不同水土保持措施下徑流小區產流產沙與降雨關系研究

司英凡,俞琳琳,朱家潤

(1.江蘇省水利科教中心,江蘇 南京 210000; 2.江蘇省水文水資源勘測局 徐州分局,江蘇 徐州 221000)

黃泛平原區地處海河平原與淮北平原之間,區域內存在嚴重的土壤沙化現象。近年來通過生態系統改造治理,黃泛平原區土壤質量得到明顯提升,結構得到明顯改善,土地利用率進一步提高,但下墊面環境中多為粉砂和沉積細砂,土地生產力較低,因此水利部在《全國水土保持規劃國家級水土流失重點預防區和重點治理區復核劃分成果》中將黃泛平原風沙區列為國家級水土流失重點預防區,著重加強防護治理。該區屬于北方土石山區(一級區)的華北平原區(二級區),地勢平坦,但受黃河多次遷徙、決口、改道等影響,形成了河灘高地、河間洼地、崗、坡、緩平坡地相間分布的格局[1]。該區水土流失多集中在受人為利用影響較大的土地類型上,主要類型為城鎮、農村建設用地及采礦用地,因此對黃泛平原區開展水土流失治理及研究顯得尤為重要。目前該區設置標準徑流試驗小區目的在于為水土保持動態監測提供基礎依據,推演區域水土流失概況,評估水土流失治理效益,對不同水土保持措施下的土壤侵蝕因子進行分析,并探求其在不同土壤環境、水文氣象等條件下的侵蝕規律。本研究所選取研究小區為豐縣水土保持監測站,通過對該站點進行不同水保措施下的降雨徑流試驗,研究其在不同降水條件下產流產沙的規律,并分析不同水保措施下的防治效果,為水土流失治理提供科學的理論依據和精準的決策支撐。

1 研究區概況

研究區位于江蘇省徐州市豐縣大沙河鎮(東經116°38′40.6″、北緯34°33′12.6″),屬于淮河流域沂沭泗水系。屬暖溫帶半濕潤季風氣候區,四季分明,地勢平緩。多年平均氣溫13.8 ℃,平均相對濕度72%。降水量年際變化大,時空分布極不均勻,多年平均降水量734 mm,年最大降水量1 206.7 mm,年最小降水量377.3 mm,汛期降水量占全年降水量的66%。地勢南高北低,自然坡降1/3 000～1/10 000。表層土壤主要以黏土、亞黏土、亞砂土、砂土組成,分布規律是沿河道兩岸為砂質土壤,遠離河道低洼地區為黏質土壤。植被類型為針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林,植物種類較簡單,主要分布為側柏和刺槐,其次為麻櫟、栓皮櫟、黑松及赤松人工林;另分布有小面積次生林,主要喬木樹種有黃檀、刺槐、豆梨、黃連木及臭椿等,主要灌木有牡荊、酸棗、茅莓和野山楂[2]。

2 研究方法

2.1 小區情況

試驗小區是江蘇省水文水資源勘測局依托江蘇省水土保持監測與管理信息系統工程于2022年所建,小區內監測項目有降雨、徑流、泥沙、植被覆蓋度/郁閉度、土壤水分和作物產量等。共有5個長20 m、寬5 m的標準坡面徑流小區,主要測報設施有輪式自動泥沙采樣器、翻斗式徑流自記儀各5組,土壤墑情傳感器15套,自動氣象站1處,1 m×1 m林下覆蓋度監測場4處。選取一組自然荒草坡面作為荒草代表小區,其余小區分別種植梨樹(樹齡3 a)、欏木石楠、黑麥草、大豆,分別代表種植經果林、喬木林、草地、農作物等不同措施。試驗所選措施均為黃泛平原區具有代表性的措施類別,與當地種植措施保持一致。小區內土壤類型為潮土,土層厚約50 cm,5個坡面均為北向坡,小區內地面橫向平整,每年汛后復核坡度,保持排水通暢。本研究所選觀測年份為2020—2021年,各小區概況見表1。

