錦州巧鳥徑流監測小區侵蝕性降雨特征研究

燕靜博

(凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200)

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

以錦州市巧鳥徑流場作為監測區，地處E121°04′22″，N41°00′22″，屬于大凌河水系，遼寧省水土流失重點治理區，監測小區5個，平均海拔60.5m。巧鳥徑流小區屬于北溫帶大陸性季風氣候，春季少雨風大，夏季高溫多雨，秋季溫和少雨，冬季干冷，四季分明，季風氣候顯著，多年平均降水量563.5mm，且多集中于汛期，6-7月降雨具有范圍廣、歷時長、總量大等特點，8-9月降雨范圍相對較小、歷時短、雨強大。巧鳥徑流小區土壤以水稻土和黃棕壤為主，土地利用類型有農用地、林地、園地、耕地等。在暴雨作用下裸露表土易形成水力侵蝕，較陡坡面還會伴隨有重力侵蝕[1-2]。地形起伏較大的丘陵地區更加劇了徑流沖刷侵蝕，降雨條件下極易形成面蝕與溝蝕，開發的部分果園、茶園、農田地表多為栽培植被，降雨情況下易形成深溝侵蝕和細溝狀面蝕。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流監測小區布設

結合錦州市地區近些年生態治理項目具體實施的水土保持措施，對5個監測小區合理布設，如表1。

表1 標準徑流監測小區布設

1.2.2 監測方法與頻率

監測方法采用實地調查法，水土流失數據監測頻次為每次降雨產流后，土壤含水率監測頻次為每15d監測一次。

1.2.3 監測數據采集

1)產沙量采集。降雨產流后，記錄集水池集水深度，然后將集水池中收集的水體攪勻，采用瓶式采樣器進行采集，各小區每次采樣容量1000ml，靜置24h后，采用烘干法獲取泥沙含量數據。烘干時長為12h，用1/100天平稱重測定泥沙重量。

2)氣象數據采集。實時監測小區內降雨、氣溫、濕度等氣象數據，重點監測降雨歷時、次降水量，并采用Rain Record Setup軟件計算確定I60、I30、降雨強度等降雨特征因子值[3-4]。根據每次降雨集水池集水深度，結合集水池規格計算出當次降雨產流量。

3)土壤物理性質采集。土壤物理性質主要為各個監測小區土壤含水率變化，采集土樣采用土壤墑情自動傳輸系統，采集深度為30cm，每10cm為一組樣本，每組樣本點取3個土樣。

2 結果與分析

2.1 場次降雨量的變化特征

2017-2019年錦州巧鳥徑流小區的年降雨量變化特征如圖1，整理統計侵蝕性降雨事件如表2。結果表明，2017-2019年錦州巧鳥徑流小區共有226場次降雨，其中2017年總降雨量400.0mm，侵蝕性降雨量占61.84%達到247.4mm；2018年總降雨量344.3mm，侵蝕性降雨量占36.60%達到126.0mm；2019年總降雨量679.1mm，侵蝕性降雨占71.62%達到486.4mm。

從月尺度上，1-4月降雨最少，5-10月降雨集中，8月份降雨最大，且以2018年8月的降雨最多，年降雨量基本呈正態分布，各年份的月降水量變化趨勢相同；從季節變化上，每年的夏秋兩季屬降雨集中期；從年際變化上，年際降雨量變幅較大的為8月，而變幅最小的為10月。

圖1 年際降雨量變化特征

2.2 侵蝕性降雨量的等級劃分

2.2.1 不同雨量級別的降雨事件

將錦州巧鳥徑流小區近3a降雨數據按以下標準七個雨量級別[5]，即100mm≤H<150mm、50mm≤H<100mm、25mm≤H<50mm、15mm≤H<25mm、10mm≤H<15mm、5mm≤H<10mm、0mm≤H<5mm。3a降雨量中，錦巧-1徑流小區共發生侵蝕性降雨41次、侵蝕性降雨量1128.4mm，錦巧-1徑流小區共發生侵蝕性降雨46次、侵蝕性降雨量1237.5mm，錦巧-3徑流小區共發生侵蝕性降雨20次、侵蝕性降雨量756.6mm，錦巧-4徑流小區共發生侵蝕性降雨31次、侵蝕性降雨量1065.7mm，錦巧-5徑流小區共發生侵蝕性降雨17次、侵蝕性降雨量358.6mm。

