)系驅(qū)動模型圖。由圖7可見，降雨量的坡面產(chǎn)沙驅(qū)動模型呈較弱的一次線性函數(shù)關(guān)系；降雨歷時的坡面產(chǎn)沙驅(qū)動模型呈較弱的二次曲線函數(shù)關(guān)系；最大30 min雨強、降雨動能以及降雨侵蝕力的坡面產(chǎn)沙驅(qū)動模型均為冪函數(shù)關(guān)系，其可決系數(shù)分別為0.363 7、0.317 8和0.417 4，可見降雨侵蝕力對坡面產(chǎn)沙的趨勢更加一致。

圖7 不同降雨特征與產(chǎn)沙的關(guān)系驅(qū)動模型

3.3.3 單場降雨坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙關(guān)系 圖8為產(chǎn)流與產(chǎn)沙的關(guān)系驅(qū)動模型圖。由圖8可以看出，產(chǎn)流量(徑流深)與產(chǎn)沙量(單位面積侵蝕量)呈冪函數(shù)關(guān)系，其可決系數(shù)為0.702 5。與降雨特征因子相比，地表徑流對坡面產(chǎn)沙的貢獻率最大。

圖8 產(chǎn)流與產(chǎn)沙的關(guān)系驅(qū)動模型

4 結(jié) 論

(1)空閑坡耕地的土壤侵蝕等級為強烈等級以上，土壤侵蝕等級存在逐年降低的趨勢，與年降雨歷時存在一定的負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；產(chǎn)流、產(chǎn)沙主要集中在每年4-9月，可分別占到全年總量的96.73%和99.35%；小雨型幾乎無產(chǎn)流、產(chǎn)沙，暴雨雨型及其以上降雨對產(chǎn)流、產(chǎn)沙的貢獻率大，貢獻率均超過80%。

(2)搭建了空閑坡耕地產(chǎn)流、產(chǎn)沙的降雨特征因子驅(qū)動模型，其中，降雨量、降雨歷時及降雨動能對坡面產(chǎn)流的驅(qū)動模型呈二次曲線函數(shù)關(guān)系，降雨侵蝕力對坡面產(chǎn)流的驅(qū)動模型呈直線函數(shù)關(guān)系，最大30 min雨強的驅(qū)動模型則呈冪函數(shù)關(guān)系；降雨動能、降雨侵蝕力以及最大30 min雨強的產(chǎn)沙驅(qū)動模型均呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，而降雨量和降雨歷時的產(chǎn)沙驅(qū)動模型分別為一次線性函數(shù)和二次曲線函數(shù)關(guān)系。

(3)空閑坡耕地的產(chǎn)流驅(qū)動模型的可決系數(shù)均大于產(chǎn)沙驅(qū)動模型，產(chǎn)流與產(chǎn)沙的關(guān)系表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，地表徑流對坡面的沖刷以及泥沙的搬運作用不容忽視，這也為后期的水土保持防治措施提供了相應(yīng)的技術(shù)參考，即需注重坡面產(chǎn)流過程的調(diào)控與阻斷降雨打擊地表的有效集成，從而調(diào)控坡面的水土流失，這樣才能最大限度地減少坡面土壤的侵蝕程度及其帶來的危害。