九仙山径流小区降雨及产流产沙规律研究

2018-06-28朱永广徐银凤赵晓旭李晓霜

治淮 2018年6期

朱永广徐银凤赵晓旭李晓霜

（山东省济宁市水文局济宁 272000）

1 研究区概况

研究区位于山东省曲阜市吴村镇九仙山小流域（原名红山小流域）粮船石水库，东经116°59′00″，北纬35°46′00″。九仙山小流域总土地面积约50km2，气候属暖温带半干旱、半湿润、季风大陆性气候。多年平均降水量647.3mm，汛期（6～9月）降水量可达462.8mm。土壤为棕壤性土和棕壤，质地多为砾质砂壤土。流域内原生植被稀少，现有植被主要以人工林和野生灌木为主。流域属鲁中南低山丘陵强度侵蚀区，土壤侵蚀类型为水力侵蚀，侵蚀形式为面蚀和沟蚀，其中以面蚀和细沟状侵蚀为主。

2 研究方法

2.1 径流小区布设

站内设有5处径流小区，分别为10°、15°、17°、20°径流小区及梯田径流小区，小区规格均为5m×20m，土壤为棕壤性土，质地为砂～砾质壤土，基岩为花岗片麻岩。径流场情况见表1。

2.2 降雨观测

降雨资料收集采用翻斗式自记雨量计，雨量计翻斗分辨率为0.5mm，采样周期为5min。

2.3 径流泥沙观测

径流观测方法采用体积法，设备采用集流桶和分流桶，桶高均为110cm，半径为0.6m；分流桶采用九孔分流法，分流孔用50mm分流管。

泥沙量测定采用取样，滤纸过滤烘干法。

3 结果分析

3.1 降雨特征分析

表1 径流场基本信息表

从月降雨量分布图（见图1）可以看出，九仙山年内降雨具有明显的季节性，多集中在4～9月份，占全年降雨量的88.3%，其中雨季（6～9月）降雨量占全年的63.7%，降雨量年内分布极不均匀。

2013～2015年九仙山共发生降雨178场，总降雨量1765.0mm，年均588.3mm，最大次雨量121.0mm，最大I30108.8mm/h，最大降雨侵蚀力3647.20 MJ·mm/（hm2·h），均发生于2015年7月30日。2013年共发生侵蚀性降雨（次雨量超过12mm或次雨量小于12mm的产流降雨，以及15min内雨量超过6mm的短历时、小雨量、大雨强降雨）20场，累计雨量578mm，占全年降雨量的83.6%；2014年发生侵蚀性降水15场，累计雨量400.5mm，占全年降雨量的83.5%；2015年发生侵蚀性降水12场，累计雨量67.3mm，占全年降雨量的67.3%。2013～2015年九仙山年降雨特征值统计情况见表2。

3.2 产流产沙特征分析

2013～2015年，径流场5处径流小区共产流21次，分流2次，其中10°、15°、17°、20°、梯田小区分别产流次数依次为19次、10次、12次、18次、13次，分流的小区为10°小区和梯田小区。各径流小区产流次数、径流深及土壤流失量统计表见表3。产流次数大小关系是：10°小区＞20°小区＞梯田小区＞17°小区＞15°小区，产生径流总量大小关系是：10°小区＞梯田小区＞15°小区＞20°小区＞17°小区，产生泥沙总量大小关系是：10°小区＞梯田小区＞15°小区＞20°小区＞17°小区。从以上大小关系可以看出：

图1 2013～2015年度九仙山月降雨量分布图

表2 2013～2015年九仙山年降雨特征值统计表

表3 2013～2015年九仙山径流小区产流产沙统计表

图2 九仙山径流小区土壤流失量与径流深关系拟合曲线图

（1）栽植农作物的10°小区及梯田小区的产流产沙量均大于栽植经果林的15°小区、17°小区及20°小区。且从表3可以看出，随年份增长，经果林小区的产流产沙量逐渐减少，尤其是土壤流失量与同年度农作物小区的土壤流失量差异逐渐明显。与人为扰动因素较少、植物根系发达的经果林小区相比，农作物小区每年都有耕作行为，人为扰动较频繁，对土地扰动较强烈，土壤抗侵蚀能力下降，造成冲刷量的增加。