表2 各徑流小區侵蝕性降雨事件

從表2可知，侵蝕性降雨次數隨降雨量級別的增大發生跳躍式變化。降雨量不超過50mm情況下，侵蝕性降雨量、降雨次數與降雨量級別存在正相關關系，侵蝕性降雨次數所占比例隨著降雨級別的增大逐漸增加，總降雨場次減少，一次短歷時的大暴雨為造成嚴重土壤侵蝕的關鍵[6]；降雨量>50mm情況下，侵蝕性降雨次數所占比例隨降雨量級別的增加而減少，該變化趨勢與降雨特征密切相關，但降雨>50mm勢必會造成土壤侵蝕。對于錦巧-1、錦巧-2、錦巧-3、錦巧-4塊地而言，降雨量級別15-25 mm和25-50 mm對土壤侵蝕的貢獻最大，即該條件下4個徑流小區發生侵蝕性降雨場次為22次、22次、11次、19次，所占比例為53.66%、47.83%、45.00%、61.29%；對于錦巧-5塊地而言，當降雨量超過10mm時土壤就發生了侵蝕。

2.2.2 不同雨量級別的產沙量變化

降雨和下墊面是坡面產沙的主要影響因素，其中降雨則是產沙的動力來源，各雨量級別下不同用地類型的產沙量變化如圖2。總體而言，大豆地和玉米地顯著高于灌草地、次生林和人工林地徑流小區的產沙模數。降雨量不超過50mm時，隨降雨量級別的增大，灌草地、次生林地的產沙模數變化較小，而大豆地呈明顯增大趨勢，玉米地總體服從正態分布，人工林地的變化規律不穩定，但隨降雨量的增大產沙模數波動增加。研究表明，降雨超過10mm時坡耕地將產生嚴重土壤侵蝕，降雨超過50mm時灌草地、人工林地將受到顯著影響，水土保持效果較好的為次生林地。

圖2 不同雨量級別的產沙量變化

從圖2可以看出，在坡度、降雨強度不變的情況下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕的主要因素，不同地表覆蓋的降雨入滲和雨水攔截作用存在一定差異，這必然引起不同的土壤侵蝕程度，順坡種植不利于泥沙攔蓄、雨水截流，因此順坡種植的大豆地和玉米坡耕地比較容易發生土壤侵蝕。

2.3 侵蝕性降雨強度等級劃分

將錦州巧鳥徑流小區近3a的降雨數據按照以下標準劃分成七個降雨強度等級[7]，即80-120mm/h、60-80mm/h、40-60mm/h、20-40mm/h、10-20mm/h、5-10mm/h、0-5mm/h。

表3 不同降雨強度的侵蝕性降雨

從表3可以看出，隨著降雨強度等級的增大各徑流小區侵蝕性降雨場次均呈減少趨勢，降雨強度越大發生土壤侵蝕的頻率越低，但造成的土壤侵蝕越重。侵蝕性降雨次數最多的雨強級別為0-5mm/h，各徑流小區分別發生33次、37次、15次、24次和13次，所占比例為78.05%、80.43%、75.00%、77.42%、76.47%。降雨強度>20mm/h時不同土地利用類型都易發生土壤侵蝕，降雨強度級別為80-120/mm·h-1的侵蝕性降雨有1場，歷時1min發生的侵蝕性降雨量達到18.6mm。各徑流小區在不同降雨強度級別下的產沙量變化趨勢如圖3。

圖3 不同降雨強度級別的產沙模數

從圖3可以看出，徑流小區產沙模數受平均雨強和土地利用類型的影響顯著，錦巧-2、錦巧-5徑流小區產沙模數隨隨著侵蝕性降雨強度等級的增大呈先下降后上升的變化趨勢，符合二次函數變化特征。然而，監測區發生高強度大暴雨的概率極低，以長歷時小型降雨為主。隨著平均雨強的逐漸增大，錦巧-3徑流小區的產沙模數不斷增加，而不同雨強下錦巧-1、錦巧-4的產沙模數無明顯變化。

綜上分析，頻繁的小型降雨小于極少的大暴雨造成的土壤侵蝕量，應考慮土壤侵蝕受大暴雨的影響合理制定水土流失防治措施[8]。因受擾動比較大，坡耕地產沙量在不同雨強級別下均高于其它用地類型。

