喀斯特土石异质坡面产流产沙规律

2022-10-10张科利马芊红顾再柯曹梓豪杨志成

水土保持学报 2022年5期

陈磊，张科利,2，马芊红，顾再柯，曹梓豪，杨志成

(1.北京师范大学地理科学学部，北京 100875；2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；3.贵州省水土保持监测站，贵阳 550002)

西南地区是世界三大岩溶区集中分布的亚洲片区中心地带，碳酸盐出露广布，岩溶发育强烈。喀斯特地区由于复杂的人文和地理过程，受降雨、地形坡度、下垫面基岩岩性、地表植被覆盖类型、人类活动和管理方式等影响，特殊的地质背景和岩溶环境伴随着严重的土壤侵蚀和水土流失。喀斯特地区的水土流失过程具有显著的3个特征：易发性、隐蔽性、复杂性。喀斯特地区裂隙、岩溶漏斗、落水洞、地下暗河等发育，水土流失呈地上地下二元结构流失，而非喀斯特地区水土流失主要体现为降雨挟带泥沙顺坡而下，进入地表水系。土壤侵蚀的驱动因素很多，包括风蚀、水蚀和重力侵蚀，但侵蚀性降雨是引起喀斯特坡面土壤侵蚀的主要动力因子。

侵蚀性降雨与产流产沙的研究主要集中在侵蚀性雨量标准、坡面产流产沙与降雨特征值的定量关系、降雨特征值与侵蚀模数的比较等方面。Wschmeier等提出土壤侵蚀的相关因子包括降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长与坡度因子、作物覆盖与管理因子、土壤保持措施因子，基于对美国地区8 000多个小区的分析，认为侵蚀性雨量标准为12.7 mm。黄土高原的降雨侵蚀主要集中在7—8月，且大雨和中雨对坡面土壤侵蚀的贡献最大。周子渊等发现，黄土丘陵区10°和15°坡度下，灌木林沙棘、乔木林油松的土壤侵蚀量明显较低。在黄土高原坡面上，侵蚀性雨量标准为12 mm。北方土石山区棕壤坡面侵蚀性雨量标准为 8 mm，中频率、长历时、大雨量、中雨强类型的降雨对该区土壤侵蚀的累积贡献率最大。喀斯特地区降雨和径流的周期变化具有同步性，但喀斯特坡面在不同降雨类型下产流产沙存在明显差异。黔西高原地区中雨以上降雨事件的产沙量约占总产沙量的99.5%，6—7月雨季中侵蚀性降雨的产沙量占总产沙量的78%左右。基于对喀斯特坡面不同生物措施下产流产沙的分析发现，中历时、大雨量、中雨强类型的降雨侵蚀力最大。顾礼彬等利用黔西高原野外观测的径流泥沙数据得出，坡面降雨量与产沙量呈显著的指数关系。纪启芳等发现，喀斯特坡面不同土地利用方式下产流产沙存在明显差异，产流量与产沙量呈线性关系，且产流产沙量与最大30 min雨强、降雨量和坡度均呈幂函数关系。

目前这些研究已经从多角度分析了侵蚀性降雨的特征及其与产流产沙的关系，为水土保持工作提供了重要指导作用，但关于喀斯特黄壤土石异质坡面次降雨下的产流产沙研究较少。由于国外土壤侵蚀主要发生在缓坡上，而我国>15°的陡坡耕地上土壤侵蚀严重。因此更需要更多的野外实测资料探究其规律，以指导该区水土保持的预防布设。鉴于此，本文基于长期野外径流小区观测试验，利用2018—2020年浒洋水流域坡面径流小区的实测数据，揭示了黄壤坡面侵蚀性降雨的特征类型和标准，对比分析了喀斯特黄壤裸露坡面和块石出露小区对产流产沙的响应，为喀斯特地区石漠化的综合治理、水土资源保护和利用及黄壤坡面土壤侵蚀模型的建立提供有价值的信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