（2）同是栽植农作物小区的10°小区产流产沙量分别是梯田小区的1.82倍、22倍。经过梯田整地的坡面，与采取等高种植的坡面相比，能够有效地拦蓄径流、减少土壤流失量，是一种有效的水土保持措施。

（3）同为经果林小区的15°、17°、20°小区产流产沙差异不太明显，径流量和土壤流失量并非随坡度增加而增大，而是在坡度大于15°以后出现波动。坡度对产流产沙的影响主要通过影响降雨入渗率实现。有研究表明，当坡度小于18°时入渗率随坡度增加而增大，当坡度超过18°后入渗率随坡度增加而减小。不同学者由于研究方法不同，对临界坡度值的界定也不同。九仙山坡面径流场最大坡度只到20°，无法确定其临界坡度。

由表3可以看出，2013年各径流小区径流深排序是：10°小区＞梯田小区＞15°小区＞17°小区＞20°小区，土壤流失量排序是：10°小区＞梯田小区＞17°小区＞15°小区＞20°小区，两者排序并不一致，径流深的小区土壤流失量不一定也大。这一结果说明，土壤流失量的大小不仅受径流深影响，还受地表植被种类及盖度、地形等因素的影响。

运用SPSS软件对九仙山试验站2013～2015年间观测到的径流深和土壤流失量进行回归分析（见图2），拟合关系最好的是次方关系，即y=0.01454x1.35036（R2=0.837）。式中：y为土壤流失量，单位t/hm2；x为径流深，单位mm。从方程式可以看出，径流深和土壤流失量为正相关关系，但是该方程式无法解释径流量大于50mm时，土壤流失量发生的突变，土壤流失量达到52.89 t/hm2。

3.3 前期降雨量对小区产流产沙的影响分析

降雨作为水土流失的原动力，与小区产流产沙有着密切的关系。大量研究表明，降雨量、降雨历时和最大30min雨强与产流产沙呈正相关关系，即降雨量越大、历时越长、最大30min雨强越大，此次降雨的侵蚀力越大。小区产流产沙除与此次降雨有关，还受前期降雨影响。前期降雨主要是通过影响土壤前期含水量进而影响土壤的入渗能力，来实现对产流产沙的影响。

为了更直观地了解前期降雨对产流产沙的影响，同时排除径流小区内土壤结构及植被状态变化对产流产沙的影响，此次研究选择两场发生时间较近的典型降雨进行对照，一场降雨发生在 2013年 7月 4日 2：00～16：30（以下简称降雨A），降雨量111.0mm，降雨历时990min，最大30min雨强58.4mm/h，降雨侵蚀力1590.3 MJ·mm/（hm2·h），此次降雨前7天仅发生2.0mm降雨；另一场降雨发生在2013年7月 16 日 2：30～5：05（以下简称降雨 B），降雨量 37.0mm，降雨历时155min，最大30min雨强58.4mm/h，降雨侵蚀力590.9 MJ·mm/（hm2·h），此次降雨前3天均有小雨，降雨量合计达35.0mm。降雨A的降雨量、降雨历时和降雨侵蚀力分别是降雨B的3.0倍、6.4倍、2.7倍，但是降雨A发生前，土壤较干燥，几乎不受前期降雨影响；降雨B发生前，土壤含水率较高，受前期降雨影响明显。这两场降雨条件下坡面产流量及产沙量对比情况见图3、图4。

图3 2013年7月4日及16日两场降雨坡面产流量情况对比图

从图3、图4可以看出，降雨B引起的坡面产流产沙量均大于降雨A，产流总量是降雨A的1.95倍，土壤流失量是降雨A的1.26倍。前期降雨对坡面产流量影响相对较大，对坡面产沙量影响相对较小。

但并非前期影响雨量越大，坡面产流及产沙量越大。前期影响雨量是通过影响土壤前期含水量来影响产流产沙量。已有研究证实，存在一临界含水量，当土壤前期含水量低于这一含水量时，产流量随前期含水量的增加而增加，当高于这一含水量时，产流量与前期含水量为递减的变化趋势。产沙量随土壤前期含水量的变化趋势也符合这一规律。