降雨特征對(duì)巧鳥徑流小區(qū)水土流失的影響分析

李明熹

(朝陽(yáng)華瑞工程技術(shù)咨詢有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

小流域是綜合治理水土流失的基本單元，短時(shí)間內(nèi)流域的土壤特征與地形地貌相對(duì)穩(wěn)定，植被覆蓋在無人為干擾下不會(huì)出現(xiàn)明顯的改變，所以短期降雨是造成土壤侵蝕的重要因素和主要?jiǎng)恿?。降雨過程中，雨量隨歷時(shí)的分配稱為降水的時(shí)程雨型，雨型極大地影響著徑流、入滲和侵蝕過程，而影響區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素有降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨量等降雨特征[1-3]。近年來，針對(duì)區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征的相關(guān)性國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了深入探究，如何楊洋等[4]以石匣小流域?yàn)槔骄科洚a(chǎn)流產(chǎn)沙特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨強(qiáng)度、降雨量存在相關(guān)關(guān)系；晏清洪等[5]研究了黃土區(qū)小流域在不同降雨類型條件下的水土流失特征，結(jié)果顯示流域產(chǎn)流輸沙主要受最大30min雨強(qiáng)、降雨量等降雨特征影響；楊云斌等[6]研究發(fā)現(xiàn)小流域產(chǎn)流受降雨歷時(shí)、降雨量的影響較大，小流域產(chǎn)沙受雨強(qiáng)分布的影響較大；周璟等[7]以女兒寨小流域?yàn)槔?，通過研究77場(chǎng)典型降雨特征發(fā)現(xiàn)產(chǎn)沙模數(shù)、徑流深與降雨量呈顯著線性相關(guān)性；王萬忠等[8]以黃土地區(qū)為例，研究了土壤流失與降雨特性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤流失量與10-30min最大降雨量的瞬時(shí)雨率等降雨參數(shù)的相關(guān)性最好。借鑒現(xiàn)有研究成果可知，不同研究區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征相關(guān)性存在一定差異，有必要對(duì)不同區(qū)域開展深入研究。目前，關(guān)于遼西低山丘陵區(qū)小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征相關(guān)性的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，文章以錦州巧鳥徑流小區(qū)為例，通過統(tǒng)計(jì)分析2017-2020年151場(chǎng)降雨事件，揭示產(chǎn)流產(chǎn)沙特性與不同雨型之間的相關(guān)性，以期為小流域水土流失綜合治理提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

錦州巧鳥徑流小區(qū)位于E121°04′22″，N41°00′22″，屬于大凌河水系，遼寧省水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。研究區(qū)為北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季少雨風(fēng)大，秋季溫和少雨，夏季高溫多雨，冬季干冷，季風(fēng)氣候顯著，多年平均降水量555mm，并且多集中于汛期，汛期降水量約占全年的60%。其中，6-7月降雨具有范圍廣、歷時(shí)長(zhǎng)、總量大等特點(diǎn)，8-9月降雨范圍相對(duì)較小、歷時(shí)短、雨強(qiáng)大。巧鳥徑流小區(qū)平均海拔60.5m，土壤以水稻土和黃棕壤為主，土地利用類型主要有農(nóng)用地、林地、園地、耕地。裸露表土在暴雨作用下易形成水力侵蝕，較陡坡面還會(huì)伴隨有重力侵蝕。地形起伏較大的丘陵地區(qū)更加劇了徑流沖刷侵蝕，降雨條件下極易形成面蝕與溝蝕，部分開發(fā)的茶園、果園和農(nóng)田地表多為栽培植被，降雨情況下易形成深溝侵蝕和細(xì)溝狀面蝕[9-11]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

由錦州市水土保持基礎(chǔ)信息監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供巧鳥徑流小區(qū)2017-2020年的水文泥沙數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有含沙量、流速、水位、降水量等，監(jiān)測(cè)斷面輸沙量及徑流量等數(shù)據(jù)利用流量計(jì)算公式確定，巧鳥徑流小區(qū)2017-2020年的年輸沙量和徑流量見表1。

表1 巧鳥徑流小區(qū)年輸沙量和徑流量

2.2 計(jì)算方法

采用現(xiàn)場(chǎng)安裝的雨量遙測(cè)終端，并利用無線傳輸技術(shù)將降雨數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺(tái)，從平臺(tái)上下載當(dāng)日雨量和當(dāng)月降雨過程數(shù)據(jù)，降雨侵蝕力、I30、雨強(qiáng)和降雨量等指標(biāo)利用軟件計(jì)算；采用流速儀法監(jiān)測(cè)流量，把3條垂線設(shè)立于斷面處用以測(cè)量流量、流速和水位；根據(jù)《泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，采用烘干法處理泥沙樣品，經(jīng)沉淀、濃縮后將采集的樣品倒入烘杯烘至恒重稱量，從而確定平均含沙量。

