錦州市土壤侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究

楊艷輝

（凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200）

錦州市位于遼寧省西南部，地貌為低山丘陵，以低緩山坡地為主，土壤侵蝕方式主要為水力侵蝕，兼有風(fēng)蝕，中度及以上侵蝕占45.98%。錦州市屬溫暖帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏秋季降雨集中，暴雨多發(fā)，水土流失嚴(yán)重，2018 年錦州市土壤侵蝕面積達(dá)到2 649.86m2，大多分布于低山丘陵區(qū)。土壤侵蝕對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的不利影響已成為生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)之一，主要導(dǎo)致土壤沙石化和肥力下降。根據(jù)錦州市坡耕地水土流失調(diào)查資料，坡面侵蝕是其主要來源，其侵蝕程度主要受土壤、降雨、地形、植被、徑流等自然和人為因素影響[1]。目前，調(diào)節(jié)控制降雨的難度較大，但可以通過改變植被覆蓋、地形條件和用地方式的方式來調(diào)控水力侵蝕，并取得較好的效果。研究表明，下墊面條件及侵蝕性降雨顯著影響著水土流失，其中用地類型不同的覆蓋度、植物類型、下墊面、種植和耕作方式是重要影響因素，降雨作為土壤侵蝕的動力是產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)鍵影響因素。因此，研究不同植物措施的土壤侵蝕情況、降雨特征規(guī)律和徑流泥沙特征，對水土保持工程及土壤侵蝕治理顯得非常重要。然而，現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)以定位觀測的3～5a 天然降雨或?qū)嶒?yàn)室人工模擬降雨為主，對遼西低山丘陵區(qū)錦州市的有關(guān)研究較少[2-3]。因此，本研究利用徑流小區(qū)試驗(yàn)，依據(jù)2014—2021 年長系列觀測數(shù)據(jù)和模擬坡耕地種植措施，研究探討了流域產(chǎn)流產(chǎn)沙受不同下墊面的影響及當(dāng)?shù)亟涤晏卣?，以期為錦州市水土保持規(guī)劃和土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

水土保持監(jiān)測點(diǎn)位于錦州市，屬北部低山丘陵保土蓄水區(qū)。該監(jiān)測點(diǎn)位于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，季風(fēng)氣候顯著，大陸性較強(qiáng)，年均氣溫9.2℃，多年平均降雨量555mm，平均蒸發(fā)量1 888.2mm，冬季雨量少，夏季降水多，6～9 月降水占全年70%左右。監(jiān)測點(diǎn)為棕壤土，作物主要為大棗、花生、大豆、玉米等，優(yōu)勢草種為狗尾草、紫花苜蓿、黑麥草等。

2 測算方法

2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

研究布設(shè)5 個標(biāo)準(zhǔn)水蝕坡面徑流小區(qū)，坡度、規(guī)格、植被覆蓋等特征參數(shù)如表1 所示。根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锔髁?xí)慣設(shè)置徑流小區(qū)下墊面，包括自然荒地、林地和農(nóng)地，自然撂荒的荒地長有優(yōu)勢草種，將茶樹種植到林地，農(nóng)地種植黃豆、地瓜和花生，以5 月和10 月為翻耕播種及收割期。各小區(qū)的匯流與分流方式相同，通過坡面匯流后降水產(chǎn)流進(jìn)入?yún)R流槽，其中分水池中流入1/3，水深超過0.3m 時流入集流池1/5。

表1 徑流小區(qū)特征參數(shù)

2.2 監(jiān)測方法

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行徑流小區(qū)監(jiān)測工作，監(jiān)測指標(biāo)包括作物產(chǎn)量、土壤水分、植被覆蓋、侵蝕量、含沙量、徑流量、泥沙量以及侵蝕性降雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時、降雨量等降雨特征參數(shù)。其中，研究選用采樣周期5min、分辨率0.5mm 的翻斗式遙測自記雨量計(jì)觀測降雨連，根據(jù)集流池內(nèi)的水位測量結(jié)果推求徑流量，采用人工采樣和標(biāo)準(zhǔn)烘干法測定泥沙量，通過目估法觀測植被平均高度和灌草作物蓋度等參數(shù)[4-6]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析2014—2021 年降雨數(shù)據(jù)及特征，通過K 均值聚類分析侵蝕性降雨識別其特點(diǎn)和類型，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法探究產(chǎn)沙、產(chǎn)流與降雨量之間的相關(guān)性，通過雙累積曲線進(jìn)行對比分析，探討不同下墊面在同等降雨條件下的產(chǎn)沙量差異特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降雨特征

