玉溪市尖山河小流域侵蝕性降雨的特征

林春蕾, 王克勤, 陳若君, 張繼輝, 張伯浩, 盧錦釗

(1.西南林業大學 生態與水土保持學院, 云南 昆明650000; 2.重慶大地建設監理有限責任公司, 云南 昆明 650000)

玉溪撫仙湖是中國最大的深水型貧營養淡水湖泊，相應湖容水量2.06×1010m3，占云南省9大高原湖泊總蓄水量的72.8%[1]。其淡水資源是玉溪人民的灌溉、工業用水、生活用水以及工業用水等的主要源泉，并且撫仙湖的優美環境給玉溪人民帶來了寶貴的旅游資源，其豐富的漁業資源和旅游資源是當地人民的收入來源之一。但是隨著沿湖經濟的快速發展，撫仙湖的營養狀態明顯上升，水質狀況呈現下降趨勢，湖泊的污染主要來自流域人類活動產生的含氮、磷等的污染物, 尤其是尖山河流域，在暴雨時產生的污染物超標情況比較嚴重[1-3]。

引起水土流失的因素有人為因素和自然因素，自然因素是水土流失發生的先決條件。自然因素又包括下墊面條件和氣候因子，其中降雨是土壤侵蝕的重要影響因子[4]。降雨的各特征因子也不同程度的影響土壤侵蝕，如降雨量、降雨歷時、平均降雨強度、最大30 min雨強等。而對于不同土地利用方式下降雨因素與土壤侵蝕的關系，前人的研究主要局限于北方丘陵溝壑區、黃土高原區[5-6]，紅壤土區的撫仙湖流域的研究較少。本文擬研究不同雨量級別和不同雨強級別下的侵蝕性降雨特征與產沙關系，以期揭示土壤侵蝕規律，為西南巖溶區的水土流失綜合治理提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省玉溪市澄江縣尖山河小流域內，位于北緯24°32′00″—24°37′38″，東經102°47′21″—102°52′02″。北接龍街鎮廣龍村委會，南接祿充管委會，東臨撫仙湖，西接晉寧縣。最高海拔在流域北部，為2 347.4 m，最低海拔在尖山河入撫仙湖的入口處，為1 722 m，相對高差625.4 m。監測點的監測設施主要布設在流域的下游。流域地處低緯度高原，土壤主要是紅紫泥土和紅壤，紅紫泥土主要分布在尖山大河上游河道順流左岸方向。多年平均降雨量1 050 mm，雨季為5月下旬至10月下旬，降雨量占全年總降雨量的75%，旱季為11月上旬至次年5月中旬，降雨量占全年降雨量的25%。暴雨基本出現在雨季。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗區布置 根據水土保持措施類型和項目區自然環境條件，共設坡耕地(2個)、云南松天然次生林、灌草叢、人工幼林和經濟林共6個標準徑流小區(表1)。

表1 試驗小區布置

1.2.2 數據獲取和研究方法

(1) 降雨量資料。采用自記雨量計和人工觀測結合觀測降雨量，在徑流小區附近安置自記雨量計(型號：JDZ-1，重慶水問儀器廠)一個，觀測降雨量。同時同地安裝標準雨量筒一個，用于校對自記雨量計。將雨量計中獲取的資料，以6 h為間隔劃分次降雨。利用RainRecordSetup 1.06.exe軟件分析出次降雨量、降雨歷時、降雨強度、I30，I60等降雨特征因子。

(2) 產沙量的獲取。泥沙含量采用Model 711懸移質泥沙測定儀測量，在降雨后小區產流時及時進行測定。

2 結果與分析

2.1 次降雨量的年變化特征

由圖1和表2可知，尖山河小流域3 a共降雨371場，2014年降雨總量為834.9 mm，侵蝕性降雨量524.8 mm,占全年降雨量的62.86%。2015年的降雨總量是838.4 mm，侵蝕性降雨量為306.8 mm，占全年降雨量的36.59%。2016年總降雨量1035.8 mm,侵蝕性降雨量742.2 mm，占全年降雨量的71.65%。

