曲阜九仙山小流域降雨徑流關系變化分析

李 棟，齊云婷，鄭衛東

（濟寧市水文中心，山東 濟寧 272000）

九仙山坡面徑流場位于泗河上游的曲阜市吳村鎮龍尾莊村北，該流域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647.3 mm，汛期（6～9月）降水量可達462.8 mm，占全年降水總量的73.4%。流域總土地面積約50 km2，土壤為棕壤性土和棕壤，質地多為礫質砂壤土。流域內林木植被覆蓋率為23.47%。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。流域內喬木植物主要為楊樹刺槐、麻櫟。灌木為荊條和胡枝子，草本為卷柏、狗尾草等；植物群落主要有麻櫟林、楊樹林、刺槐林、側柏林和荊條灌草叢等。

1 研究方法

1.1 試驗設施

研究區共建設5個徑流小區，見表1，分別為10°、15°、17°、20°徑流小區及梯田徑流小區各1處。徑流小區規格為水平投影坡長20 m，小區寬度5 m，面積100 m2。小區四周磚砌圍埂，圍埂外側設置保護帶，寬2 m。下部設承水槽和引水管，引水管末端設置集、分流桶，集、分流桶底部設排水孔。雨量設施主要配置了JDZ－1型翻斗式自記雨量計、自動氣象站，用于監測區域內降雨量、降雨歷時、降雨強度等。雨量計翻斗分辨率為0.5 mm，采樣周期為5 min。本文主要針對研究區內徑流小區的降雨、徑流等數據進行分析研究。

表1 徑流小區水保措施布局統計表

1.2 降雨徑流觀測

研究區的降雨徑流觀測主要依據《徑流小區和小流域水土保持監測手冊》中指定的標準進行定點定期監測。徑流小區的監測主要針對降雨結束后，采用分水箱和集流桶進行人工觀測，每次侵蝕性降雨結束后，人工觀測水深，計算徑流量；小區取樣完畢后，一般采用烘干法測定含沙量。降雨觀測主要包括日雨量、次雨量和降雨過程等。主要通過JDZ－1型自記雨量計設備和自動氣象站同時進行雨量數據的采集并計算出降雨量和降雨強度。研究區在觀測期2017—2019年降雨過程中共186場降雨量和時段降雨強度。主要采用excel2010進行數據整理分析[1]，用rainrecord軟件進行降雨量數據的摘錄。

1.3 數據分析處理

降雨的特征主要包括降雨過程中降雨量、降雨強度、降雨歷時、次降雨、降雨動能、最大30 min雨強和次降水侵蝕力等指標。研究區將降雨資料進行整理并利用rainrecord軟件計算出次雨量、日雨量、年雨量和降雨侵蝕力。計算公式如下：

式中：R次為次降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h）；E為一次降雨的總動能，MJ/hm2；I30為一次降雨過程中最大30 min雨強度，mm/h；Er為每一時段單位降雨動能，MJ/（hm2·mm）；Ir為r時段的斷點雨強，mm/h；Pr為r時段的雨量，mm。

2 結果與分析

2.1 降雨特征

2017—2019年九仙山小流域年降雨特征見表2。研究期內共降雨186場，其中2017、2018、2019年總降雨量分別691.5 mm、748.6 mm、579 mm。降雨摘錄：一是根據次降雨大于或等于侵蝕性降雨，二是次降雨小于侵蝕性次降雨但卻產流的情況。三是15 min內降雨量超過6 min的短歷時強降雨。研究區2017—2019年共篩選出45場侵蝕性降雨。其中2017年侵蝕性降雨共19場；2018年侵蝕性降雨共15場；2019年侵蝕性降雨共11場。根據降雨強度分析，產生中型降雨共36次，累計降雨量802.4 mm，占總降雨量的50.9%；共產生暴雨5次，累計降雨量281 mm，占總降雨量的31.2%；產生大暴雨4次，累計降雨量492.0 mm，占總降雨量的17.8%。

表2 2017—2019年降雨特征

研究區2017—2019年降雨量變化情況見圖1，由此可以看出，每年的2月、3月幾乎無雨，10月、11月、12月份少量降雨。2017年降雨量最大日降水量73.5 mm，最大次降水量76.5 mm，最大月降雨量242.5 mm，出現月份為7月；2018年降雨量最大日降水量104.5 mm，最大次降水量134.0 mm，最大月降雨量283.5 mm，出現月份為8月；2019年降雨量最大日降水量76.5 mm，最大次降水量138.5 mm，最大月降雨量200.0 mm，出現月份為8月份。從圖1可以看出，降雨主要集中汛期（5～10月份），每年的8月、9月份的由于降雨量強度大降雨歷時長，對土壤的沖刷力也較大，造成的水土流失量也比枯季較為嚴重。而10月至次年的3月、4月份降雨強度明顯減少，降雨一般以小雨、中雨為主，可能造成的水土流失現象不明顯。