2.4 侵蝕性降雨特征指標與產沙的相關性

擬采用SPSS軟件分析各降雨特征指標與不同降雨強度產沙之間的相關性，為保證數據分析的精準度和可靠性，剔除僅發生一次土壤侵蝕的降雨強度等級，相關性分析結果如表4。其中，“*”、“**”代表顯著和極顯著相關；I30、I60代表最大30 min和最大60 min雨強。

由表4可以看出，各降雨特征指標與錦巧-3徑流小區不存在相關關系；在降雨強度不超過5mm/h情況下，I60、降雨量與錦巧-1徑流小區產沙量呈顯著相關，其他降雨特征指標與錦巧-1徑流小區產沙量不存在顯著相關性；各降雨特征指標與錦巧-2、錦巧-3徑流小區都不存在顯著相關性；降雨量與錦巧-4徑流小區產沙量呈極顯著相關，而與錦巧-5徑流小區呈顯著相關。深入分析發現，一旦降雨長期以順坡溝壟方式種植烤煙的錦巧-5徑流小區就會發生土壤侵蝕，對于種植玉米的錦巧-2徑流小區，植被覆蓋度隨玉米的生長逐漸增大，在一定程度上發揮攔截小型降雨的作用。5-10mm/h降雨強度時，I60、I30、降雨歷時和降雨量是影響錦巧-2徑流小區產沙的主要因素，I60、降雨歷時、降雨量與產沙量呈極顯著相關。

綜上分析，降雨強度為0-5mm/h條件下，最大60min雨強、降雨量與錦巧-1徑流小區的產沙量呈顯著正相關，降雨量與錦巧-5徑流小區存在顯著相關性。對于錦巧-2徑流小區，降雨強度不超過5mm/h條件下，降雨歷時是影響玉米坡耕地土壤侵蝕的主要因素，降雨強度為5-10mm/h條件下，最大60min雨強、降雨量、降雨歷時與產沙量呈極顯著正相關；對于錦巧-4徑流小區，降雨強度不超過5mm/h條件下，降雨量與產沙量存在極顯著相關性，降雨強度為5-10mm/h條件下，最大60min雨強與產沙量存在顯著相關性，各降雨特征指標與錦巧-3徑流小區均不存在相關關系。由此表明，下墊面或其他因素是影響錦巧-3徑流小區的因素，人工林(高大喬木組成)的林冠截留作用很強，而灌草地攔截泥沙作用較弱，所以隨著降雨量的增大灌草地水土保持功能不斷下降，在降雨較為頻繁的地區喬木林的水土保持效果更好[9-14]。

3 結 論

1)從近3a降雨數據上，研究區年降雨量基本呈正態分布，1-4月降雨最少，5-10月降雨集中，8月份降雨最大，9月降雨量逐漸減少，各年份的月降水量變化趨勢相同；每年的夏秋兩季屬降雨集中期，干濕季節明顯，該變化規律符合大陸性季風氣候特點。

2)在降雨徑流和泥沙攔截等方面不同覆蓋度的用地類型存在一定差異，農作物和耕作方式也會在一定程度上影響土壤流失。在坡度、降雨強度不變的情況下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕的主要因素，不同地表覆蓋的降雨入滲和雨水攔截作用存在一定差異，這必然引起不同的土壤侵蝕程度，順坡種植不利于泥沙攔蓄、雨水截流，因此順坡種植的大豆地和玉米坡耕地比較容易發生土壤侵蝕。

3)頻繁的小型降雨小于極少的大暴雨造成的土壤侵蝕量，應考慮土壤侵蝕受大暴雨的影響合理制定水土流失防治措施。因受擾動比較大，坡耕地產沙量在不同雨強級別下均高于其它用地類型。

d、降雨特征指標與各徑流小區產沙量之間的關系，在不同降雨強度級別下存在一定的差異性，因泥沙攔截效應有效灌草地對小型降雨有一定的抗沖作用，而對于大暴雨擁有較多群落層次的喬木林具有更好的水土保持功能，較低的枯枝落葉和草木層可以減少降雨動能，較高的林冠層可以截流雨水，從而更好地減少激濺侵蝕。部分覆蓋度較高的植被也具有一定的抗降雨侵蝕效應，但對坡度較大的坡耕地建議采取退耕還林措施。