融雪与降雨侵蚀条件下水土保持措施因子值对比研究

2018-05-16

中国水能及电气化 2018年4期

(阜新市彰武县水土保持局，辽宁阜新 123200)

辽宁省地区具有冬季积雪量多、春季温度回升快、融雪径流量较大等特点，土体受积雪融化径流侵蚀作用严重，并且土壤性质受冻融破坏作用影响显著，在土体表层解冻不完全的状况下水分对土壤的渗透性能较弱；植被在融雪期的覆盖率较低，局部地区的融雪径流对土壤的侵蚀破坏作用不容忽视，其水土流失现象甚至大于降雨汛期。当前，全球气候正逐渐变暖，相对于以往的冬季温度明显提高，土壤冻融同时受到积雪融化、气温回升等多种因素的影响，土壤侵蚀在融雪径流与冻融过程的双重作用下更加严重。辽宁省地区对水土保持措施的研究往往是以降雨侵蚀为主，主要包括对措施因子值、水保措施适宜性、水土保持效应以及措施截水拦沙效益等方面的研究，而对融雪侵蚀条件下的不同类型水保措施的防控效应研究相对较少，针对融雪与降雨条件下措施因子的探讨分析更加少见。在RUSLE和USLE土壤侵蚀模型中虽然考虑了一定的融雪侵蚀作用，但主要表现为模型中K值与R值的率定和验证分析，而针对融雪侵蚀条件下措施因子P值的研究相对较少。刘元宝等给出的土壤流失预报方程也未能考虑各措施因子值在融雪条件下的作用影响。

彰武县乐园属于辽宁省西北部地区典型的低山丘陵区，冬季积雪量大、春季融雪径流对土壤的侵蚀作用明显。据此，本文以该区域乐园小流域在2015—2016年的融雪侵蚀资料为依据，根据相关的降雨侵蚀数据资料对融雪条件下主要措施的因子值进行初步确定，并对降雨条件下的结果与其进行对比分析，探讨了在融雪与降雨侵蚀条件下同一水土保持措施的防治水土流失效果的差异性，以期为乐园小流域在融雪与降雨侵蚀条件下的水土保持措施提供决策依据和理论支持。

1 试验方法及数据来源

1.1 区域概况

乐园小流域位于彰武县东部30km区域，地理位置为东经122°44′58″～122°45′18″、北纬42°31′49″～42°36′36″，属于绕阳河流域典型的低山丘陵区；区域为典型的温带半干旱半湿润气候区，年均降水量470mm且多集中在夏季，6—8月降水量较为集中，为320.1mm，占年降水量的68.1%；该区域四季分明、雨热同季，春秋季干旱少雨、夏冬季降雨降雪较多，年均降雪量65mm，远高于辽宁省其他区域，随着近几年全球气温上升，积雪在春季解冻期的解冻速度快，融雪径流量大，土壤受融雪侵蚀影响显著。据此，本研究的观测场建于2013年，所选取的6个小区土壤均为草甸土，小区长宽分别为30m和5m，小区坡度为6°，各小区水土保持措施状况见表1。

表1 乐园小流域各小区水土保持措施状况

1.2 数据来源

本研究以乐园小流域2015—2016年融雪期的融雪径流泥沙观测数据作为融雪侵蚀数据来源；通过对研究流域相关文献资料进行收集统计，获取其降雨侵蚀数据(见表2)。首先分别对各小区坡面的融雪径流泥沙量进行实际测量，并根据各小区集流装置在融水产流结束时的径流深度观测记录获取小区地表融水径流量；然后通过清理各小区集流装置中的径流泥沙获取径流泥沙量数据；取3次容量为1L的中层水沙混合样品，经24h沉淀后过滤上清溶液，然后对各样本进行烘干称重，以此获取各小区侵蚀产沙量。

表2 乐园小流域融雪与降雨侵蚀作用情况

1.3 数据处理

利用相关文献资料对降雨条件下的侵蚀模数、产流产沙次数、径流深度以及水保措施因子值P等参数指标进行计算，对融雪条件下的各指标值采用2015—2016年的融雪期融雪径流泥沙量实测数据进行计算获取。并对各参数指标分别在降雨与融雪条件下的计算结果进行对比分析，探讨在不同侵蚀条件下各水保措施因子值的防控效果。

水土保持措施分类方法参考刘宝元等相关研究资料，分别将不同水土保持措施划分为生物、工程和耕作措施，各措施情况见表1。水土保持措施因子值P在不同侵蚀作用条件下的计算方法如下：在相同条件下的生物措施径流小区与裸地小区的土壤流失量之比即为生物措施B因子；在相同条件下的工程措施、耕作措施分别对应的径流小区与顺垄种植小区的土壤流失量之比即为工程措施E因子和耕作措施T因子；顺垄耕作与裸地土壤流失量之比即为顺垄因子值。

