康平县高大棚小流域侵蚀性降雨与产沙关系分析

胥桂梅

(康平县自然资源保护与行政执法中心，沈阳 110500)

康平县地处E42°31′-43°02′、N122°45′-123°37′范围，境内有8条河流，总长218.7km。辽河是昌图与康平两县的界河，康平境内长52.7km，流域面积59.2km2，除辽河外还有西马莲河、东马莲河、八家子河、李家河、秀水河、蚂螂河、公河等支流。随着经济社会的迅速发展，生产、生活产生了大量未经处理的污染源，生活中产生的污水、废弃物以及农业生产过量施用的农药、化肥进一步加剧了面源污染，加之水土流失加速污染物质流入河流，使得河流水质明显下降，特别是高大棚小流域，暴雨时各类污染物明显超标，对下游水环境安全造成极大的威胁。

自然与人为因素是产生土壤侵蚀的关键因素，而诱发水土流失的先决条件以自然因素为主，自然因素又涉及气候因子和下垫面条件，土壤侵蚀的形成在很大程度上与降雨条件有关。土壤侵蚀在不同程度上受到降雨各特征因子的影响，如最大30min雨强、降雨历时、降雨量、平均降雨强度等。此外，水土流失、降雨因素与土地利用方式也存在一定相关性，前人研究比较侧重于黄土高原区、北方沟壑丘陵区，而对棕壤土区的辽河流域的研究还鲜有报道。因此，文章拟探究各降雨特征指标与小流域产沙间的关系，可为辽西低山丘陵区的水土流失综合治理以及掌握辽河流域土壤侵蚀规律提供参考[1-4]。

1 研究方法

1.1 小流域概况

高大棚小流域位于康平县西南部的柳树乡，属辽河流域，总面积为2090hm2。该小流域属于低山丘陵区，地貌单元为山地与河谷，现有水土流失区383.52hm2，占流域面积的18.35%，土壤侵蚀以水利侵蚀为主，冻融侵蚀、风蚀所占比例较小，水土流失均为轻度侵蚀。

研究区属于北温带大陆性气候，春季少雨多风，秋季降雨集中、高温湿热，秋季凉爽，冬季干燥严寒，年降水量524mm，其中70-80%降水量集中于5-10月份。年际之间的降水量变化亦较大，丰、枯水年相差2倍以上。年均径流深100mm，≥10℃积温3283℃，平均气温6.9℃，年蒸发量1750mm，无霜期151d，日照时数2800h，林草覆盖率24.48%。研究区属低山丘陵区，土壤划分为143个土种、53个属性、47个亚类、7个土类，其中综壤占14.10%，风沙土占2.00%，草甸土占65.10%，盐土占0.20%，碱土占0.60%，沼泽土占1.40%，水稻土占16.10%。木本植物有各种果树、蒙古栎矮林、刺槐等，草本植物有胡枝子、隐子草、蒿类等。

1.2 研究方法

1.2.1 试验区布置

结合项目区的自然环境条件和水土保持措施类型，共设置灌草丛、经济林、人工幼林、坡耕地和天然次生林5个标准径流小区。标准径流小区布置，见表1。

表1 标准径流小区布置

1.2.2 数据的获取

1)降雨量数据。本研究利用人工观测与自记雨量计相结合的方法观测降雨量，为观测雨量将型号JDZ-1的自记雨量计安置于径流小区附近；此外，为校对自记雨量计同地安装一个标准雨量筒。然后以6h为间隔划分雨量计观测的次降雨数据，并利用Rain Record Setup 1.06exe软件分析I60、I30、降雨历时、次降雨量、降雨强度等特征因子[5-6]。

2)产沙量数据。本研究利用Model 711悬移质泥沙测定仪及时测定降雨后小区径流所产生的泥沙量，经数据处理确定产沙值。

2 结果与分析

2.1 次降雨量的年变化特征

年雨量年变化特征，见图1。不同雨量级别的侵蚀性降雨分析，见表2。

根据表2和图1可知，3a间高大棚小流共有侵蚀性降雨191场次，2017年、2018年、2019年降雨总量依次为526.1mm、533.2mm、592.7mm，其中侵蚀性降雨量依次为318.7mm、195.2mm、423.5mm，占当年降雨量的60.58%、36.60%、71.45%。

表2 不同雨量级别的侵蚀性降雨分析

图1 年雨量年变化特征

由图1可知：不同年限的月降雨量变化特征，可见3a内高大棚小流域2月份均未发生降雨事件。2017年研究小流域3、4、11、12月份降雨较少，主要集中于5-10月份，1、2月未出现降雨事件，月最大降雨量发生于8月，月尺度上降雨量总体上呈正态分布；2018年高大棚小流域的年内降雨量分布与2017年基本相同，月最大降雨量发生于8月且全年降雨较为频繁；2019年高大棚小流域月最大降雨量发生于9月，5-10月降雨较为集中。从年际变化的层面上，4月和9月的降雨量年际变幅达到最小、最大，夏秋两季属于近3a的降雨集中期。

