基于不同坡度下小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙變化規(guī)律分析

顧 丹

（大連市普蘭店區(qū)水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 普蘭店 116200）

我國東北地區(qū)特別是山地地形區(qū)的水土流失問題日趨突出，這是因?yàn)橄募窘邓衅谝桩a(chǎn)生土壤侵蝕現(xiàn)象，對山體的梯田建設(shè)等人類活動(dòng)更加劇了水土流失[1]。許多學(xué)者廣泛研究了產(chǎn)沙量和徑流量隨植被覆蓋、降水量、降雨強(qiáng)度等的變化規(guī)律，深入探討了坡面侵蝕及其產(chǎn)流產(chǎn)沙影響因子，并提出相應(yīng)的水文模型與經(jīng)驗(yàn)方程，如王先拓等研究了紫色土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受雨強(qiáng)因素的影響規(guī)律；張興奇等探究了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與坡度之間的相互作用關(guān)系；晉文娟等揭示了我國東北的黑土坡耕地坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受水流速度、徑流時(shí)間等因子的影響作用；代數(shù)等利用模擬降雨試驗(yàn)分析黃壤旱坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙對降雨強(qiáng)度、坡度因素的響應(yīng)過程及影響特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流和侵蝕的臨界坡度為22.83°、24.70°。調(diào)查顯示，2021年大連市水土流失面積4 069.42km2，占全市面積的30.74%，土壤侵蝕方式以水力侵蝕為主。大連市境內(nèi)多山地丘陵，地勢較高，地形復(fù)雜，谷深坡陡且坡向多變，受自然和人為因素影響水土流失問題突出，不僅對下游糧食、生態(tài)、飲水安全以及灌溉造成威脅，還可能導(dǎo)致洪澇災(zāi)害，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成制約。

水土流失主要受降雨、坡度等地形條件的影響，較大的地勢高差會導(dǎo)致山地丘陵區(qū)內(nèi)各種介質(zhì)在重力的作用下分布不均，形成了獨(dú)特的丘陵地貌。在降雨條件下，這種地形特征會影響徑流和產(chǎn)沙過程[8]。因此，自1980年大連市就開展了生態(tài)治理和環(huán)境保護(hù)等相關(guān)工作。文章以大連市普蘭店區(qū)徐溝河小流域?yàn)槔ㄟ^監(jiān)測分析徑流小區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)揭示坡度與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系，旨在為區(qū)域大范圍實(shí)施水土流失治理提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 小流域概況

徐溝河小流域位于普蘭店區(qū)沙包街道，海拔高程在66~153m之間，總面積19.52km2。區(qū)域內(nèi)良田主要是山間谷地、河漫階地、山前洪積扇等，地貌為低山丘陵，土層較薄。土壤類型主要為棕壤土及沙壤土，層厚度約0.3m，林草植被覆蓋較低，涵養(yǎng)水源能力較差。徐溝河小流域控制站可以檢測降雨、泥沙、流量、水位等數(shù)據(jù)，布設(shè)的氣象觀測場主要觀測流域的風(fēng)速、風(fēng)向、蒸發(fā)、地溫、溫度等參數(shù)，監(jiān)測覆蓋范圍10.2km2，為遼東低山丘陵區(qū)水土流失變化規(guī)律及水土保持規(guī)劃研究提供試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)。

本研究選擇5°和12°兩種坡度，在徐溝河小流域徑流場布設(shè)長20m、寬5m觀測小區(qū)，通過監(jiān)測分析徑流小區(qū)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)探究不同坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，徑流小區(qū)主要參數(shù)如表1所示。

表1 徑流小區(qū)基本參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)2021年3~9月徐溝河小流域試驗(yàn)站監(jiān)測的產(chǎn)沙量和徑流量數(shù)據(jù)，從中選取植被類型、耕作措施、小區(qū)侵蝕量、徑流量、坡度和降水量等因子，不考慮植被類型和耕作措施的影響。根據(jù)24h降水量＜10mm、10~25mm、25~50mm、50~100mm、100~250mm對應(yīng)于小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，2021年5~9月徑流小區(qū)降水量均達(dá)到大暴雨或暴雨強(qiáng)度，如表2所示。