利用SPSS20.0軟件統(tǒng)計(jì)分析水文泥沙數(shù)據(jù)，通過多元線性回歸分析、最小顯著差異法(LSD)方差分析、K-均值聚類分析、皮爾遜相關(guān)性分析等探討徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙及降雨特性。根據(jù)典型斷面監(jiān)測(cè)成果分析使用12個(gè)變量，即前1d降雨量(P1d，mm)、前3d降雨量(P3d，mm)、前7d降雨量(P7d，mm)、產(chǎn)沙模數(shù)(Ms，t/hm2)、含沙量(C，g/L)、徑流系數(shù)(Rc)徑流深(H，mm)、洪峰流量(Qmax，m3/s)、降雨侵蝕力[R，MJ·mm/(hm2·h)]、最大30min雨強(qiáng)(I30max，mm/h)、雨量(P，mm)、降雨歷時(shí)(D，min)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同降雨類型分析

徑流小區(qū)產(chǎn)水產(chǎn)沙受I30和降雨量的影響都較大，為了分析水沙受不同降雨類型的影響程度，將151場(chǎng)降雨事件利用K-均值聚類法和Perruchet提出的標(biāo)準(zhǔn)劃分成5類，見表2。

表2 不同降雨類型劃分

由表2可知，錦州巧鳥徑流小區(qū)共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五種降雨類型，按小到大排列降雨中心值為：Ⅰ、Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ，按從小到大排列I30為Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅳ。在所有雨型中Ⅰ雨型的降雨中心值(11.96mm)和I30中心值(5.81mm/h)均為最小，將其定義為小雨強(qiáng)、小雨量；依據(jù)Ⅱ雨型的降雨中心值(145.70mm)和I30中心值(25.95mm/h)，將其定義為中雨強(qiáng)、大雨量；依據(jù)Ⅲ雨型的降雨中心值(71.28mm)和I30中心值(21.36mm/h)，將其定義為小雨強(qiáng)、中雨量；依據(jù)Ⅳ雨型的降雨中心值(80.65mm)和I30中心值(60.78mm/h)，將其定義為大雨強(qiáng)、中雨量；依據(jù)Ⅴ雨型的降雨中心值(32.56mm)和I30中心值(28.14mm/h)，將其定義為中雨強(qiáng)、小雨量。按從小到大排列5種雨型發(fā)生頻率為Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅰ，其中發(fā)生頻率最高的為小雨型、小雨量的Ⅰ雨型，降雨場(chǎng)次95場(chǎng)，所占比例為62.91%，其次為中雨強(qiáng)、小雨量的Ⅴ雨型，降雨場(chǎng)次38場(chǎng)，所占比例為25.17%，而大雨強(qiáng)、中雨量的Ⅳ雨型和中雨強(qiáng)、大雨量的Ⅱ雨型發(fā)生頻率較低，降雨場(chǎng)次依次為2場(chǎng)和5場(chǎng)，所占比例為1.32%、3.31%。

3.2 水沙變化特征分析

將引起土壤侵蝕的降雨定義為侵蝕性降雨，水沙變化特征分析時(shí)僅考慮侵蝕性降雨事件。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，錦州巧鳥徑流小區(qū)2017-2010年侵蝕性降雨事件共68場(chǎng)，描述性統(tǒng)計(jì)的9個(gè)變量特征，見表3。

表3 描述性統(tǒng)計(jì)降雨事件特征

續(xù)表3 描述性統(tǒng)計(jì)降雨事件特征

由表3可知：①錦州巧鳥徑流小區(qū)最大和最小雨量為246.0mm、4.5mm，平均降雨量為51.2mm，有20場(chǎng)降雨事件超過平均雨量，所占比例為29.41%。②I30最大值和最小值為64.27mm/h、3.00mm/h，對(duì)應(yīng)的降雨量為31.0mm、16.0mm，相應(yīng)的降雨歷時(shí)為38min和861min；③徑流深處于0.41-370.60mm的變化范圍，平均徑流深為24.63mm，有29場(chǎng)降雨事件的徑流深超過5mm，占總侵蝕性降雨事件42.65%；④徑流系數(shù)處于0.01-0.92的變化范圍，徑流系數(shù)平均值為0.30，有51場(chǎng)降雨事件的徑流系數(shù)>0.10，占總侵蝕性降雨事件的75.00%；⑤含沙量最大和最小值為6.18g/L、0.01g/L，含沙量平均值0.75g/L，有21場(chǎng)降雨事件的含沙量超過平均值，占總侵蝕降雨事件的30.88%；⑥總體上分析，有68場(chǎng)降雨事件的產(chǎn)沙模數(shù)平均值為0.32t/hm2，有12場(chǎng)降雨事件產(chǎn)沙模數(shù)超過平均值，占總侵蝕性降雨場(chǎng)次的17.65%，產(chǎn)沙模數(shù)最大值為5.04t/hm2。

