栖龙湾小流域坡面产流产沙特征及降雨分析

程甜甜，朱 峰，张卫东

（济南市水务服务中心，山东 济南 250099）

栖龙湾小流域地处鲁中南低山丘陵土壤保持区，属沂蒙山泰山国家级水土流失重点治理区，所在区域的地形地貌、土壤及地质条件、水土流失特征能够代表北方土石山区的主要类型，具有典型性。因此本研究选取位于栖龙湾小流域的10 个典型坡面径流监测小区，以2017—2022 年的降雨、径流、泥沙等观测数据为基础，探究不同坡度、不同水土保持措施的径流小区产流产沙特征及其对降雨特征的响应，以期为北方土石山区水土流失的防治提供理论依据。

1 研究区概况

栖龙湾典型监测点位于栖龙湾小流域上游，地处济南市莱芜区北部山区、黄河流域大汶河支流嬴汶河中上游，监测点坐标为东经117°37′36″、北纬36°22′46″。属温带湿润、半湿润大陆性季风型气候，雨热同期，多年平均降水量712 mm，多集中于夏季且多暴雨，平均气温为11.2 ℃，≥10 ℃的积温4 265.9 ℃，主要土壤类型为褐土、潮褐土、棕壤，现有森林植被主要是人工林，主要树种有赤松、黑松、板栗、核桃、花椒等。

2 研究方法

2.1 径流小区布设

监测点内径流小区于2005 年开始建设，2006 年投入使用。结合北方土石山区特点及试验区地形条件，径流小区设计为宽5 m，长10 m（水平投影），水平投影面积50 m2。径流小区下部设集水槽和引水槽，引水槽末端设置集流池，池壁绘制量水尺，测量蓄水容积。各小区基本情况见表1。

表1 各径流小区基本情况

2.2 试验方法

严格按照水利部水土保持监测中心《径流小区和小流域水土保持监测手册》相关标准进行观测。降雨数据由翻斗式自记雨量计自动观测传输，侵蚀性降雨根据监测手册要求进行摘录。每次降雨产流后量取集流池内径流深，并采用搅拌法人工取样，随后通过烘干法测定含沙量。观测期为2017 年1 月至2022 年12 月。

3 结果分析

3.1 降雨特征

监测点2017—2022 年累计降雨374 场，累计降雨量为4 730.8 mm，年度均值为788.5 mm。各年度摘录侵蚀性降雨分别占全年降雨量的67%、82%、72%、83%、84%、91%，产生径流的最小降雨量分别为18.5 mm、32.0 mm、25.0 mm、48.0 mm、39.0 mm、30.0 mm。总体来说，栖龙湾监测点降雨有明显的季节变化，降雨主要集中在6~9 月，而侵蚀性降雨主要集中在6~8 月，且以7~8 月为主。济南市莱芜区多年平均降雨量为712 mm，高于多年平均降雨量20%以上的为丰水年，低于多年平均降雨量20%以上的为枯水年，介于二者之间的为平水年。据此，2017 年、2019 年为枯水年，2018 年、2020 年为平水年，2021 年、2022 年为丰水年。

3.2 不同坡度、不同措施小区产流产沙特征

各径流小区2017—2022 年度产流产沙情况见表2。相同降雨条件下，裸地产流产沙量最多，且产流产沙量均随坡度的增加而增多，采取一定的水土保持措施可减少水土流失的发生。在北方土石山区，主要的种植方式为顺坡垄作和梯田种植，因此在栖龙湾监测点采用这两种耕作方式进行对比。

表2 各径流小区2017—2022 年产流产沙特征

从表2 可以看出，植物措施同为花生的径流小区，采取相应的水土保持工程措施后减轻水土流失的作用更为显著。其中顺坡垄作可以减少70%以上的土壤流失量，土坎梯田可以减少85%左右的土壤流失量，石坎梯田减轻水土流失的作用最大，减少量达95%以上。因此，为减少水土流失的发生，促进区域生态经济的发展，在北方土石山区种植作物时应以梯田为主，条件允许的情况下应多采用石坎梯田。

同为土坎梯田的花生小区和杏树小区，坡度一致的情况下，杏树小区的产流量比花生小区高1%左右，但产沙量比花生小区低约3%。杏树小区比花生小区减少土壤流失量效果不明显，不能很好地拦截降雨，而且在除草时会对地面造成一定的扰动，使得小区内植被覆盖度在一段时间内比花生小区低，进而对两者之间的对比结果产生一定的影响。

3.3 降雨对产流产沙的影响

降雨作为引起土壤侵蚀最主要的动力因子，与坡面产流产沙有着极其密切的关系。降雨特征如降雨量、降雨历时、降雨强度等都会对坡面水土流失产生一定的影响。因此，在本研究中选取降雨量P、降雨历时Dur、平均降雨强度Ia、最大30 min 雨强I30、降雨侵蚀力R 等降雨因子与径流深H、土壤流失量A 进行皮尔逊相关分析。同时，为了能对比不同水土保持措施下降雨对坡面产流产沙的影响，本研究以坡度为10°的4 个径流小区进行分析，结果见表3。

表3 各径流小区产流产沙与降雨因子多元相关分析

结果表明：1 号裸地小区、2 号坡耕地种植的花生小区、3 号土坎梯田种植的花生小区径流深与降雨量、降雨侵蚀力、土壤流失量均呈显著相关，降雨量越大，降雨侵蚀力越高，越有可能产生径流和泥沙。且土壤流失量与降雨侵蚀力、径流深均在0.01 水平上达到了显著相关，降雨侵蚀力越高越容易造成径流冲刷，从而导致土壤侵蚀的发生。只有3 号小区径流深与降雨历时在0.05 水平上达到了显著相关，说明梯田通过改变坡面水流的路线延缓了产流的进程，降雨达到一定的时长才会导致径流的发生。而4 号土坎梯田种植的杏树小区径流深、土壤流失量与各降雨因子均没有显著的相关性，只有土壤流失量和径流深呈显著相关，说明梯田和经济林的组合模式可以有效地抵抗降雨造成的径流冲刷，减少水土流失的发生。

4 结 论

1）栖龙湾小流域降雨有明显的季节变化，降雨主要集中在6~9 月，而侵蚀性降雨主要集中在6~8 月，且以7~8 月为主。

2）相同降雨条件下，产流产沙量为裸地最多，且随坡度的增加而增多，采取水土保持措施后可减少水土流失的发生，产流产沙量为石坎梯田小区＜土坎梯田小区＜坡耕地；经济林＜农地。

3）通过对4 个10°的径流小区的径流、泥沙和各降雨因子进行皮尔逊相关分析，得出裸地、坡耕地种植的花生小区、土坎梯田种植的花生小区径流深与降雨量、降雨侵蚀力、土壤流失量均呈显著相关；土坎梯田种植的花生小区径流深与降雨历时呈显著相关；土坎梯田种植的杏树小区径流深、土壤流失量与各降雨因子均无显著相关性，只有土壤流失量和径流深呈显著相关。梯田和经济林的组合模式更能减少水土流失的发生。