表2 研究時(shí)段內(nèi)降雨強(qiáng)度

不同坡度下的降雨強(qiáng)度和歷時(shí)對產(chǎn)流產(chǎn)沙有顯著的影響，較大坡度會增加降雨徑流產(chǎn)生速度，導(dǎo)致產(chǎn)流量的增加，同時(shí)也會促進(jìn)土壤侵蝕，增加產(chǎn)沙量。植被覆蓋能夠減緩降雨的入滲速率，增加土壤水分的滯留時(shí)間，降低產(chǎn)流和產(chǎn)沙的速率，故較好的植被覆蓋能夠有效減少坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙。文章結(jié)合徑流小區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了雨強(qiáng)、雨量、歷時(shí)及坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響作用。

2 結(jié)果分析

2.1 不同坡度下的產(chǎn)流

1）降水量的影響。不同坡度和降水量條件下實(shí)測小區(qū)徑流量如表3所示，經(jīng)分析坡面產(chǎn)流與降水量的相關(guān)系數(shù)P為0.56，兩者具有較強(qiáng)相關(guān)性。

表3 不同坡度徑流量與降水量

通過對比分析可知，在相同降水量條件下，坡面徑流量隨坡度的增大總體呈增大趨勢，徑流差平均值0.6 486m3且均為正值，如圖1所示。

圖1 降水量與徑流量的變化關(guān)系

降水量處于12.8~55.2mm變化范圍時(shí)，坡面徑流量呈先上升后下降的波動(dòng)變化趨勢，變化不明顯且數(shù)值較??；降水量增大到66.0~95.0mm時(shí)，坡面徑流量急劇增大，起伏變化明顯；降水量進(jìn)一步增大到95.0~115.1mm時(shí)，坡面徑流量呈明顯減小趨勢，降水量為95.0mm時(shí)徑流量發(fā)生轉(zhuǎn)折。結(jié)合實(shí)際情況，降水量為95.0mm的降水過程從8月30日一直持續(xù)到8月31日，考慮到降水的連續(xù)性特征，將2d降水合并會增大坡面徑流量，并進(jìn)一步增大產(chǎn)沙量。產(chǎn)流產(chǎn)沙量的大小受多種因素的影響，包括雨強(qiáng)、雨量、歷時(shí)、土壤含水量和特性等，而該降雨過程具有較長歷時(shí)(20.2h)、較大雨強(qiáng)(4.7mm/h)和雨量(95.0mm)，這些因素的共同作用導(dǎo)致了異常高的產(chǎn)流量，這說明降水量不僅會影響當(dāng)天徑流量，還會對1~2d后的徑流產(chǎn)生影響，即產(chǎn)流受降水量影響表現(xiàn)出一定的持續(xù)性特征，換而言之一次較大降雨事件可能會導(dǎo)致水流持續(xù)地排出并形成徑流。

2）降雨強(qiáng)度的影響。降雨強(qiáng)度與坡面徑流存在密切聯(lián)系，不同坡度和降雨強(qiáng)度條件下實(shí)測小區(qū)徑流量如表4，經(jīng)分析坡面產(chǎn)流與降雨強(qiáng)度間的相關(guān)系數(shù)P為0.56，兩者存在較強(qiáng)相關(guān)性。

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表4 不同坡度徑流量與降雨強(qiáng)度

通過對比分析可知，在大暴雨和暴雨條件下，坡度5°相比于12°徑流小區(qū)的產(chǎn)流量明顯較低。根據(jù)降雨等級相同的流量差可知，大雨、暴雨和大暴雨條件下的徑流差為0.3 058m3、0.3 246m3、3.9 095m3，徑流差平均值1.5 133m3。大暴雨條件下，坡度越陡則徑流量越大，其徑流差也較高，如圖2所示。

圖2 降雨強(qiáng)度與徑流量的變化關(guān)系

隨著雨強(qiáng)的增加，坡面徑流量呈明顯上升趨勢，特別是在高強(qiáng)度降雨情況下與坡面凈流量之間存在顯著的相關(guān)性，這種類型降雨導(dǎo)致的產(chǎn)流量占總量比例較大達(dá)到83.66%。裸露的徑流小區(qū)指沒有植被覆蓋的地面區(qū)域，在這種情況下植被無法發(fā)揮水保功能和下滲作用。因此，在一定的降雨歷時(shí)條件下，暴雨會引起較大的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

3）降雨歷時(shí)的影響。一般地，不同坡度情況下，降雨強(qiáng)度和坡度越大，坡面徑流量也就越大。不同坡度徑流量與降雨歷時(shí)，如表5 所示。

表5 不同坡度徑流量與降雨歷時(shí)

