黔西高原坡面次降雨产流产沙特征

顾礼彬,张兴奇†,杨光檄,顾再柯

(1.南京大学地理与海洋科学学院,210023,南京;2.贵州省水土保持监测站,550002,贵阳)

黔西高原坡面次降雨产流产沙特征

顾礼彬1,张兴奇1†,杨光檄2,顾再柯2

(1.南京大学地理与海洋科学学院,210023,南京;2.贵州省水土保持监测站,550002,贵阳)

利用野外径流小区径流泥沙观测数据与降雨特征资料,定量研究黔西高原地区降雨对坡面产流产沙的影响。结果表明:1)黔西高原地区年均侵蚀性降雨为22次,中、低降雨强度型降雨次数占降雨次数的93.0%;2)坡面产流产沙特征与降雨的年内分布密切相关,5—8月坡面产沙量占总产沙量的99.2%,产流量占总产流量的95.8%;3)坡面产沙量与降雨量存在显著的指数相关关系,其指数方程为M=0.346e0.109P;4)坡面产流产沙与中、高降雨强度型大雨和暴雨密切相关,4次暴雨事件产生的径流量占总径流量的57.3%,产沙量占总产沙量的91.5%。

水土流失;次降雨;降雨侵蚀力;径流;泥沙

贵州喀斯特地区因其复杂的地貌形态、丰沛的降雨、突出的人地矛盾等问题,水土流失十分严重[1]。水土流失不仅造成坡面表土大量流失,土层变薄,土壤质量退化,还导致石漠化问题的出现。据遥感资料统计,贵州省石漠化土地面积约为5万km2,并且以2 500 km2/a的速度增长[2],导致耕地数量不断减少。同时,侵蚀泥沙进入山塘、水库以及河道等水体,带来泥沙淤积、水资源利用困难、洪涝灾害加剧等问题。另外,土壤养分以及化肥、农药的残留物随水土流失进入水体导致面源污染问题加剧[3]。水土流失不仅使贵州喀斯特地区脆弱的生态系统退化,还导致其具有的长江和珠江流域上游的生态屏障保护功能丧失。

水土流失的影响因素很多,且各影响因素之间相互影响共同作用于土壤侵蚀过程,使得对单个影响因子的定量评价非常困难。在水力侵蚀区,降雨是引起水土流失的驱动因子。与水土流失密切相关的降雨特征参数有降雨量、降雨强度、降雨历时以及降雨雨型等。以往关于贵州喀斯特地区水土流失的成因研究中,一般将自然因素与人为因素综合起来进行分析,针对单一的水土流失影响因素的研究较少。李瑞等[4]基于不同种植方式的野外径流小区观测数据,对雨量、降雨强度和泥沙关系进行了相关分析,蒋荣[5]基于野外径流小区观测数据,研究了坡度、坡长因子对坡面土壤侵蚀的影响,张旭贤等[6]研究了喀斯特地区4种碳酸盐岩发育形成的坡耕地土壤侵蚀特征,刘正唐等[7]利用人工模拟降雨实验,研究了不同基岩裸露率、不同降雨强度、不同地下孔隙度以及降雨历时对土壤侵蚀的影响。前人针对降雨对水土流失的影响研究都综合了不同植被因子或地形因子等水土流失影响因素,定量评价单个降雨特征参数对水土流失影响的研究较少。笔者利用次降雨条件下野外径流小区径流泥沙观测资料和降雨资料,基于数理统计与回归分析方法,在其他影响因子相同的条件下,定量研究降雨因子对于坡面产流产沙量的影响。通过分析次降雨与坡面产流产沙的相关关系,为黔西高原坡面水土流失预报模型的建立提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于贵州省毕节市鸭池镇石桥小流域,属长江水系乌江流域上段六冲河的三级支流区,流域面积8.19 km2。流域内地势起伏大,海拔1 400～1 740 m,相对高差340 m。属亚热带湿润季风气候,年均气温14℃,多年平均降雨量863 mm,与贵州多年平均降雨量1 100～1 300 mm相比,属少雨区,降雨主要集中在5—9月,其降雨量占年降雨量的80%以上。石桥小流域碳酸盐类石灰岩广泛分布,平均裸岩率达30%,是贵州省境内具有代表性的喀斯特石漠化地区。小流域内分布有大量坡耕地,坡面土壤厚度0.2～0.5 m,主要农作物为玉米(Zea mays)、土豆(Solanum tuberosum)、烤烟(Nicotiana tabacum)、辣椒(Capsicum annuum)等。

2 研究方法

2.1 径流小区布设

将降雨后径流小区有产流产沙的降雨定义为侵蚀性降雨。野外径流小区布设在石桥小流域,根据研究目的并结合喀斯特地区自然地理环境特征,布设了2个5°裸土标准小区,小区坡长20 m、宽5 m,土层厚度30 cm。小区底设置水泥制集流槽,并设有集流池和一级分流池,集流池采用九孔分流与一级分流池连接。2012和2013年石桥小流域降雨量分别为828.5和782.5 mm。

