黃丘一副區水土流失對不同雨型的響應

關鍵詞：土壤侵蝕；徑流場；降雨類型；徑流系數；土壤侵蝕模數；黃丘一副區；黃土高原

中圖分類號：Ｓ１５７．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０２４

引用格式：侯芳，李平，馬三保．黃丘一副區水土流失對不同雨型的響應［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：１１９－１２２．

黃河是我國泥沙含量最高的河流，其水沙來源及變化一直是研究熱點［１－２］ 。進入２１ 世紀以來，黃河水沙量銳減，進一步引起了廣泛關注和深入研究［３－６］ 。許多水土流失規律研究是基于實驗室人工模擬降雨和單一地形進行的，但人工模擬降雨不能完全代表自然狀態下的降雨、單一地形很難反映復雜的下墊面條件，而基于野外自然條件下不同尺度小區觀測數據的研究較少。本文基于黃土高原黃土丘陵溝壑區第一副區（簡稱黃丘一副區）橋溝小流域不同尺度的徑流泥沙觀測站和大型坡面徑流場長序列（１９９０—２００９ 年）監測資料，分析了不同空間尺度坡面和小流域水土流失對不同雨型的響應情況，以期為該區水土流失治理措施配置及相關研究提供參考。

１研究區及徑流場布設概況

１．１研究區概況

黃丘一副區地形破碎、溝壑密度大，是黃土高原嚴重水土流失區。橋溝小流域位于陜西省綏德縣，屬無定河左岸裴家峁流域，是黃丘一副區的一條典型小流域，流域面積０．４５ ｋｍ^２，主溝道長１．４ ｋｍ、平均比降為１．１１％，流域平均寬０．３２ ｋｍ，不對稱系數０．２３，溝壑密度５．４ ｋｍ／ ｋｍ^２，海拔８２０～１ １８０ ｍ。流域內多年平均降水量為５００ ｍｍ 左右，降水量年際變化較大、年內分配不均（主要集中在６—９ 月，且多以暴雨形式出現）。

２００２ 年以前，流域內延續農耕傳統，在各地貌類型開展適宜的農作物種植，梁峁坡以耕地為主，溝坡溝道為荒地；２００３ 年以后，隨著退耕還林還草工程的實施，土地利用發生較大變化（見表１），梁峁坡及部分溝床變為喬灌木林或人工草地，流域植被覆蓋度提升，土壤侵蝕得到有效控制。本文根據收集的徑流泥沙數據序列（１９９０—２００９ 年）和流域植被覆蓋度變化情況等，將研究時段分為１９９０—２００２ 年（稱為自然侵蝕期）和２００３—２００９ 年（稱為植被恢復期）兩個時期。

１．２水土流失觀測設施布設概況

橋溝小流域內有一支溝、二支溝兩條支溝（流域面積分別為６．９、９．３ ｈｍ^２），黃委綏德水土保持科學試驗站自１９８６ 年開始把該流域作為野外原型試驗流域，在橋溝、一支溝、二支溝溝口分別設置了徑流泥沙觀測站，在主溝道左岸山坡集中平行布置了８ 個大型徑流場（見圖１），徑流場之間用混凝土預制板相隔，每個徑流場的出口建分水箱和徑流池用于測量徑流量和產沙量。各徑流場峁邊線以上坡面在自然侵蝕期以坡耕地為主、在植被恢復期以草灌為主，其他情況見表２。此外，流域內還設置有４ 個雨量站，其中４＃雨量站分布在徑流場南側附近，采用自記雨量計＋遙測雨量計對照觀測的方法，在１９９０—２００９ 年共取得１ ３７８ 次降雨數據。

２降雨聚類分析

采用泰森多邊形法計算流域平均降雨量，采用Ｋ－均值聚類法和ＳＰＳＳ１３．０ 軟件對降雨進行分類，把方差具有顯著差異（顯著性水平＜０．０５）的分類數據作為合理分類結果。降雨侵蝕力Ｒ 表征降雨造成土壤侵蝕的潛在能力［７］ ，最大１０、３０、６０ ｍｉｎ 雨強中最大３０ ｍｉｎ雨強Ｉ_３０與土壤侵蝕量的相關性最強［８］ ，因此依據這２個指標和降雨量Ｐ、降雨歷時Ｔ 進行降雨聚類分析，以徑流場附近的４＃雨量站自動觀測的降雨數據為基礎進行降雨分類，把１ ３７８ 次降雨分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型３類（見表３），其中：Ⅰ型降雨為大雨量、大雨強、低頻率、歷時中等的降雨，Ⅱ型降雨為小雨量、小雨強、高頻率、短歷時降雨，Ⅲ型降雨為中等雨量、中等雨強、中等頻率、長歷時降雨。不同時期各類降雨特征值統計見表４。

由表３、表４ 可知，Ⅰ型降雨侵蝕力遠大于Ⅱ型和Ⅲ型的［其最大值出現在１９９４ 年，為８ １１４．７４ ＭＪ·ｍｍ／ （ｈｍ^２·ｈ）］，Ⅰ型降雨最大３０ ｍｉｎ 雨強也遠大于Ⅱ型和Ⅲ型的（其最大值出現在１９９４ 年，為６６．７ ｍｍ／ ｈ）。