水土保持监测点位于贵州省遵义市鸭溪镇仁和村7组(106°37′00″E，27°37′00″N)，所属浒洋水小流域，流域内坡耕地面积大，水土流失面积占比为47.24%。小流域所属水系为长江流域乌江水系赤水河中上游。气候为中亚热带湿润季风气候，多年平均降水量1 024 mm，多年平均气温14.6 ℃，流域内的地表水、地下水主要以岩溶洞水和裂隙水的形式存在。地貌类型为中低山丘陵地貌，处大娄山脉南侧陡坡地带。植被类型以中亚热带常绿阔叶林为主。岩性以灰岩、结晶灰岩、泥灰岩、和页岩为主。土壤为喀斯特典型的酸性黄壤，有机质含量和土壤肥力较低。

1.2 径流小区监测维护

监测站于2006年修建完成，小区坡度为15°，长为20 m，宽为5 m，面积均为100 m。本文依据小区内不同块石出露，选取1，2，3，4号坡面裸露小区，其块石裸露率分别为0，2.3%，3.8%，5.6%，1号小区为裸露坡面作为对照。数据选取2018—2020年3年监测期内保存较为完整的实测数据。为避免监测结果受其他因素干扰，监测期内定期维护径流小区，及时清理集流槽、出水口等位置的杂草、枯落物等，并保证径流小区杂草盖度低于5%，平均每10天拔草1次。

1.3 研究方法

1.3.1 次降雨径流泥沙收集及指标计算在坡面径流小区附近安装HOBO U30自记雨量计和1个雨量筒，相互校验来获得降雨量、降雨历时、平均降雨强度等降雨过程数据。径流小区主要监测内容包括：产流产沙量、径流深、土壤侵蚀力。径流泥沙的监测方法为每次降雨后检查径流桶中是否有产流，有产流则首先记录降雨场次并用直尺量水深，3次重复并据此计算产流量。随后用搅拌棒把径流泥沙搅拌均匀并用采样瓶收集浑水1 000 mL，2个重复并记录体积，若产流较少不足收集2瓶，则收集全部径流并记录采样瓶水样体积。径流泥沙收集完后清理集流桶，并收集集流槽中泥沙至饭盒中，做好记录后带回实验室烘干称重。收集的浑水样品在实验室内静置48 h后倒掉上清液，把泥沙移至饭盒中并置于烘箱中恒温105 ℃烘干称重，结合产流量，计算次降雨的土壤侵蚀量。

(1)径流深是某一时间段内的径流总量平铺在整个小区所得到的水层深度，计算公式为：

式中：为径流深(m)；为水深(m)；为集流池底面积(m)；为径流小区坡面面积(m)。

(2)降雨总动能计算公式为：

式中：为1次降雨总动能(MJ/hm)；为某时段单位降雨动能[MJ/(hm·mm)]；为对应时段降雨量(mm)。

(3)降雨侵蚀力计算公式为：

=·

式中：为次降雨侵蚀力[(MJ·mm)/(hm·h)]；为最大30 min雨强(mm/h)。

(4)单位降雨动能计算公式为：

=0.29[1-0.72exp(-005)]

式中：为单位降雨动能[MJ/(hm·mm)]；为每个时段的雨强，称为断点雨强(mm/h)。

(5)次降雨侵蚀模数为监测期内降雨量在单位面积上的产沙量。土壤侵蚀模数计算公式为：

式中：为次降雨下土壤侵蚀模数(g/m)；为次降雨量产沙量(g)；为小区面积(m)。

1.3.2 降雨类型划分及数据处理在所有的降雨事件中，只有部分降雨能够发生土壤侵蚀，将发生侵蚀的降雨称为侵蚀性降雨。不同降雨强度的结合在次降雨过程中形成了雨型，降雨类型是影响侵蚀过程的主要因子之一。2018—2020年监测期间径流小区共发生侵蚀性降雨92次，为了更准确地探究土石异质坡面对侵蚀性降雨的响应，以平均雨强、降雨历时、降雨量为特征参数，在SPSS 26软件中进行系统聚类和—均值聚类，本文基于聚类分析的25%，75%分位数来描述3类降雨的具体特征指标。由聚类谱系图可知，侵蚀性降雨可分为3类(表1)。数据分析和图片处理在Excel 2019和Origin 2021软件中进行。