根據月變化特征圖1可以看出，從年內的降雨變化看，3 a中的2月均無降雨事件發生，2014年降雨主要集中于5—9月，3，4，11和12月基本沒有降雨，1和2月無降雨事件，大體變化趨勢類似正態分布，6月降雨量達最大。2015年的降雨從1月開始，3月無降雨事件，4月的降雨量是全年最小的，全年降雨都很頻繁，8月降雨量達到全年的最大值。2016年的降雨主要集中于5—11月，9月的降雨量達到全年最大。從年際變化來看，每年的4月降雨量差異最小，9月的降雨量年際變化幅度較大；就季節變化來看，3 a的降雨量集中于夏秋兩季。

圖1 不同年限的降雨量年變化

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分析 如表2所示，將尖山河小流域3 a的降雨量數據劃分為7個降雨量等級，分別為H<5 mm,5 mm≤H<10 mm,10 mm≤H<15 mm,15 mm≤H<25 mm,25 mm≤H<50 mm,50 mm≤H<100 mm和100 mm≤H<150 mm。3 a的降雨中，2#徑流小區共侵蝕53次，侵蝕性降雨共1 424.2 mm,3#徑流小區共侵蝕58次，侵蝕性降雨共1 529.2 mm，4#徑流小區共侵蝕32次，侵蝕性降雨為1 047.2 mm，5#徑流小區侵蝕43次,侵蝕性降雨1 356.8 mm，5#徑流小區侵蝕28次，侵蝕性降雨620.4 mm。

侵蝕性降雨次數隨著降雨量級別的增加，出現跳躍式變化。當降雨量小于50 mm時，降雨量級別與侵蝕性降雨次數和侵蝕性降雨量呈正相關關系，隨著降雨量級別的增加，降雨場次減少，但侵蝕性降雨次數增多，造成一次嚴重土壤侵蝕的降雨為一次短歷時的大暴雨。當降雨量大于50 mm時，侵蝕性降雨次數隨著降雨量級別增加而減少，這一趨勢與降雨特征有關，但是大于50 mm的降雨引起土壤侵蝕的幾率幾乎是百分之百。對于2#,3#,4#和5#徑流小區而言，對土壤侵蝕性貢獻最大的降雨量級別為15～25和25～50 mm，4個徑流小區的侵蝕性降雨場次分別是26,28,16和23，分別占總的侵蝕性降雨場次的49.06%,44.83%,46.88%和53.49%。而對于6#徑流小區而言，當降雨量大于10 mm便開始引起嚴重的土壤侵蝕。

表2 不同降雨量等級的侵蝕性降雨的分析

2.2.2 不同降雨量級別的產沙量變化 影響坡面產沙的主要因素是下墊面和降雨，而降雨則是產沙的主要來源。如圖2所示，從總體上來看，玉米地和烤煙地徑流小區的平均產沙模數均顯著高于次生林、人工林地和灌草地徑流小區。當降雨量小于50 mm時，次生要和灌草地徑流小區的產沙量變化幅度不大，而烤煙地徑流小區的平均產沙模數隨降雨量級別的增加而增大，玉米地徑流小區的平均產沙模數大致符合正態分布，隨著降雨量級別的變化，人工林地徑流小區的平均產沙模數呈現不穩定變化規律，但隨降雨量的增大，平均產沙模數呈現增大趨勢。綜上所述，對于坡耕地而言，大于10 mm的降雨會引起嚴重土壤侵蝕，而大于50 mm的降雨對灌草地和人工林的土壤侵蝕有顯著影響，次生林有較好的水土保持效果。

圖2 研究區不同降雨量級別的產沙量變化

從圖2可知，在同一降雨，同一坡度條件下，影響土壤侵蝕性的因素主要是地表覆蓋類型，不同的地表覆蓋對攔截雨水和入滲存在很大的差異性，這樣必然導致土壤侵蝕的差異性，順坡種植烤煙最容易引起土壤侵蝕，其次是玉米坡耕地，順坡種植不宜攔截雨水，但對泥沙的沖刷作用不是太大。