续表2 不同雨量级别的侵蚀性降雨分析

2.2 侵蚀性降雨量等级划分

2.2.1 不同降雨量级别的降雨事件

结合表2中数据，将3a内高大棚小流域降雨量数据划分为<5mm、5-10mm、10-15mm、15-25mm、25-50mm、50-100mm、100-150mm七个等级。高大棚小流域3a降雨中，天然次生林、玉米地、人工林地、灌草地、大豆地径流小区发生侵蚀性降雨48次、55次、28次、36次、24次，侵蚀性降雨分别为1289.6mm、1451.0mm、933.7mm、1176.8mm、574.8mm。

经统计分析发现，随降雨量级别的增大侵蚀性降雨次数发生跳跃式变化。降雨量<50mm条件下，降雨量级别与侵蚀性降雨量、侵蚀性降雨次数存在正相关关系，随着降雨量级别的增加侵蚀性降雨次数所占比例逐渐增大，而总体降雨场次有所减少，一次短历时的大暴雨是造成土壤严重侵蚀的关键。降雨量>50mm条件下，随降雨量级别的增加侵蚀性降雨次数所占比例逐渐减少，降雨特征与该变化趋势直接相关，但降雨超过50mm时几乎百分之百引起土壤侵蚀。对径流小区1#、2#、3#、4#来说，15-25 mm和25-50 mm降雨量级别拥有较高的土壤侵蚀贡献率，该雨量级别下的侵蚀性降雨场次为24次、26次、14次、20次，占总侵蚀性降雨场次比例依次为50.00%、47.27%、50.00%、55.55%。对径流小区6#来说，在降雨量超过10mm的条件下就产生了较为明显的土壤侵蚀[7-8]。

2.2.2 不同降雨量级别的产沙量变化

下垫面和降雨是造成坡面产沙的两大关键因素，而降雨是形成产沙的内在驱动力，不同雨量级别的产沙量变化，见图2，反映了不同土地利用类型在各雨量级别下的产沙量变化特征。由图2可知，灌草地、人工林、次生林径流小区明显低于大豆地和玉米地的平均产沙模数。降雨量<50mm的情况下，随降雨量级别的增加灌草地、次生林径流小区的产沙量波动变化较小，而大豆地的产沙模数呈不断增大的变化特征，随降雨量级别的变化玉米地的产沙模数总体符合正态分布，而人工林地的变化规律不明显，但平均产沙模数随降雨量的增大呈明显上升的变化趋势。综上分析，超过10mm的降雨就会导致坡耕地发生严重的土壤侵蚀，>10mm的降雨能够显著影响人工林、灌草地的土壤侵蚀，次生林保持水土的效果相对较好[9-10]。

图2 不同雨量级别的产沙量变化

依据图2中产沙量变化特征，地表覆盖类型是同一坡度、同一降雨条件下土壤侵蚀性的主要影响因素，对雨水拦截与入渗不同的地表覆盖具有明显差异，这势必会引起土壤侵蚀的差异，其中玉米坡耕地和顺坡种植的大豆地比较容易产生土壤侵蚀，顺坡种植减缓泥沙冲刷的作用较弱，不宜用于雨水的拦截。

2.3 侵蚀性降雨强度等级划分

不同降雨强度的侵蚀性降雨，见表3。参考表3中数据，将3a内高大棚小流域降雨量数据划分为80-1200mm/h、60-80mm/h、40-60mm/h、20-40mm/h、10-20mm/h、5-10mm/h、0-5mm/h七个等级。

表3 不同降雨强度的侵蚀性降雨

续表3 不同降雨强度的侵蚀性降雨

结合表3中的数据，5个径流小区的侵蚀性降雨场次均随着降雨强度等级的增加而减少，降雨强度越大则造成的土壤侵蚀越严重，而出现土壤侵蚀的频率越小。其中，0-5mm/h的雨强等级发生侵蚀性降雨次数最高，天然次生林、玉米地、人工林地、灌草地、大豆地径流小区发生侵蚀性降雨40次、46次、22次、30次、22次，占总侵蚀性降雨场比例依次为83.33%、83.64%、78.57%、83.33%、79.17%。降雨强度超过20mm/h的雨强级别都易发生土壤侵蚀，20-40mm/s降雨强度下各径流小区的降雨共有3场，其中造成土壤侵蚀的有1场，历时1min产生的侵蚀性降雨量22.30mm。不同土地利用类型与降雨强度级别下，不同降雨强度级别的产沙模数，见图3。