表1 不同侵蚀性降雨类型特征

A雨型：小—中雨量(6.05～21.95 mm)、短历时(257.45～668.58 min)、大雨强(0～2.88 mm/h)、高频率84.78%；B雨型：中—大雨量(9.35～55.35 mm)、中历时(1 165.00～2 050.90 min)、中雨强(0～1.20 mm/h)、中频率10.87%；C雨型：大雨量(26.65～87.15 mm)、长历时(3 653.75～4 336.25 min)、小雨强(0～0.67 mm/h)、低频率4.35%。就侵蚀性降雨的发生频次而言，A雨型发生了78次，占样本量的84.78%，表明在A雨型环境下坡面产流产沙现象频繁易发。依据总的降雨侵蚀力，A雨型4 808.46(MJ·mm)/(hm·h)>B雨型1 031.07 (MJ·mm)/(hm·h)>C雨型393.04 (MJ·mm)/(hm·h)。从土壤侵蚀模数来看，2018—2020年4个径流小区由3类降雨引起总的土壤侵蚀模数为A类降雨2 380.98 g/m，B类降雨164.24 g/m，C类降雨973.03 g/m。从产流产沙的次数及土壤流失量来看，喀斯特坡面主要的侵蚀性降雨为A雨型：小—中雨量、短历时、大雨强、高频率，降雨的产流形式多为超渗产流。综合分析来看，与降雨量相比，雨强对土壤流失量的贡献率更大，特别是短历时的强降雨下，降雨对土壤的分离溅蚀作用更强，增加了水流挟沙力，导致地表产流产沙增加。对于侵蚀性降雨发生的频率、总的降雨侵蚀力而言，三者的规律整体呈现为A雨型>B雨型>C雨型。

2 结果与分析

2.1 侵蚀性降雨标准的确定

图1 次降雨量、I30和经验频率(P)的曲线

2.2 裸露坡面产流对侵蚀性降雨的响应

裸露坡面在3类侵蚀性降雨下的产流用径流深来表示，为更好地阐述3类降雨下裸露坡面产流的主要驱动力，从降雨量、最大30 min雨强、降雨总动能、降雨侵蚀力4个降雨特征因子出发，分析建立了次降雨下坡面产流的驱动关系(图2)。为方便对比分析，统一采用线性拟合，通过的对比发现，总体上降雨量对坡面产流的贡献最大，对于产流贡献率为降雨量>降雨总动能>降雨侵蚀力>最大30 min雨强。侵蚀性降雨主要伴随以下特征，降雨量集中在0～20 mm，最大30 min雨强在0～10 mm/h内，降雨总动能<5 MJ·mm，降雨侵蚀力在0～100(MJ·mm)/(hm·h)。喀斯特黄壤裸露坡面侵蚀性降雨产流的径流深多数<0.4 mm，A类降雨中有54次，B类降雨有6次，C类降雨中有2次，径流深<0.4 mm的侵蚀性降雨占据63.27%。

图2 裸露坡面次降雨与产流的关系

A类降雨中，平均径流深为0.68 mm，最大径流深13.90 mm出现在2019年6月12日的次降雨中，出现在这次降雨中的原因是2019年6月8日降雨48.6 mm、6月9日降雨26.4 mm、6月10日降雨5 mm，前期连续的侵蚀性降雨导致土壤水分饱和，雨水基本不在下渗，短历时的强降雨带来超渗产流并搬运走大量泥沙。B类降雨中，平均径流深为0.44 mm，C类降雨中，除2019年9月10日发生的94 mm暴雨事件外，平均径流深为0.60 mm。对比3类降雨，产流的规律总体上表现为，平均径流深A雨型>C雨型>B雨型，A类降雨中，当次降雨量<20 mm时，平均径流深为0.16 mm，当次降雨量>20 mm时，平均径流深为30.67 mm。A类降雨中20 mm降雨量是喀斯特黄壤坡面径流深，明显增加的突变值。

