九仙山徑流小區降雨及產流產沙規律研究

一、研究區概況

研究區位于山東省曲阜市吳村鎮九仙山小流域（原名紅山小流域）糧船石水庫，土地面積約50km2，氣候屬暖溫帶半干旱、半濕潤、季風大陸性氣候，多年平均降水量647.3mm，汛期（6～9月）降水量可達462.8mm，土壤為棕壤性土和棕壤，質地多為礫質砂壤土，流域內原生植被稀少，現有植被主要以人工林和野生灌木為主。流域屬魯中南低山丘陵強度侵蝕區，土壤侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕形式為面蝕和溝蝕，其中以面蝕和細溝狀侵蝕為主。

二、研究方法

1.徑流小區布設

站內設有5處徑流小區，分別為10°、15°、17°、20°徑流小區及梯田徑流小區，小區規格均為5m×20m，土壤為棕壤性土，質地為砂～礫質壤土，基巖為花崗片麻巖。徑流場情況詳見表1。

2.降雨觀測

降雨資料收集采用翻斗式自記雨量計，雨量計翻斗分辨率為0.5mm，采樣周期為5min。

3.徑流泥沙觀測

徑流觀測方法采用體積法，設備采用集流桶和分流桶，桶高均為110cm，半徑為0.6m；分流桶采用九孔分流法，分流孔用50mm分流管。

泥沙量測定采用取樣，濾紙過濾烘干法。

三、結果分析

1.降雨特征分析

通過對九仙山2013～2015年月降雨量分析可以看出，九仙山年內降雨具有明顯的季節性，多集中在4～9月份，占全年降雨量的88.3%，其中雨季（6～9月）降雨量占全年的63.7%，降雨量年內分布極不均勻。

2013～2015年九仙山共發生降雨178場，總降雨量1765.0mm，年均588.3mm，最大次雨量121.0mm，最大I30為108.8mm/h，最大降雨侵蝕力3647.20 MJ.mm/（hm2·h），均發生于2015年7月30日。2013年共發生侵蝕性降雨（次雨量超過12mm或次雨量小于12mm但產流的降雨，以及15min內雨量超過6mm的短歷時、小雨量、大雨強降雨）20場，累計雨量578mm，占全年降雨量的83.6%；2014年發生侵蝕性降水15場，累計雨量400.5mm，占全年降雨量的83.5%；2015年發生侵蝕性降水12場，累計雨量67.3mm，占全年降雨量的67.3%。2013年～2015年九仙山年降雨特征值統計情況見表2。

2.產流產沙特征分析

2013～2015年，徑流場5處徑流小區共產流21次，分流2次，其中10°、15°、17°、20°、梯田小區產流次數依次為19次、10次、12次、18次、13次，分流的小區為10°小區和梯田小區。各徑流小區產流次數、徑流深及土壤流失量統計表見表3。產流次數大小關系是：10°小區＞20°小區＞梯田小區＞17°小區＞15°小區，產生徑流總量大小關系是：10°小區＞梯田小區＞15°小區＞20°小區＞17°小區，產生泥沙總量大小關系是：10°小區＞梯田小區＞15°小區＞20°小區＞17°小區。從以上大小關系可以看出：

（1）栽植農作物的10°小區及梯田小區的產流產沙量均大于栽植經果林的15°小區、17°小區及20°小區。從表3可以看出，隨年份增長，經果林小區的產流產沙量逐漸減少，尤其是土壤流失量與同年度農作物小區的土壤流失量差異逐漸明顯。與人為擾動因素較少、植物根系發達的經果林小區相比，農作物小區每年都有耕作行為，人為擾動較頻繁，對土地擾動較強烈，土壤抗侵蝕能力下降，造成沖刷量的增加。

（2）同是栽植農作物小區的10°小區產流產沙量分別是梯田小區的1.82倍、22倍。經過梯田整地的坡面，與采取等高種植的坡面相比，能夠有效地攔蓄徑流、減少土壤流失量，是一種有效的水土保持措施。

（3）同為經果林小區的15°、17°、20°小區產流產沙差異不太明顯，徑流量和土壤流失量并非隨坡度增加而增大，而是在坡度大于15°以后出現波動。坡度對產流產沙的影響主要通過影響降雨入滲率實現。有研究表明，當坡度小于18°時入滲率隨坡度增加而增大，當坡度超過18°后入滲率隨坡度增加而減小。不同學者由于研究方法不同，對臨界坡度值的界定也不同。九仙山坡面徑流場最大坡度只到20°，無法確定其臨界坡度。