图3 不同降雨强度级别的产沙模数

依据图3中产沙模数变化特征，平均雨强和土地利用类型均能显著影响流域产沙模数，随着侵蚀性降雨强度等级的增大2#、5#径流小区的平均产沙模数表现出先减少后增加的变化趋势，这与二次函数的性质相符合，而高大棚小流域的高强度大暴雨极少，多以小型长历时降雨为主。平均雨强越高则3#径流小区的产沙模数越大，随着雨强的变化1#、4#径流小区的产沙模数无明显差异。

研究表明，频繁的小型降雨导致的土壤侵蚀低于极少的大暴雨，大暴雨对土壤侵蚀的影响应作为水土流失治理方案设计的重点。对于土壤扰动较大的坡耕地而言，相对于其他土地利用方式其产沙量在各雨量级别下均明显较高。

2.4 侵蚀性降雨特征指标与产沙相关性

本研究拟利用SPSS软件分析各降雨特征指标与不同降雨强度级别产沙之间的相关性，降雨特征指标与产沙的相关系数，见表4。

表4 降雨特征指标与产沙的相关系数

由于降雨强度等级为20-40mm/h时产生土壤侵蚀的仅有1次，因此相关性分析过程中可以将该次数据剔除，即不参与相关分析。

结合表4中数据，各降雨特征指标与人工林地径流小区无相关关系；降雨强度<5mm/h条件下，除降雨量、I60外其他降雨特征指标与天然次生林径流小区的产沙量均不存在显著相关性，而仅与降雨量、I60存在显著相关关系；各降雨特征指标与玉米地、人工林地径流小区的产沙均不存在显著相关性，而灌草地、大豆地径流小区的产沙与降雨量存在极显著和显著相关性，深入分析可知长期顺坡种植大豆的5#径流小区，在降雨条件下极易产生土壤侵蚀，而种植玉米的2#径流小区同样如此。植被覆盖度随着玉米的增长而逐渐增加，此时能够拦截一定的小型降雨。5-10mm/h降雨强度条件下，I30、I60、降雨量和降雨历时对人工林地径流小区产沙量的影响较大，此时产沙量与I60、降雨量和降雨历时存在极显著正相关关系。

总体而言，0-5mm/h降雨强度下，降雨量、最大60min雨强与天然次生林径流小区的产沙量存在显著正相关性，而降雨量与大豆地径流小区的产沙量存在自按住相关性。0-5mm/h降雨强度下，降雨历时属于造成玉米地径流小区土壤侵蚀的关键因素，5-10mm/h降雨强度下，降雨量、降雨历时、最大60min雨强与产沙量存在极显著正相关性。0-5mm/h降雨强度下，降雨量与灌草地径流小区的产沙量存在极显著相关性，5-10mm/h降雨强度下，最大60min雨强与灌草地径流小区产沙量存在显著相关性，该条件下各降雨特征指标与人工林地径流小区不存在相关性。由此表明，下垫面条件或其他因素是人工林地径流小区的朱啊哟影响因素，人工林多由高大乔木组成，所以其林冠截留功能很强，而灌草地的泥沙拦截作用有限，灌草地的水土保持功能随着降雨量的增加逐渐下降，所以频繁降雨条件下灌草地的水土保持效应不如乔木林。

3 结 论

1)月尺度上，研究小流域近3a降雨量总体上呈正态分布，5-10月的降雨比较集中，6-9月属于汛期，10月后降雨开始明显减少；在季节分布上，夏秋两季降水较多，研究区有明显的干湿季节，大陆性季风气候与该变化规律存在一定关联。

2)对于降雨径流和泥沙的拦截，不同覆盖度的土地利用方式存在明显的差异，对土壤流失的影响不同农作物和工作方式也存在一定差异。在同一坡度、同一降雨条件下地表覆盖类型是影响土壤侵蚀性的主要因素，对降雨入渗和雨水拦截不同地表覆盖存在明显的差异，这势必会引起土壤侵蚀的差异，其中玉米坡耕地、顺坡种植大豆地较易产生土壤侵蚀，顺坡种植对减缓泥沙冲刷作用较低，不宜作为雨水拦截措施。

3)频繁的小型降雨导致的土壤侵蚀低于极少的大暴雨，大暴雨对土壤侵蚀的影响应作为水土流失治理方案设计的重点。对于土壤扰动较大的坡耕地而言，相对于其他土地利用方式其产沙量在各雨量级别下均明显较高。

4)相关研究认为山区坡面产流产沙与降雨历时、最大30min雨强、降雨量之间呈显著相关性，有学者提出降雨历时与种植花生的坡耕地不存在相关性。本研究认为，各降雨特征指标与不同土地利用方式、不同降雨强度级别下的产沙量之间的关系也存在差异，由于泥沙拦截效应有限灌草地具有一定的小型降雨抗冲能力，而较多群落层次的乔木林对较大暴雨的径流拦截能力较强，枯枝落叶层和较低的草木层能够降低降雨动能和激溅侵蚀。此外，虽然存在较高覆盖度的植被也有相应的抗侵蚀力，但退耕还林仍然是坡度较大坡耕地治理的最优措施。