表1 2020—2021年徑流小區概況

2.2 數據觀測方法

降雨量數據通過氣象站翻斗式遙測雨量計獲得,定期校核、巡查并清除承雨器內雜物,保持儀器清潔;暴雨時適當增加巡查次數,保證儀器正常運行。風速、風向、溫度、濕度數據由全自動氣象站一體化觀測,每周進行數據監控,有異常情況及時處理。徑流量測量前清除集流桶蓋板積水,防止積水進入桶內,影響試驗精度;清除積水后打開桶蓋,將不銹鋼尺垂直放入桶中至桶底,讀取水面所在刻度值,在每個集流桶內壁三等分點處做好標記,每個位置各測水深1次;采集桶內水樣,在不同位置取樣2次,以攪拌舀水取樣為主,產流后集流槽內若沉積泥沙,則將泥沙全部取出稱量,測定產流量、干土質量,并采用烘干法對含沙量進行測定,計算泥沙總量。每15 d觀測植被覆蓋度及郁閉度,產流后加測一次,如遇連續降水,雨停后觀測,并用TDR法對土壤含水量及土壤深度進行測定。對經果林和農作物產量進行監測,在作物成熟后計算小區作物的產量。根據小區監測運行情況,本研究選取2020—2021年的降雨、徑流、泥沙等數據進行分析。

3 結果分析

3.1 2020—2021年降雨量特征

收集整理氣象站雨量計所得到的降雨數據,2020年降水總量為992 mm,高于該區多年平均降水量,年降水日數為85 d,最大日降水量為89.5 mm。2021年降水總量1 197 mm,遠高于多年平均降水量,年降水日數為80 d,最大日降水量為102 mm。根據氣象水文部門關于降雨量等級的劃分標準,劃分場次降雨等級。通過分析不同年度內場次降雨中最大I10、最大I20、最大I30和平均雨強與坡面徑流場產生徑流量之間的關系,利用回歸分析發現,徑流量與最大I30擬合程度最好,關系最緊密[3]。降雨等級及I30情況見表2。

表2 2020—2021年研究區降雨及降雨強度劃分情況

由表2可知,該區域場次降雨多為小到中雨,2020、2021年小雨及中雨場次分別占全年的85.5%和68.5%,降雨量分別占全年的32.9%和21.1%?？梢娦〉街杏陥龃坞m多但降雨量占比不大,大雨及以上級別降雨場次在2020、2021年的占比分別為14.5%和31.5%,降雨量卻占到了67.1%和78.9%。降雨量分配主要來自于大雨、暴雨及大暴雨。受2021年臺風“煙花”影響,該區域強對流天氣較多,帶來了多場次強降水,降雨量相比2020年度增加了20.67%,是一個典型的豐水年,且年內最大I30>30 mm/h的分級降雨場次比2020年度有明顯增加。

根據小區內觀測數據,2021年度產生徑流次數更多,且多發生在最大I30>30 mm/h的場次。摘選2020、2021年5個小區均產生徑流泥沙的降雨場次信息,見表3。由表3可知,小區產生徑流的降雨場次均為大雨及以上級別,產流所需降雨量大且I30很高,在短時強降雨過程中,土壤經降水滲透飽和后遭受侵蝕形成坡面徑流,降雨侵蝕力也隨著降雨動能的增大而增大。當I30>30 mm/h時,短時雨強大于土壤下滲能力,此時產生超滲產流和壤中流。當10 mm/h≤I30≤30 mm/h時,如果歷時較短,則可能只產生壤中流,如果歷時較長則會出現飽和地面徑流即蓄滿產流和壤中流。前期雨量大小也直接影響小區的徑流量,在汛期連續降雨情況下,前期雨量較大,此時該區域前期土壤含水量偏大,極易形成蓄滿產流,并最終攜帶泥沙進入集流桶中。采集桶內水樣后靜置至泥沙完全沉淀,取出上層清水后將泥沙盒放入烘箱中烘干,得出水樣中含沙量,通過各小區產生的徑流總量計算徑流中所含泥沙量,加上集流槽及導流管中泥沙烘干后的質量,通過換算折合即為此次降雨的土壤流失量。

表3 產生徑流的降雨場次信息

3.2 不同小區產流產沙特征

選取2020—2021年5個小區均產生徑流泥沙的場次降雨,進行徑流量、含沙量和土壤流失量的定量分析與比較(見表4)。這14次降雨總量為947 mm,荒草地、梨樹、大豆、欏木石楠、黑麥草小區所形成的徑流深總量分別為175.63、124.79、97.68、79.77、64.66 mm,小區徑流中平均含沙量分別為1.61、0.92、0.82、0.42、0.41 g/L?？梢娫?020—2021年間不同小區中產流及含沙量的大小關系均為荒草地小區>梨樹小區>大豆小區>欏木石楠小區>黑麥草小區。并且可以看到沒有植被覆蓋的荒草地小區產流、產沙量明顯大于采取水保措施的小區。不同水保措施與區域水文降雨徑流過程形成一個相互影響的調節反饋系統,植物措施對土壤進行改造,增加土壤的營養物質含量,改良土壤的結構與質地,并通過植被攔蓄減弱降雨侵蝕動能,提高土壤的下滲能力,在有效減少坡面徑流的同時減少泥沙量。