2.2 试验数据

试验数据来自小区2012和2013年43次侵蚀性降雨(2012年23次,2013年21次,2年加起来共44次,但是其中的1次因集流池漏水导致观测数据失真而被剔除)产流产沙观测记录以及室内分析结果。

2.3 试验方法

1)每次降雨产流产沙后第1时间实地观测取样,首先观测分流池、集流池中的水深,以此计算坡面径流深。

式中:h为坡面径流深,mm;V为坡面总产流体积, m3;S为野外径流小区面积,m2;S1为集流池池底面积,m2;h1为集流池水深,m;r为一级分流系数,S2为一级分流池池底面积,m2;h2为一级分流池水深,m。

2)收集集流槽槽土并称其质量,取3个土样采用烘干法测定槽土含水率,以此计算槽土质量。

3)将集流池和分流池内径流泥沙混合液搅拌均匀,采集体积为1 000 mL的水沙样品3个,静置、烘干、称量,求平均值测得含沙率,以此计算集流池和分流池中的产沙量,计算坡面产沙模数。

式中:W为坡面产沙模数,t/km2;Wv为坡面总产沙量,t;C1为集流池含沙率,g/L;C2为一级分流池含沙率,g/L;m为集流槽槽土质量,g;c为集流槽槽土含水率,%。

4)降雨过程由自记雨量计记录,利用降雨过程资料计算次降雨侵蚀力[8]。

式中:E为降雨总动能,MJ/hm2;ek为k时段单位降雨动能,MJ/(hm2·mm);Pk为k时段降雨量,mm;ik为k时段降雨强度,mm/h;R为降雨侵蚀力,MJ· mm/(hm2·h);I30为最大30 min降雨强度,mm/h。

2.4 数据处理方法

本研究旨在探讨在气候、土壤、地形、植被覆盖以及管理措施相同的条件下降雨对坡面产流产沙的影响,因此,只利用标准径流小区的观测资料。采用SPSS17.0统计软件作回归分析,采用Excel2007软件制图。

3 结果与分析

3.1 产流产沙特征与次降雨特征

对2012—2013年43次侵蚀性降雨进行统计分析,按照气象学对于降雨等级的划分方法,即小雨(P＜10 mm)、中雨(10≤P＜25 mm)、大雨(25≤P＜50 mm)、暴雨(50≤P＜100 mm)、大暴雨(P≥100 mm)进行分级,结果见表1。可知:43次侵蚀性降雨中,小雨和中雨型降雨共31次,占总降雨次数的72.1%,累计降雨量占总降雨量的38.6%,而大雨和暴雨的降雨次数仅12次,累计降雨量占总降雨量的61.4%;所有侵蚀性降雨中,除平均降雨强度外,平均降雨侵蚀力、平均径流深以及平均产沙模数都随降雨量的增加而逐渐增加,尤其是暴雨事件,其平均降雨强度、平均降雨侵蚀力、平均径流深以及平均产沙模数增加显著。

表1 次降雨特征及产流产沙特征Tab.1 Characteristics of rainfall events and slope runoff and sediment production

坡面产流量主要受降雨特征和下垫面条件的影响,采集的侵蚀性降雨资料中,最大次降雨量为87.0 mm,其次为63.1 mm,2次降雨的降雨量占总降雨量的17.1%,坡面产流量却占总产流量的49.2%。坡面产沙模数大于100 t/km2的降雨共有4次,均为暴雨,坡面产沙量之和占43次降雨总产沙量的91.5%,径流量占总径流量的57.3%。表明黔西高原坡面产流产沙主要来源于暴雨。

坡面产流产沙与降雨强度密切相关,尤其与最大30 min降雨强度[5,9]。以I30作为降雨强度分级的指标,把降雨分为3种不同降雨强度的雨型:低降雨强度型降雨(I30≤10 mm/h)、中降雨强度型降雨(10 mm/h＜I30＜30 mm/h)、高降雨强度型降雨(I30≥30 mm/h)。43次侵蚀性降雨中:中、低降雨强度型降雨次数为40次,占总降雨次数的93.0%,其中低降雨强度型降雨23次,占总降雨次数的53.5%,中降雨强度型降雨17次,占总降雨次数的39.5%,二者累计径流深和产沙量之和占43次降雨总径流深和总产沙量的70.1%和69.6%;高降雨强度型降雨仅3次,占侵蚀性降雨次数的7.0%,径流深和泥沙量分别占总径流深和总产沙量的29.1%和30.4%。最为典型的高降雨强度型降雨事件发生于2012年7月11日,其降雨量为63.1 mm,历时99 min,I30为58.0 mm/h,降雨侵蚀力1 015.8 kJ·mm/(h·hm2),径流深为33.8 mm,坡面产沙模数1 413 t/km2,其降雨侵蚀力占总降雨侵蚀力的28.4%,产流量占总产流量的28.2%,产沙量占总产沙量的30.0%。由此可见,高降雨强度型侵蚀性降雨会引起严重的坡面水土流失,对坡面产流产沙的贡献很大。