由表5可知，雖然8月5日的降雨強(qiáng)度較大，但坡度12°和5°徑流小區(qū)在大暴雨條件下的產(chǎn)流量均比較小?？梢?，降雨歷時(shí)也會在一定程度上影響不同坡度坡面徑流量，如短時(shí)強(qiáng)降雨條件下所形成的徑流量卻不大。在2021年8月5日徑流小區(qū)降雨歷時(shí)6.7h，降雨強(qiáng)度1.9mm/h，而以由此形成的徑流量并不大，如圖3所示。

圖3 降雨歷時(shí)與徑流量的變化關(guān)系

總體而言，坡度12°高于5°徑流小區(qū)的產(chǎn)流量，在20.2h降水歷時(shí)情況下徑流量達(dá)到峰值。另外雖然坡面產(chǎn)流與降水歷時(shí)有關(guān)，但兩者的相關(guān)系數(shù)較小只有0.31，坡面產(chǎn)流與降水歷時(shí)的相關(guān)性小。

2.2 不同坡度下的產(chǎn)沙

1）雨量因素。雨量與產(chǎn)流量之間的相關(guān)系數(shù)0.44，由此可以確定兩者存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)性不強(qiáng)，說明雨量對產(chǎn)流量變化只能貢獻(xiàn)一部分，還有其他因素在影響坡面產(chǎn)流量。不同坡度和雨量情況條件下下實(shí)測小區(qū)產(chǎn)沙量如表6所示，可見隨著降水量變化坡度12°總體高于5°徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量。

表6 不同坡度產(chǎn)沙量與降水量

圖4 降水量與產(chǎn)沙量的變化關(guān)系

降水量處于12.8~22.6mm變化范圍時(shí)，12°坡面產(chǎn)沙量呈明顯減小趨勢，降水量增大到22.6~66.0mm時(shí)，坡面產(chǎn)沙量呈波動(dòng)減小的變化趨勢；降水量增大到66.0~95.0mm時(shí)，坡面產(chǎn)沙量呈快速增大趨勢；降水量進(jìn)一步增大到95.1~115.1mm時(shí)，坡面產(chǎn)沙量呈明顯減小趨勢，降水量為95.0mm時(shí)產(chǎn)沙量發(fā)生轉(zhuǎn)折，該變化特征與徑流量基本一致。依據(jù)實(shí)際情況，降水量為95.0mm的降水過程從8月30日一直持續(xù)到8月31日，考慮到降水的連續(xù)性特征，將2d降水合并會增大坡面徑流量，相應(yīng)的產(chǎn)沙也會增大。產(chǎn)流產(chǎn)沙量受到多種因素的共同影響，其中雨量、雨強(qiáng)、歷時(shí)、土壤含水量和特性等都是關(guān)鍵因素，在不同的降雨時(shí)段產(chǎn)流產(chǎn)沙量總體上呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。本次降水同時(shí)出現(xiàn)較長歷時(shí)(20.2h)、較大雨量(95.0mm)和雨強(qiáng)(4.7mm/h)，導(dǎo)致該情況下產(chǎn)生了異常高值，這是8月30日場次降雨造成的產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯不同于其他場次的主要原因。另外，不同坡度產(chǎn)流產(chǎn)沙的差異性隨雨強(qiáng)和降水總量的增加而增大，如降雨歷時(shí)為20.2h的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙差異最大。降水量和坡度是影響坡面產(chǎn)沙量的重要因素，降水量越大對坡面的侵蝕作用就越強(qiáng)，這是因?yàn)榇罅康慕涤晁譄o法被土壤充分吸收和滲透，導(dǎo)致土壤的穩(wěn)定性減弱，易被水流沖刷，并帶走其中的顆粒物和礦物質(zhì)等。坡度越大則表層土壤的黏著力就越小，受到重力作用下的侵蝕性就越強(qiáng)。坡度從5°提高至12°裸地徑流小區(qū)的坡面產(chǎn)流量增加，植被對保持水土以及降雨下滲的作用為零，降雨入滲率降低，坡面土壤受降雨的沖刷作用增強(qiáng)，故坡度越大所形成的產(chǎn)沙量越高。

2）降雨強(qiáng)度的影響。降雨強(qiáng)度與坡面產(chǎn)沙量有較強(qiáng)相關(guān)性，不同坡度和降雨強(qiáng)度條件下實(shí)測小區(qū)產(chǎn)沙量如表7所示，經(jīng)分析降雨強(qiáng)度與坡面產(chǎn)沙量間的相關(guān)系數(shù)P為0.58，兩者存在較強(qiáng)相關(guān)性。

