不同下墊面徑流小區次降雨對產流產沙的影響

寇馨月, 黃 俊, 姜學兵, 向家平, 金平偉, 王思偉

(1.珠江水利委員會 珠江流域水土保持監測中心站, 廣東 廣州 510611; 2.珠江水利委員會 珠江水利科學研究院, 廣東 廣州510611)

不同下墊面徑流小區次降雨對產流產沙的影響

寇馨月1,2, 黃 俊1,2, 姜學兵1,2, 向家平1,2, 金平偉1,2, 王思偉1,2

(1.珠江水利委員會 珠江流域水土保持監測中心站, 廣東 廣州 510611; 2.珠江水利委員會 珠江水利科學研究院, 廣東 廣州510611)

[目的] 揭示南方紅壤區人工徑流小區次降雨對徑流泥沙作用規律，為區域水土保持工程實踐與基礎理論研究提供參考。 [方法] 基于云南摩布小流域3種下墊面(林地、農地、裸地)人工徑流小區2013—2015年自然降雨觀測資料，采用M-K趨勢檢驗、灰色相關分析及雙累積曲線等方法研究了次降雨量、徑流量、泥沙量和入滲率的變化趨勢及相關關系，以及降雨因子對徑流泥沙的影響。 [結果] (1) 2013—2015年摩布徑流小區月降雨均呈先增加后減少的波動性變化趨勢，3 a降雨量無顯著性變化趨勢。 (2) 相同降雨量各下墊面徑流小區產流差異顯著(p<0.05)，其中林地最小，農地次之，裸地最大；3種下墊面次降雨徑流深增長速率大小規律與此相同。 (3) 次降雨產沙量與降雨量、徑流量均存在密切相關關系，相關系數分別為0.67～0.82，0.69～0.85。徑流小區產沙能力隨雨強增大而增強。相同雨量下，林地產沙能力最小，而裸地累積產沙量增速最大。 (4) 3個徑流小區的入滲率均隨降雨量和雨強增大而增大，其中林地入滲率最大，平均入滲率為94.03%；裸地入滲率最小，平均入滲率為86.28%。 [結論] 與農地和裸地相比，林地不同程度提高了土壤入滲性能，降低了產流量和產沙量。

徑流小區; 徑流泥沙; 入滲率; 下墊面

文獻參數： 寇馨月, 黃俊, 姜學兵, 等.不同下墊面徑流小區次降雨對產流產沙的影響[J].水土保持通報，2017,37(2)：27-31.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.004； Kou Xinyue, Huang Jun, Jiang Xuebing, et al. Effects of Rainfall on Runoff and Sediment Under Different Underlying Surfaces of Runoff Plots[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：27-31.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.004

降雨是坡面水土流失的源動力，是影響流域產流產沙的主要因素[1-2]。研究降雨變化特征以及其對徑流泥沙的影響作用，是水土保持工程實踐的重要依據；同時也是應對氣候變化對流域水文環境、水文過程、水量平衡以及流域生態系統影響的基礎[3-7]。研究水土保持措施效果可為水土保持規劃、水土流失定量預報等提供依據。不同區域采用的水土保持措施不同，探索區域治理效果最優的水土保持措施是學者著重關注的重點。下墊面不同水保措施對降雨產流及產沙具有明顯的影響作用，其水土保持效果十分顯著[8-11]。符素華等[12]在北京官廳水庫研究結果表明，下墊面不同水土保持措施具有顯著的水土保持效應，顯著降低了多年平均徑流泥沙量。土地利用方式作為下墊面條件的一種具體表現，其變化對降雨產流產沙量具有重要影響作用[13]。基于燕溝流域研究結果表明，灌草地保持水土、降低土壤侵蝕效果好于荒草地及裸地[14]，因此水土保持工程實踐中要充分考慮不同措施間的搭配。姜娜等[15]在黃土高原六道溝小流域的研究也得出類似研究結論，認為草灌措施保持水土的效果明顯高于坡耕地。但也有研究表明水土保持的耕作措施與工程措施相結合才能達到最好的水土保持效果[16]。有關西北黃土區及東北黑土區不同下墊面水土保持措施下降雨產流產沙特征研究成果較為豐富[17-21]，一方面豐富了水土保持基礎研究理論，另一方面為水土保持工程實踐提供了理論支撐，但涉及到南方紅壤區相關研究成果仍相對有限。本研究基于云南省摩布小流域野外徑流小區2013—2015年觀測資料，探討不同下墊面降雨特征對徑流、泥沙影響作用及其相互關系，分析不同下墊面措施水土保持作用效果，以期為該區水土流失治理提供參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

