錦州巧鳥(niǎo)徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)侵蝕性降雨特征研究

燕靜博

(凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200)

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

以錦州市巧鳥(niǎo)徑流場(chǎng)作為監(jiān)測(cè)區(qū)，地處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)，監(jiān)測(cè)小區(qū)5個(gè)，平均海拔60.5m。巧鳥(niǎo)徑流小區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季少雨風(fēng)大，夏季高溫多雨，秋季溫和少雨，冬季干冷，四季分明，季風(fēng)氣候顯著，多年平均降水量563.5mm，且多集中于汛期，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(niǎo)徑流小區(qū)土壤以水稻土和黃棕壤為主，土地利用類型有農(nóng)用地、林地、園地、耕地等。在暴雨作用下裸露表土易形成水力侵蝕，較陡坡面還會(huì)伴隨有重力侵蝕[1-2]。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，開(kāi)發(fā)的部分果園、茶園、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。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)布設(shè)

結(jié)合錦州市地區(qū)近些年生態(tài)治理項(xiàng)目具體實(shí)施的水土保持措施，對(duì)5個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)合理布設(shè)，如表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)布設(shè)

1.2.2 監(jiān)測(cè)方法與頻率

監(jiān)測(cè)方法采用實(shí)地調(diào)查法，水土流失數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻次為每次降雨產(chǎn)流后，土壤含水率監(jiān)測(cè)頻次為每15d監(jiān)測(cè)一次。

1.2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

1)產(chǎn)沙量采集。降雨產(chǎn)流后，記錄集水池集水深度，然后將集水池中收集的水體攪勻，采用瓶式采樣器進(jìn)行采集，各小區(qū)每次采樣容量1000ml，靜置24h后，采用烘干法獲取泥沙含量數(shù)據(jù)。烘干時(shí)長(zhǎng)為12h，用1/100天平稱重測(cè)定泥沙重量。

2)氣象數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小區(qū)內(nèi)降雨、氣溫、濕度等氣象數(shù)據(jù)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)降雨歷時(shí)、次降水量，并采用Rain Record Setup軟件計(jì)算確定I60、I30、降雨強(qiáng)度等降雨特征因子值[3-4]。根據(jù)每次降雨集水池集水深度，結(jié)合集水池規(guī)格計(jì)算出當(dāng)次降雨產(chǎn)流量。

3)土壤物理性質(zhì)采集。土壤物理性質(zhì)主要為各個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)土壤含水率變化，采集土樣采用土壤墑情自動(dòng)傳輸系統(tǒng)，采集深度為30cm，每10cm為一組樣本，每組樣本點(diǎn)取3個(gè)土樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 場(chǎng)次降雨量的變化特征

2017-2019年錦州巧鳥(niǎo)徑流小區(qū)的年降雨量變化特征如圖1，整理統(tǒng)計(jì)侵蝕性降雨事件如表2。結(jié)果表明，2017-2019年錦州巧鳥(niǎo)徑流小區(qū)共有226場(chǎng)次降雨，其中2017年總降雨量400.0mm，侵蝕性降雨量占61.84%達(dá)到247.4mm；2018年總降雨量344.3mm，侵蝕性降雨量占36.60%達(dá)到126.0mm；2019年總降雨量679.1mm，侵蝕性降雨占71.62%達(dá)到486.4mm。

從月尺度上，1-4月降雨最少，5-10月降雨集中，8月份降雨最大，且以2018年8月的降雨最多，年降雨量基本呈正態(tài)分布，各年份的月降水量變化趨勢(shì)相同；從季節(jié)變化上，每年的夏秋兩季屬降雨集中期；從年際變化上，年際降雨量變幅較大的為8月，而變幅最小的為10月。