表7 不同坡度產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度

通過對比大暴雨、暴雨和大雨條件下產(chǎn)沙量可知，大暴雨降雨強(qiáng)度時(shí)的產(chǎn)沙量最大，這種降雨類型所引起的坡面產(chǎn)沙量占總量的89.16%。降雨強(qiáng)度相同條件下，坡度5°相比于12°徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量明顯較小，產(chǎn)沙差平均值0.7 906kg。暴雨和大暴雨條件下，坡度越陡則產(chǎn)沙量越大，其產(chǎn)沙差也越大，最大差值可以達(dá)到4.564kg，如圖5所示。

圖5 降雨強(qiáng)度與徑流量的變化關(guān)系

3）降雨歷時(shí)的影響。一般地，降雨歷時(shí)會對產(chǎn)沙量產(chǎn)生影響，歷時(shí)越長則降雨沖刷的能力就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)沙量增加。然而，結(jié)合各場次降水歷時(shí)發(fā)現(xiàn)（表8），只考慮降水歷時(shí)不能完全解釋產(chǎn)沙量的變化，其他因素如雨強(qiáng)、土壤含水量和坡度等也會產(chǎn)生影響。歷時(shí)與產(chǎn)沙量的相關(guān)系數(shù)不超過0.2，但坡度12°總體高于5°徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量。因此，坡面產(chǎn)沙量受坡度的影響較大。此外，降水歷時(shí)為20.2h時(shí)5°、12°徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量有異常高值，兩者明顯高于其它歷時(shí)產(chǎn)沙量，說明產(chǎn)沙量變化主要受降雨強(qiáng)度和降水量的影響，坡面產(chǎn)沙受降水歷時(shí)的影響較小，還需要考慮降水量與降水強(qiáng)度因素。

表8 不同坡度產(chǎn)沙量與降雨歷時(shí)

坡面徑流量隨降雨強(qiáng)度的增加呈明顯上升趨勢，說明降雨強(qiáng)度特別是大暴雨與坡面凈流量具有顯著相關(guān)性，這種類型降雨導(dǎo)致的產(chǎn)流量占總量比例較大達(dá)到83.66%。裸露的徑流小區(qū)指沒有植被覆蓋的地面區(qū)域，在這種情況下植被無法發(fā)揮水保功能和下滲作用。因此，在一定的降雨歷時(shí)條件下，暴雨會引起較大的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量[11-13]。如圖6所示。

圖6 降雨歷時(shí)與產(chǎn)沙量的變化關(guān)系

對比分析圖3、圖6可知，在2021年5月~ 9月不同降雨時(shí)段徐溝河小流域徑流小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量具有較差差異。不考慮8月30日場次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量異常高值的情況下，徑流隨著降雨歷時(shí)的增加而增大，此外5°徑流小區(qū)的徑流量增加趨勢更為明顯。產(chǎn)沙量受降雨歷時(shí)和徑流的變化不明顯，但12°徑流小區(qū)隨著歷時(shí)的增加均呈增大趨勢，這是因?yàn)閺搅鳟a(chǎn)沙量受到多種因素的影響，包括徑流小區(qū)的坡度、坡面入滲率和降雨前的土壤含水量等。

3 結(jié) 論

文章通過監(jiān)測分析2021年徐溝河小流域試驗(yàn)徑流小區(qū)的徑流和泥沙數(shù)據(jù)，揭示了不同坡度的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙變化規(guī)律，可為遼東低山丘陵區(qū)水土保持方案設(shè)計(jì)提供一定支持。根據(jù)5°和12°坡度徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量變化趨勢，得出結(jié)論有：

1）不同雨強(qiáng)、雨量和歷時(shí)情況下，5°低于12°徑流小區(qū)的產(chǎn)流量，徑流差平均值0.6 486m3，故降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)及降水量相同情況下坡面徑流量受坡度的影響較大。

2）雨強(qiáng)和降水量對坡面凈流量的影響較大，徑流量隨雨強(qiáng)的增大而增加，大暴雨與徑流量的相關(guān)性較高，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.56。雨強(qiáng)與坡面產(chǎn)沙量具有較強(qiáng)相關(guān)性，產(chǎn)沙量受大暴雨的影響最顯著，這種降雨類型所引起的坡面產(chǎn)沙量占總量的89.16%。降雨強(qiáng)度相同條件下，坡度5°相比于12°徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量明顯較小，產(chǎn)沙差平均值0.7 906kg。

3）徑流產(chǎn)沙量不僅與徑流小區(qū)的坡度有關(guān)，還與坡面入滲率和降水前的土壤含水量等因素有關(guān)，尤其是短歷時(shí)強(qiáng)降雨會導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯增大。