圖1 2017—2019年降雨量變化情況

2.2 產流特征分析

針對2017—2019年研究區每年的產流次數、徑流深、水土流失量進行統計，見表3，可以看出，2017—2019年徑流小區共產流26次，分流次數為3次，分流的小區為10°小區。產流次數最多的小區為10°徑流小區，其次為20°徑流小區；其他3個徑流小區產流的次數相比前兩個徑流小區較少。產生徑流總量最大的小區為10°徑流小區（26.8 m3），其次為梯田徑流小區（8.13 m3），15°徑流小區（4.95 m3），17°徑流小區（3.90 m3），最小為20°小區（1.48 m3）。

表3 2017—2019年產流變化值

通過表3可以看出，在相同的降雨條件下，10°徑流小區的產流量和產沙量均為最大，遠超過了其他小區的產流量，這是因為10°徑流場小區與梯田小區主要種植農作物，人為擾動了小區原有土壤結構，加劇了水土流失的發生，造成了小區產流次數增多，徑流量、泥沙量增加。而15°、17°及20°小區種植植被主要為林地，其田間管理次數與人為擾動程度，前者均要大于后者，從而導致了10°小區與梯田小區無論從產流次數、分流次數、徑流量以及產沙量均要遠遠超過了坡度較大的15°、17°及20°小區。

2.3 降雨-徑流相關分析

造成水土流失的主要原因還包括降雨量、降雨強度、降雨歷時等。氣候是導致坡面土壤流失的動力因素，降雨量是影響侵蝕的主要氣候因子，降雨強度愈大，歷時越長，雨滴動能也愈大，地表產流就越多，土壤侵蝕就嚴重，侵蝕因而增強[2]。

為進一步分析降雨徑流關系變化[3]，考慮到前期降雨量的影響，選擇兩場發生時間相近的降雨量，特別是汛期6～9月份進行典型對比分析，選擇2018年兩場典型降雨，第一場降雨選擇在6月25日5：35～13：05，降雨歷時1 890 min，降雨量134.0 mm，最大I30為66.5 mm，降雨侵蝕力為2 012.0 mm。第二場降雨選擇8月14日0：35～12：00，降雨歷時685 min，降雨量100 mm，最大I30為86.6 mm，降雨侵蝕力為2 264.3 mm。兩場降雨的降雨量差別不大，但是第一場的產流卻明顯大于第二場。由圖2可以看出，第一場降雨由于受前期降雨的影響，土壤含水率高，所以小區的產流產沙量分別為第二場降雨的6～7倍，土壤流失量較大。而第二場降雨發生時，前期并沒有產生降雨，土壤含水率較低比較干燥，造成降雨直接被土壤吸收，大部分雨水下滲到土壤中去，產生的土壤流失量減少。由此可知，徑流小區降雨的產流量和前期降雨有著十分重要的關系，直接影響著徑流小區的產流產沙。

圖2 兩場降雨土壤流失量對比圖

3 結論

從以上觀測數據綜合分析來看：

1）九仙山小流域降雨徑流關系變化顯著，75.3%的降雨主要集中在6～9月份（汛期）。而24.7%的降雨集中在10～4月份（枯季）。從雨型上來看，可知45次侵蝕性降雨中，中大雨型降雨共36次，累計降雨量802.4 mm，占總降雨量的50.9%；暴雨次數5次，累計降雨量281 mm，占總降雨量的31.2%；大暴雨次數4次，累計降雨量492.0 mm，占總降雨量的17.8%。

2）在相同的降雨條件下，產生的徑流深和水土流失量差別較大，10°徑流場小區與梯田小區的產流、產沙量變化表現為最多，產流量約為其他小區的8～9倍，這說明合理的采用水土保持措施，梯田和栽植植物等對坡面徑流和泥沙造成的沖刷力減少，能夠有效地減少水土流失的發生。

3）降雨特征與徑流小區產流產沙的關系十分密切。通過對前期降雨和徑流的相關分析，當前期無降雨時，土壤比較干燥，大部分降雨直接被表層土吸收，入滲能力大于降雨強度，產生的流失量減少。由此可知，徑流小區降雨的產流量和前期降雨有著十分重要的關系，直接影響著徑流小區的產流產沙。