水土保持和不同降雨条件对小流域水土流失的影响研究

陈 丹

(广东方莫工程咨询有限公司,广东 广州 510510)

1 概述

降雨是引发水土流失的重要因素，已有研究中将降雨事件特征进行了划分，有降雨强度、降雨量和降雨历时等，这些特征参数与流域的产流输沙量密切相关[1-3]。同时，降雨类型对流域与水土流失也存在密切的关系。降雨类型与水土流失的关系是一个极具有研究价值的课题，可以为水土流失治理提供理论依据[4-6]。

小流域的水土流失预报和降雨输沙产流规律被视为水土保持研究的重点。随着生态化治理概念的提出，使得小流域的产沙产流机制产生改变，治理效果也得到大幅提升[7-8]。但在目前的研究中鲜有考虑降雨类型对水土保持效益的研究成果，因此了解降雨类型对水土流失影响规律具有重要的科学意义[9-10]。通过统计流域内24年来洪水事件的降雨泥沙水文数据，采用皮尔逊相关分析法探究降雨量、径流、输沙量与降雨特征的关系，分析不同类型降雨条件下次洪水事件的产流输沙特征，探讨水土保持治理效果。

2 工程概况

2.1 地质与水文环境

研究区流域由一条2km的主沟和多条支沟交错构成，流域面积1.36km2，平均比降为20.75%。流域中主要存在两种土质，其中呈黑褐色的黄土占比超过60%，其余部分为呈红色的黑褐粗骨土。流域年降水量差异大，最少年降水量仅为366.8mm，而最大年降水量可达933.7mm，多年的平均讲降水量为542.5mm。而在降水年内降水分布也不均匀，全年70%以上的降水量由汛期提供。由于独特的地质条件，年蒸发量达1293mm，一年内的温差最高达57.4℃，土体干燥度为1.3。

2.2 水土保持现状

流域在水土保持的治理早期，主要采用种草种树、改种梯田等手段进行坡面治理。直至2016年，19座大小不一的淤泥地坝在流域内修建完成。由数据表1可知，经过多年的水土保持治理和发展，土地利用有了较为显著改善。相较于1997年，2014年流域的林地面积增加了15.2%，梯田面积增加了35.2%，裸地面积减少了4.3%，坡耕面积减少了45.9%。

表1 研究区土地利用类型占流域面积比例%

3 数据来源与研究方法

本文使用的水文数据均来自流域内3所雨量站；流域出口设置径流泥沙测站，采用体积法测定径流流量，使用浮标法计算流量进行检验，泥沙样品量采用置换法计算得到。

本文采用皮尔逊相关分析法探究降雨量、径流、输沙量与降雨特征的关系。并根据尔逊相关分析法对研究的参数做出定义：

D—降雨历时，I—降雨强度，P—次降雨量，Qmax—洪峰流量，H—径流深度，Rc—径流系数，Cmax—最大含沙量，C—平均含沙量，Ms—输沙模数，I30max—最大30min降雨强度，P1d—前1d降雨量，P3d—前3d降雨量，P5d—前5d降雨量，P7d—前7d降雨量。

根据K均值分类法，将降雨特征进行了详细的划分，分类的方差值需满足p<0.05，才会被认定为分类合理。

4 结果与讨论

4.1 流域水沙变化特征

根据科学试验站提供的数据，本文对流域的降雨进行了统计，将不同年代的降雨事件的降雨量、泥沙变量、径流进行了详细的描述分析，分析结果见表2。在143场的洪水事件中，最小降雨量为3.1mm，最大降雨量为96.8mm，有17场降雨事件的次降雨量大于50mm，并引发了洪水，占总降雨事件的11.9%。当降雨量在43～2399mm范围内时会发生次洪水事件，在此类事件中平均降雨历时628min。有21场的洪水事件降雨历时大于1000min，在总事件中占14.7%。有59场的洪水事件降雨历时少于480min，在总事件中占41.3%。平均降雨平均强度的最大值可达32.6mm·h-1，降雨历时较短，仅有43min；次降雨平均强度的最小值为0.4mm·h-1，降雨历时长，持续降雨1570min。在洪水事件中多数降雨强度小于5mm·h-1，共发生了112次，在总事件中占79%，前期降雨量的变化基本随降雨历时的增长而增大，前1d的变异系数为2.18，前3d的变异系数为1.35，5d的变异系数为1.14，7d的变异系数为1.05。

