水土保持和不同降雨條件對小流域水土流失的影響研究

陳 丹

(廣東方莫工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510510)

1 概述

降雨是引發水土流失的重要因素，已有研究中將降雨事件特征進行了劃分，有降雨強度、降雨量和降雨歷時等，這些特征參數與流域的產流輸沙量密切相關[1-3]。同時，降雨類型對流域與水土流失也存在密切的關系。降雨類型與水土流失的關系是一個極具有研究價值的課題，可以為水土流失治理提供理論依據[4-6]。

小流域的水土流失預報和降雨輸沙產流規律被視為水土保持研究的重點。隨著生態化治理概念的提出，使得小流域的產沙產流機制產生改變，治理效果也得到大幅提升[7-8]。但在目前的研究中鮮有考慮降雨類型對水土保持效益的研究成果，因此了解降雨類型對水土流失影響規律具有重要的科學意義[9-10]。通過統計流域內24年來洪水事件的降雨泥沙水文數據，采用皮爾遜相關分析法探究降雨量、徑流、輸沙量與降雨特征的關系，分析不同類型降雨條件下次洪水事件的產流輸沙特征，探討水土保持治理效果。

2 工程概況

2.1 地質與水文環境

研究區流域由一條2km的主溝和多條支溝交錯構成，流域面積1.36km2，平均比降為20.75%。流域中主要存在兩種土質，其中呈黑褐色的黃土占比超過60%，其余部分為呈紅色的黑褐粗骨土。流域年降水量差異大，最少年降水量僅為366.8mm，而最大年降水量可達933.7mm，多年的平均講降水量為542.5mm。而在降水年內降水分布也不均勻，全年70%以上的降水量由汛期提供。由于獨特的地質條件，年蒸發量達1293mm，一年內的溫差最高達57.4℃，土體干燥度為1.3。

2.2 水土保持現狀

流域在水土保持的治理早期，主要采用種草種樹、改種梯田等手段進行坡面治理。直至2016年，19座大小不一的淤泥地壩在流域內修建完成。由數據表1可知，經過多年的水土保持治理和發展，土地利用有了較為顯著改善。相較于1997年，2014年流域的林地面積增加了15.2%，梯田面積增加了35.2%，裸地面積減少了4.3%，坡耕面積減少了45.9%。

表1 研究區土地利用類型占流域面積比例%

3 數據來源與研究方法

本文使用的水文數據均來自流域內3所雨量站；流域出口設置徑流泥沙測站，采用體積法測定徑流流量，使用浮標法計算流量進行檢驗，泥沙樣品量采用置換法計算得到。

本文采用皮爾遜相關分析法探究降雨量、徑流、輸沙量與降雨特征的關系。并根據爾遜相關分析法對研究的參數做出定義：

D—降雨歷時，I—降雨強度，P—次降雨量，Qmax—洪峰流量，H—徑流深度，Rc—徑流系數，Cmax—最大含沙量，C—平均含沙量，Ms—輸沙模數，I30max—最大30min降雨強度，P1d—前1d降雨量，P3d—前3d降雨量，P5d—前5d降雨量，P7d—前7d降雨量。

根據K均值分類法，將降雨特征進行了詳細的劃分，分類的方差值需滿足p<0.05，才會被認定為分類合理。

4 結果與討論

4.1 流域水沙變化特征

根據科學試驗站提供的數據，本文對流域的降雨進行了統計，將不同年代的降雨事件的降雨量、泥沙變量、徑流進行了詳細的描述分析，分析結果見表2。在143場的洪水事件中，最小降雨量為3.1mm，最大降雨量為96.8mm，有17場降雨事件的次降雨量大于50mm，并引發了洪水，占總降雨事件的11.9%。當降雨量在43～2399mm范圍內時會發生次洪水事件，在此類事件中平均降雨歷時628min。有21場的洪水事件降雨歷時大于1000min，在總事件中占14.7%。有59場的洪水事件降雨歷時少于480min，在總事件中占41.3%。平均降雨平均強度的最大值可達32.6mm·h-1，降雨歷時較短，僅有43min；次降雨平均強度的最小值為0.4mm·h-1，降雨歷時長，持續降雨1570min。在洪水事件中多數降雨強度小于5mm·h-1，共發生了112次，在總事件中占79%，前期降雨量的變化基本隨降雨歷時的增長而增大，前1d的變異系數為2.18，前3d的變異系數為1.35，5d的變異系數為1.14，7d的變異系數為1.05。