摩布小流域位于云南省宣威市寶山鎮境內，屬南溫帶高原季風氣候，多年平均降雨量988 mm。土壤類型主要為紅壤，土壤田間持水量及飽和含水量分別為26.8%～28.3%和41.7%～43.1%，凋萎系數為15%～17%；粉粒(0.002～0.02 mm)含量為26%～28%，黏粒(<0.002 mm)含量為23%～27%。小流域植被類型主要是喬灌混交，以云南松(Pinusyunnanensis)、冬瓜(Benincasahispida)、馬桑(Coriarianepalensis)、火刺木(Pyracanthakoidzumii)、火絨草(Leontopodiumleontopodiodes)、銹葉杜鵑(Rhododendronsiderophyllum)、大車前(Plantagomajor)等為主。摩布徑流小區建立于2003年，包含了3個標準徑流小區(20 m×5 m)，各小區坡度及土層厚度均為20°和200 cm，具體參數詳見表1。

表1 徑流小區參數

注：“地表植被蓋度”指徑流小區植被的枝葉、冠層垂直于地面的投影面積占小區總面積的比例，為觀測期內的平均值。圓柏(Sabinachinensis)，鷓鴣草(Eriachnepallescens)，馬鈴薯(Solanumtuberosum)，蕎(Fagopyrumesculentum)。

1.2 材料與方法

依托于水利部發布的《全國水土流失動態監測與公告項目管理辦法》(試行)(辦水保[2014]257號)，基于摩布小流域的3個徑流小區開展2013—2015年的自然降雨觀測試驗。采用遙測雨量器觀測降雨量及降雨過程數據。地表植被蓋度參照《徑流小區和小流域水土保持監測手冊》，通過照相法和目估法確定。徑流量通過集流池和分流池水位計算得到，泥沙量通過人工取樣烘干獲得。入滲率通過降雨量和徑流量的差值計算得到[22-24]。觀測數據均為自然降雨事件，通過初步篩選，本試驗共收集到3 a降雨數據和103組(51次降雨事件×3個徑流小區)引起產流的降雨數據，使用Excel軟件進行數據處理，Origin 9.0繪圖。

引起產流的自然降雨事件是本文的主要研究對象。采用Mann-Kendall趨勢性檢驗法[25]分析年降雨的趨勢性變化特征；通過雙累積曲線方法[26]探討次降雨對摩布徑流小區產流產沙影響作用及其定量關系；基于灰色關聯度分析法[27-28]闡明次降雨產沙量與降雨量和徑流量的相關性；利用SPSS軟件研究相同雨強下各小區產流產沙能力差異的顯著性[17]及采用T檢驗方法分析相同徑流小區不同雨強下入滲率變化的顯著性[29]。

2 結果與分析

2.1 研究期降雨特征分析

圖1是摩布徑流小區2013—2015年自然降雨和產流降雨年內分布趨勢變化特征。從圖1可看出，3 a降雨整體均呈增加—減少的波動變化趨勢，其中2013年最大月降雨量出現在8月，為144.5 mm；7月出現2014年最大月降雨量，占全年總雨量的26.11%；2015年最大月降雨量為230.5 mm。同時，Mann-Kendall趨勢性檢驗分析結果表明，摩布小區3 a降雨量變化趨勢不顯著(p>0.05)。引起產流的降雨集中在5—10月汛期，占3 a降雨總量的62.15%，其中3 a研究期內6月的產流降雨總量最大為398.50mm。因此，汛期降雨是引起摩布小區產流產沙的主要原因。