在次洪水事件中径流深度小于0.1mm的事件发生了65次，占据了总事件的45.5%。而在所有洪水事件中，径流深度在0.001～22.9mm之间，平均值为0.8mm。径流系数在0.0001～0.23之间，有90场洪水事件的径流系数小于0.01，占总事件的62.9%。输沙模数的变化范围在0.02t·km-2～9991.8t·km-2之间。有17场洪水的输沙模数超过500t·km-2，占总事件的11.9%；有82场洪水的输沙模数少于50t·km-2，占总事件的57.3%。含沙量的最大值为612.1kg·m-3，最小值为19.3g·m-3，变异系数为0.56。

表2 流域次洪水事件描述统计特征

4.2 降雨-径流-输沙关系

根据科学试验站提供的数据，经整理后构建了降雨、径流和输沙变量的皮尔逊相关矩阵，可知，输沙和径流与D的方差均大于0.05，不具有显著相关，最大含砂量与D的方差p<0.05，水平显著相关。而P与输沙、径流、降雨、径流系数以及最大含砂量的方差p<0.05，水平显著相关。I30max与输沙、径流、最大含砂量、径流系数、降雨的方差p<0.01均具有显著相关性。

4.3 不同降雨类型下径流和输沙

经统计，根据降雨特征均值P和I30max的大小将143场降雨划分为4个类型，见表3。由表3可知，Ⅰ型降雨：发生频次最多，共发生112次，降雨量小，降雨强度大；Ⅱ型降雨：发生频次最少，共发生4次，降雨量大，降雨强度小；Ⅲ型降雨：共发生13次，降雨量大，降雨强度小；Ⅳ型降雨：共发生14次，降雨量小，降雨强度大。

不同降雨类型对流域累计降雨量、输沙量、径流量占比的影响如图1所示。由图1可知，Ⅰ型降雨的累计降雨量占总降雨量的60.32%，在4种类型的降雨中占比最大，累计径流量和累计输沙量仅次于Ⅱ型降雨，占比分别为37.8%和33.05%。Ⅱ型降雨的累计径流量和累计输沙量分别为39.93%和43.46%，在4种类型的降雨中占比最大，但累计降雨量仅占总降雨量的8.53%。Ⅲ型降雨的累计降雨量在4种类型的降雨中排第二，但累计径流量和累计输沙量占比最少。

表3 降雨类型统计特征

在黄土地区，降雨的产流以超渗产流为主，并且降雨的产流能力和过程与降雨强度显著相关。根据表2中皮尔逊相关分析数据显示，在所有类型的降雨事件中I30max与流域的Qmax和RC显著相关，并且I30max与降雨类型的关系为：Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ。不同降雨类类型对流域产流输沙特征的影响如图2所示，在统计中降雨类型之间显著差异性用图中字母表示(p<0.05)。图2(a)中展示了降雨类型对流域径流系数的影响。流域降雨的产流能力通常采用径流系数来表征，从图2(a)中可以看出四种降雨类型中径流系数由大到小为Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ，其中Ⅱ与Ⅳ的存在显著差异，Ⅰ与Ⅲ则差异不明显。说明不同降雨类型对径流过程有重要影响。观察图2(b)可以发现，四种降雨类型中累计洪峰流量由大到小为Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ。其中Ⅰ型与Ⅲ型降雨的累计洪峰流量小于0.5m3/s，事件发生频次也较少，为9场和1场。由图2(c)可知，Ⅱ型降雨的输沙模数要远大于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ型降雨的输沙模数，具有显著性差异，输沙模数平均值为4261.23t/km2。而其他类型的降雨则与输沙模数差异不显著，平均输沙模数度低于500t/km2。由图2(d)可知，4种类型的降雨与流域的次洪水事件平均含沙量存在差异不显著，但流域输沙量与产流量常常采用洪水事件的平均含沙量来表征，这也说明了流域水沙与降雨类型关联性较弱。

图1 不同降雨类型累计降雨量、累计径流量和累计输沙量所占比例

图2 不同降雨类型下次洪水事件产流输沙特征

5 结论

本文通过统计流域洪水事件的降雨泥沙水文数据，采用皮尔逊相关分析法探究降雨量、径流、输沙量与降雨特征的关系，并利用根据K均值分类法，将降雨特征进行划分。结果表明降雨类型中径流系数由大到小为Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ，其中Ⅱ与Ⅳ存在显著差异，Ⅰ与Ⅲ则差异不明显。说明不同降雨类型对径流过程有重要影响；降雨类型中累计洪峰流量由大到小为Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ；Ⅱ型降雨的输沙模数要远大于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ型降雨的输沙模数，具有显著性差异；降雨与流域的次洪水事件平均含沙量存在差异不显著。研究结果对降雨类型对水土流失影响规律具有重要的科学意义。