遼西地區不同水土保持措施條件下土壤侵蝕量與降雨因子關系研究

2018-08-13 13:05:56李明偉

中國水土保持 2018年8期

李明偉

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015)

侵蝕性降雨是造成坡面土壤侵蝕的主要原因，通過布置水土保持措施，能使水土流失狀況得到改善，但仍不能完全杜絕。研究人員對土壤侵蝕量與各降雨因子的關系進行了研究：陳文烯等[1]通過監測不同水土保持措施條件下小流域5年內的降雨量和土壤侵蝕量，得出土壤侵蝕量與降雨量、降雨歷時呈顯著相關的結論；李瑞等[2]采用徑流小區法測定降雨量和降雨強度，并利用回歸分析法對坡面產沙量與降雨量、降雨強度的關系進行了分析，結果表明降雨量是影響坡面產沙量的主要因子；張晶晶等[3]通過徑流小區法，對土壤侵蝕量與各降雨因子的關系進行灰色關聯分析，結果表明降雨量和降雨強度對土壤侵蝕量的影響最大；王瑄等[4]通過對野外徑流小區天然降雨的降雨因子和侵蝕量的觀測，運用逐步回歸分析法，得出坡度和降雨動能是影響坡面土壤侵蝕量的主要因素；盛世博等[5]采用野外徑流小區法對坡面產沙量與天然降雨雨滴特性因子的關系進行研究，運用灰色關聯分析及模糊貼進度分析法，得出影響坡面產沙量的主要因子為降雨強度和降雨動能。綜上所述，降雨因子和水土保持措施均會對坡面產沙量產生較大影響，國內學者對坡面產沙量與降雨因子的關系研究較多，但對水土保持措施布設后降雨因子對土壤侵蝕量的影響研究較少。本研究基于2011—2016年在野外標準徑流小區進行的水土流失監測試驗數據，對不同水土保持措施條件下坡面土壤侵蝕量與降雨因子的關系進行研究，以期為水土保持監測提供理論參考和技術支持。

1 試驗設計

1.1 試驗區概況

試驗地點位于遼寧省朝陽市朝陽縣東大道小流域全國水土流失動態監測站，監測時段為2011—2016年。監測站地理位置位于E120°01′00″、N41°26′00″，所屬流域為大凌河支流，當地多年平均降水量450 mm、氣溫8.2 ℃、蒸發量2 000 mm、風速2.9 m/s、無霜期155 d。

1.2 徑流小區布設

本次試驗在監測站內布設標準徑流小區4個，分別為空白對照、果樹臺田、梯田、水平槽整地。徑流小區水平投影長20 m、寬5 m，坡向朝南，坡度為12°，土壤為褐土，土壤容重為1.13 g/cm3。其中，果樹臺田小區土埂高度0.1 m，坡面栽植株行距為2 m×2 m；梯田小區選用土坎梯田，田面寬5.0 m，田坎高0.5 m，坡面栽植株行距為2 m×2 m；水平槽整地小區主槽長1.0 m、槽寬0.6 m、槽深0.5 m，坡面栽植株行距為2 m×2 m。措施植物均為山杏，樹高1.5 m，胸徑3.0 cm。徑流小區旁設置人工氣象觀測站及TRM-ZS2型自動氣象觀測站，與徑流小區之間距離為5 m，氣象站記錄時間間隔為5 min。小區邊界由水泥板圍成邊墻，邊墻寬13 cm，高度地上部分15 cm、地下部分30 cm。為確保試驗精度，邊墻頂部呈外斜型，以防止多余雨水匯入小區。小區底部設有集流槽，長度5.0 m，寬度0.6 m，集流槽上緣與地面平齊，確保小區地表徑流匯入槽內，槽壁采用水泥抹面，確保水流面光滑，底部向下、向中間傾斜，保證水流順利匯入分流桶。小區徑流經集流槽流入分流桶，分流桶為磚混結構，根據當地降雨及產流情況，確定分流桶規格為1 m×1 m×1 m，設1個分流孔，分流孔距分流桶底面60 cm。分流桶下方設置集流桶，規格為1 m×1 m×1 m，收集由分流桶流入的清水，下部設放水孔一處。徑流小區坡面布設如圖1所示。

