不同降雨條件下沂蒙山區典型小流域水土流失變化特征

張潭　孟琳　董明明

［關鍵詞］降雨特征；雨型；徑流量；產沙量；孟良崮小流域；沂蒙山區

［摘要］基于孟良崮小流域2007—2021年歷次降雨事件的降雨、徑流、泥沙等水文氣象數據，采用皮爾遜相關分析法探究降雨量、徑流量、輸沙量之間的關系，并選取2014—2021年產流降雨數據，利用K均值聚類算法，分析不同類型降雨條件下次洪水事件的產流輸沙特征，以及降雨類型對流域徑流量、輸沙量的影響。結果表明：徑流深、徑流量與降雨量，以及侵蝕量與徑流量、含沙量與I30之間均呈顯著正相關關系；相比降雨量，降雨強度是產生水土流失的主要因素；小雨量、小雨強的Ⅳ型降雨是流域常見的降雨類型，發生頻率為44.8%；Ⅲ型降雨的產沙模數和平均含沙量均為最大，是該區域產流產沙以至發生水土流失的主要降雨類型。

［中圖分類號］ S157.1［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）08－0028－04

水土流失已成為威脅全球土壤健康和可持續發展的重要因素之一，影響全球84%的陸地表面，導致33%的土地退化[1]。在諸多水土流失影響因素中，降水是影響徑流形成的重要因素，降水和徑流二者時空特征的改變勢必造成流域水沙關系的變化[2]，雨滴打擊地表，破壞土壤團聚體，形成土壤小顆粒隨徑流沖刷流失。侵蝕性降雨是水土流失的主要驅動力，甚至誘發滑坡、崩塌等，威脅群眾生命財產安全[3]。降雨類型不同，侵蝕破壞力也不同，因此研究不同降雨條件下的水土流失變化特征對于水土流失防治具有重要意義。

已有許多學者對自然因素，如降雨、坡度、植被覆蓋度等對產流產沙特征的影響進行了研究。吳希媛等[4-5]認為，降雨強度是影響徑流和入滲的決定性因素，也是引起土壤侵蝕的主要影響因子，雨強的增大提高了坡面徑流量和侵蝕量。饒素秋等[6]研究發現20世紀80年代以來黃河中游輸沙量呈現顯著減少趨勢，其原因可歸結為極端暴雨發生頻率的降低。RODRGUEZ-BLANCO et al.[7]研究表明，徑流量對流域輸沙量的影響比降雨量更為顯著。ZHANG et al.[8]以黃土高原小流域為研究對象，分析了次洪尺度上的水沙關系，結果表明大洪峰流量場次洪水的徑流泥沙關系擬合得更好、更有規律性。晏清洪等[9]發現場次降雨事件中降雨、輸沙及徑流三者間的相關關系決定了流域洪沙關系及水沙輸移規律，在流域尺度范圍內能進一步揭示泥沙來源的時空分布。考慮到目前鮮有沂蒙山區降雨類型對水土流失的影響特征的研究成果，本研究以位于沂蒙山區的典型小流域——孟良崮小流域為研究對象，通過統計流域2007—2021年歷次降雨事件的降雨、徑流、泥沙等水文氣象數據，采用皮爾遜相關分析法探究降雨量、徑流量、輸沙量之間的關系，并選取2014—2021年產流降雨數據，利用K均值聚類算法，分析不同類型降雨條件下次洪水事件的產流輸沙特征，以及降雨類型對流域內徑流量、輸沙量的影響，希望能為類似地區水土流失治理提供參考。

1研究區概況

孟良崮小流域（東經118°10′～118°11′、北緯35°34′～35°35′）屬淮河流域沂河水系，是蒙河一級支流疃里河的上游；屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，年均降水量為733.4 mm，降水年內分布不均，汛期降水量占全年的74.6%，且暴雨多、強度大，年均蒸發量為1 290 mm，年均氣溫為12.9 ℃，極端最高氣溫為40 ℃，極端最低氣溫為-21.1 ℃，年均無霜期為196 d，最大風速為20 m/s，主導風向為西北風；山丘起伏，地勢北高南低，溝壑縱橫，巖石裸露，溝道比降大、水流湍急，水土流失嚴重，并以水力侵蝕為主[10]；土壤大致可分為棕壤、潮土兩大類，質地以砂質壤土為主，其中棕壤主要分布于流域的中上游，潮土主要分布于河谷兩岸的低洼地帶；植被類型主要有水保林、經濟林和用材林等。孟良崮小流域控制站位于山東省臨沂市蒙陰縣垛莊鎮北部，控制流域面積為1.04 km2。