統(tǒng)計(jì)分析2014—2021 年監(jiān)測點(diǎn)月均降雨量變化特征，結(jié)果表明汛期降雨集中，其中5～10 月降雨量占全年85.9%，并以7～8 月最為集中，該時段占全年的55.0%。侵蝕性降雨量多發(fā)生在6～9 月，占總降雨量的53.9%，其中侵蝕性降雨量最高時段為7 月的152mm，占該月降雨的68.2%，8 月侵蝕性降雨占該月總降雨量的69.5%。2014—2021 年共監(jiān)測到66 場次侵蝕性降雨，侵蝕性降雨占總降雨量的53.8%，大多發(fā)生在7～8 月，該時段占總次數(shù)的69.7%，并以7 月最高達(dá)到26 次，所占比例為39.4%，故侵蝕性降雨量和侵蝕性降雨頻次最高的時段是7 月。

3.2 K 均值聚類分析

對于2014—2021 年66 場次侵蝕性降雨使用K均值法進(jìn)行分類，它是以K 個數(shù)據(jù)為初始中心，通過計(jì)算其與每個數(shù)據(jù)之間的距離，并重新確定每個聚類中數(shù)據(jù)的均值作為新的中心，經(jīng)多次迭代計(jì)算獲取穩(wěn)定的聚類中心。侵蝕性降雨主要涉及雨強(qiáng)、歷時、雨量(來源于監(jiān)測數(shù)據(jù))和侵蝕力R 因子(由經(jīng)典參數(shù)法確定)，R 的計(jì)算公式為：

式中：r、I30、E為按雨強(qiáng)劃分的降雨時段、最大30 雨強(qiáng)mm/h 和次降雨動能，MJ/hm2；其中r=1，2，…，n；ir、er、Pr為在r時段雨強(qiáng)，mm/h；降雨動能，MJ/(hm2·mm)；和雨量，mm。

根據(jù)R、I30和P參數(shù)，將侵蝕性降雨劃分為4 個雨型如表2 所示。其中，Ⅰ雨型的P、雨強(qiáng)I30、侵蝕力R值分別為27.5mm、21.4mm/h和138.1(MJ·mm)/(hm2·h)，Ⅱ雨型為44.2mm、60.7mm/h 和656.7(MJ·mm)/(hm2·h)， Ⅲ雨型為108.6mm、89.5mm/h 和2533.2(MJ·mm)/(hm2·h)，Ⅳ雨型為96.1mm、34.7mm/h 和867.2(MJ·mm)/(hm2·h)。其中，頻率最高和最低的是Ⅰ、Ⅲ雨型，占總樣本的65.1%和4.5%。依據(jù)頻次排序?yàn)棰螅饥?Ⅱ＜Ⅰ雨型。

表2 侵蝕性降雨K 均值聚類分析

通過單因素方差分析K均值聚類結(jié)果，確定降雨參數(shù)的自由度、離均差平方和等特征值，如表3 所示。因此，降雨侵蝕力R、最大30min 雨強(qiáng)I30和降雨量的組間均高于組內(nèi)均方差，在p ＜0.05水平下呈顯著差異。

表3 K 均值方差分析

3.3 不同雨型的產(chǎn)流產(chǎn)沙

經(jīng)計(jì)算，從次降雨徑流深、侵蝕力、土壤流失和降雨量來看，四種雨型的排序都是Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ。對于含沙量，從小到大依次為Ⅳ＜Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，即Ⅳ雨型引起的含沙量最低，Ⅲ雨型最高；根據(jù)土壤流失總量的排序，從小到大依次為Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅳ，即土壤流失總量在Ⅲ雨型中最低，在Ⅳ雨型中最高。盡管Ⅲ雨型的頻次最低，但它的侵蝕力、土壤流失量和降雨量卻是最大的，平均次降雨土壤流失量、含沙量、徑流深分別為0.66t/hm2、13.1g/L、21.5mm，2014—2021 年Ⅲ雨型造成的土壤流失達(dá)到12.6t/hm2，這表明但當(dāng)發(fā)生該雨型時具有較大的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。Ⅰ雨型的頻次最低，但其侵蝕力、雨量以及產(chǎn)流產(chǎn)沙量最小，平均次降雨土壤流失量、含沙量、徑流深分別為0.12t/hm2、5.0g/L、1.5mm，2014—2021 年Ⅰ雨型造成的土壤流失總量33.2t/hm2。Ⅳ雨型的發(fā)生頻次較低，該雨型引起的土壤流失總量最高達(dá)到38.8t/hm2，究其原因是Ⅳ雨型的降雨歷時較長。雖然Ⅰ雨型所形成的土壤流失最小，但發(fā)生頻次和總流失量較高。

