棲龍灣小流域坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及降雨分析

程甜甜，朱 峰，張衛(wèi)東

（濟(jì)南市水務(wù)服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250099）

棲龍灣小流域地處魯中南低山丘陵土壤保持區(qū)，屬沂蒙山泰山國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，所在區(qū)域的地形地貌、土壤及地質(zhì)條件、水土流失特征能夠代表北方土石山區(qū)的主要類型，具有典型性。因此本研究選取位于棲龍灣小流域的10 個典型坡面徑流監(jiān)測小區(qū)，以2017—2022 年的降雨、徑流、泥沙等觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探究不同坡度、不同水土保持措施的徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其對降雨特征的響應(yīng)，以期為北方土石山區(qū)水土流失的防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

棲龍灣典型監(jiān)測點(diǎn)位于棲龍灣小流域上游，地處濟(jì)南市萊蕪區(qū)北部山區(qū)、黃河流域大汶河支流嬴汶河中上游，監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)為東經(jīng)117°37′36″、北緯36°22′46″。屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)型氣候，雨熱同期，多年平均降水量712 mm，多集中于夏季且多暴雨，平均氣溫為11.2 ℃，≥10 ℃的積溫4 265.9 ℃，主要土壤類型為褐土、潮褐土、棕壤，現(xiàn)有森林植被主要是人工林，主要樹種有赤松、黑松、板栗、核桃、花椒等。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)徑流小區(qū)于2005 年開始建設(shè)，2006 年投入使用。結(jié)合北方土石山區(qū)特點(diǎn)及試驗(yàn)區(qū)地形條件，徑流小區(qū)設(shè)計(jì)為寬5 m，長10 m（水平投影），水平投影面積50 m2。徑流小區(qū)下部設(shè)集水槽和引水槽，引水槽末端設(shè)置集流池，池壁繪制量水尺，測量蓄水容積。各小區(qū)基本情況見表1。

表1 各徑流小區(qū)基本情況

2.2 試驗(yàn)方法

嚴(yán)格按照水利部水土保持監(jiān)測中心《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測。降雨數(shù)據(jù)由翻斗式自記雨量計(jì)自動觀測傳輸，侵蝕性降雨根據(jù)監(jiān)測手冊要求進(jìn)行摘錄。每次降雨產(chǎn)流后量取集流池內(nèi)徑流深，并采用攪拌法人工取樣，隨后通過烘干法測定含沙量。觀測期為2017 年1 月至2022 年12 月。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨特征

監(jiān)測點(diǎn)2017—2022 年累計(jì)降雨374 場，累計(jì)降雨量為4 730.8 mm，年度均值為788.5 mm。各年度摘錄侵蝕性降雨分別占全年降雨量的67%、82%、72%、83%、84%、91%，產(chǎn)生徑流的最小降雨量分別為18.5 mm、32.0 mm、25.0 mm、48.0 mm、39.0 mm、30.0 mm。總體來說，棲龍灣監(jiān)測點(diǎn)降雨有明顯的季節(jié)變化，降雨主要集中在6~9 月，而侵蝕性降雨主要集中在6~8 月，且以7~8 月為主。濟(jì)南市萊蕪區(qū)多年平均降雨量為712 mm，高于多年平均降雨量20%以上的為豐水年，低于多年平均降雨量20%以上的為枯水年，介于二者之間的為平水年。據(jù)此，2017 年、2019 年為枯水年，2018 年、2020 年為平水年，2021 年、2022 年為豐水年。

3.2 不同坡度、不同措施小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

各徑流小區(qū)2017—2022 年度產(chǎn)流產(chǎn)沙情況見表2。相同降雨條件下，裸地產(chǎn)流產(chǎn)沙量最多，且產(chǎn)流產(chǎn)沙量均隨坡度的增加而增多，采取一定的水土保持措施可減少水土流失的發(fā)生。在北方土石山區(qū)，主要的種植方式為順坡壟作和梯田種植，因此在棲龍灣監(jiān)測點(diǎn)采用這兩種耕作方式進(jìn)行對比。