2研究方法

2.1徑流觀測設計

試驗設計基于小流域尺度，采用定位觀測方法，對2007—2021年每場自然降雨條件下的降雨量，以及徑流小區的產流量、產沙量進行監測。在控制站布設一系列徑流觀測設施，包括電子雨量計1個、自動氣象站1處、三角堰1處、寬頂堰1處（水量小時采用三角堰，水量大時采用寬頂堰），其中三角堰堰頂角90°、高30 cm，寬頂堰（位于三角堰下方）堰寬5 m。

2.2觀測方法

1）產流過程。降雨產流流量根據過堰水頭（即水尺讀數）代入公式計算。流量乘以該流量的過流歷時，即得徑流量。洪水總量求算是將暴雨洪水過程按測次劃分為若干梯形水體，測驗指標包括次洪水徑流量、日（月、年）徑流量等。

2）產沙過程。泥沙輸移監測采用人工單點取樣法，用水樣桶取樣，采樣時間間隔設置以4瓶為1組，共6組24瓶。具體來說，從洪水漲起開始記錄時間并采樣，記錄取樣瓶號，第一組（1～4瓶）每隔15 min采樣1次，第二組（5～8瓶）每隔30 min采樣1次，第三組（9～12瓶）每隔1 h采樣1次，第四組（13～16瓶）每隔2 h采樣1次，第五組（17～20瓶）每隔4 h采樣1次，第六組（21～24瓶）每隔8 h采樣1次，共計經歷63 h。實際的最終采樣總數視洪水漲落歷時而定，直至洪水停止，或水位降到日常水位后，按照日常觀測進行。當洪水漲落歷時＜63 h，則采樣數量可＜24瓶；當洪水漲落歷時＞71 h，采樣數量可＞24瓶。取得樣品后都要進行樣品量積、靜置、過濾、烘干和稱量，算出樣品的含沙量，由樣品的含沙量可算出斷面平均含沙量。

2.3數據處理

根據流域控制站監測的數據，對2007—2021年歷次降雨的降雨量（P，mm）、降雨歷時（D，min）、降雨強度（I，mm/h）、最大30 min降雨強度（I30，mm/h），以及徑流深（H，mm）、徑流系數（Rc）、洪峰流量（Q，m3/s）、產沙模數（Ms，t/km2）、平均含沙量（C，kg/m3）進行統計分析，探究孟良崮小流域降雨及產流產沙特征，并采用皮爾遜相關分析法及線性擬合評估降雨量、徑流量、輸沙量之間的關系；利用K均值聚類分析法，選取2014—2021年8 a間發生產流事件的96場降雨根據P和I30進行分類，分析不同降雨類型對產流產沙的影響。

3結果與討論

3.1流域水沙變化規律

根據流域控制站提供的數據，對孟良崮小流域2007—2021年歷次降雨事件進行統計，結果見表1。期間共發生275次降雨事件，其中最小次降雨量為1.8 mm，最大次降雨量為112.0 mm，有40次降雨事件的降雨量＞50 mm，占總降雨事件的14.5%；降雨量＞5.0 mm時會發生產流事件，共發生產流155次，產流降雨平均降雨歷時為639.6 min；有57次降雨事件降雨歷時＞1 000 min，占總降雨事件的20.7%，有129次降雨事件降雨歷時＜480 min，占總降雨事件的46.9%；單次降雨平均降雨強度最大值可達54 mm/h，該次降雨的降雨歷時為775 min，多數降雨強度＜5 mm/h，共發生了205次，占總降雨事件的74.5%。