圖1 徑流小區俯視圖

1.3 數據分析方法

采用Excel進行監測數據處理，采用模糊貼近度法進行分析。模糊貼近度是指兩個序列貼近程度的比較。本研究采用模糊貼近度中較為常用的海明貼進度對序列間相似程度進行分析。由于各序列原始數據都是有量綱的，無法直接比較，因此在數據處理前需進行無量綱化處理，即初值化處理。建立不同降雨時間、降雨因子或侵蝕量的自變量序列Xij，其海明貼近度初值化公式為

式中：Y為因變量序列；X為自變量序列。

海明貼近度計算公式為

式中：σH(Cj,Dk)為序列C與序列D間的模糊貼近度；m為序列樣本容量。

2 結果與分析

監測站監測時段(2011—2016年)內共降雨194次，其中侵蝕性降雨21次。2011年降雨41次，其中侵蝕性降雨5次；2012年降雨47次，其中侵蝕性降雨6次；2013年降雨36次，其中侵蝕性降雨4次；2014年降雨29次，其中侵蝕性降雨3次；2015年降雨11次，其中侵蝕性降雨1次；2016年降雨30次，其中侵蝕性降雨2次。

本研究降雨因子選取降雨歷時(T)、降雨量(P)、最大30min降雨強度(I30)、最大60min降雨強度(I60)、降雨量與最大30min降雨強度的乘積(PI30)，降雨量與最大60min降雨強度的乘積(PI60)。21次侵蝕性降雨的降雨因子及各小區土壤侵蝕量(S)具體數值見表1。

表1 監測時段內降雨因子與土壤侵蝕量原始數據

2.1 水平槽整地土壤侵蝕量與降雨因子關系分析

根據公式(1)，將土壤侵蝕量與降雨因子進行初值化，并結合公式(2)，計算水平槽整地小區土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度(σ水平槽)，結果見表2。

表2 水平槽整地小區土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計算結果

由表2可知，σ水平槽I30最大，σ水平槽PI30次之，σ水平槽P最小，說明水平槽整地土壤侵蝕量受最大30min降雨強度影響最大，降雨量與最大30min降雨強度乘積的影響次之，而降雨量的影響最小，這反映出I30在對水平槽整地土壤侵蝕量影響中占據主導地位。總的來說，影響水平槽整地土壤侵蝕量的降雨因子海明貼近度排序為σ水平槽I30>σ水平槽PI30>σ水平槽I60>σ水平槽PI60>σ水平槽T>σ水平槽P。

通過開挖水平槽并在槽內植樹的方法，提升了坡面涵養水源和保持土壤的能力。水平槽整地小區土壤侵蝕量之所以受I30影響最大，是由于水平槽內蓄水量和土壤持水能力有限，短歷時且降雨量較大的雨型可以迅速使坡面持水能力達到飽和并產生地表徑流，對土壤沖刷強烈并形成細溝侵蝕，并且隨著I30增大土壤侵蝕越發嚴重。水平槽整地小區土壤侵蝕量受降雨歷時和降雨量影響較小，這是由天然降雨強度不穩定的特點所致——降雨歷時長但降雨量分散，加之布設有工程措施，坡面具有一定的蓄水能力。

2.2 果樹臺田小區土壤侵蝕量與降雨因子關系分析

根據表1的計算結果，結合公式(1)、(2)，計算果樹臺田小區土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度(σ果樹臺田)，計算結果見表3。

表3 果樹臺田土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計算結果

由表3可知，σ果樹臺田T最大，其次是σ果樹臺田I30和σ果樹臺田PI30，這說明降雨歷時對果樹臺田的土壤侵蝕量影響最大。而σ果樹臺田P最小，說明果樹臺田土壤侵蝕量受降雨量的影響程度最小，這與水平槽整地小區相同。總的來說，影響果樹臺田土壤侵蝕量的降雨因子海明貼近度排序為σ果樹臺田T>σ果樹臺田I30=σ果樹臺田PI30>σ果樹臺田PI60>σ果樹臺田I60>σ果樹臺田P。