３土壤侵蝕對不同雨型的響應

３．１不同時期的泥沙輸移比

泥沙輸移比反映流域土壤侵蝕過程中泥沙輸移情況，指某一斷面實測輸沙量與該斷面以上流域總侵蝕量之比。筆者提取了研究時段（１９９０—２００９ 年）橋溝小流域全面產流（各徑流場和各監測斷面均發生洪水）的次降雨洪水觀測成果（其中１９９４ 年８ 月４ 日降雨為研究時段內Ｐ、Ｉ_３０、Ｒ 均最大的Ⅰ型降雨，造成除橋溝、一支溝和６ 號徑流場測流設備完好外其他徑流場和二支溝測流設備被沖毀，因此本文未統計該年度８ 月４ 日以后的降雨產流產沙數據）。依據全坡長徑流場（６ 號徑流場）徑流泥沙觀測資料推算的土壤侵蝕模數和各監測斷面（一支溝、二支溝、橋溝）控制流域面積，計算各監測斷面控制流域的次降雨土壤侵蝕量，進而計算相應的次降雨洪水泥沙輸移比：

Ｓ ＝ Ｙ ／ Ｄ

式中：Ｓ 為次降雨洪水泥沙輸移比；Ｙ 為流域出口斷面實測次降雨洪水輸沙量；Ｄ 為計算的次降雨土壤侵蝕量。

１９９０—２００９年觀測到橋溝全流域發生土壤侵蝕的泥沙輸移過程６０ 次，年均３ 次，其中：自然侵蝕期５５ 次，年均４．２ 次；植被恢復期５ 次，年均０．７ 次。按照上述方法計算的一支溝、二支溝、橋溝不同時期的泥沙輸移比見表５。自然侵蝕期３ 個監測斷面控制流域的泥沙輸移比分別為０．９９２、０．９９９、０．９７０，與龔時旸等［９－１０］ 研究所得天然下墊面小流域泥沙輸移比接近１的結論相符。植被恢復期３ 個監測斷面控制流域的泥沙輸移比分別為０．５４２、０．１０５、０．３６０，較自然侵蝕期明顯減小，尤其二支溝減幅達８９．５％，原因是退耕還林還草工程建設使橋溝小流域林草覆蓋率整體上由自然侵蝕期１０％提高到植被恢復期７０％，二支溝因梁峁坡（以耕地為主）占比較橋溝小流域其他區域高而退耕還林（草）后植被覆蓋度達９０％，有效控制了土壤侵蝕，但土壤侵蝕量仍以溝坡占比較大的全坡長徑流場（６ 號徑流場，梁峁坡在前后２ 個時期均為耕地）裸露下墊面為基礎來計算，計算結果比實際土壤侵蝕量大，因而計算的泥沙輸移比明顯減小，這也反映出二支溝退耕還林（草）等措施的減沙效益顯著。

３．２各類徑流場水土流失對不同雨型的響應

基于１９９０—２００９ 年降雨、徑流、泥沙觀測資料計算的各徑流場（支溝）在３ 種雨型情況下的平均徑流系數和土壤侵蝕模數見表６。

由表６ 可知：各徑流場（支溝）Ⅰ型降雨的徑流系數顯著大于Ⅱ型降雨和Ⅲ型降雨的，其中６ 號徑流場Ⅰ型降雨的平均徑流系數達５４．２％，空間尺度相對較大且含各級溝道的一支溝、二支溝、橋溝發生３ 種雨型的徑流系數較８ 個坡面徑流場（空間尺度相對較小，除侵蝕溝外不含各級溝道）的徑流系數小得多，表明徑流主要產生于坡面。

同一空間尺度（徑流場或支溝）Ⅰ型降雨的土壤侵蝕模數顯著大于Ⅱ型降雨和Ⅲ型降雨的，Ⅱ型降雨與Ⅲ型降雨的土壤侵蝕模數相差較小；含峁邊線以下溝坡的橋溝、一支溝、二支溝、６～８ 號徑流場發生Ⅰ型降雨的土壤侵蝕模數顯著大于Ⅱ型和Ⅲ型降雨的，而峁邊線以上的１～５ 號徑流場發生３ 種雨型的土壤侵蝕模數均相對較小，表明峁邊線以下溝坡土壤侵蝕模數顯著大于峁邊線以上梁峁坡土壤侵蝕模數、Ⅰ型降雨是造成嚴重水土流失的主要雨型，即防治水土流失的重點是控制發生Ⅰ型降雨時峁邊線以下溝坡和溝道土壤侵蝕。

４結論

（１）退耕還林（草）等水土保持措施，使黃丘一副區植被覆蓋率顯著提高、坡面土壤侵蝕模數顯著減小。

（２）Ⅰ型降雨的徑流系數顯著大于Ⅱ型降雨和Ⅲ型降雨的，黃丘一副區降雨徑流主要產生于梁峁坡。

（３）Ⅰ型降雨土壤侵蝕模數顯著大于Ⅱ型降雨和Ⅲ型降雨的，峁邊線以下溝坡溝道土壤侵蝕模數顯著大于峁邊線以上梁峁坡土壤侵蝕模數，即防治水土流失的重點是控制發生Ⅰ型降雨時峁邊線以下溝坡溝道土壤侵蝕。

【責任編輯 張智民】