圖1 年際降雨量變化特征

2.2 侵蝕性降雨量的等級(jí)劃分

2.2.1 不同雨量級(jí)別的降雨事件

將錦州巧鳥(niǎo)徑流小區(qū)近3a降雨數(shù)據(jù)按以下標(biāo)準(zhǔn)七個(gè)雨量級(jí)別[5]，即100mm≤H<150mm、50mm≤H<100mm、25mm≤H<50mm、15mm≤H<25mm、10mm≤H<15mm、5mm≤H<10mm、0mm≤H<5mm。3a降雨量中，錦巧-1徑流小區(qū)共發(fā)生侵蝕性降雨41次、侵蝕性降雨量1128.4mm，錦巧-1徑流小區(qū)共發(fā)生侵蝕性降雨46次、侵蝕性降雨量1237.5mm，錦巧-3徑流小區(qū)共發(fā)生侵蝕性降雨20次、侵蝕性降雨量756.6mm，錦巧-4徑流小區(qū)共發(fā)生侵蝕性降雨31次、侵蝕性降雨量1065.7mm，錦巧-5徑流小區(qū)共發(fā)生侵蝕性降雨17次、侵蝕性降雨量358.6mm。

表2 各徑流小區(qū)侵蝕性降雨事件

從表2可知，侵蝕性降雨次數(shù)隨降雨量級(jí)別的增大發(fā)生跳躍式變化。降雨量不超過(guò)50mm情況下，侵蝕性降雨量、降雨次數(shù)與降雨量級(jí)別存在正相關(guān)關(guān)系，侵蝕性降雨次數(shù)所占比例隨著降雨級(jí)別的增大逐漸增加，總降雨場(chǎng)次減少，一次短歷時(shí)的大暴雨為造成嚴(yán)重土壤侵蝕的關(guān)鍵[6]；降雨量>50mm情況下，侵蝕性降雨次數(shù)所占比例隨降雨量級(jí)別的增加而減少，該變化趨勢(shì)與降雨特征密切相關(guān)，但降雨>50mm勢(shì)必會(huì)造成土壤侵蝕。對(duì)于錦巧-1、錦巧-2、錦巧-3、錦巧-4塊地而言，降雨量級(jí)別15-25 mm和25-50 mm對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)最大，即該條件下4個(gè)徑流小區(qū)發(fā)生侵蝕性降雨場(chǎng)次為22次、22次、11次、19次，所占比例為53.66%、47.83%、45.00%、61.29%；對(duì)于錦巧-5塊地而言，當(dāng)降雨量超過(guò)10mm時(shí)土壤就發(fā)生了侵蝕。

2.2.2 不同雨量級(jí)別的產(chǎn)沙量變化

降雨和下墊面是坡面產(chǎn)沙的主要影響因素，其中降雨則是產(chǎn)沙的動(dòng)力來(lái)源，各雨量級(jí)別下不同用地類型的產(chǎn)沙量變化如圖2?？傮w而言，大豆地和玉米地顯著高于灌草地、次生林和人工林地徑流小區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)。降雨量不超過(guò)50mm時(shí)，隨降雨量級(jí)別的增大，灌草地、次生林地的產(chǎn)沙模數(shù)變化較小，而大豆地呈明顯增大趨勢(shì)，玉米地總體服從正態(tài)分布，人工林地的變化規(guī)律不穩(wěn)定，但隨降雨量的增大產(chǎn)沙模數(shù)波動(dòng)增加。研究表明，降雨超過(guò)10mm時(shí)坡耕地將產(chǎn)生嚴(yán)重土壤侵蝕，降雨超過(guò)50mm時(shí)灌草地、人工林地將受到顯著影響，水土保持效果較好的為次生林地。

圖2 不同雨量級(jí)別的產(chǎn)沙量變化

從圖2可以看出，在坡度、降雨強(qiáng)度不變的情況下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕的主要因素，不同地表覆蓋的降雨入滲和雨水?dāng)r截作用存在一定差異，這必然引起不同的土壤侵蝕程度，順坡種植不利于泥沙攔蓄、雨水截流，因此順坡種植的大豆地和玉米坡耕地比較容易發(fā)生土壤侵蝕。

