大暴雨条件下流域水土保持措施的减沙作用评价研究

2023-01-04饶志广

四川水利 2022年6期

饶志广

(江西省抚州市南丰县水利局，江西南丰，344500)

0 引言

近年来，南方城市水源区上下游用水矛盾需求突出，流域地区的气候变化，尤其是突发的极端降雨天气，对水库水量泥沙的影响重大[1]。针对水源区水土流失治理和减水减沙作用已有较多研究[2－4]，如采用“水文法”和“水土法”等方法进行流域减水排沙效应评价，为水域减水降沙效应提供了重要科学支持[5－7]。传统水土流失治理长期依据“水不下山，泥不出沟”的理念，尽管在减沙效应方面取得了较大成绩，但更多地适合用于黄土高原、北方丘陵沟壑区等水域较为贫乏区[8]。我国南方地区，不管在地质结构和气候环境下都与北方存在较大不同，尤其是南方地区雨水较多，场次暴雨和强降雨较多，短时间内降雨量、降雨历时、降雨强度等因素对水域的土壤侵蚀影响不同[9－10]，目前针对南方红壤区研究相对较少。本文拟研究南方某一红壤区在不同雨强、雨量级别下的降雨特征与产沙间的关系，以揭示大暴雨对南方红壤土侵蚀规律，为南方水域水土流失综合治理提供理论依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省南丰县抚河流域内，地区气候属于亚热带季风气候，夏季炎热多雨，冬季温和少雨，年均气温14℃～22℃，年均降雨量约1480mm，雨型多为暴雨、大暴雨，降雨历时短，强度大，20年一遇最大降水量为136mm，汛期4－9月占年径流总量80%以上，7、8月份最高，10月以后逐渐下降。流域地区植以亚热带常绿阔叶林和北热带常绿季雨林为主，次生林为针叶稀疏群落，作物主要有水稻、甘薯、玉米等。地形地貌为土石质丘陵区，呈现东南高西北低特点，地面坡度25°～35°占25%，土层坡度差异较低，流域表土以红砂岩丘陵台地为主，砖红壤性红壤、石灰土次之。红砂岩颗粒较均匀，胶结力较弱，在地表水和地下水长期水蚀作用下，形成不同形态岩溶地形，易造成土壤侵蚀。由于年内和年际降水量变化大，流域洪、涝、旱、咸自然灾害频繁。

1.2 研究方法

根据项目区自然环境和水土保持措施类型，设置5个标准径流小区，分别为次生林、稻田地、人工林地、灌木地、大豆地，各径流小区特征见表1。

表1 各径流小区布设

将自记雨量计(型号:JDZ－1，中国仪器仪表公司)装设在各径流小区观测降雨量，每6h记录雨量资料，并利用Rain Record软件分析降雨特征因子，包括降雨强度、I30、I60指标，采用Model悬移质泥沙测定仪测量各小区的产沙量。

2 结果分析

2.1 降雨量变化特征

2018－2020年抚河小区流域共降雨382场，各年份的降雨量具体分布如图1所示。

图1 年度降雨量分布

其中2018－2020年降雨总量分别为852.6mm、836.6mm、1032.6mm，侵蚀性降雨量分别为526.6mm、326.5mm、526.6mm，侵蚀性降雨量占总降雨量分别为63.72%、36.63%、63.72%。降雨量主要集中在6－9月份。在年度变化方面，每年9月降雨量变化最明显，3－4月变化较低；季节变化方面，降雨量主要集中于夏季和秋季。

