锦州巧鸟径流监测小区侵蚀性降雨特征研究

燕静博

(凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200)

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

以锦州市巧鸟径流场作为监测区，地处E121°04′22″，N41°00′22″，属于大凌河水系，辽宁省水土流失重点治理区，监测小区5个，平均海拔60.5m。巧鸟径流小区属于北温带大陆性季风气候，春季少雨风大，夏季高温多雨，秋季温和少雨，冬季干冷，四季分明，季风气候显著，多年平均降水量563.5mm，且多集中于汛期，6-7月降雨具有范围广、历时长、总量大等特点，8-9月降雨范围相对较小、历时短、雨强大。巧鸟径流小区土壤以水稻土和黄棕壤为主，土地利用类型有农用地、林地、园地、耕地等。在暴雨作用下裸露表土易形成水力侵蚀，较陡坡面还会伴随有重力侵蚀[1-2]。地形起伏较大的丘陵地区更加剧了径流冲刷侵蚀，降雨条件下极易形成面蚀与沟蚀，开发的部分果园、茶园、农田地表多为栽培植被，降雨情况下易形成深沟侵蚀和细沟状面蚀。

1.2 研究方法

1.2.1 径流监测小区布设

结合锦州市地区近些年生态治理项目具体实施的水土保持措施，对5个监测小区合理布设，如表1。

表1 标准径流监测小区布设

1.2.2 监测方法与频率

监测方法采用实地调查法，水土流失数据监测频次为每次降雨产流后，土壤含水率监测频次为每15d监测一次。

1.2.3 监测数据采集

1)产沙量采集。降雨产流后，记录集水池集水深度，然后将集水池中收集的水体搅匀，采用瓶式采样器进行采集，各小区每次采样容量1000ml，静置24h后，采用烘干法获取泥沙含量数据。烘干时长为12h，用1/100天平称重测定泥沙重量。

2)气象数据采集。实时监测小区内降雨、气温、湿度等气象数据，重点监测降雨历时、次降水量，并采用Rain Record Setup软件计算确定I60、I30、降雨强度等降雨特征因子值[3-4]。根据每次降雨集水池集水深度，结合集水池规格计算出当次降雨产流量。

3)土壤物理性质采集。土壤物理性质主要为各个监测小区土壤含水率变化，采集土样采用土壤墒情自动传输系统，采集深度为30cm，每10cm为一组样本，每组样本点取3个土样。

2 结果与分析

2.1 场次降雨量的变化特征

2017-2019年锦州巧鸟径流小区的年降雨量变化特征如图1，整理统计侵蚀性降雨事件如表2。结果表明，2017-2019年锦州巧鸟径流小区共有226场次降雨，其中2017年总降雨量400.0mm，侵蚀性降雨量占61.84%达到247.4mm；2018年总降雨量344.3mm，侵蚀性降雨量占36.60%达到126.0mm；2019年总降雨量679.1mm，侵蚀性降雨占71.62%达到486.4mm。

从月尺度上，1-4月降雨最少，5-10月降雨集中，8月份降雨最大，且以2018年8月的降雨最多，年降雨量基本呈正态分布，各年份的月降水量变化趋势相同；从季节变化上，每年的夏秋两季属降雨集中期；从年际变化上，年际降雨量变幅较大的为8月，而变幅最小的为10月。

图1 年际降雨量变化特征

2.2 侵蚀性降雨量的等级划分

2.2.1 不同雨量级别的降雨事件

将锦州巧鸟径流小区近3a降雨数据按以下标准七个雨量级别[5]，即100mm≤H<150mm、50mm≤H<100mm、25mm≤H<50mm、15mm≤H<25mm、10mm≤H<15mm、5mm≤H<10mm、0mm≤H<5mm。3a降雨量中，锦巧-1径流小区共发生侵蚀性降雨41次、侵蚀性降雨量1128.4mm，锦巧-1径流小区共发生侵蚀性降雨46次、侵蚀性降雨量1237.5mm，锦巧-3径流小区共发生侵蚀性降雨20次、侵蚀性降雨量756.6mm，锦巧-4径流小区共发生侵蚀性降雨31次、侵蚀性降雨量1065.7mm，锦巧-5径流小区共发生侵蚀性降雨17次、侵蚀性降雨量358.6mm。