采用皮爾遜相關(guān)性分析151場(chǎng)降雨事件的9個(gè)變量，如表4。由表4可知，在p<0.01水平上含沙量、I30、產(chǎn)沙模數(shù)、徑流深、洪峰流量、降雨侵蝕力與降雨量顯著相關(guān)，在p<0.05水平上徑流系數(shù)與降雨量顯著相關(guān)，這表明影響巧鳥徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙重要因素有降雨量。在p<0.01水平上含沙量、洪峰流量、降雨侵蝕力與I30顯著相關(guān)，在p<0.05水平上產(chǎn)沙模數(shù)、徑流系數(shù)、徑流深與I30顯著相關(guān)，這表明影響巧鳥徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素有I30。在p<0.01水平上含沙量、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)、徑流深、洪峰流量與降雨侵蝕力顯著相關(guān)，產(chǎn)沙模數(shù)、徑流深、洪峰流量與降雨侵蝕力的相關(guān)系數(shù)均>0.5，這表明影響徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素有降雨侵蝕力。在p<0.01水平上洪峰流量與P3d顯著相關(guān)，在p<0.05水平上徑流深、洪峰流量與P7d顯著相關(guān)，在p<0.05水平上含沙量與P3d顯著相關(guān)，這表明巧鳥徑流小區(qū)降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙能力受前期降雨量的影響顯著。

表4 皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣

由于降雨強(qiáng)度和降雨量具有顯著差異，所以其對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響會(huì)產(chǎn)生明顯差異。為了分析徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特性受I30、降雨量的影響程度，繪制出徑流系數(shù)、含沙量與I30、降雨量的關(guān)系圖，見圖1。徑流系數(shù)達(dá)到最大的0.92時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量為50.6%，前7d降雨量為88.1mm、I30為45.5mm/h，這表明土壤含水量因前期的充分降雨已明顯增大，若再遇暴雨極易產(chǎn)生徑流；含沙量達(dá)到最大的6.18g/L時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤屬于濕潤(rùn)狀態(tài)，前7d降雨量為65.6mm、I30為36.20mm/h，濕潤(rùn)的土壤為土壤侵蝕創(chuàng)造了條件。在I30<20mm/h、降雨量<75mm的條件下，含沙量不超過1g/L，徑流系數(shù)不超過0.2；在20≤I30<40mm/h、75≤降雨量<125mm的條件下，含沙量處于1-2g/L范圍，徑流系數(shù)處于0.18-0.36范圍，在40≤I30<65mm/h、125≤降雨量<285mm的條件下，含沙量處于2-4.5g/L范圍，徑流系數(shù)處于0.35-0.95范圍。

3.3 不同降雨類型對(duì)水沙的影響

在5種不同雨型下巧鳥徑流小區(qū)的累計(jì)徑流量、累計(jì)含沙量、累計(jì)降雨量占總量的比例見圖2。

圖2 不同降雨類型下累計(jì)徑流量、累計(jì)含沙量、累計(jì)降雨量所占比例

從圖2可以看出，Ⅴ雨型的累計(jì)徑流量較小(8.46%)而累計(jì)含沙量最高(29.40%)；Ⅳ雨型的累計(jì)含沙量、累計(jì)降雨量較低而累計(jì)徑流量最高(占46.18%)；Ⅱ雨型的累計(jì)徑流量、累計(jì)含沙量和累計(jì)雨量占比都較高，依次為32.88%、22.70%、32.63%；Ⅰ雨型的累計(jì)徑流量、累計(jì)含沙量、累計(jì)降雨量所占比例均為最小。

為了揭示不同降雨類型下巧鳥徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化特征，對(duì)不同降雨類型間的洪峰流量、徑流系數(shù)、含沙量、產(chǎn)沙模數(shù)在統(tǒng)計(jì)上的差異性利用最小顯著差異法(LSD)分析，見圖3。