2.3 侵蝕性降雨強度等級劃分

將尖山河小流域3 a的降雨量數據劃分為7個降雨強度等級，分別為0～5,5,10～20,20～40,40～60,60～80和80～1 200 mm/h。

由表3可知，隨著降雨強度等級的增加，5個徑流小區的侵蝕性降雨場次均呈逐漸減少趨勢，降雨強度越大，發生土壤侵蝕的頻率就越低，但是引起的土壤侵蝕更為嚴重。雨強級別為0～5 mm/h的侵蝕性降雨次數最多，5個徑流小區的侵蝕性次數分別是42,47,24,34和22，分別占總的侵蝕性降雨場次的79.2%,81.03%,75%,79.1%和78.6%。易發生土壤侵蝕的雨強級別是降雨強度大于20 mm/h，20～40的降雨總發生4場，其中1場導致土壤侵蝕，歷時僅1 min，侵蝕性降雨量為18.6 mm。不同降雨強度級別的產沙量變化詳見圖3。

表3 不同降雨強度等級的侵蝕性降雨的分析

圖3 研究區不同降雨強度級別的產沙量變化

從圖3可以明顯的看出，土地利用類型和平均雨強對產沙模數的影響顯著，隨著侵蝕性降雨強度等級的變化，3#和6#徑流小區的平均產沙模數呈現先減少后增加的趨勢，符合二次函數的性質，而研究區的降雨類型多為長歷時的小型降雨，極少部分高強度的大暴雨。4#徑流小區隨著平均雨強的增加而增大，2#和5#徑流小區的平均產沙模數在雨強的變化下無顯著差異。

由此可見，極少的大暴雨引起的土壤侵蝕量高于頻繁的小型降雨引起的土壤侵蝕，在制定水土流失防治措施要注意大暴雨對土壤侵蝕的影響。由于坡耕地土壤擾動比較大，因此在不同雨強級別下的產沙量均高于其他土地利用方式。

2.4 產沙與侵蝕性降雨特征指標的相關性分析

利用SPSS分析軟件對不同降雨強度級別的產沙和降雨特征指標進行相關性分析，20～40 mm/h的降雨強度等級下，僅發生一次土壤侵蝕，因此剔除這一次數據，不列入進行分析(表4)。

表4 不同降雨強度級別的產沙和降雨特征指標的相關系數

注：**表示極顯著相關； *表示顯著相關；I30為最大30 min雨強；I60為最大60 min雨強。

從表4看出，4#徑流小區與各降雨特征指標無相關關系；當平均降雨強度小于5 mm/h時，2#徑流小區的產沙量僅與降雨量和I60呈現顯著相關關系，其他降雨特征指標均與產沙無顯著相關關系；3#和4#徑流小區的產沙與各降雨特征指標都無顯著相關關系；5#徑流小區與降雨量呈極顯著相關關系，6#徑流小區與降雨量呈現顯著相關關系，這可能是由于6#徑流小區長期以順坡溝壟方式種植烤煙，一旦降雨便會發生水土流失，而3#徑流小區種植玉米。隨著玉米的生長，植被覆蓋度增加，對小型降雨具有一定的攔截作用。當降雨強度為5～10 mm/h時，影響3#徑流小區產沙量的因素主要是降雨歷時、降雨量、I30和I60，產沙量與降雨歷時、降雨量和I60呈極顯著正相關關系。

總體上看，在一定降雨強度范圍內(0～5 mm/h)，2#徑流小區的產沙量與降雨量和最大60 min雨強呈顯著正相關關系，6#徑流小區的產沙量與降雨量呈顯著相關關系。對于3#玉米坡耕地而言，當雨強小于5 mm/h時，影響玉米坡耕地土壤侵蝕的因素是降雨歷時，當降雨強度為5～10 mm/h時，產沙量與降雨歷時、降雨量和最大60 min雨強呈極顯著正相關關系。對于5#徑流小區而言，當降雨強度為0～5 mm/h時，產沙量與降雨量呈極顯著相關關系，當降雨強度為5～10 mm/h時,產沙量與最大60 min雨強呈顯著相關關系，而4#徑流小區與各降雨特征指標無相關關系。說明影響4#徑流小區的因素可能是下墊面條件或其他因素，由高大喬木組成的人工林具有很強的林冠截留作用，灌草地的攔截泥沙的效應有限，隨著降雨量的增大，灌草地的水土保持作用逐漸降低，因此在降雨極為頻繁的南方地區而言，喬木林的水土保持效應較灌草地好。

