遼陽市雙河小流域侵蝕性降雨特征研究

張 琪

(遼陽市水務事務服務中心，遼寧 遼陽 111000)

遼陽市雙河小流域不僅是遼陽市的灌溉、生活用水以及工農業用水的主要源泉，而且是實現遼寧省中部山區農村經濟發展的基礎，為建設社會主義新農村發揮著關鍵作用[1]。然而，近年來雙河小流域的營養狀態隨著區域經濟的快速發展呈現出不斷上升的趨勢，水環境質量明顯下降，其中因人類活動產生的含氮、磷等污染物為該流域水體污染的主要來源，尤其是在暴雨和強降雨時期水體污染程度更加嚴重[1- 4]。

自然和人為因素是引起水土流失的主要因素，其中自然因素包括氣候因子和下墊面條件，它是引起水土流失的先決條件，而影響土壤侵蝕的關鍵因子為區域降雨及其特征因子，如最大30min雨強、平均降雨強度、降雨量及歷時等。針對降雨因素與土壤侵蝕在不同土地利用方式下的作用關系許多學者做了深入研究，但主要局限于黃土高原區，而涉及北方丘陵溝壑區的小流域的相關研究較少[5- 8]。據此，本文以遼陽市雙河小流域為例對比分析了不同雨強和雨量級條件下侵蝕性降雨特征與產沙關系，以期為東北地區水土流失的綜合治理和生態環境建設提供理論依據。

1 侵蝕性降雨特征分析

1.1 流域概況

研究區位于遼陽縣寒嶺鎮的雙河小流域，地理位置為123°43′2″～123°43′29″，北緯41°00′52″～41°11′10″，總占地面積1610hm2。地形特征為東低西高，周圍向內地傾斜的扇形。土壤類型以棕壤土為主，隨地形的垂直分布山地棕壤土可以分為為殘積、坡積、洪積土。山地土壤在保水保肥方面存在較大的差異，在山區及半山區的緩坡地帶主要是以滲透性差、土低堅硬的黃黏土為主；在山區的低產田內主要是山地砂質土層，其保水保水性能差、土層薄且肥沃力低。雙河流域屬于大陸季風氣候，多年平均降水量為733.4mm且在年內分布極不均衡，每年的6—9月為雨季，該期間降雨較為集中占全年的71.3%，暴雨及強降雨通常發生在雨季。年均氣溫7.5℃，相對濕度為63%，受季風影響年均蒸散發量較大為1450.0mm，干旱災害較為頻繁[9- 10]。

1.2 研究方法

結合項目區自然環境和水土保持措施類型，本研究共設置了6個標準徑流小區，分別為人工幼林、灌草叢、油松天然次生林、經濟林以及2個坡耕地，各徑流小區特征見表1。

表1 徑流小區布設情況

對降雨量數據利用人工觀測和自動雨量計相結合的方法進行提取，將JDZ- 1型自記雨量計安置在各個徑流小區附近并對降雨數據進行觀測。然后按照每6h的間隔對獲取的雨量資料進行次降雨的劃分，并對降雨特征因子，如I30、I60、降雨強度、歷時以及次降雨量等利用Rain Record軟件進行分析；采用Model 711測定儀對降雨后各小區的產流泥沙量進行測定。

2 結果分析

2.1 次降雨量變化特征

2014—2016年雙河小流域共368場次降雨，其中2014、2015、2016年總降雨量分別873.2、785.7、980.4mm，各年份降雨量及其特征如圖1所示。

圖1 2014—2016年降雨量變化情況

由圖1的各月份變化特征可知，在2014—2016年期間每年的2月及3月份幾乎沒有降雨，3月和4月降雨量較低，研究期間降雨量主要集中在6—9月。2014年降雨量最大的月份為6月，并且在2月份無降雨；2015年8月份降雨量為全年最大的月份。在年際變化方面，每年的9月份的降雨量年際變化最為明顯，而在3—4月份各年份的變化量較低；在季節變化方面，在研究期間降雨量主要集中在夏季和秋季。

2.2 侵蝕性降雨量等級

按照不同的等級標準可將雙河小流域的降雨量劃分為7個級別，見表2。其中X1和X2分別為侵蝕性降雨場次及其占總侵蝕降雨場次的比例；X3和X4分別為侵蝕性降雨量及其占總的侵蝕性降雨量的比例。

在2014—2016年期間，1#至5#徑流小區發生侵蝕性降雨分別為47、55、32、44、29場次，其中侵蝕性降雨量分別為1409.4、1531.4、1040.3、1258.6、97.0mm；隨著降雨量級別的增加侵蝕性降雨次數逐漸增大，并呈現出跳躍式發展趨勢。侵蝕性降雨量及其場次在低于50mm的降雨級別時與降雨量級別呈現出正相關特征，降雨場次隨著降雨級別的增加而不斷減少，但是侵蝕性降雨場次卻不斷增大；侵蝕性降雨場次在50mm以上降雨級別范圍時隨級別的增大而降低，其發展規律與降雨特征具有一定的相關性，并且在50mm以上降雨級別時通常伴隨著土壤侵蝕的發生。1～4#徑流小區在15～25mm和25～50mm降雨強度對土壤侵蝕的貢獻率最大，所對應的侵蝕性降雨場次分別為24、26、14、23，而對于5#徑流小區在10mm降雨級別時就發生了較為嚴重的土壤侵蝕。