由表3可以看出，2013年各徑流小區徑流深排序是：10°小區＞梯田小區＞15°小區＞17°小區＞20°小區，土壤流失量排序是：10°小區＞梯田小區＞17°小區＞15°小區＞20°小區，兩者排序并不一致，徑流深的小區土壤流失量不一定也大。這一結果說明，土壤流失量的大小不僅受徑流深影響，還受地表植被種類及蓋度、地形等因素的影響。

運用SPSS軟件對九仙山試驗站2013～2015年間觀測到的徑流深和土壤流失量進行回歸分析，擬合關系最好的是次方關系，即y=0.01454x1.35036（R2=0.837），式中，y為土壤流失量，單位t/hm2，x為徑流深，單位mm。從方程式可以看出，徑流深和土壤流失量為正相關關系，但是該方程式無法解釋徑流量大于50mm時，土壤流失量發生的突變，土壤流失量達到52.89 t/hm2。

3.前期降雨量對小區產流產沙的影響分析

降雨作為水土流失的原動力，與小區產流產沙有著密切的關系。大量研究表明，降雨量、降雨歷時和最大30min雨強與產流產沙呈正相關關系，即降雨量越大、歷時越長、最大30min雨強越大，本次降雨的侵蝕力越大。小區產流產沙除與本次降雨有關，還受前期降雨影響。前期降雨主要是通過影響土壤前期含水量進而影響土壤的入滲能力，來實現對產流產沙的影響。

表1 徑流場基本信息表

表2 2013年～2015年九仙山年降雨特征值統計表

表3 2013～2015年九仙山徑流小區產流產沙統計表

圖1 2013年7月4日及16日兩場降雨坡面產流量情況對比圖

圖2 2013年7月4日及16日兩場降雨坡面產沙量情況對比圖

為了更直觀地了解前期降雨對產流產沙的影響，同時排除徑流小區內土壤結構及植被狀態變化對產流產沙的影響，本次研究選擇2場發生時間較近的典型降雨進行對照，一場降雨發生在 2013 年 7 月 4 日 2：00～16：30（以下簡稱降雨A），降雨量111.0mm，降雨歷時990min，最大30min雨強58.4mm/h，降雨侵蝕力1590.3 MJ.mm/（ha·h），此次降雨前 7 天僅發生2.0mm降雨；另一場降雨發生在2013年 7 月 16 日 2：30～5：05（以下簡稱降雨 B），降雨量37.0mm，降雨歷時155min，最大30min雨強58.4mm/h，降雨侵蝕力 590.9MJ.mm/（ha·h），此次降雨前3天均有小雨，降雨量合計達35.0mm。降雨A的降雨量、降雨歷時和降雨侵蝕力分別是降雨B的3.0倍、6.4倍、2.7倍，但是降雨A發生前，土壤較干燥，幾乎不受前期降雨影響；降雨B發生前，土壤含水率較高，收前期降雨影響明顯。這兩場降雨條件下坡面產流量及產沙量對比情況見圖 1、圖 2。

從圖1、圖2可以看出，降雨B引起的坡面產流產沙量均大于降雨A，產流總量是降雨A的1.95倍，土壤流失量是降雨A的1.26倍。前期降雨對坡面產流量影響相對較大，對坡面產沙量影響相對較小。

但并非前期影響雨量越大，坡面產流及產沙量越大。前期影響雨量是通過影響土壤前期含水量來影響產流產沙量。已有研究證實，存在一臨界含水量，當土壤前期含水量低于這一含水量時，產流量隨前期含水量的增加而增加，當高于這一含水量時，產流量與前期含水量為遞減的變化趨勢。產沙量隨土壤前期含水量的變化趨勢也符合這一規律。

四、結論

（1）九仙山區域降雨具有明顯的季節性，63.7%的降雨量集中在6～9月，22.4%的降雨集中在4～5月，年內分布極不均勻。2013～2015年侵蝕性降雨雨量分別占當年降雨量的83.6%、83.5%和67.3%，侵蝕性降雨占比較高，水土保持形勢較嚴峻。

（2）不同徑流小區由于水土保持措施不同，其產生的徑流深和土壤流失量各有差異。種植經果林的產流產沙量遠小于種植農作物，且隨著年份增長其差異愈加明顯。所以梯田種植的水土保持效果高于等高種植。

（3）通過對徑流深和土壤流失量的回歸分析，得出九仙山徑流小區土壤流失量和徑流深大致呈次方關系。土壤流失量的大小不僅受徑流深影響，還受地表植被種類及蓋度、地形等因素的影響。

（4）小區產流產沙除與本次降雨有關，還受前期降雨影響。通過對前期降雨和產流產沙量的分析，得出九仙山徑流小區的徑流對前期雨量的響應較土壤流失量的更敏感■