2.3 侵蝕性降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分

將錦州巧鳥(niǎo)徑流小區(qū)近3a的降雨數(shù)據(jù)按照以下標(biāo)準(zhǔn)劃分成七個(gè)降雨強(qiáng)度等級(jí)[7]，即80-120mm/h、60-80mm/h、40-60mm/h、20-40mm/h、10-20mm/h、5-10mm/h、0-5mm/h。

表3 不同降雨強(qiáng)度的侵蝕性降雨

從表3可以看出，隨著降雨強(qiáng)度等級(jí)的增大各徑流小區(qū)侵蝕性降雨場(chǎng)次均呈減少趨勢(shì)，降雨強(qiáng)度越大發(fā)生土壤侵蝕的頻率越低，但造成的土壤侵蝕越重。侵蝕性降雨次數(shù)最多的雨強(qiáng)級(jí)別為0-5mm/h，各徑流小區(qū)分別發(fā)生33次、37次、15次、24次和13次，所占比例為78.05%、80.43%、75.00%、77.42%、76.47%。降雨強(qiáng)度>20mm/h時(shí)不同土地利用類型都易發(fā)生土壤侵蝕，降雨強(qiáng)度級(jí)別為80-120/mm·h-1的侵蝕性降雨有1場(chǎng)，歷時(shí)1min發(fā)生的侵蝕性降雨量達(dá)到18.6mm。各徑流小區(qū)在不同降雨強(qiáng)度級(jí)別下的產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)如圖3。

圖3 不同降雨強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)沙模數(shù)

從圖3可以看出，徑流小區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)受平均雨強(qiáng)和土地利用類型的影響顯著，錦巧-2、錦巧-5徑流小區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)隨隨著侵蝕性降雨強(qiáng)度等級(jí)的增大呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，符合二次函數(shù)變化特征。然而，監(jiān)測(cè)區(qū)發(fā)生高強(qiáng)度大暴雨的概率極低，以長(zhǎng)歷時(shí)小型降雨為主。隨著平均雨強(qiáng)的逐漸增大，錦巧-3徑流小區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)不斷增加，而不同雨強(qiáng)下錦巧-1、錦巧-4的產(chǎn)沙模數(shù)無(wú)明顯變化。

綜上分析，頻繁的小型降雨小于極少的大暴雨造成的土壤侵蝕量，應(yīng)考慮土壤侵蝕受大暴雨的影響合理制定水土流失防治措施[8]。因受擾動(dòng)比較大，坡耕地產(chǎn)沙量在不同雨強(qiáng)級(jí)別下均高于其它用地類型。

2.4 侵蝕性降雨特征指標(biāo)與產(chǎn)沙的相關(guān)性

擬采用SPSS軟件分析各降雨特征指標(biāo)與不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)沙之間的相關(guān)性，為保證數(shù)據(jù)分析的精準(zhǔn)度和可靠性，剔除僅發(fā)生一次土壤侵蝕的降雨強(qiáng)度等級(jí)，相關(guān)性分析結(jié)果如表4。其中，“*”、“**”代表顯著和極顯著相關(guān)；I30、I60代表最大30 min和最大60 min雨強(qiáng)。

由表4可以看出，各降雨特征指標(biāo)與錦巧-3徑流小區(qū)不存在相關(guān)關(guān)系；在降雨強(qiáng)度不超過(guò)5mm/h情況下，I60、降雨量與錦巧-1徑流小區(qū)產(chǎn)沙量呈顯著相關(guān)，其他降雨特征指標(biāo)與錦巧-1徑流小區(qū)產(chǎn)沙量不存在顯著相關(guān)性；各降雨特征指標(biāo)與錦巧-2、錦巧-3徑流小區(qū)都不存在顯著相關(guān)性；降雨量與錦巧-4徑流小區(qū)產(chǎn)沙量呈極顯著相關(guān)，而與錦巧-5徑流小區(qū)呈顯著相關(guān)。深入分析發(fā)現(xiàn)，一旦降雨長(zhǎng)期以順坡溝壟方式種植烤煙的錦巧-5徑流小區(qū)就會(huì)發(fā)生土壤侵蝕，對(duì)于種植玉米的錦巧-2徑流小區(qū)，植被覆蓋度隨玉米的生長(zhǎng)逐漸增大，在一定程度上發(fā)揮攔截小型降雨的作用。5-10mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)，I60、I30、降雨歷時(shí)和降雨量是影響錦巧-2徑流小區(qū)產(chǎn)沙的主要因素，I60、降雨歷時(shí)、降雨量與產(chǎn)沙量呈極顯著相關(guān)。