3.4 相關(guān)性分析

采用灰色關(guān)聯(lián)法分析不同雨型下各小區(qū)徑流深、降雨量與產(chǎn)沙量之間的相關(guān)性，如表4 所示。

表4 相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析表

通過對各徑流小區(qū)數(shù)據(jù)分析可知，徑流深、降雨量與產(chǎn)沙量的相關(guān)系數(shù)為0.62～0.88，在該變化范圍內(nèi)存在較好的相關(guān)性。Ⅰ雨型下荒地小區(qū)的兩個相關(guān)系數(shù)最高為0.88 和0.87，Ⅰ、Ⅳ雨型下各小區(qū)的降雨量-產(chǎn)沙量均低于徑流深-產(chǎn)沙量相關(guān)系數(shù)，這說明在較小雨強(qiáng)時產(chǎn)沙量與地表徑流相比于降雨具有更好相關(guān)性。Ⅱ、Ⅲ雨型降雨量-產(chǎn)沙量大于徑流深-產(chǎn)沙量相關(guān)系數(shù)，即增大雨強(qiáng)對產(chǎn)沙過程的影響更加顯著[7-9]。

3.5 不同下墊面的產(chǎn)沙能力

通過擬合累積含沙量和降雨量雙累積曲線，獲取能夠反映累積產(chǎn)沙量響應(yīng)降雨的擬合線的斜率如表5 所示。根據(jù)擬合結(jié)果，在各種墊面條件下，各擬合曲線的變化特征相近，其中茶樹、花生、黃豆、地瓜是荒地產(chǎn)沙能力的2.1、2.6、2.8 和3.3 倍。植被覆蓋度、植被類型、耕作方式和土地利用類型是影響各下墊面特性的主要因素，從產(chǎn)沙能力上分析各因素的影響程度、作用和方式。

表5 產(chǎn)沙量—降雨量線性擬合方程

對于不同用地類型，產(chǎn)沙能力最高、最低的是農(nóng)地和荒地，農(nóng)地是林地、荒地的1.5 倍和2.8倍。荒地產(chǎn)沙最低的原因是其土地覆蓋度高，水分蒸發(fā)緩慢，并有茂密的地表植被阻止水土流失，同時荒地中的植被具有一定固土保水作用，可以有效防止土壤沖刷剝離。在翻土播種、除草收割等條件下種植農(nóng)作物土地的擾動較大，穩(wěn)定性破壞極易發(fā)生侵蝕，農(nóng)作物收割后雨滴擊打裸露表土?xí)M(jìn)一步破壞土壤結(jié)構(gòu)引起沖刷，使得徑流小區(qū)產(chǎn)沙能力提升。

3.6 差異性分析

研究分析產(chǎn)流產(chǎn)沙隨下墊面條件的變化特征，結(jié)果表明Ⅰ雨型條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙達(dá)到及顯著差異性(p ＜0.01)，其它雨型下未達(dá)到顯著差異(p ＞0.05)。其中，從小到大徑流深的檢驗(yàn)p 值為Ⅰ＜Ⅳ＜Ⅱ＜Ⅲ，該變化規(guī)律與雨強(qiáng)大小保持一致，表明隨雨強(qiáng)增大各下墊面之間的產(chǎn)流差異性逐漸減小；從小到大含沙量的檢驗(yàn)p 值為Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ，該變化規(guī)律與降雨侵蝕力、雨量大小保持一致，表明隨降雨侵蝕力和雨量的增大各下墊面之間的差異性逐漸減??；從小到大土壤流失量的檢驗(yàn)p 值為Ⅰ＜Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅳ，該變化規(guī)律與降雨侵蝕力、雨強(qiáng)、雨量變化不同，這主要是含沙量與徑流量相互作用的結(jié)果[10-11]。

4 結(jié) 論

1）錦州市侵蝕性降雨多發(fā)生在汛期，并以7月的頻次和雨量最高。2014—2021 年發(fā)生侵蝕性降雨共66 次，占總降雨量的53.8%。小雨強(qiáng)及小雨量條件下，不同下墊面的產(chǎn)沙產(chǎn)流具有顯著差異，隨著雨強(qiáng)和雨量的增大這種差異不斷降低。雨量和強(qiáng)度較小情況下，不同下墊面之間的產(chǎn)沙和產(chǎn)流存在顯著差異，但隨著雨量的增加這種差異逐漸減小。

2）將侵蝕性降雨按照降雨侵蝕力R、最大30min 雨強(qiáng)I30和降雨量參數(shù)劃分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ雨型，從低到高4 種雨型的降雨侵蝕力、降雨量、次降雨徑流深和土壤流失量排序均為Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ，次降雨含沙量排序?yàn)棰簦饥瘢饥颍饥?，從低到高土壤流失總量為Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅳ。Ⅱ雨型的頻次最低而產(chǎn)流產(chǎn)沙量、次雨量和侵蝕力最高，Ⅰ雨型的頻次最高而產(chǎn)流產(chǎn)沙量、次雨量和侵蝕力最低，Ⅳ雨型的頻次較低而土壤流失總量最高。

3）較小雨強(qiáng)時，產(chǎn)沙量與地表徑流相較于降雨的相關(guān)性更高，增大雨強(qiáng)后產(chǎn)沙量與降雨量相較于地表徑流的相關(guān)性更高。種植高覆蓋度的植物、橫向起壟種植以及減少地表土壤人為擾動可以增大水保效益。