在次洪水事件中徑流深度小于0.1mm的事件發生了65次，占據了總事件的45.5%。而在所有洪水事件中，徑流深度在0.001～22.9mm之間，平均值為0.8mm。徑流系數在0.0001～0.23之間，有90場洪水事件的徑流系數小于0.01，占總事件的62.9%。輸沙模數的變化范圍在0.02t·km-2～9991.8t·km-2之間。有17場洪水的輸沙模數超過500t·km-2，占總事件的11.9%；有82場洪水的輸沙模數少于50t·km-2，占總事件的57.3%。含沙量的最大值為612.1kg·m-3，最小值為19.3g·m-3，變異系數為0.56。

表2 流域次洪水事件描述統計特征

4.2 降雨-徑流-輸沙關系

根據科學試驗站提供的數據，經整理后構建了降雨、徑流和輸沙變量的皮爾遜相關矩陣，可知，輸沙和徑流與D的方差均大于0.05，不具有顯著相關，最大含砂量與D的方差p<0.05，水平顯著相關。而P與輸沙、徑流、降雨、徑流系數以及最大含砂量的方差p<0.05，水平顯著相關。I30max與輸沙、徑流、最大含砂量、徑流系數、降雨的方差p<0.01均具有顯著相關性。

4.3 不同降雨類型下徑流和輸沙

經統計，根據降雨特征均值P和I30max的大小將143場降雨劃分為4個類型，見表3。由表3可知，Ⅰ型降雨：發生頻次最多，共發生112次，降雨量小，降雨強度大；Ⅱ型降雨：發生頻次最少，共發生4次，降雨量大，降雨強度小；Ⅲ型降雨：共發生13次，降雨量大，降雨強度小；Ⅳ型降雨：共發生14次，降雨量小，降雨強度大。

不同降雨類型對流域累計降雨量、輸沙量、徑流量占比的影響如圖1所示。由圖1可知，Ⅰ型降雨的累計降雨量占總降雨量的60.32%，在4種類型的降雨中占比最大，累計徑流量和累計輸沙量僅次于Ⅱ型降雨，占比分別為37.8%和33.05%。Ⅱ型降雨的累計徑流量和累計輸沙量分別為39.93%和43.46%，在4種類型的降雨中占比最大，但累計降雨量僅占總降雨量的8.53%。Ⅲ型降雨的累計降雨量在4種類型的降雨中排第二，但累計徑流量和累計輸沙量占比最少。

表3 降雨類型統計特征

在黃土地區，降雨的產流以超滲產流為主，并且降雨的產流能力和過程與降雨強度顯著相關。根據表2中皮爾遜相關分析數據顯示，在所有類型的降雨事件中I30max與流域的Qmax和RC顯著相關，并且I30max與降雨類型的關系為：Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ。不同降雨類類型對流域產流輸沙特征的影響如圖2所示，在統計中降雨類型之間顯著差異性用圖中字母表示(p<0.05)。圖2(a)中展示了降雨類型對流域徑流系數的影響。流域降雨的產流能力通常采用徑流系數來表征，從圖2(a)中可以看出四種降雨類型中徑流系數由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ，其中Ⅱ與Ⅳ的存在顯著差異，Ⅰ與Ⅲ則差異不明顯。說明不同降雨類型對徑流過程有重要影響。觀察圖2(b)可以發現，四種降雨類型中累計洪峰流量由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ。其中Ⅰ型與Ⅲ型降雨的累計洪峰流量小于0.5m3/s，事件發生頻次也較少，為9場和1場。由圖2(c)可知，Ⅱ型降雨的輸沙模數要遠大于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ型降雨的輸沙模數，具有顯著性差異，輸沙模數平均值為4261.23t/km2。而其他類型的降雨則與輸沙模數差異不顯著，平均輸沙模數度低于500t/km2。由圖2(d)可知，4種類型的降雨與流域的次洪水事件平均含沙量存在差異不顯著，但流域輸沙量與產流量常常采用洪水事件的平均含沙量來表征，這也說明了流域水沙與降雨類型關聯性較弱。

圖1 不同降雨類型累計降雨量、累計徑流量和累計輸沙量所占比例

圖2 不同降雨類型下次洪水事件產流輸沙特征

5 結論

本文通過統計流域洪水事件的降雨泥沙水文數據，采用皮爾遜相關分析法探究降雨量、徑流、輸沙量與降雨特征的關系，并利用根據K均值分類法，將降雨特征進行劃分。結果表明降雨類型中徑流系數由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ，其中Ⅱ與Ⅳ存在顯著差異，Ⅰ與Ⅲ則差異不明顯。說明不同降雨類型對徑流過程有重要影響；降雨類型中累計洪峰流量由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ；Ⅱ型降雨的輸沙模數要遠大于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ型降雨的輸沙模數，具有顯著性差異；降雨與流域的次洪水事件平均含沙量存在差異不顯著。研究結果對降雨類型對水土流失影響規律具有重要的科學意義。