分析可知,各小區的徑流深與降雨量及雨強均呈正相關關系,徑流量隨降雨量的變大而變大,并且當兩場降雨量接近時,雨強大的降雨歷時就短,在土壤下滲速率相同的情況下,下滲量減少,所產生的徑流深增加。當出現連續降雨時,降雨歷時長導致前期影響雨量增大,土壤含水量增大,徑流量也明顯增大。但徑流中的含沙量并不與降雨量及雨強有明顯關聯,這可能是與植被攔蓄能力、降雨歷時、人為擾動影響有關,可以看出2020年剛布設水保措施時各小區所產徑流中含沙量及土壤流失量普遍偏高,經過一年的時間,在2021年相類似的降雨徑流過程后,含沙量及土壤流失量均有了明顯的下降趨勢。隨著時間的推移,植被對侵蝕性降雨起到了越來越明顯的保護作用,減少土壤泥沙的流失作用顯著。

根據2020—2021年多場次徑流過程中土壤流失量的對比來看,在不同水保措施下,梨樹小區的土壤流失量最大,大豆小區次之,欏木石楠小區與黑麥草小區流失量接近,黑麥草抵抗土壤流失能力最強。這可能與水保措施種類、植被覆蓋度、種植方式有關。黑麥草屬于耕種草地措施,植被覆蓋率高達99%,且黑麥草的根系發達,生長快,固持土壤能力強,使土壤團粒體水穩性、分散特性和團粒結構得到明顯改善,提高了土壤抗蝕性,減少了徑流及泥沙的產生[4]。欏木石楠作為喬木林措施,植被覆蓋度達80%,對地表的覆被和土壤的改良有極為突出的能力,在石楠及其枯落物的影響下,土壤中微生物得到有效繁育,且其根系也能夠固持土地,減少地表徑流,減弱侵蝕作用。大豆作為農業措施,比梨樹經果林措施防治土壤流失效果好,可能是因為:大豆采用平播密植、無壟栽培,減少了匯水量,增加了地面滲透時間,不中耕使播種后土質不松動、不易流失,收獲后不需整地減少了機械人為擾動次數,有利于土壤內微生物的繁殖,從而使土壤滲透量增加,徑流減少[5]。梨樹樹齡較短且種植時間不長,植被覆蓋率不高,在汛期降雨集中、雨強大的情況下,水土流失防治效果不夠理想,其水土保持效果主要是依靠果樹根系在長時間的發育中形成強大的團聚結構,對徑流進行攔蓄,在保持土壤通氣透水的同時起到蓄水固土的作用。綜上所述,根據各種植小區的徑流量、含沙量、土壤流失量數據分析,在黃泛平原區抵抗降雨侵蝕、攔蓄水土能力的大小依次為黑麥草>欏木石楠>大豆>梨樹。

4 結論

黃泛平原區場次降雨多為小到中雨,但主要降雨量來自大雨及以上級別,且受臺風影響,強對流天氣增多,雨強大的強降雨增多。2020—2021年發生降雨侵蝕的徑流多為I30大于30mm/h的降雨,在汛期連續降雨情況下,前期降雨量大,土壤含水量增大,極易形成蓄滿產流。各小區徑流深與降雨量及雨強均呈正相關關系,徑流量隨著降雨量的增大而增大,雨量相等時雨強越大降雨歷時越短,在土壤下滲速率不變的情況下,下滲量減少,徑流深也就越大。但含沙量與降雨量、雨強關系不明顯,可能與土層各向異性的作用有關。

2020—2021年各徑流小區產流產沙及土壤流失量的大小關系是:荒草地小區>梨樹小區>大豆小區>欏木石楠小區>黑麥草小區。荒草地小區的產流產沙及土壤流失量明顯大于其余布設水保措施的小區,說明不同的水保措施均能對土壤進行改造,通過植被攔蓄降低雨水侵蝕動能,提高土壤下滲能力,減少坡面徑流的同時減少泥沙量。根據植被措施種類及方法得出植被覆蓋度最大的黑麥草是水土流失最少的小區,因其生長快且效果理想,可以看出耕種草地水保措施是黃泛平原區短時間內防治水土流失最有效的手段。