圖1 降雨量年內分布

2.2 次降雨與產流量關系

依據氣象學中的降雨強度等級劃分，將降雨分為4個等級：小雨(<10.00 mm/d)、中雨(10.00～24.9 mm/d)、大雨(25.00～49.90 mm/d)、暴雨(>50.00 mm/d)。分析結果表明該地區引起產流的降雨為中雨、大雨和暴雨，而小雨未能引起研究區坡面產流，這與部分已有研究成果一致[30-31]。各雨強等級下降雨和徑流雙累積曲線如圖2所示。不論雨強等級如何，相同累積降雨量下林地累積產流量最小，農地次之，裸地最大。使用SPSS軟件對各降雨等級下累積曲線進行差異性分析，結果表明相同降雨等級下林地、農地、裸地的產流能力差異性顯著(p<0.05)。坡面徑流是引起坡面水土流失的主要動力，受降雨和下墊面等多種因素相互作用的影響。林地種植圓柏，樹冠對降雨具有一定的截留和緩沖作用，林下覆蓋的雜草也降低雨滴擊濺能力，阻礙匯流。農地種植農作物，雖在空間上不能多層緩沖雨滴擊濺，但地表覆蓋的農作物阻擋降雨對下墊面的直接侵蝕作用，因此林地和農地的徑流深低于裸地。

圖2 不同雨強下降雨-徑流深雙累積曲線

由圖2中雙累積曲線擬合方程可以看出，不同下墊面徑流深增長速率依次為：林地<農地<裸地，說明林地較之農地、裸地具有最好的攔蓄降雨功能。地表植被的覆蓋有效的削弱了降雨對地面的直接沖刷，且植被根系的生長一定程度增加了土壤孔隙度，提高土壤入滲率，降低地表徑流。因此，空間多層次的林分結構和地表植被覆蓋對減少流域徑流的產生具有顯著效果。此外，相同下墊面條件下降雨強度越大，徑流深增長速率越小。徑流深變化除受到降雨影響外，還受到土壤入滲能力的影響。降雨強度的增加，土壤的入滲率增大(表3)，使得入滲量增加而徑流量降低。

2.3 次降雨與產沙量關系

表2為不同徑流小區各降雨等級下產沙量與降雨量和徑流量的灰色關聯度系數。暴雨下，林地產沙量與降雨量、徑流深的灰色相關系數最高，分別為0.82，0.85。不同徑流小區的產沙量與降雨、徑流深均有很好的相關性，相關系數分別為0.67～0.82，0.69～0.85。3個徑流小區的“產沙量—徑流深”灰色相關系數均大于“產沙量—降雨量”的灰色相關系數，表明地表徑流是土壤侵蝕的源動力，徑流對產沙量的影響作用較降雨更大。

圖3為不同下墊面徑流小區不同雨強下累積降雨量和累積泥沙量雙累積曲線及其擬合方程。擬合方程斜率表示徑流小區累積降雨量對產沙量的影響，相同降雨條件下，裸地的產沙能力(最大)分別是林地的26倍(中雨)、79倍(大雨)、93倍(暴雨)，是農地的9.5倍(中雨)、16倍(大雨)、7.5倍(暴雨)，林地的產沙能力最小。對各雨強下不同小區產沙能力顯著性分析可知，林地、農地和裸地之間產沙能力差異性顯著(p<0.05)。由圖3中雙累積曲線可以看出，雨強增加，徑流小區產沙能力也隨之增大，其中裸地累積產沙量增速最為顯著，農地次之，林地最小。如前文所述，林地產流量最小，因此其產沙量也相對最小。此外，林地、農地有植被覆蓋，植被根系具有固土作用，從源頭上減少了泥沙量的產生，泥沙來源遠小于裸地。多年降雨侵蝕破壞了裸地表土物理結構并降低了土壤的抗蝕性，導致其產沙量隨徑流深增加而迅速增加。

表2 不同雨強等級下產沙量與降雨量、徑流深的灰色相關分析

圖3 不同雨強下降雨量-產沙量雙累積曲線

2.4 降雨量對入滲率影響

圖4為不同下墊面土壤入滲率隨次降雨量變化散點圖。總體而言，隨次降雨量增加土壤入滲率呈現先增加而后逐漸趨于穩定的變化趨勢；其中林地土壤入滲率最大，其次為農地，裸地入滲率最小。不同下墊面小區入滲率受土壤孔隙度、持水能力、土壤容重等因素影響，其中土壤孔隙是入滲水流的主要通道[32]。當降雨量增加時，地表水深增加，地表水層靜水壓力相應增大，一定程度上增加了土壤入滲性能，因此入滲率隨降雨量增加而增加。按照降雨等級統計51次產流降雨各區間的平均入滲率(表3)，可看出3個小區的入滲率均隨雨強增大而增加，且增加趨勢不顯著。這表明降雨強度增加對土壤水分入滲具有促進作用。當降雨強度增大時，雨滴動能隨之增大，雨滴打擊對入滲水體產生的擠壓力增加，這不僅可以加快入滲水流的運動速度，也可以使部分靜止的毛管水參與入滲過程。

