康平縣高大棚小流域侵蝕性降雨與產(chǎn)沙關(guān)系分析

胥桂梅

(康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心，沈陽 110500)

康平縣地處E42°31′-43°02′、N122°45′-123°37′范圍，境內(nèi)有8條河流，總長218.7km。遼河是昌圖與康平兩縣的界河，康平境內(nèi)長52.7km，流域面積59.2km2，除遼河外還有西馬蓮河、東馬蓮河、八家子河、李家河、秀水河、螞螂河、公河等支流。隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展，生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了大量未經(jīng)處理的污染源，生活中產(chǎn)生的污水、廢棄物以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過量施用的農(nóng)藥、化肥進(jìn)一步加劇了面源污染，加之水土流失加速污染物質(zhì)流入河流，使得河流水質(zhì)明顯下降，特別是高大棚小流域，暴雨時各類污染物明顯超標(biāo)，對下游水環(huán)境安全造成極大的威脅。

自然與人為因素是產(chǎn)生土壤侵蝕的關(guān)鍵因素，而誘發(fā)水土流失的先決條件以自然因素為主，自然因素又涉及氣候因子和下墊面條件，土壤侵蝕的形成在很大程度上與降雨條件有關(guān)。土壤侵蝕在不同程度上受到降雨各特征因子的影響，如最大30min雨強、降雨歷時、降雨量、平均降雨強度等。此外，水土流失、降雨因素與土地利用方式也存在一定相關(guān)性，前人研究比較側(cè)重于黃土高原區(qū)、北方溝壑丘陵區(qū)，而對棕壤土區(qū)的遼河流域的研究還鮮有報道。因此，文章擬探究各降雨特征指標(biāo)與小流域產(chǎn)沙間的關(guān)系，可為遼西低山丘陵區(qū)的水土流失綜合治理以及掌握遼河流域土壤侵蝕規(guī)律提供參考[1-4]。

1 研究方法

1.1 小流域概況

高大棚小流域位于康平縣西南部的柳樹鄉(xiāng)，屬遼河流域，總面積為2090hm2。該小流域?qū)儆诘蜕角鹆陞^(qū)，地貌單元為山地與河谷，現(xiàn)有水土流失區(qū)383.52hm2，占流域面積的18.35%，土壤侵蝕以水利侵蝕為主，凍融侵蝕、風(fēng)蝕所占比例較小，水土流失均為輕度侵蝕。

研究區(qū)屬于北溫帶大陸性氣候，春季少雨多風(fēng)，秋季降雨集中、高溫濕熱，秋季涼爽，冬季干燥嚴(yán)寒，年降水量524mm，其中70-80%降水量集中于5-10月份。年際之間的降水量變化亦較大，豐、枯水年相差2倍以上。年均徑流深100mm，≥10℃積溫3283℃，平均氣溫6.9℃，年蒸發(fā)量1750mm，無霜期151d，日照時數(shù)2800h，林草覆蓋率24.48%。研究區(qū)屬低山丘陵區(qū)，土壤劃分為143個土種、53個屬性、47個亞類、7個土類，其中綜壤占14.10%，風(fēng)沙土占2.00%，草甸土占65.10%，鹽土占0.20%，堿土占0.60%，沼澤土占1.40%，水稻土占16.10%。木本植物有各種果樹、蒙古櫟矮林、刺槐等，草本植物有胡枝子、隱子草、蒿類等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗區(qū)布置

結(jié)合項目區(qū)的自然環(huán)境條件和水土保持措施類型，共設(shè)置灌草叢、經(jīng)濟(jì)林、人工幼林、坡耕地和天然次生林5個標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)布置，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)布置

1.2.2 數(shù)據(jù)的獲取

1)降雨量數(shù)據(jù)。本研究利用人工觀測與自記雨量計相結(jié)合的方法觀測降雨量，為觀測雨量將型號JDZ-1的自記雨量計安置于徑流小區(qū)附近；此外，為校對自記雨量計同地安裝一個標(biāo)準(zhǔn)雨量筒。然后以6h為間隔劃分雨量計觀測的次降雨數(shù)據(jù)，并利用Rain Record Setup 1.06exe軟件分析I60、I30、降雨歷時、次降雨量、降雨強度等特征因子[5-6]。

