錦州市土壤侵蝕產流產沙規律研究

楊艷輝

（凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200）

錦州市位于遼寧省西南部，地貌為低山丘陵，以低緩山坡地為主，土壤侵蝕方式主要為水力侵蝕，兼有風蝕，中度及以上侵蝕占45.98%。錦州市屬溫暖帶半濕潤大陸性季風氣候，夏秋季降雨集中，暴雨多發，水土流失嚴重，2018 年錦州市土壤侵蝕面積達到2 649.86m2，大多分布于低山丘陵區。土壤侵蝕對生態環境和農業生產造成的不利影響已成為生態保護的重點之一，主要導致土壤沙石化和肥力下降。根據錦州市坡耕地水土流失調查資料，坡面侵蝕是其主要來源，其侵蝕程度主要受土壤、降雨、地形、植被、徑流等自然和人為因素影響[1]。目前，調節控制降雨的難度較大，但可以通過改變植被覆蓋、地形條件和用地方式的方式來調控水力侵蝕，并取得較好的效果。研究表明，下墊面條件及侵蝕性降雨顯著影響著水土流失，其中用地類型不同的覆蓋度、植物類型、下墊面、種植和耕作方式是重要影響因素，降雨作為土壤侵蝕的動力是產流產沙的關鍵影響因素。因此，研究不同植物措施的土壤侵蝕情況、降雨特征規律和徑流泥沙特征，對水土保持工程及土壤侵蝕治理顯得非常重要。然而，現有研究數據以定位觀測的3～5a 天然降雨或實驗室人工模擬降雨為主，對遼西低山丘陵區錦州市的有關研究較少[2-3]。因此，本研究利用徑流小區試驗，依據2014—2021 年長系列觀測數據和模擬坡耕地種植措施，研究探討了流域產流產沙受不同下墊面的影響及當地降雨特征，以期為錦州市水土保持規劃和土壤侵蝕防治提供科學依據。

1 研究區概況

水土保持監測點位于錦州市，屬北部低山丘陵保土蓄水區。該監測點位于北溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，季風氣候顯著，大陸性較強，年均氣溫9.2℃，多年平均降雨量555mm，平均蒸發量1 888.2mm，冬季雨量少，夏季降水多，6～9 月降水占全年70%左右。監測點為棕壤土，作物主要為大棗、花生、大豆、玉米等，優勢草種為狗尾草、紫花苜蓿、黑麥草等。

2 測算方法

2.1 徑流小區布設

研究布設5 個標準水蝕坡面徑流小區，坡度、規格、植被覆蓋等特征參數如表1 所示。根據當地作物耕作習慣設置徑流小區下墊面，包括自然荒地、林地和農地，自然撂荒的荒地長有優勢草種，將茶樹種植到林地，農地種植黃豆、地瓜和花生，以5 月和10 月為翻耕播種及收割期。各小區的匯流與分流方式相同，通過坡面匯流后降水產流進入匯流槽，其中分水池中流入1/3，水深超過0.3m 時流入集流池1/5。

表1 徑流小區特征參數

2.2 監測方法

根據現行規范進行徑流小區監測工作，監測指標包括作物產量、土壤水分、植被覆蓋、侵蝕量、含沙量、徑流量、泥沙量以及侵蝕性降雨量、雨強、降雨歷時、降雨量等降雨特征參數。其中，研究選用采樣周期5min、分辨率0.5mm 的翻斗式遙測自記雨量計觀測降雨連，根據集流池內的水位測量結果推求徑流量，采用人工采樣和標準烘干法測定泥沙量，通過目估法觀測植被平均高度和灌草作物蓋度等參數[4-6]。

2.3 數據處理

統計分析2014—2021 年降雨數據及特征，通過K 均值聚類分析侵蝕性降雨識別其特點和類型，應用灰色關聯法探究產沙、產流與降雨量之間的相關性，通過雙累積曲線進行對比分析，探討不同下墊面在同等降雨條件下的產沙量差異特征。