圖4 不同徑流小區次降雨入滲率

表3 不同降雨等級的平均入滲率

3 結 論

(1) 引起摩布小區產流的降雨類型為中雨、大雨和暴雨，集中在5—10月。Mann-Kendall分析表明，2013—2015年摩布小區年降雨量變化趨勢不顯著，呈先增加后減少的波動性變化。徑流小區的入滲率隨雨量和雨強的增加呈不顯著的增大趨勢，其中林地的入滲率最大，入滲率分別為92.10%(中雨)，93.78%(大雨)，95.53%(暴雨)；裸地入滲率最小，各雨強下的入滲率均小于90%。

(2) 與降雨量相比，徑流深對產沙量影響作用更大。中雨、大雨、暴雨雨強下，同一累積降雨量引起的累積產流量大小和徑流深增長速率均表現為：林地<農地<裸地。相同徑流小區徑流深增長速率隨雨強增大而減少。降雨對不同徑流小區產沙量影響有明顯不同，相同雨量下，林地小區產沙能力最小，不同小區產沙能力差異性顯著(p<0.05)；累積產沙量增速中裸地最為顯著，農地次之，林地最小。

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Effects of Rainfall on Runoff and Sediment Under Different Underlying Surfaces of Runoff Plots

KOU Xinyue1,2, HUANG Jun1,2, JIANG Xuebing1,2, XIANG Jiaping1,2, JIN Pingwei1,2, WANG Siwei1,2

(1.SoilandWaterConservationMonitoringCenterofPearlRiverBasin,PearlRiverWaterResourcesCommissionoftheMinistryofWaterResources,Guangzhou,Guangdong510611,China; 2.PearlRiverHydraulicResearchInstitute,PearlRiverWaterResourcesCommissionoftheMinistryofWaterResources,Guangzhou,Guangdong510611,China)

[Objective] Effects of rainfall on runoff and sediment in red soil region of Southern China were studied in runoff plots, to provide references for soil and water conservation engineering practice and fundamental research. [Methods] Based on three underlying surfaces (forest, agricultural land, bare land) of runoff plots in Mobu watershed of Yunnan Province, chrono-changes of rainfall, runoff, sediment and infiltration rate were observed from 2013 to 2015. Their relationships were analyzed by means of Mann-Kendall, grey correlation analysis and double cumulative curve, and so on. Meanwhile, effects of rainfall amount on runoff and sediment were studied. [Results] (1) The monthly rainfall during a year showed a fluctuated trend: firstly increased, and then decreased. The rainfall had no significant change among the three years. (2) Under same level of rainfall amount, significant difference in runoff among the three underlying surfac-runoff plots(p<0.05), they ranked as: forest >agricultural land > bare land. For runoff depth, it had the same rank. (3) Sediment yield had a strong correlation with rainfall and runoff. The correlative coefficients were 0.67～0.82 and 0.69～0.85 respectively. The sediment yield increased with the increase of rainfall intensity. Under similar rainfall scenario, forest had the minimum sediment, while bare land had the largest one. (4) The infiltration rate increased with the growth of rainfall and rainfall intensity in all three runoff plots. The infiltration rate was the biggest in forest with an average infiltration rate of 94.03%; the infiltration rate was the smallest in bare land, its infiltration rate was 86.28%. [Conclusion] As compared with agricultural land and bare land, forest plot increased soil infiltration capacity and reduced the runoff and sediment yield to some extent.

runoff plots; runoff and sediment; infiltration rate; underlying surface

2016-06-21

2016-08-03

水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室開放基金項目“紅壤區小流域水沙輸移規律研究”(2016006); 廣東省水利科技創新項目(2009-50)

寇馨月(1990—),女(漢族),遼寧省沈陽市人,碩士,工程師，主要從事水土保持研究。E-mail:yykou@126.com。

A

1000-288X(2017)02-0027-05

S157.1， S714.7