2)產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)。本研究利用Model 711懸移質(zhì)泥沙測定儀及時測定降雨后小區(qū)徑流所產(chǎn)生的泥沙量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理確定產(chǎn)沙值。

2 結(jié)果與分析

2.1 次降雨量的年變化特征

年雨量年變化特征，見圖1。不同雨量級別的侵蝕性降雨分析，見表2。

根據(jù)表2和圖1可知，3a間高大棚小流共有侵蝕性降雨191場次，2017年、2018年、2019年降雨總量依次為526.1mm、533.2mm、592.7mm，其中侵蝕性降雨量依次為318.7mm、195.2mm、423.5mm，占當(dāng)年降雨量的60.58%、36.60%、71.45%。

表2 不同雨量級別的侵蝕性降雨分析

圖1 年雨量年變化特征

由圖1可知：不同年限的月降雨量變化特征，可見3a內(nèi)高大棚小流域2月份均未發(fā)生降雨事件。2017年研究小流域3、4、11、12月份降雨較少，主要集中于5-10月份，1、2月未出現(xiàn)降雨事件，月最大降雨量發(fā)生于8月，月尺度上降雨量總體上呈正態(tài)分布；2018年高大棚小流域的年內(nèi)降雨量分布與2017年基本相同，月最大降雨量發(fā)生于8月且全年降雨較為頻繁；2019年高大棚小流域月最大降雨量發(fā)生于9月，5-10月降雨較為集中。從年際變化的層面上，4月和9月的降雨量年際變幅達(dá)到最小、最大，夏秋兩季屬于近3a的降雨集中期。

續(xù)表2 不同雨量級別的侵蝕性降雨分析

2.2 侵蝕性降雨量等級劃分

2.2.1 不同降雨量級別的降雨事件

結(jié)合表2中數(shù)據(jù)，將3a內(nèi)高大棚小流域降雨量數(shù)據(jù)劃分為<5mm、5-10mm、10-15mm、15-25mm、25-50mm、50-100mm、100-150mm七個等級。高大棚小流域3a降雨中，天然次生林、玉米地、人工林地、灌草地、大豆地徑流小區(qū)發(fā)生侵蝕性降雨48次、55次、28次、36次、24次，侵蝕性降雨分別為1289.6mm、1451.0mm、933.7mm、1176.8mm、574.8mm。

經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，隨降雨量級別的增大侵蝕性降雨次數(shù)發(fā)生跳躍式變化。降雨量<50mm條件下，降雨量級別與侵蝕性降雨量、侵蝕性降雨次數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量級別的增加侵蝕性降雨次數(shù)所占比例逐漸增大，而總體降雨場次有所減少，一次短歷時的大暴雨是造成土壤嚴(yán)重侵蝕的關(guān)鍵。降雨量>50mm條件下，隨降雨量級別的增加侵蝕性降雨次數(shù)所占比例逐漸減少，降雨特征與該變化趨勢直接相關(guān)，但降雨超過50mm時幾乎百分之百引起土壤侵蝕。對徑流小區(qū)1#、2#、3#、4#來說，15-25 mm和25-50 mm降雨量級別擁有較高的土壤侵蝕貢獻(xiàn)率，該雨量級別下的侵蝕性降雨場次為24次、26次、14次、20次，占總侵蝕性降雨場次比例依次為50.00%、47.27%、50.00%、55.55%。對徑流小區(qū)6#來說，在降雨量超過10mm的條件下就產(chǎn)生了較為明顯的土壤侵蝕[7-8]。

2.2.2 不同降雨量級別的產(chǎn)沙量變化

下墊面和降雨是造成坡面產(chǎn)沙的兩大關(guān)鍵因素，而降雨是形成產(chǎn)沙的內(nèi)在驅(qū)動力，不同雨量級別的產(chǎn)沙量變化，見圖2，反映了不同土地利用類型在各雨量級別下的產(chǎn)沙量變化特征。由圖2可知，灌草地、人工林、次生林徑流小區(qū)明顯低于大豆地和玉米地的平均產(chǎn)沙模數(shù)。降雨量<50mm的情況下，隨降雨量級別的增加灌草地、次生林徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量波動變化較小，而大豆地的產(chǎn)沙模數(shù)呈不斷增大的變化特征，隨降雨量級別的變化玉米地的產(chǎn)沙模數(shù)總體符合正態(tài)分布，而人工林地的變化規(guī)律不明顯，但平均產(chǎn)沙模數(shù)隨降雨量的增大呈明顯上升的變化趨勢。綜上分析，超過10mm的降雨就會導(dǎo)致坡耕地發(fā)生嚴(yán)重的土壤侵蝕，>10mm的降雨能夠顯著影響人工林、灌草地的土壤侵蝕，次生林保持水土的效果相對較好[9-10]。