3 討論與結論

(1) 從3 a的降雨情況來看，大體變化類似正態分布，研究區的降雨主要集中于5—10月，汛期在6—9月；從10月開始，降雨量逐漸減少，而從季節分布來看，降雨集中在夏秋兩季，干濕季節明顯。這一規律與大陸性季風氣候特點有關。

(2) 覆蓋度不同的土地利用方式在攔截泥沙和徑流等方面存在很大差異，耕作方式和農作物對土壤流失也有不同程度的影響。同一降雨，同一坡度條件下，影響土壤侵蝕性的因素主要是地表覆蓋類型，不同的地表覆蓋對攔截雨水和入滲存在很大的差異性，這樣必然導致土壤侵蝕的差異性，順坡種植烤煙最容易引起土壤侵蝕，其次是玉米坡耕地，順坡種植不宜攔截雨水，但對泥沙的沖刷作用不是太大。王占禮等[7]，潘聲旺等[8]究結果中，旱地不同土地利用方式下，玉米—油菜輪作的土壤侵蝕量最大。

(3) 極少的大暴雨引起的土壤侵蝕量高于頻繁的小型降雨引起的土壤侵蝕，在制定水土流失防治措施要注意大暴雨對土壤侵蝕的影響。由于坡耕地土壤擾動比較大，因此在不同雨強級別下的產沙量均高于其他土地利用方式；而在黃土高原區，大暴雨出現頻率較高，造成水土流失的雨型主要是大型暴雨，大多數的降雨一般不產生地表徑流[11]。

(4) 許多學者認為降雨量、最大30 min降雨強度和降雨歷時對山區坡面產流產沙均存在顯著的相關性，并且一些學者認為種植花生的坡耕地與降雨歷時無顯著相關關系[9-11]，而筆者的結論中，不同的降雨強度級別下，不同土地利用方式的產沙量與降雨特征指標之間的關系也是存在差異性，灌草地的攔截泥沙效應有限，對小型降雨有一定的抗沖能力，而較大暴雨則需要群落層次較多的喬木林，較高的林冠層能夠截留一部分雨水，而較低的草木層和枯枝落葉層可降低降雨動能，減小降雨的激濺侵蝕。并且有些植被覆蓋度較高的降雨也有一定的抗侵蝕能力，但對于坡度較大的坡耕地而言，仍然建議進行退耕還林措施。

[1] 楊加林,李杰,李經緯等.撫仙湖—星云湖水生生物與水環境研究綜述[J].云南地理環境研究,2012,24(2):1001-7852.

[2] 金相燦,屠清瑛.湖泊富營養化調查規范[M].北京:中國環境科學出版社,1990,291-294.

[3] 曹建華,蔣忠誠,楊德生,等.我國西南巖溶區土壤侵蝕強度分級標準研究[J].中國水土保持科學,2008,6(6):1-7.

[4] 馬良,左長清,邱國玉.贛北紅壤坡地侵蝕性降雨的特征分析[J].水土保持通報,2010,30(1):74-79.

[5] 紀啟芳,張興奇,張科利,等.貴州省喀斯特地區坡面產流產沙特征[J].水土保持研究,2012,19(4):1-5.

[6] 高超,朱繼業,朱建國,等.不同土地利用方式下的地表徑流磷輸出及其季節性分布特征[J].環境科學學報,2005,25(11):1543-1549.

[7] 王占禮,邵明安,常慶瑞.黃土高原降雨因素對土壤侵蝕的影響[J].西北農業大學學報,1998,26(4):101-105.

[8] 潘聲旺,雷志華,楊麗娟,等.幾種典型邊坡植被的產流、產沙特征[J].生態環境學報,2013,22(7):1167-1172.

[9] 林錦闊,李子君,許海超,等.降雨因子對沂蒙山區不同土地利用方式徑流小區產流產沙的影響[J].水土保持通報,2016,36(5):7-12.

[10] 鄭海金,楊潔,左長清,等.紅壤坡地侵蝕性降雨及降雨動能分析[J].水土保持研究,2009,16(3):30-33.

[11] 焦菊英,王萬忠,郝小品.黃土高原不同類型暴雨的降水侵蝕特征[J].干旱區資源與環境,1999,13(1):35-41.