表2 不同降雨量等級各徑流小區侵蝕性降雨統計結果

降雨和下墊面為影響坡面產沙的關鍵因素[11]，而產沙的主要來源為降雨，對不同降雨量級別下的產沙量進行試驗分析，如圖2所示。由圖可知，人工領、次生林以及灌草地徑流小區的平均產沙模數均低于玉米地和大豆地。灌草地和次生林在50mm以下降雨量時期產沙量并未表現出明顯的變化，而隨著降雨量級別的增大大豆地小區的平均產沙模數不斷增大；玉米地整體滿足正態分布的變化特征；人工林小區隨著降雨量級別的變化為不穩定的變化規律，但其產沙模數隨著降雨量的增大整體為增加趨勢。總而言之，對于10mm以上的降雨強度坡耕地會出現較為嚴重的土壤侵蝕，而人工林和灌草地在50mm以上的降雨等級下可對土壤侵蝕產生較為明顯的影響，水土保持效果最好的徑流小區為次生林。

圖2 不同降雨量的產沙變化

根據圖2可以看出，在相同坡度和降雨條件下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕性的關鍵因素，不同的地表覆蓋對雨水的入滲和攔蓄作用存在一定的差異，這也是引起土壤侵蝕差異的主要因素。因此，最易引起土壤侵蝕額因素為烤煙順坡耕地和玉米坡耕地，順坡耕種對泥沙的防沖刷作用并不明顯。

2.3 侵蝕性降雨強度等級

將雙河小流域2014—2016年的降雨數據按照不同的強度等級劃分為7個級別，見表3。

由表3可知，各徑流小區的侵蝕性降雨場次均隨著降雨強度等級的增加而不斷減少，土壤侵蝕的發生頻率隨著降雨強度的增大而降低，但所造成的侵蝕程度更加嚴重。侵蝕性降雨場次在0～5mm/h級別最多，在該區間1～5#徑流小區的侵蝕性場次為41、46、25、35和21，分別占相應場次的78.85%、79.31%、78.13%、81.40%和77.78%。各徑流小區在不同降雨強度下產沙變化特征如圖3所示。

圖3 各徑流小區在不同降雨強度下的產沙量

土地利用方式指標降雨強度級別/(mm/h)0～55～1010～2020～4040～6060～8080～1200次生林玉米地人工林地灌草地大豆地X141532001X278.859.625.773.850.000.001.92X31082.5246.065.012.50018.2X476.0117.274.560.880.000.001.28X146542001X279.318.626.903.450.000.001.72X31195.2245.155.414.80018.2X478.1816.033.620.970.000.001.19X125420001X278.1312.506.250.000.000.003.13X3760.5224.045.000018.2X472.5921.384.300.000.000.001.74X135520001X281.4011.634.650.000.000.002.33X31048.2246.045.50001.35X478.1618.343.390.000.000.000.10X121221001X277.787.417.413.700.000.003.70X3425.0115.245.014.60018.7X468.7118.637.282.360.000.003.02

由圖3可知，對產沙模數影響較為顯著的指標參數為平均雨強和土地利用類型，并且2#與5#小區的平均產沙模數隨著侵蝕性降雨強度等級的變化呈現出先降低后增大的趨勢，具有二次函數的特征，長歷時的小型降雨為雙河小流域的主要降雨類型，并且存在少數的暴雨。在不同雨強條件下1#和4#小區的產沙模數為呈現出顯著變化，而3#小區隨著雨強的增大而呈現出增加的趨勢。綜上所述，因頻繁的小型降雨造成的土壤侵蝕往往低于極少的大暴雨引起的土壤侵蝕，因此要考慮大暴雨對土壤侵蝕的影響作用制定科學合理的水土流失防治措施。因坡耕地土壤受降雨的影響作為較為明顯，因此其他土地利用方式的產沙量通常低于坡耕地[12]。

2.4 產沙與侵蝕性降雨特征指標的相關性

對降雨特征指標與不同強于強度產沙之間的相關性利用SPSS軟件進行分析，在20～40mm/h的等級下存在一次土壤侵蝕，因此可不考慮該數據的關聯性特征，其他各指標計算結果見表4。表中I30、I60分別為最大30min和60min的雨強；“**”代表極顯著相關；“*”為顯著相關。

表4 降雨特征指標與產沙之間的相關系數

由上表計算結果可以看出，各降雨特征指標在3#徑流小區未表現出相關性，1#小區的產沙量在5mm/h以下的降雨強度下與I60和降雨量存在顯著相關性，而與其他指標未存在相關性；2#和3#小區各降雨特征指標與產沙無顯著相關性。而4#和5#小區的產沙量與降雨量分別存在極顯著和顯著的相關性特征，其原因可能是5#小區的土地利用方式為順坡耕種，在存在降雨時極易引起水土流失，而2#小區為玉米種植小區，并且植被覆蓋度隨著玉米的生長而不斷增加，在小型降雨條件下可發揮一定的攔蓄截留作用。2#徑流小區產沙量在5～10mm/h降雨強度時主要受降雨量、歷時、I30、I60指標影響，并且產沙量與I60、降雨量和歷時存在較為顯著的相關性[13- 14]。

3 結語

本文以遼陽市雙河小流域為例，通過對比分析了不同雨強和雨量級條件下侵蝕性降雨特征與產沙關系，研究了該區域不同徑流小區的侵蝕性降雨特征，得出的主要結論如下。

(1)在相同坡度和降雨條件下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕性的關鍵因素，不同的地表覆蓋對雨水的入滲和攔蓄作用存在一定的差異，這也是引起土壤侵蝕差異的主要因素。

(2)因頻繁的小型降雨造成的土壤侵蝕往往低于極少的大暴雨引起的土壤侵蝕，因此要考慮大暴雨對土壤侵蝕的影響作用制定科學合理的水土流失防治措施；坡耕地土壤受降雨的影響作為較為明顯，因此其他土地利用方式的產沙量通常低于坡耕地。