3.2 产流产沙的月变化特征

贵州地区降雨主要集中在4—9月,汛期在5—8月。将43次侵蚀性降雨按月进行统计,得出降雨及产流产沙的月变化特征见表2。43次降雨中, 87.2%的降雨量集中在5—8月,降雨侵蚀力占总降雨侵蚀力的94.1%。降雨侵蚀力是降雨因子的重要特征,坡面产流产沙与降雨侵蚀力密切相关,5—8月的产沙量占总产沙量的99.2%,产流量占总产流量的95.8%。

表2 次降雨特征及产流产沙月变化特征Tab.2 Characteristics of rainfall events and monthly slope runoff and sediment production

3、4月份降雨次数少且以绵绵细雨为主,降雨强度较小,加上冬季降水少,土壤含水量低,导致坡面产流产沙量较小。自5月进入汛期后,降雨逐渐增多,在7月份达到最大值293 mm。5月份是侵蚀性降雨次数最多的月份,但由于降雨强度较小,坡面产流量较小。坡面侵蚀量受降雨侵蚀力和径流的泥沙搬运能力决定,5月份降雨侵蚀力与6月份接近,但由于坡面产流量小,仅相当于6月份产流量的41.7%,受径流搬运能力限制导致坡面产沙量较低,仅相当于6月份坡面产沙量的21.9%。6、7月降雨次数、降雨量和降雨侵蚀力分别占了5—8月的50%、60.4%和70.9%。6、7月份的侵蚀性降雨具有降雨强度大、历时短的特点,次降雨侵蚀力大且坡面产流量较大,产流量占5—8月总产流量的83.7%。径流的泥沙搬运能力的提高带来产沙量的大幅度增加,产沙量占了5—8月总产沙量的90.6%。8、9月降雨次数减少,降雨强度减弱,产流量和坡面产沙量也随之下降。

在影响水土流失的其他因子相同的情况下,坡面产流产沙特征与研究区具有的季风气候特点相吻合,雨季降雨集中,土壤侵蚀量大,所以,汛期的水土保持工作尤为重要。

3.3 产流产沙与次降雨特征的相关性分析

对次降雨量、降雨侵蚀力、坡面产沙模数及径流深进行回归分析,结果见图1。由图1(a)和(b)可知,坡面径流深与降雨量和降雨侵蚀力存在线性相关,决定系数R2分别为0.473、0.563(显著性水平小于0.01)。由图1(c)和(d)可知,坡面产沙量与径流深和降雨侵蚀力均明显地线性相关,其中产沙量与径流深线性相关性最强,决定系数 R2分别为0.579、0.508(显著性水平小于0.01)。降雨侵蚀力与坡面径流量和产沙量均线性相关,可作为重要的次降雨特征指标描述坡面产流产沙特征。降雨量与产沙模数之间存在显著的指数相关关系,如图1(e)所示,其决定系数R2为0.613。其拟合方程为

式中:M为产沙模数,t/km2;P为降雨量,mm。

对于缺乏降雨过程资料的地区,可利用该方程进行坡面水土流失预报。

对坡面径流深、产沙模数与次降雨各指标之间的相关性进行分析。次降雨特征参数与坡面产流产沙相关系数矩阵见表3。可知:坡面径流深与降雨侵蚀力相关性最大,相关系数为0.75,其次与最大60 min降雨强度I60、降雨量P相关性较好;产沙模数与径流深显著相关,相关系数为0.76,产沙模数与降雨量与降雨侵蚀力相关性较好。

降雨侵蚀力指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力,是一项客观评价由降雨引起土壤分离和泥沙搬运的动力指标[11]。降雨侵蚀力经典算法(R=EI30)反映了雨滴溅蚀以及地表径流对土壤侵蚀的综合效应,其物理意义明确,在世界各国得到广泛应用。笔者通过43次降雨过程资料,以降雨侵蚀力的经典算法求得次降雨侵蚀力,以0～25、25～50、50～100、100～500和大于500 kJ·mm/(h·hm2)5个等级进行划分,分析降雨侵蚀力与坡面产流产沙的关系,结果见表4。

图1 坡面产沙与次降雨特征的关系Fig.1 Relationship between slope sediment and runoff production under rainfall events

表3 坡面产流产沙与次降雨特征参数相关系数Tab.3 Correlation coefficient of slope runoff and sediment production and characteristics of rainfall events