從圖3可以看出：①在統(tǒng)計(jì)上Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ雨型與Ⅱ、Ⅴ雨型的產(chǎn)沙模數(shù)具有顯著差異性，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ雨型雨型的產(chǎn)沙模數(shù)差異性不顯著。Ⅱ、Ⅳ雨型的產(chǎn)沙模數(shù)為1.85t/hm2和0.92t/hm2，與Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型相比相對(duì)較大；②按從小到大排列含沙量為Ⅰ、Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ，在統(tǒng)計(jì)上Ⅱ雨型的含沙量與Ⅰ雨型具有顯著差異性，而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ雨型與Ⅰ雨型的含沙量均無顯著差異性。含沙量反映了徑流小區(qū)輸沙量與產(chǎn)流量之間的關(guān)系，含沙量最大、最小的為Ⅱ雨型的1.75g/L和Ⅰ雨型0.36g/L，表明巧鳥徑流小區(qū)水沙關(guān)系受Ⅱ雨型的影響顯著，Ⅱ雨型是引起巧鳥徑流產(chǎn)沙的主要雨型；③在統(tǒng)計(jì)上Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型與Ⅱ、Ⅳ雨型的徑流系數(shù)具有顯著差異性，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型雨型的徑流系數(shù)差異性不顯著。徑流系數(shù)反映了徑流小區(qū)降雨產(chǎn)流能力，徑流系數(shù)最大的為Ⅱ雨型的0.58，其次為Ⅳ雨型的0.51，其它雨型均未超過0.5，這表明產(chǎn)流能力最強(qiáng)的為Ⅱ雨型，其它雨型的產(chǎn)流能力較弱；④在統(tǒng)計(jì)上Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型與Ⅱ、Ⅳ雨型的洪峰流量具有顯著差異性，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型雨型的洪峰流量差異性不顯著。洪峰流量最大的為Ⅱ雨型的5.88m3/s，其次為Ⅳ雨型的3.42m3/s。

(a)產(chǎn)沙模數(shù) (b)含沙量

(c)徑流系數(shù) (d)洪峰流量

多元逐步回歸擬合洪峰流量和產(chǎn)沙模數(shù)這2個(gè)主要指標(biāo)，擬合與水土流失相關(guān)性較高的指標(biāo)，見表5。

表5 擬合回歸方程

由表5可知，主要指標(biāo)擬合優(yōu)度R2均超過0.75，可見模型的擬合效果較高、擬合程度較高。擬合回歸方程的顯著性檢驗(yàn)利用數(shù)據(jù)方差F描述，結(jié)果顯示因變量受各解釋變量的影響顯著，F(xiàn)對(duì)應(yīng)的Sig顯著性檢驗(yàn)都<0.05，這表明回歸方程具有較強(qiáng)的適用性。徑流深、含沙量、降雨量指標(biāo)與產(chǎn)沙模數(shù)具有較大的相關(guān)性，回歸系數(shù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)處理依次為0.381、0.532、0.196，按從小到大排列影響程度為降雨量、徑流深、含沙量；I30、含沙量、徑流深與洪峰流量具有較大的相關(guān)性，回歸系數(shù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理依次為0.188、0.235、0.721，按從小到大排列影響程度為I30、含沙量、徑流深。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)在p<0.05水平上降雨侵蝕力、I30、降雨量與其它指標(biāo)顯著相關(guān)，這也是影響徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素。降雨事件的水沙特性以含沙量<1g/L、徑流系數(shù)<0.2、I30<20mm/h、降雨量<75mm為主。

2)降雨類型可劃分成Ⅴ(中雨強(qiáng)、小雨量)、Ⅳ(大雨強(qiáng)、中雨量)、Ⅲ(小雨強(qiáng)、中雨量)、Ⅱ(中雨強(qiáng)、大雨量)、Ⅰ(小雨強(qiáng)、小雨量)五種，發(fā)生頻率最高和最低的為Ⅰ雨型、Ⅳ雨型，所占比例為62.91%、1.32%。

3)Ⅴ雨型的累計(jì)徑流量較小(8.46%)而累計(jì)含沙量最高(29.40%)；Ⅳ雨型的累計(jì)含沙量、累計(jì)降雨量較低而累計(jì)徑流量最高(占46.18%)；Ⅱ雨型的累計(jì)徑流量、累計(jì)含沙量和累計(jì)雨量占比都較高，依次為32.88%、22.70%、32.63%；Ⅰ雨型的累計(jì)徑流量、累計(jì)含沙量、累計(jì)降雨量所占比例均為最小。Ⅱ、Ⅳ雨型的產(chǎn)沙模數(shù)、徑流系數(shù)、含沙量、洪峰流量均高于其它雨型，其次為Ⅲ雨型，Ⅰ、Ⅴ雨型最小。輸沙能力和產(chǎn)流能力最大的為Ⅱ雨型，Ⅳ雨型其次，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型的產(chǎn)水產(chǎn)沙特性未呈現(xiàn)出顯著差異性。

4)多元回歸方程擬合的洪峰流量和產(chǎn)沙模數(shù)效果較好，回歸系數(shù)R2通過顯著性檢驗(yàn)且均超過0.75，針對(duì)水土流失相關(guān)指標(biāo)可以利用回歸方程定量計(jì)算。降雨量、徑流深、含沙量指標(biāo)對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)的影響較大，I30、含沙量、徑流深指標(biāo)對(duì)洪峰流量的影響較大。