3 結果與分析

3.1 年降雨特征

統計分析2014—2021 年監測點月均降雨量變化特征，結果表明汛期降雨集中，其中5～10 月降雨量占全年85.9%，并以7～8 月最為集中，該時段占全年的55.0%。侵蝕性降雨量多發生在6～9 月，占總降雨量的53.9%，其中侵蝕性降雨量最高時段為7 月的152mm，占該月降雨的68.2%，8 月侵蝕性降雨占該月總降雨量的69.5%。2014—2021 年共監測到66 場次侵蝕性降雨，侵蝕性降雨占總降雨量的53.8%，大多發生在7～8 月，該時段占總次數的69.7%，并以7 月最高達到26 次，所占比例為39.4%，故侵蝕性降雨量和侵蝕性降雨頻次最高的時段是7 月。

3.2 K 均值聚類分析

對于2014—2021 年66 場次侵蝕性降雨使用K均值法進行分類，它是以K 個數據為初始中心，通過計算其與每個數據之間的距離，并重新確定每個聚類中數據的均值作為新的中心，經多次迭代計算獲取穩定的聚類中心。侵蝕性降雨主要涉及雨強、歷時、雨量(來源于監測數據)和侵蝕力R 因子(由經典參數法確定)，R 的計算公式為：

式中：r、I30、E為按雨強劃分的降雨時段、最大30 雨強mm/h 和次降雨動能，MJ/hm2；其中r=1，2，…，n；ir、er、Pr為在r時段雨強，mm/h；降雨動能，MJ/(hm2·mm)；和雨量，mm。

根據R、I30和P參數，將侵蝕性降雨劃分為4 個雨型如表2 所示。其中，Ⅰ雨型的P、雨強I30、侵蝕力R值分別為27.5mm、21.4mm/h和138.1(MJ·mm)/(hm2·h)，Ⅱ雨型為44.2mm、60.7mm/h 和656.7(MJ·mm)/(hm2·h)， Ⅲ雨型為108.6mm、89.5mm/h 和2533.2(MJ·mm)/(hm2·h)，Ⅳ雨型為96.1mm、34.7mm/h 和867.2(MJ·mm)/(hm2·h)。其中，頻率最高和最低的是Ⅰ、Ⅲ雨型，占總樣本的65.1%和4.5%。依據頻次排序為Ⅲ＜Ⅳ=Ⅱ＜Ⅰ雨型。

表2 侵蝕性降雨K 均值聚類分析

通過單因素方差分析K均值聚類結果，確定降雨參數的自由度、離均差平方和等特征值，如表3 所示。因此，降雨侵蝕力R、最大30min 雨強I30和降雨量的組間均高于組內均方差，在p ＜0.05水平下呈顯著差異。

表3 K 均值方差分析

3.3 不同雨型的產流產沙

經計算，從次降雨徑流深、侵蝕力、土壤流失和降雨量來看，四種雨型的排序都是Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ。對于含沙量，從小到大依次為Ⅳ＜Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，即Ⅳ雨型引起的含沙量最低，Ⅲ雨型最高；根據土壤流失總量的排序，從小到大依次為Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅳ，即土壤流失總量在Ⅲ雨型中最低，在Ⅳ雨型中最高。盡管Ⅲ雨型的頻次最低，但它的侵蝕力、土壤流失量和降雨量卻是最大的，平均次降雨土壤流失量、含沙量、徑流深分別為0.66t/hm2、13.1g/L、21.5mm，2014—2021 年Ⅲ雨型造成的土壤流失達到12.6t/hm2，這表明但當發生該雨型時具有較大的侵蝕風險。Ⅰ雨型的頻次最低，但其侵蝕力、雨量以及產流產沙量最小，平均次降雨土壤流失量、含沙量、徑流深分別為0.12t/hm2、5.0g/L、1.5mm，2014—2021 年Ⅰ雨型造成的土壤流失總量33.2t/hm2。Ⅳ雨型的發生頻次較低，該雨型引起的土壤流失總量最高達到38.8t/hm2，究其原因是Ⅳ雨型的降雨歷時較長。雖然Ⅰ雨型所形成的土壤流失最小，但發生頻次和總流失量較高。