2.3 裸露坡面产沙对侵蚀性降雨的响应

裸露坡面在3类侵蚀性降雨下的产沙量采用侵蚀量来表示，同理用上述4个降雨特征因子，分析建立了次降雨下坡面产沙驱动关系(图3)。通过的对比发现，总体上降雨量对坡面产沙的贡献最大，对于产沙贡献率为降雨量>降雨总动能>降雨侵蚀力>最大30 min雨强。喀斯特黄壤裸露坡面侵蚀性降雨的土壤流失量多数<1 g/m,A类降雨中有51次，B类降雨中有8次，C类降雨中有2次，土壤流失量<1 g/m的侵蚀性降雨占据66.30%。但坡面土壤侵蚀量主要是由个别的次降雨所贡献，如C类降雨中，2019年9月10日发生94 mm的次降雨,降雨侵蚀力为107.844 (MJ·mm)/(hm·h)，4个径流小区土壤流失量为968.72 g/m，这次降雨占据C类降雨中土壤流失总量的99.56%，对3年总的土壤流失量的贡献率为27.53%。

图3 裸露坡面次降雨与产沙的关系

A类降雨中，平均土壤流失量为5.40 g/m，最大土壤流失量82.64 g/m同样出现在2019年6月12日的次降雨中。最大土壤流失量出现在这次降雨中的原因是和上述最大产流量出现的原因一致。B类降雨中，平均土壤流失量为1.52 g/m，C类降雨中，除2019年9月10日发生的94 mm暴雨事件外，平均土壤流失量为0.48 g/m。对比3类降雨，产沙的规律总体上表现为平均土壤流失量A雨型>B雨型>C雨型。A雨型，当次降雨量<20 mm时，平均土壤流失量为0.87 g/m，当次降雨量>20 mm时，平均土壤流失量为17.72 g/m。A类降雨中20 mm降雨量是喀斯特黄壤坡面土壤流失量明显增加的突变值。因此，在今后的坡面水土保持工作中，应重点防范A类降雨中>20 mm的侵蚀性降雨。

从次降雨下坡面产流产沙关系(图4)来看，产流量(径流深)和产沙量(土壤侵蚀量)呈线性相关关系，裸露坡面3类降雨下其决定系数为A类0.83，B类0.69，C类0.99。表明土壤流失量主要是由径流深决定的，地表径流与降雨特征因子相比，其对坡面产沙的贡献率最大。

图4 裸露坡面侵蚀性降雨产流与产沙的关系

2.4 土石异质坡面产流产沙差异

3类侵蚀性降雨下的产沙量用平均含沙量来表示，由块石出露小区和裸露坡面产流产沙差异(图5)来看，A类降雨下，小区产流量表现为块石出漏3.8%>块石出漏5.6%>块石出漏2.3%>裸露坡面，小区产沙量表现为块石出漏5.6%>块石出漏3.8%>裸露坡面>块石出漏2.3%。平均产流量随着块石裸露率先增加后减少，裸露坡面的产沙量大于块石出露2.3%的小区，块石出露小区平均产沙量随着块石出露率的变大而增加。B类降雨下，裸露坡面小区产流量和产沙量均最小，3种块石出露小区产流量差异很小，而产沙量差异较大。C类降雨下，块石出露3.8%的小区产流量最大而产沙量却最小，块石出露5.6%的小区产流量最小而产沙量却最大。C类降雨下径流小区的产流量和产沙量受94 mm暴雨事件影响明显较大。

图5 侵蚀性降雨下土石异质坡面产流产沙

就产流量而言，在裸露坡面和3种块石出露率下产流量表现为C雨型>A雨型>B雨型。A和B类降雨下，裸露坡面产流量均小于块石出露下的小区，块石出露率的增加提高了产流量。C类降雨下产流量随块石出露率的增加，呈先增后减的变化。总体上3类降雨中，与裸露坡面相比，块石出露小区的产流量随着出露率的增加而变大。从产沙量来看，产沙量在裸露坡面、块石出露2.3%和5.6%的小区均呈现C雨型>A雨型>B雨型，而在块石出露3.8%的小区没有这一规律。3类降雨中，产沙量的变化比产流变化复杂，A类降雨，产沙量随着块石出露率的提高呈明显增加，B类降雨下呈先增后减的变化，C类降雨下呈先减后增的变化。

