周 穎
(東港市水利事務服務中心,遼寧 東港 118300)
人類活動、氣候變化等多種因素顯著影響著降雨徑流及泥沙的形成演變,其中最為活躍的就是水沙關系[1]。水沙關系作為綜合反映人類活動影響和區(qū)域自然條件的重要參數,一直是水文水資源、水土保持等領域的研究熱點,許多學者從不同角度探討了泥沙通量、懸沙輸移等產流產沙過程[2-5]。對大尺度流域長江、黃河等部分學者研究了其侵蝕產沙特征,而研究山地丘陵區(qū)次降雨條件下小流域侵蝕產沙規(guī)律較少[6-10]。鑒于此,文章以遼東山地丘陵區(qū)臥龍屯小流域為例,應用統(tǒng)計分析法以及次降雨過程中的氣象、水文實測數據,探討了次降雨產流產沙特征,旨在為小流域水沙調控宏觀決策及其可持續(xù)發(fā)展提供科學指導。
臥龍屯小流域位于遼寧省東港市西北部,地處遼東低山丘陵區(qū),屬東北黑土區(qū)規(guī)劃分區(qū)的丘陵侵蝕區(qū),總面積為15564.48hm2,其中未利用地、建設用地、其它農用地、草地、園地、林地、耕地占比依次為3.92%、4.77%、0.26%、2.91%、5.61%、55.55%、26.97%。區(qū)內海拔處于100-600m之間,地帶性土壤為棕壤土,土層厚度0.3-1.5m范圍。由于林地占較大面積,對林木的破壞現(xiàn)象較重,林木盜伐、燒柴亂砍使得原始森林殆盡,其水源涵養(yǎng)能力和生態(tài)功能脆弱。
該小流域屬南溫帶濕潤區(qū)大陸性季風氣候,年均降水量967mm,因降雨量較大,降雨集中,多集中在7、8月份,且多為大雨或暴雨,雨強較大,雨滴濺蝕能力強,超滲產流極易引發(fā)土壤侵蝕。因此,為有效控制土壤侵蝕,蓄水保土,改善生態(tài),減少湖庫泥沙流入量,涵養(yǎng)水源,減少山地災害,防治水蝕,2019年對東港市臥龍屯小流域實施綜合治理工程,主要治理措施有:老果園改造6.67hm2(修建魚鱗坑7400個),修方塘1座,方塘拓寬加固1座,經濟林46 hm2,圍欄100m,封禁治理197.33hm2。
東港市臥龍屯小流域于2020年8月5日出現(xiàn)降雨(中雨),降雨強度低、持續(xù)時間短,最大30min雨強17.1mm/h,平均雨強4.8mm/h,次降雨侵蝕力78.0MJ·mm/(hm2·h),總降雨量25.6mm。此次降雨含沙量和雨量不大,臥龍屯小流域的最大含沙量0.22kg/m3,流量2.37m3/s。
降雨發(fā)生前,將SICO徑流泥沙自動采樣儀安裝于臥龍屯小流域內,樣品采集設置成雨強>6mm/h時自動采集。樣品采集時前期每隔30min采集一次,后期每隔2.0h采集一次,共采集24個水樣,以10min/次的頻率利用自記式浮子水位計自動記錄水位,從而確定降雨流量,降雨量等氣象數據用流域內安設的自動氣象觀測站自動獲取。
1)測定含沙量。室內靜置水樣,待采樣瓶中的上清液澄清后倒入量筒中測量,并標記上清液水樣體積為V1,然后搖晃均勻剩余含泥沙水樣并倒入量筒,標記剩余泥沙水樣體積V2,最后轉洗入燒杯烘干,稱量測定含沙量[11]。試驗利用下式計算含沙量:
A=M/(V1+V2)
(1)
式中:V1為上清液;V2為含泥沙水樣的體積,m3;M為烘干后的泥沙質量,kg;A為含沙量,kg/m3。
2)計算流量??紤]到臥龍屯小流域為常規(guī)小渠控制站,小流域流量擬利用經驗公式來計算,其表達式為:
(2)
3)計算輸沙模數。設Ac、Sd為小流域有效集水面積(hm2)和產沙量(g),則利用下式計算輸沙模數Ms(g/hm2/s),即:
MS=Sd/Ac
(3)
4)數據處理。選用Exce2010表格制作、Origin 8.0繪圖和SPSS20.0相關性分析等軟件,對以上數據進行處理。
臥龍屯小流域20200805次降雨過程與出口控制站流量變化曲線,如圖1所示。降雨發(fā)生30min后臥龍屯小流域開始產流,降雨過程中形成了明顯的流量峰值,降雨量峰值出現(xiàn)時間略置前于流量峰值,置前時間約30min,降雨量與流量變化趨勢基本相似。
(a)降雨量
文章綜合考慮次降雨數據、降雨量、降雨強度、野外試驗操作以及地形地貌、植被覆蓋度、流域面積等影響因素,在流域狀況、降雨條件相差不明顯的情況下該小流域降雨-流量曲線呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。
根據測定的含沙量、流量、降雨量等數據繪制變化曲線,如圖2所示。
流量與控制站含沙量響應關系,見圖2。
從圖2可以看出,此次降雨過程中臥龍屯小流域含沙量、流量均呈雙峰狀變化趨勢,在降雨210min和840min時含沙量達到峰值的0.68kg/m2、0.51kg/m2,含沙量峰值的出現(xiàn)時間置前于流量峰值,含沙量與流量之間的響應未呈現(xiàn)明顯趨勢。
圖2 流量與控制站含沙量響應關系
降雨過程中臥龍屯小流域的流量與含沙量變化趨勢保持較好一致性,流量與含沙量密切相關,這是由于流域面積較小時流量與含沙量能夠響應迅速,所以能夠保持較好變化趨勢。此外,流域內林地面積所占比例較高,由林帶形成的地埂能夠明顯降低含沙水流能量,林地可以淤積部分淤泥,對低強度降雨植被具有顯著的減沙效應。因此,植被覆蓋率和流域面積也會影響流量與含沙量的響應關系。臥龍屯小流域雨強與含沙量之間顯著相關,這主要與流域內道路、居民點等不透水面積有關,降雨初期硬化路面形成產流并攜帶泥沙流入河道,所以雨強和降雨量是影響小流域含沙量的關鍵因素[12-13]。
臥龍屯小流域20200805次降雨過程中輸沙模數變化曲線,如圖3。
圖3 輸沙模數變化關系
從圖3可以看出,降雨過程中臥龍屯小流域平均輸沙模數0.042g/(hm2·s),在降雨270min、960min時輸沙模數達到峰值的0.134g/(hm2·s)、0.131g/(hm2·s),隨后開始明顯減少,采集水樣逐漸澄清,而土地利用、地貌類型、地質構造等因素都在不同程度上影響著小流域徑流輸沙模數[14-17]。
文章探討了遼東山地丘陵區(qū)臥龍屯小流域次降雨產流產沙特征,揭示了降雨徑流-含沙量變化規(guī)律,主要結論如下:
1)在降雨量較小的次降雨情況下多種因素均會影響降雨產流,特別是面積較小的流域降雨-流量滯后效應更加明顯,植被覆蓋率和流域面積在一定程度上影響流量與含沙量響應關系。
2)臥龍屯小流域雨強與含沙量之間顯著相關,這與流域內道路、居民點等不透水面積有關,降雨初期硬化路面形成產流并攜帶泥沙流入河道,雨強和降雨量是影響小流域含沙量的關鍵因素。降雨過程中,小流域平均輸沙模數0.042g/(hm2·s),這與土地利用、地貌類型、地質構造等因素有關。