圖2 不同雨量級別的產(chǎn)沙量變化

依據(jù)圖2中產(chǎn)沙量變化特征，地表覆蓋類型是同一坡度、同一降雨條件下土壤侵蝕性的主要影響因素，對雨水?dāng)r截與入滲不同的地表覆蓋具有明顯差異，這勢必會引起土壤侵蝕的差異，其中玉米坡耕地和順坡種植的大豆地比較容易產(chǎn)生土壤侵蝕，順坡種植減緩泥沙沖刷的作用較弱，不宜用于雨水的攔截。

2.3 侵蝕性降雨強度等級劃分

不同降雨強度的侵蝕性降雨，見表3。參考表3中數(shù)據(jù)，將3a內(nèi)高大棚小流域降雨量數(shù)據(jù)劃分為80-1200mm/h、60-80mm/h、40-60mm/h、20-40mm/h、10-20mm/h、5-10mm/h、0-5mm/h七個等級。

表3 不同降雨強度的侵蝕性降雨

續(xù)表3 不同降雨強度的侵蝕性降雨

結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)，5個徑流小區(qū)的侵蝕性降雨場次均隨著降雨強度等級的增加而減少，降雨強度越大則造成的土壤侵蝕越嚴(yán)重，而出現(xiàn)土壤侵蝕的頻率越小。其中，0-5mm/h的雨強等級發(fā)生侵蝕性降雨次數(shù)最高，天然次生林、玉米地、人工林地、灌草地、大豆地徑流小區(qū)發(fā)生侵蝕性降雨40次、46次、22次、30次、22次，占總侵蝕性降雨場比例依次為83.33%、83.64%、78.57%、83.33%、79.17%。降雨強度超過20mm/h的雨強級別都易發(fā)生土壤侵蝕，20-40mm/s降雨強度下各徑流小區(qū)的降雨共有3場，其中造成土壤侵蝕的有1場，歷時1min產(chǎn)生的侵蝕性降雨量22.30mm。不同土地利用類型與降雨強度級別下，不同降雨強度級別的產(chǎn)沙模數(shù)，見圖3。

圖3 不同降雨強度級別的產(chǎn)沙模數(shù)

依據(jù)圖3中產(chǎn)沙模數(shù)變化特征，平均雨強和土地利用類型均能顯著影響流域產(chǎn)沙模數(shù)，隨著侵蝕性降雨強度等級的增大2#、5#徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)表現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，這與二次函數(shù)的性質(zhì)相符合，而高大棚小流域的高強度大暴雨極少，多以小型長歷時降雨為主。平均雨強越高則3#徑流小區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)越大，隨著雨強的變化1#、4#徑流小區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)無明顯差異。

研究表明，頻繁的小型降雨導(dǎo)致的土壤侵蝕低于極少的大暴雨，大暴雨對土壤侵蝕的影響應(yīng)作為水土流失治理方案設(shè)計的重點。對于土壤擾動較大的坡耕地而言，相對于其他土地利用方式其產(chǎn)沙量在各雨量級別下均明顯較高。

2.4 侵蝕性降雨特征指標(biāo)與產(chǎn)沙相關(guān)性

本研究擬利用SPSS軟件分析各降雨特征指標(biāo)與不同降雨強度級別產(chǎn)沙之間的相關(guān)性，降雨特征指標(biāo)與產(chǎn)沙的相關(guān)系數(shù)，見表4。

表4 降雨特征指標(biāo)與產(chǎn)沙的相關(guān)系數(shù)

由于降雨強度等級為20-40mm/h時產(chǎn)生土壤侵蝕的僅有1次，因此相關(guān)性分析過程中可以將該次數(shù)據(jù)剔除，即不參與相關(guān)分析。