3.4 相關性分析

采用灰色關聯法分析不同雨型下各小區徑流深、降雨量與產沙量之間的相關性，如表4 所示。

表4 相關性統計分析表

通過對各徑流小區數據分析可知，徑流深、降雨量與產沙量的相關系數為0.62～0.88，在該變化范圍內存在較好的相關性。Ⅰ雨型下荒地小區的兩個相關系數最高為0.88 和0.87，Ⅰ、Ⅳ雨型下各小區的降雨量-產沙量均低于徑流深-產沙量相關系數，這說明在較小雨強時產沙量與地表徑流相比于降雨具有更好相關性。Ⅱ、Ⅲ雨型降雨量-產沙量大于徑流深-產沙量相關系數，即增大雨強對產沙過程的影響更加顯著[7-9]。

3.5 不同下墊面的產沙能力

通過擬合累積含沙量和降雨量雙累積曲線，獲取能夠反映累積產沙量響應降雨的擬合線的斜率如表5 所示。根據擬合結果，在各種墊面條件下，各擬合曲線的變化特征相近，其中茶樹、花生、黃豆、地瓜是荒地產沙能力的2.1、2.6、2.8 和3.3 倍。植被覆蓋度、植被類型、耕作方式和土地利用類型是影響各下墊面特性的主要因素，從產沙能力上分析各因素的影響程度、作用和方式。

表5 產沙量—降雨量線性擬合方程

對于不同用地類型，產沙能力最高、最低的是農地和荒地，農地是林地、荒地的1.5 倍和2.8倍。荒地產沙最低的原因是其土地覆蓋度高，水分蒸發緩慢，并有茂密的地表植被阻止水土流失，同時荒地中的植被具有一定固土保水作用，可以有效防止土壤沖刷剝離。在翻土播種、除草收割等條件下種植農作物土地的擾動較大，穩定性破壞極易發生侵蝕，農作物收割后雨滴擊打裸露表土會進一步破壞土壤結構引起沖刷，使得徑流小區產沙能力提升。

3.6 差異性分析

研究分析產流產沙隨下墊面條件的變化特征，結果表明Ⅰ雨型條件下的產流產沙達到及顯著差異性(p ＜0.01)，其它雨型下未達到顯著差異(p ＞0.05)。其中，從小到大徑流深的檢驗p 值為Ⅰ＜Ⅳ＜Ⅱ＜Ⅲ，該變化規律與雨強大小保持一致，表明隨雨強增大各下墊面之間的產流差異性逐漸減小；從小到大含沙量的檢驗p 值為Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ，該變化規律與降雨侵蝕力、雨量大小保持一致，表明隨降雨侵蝕力和雨量的增大各下墊面之間的差異性逐漸減小；從小到大土壤流失量的檢驗p 值為Ⅰ＜Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅳ，該變化規律與降雨侵蝕力、雨強、雨量變化不同，這主要是含沙量與徑流量相互作用的結果[10-11]。

4 結 論

1）錦州市侵蝕性降雨多發生在汛期，并以7月的頻次和雨量最高。2014—2021 年發生侵蝕性降雨共66 次，占總降雨量的53.8%。小雨強及小雨量條件下，不同下墊面的產沙產流具有顯著差異，隨著雨強和雨量的增大這種差異不斷降低。雨量和強度較小情況下，不同下墊面之間的產沙和產流存在顯著差異，但隨著雨量的增加這種差異逐漸減小。

2）將侵蝕性降雨按照降雨侵蝕力R、最大30min 雨強I30和降雨量參數劃分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ雨型，從低到高4 種雨型的降雨侵蝕力、降雨量、次降雨徑流深和土壤流失量排序均為Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ，次降雨含沙量排序為Ⅳ＜Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，從低到高土壤流失總量為Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅳ。Ⅱ雨型的頻次最低而產流產沙量、次雨量和侵蝕力最高，Ⅰ雨型的頻次最高而產流產沙量、次雨量和侵蝕力最低，Ⅳ雨型的頻次較低而土壤流失總量最高。

3）較小雨強時，產沙量與地表徑流相較于降雨的相關性更高，增大雨強后產沙量與降雨量相較于地表徑流的相關性更高。種植高覆蓋度的植物、橫向起壟種植以及減少地表土壤人為擾動可以增大水保效益。