表4 不同降雨侵蚀力等级下坡面产流产沙特征Tab.4 Characteristics of slope runoff and sediment production under different levels of rainfall erosivity

由表4可知,降雨侵蚀力与坡面产沙量密切相关,随着降雨侵蚀力的增加坡面产沙量逐渐增加,尤其是中等降雨侵蚀力50(kJ·mm/(h·hm2))以上的降雨,引起的坡面产沙量显著增加。43次侵蚀性降雨主要由低降雨侵蚀力型降雨构成,50(kJ·mm/ (h·hm2))以下的次降雨次数占总降雨次数的74.4%,侵蚀力仅占总侵蚀力的13.2%,引起的坡面产沙量占总产沙量的2.2%。中、高降雨侵蚀性力型降雨引起的坡面产沙量占总产沙量的97.8%,其中高降雨侵蚀力500(kJ·mm/(h·hm2))以上的降雨仅有2次,占总降雨次数的4.7%,产沙量却占总产沙量的30.4%。可见高降雨侵蚀力型降雨是坡面土壤侵蚀研究的主要对象,探明高降雨侵蚀力型降雨对坡面土壤侵蚀过程的作用机制对坡面土壤侵蚀研究具有重要的理论意义。

4 结论

1)黔西高原地区侵蚀性降雨年均发生22次,中、低降雨强度型降雨次数占总降雨次数的93.02%,其累计径流深和产沙量占43次降雨总径流深和总产沙量的70.1%和69.6%;高降雨强度型降雨次数少,仅占7.0%,但是,其径流深和产沙量分别占29.1%和30.4%。

2)坡面产流产沙特征与降雨的年内分布密切相关,5—8月的产沙量占总产沙量的99.2%,径流深占总径流深的95.6%。其中6、7月降雨次数、降雨量和降雨侵蚀力分别占了 5—8月的 50%、60.4%和70.9%,其产生的径流深和产沙量分别占5—8月的83.7%和90.6%。

3)黔西高原坡面产流产沙特征与次降雨特征关系密切,其中,坡面产沙模数与降雨量存在显著的指数相关关系,产沙模数与降雨量关系指数方程为M=0.346e0.109P。

4)坡面产流产沙与中、高降雨强度型大雨和暴雨密切相关,产沙模数大于100 t/km2的4次暴雨的径流量和产沙量分别占总径流量、总产沙量的57.3%和91.5%。次降雨条件下坡面径流形成过程与土壤侵蚀过程及其变化规律是需要今后深入研究的问题。

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(责任编辑:宋如华)

Characteristics of slope runoff and sediment production under rainfall events in the plateau area of western Guizhou

Gu Libin1,Zhang Xingqi1,Yang Guangxi2,Gu Zaike2
(1.School of Geographic and Oceanographic Sciences at Nanjing University,210023,Nanjing,China; 2.Guizhou Monitoring Station of Soil and Water Conservation,550002,Guiyang,China)

Based on field observations of runoff and sediment generated on runoff plots and rainfall data, we studied quantitatively the impact of rainfall on slope runoff and sediment production in the plateau area of western Guizhou.The results showed that:1)there are 22 events of erosive rainfall annually on average in the study area,in which rainfall events of moderate and low intensities account for 93.02%of the total number of events.2)Characteristics of slope runoff and sediment production have a close relationship with the rainfall distribution within a year.The amount of sediment generated from May to August accounted for 99.2%and that of runoff during the same period of time accounted for 95.8%of the total.3)The amount of slope sediment showed a significantly exponential relationship with the amount of rainfall with an equation of M=0.346e0.109P.4)Slope runoff and sediment production were significantly correlated with rainfalls of moderate and high intensities,which can be demonstrated by that 57.3%of the total runoff and 91.5%of the total sediment were produced in four heavy rainfall events.

soil and water loss;rainfall events;rainfall erosivity;runoff;sediment

S157

A

1672-3007(2015)01-0023-06

2014- 08- 20

2014- 12- 18

项目名称:贵州省水利厅重点科研项目“贵州喀斯特地区土壤侵蚀机理研究”(KJZD200801)、“贵州喀斯特地区坡耕地坡度、坡长与水土流失关系研究”(KT201007)、“西南喀斯特地区土壤侵蚀机理及水土流失预测”(2006200);国家自然科学基金资助项目“喀斯特地区人类活动主导下的生态环境变化与流域水文循环响应耦合机理研究”(41371045);江苏高校优势学科建设工程资助项目

顾礼彬(1990—),男,硕士研究生。主要研究方向:生态环境与水土保持。E-mail:glbnju@163.com

†通信作者简介:张兴奇(1964—),男,博士,副教授。主要研究方向:水资源与水土保持。E-mail:zxqrh@nju.edu.cn