在表3中，σ果樹臺田T與σ果樹臺田I30、σ果樹臺田PI30數值較大且非常接近，說明果樹臺田土壤侵蝕量受三者的共同影響，即隨著T、PI30、I30增大，土壤達到田間持水率后持續蓄水，并最終形成超滲產流。可以看出，果樹臺田土壤侵蝕量受多降雨因子共同影響。

2.3 梯田土壤侵蝕量與降雨因子關系研究

結合表1的計算結果，利用公式(1)、(2)，計算梯田土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度(σ梯田)，計算結果見表4。

表4 梯田土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計算結果

由表4可知，σ梯田PI30最大，其次是σ梯田I30和σ梯田PI60，這說明梯田土壤侵蝕量受降雨量和最大30min降雨強度乘積的影響最大，受最大30min降雨強度的影響次之。σ梯田P最小，這與水平槽整地和果樹臺田小區相同。總的來說，影響梯田土壤侵蝕量的降雨因子海明貼近度排序為σ梯田PI30>σ梯田I30>σ梯田PI60>σ梯田T>σ梯田I60>σ梯田P。

梯田是較常見的水土保持工程措施，在遼西地區應用非常廣泛。梯田的土壤侵蝕量受PI30影響最大，即受到降雨量與最大30min降雨強度的復合影響最大。出現這種結果的原因主要是坡改梯將坡耕地改變為較為平緩的臺階，增加了坡面承雨面積。在非極端條件下，當降雨量較大而最大30min降雨強度較小時，梯田工程涵養大部分水源，產生侵蝕量較小；當最大30min降雨強度較大而降雨量較小時，也不會形成大量產流。為避免用單因子反映影響結果不夠準確或穩定，本研究采用降雨量與最大30min降雨強度乘積的形式來判斷其對梯田侵蝕量影響的效果較好。

2.4 三種水土保持措施土壤侵蝕量與降雨因子對比分析

采用相同方式計算對照小區土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度，將4個小區的計算結果整理見表5。

表5 不同水土保持措施小區土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計算結果

由表5可知，除T、P兩項不同外，對照小區土壤侵蝕量與各降雨因子的海明貼近度大小排序與水平槽整地小區相同。除降雨歷時外，對照小區土壤侵蝕量與各降雨因子的海明貼近度均大于其他水土保持措施小區，這表明除降雨歷時外的降雨因子對裸坡土壤侵蝕量的影響程度大于對其他水土保持措施小區的影響程度。在各類水保措施小區，降雨歷時對土壤侵蝕量的影響在果樹臺田小區表現得最明顯，其次是梯田小區，而降雨量無論在何種措施條件下對土壤侵蝕量的影響均為最低。這是由于布設水土保持工程措施改變了原地貌，提升了坡面蓄水保水能力，而蓄水能力的增強使得降雨量對坡面土壤侵蝕量的影響明顯減小。I30對土壤侵蝕量影響較大，這與丁文峰等[6]得出的水土流失的主要影響因子是降雨強度結論相類似，也與林錦闊等[7]在蕎麥小區、花生小區得出的結論基本一致。

總的來說，對照小區裸坡土壤侵蝕量與降雨因子變化貼近程度較水保措施小區高，說明水土保持措施可以有效減輕降雨因子對土壤侵蝕的影響。水保措施布設后，降雨量對水平槽整地小區土壤侵蝕量的影響最低，出現這種情況的原因是水平槽整地的蓄水保水能力較其他水保措施強，其降雨大多蓄積于槽內，只有當降雨量轉化為產流后才會產生較強烈的侵蝕，因此在降雨量不大的情況下侵蝕量并不是隨降雨量變化而變化的。各水保措施小區土壤侵蝕量與I30的貼近程度均較高，說明30min內降雨量較大的雨型對研究的這三種水保措施小區影響較大。原因是這種類型的降雨在有一定前期降雨的條件下，會造成小區內土壤含水量在短時間內驟增，進而產生地表徑流，沖刷表土。研究區土壤侵蝕量有較大比例來源于這種降雨侵蝕，因此應注意防范該類型降雨侵蝕，并在降雨后及時修繕水土保持措施。