2.2 侵蚀性降雨等级

根据相关研究标准将抚河流域降水量划分为7个等级[11]，见表2所示。在2018－2020年期间，1＃～5＃径流小区发生侵蚀性降雨分别为52、60、31、42、26次，侵蚀性降雨量分别为1529.1mm、1462.4mm、1100.6mm、1375.3mm、642.3mm。随着降雨级别的增加，侵蚀性降雨次数呈现出跳跃式变化。在0～50mm降雨级别时，侵蚀性降雨次数、降雨量与降雨级别表现出正相关性，在更高降雨级别中降雨总次数减少，但侵蚀性降雨次数增加，一次较强降雨往往造成严重的土壤侵蚀。10mm～50mm降雨等级时，1＃、2＃、3＃、4＃径流区的侵蚀降雨场次分别为33、39、20、29次，占总侵蚀性降雨场次为63%、65%、64%、69%，5＃径流区在5mm降雨级别时就发生严重侵蚀性降雨。当降雨量大于50mm后，降雨引起土壤侵蚀达到100%，短时间的大暴雨造成严重的土壤侵蚀。

表2 不同降雨等级的降雨特征分析

2.3 降雨等级与产沙量关系

降雨和下垫面是影响坡面产沙的主要因素，比较不同降雨等级下的径流区产沙量，如图2所示，可以看出，稻田地和大豆地径流区平均产沙模数明显高于次生林地、人工林地和灌草地。降雨量0～50mm等级时，次生林地和灌木地产沙量变化较小，大豆地产沙模数随降雨量级别的上升而增大，玉米地产沙模数随降雨量级别上升呈现出凸形分布。人工林地径流区产沙模数随降雨量的增大呈现出不均匀变化规律，但整体表现出上升趋势。比较几种典型径流区的产沙模数，当降雨量等级大于10mm时，稻田地、大豆地的径流区出现严重的侵蚀，而降雨等级达到50mm时，灌木地和人工林地的土壤侵蚀显著，次生林在不同降雨等级下均表现出了较好的水土保持效果。同一降雨和坡度下，地表覆盖类型是影响土壤侵蚀的主要因素。其中顺坡种植大豆最易发生土壤侵蚀，其次为稻田地，顺坡种植难以含蓄水源，但对泥沙冲刷作用较小。

图2 不同降雨等级的降雨特征分析

2.4 降雨特征与产沙相关性分析

通过SPSS软件对不同降雨等级下的产沙量相关性进行分析，20mm/h～40mm/h降雨等级仅发生一次，因此，不考虑该数据的关联特征，获得不同降雨等级下的产沙和降雨特征相关系数见表3。

从表3可以看出，当降雨强度0～5mm/h时，1＃径流区产沙量与降雨量和I60呈现出显著关系，其他降雨特征指标下的径流区产沙并未表现出显著关系；2＃径流区和3＃径流区在不同降雨等级下的产沙指标并未表现出显著性关系，4＃径流区产沙与降雨量便显出极显著性，5＃径流区产沙量与降雨等级表现出显著性关系。可能是2＃径流区以大豆植被为主，大豆根系发达，随着植被的生长，植被覆盖度增加，能够发挥一定的拦蓄截流作用；5＃径流区主要以顺坡沟垄方式来种植大豆，当遇到降雨天气后容易发生水土流失。当降雨强度在5mm/h～10mm/h时，2＃径流区产沙量和降雨量、降雨历时、I30、I60指标表现出显著相关关系，此时径流区主要受降雨量、历时，I30和I60指标的影响。

综合分析可以看出，当降雨强度在0～5mm/h时，1＃径流区和降雨量、I60呈现正相关，6＃径流区产沙量与降雨量呈正相关；对于2＃径流区，降雨量小于5mm/h时，降雨历时是影响土壤侵蚀的主要因素，当降雨强度5mm/h～10mm/h时，产沙量与降雨历时、降雨量和、I30、I60呈显著正相关；对于4＃径流区，降雨强度0～5mm/h，产沙量与降雨量呈相关性，5mm/h～10mm/h，产沙量与I60表现出显著相关性。对3＃径流区并未表现出相关性，表明影响3＃径流区因素可能是下垫面条件或其他因素，由乔木类植被具有很强的林冠截流作用，而灌木类植被的水土保持作用较低，尤其是在降雨频繁的南方地区，随着降雨量增大，灌草类植被的拦截泥沙作用逐渐下降，水土保持效果减弱。