表2 各徑流小區(qū)2017—2022 年產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

從表2 可以看出，植物措施同為花生的徑流小區(qū)，采取相應(yīng)的水土保持工程措施后減輕水土流失的作用更為顯著。其中順坡壟作可以減少70%以上的土壤流失量，土坎梯田可以減少85%左右的土壤流失量，石坎梯田減輕水土流失的作用最大，減少量達(dá)95%以上。因此，為減少水土流失的發(fā)生，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在北方土石山區(qū)種植作物時應(yīng)以梯田為主，條件允許的情況下應(yīng)多采用石坎梯田。

同為土坎梯田的花生小區(qū)和杏樹小區(qū)，坡度一致的情況下，杏樹小區(qū)的產(chǎn)流量比花生小區(qū)高1%左右，但產(chǎn)沙量比花生小區(qū)低約3%。杏樹小區(qū)比花生小區(qū)減少土壤流失量效果不明顯，不能很好地?cái)r截降雨，而且在除草時會對地面造成一定的擾動，使得小區(qū)內(nèi)植被覆蓋度在一段時間內(nèi)比花生小區(qū)低，進(jìn)而對兩者之間的對比結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

3.3 降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

降雨作為引起土壤侵蝕最主要的動力因子，與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙有著極其密切的關(guān)系。降雨特征如降雨量、降雨歷時、降雨強(qiáng)度等都會對坡面水土流失產(chǎn)生一定的影響。因此，在本研究中選取降雨量P、降雨歷時Dur、平均降雨強(qiáng)度Ia、最大30 min 雨強(qiáng)I30、降雨侵蝕力R 等降雨因子與徑流深H、土壤流失量A 進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析。同時，為了能對比不同水土保持措施下降雨對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，本研究以坡度為10°的4 個徑流小區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 各徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨因子多元相關(guān)分析

結(jié)果表明：1 號裸地小區(qū)、2 號坡耕地種植的花生小區(qū)、3 號土坎梯田種植的花生小區(qū)徑流深與降雨量、降雨侵蝕力、土壤流失量均呈顯著相關(guān)，降雨量越大，降雨侵蝕力越高，越有可能產(chǎn)生徑流和泥沙。且土壤流失量與降雨侵蝕力、徑流深均在0.01 水平上達(dá)到了顯著相關(guān)，降雨侵蝕力越高越容易造成徑流沖刷，從而導(dǎo)致土壤侵蝕的發(fā)生。只有3 號小區(qū)徑流深與降雨歷時在0.05 水平上達(dá)到了顯著相關(guān)，說明梯田通過改變坡面水流的路線延緩了產(chǎn)流的進(jìn)程，降雨達(dá)到一定的時長才會導(dǎo)致徑流的發(fā)生。而4 號土坎梯田種植的杏樹小區(qū)徑流深、土壤流失量與各降雨因子均沒有顯著的相關(guān)性，只有土壤流失量和徑流深呈顯著相關(guān)，說明梯田和經(jīng)濟(jì)林的組合模式可以有效地抵抗降雨造成的徑流沖刷，減少水土流失的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1）棲龍灣小流域降雨有明顯的季節(jié)變化，降雨主要集中在6~9 月，而侵蝕性降雨主要集中在6~8 月，且以7~8 月為主。

2）相同降雨條件下，產(chǎn)流產(chǎn)沙量為裸地最多，且隨坡度的增加而增多，采取水土保持措施后可減少水土流失的發(fā)生，產(chǎn)流產(chǎn)沙量為石坎梯田小區(qū)＜土坎梯田小區(qū)＜坡耕地；經(jīng)濟(jì)林＜農(nóng)地。

3）通過對4 個10°的徑流小區(qū)的徑流、泥沙和各降雨因子進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，得出裸地、坡耕地種植的花生小區(qū)、土坎梯田種植的花生小區(qū)徑流深與降雨量、降雨侵蝕力、土壤流失量均呈顯著相關(guān)；土坎梯田種植的花生小區(qū)徑流深與降雨歷時呈顯著相關(guān)；土坎梯田種植的杏樹小區(qū)徑流深、土壤流失量與各降雨因子均無顯著相關(guān)性，只有土壤流失量和徑流深呈顯著相關(guān)。梯田和經(jīng)濟(jì)林的組合模式更能減少水土流失的發(fā)生。