2 结果与分析

2.1 各措施因子值

融雪与降雨侵蚀条件下的水土保持措施防控效果可通过各措施因子值进行表征，计算结果见表3。

表3 不同侵蚀条件下各水土保持措施因子值计算结果

融雪侵蚀条件下2015年、2016年的各措施因子值处于0.001～0.454和0.002～0.373范围内。通过对比融雪条件下的各措施因子值可知，各措施因子值由大到小依次为耕作措施T、工程措施E和生物措施B，由此表明生物措施B在融雪条件下的水土保持效果最佳，耕作措施水保效果最差；通过对比降雨条件下的各措施因子值可知，各措施因子值由大到小依次为耕作措施T、生物措施B和工程措施E，由此表明在降雨侵蚀条件下的耕作措施E的水土保持效果最好，该结果与融雪条件下的防控效果存在明显差异。根据引排水作用方式的不同，拦蓄引排水耕作在融雪条件下的防控效果小于谷坊措施，而在降雨条件下二者对水土流失的防控效果相反。

2.2 各措施因子值对比分析

生物措施中的生态修复、封禁治理以及顺垄耕作在融雪条件下的措施因子值均小于降雨条件下的计算结果，并以裸地小区为试验对照组。裸地侵蚀模数在融雪条件下明显高于其他水保措施值，裸地小区在2015年和2016年的侵蚀模数分别为26.18t/(km2·a)和30.52t/(km2·a)，其他各水保措施侵蚀模数计算结果均小于2.4t/(km2·a)，具体计算结果如图1所示。然而，土壤侵蚀模数在降雨条件下与其他相关水保措施小区的有关结果相差不大，这也是引起顺垄和生物措施P值结果较低的主要因素。

图1 各水保措施小区在融雪条件下的侵蚀模数

径流特性是影响土壤侵蚀量大小的关键性因素，裸地小区以及各水保措施小区的径流深度如图2和图3所示。在融雪与降雨条件下的侵蚀性产流过程仅有2次，计算统计结果见表4。措施因子值与侵蚀模数呈正相关，即当侵蚀模数值最小时措施因子值也最小，研究表明，融雪侵蚀防控效果最好的措施是生态修复措施；此结果与降雨侵蚀防控效果最优措施存在一定的差异，在融雪期生态修复措施具有融水量少、融雪周期短等特性，此研究结果与相关研究资料相同。

图2 各水保措施小区在降雨与融雪条件下的径流深度

图3 裸地与拦蓄引排水在降雨与融雪条件下的径流深度

小区类型2015年融雪产流2015年融雪侵蚀性产流2016年融雪产流2016年融雪侵蚀性产流2013年降雨侵蚀性产流拦蓄引排水43441谷坊64543地埂植物45452梯田45432封禁治理35551生态修复32113裸地65562

生物措施在融雪条件下具有良好的植被覆盖条件，杂草和枯枝落叶覆盖良好，在融雪期具有良好的水土保持效应；在融雪期，地埂植物不仅可对融雪径流产生横向拦蓄并以此增大径流入渗时间降低径流对土壤的侵蚀作用，而且土埂周围在融雪期存在较厚的枯枝落叶层，可在一定程度上对土壤进行隔热并增大融雪时间，降低在融雪期径流对土壤的冲刷侵蚀作用。梯田主要是通过改变农作物垄作方式降低径流顺坡冲刷侵蚀的作用，梯田在降雨或径流量较大的条件下可提供径流途径，使此措施下的土壤侵蚀量小于裸地小区，而在融雪条件下其效果不明显。

措施因子值在融雪条件下比降雨条件下增大的措施主要有地埂植物措施、谷坊和梯田措施。其因子值的增大与裸地对照组为顺垄耕作相关。由表3计算结果可知，梯田在降雨条件下的措施因子值较低，而在融雪条件下土壤表层的冻土结冰在一定程度上降低了水分的入渗能力，同时增大了径流对土壤的侵蚀能力，相应地也会提高梯田的措施因子值。地埂植物措施可对径流进行汇集，地埂植物小区的侵蚀模数和径流深度在融雪条件下均高于谷坊小区，这可能与水保措施效应相关，同时秋收时期对土埂的人为破坏作用也是降低其防控效果的重要因素。梯田措施是辽宁省地区传统的耕作方式之一，坡度是影响梯田防控效果的主要因素，一般适用于坡度较缓的耕地。

通过对比分析各措施因子在不同侵蚀条件下的因子值可知，在融雪与降雨条件下各水保措施的防控效果存在明显的差异，这与不同侵蚀条件特征密切相关。径流小区特征是引起降雨与融雪侵蚀条件下侵蚀模数不同的主要因素，面蚀是小区内侵蚀的主要形式，而在融雪与降雨的双重侵蚀条件下侵蚀量随径流的增大而增加。