表2 各径流小区侵蚀性降雨事件

从表2可知，侵蚀性降雨次数随降雨量级别的增大发生跳跃式变化。降雨量不超过50mm情况下，侵蚀性降雨量、降雨次数与降雨量级别存在正相关关系，侵蚀性降雨次数所占比例随着降雨级别的增大逐渐增加，总降雨场次减少，一次短历时的大暴雨为造成严重土壤侵蚀的关键[6]；降雨量>50mm情况下，侵蚀性降雨次数所占比例随降雨量级别的增加而减少，该变化趋势与降雨特征密切相关，但降雨>50mm势必会造成土壤侵蚀。对于锦巧-1、锦巧-2、锦巧-3、锦巧-4块地而言，降雨量级别15-25 mm和25-50 mm对土壤侵蚀的贡献最大，即该条件下4个径流小区发生侵蚀性降雨场次为22次、22次、11次、19次，所占比例为53.66%、47.83%、45.00%、61.29%；对于锦巧-5块地而言，当降雨量超过10mm时土壤就发生了侵蚀。

2.2.2 不同雨量级别的产沙量变化

降雨和下垫面是坡面产沙的主要影响因素，其中降雨则是产沙的动力来源，各雨量级别下不同用地类型的产沙量变化如图2。总体而言，大豆地和玉米地显著高于灌草地、次生林和人工林地径流小区的产沙模数。降雨量不超过50mm时，随降雨量级别的增大，灌草地、次生林地的产沙模数变化较小，而大豆地呈明显增大趋势，玉米地总体服从正态分布，人工林地的变化规律不稳定，但随降雨量的增大产沙模数波动增加。研究表明，降雨超过10mm时坡耕地将产生严重土壤侵蚀，降雨超过50mm时灌草地、人工林地将受到显著影响，水土保持效果较好的为次生林地。

图2 不同雨量级别的产沙量变化

从图2可以看出，在坡度、降雨强度不变的情况下地表覆盖类型是影响土壤侵蚀的主要因素，不同地表覆盖的降雨入渗和雨水拦截作用存在一定差异，这必然引起不同的土壤侵蚀程度，顺坡种植不利于泥沙拦蓄、雨水截流，因此顺坡种植的大豆地和玉米坡耕地比较容易发生土壤侵蚀。

2.3 侵蚀性降雨强度等级划分

将锦州巧鸟径流小区近3a的降雨数据按照以下标准划分成七个降雨强度等级[7]，即80-120mm/h、60-80mm/h、40-60mm/h、20-40mm/h、10-20mm/h、5-10mm/h、0-5mm/h。

表3 不同降雨强度的侵蚀性降雨

从表3可以看出，随着降雨强度等级的增大各径流小区侵蚀性降雨场次均呈减少趋势，降雨强度越大发生土壤侵蚀的频率越低，但造成的土壤侵蚀越重。侵蚀性降雨次数最多的雨强级别为0-5mm/h，各径流小区分别发生33次、37次、15次、24次和13次，所占比例为78.05%、80.43%、75.00%、77.42%、76.47%。降雨强度>20mm/h时不同土地利用类型都易发生土壤侵蚀，降雨强度级别为80-120/mm·h-1的侵蚀性降雨有1场，历时1min发生的侵蚀性降雨量达到18.6mm。各径流小区在不同降雨强度级别下的产沙量变化趋势如图3。

图3 不同降雨强度级别的产沙模数

从图3可以看出，径流小区产沙模数受平均雨强和土地利用类型的影响显著，锦巧-2、锦巧-5径流小区产沙模数随随着侵蚀性降雨强度等级的增大呈先下降后上升的变化趋势，符合二次函数变化特征。然而，监测区发生高强度大暴雨的概率极低，以长历时小型降雨为主。随着平均雨强的逐渐增大，锦巧-3径流小区的产沙模数不断增加，而不同雨强下锦巧-1、锦巧-4的产沙模数无明显变化。

综上分析，频繁的小型降雨小于极少的大暴雨造成的土壤侵蚀量，应考虑土壤侵蚀受大暴雨的影响合理制定水土流失防治措施[8]。因受扰动比较大，坡耕地产沙量在不同雨强级别下均高于其它用地类型。