3 讨论

以往的研究中单一的参数指标不能更好地反映降雨特征，往往忽略了雨强和雨量存在的不一致性问题。本研究中以侵蚀性降雨的降雨量、降雨历时、平均雨强为划分依据，降雨类型划分为A、B、C 3类，划分结果与黄凯等对贵州省黔南区不同侵蚀性降雨类型的划分类似。已有许多学者研究了不同地区和土壤类型下，关于次降雨对坡面土壤的侵蚀规律。谢云等研究表明，黄土高原坡面土壤侵蚀的降雨标准为12 mm，平均雨强为0.04 mm/min，最大30 min雨强为0.25 mm/min。邬铃莉等研究表明，北方土石山区坡面土壤侵蚀，主要是由中雨量、短历时、大雨强、低频率的次降雨导致的，且坡面土壤侵蚀的临界雨量为8 mm，临界雨强为9.5 mm/h。王改玲等研究表明，晋北黄土区坡地8°裸露坡面小区，次降雨量达到8.47 mm或为14.24 mm/h时便会发生侵蚀性降雨。黄国平等研究表明，新疆伊犁河谷灰钙土12°坡面小区降雨产流阈值为，降雨量>4 mm且>3.6 mm/h。区域地形、土壤类型、小区坡度等是影响侵蚀性降雨阈值和侵蚀过程的重要因素。各研究区因其土壤类型和小区坡度等因素不同，导致喀斯特黄壤裸露坡面侵蚀性降雨的雨量和雨强的标准与其他地区存在差异。秦伟等得出12°红壤裸露坡面的土壤侵蚀，主要是由短历时、小雨量、大雨强、高频次的次降雨所贡献的，且最大30 min雨强>15 mm/h后，土壤侵蚀强度明显增加。这与本研究结果类似，喀斯特黄壤坡面侵蚀性降雨主要为A雨型，具有短历时、小雨量、大雨强、高频次的降雨特征。15°喀斯特黄壤裸露坡面侵蚀性降雨的标准为次降雨量6.6 mm或为3.6 mm/h。

块石出露是喀斯特黄壤坡面经典的地貌景观之一，因此研究块石出露下坡面侵蚀性降雨及产流产沙的特征，对于坡面水土资源利用与保护及小流域坡面土壤侵蚀模型的建立具有重要意义。Jean等研究认为，在5°坡面上裸露岩石增加则径流减少，而在10°和20°坡面上裸露岩石增加则径流增加，在不同坡度面上裸露岩石的多少对径流的响应结果截然不同。Liu等通过不同岩石出露下的人工模拟降雨试验得出，在15°和30°坡面上，坡面径流量均随着裸露岩石的增加而增加，而土壤流失量在降雨前期随着裸露岩石的增加而变大，降雨后期则相反。在本研究中，A和B类降雨下，裸露坡面产流量均小于块石出露下的小区，产流量随着块石出露率的增加而增加。Dai等通过在坡面上的人工模拟降雨试验得出，随着裸露岩石的增加，产沙率呈先变大后变小的趋势。Bunte等研究表明，土壤流失量随着裸露岩石的增加呈现先增大后减少的变化，且认为20%的岩石出露率是土壤流失量由多到少的阈值。这与本研究中B类降雨下产沙规律类似，3类降雨中，产沙量的变化比产流变化复杂。A类降雨，产沙量随着块石出露率的提高呈明显增加；B类降雨下呈先增后减的变化C类降雨下则和B变化趋势相反。喀斯特土石异质坡面产流产沙的问题比较复杂，今后的研究仍有很多影响因子有待继续深入探讨。