所有降雨產流事件中，徑流深在0.003～36.7 mm之間，平均值為1.9 mm，其中徑流深＜0.1 mm的降雨事件發生了40次，占總產流事件的25.8%；徑流系數在0.000 2～0.48之間，多數產流事件的徑流系數＜0.1，共發生了126次，占總產流事件的81.3%；洪峰流量的變化范圍在0.000 08～1.4 m3/s之間，有6場降雨的洪峰流量超過1.0 m3/s，占總產流事件的3.9%；徑流的平均含沙量在0.008～2.05 g/L之間，平均值為0.4 g/L。

3.2降雨與流域產沙過程的關系

孟良崮小流域降雨、產流、產沙之間的關系見圖1。由圖1可知，徑流深、徑流量與降雨量，以及侵蝕量與徑流量、含沙量與I30之間均呈顯著正相關，這說明降雨引起了流域產流，而降雨強度是影響產沙量的主要因素。

3.3不同降雨類型條件下流域水沙變化特征

降雨類型的統計分類特征見表2。根據K均值聚類算法計算結果，將2014—2021年研究區發生產流事件的96場降雨分為4種類型：①降雨類型Ⅰ，降雨量中等（52.5 mm），降雨強度中等（25.9 mm/h）；②降雨類型Ⅱ，降雨量最大（78.1 mm），降雨強度中等（26.3 mm/h），發生的頻率最低，僅為9.4%；③降雨類型Ⅲ，降雨量中等（65.9 mm），降雨強度最大（60.5 mm/h）；④降雨類型Ⅳ，降雨量最小（12.4 mm），降雨強度最小（11.6 mm/h），發生頻次最多，共發生43次，占總降雨事件的44.8%。

不同降雨類型流域產流產沙特征見圖2。流域降雨的產流能力通常采用徑流系數表征，4種降雨類型的徑流系數Ⅱ型＞Ⅲ型＞Ⅰ型＞Ⅳ型，見圖2（a），其中Ⅳ型降雨徑流系數最小，為0.04，Ⅱ型降雨徑流系數最大，為0.12，比Ⅳ型降雨徑流系數高200%，說明不同降雨類型會對徑流過程產生較大影響。4種降雨類型的洪峰流量Ⅲ型＞Ⅰ型＞Ⅱ型＞Ⅳ型，見圖2（b），其中Ⅲ型降雨洪峰流量＞6.2 m3/s，但事件發生頻次較少，僅為11場，在總產流事件中占11.5%，Ⅱ型和Ⅳ型降雨的洪峰流量數值差異較小，分別為2.4、2.1 m3/s。此外，流域輸沙量與產流量通常采用斷面平均含沙量來表征。由圖2（c）（d）可知，Ⅲ型降雨的產沙模數和平均含沙量均為最大，分別達到0.047 t/hm2和1.2 g/L，這表明Ⅲ型降雨是研究區產流產沙以至發生水土流失的主要降雨類型，而Ⅳ型降雨的產沙模數和平均含沙量均為最小，分別為0.000 9 t/hm2和0.1 g/L。

4結論與討論

降雨是地表徑流的主要來源，是影響水土流失的關鍵因素之一。孟良崮小流域屬于溫帶大陸性季風氣候區，季節性降雨分明。在本研究中，Ⅱ型降雨降雨量最大，導致徑流量也較大，但由于雨強中等，因此產生的含沙量較小，這說明含沙量主要受到雨強的影響。LIU et al.[11]研究表明降雨強度是影響土壤侵蝕的重要降雨因子，反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，這是因為大雨強降雨的侵蝕力較大，能夠破壞地表結構，剝離、運移土壤沙粒，從而引發水土流失。中雨量、中雨強的Ⅰ型和小雨量、小雨強的Ⅳ型降雨是孟良崮小流域常見的降雨類型，8 a中發生頻率分別為34.4%和44.8%，其中Ⅳ型降雨導致的水土流失量最小。Ⅲ型降雨發生的頻率雖然僅為11.5%，但產沙模數和含沙量卻最大，是導致該地區水土流失的主要降雨類型。王浩等[12]研究發現，極端降雨事件導致的徑流系數和土壤流失量分別是普通降雨的2.6和11.5倍。因此，孟良崮小流域的水土保持工作應加強對中雨量、大雨強降雨事件的防護措施。

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收稿日期： 2023-04-10

第一作者： 張潭（1991—），女，山東日照人，工程師，博士，主要從事水土保持管理工作。

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（責任編輯李楊楊）