2.4 侵蚀性降雨特征指标与产沙的相关性

拟采用SPSS软件分析各降雨特征指标与不同降雨强度产沙之间的相关性，为保证数据分析的精准度和可靠性，剔除仅发生一次土壤侵蚀的降雨强度等级，相关性分析结果如表4。其中，“*”、“**”代表显著和极显著相关；I30、I60代表最大30 min和最大60 min雨强。

由表4可以看出，各降雨特征指标与锦巧-3径流小区不存在相关关系；在降雨强度不超过5mm/h情况下，I60、降雨量与锦巧-1径流小区产沙量呈显著相关，其他降雨特征指标与锦巧-1径流小区产沙量不存在显著相关性；各降雨特征指标与锦巧-2、锦巧-3径流小区都不存在显著相关性；降雨量与锦巧-4径流小区产沙量呈极显著相关，而与锦巧-5径流小区呈显著相关。深入分析发现，一旦降雨长期以顺坡沟垄方式种植烤烟的锦巧-5径流小区就会发生土壤侵蚀，对于种植玉米的锦巧-2径流小区，植被覆盖度随玉米的生长逐渐增大，在一定程度上发挥拦截小型降雨的作用。5-10mm/h降雨强度时，I60、I30、降雨历时和降雨量是影响锦巧-2径流小区产沙的主要因素，I60、降雨历时、降雨量与产沙量呈极显著相关。

综上分析，降雨强度为0-5mm/h条件下，最大60min雨强、降雨量与锦巧-1径流小区的产沙量呈显著正相关，降雨量与锦巧-5径流小区存在显著相关性。对于锦巧-2径流小区，降雨强度不超过5mm/h条件下，降雨历时是影响玉米坡耕地土壤侵蚀的主要因素，降雨强度为5-10mm/h条件下，最大60min雨强、降雨量、降雨历时与产沙量呈极显著正相关；对于锦巧-4径流小区，降雨强度不超过5mm/h条件下，降雨量与产沙量存在极显著相关性，降雨强度为5-10mm/h条件下，最大60min雨强与产沙量存在显著相关性，各降雨特征指标与锦巧-3径流小区均不存在相关关系。由此表明，下垫面或其他因素是影响锦巧-3径流小区的因素，人工林(高大乔木组成)的林冠截留作用很强，而灌草地拦截泥沙作用较弱，所以随着降雨量的增大灌草地水土保持功能不断下降，在降雨较为频繁的地区乔木林的水土保持效果更好[9-14]。

3 结 论

1)从近3a降雨数据上，研究区年降雨量基本呈正态分布，1-4月降雨最少，5-10月降雨集中，8月份降雨最大，9月降雨量逐渐减少，各年份的月降水量变化趋势相同；每年的夏秋两季属降雨集中期，干湿季节明显，该变化规律符合大陆性季风气候特点。

2)在降雨径流和泥沙拦截等方面不同覆盖度的用地类型存在一定差异，农作物和耕作方式也会在一定程度上影响土壤流失。在坡度、降雨强度不变的情况下地表覆盖类型是影响土壤侵蚀的主要因素，不同地表覆盖的降雨入渗和雨水拦截作用存在一定差异，这必然引起不同的土壤侵蚀程度，顺坡种植不利于泥沙拦蓄、雨水截流，因此顺坡种植的大豆地和玉米坡耕地比较容易发生土壤侵蚀。

3)频繁的小型降雨小于极少的大暴雨造成的土壤侵蚀量，应考虑土壤侵蚀受大暴雨的影响合理制定水土流失防治措施。因受扰动比较大，坡耕地产沙量在不同雨强级别下均高于其它用地类型。

d、降雨特征指标与各径流小区产沙量之间的关系，在不同降雨强度级别下存在一定的差异性，因泥沙拦截效应有效灌草地对小型降雨有一定的抗冲作用，而对于大暴雨拥有较多群落层次的乔木林具有更好的水土保持功能，较低的枯枝落叶和草木层可以减少降雨动能，较高的林冠层可以截流雨水，从而更好地减少激溅侵蚀。部分覆盖度较高的植被也具有一定的抗降雨侵蚀效应，但对坡度较大的坡耕地建议采取退耕还林措施。