九仙山径流小区降雨及产流产沙规律研究

一、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，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。

二、研究方法

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。径流场情况详见表1。

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。

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。

三、结果分析

1.降雨特征分析

通过对九仙山2013～2015年月降雨量分析可以看出，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I30为108.8mm/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但产流的降雨，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年～2015年九仙山年降雨特征值统计情况见表2。

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：

（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。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，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.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，本次降雨的侵蚀力越大。小区产流产沙除与本次降雨有关，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。

表1 径流场基本信息表

表2 2013年～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1 2013年7月4日及16日两场降雨坡面产流量情况对比图

图2 2013年7月4日及16日两场降雨坡面产沙量情况对比图

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，本次研究选择2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/（ha·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 590.9MJ.mm/（ha·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，收前期降雨影响明显。这两场降雨条件下坡面产流量及产沙量对比情况见图 1、图 2。

从图1、图2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。

四、结论

（1）九仙山区域降雨具有明显的季节性，63.7%的降雨量集中在6～9月，22.4%的降雨集中在4～5月，年内分布极不均匀。2013～2015年侵蚀性降雨雨量分别占当年降雨量的83.6%、83.5%和67.3%，侵蚀性降雨占比较高，水土保持形势较严峻。

（2）不同径流小区由于水土保持措施不同，其产生的径流深和土壤流失量各有差异。种植经果林的产流产沙量远小于种植农作物，且随着年份增长其差异愈加明显。所以梯田种植的水土保持效果高于等高种植。

（3）通过对径流深和土壤流失量的回归分析，得出九仙山径流小区土壤流失量和径流深大致呈次方关系。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。

（4）小区产流产沙除与本次降雨有关，还受前期降雨影响。通过对前期降雨和产流产沙量的分析，得出九仙山径流小区的径流对前期雨量的响应较土壤流失量的更敏感■