綜上分析，降雨強(qiáng)度為0-5mm/h條件下，最大60min雨強(qiáng)、降雨量與錦巧-1徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量呈顯著正相關(guān)，降雨量與錦巧-5徑流小區(qū)存在顯著相關(guān)性。對(duì)于錦巧-2徑流小區(qū)，降雨強(qiáng)度不超過(guò)5mm/h條件下，降雨歷時(shí)是影響玉米坡耕地土壤侵蝕的主要因素，降雨強(qiáng)度為5-10mm/h條件下，最大60min雨強(qiáng)、降雨量、降雨歷時(shí)與產(chǎn)沙量呈極顯著正相關(guān)；對(duì)于錦巧-4徑流小區(qū)，降雨強(qiáng)度不超過(guò)5mm/h條件下，降雨量與產(chǎn)沙量存在極顯著相關(guān)性，降雨強(qiáng)度為5-10mm/h條件下，最大60min雨強(qiáng)與產(chǎn)沙量存在顯著相關(guān)性，各降雨特征指標(biāo)與錦巧-3徑流小區(qū)均不存在相關(guān)關(guān)系。由此表明，下墊面或其他因素是影響錦巧-3徑流小區(qū)的因素，人工林(高大喬木組成)的林冠截留作用很強(qiáng)，而灌草地?cái)r截泥沙作用較弱，所以隨著降雨量的增大灌草地水土保持功能不斷下降，在降雨較為頻繁的地區(qū)喬木林的水土保持效果更好[9-14]。

3 結(jié) 論

1)從近3a降雨數(shù)據(jù)上，研究區(qū)年降雨量基本呈正態(tài)分布，1-4月降雨最少，5-10月降雨集中，8月份降雨最大，9月降雨量逐漸減少，各年份的月降水量變化趨勢(shì)相同；每年的夏秋兩季屬降雨集中期，干濕季節(jié)明顯，該變化規(guī)律符合大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)。

2)在降雨徑流和泥沙攔截等方面不同覆蓋度的用地類型存在一定差異，農(nóng)作物和耕作方式也會(huì)在一定程度上影響土壤流失。在坡度、降雨強(qiáng)度不變的情況下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕的主要因素，不同地表覆蓋的降雨入滲和雨水?dāng)r截作用存在一定差異，這必然引起不同的土壤侵蝕程度，順坡種植不利于泥沙攔蓄、雨水截流，因此順坡種植的大豆地和玉米坡耕地比較容易發(fā)生土壤侵蝕。

3)頻繁的小型降雨小于極少的大暴雨造成的土壤侵蝕量，應(yīng)考慮土壤侵蝕受大暴雨的影響合理制定水土流失防治措施。因受擾動(dòng)比較大，坡耕地產(chǎn)沙量在不同雨強(qiáng)級(jí)別下均高于其它用地類型。

d、降雨特征指標(biāo)與各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量之間的關(guān)系，在不同降雨強(qiáng)度級(jí)別下存在一定的差異性，因泥沙攔截效應(yīng)有效灌草地對(duì)小型降雨有一定的抗沖作用，而對(duì)于大暴雨擁有較多群落層次的喬木林具有更好的水土保持功能，較低的枯枝落葉和草木層可以減少降雨動(dòng)能，較高的林冠層可以截流雨水，從而更好地減少激濺侵蝕。部分覆蓋度較高的植被也具有一定的抗降雨侵蝕效應(yīng)，但對(duì)坡度較大的坡耕地建議采取退耕還林措施。