結(jié)合表4中數(shù)據(jù)，各降雨特征指標(biāo)與人工林地徑流小區(qū)無相關(guān)關(guān)系；降雨強度<5mm/h條件下，除降雨量、I60外其他降雨特征指標(biāo)與天然次生林徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量均不存在顯著相關(guān)性，而僅與降雨量、I60存在顯著相關(guān)關(guān)系；各降雨特征指標(biāo)與玉米地、人工林地徑流小區(qū)的產(chǎn)沙均不存在顯著相關(guān)性，而灌草地、大豆地徑流小區(qū)的產(chǎn)沙與降雨量存在極顯著和顯著相關(guān)性，深入分析可知長期順坡種植大豆的5#徑流小區(qū)，在降雨條件下極易產(chǎn)生土壤侵蝕，而種植玉米的2#徑流小區(qū)同樣如此。植被覆蓋度隨著玉米的增長而逐漸增加，此時能夠攔截一定的小型降雨。5-10mm/h降雨強度條件下，I30、I60、降雨量和降雨歷時對人工林地徑流小區(qū)產(chǎn)沙量的影響較大，此時產(chǎn)沙量與I60、降雨量和降雨歷時存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。

總體而言，0-5mm/h降雨強度下，降雨量、最大60min雨強與天然次生林徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量存在顯著正相關(guān)性，而降雨量與大豆地徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量存在自按住相關(guān)性。0-5mm/h降雨強度下，降雨歷時屬于造成玉米地徑流小區(qū)土壤侵蝕的關(guān)鍵因素，5-10mm/h降雨強度下，降雨量、降雨歷時、最大60min雨強與產(chǎn)沙量存在極顯著正相關(guān)性。0-5mm/h降雨強度下，降雨量與灌草地徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量存在極顯著相關(guān)性，5-10mm/h降雨強度下，最大60min雨強與灌草地徑流小區(qū)產(chǎn)沙量存在顯著相關(guān)性，該條件下各降雨特征指標(biāo)與人工林地徑流小區(qū)不存在相關(guān)性。由此表明，下墊面條件或其他因素是人工林地徑流小區(qū)的朱啊喲影響因素，人工林多由高大喬木組成，所以其林冠截留功能很強，而灌草地的泥沙攔截作用有限，灌草地的水土保持功能隨著降雨量的增加逐漸下降，所以頻繁降雨條件下灌草地的水土保持效應(yīng)不如喬木林。

3 結(jié) 論

1)月尺度上，研究小流域近3a降雨量總體上呈正態(tài)分布，5-10月的降雨比較集中，6-9月屬于汛期，10月后降雨開始明顯減少；在季節(jié)分布上，夏秋兩季降水較多，研究區(qū)有明顯的干濕季節(jié)，大陸性季風(fēng)氣候與該變化規(guī)律存在一定關(guān)聯(lián)。

2)對于降雨徑流和泥沙的攔截，不同覆蓋度的土地利用方式存在明顯的差異，對土壤流失的影響不同農(nóng)作物和工作方式也存在一定差異。在同一坡度、同一降雨條件下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕性的主要因素，對降雨入滲和雨水?dāng)r截不同地表覆蓋存在明顯的差異，這勢必會引起土壤侵蝕的差異，其中玉米坡耕地、順坡種植大豆地較易產(chǎn)生土壤侵蝕，順坡種植對減緩泥沙沖刷作用較低，不宜作為雨水?dāng)r截措施。

3)頻繁的小型降雨導(dǎo)致的土壤侵蝕低于極少的大暴雨，大暴雨對土壤侵蝕的影響應(yīng)作為水土流失治理方案設(shè)計的重點。對于土壤擾動較大的坡耕地而言，相對于其他土地利用方式其產(chǎn)沙量在各雨量級別下均明顯較高。

4)相關(guān)研究認(rèn)為山區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨歷時、最大30min雨強、降雨量之間呈顯著相關(guān)性，有學(xué)者提出降雨歷時與種植花生的坡耕地不存在相關(guān)性。本研究認(rèn)為，各降雨特征指標(biāo)與不同土地利用方式、不同降雨強度級別下的產(chǎn)沙量之間的關(guān)系也存在差異，由于泥沙攔截效應(yīng)有限灌草地具有一定的小型降雨抗沖能力，而較多群落層次的喬木林對較大暴雨的徑流攔截能力較強，枯枝落葉層和較低的草木層能夠降低降雨動能和激濺侵蝕。此外，雖然存在較高覆蓋度的植被也有相應(yīng)的抗侵蝕力，但退耕還林仍然是坡度較大坡耕地治理的最優(yōu)措施。