不同降雨条件下沂蒙山区典型小流域水土流失变化特征

张潭　孟琳　董明明

［关键词］降雨特征；雨型；径流量；产沙量；孟良崮小流域；沂蒙山区

［摘要］基于孟良崮小流域2007—2021年歷次降雨事件的降雨、径流、泥沙等水文气象数据，采用皮尔逊相关分析法探究降雨量、径流量、输沙量之间的关系，并选取2014—2021年产流降雨数据，利用K均值聚类算法，分析不同类型降雨条件下次洪水事件的产流输沙特征，以及降雨类型对流域径流量、输沙量的影响。结果表明：径流深、径流量与降雨量，以及侵蚀量与径流量、含沙量与I30之间均呈显著正相关关系；相比降雨量，降雨强度是产生水土流失的主要因素；小雨量、小雨强的Ⅳ型降雨是流域常见的降雨类型，发生频率为44.8%；Ⅲ型降雨的产沙模数和平均含沙量均为最大，是该区域产流产沙以至发生水土流失的主要降雨类型。

［中图分类号］ S157.1［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）08－0028－04

水土流失已成为威胁全球土壤健康和可持续发展的重要因素之一，影响全球84%的陆地表面，导致33%的土地退化[1]。在诸多水土流失影响因素中，降水是影响径流形成的重要因素，降水和径流二者时空特征的改变势必造成流域水沙关系的变化[2]，雨滴打击地表，破坏土壤团聚体，形成土壤小颗粒随径流冲刷流失。侵蚀性降雨是水土流失的主要驱动力，甚至诱发滑坡、崩塌等，威胁群众生命财产安全[3]。降雨类型不同，侵蚀破坏力也不同，因此研究不同降雨条件下的水土流失变化特征对于水土流失防治具有重要意义。

已有许多学者对自然因素，如降雨、坡度、植被覆盖度等对产流产沙特征的影响进行了研究。吴希媛等[4-5]认为，降雨强度是影响径流和入渗的决定性因素，也是引起土壤侵蚀的主要影响因子，雨强的增大提高了坡面径流量和侵蚀量。饶素秋等[6]研究发现20世纪80年代以来黄河中游输沙量呈现显著减少趋势，其原因可归结为极端暴雨发生频率的降低。RODRGUEZ-BLANCO et al.[7]研究表明，径流量对流域输沙量的影响比降雨量更为显著。ZHANG et al.[8]以黄土高原小流域为研究对象，分析了次洪尺度上的水沙关系，结果表明大洪峰流量场次洪水的径流泥沙关系拟合得更好、更有规律性。晏清洪等[9]发现场次降雨事件中降雨、输沙及径流三者间的相关关系决定了流域洪沙关系及水沙输移规律，在流域尺度范围内能进一步揭示泥沙来源的时空分布。考虑到目前鲜有沂蒙山区降雨类型对水土流失的影响特征的研究成果，本研究以位于沂蒙山区的典型小流域——孟良崮小流域为研究对象，通过统计流域2007—2021年历次降雨事件的降雨、径流、泥沙等水文气象数据，采用皮尔逊相关分析法探究降雨量、径流量、输沙量之间的关系，并选取2014—2021年产流降雨数据，利用K均值聚类算法，分析不同类型降雨条件下次洪水事件的产流输沙特征，以及降雨类型对流域内径流量、输沙量的影响，希望能为类似地区水土流失治理提供参考。

1研究区概况

孟良崮小流域（东经118°10′～118°11′、北纬35°34′～35°35′）属淮河流域沂河水系，是蒙河一级支流疃里河的上游；属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，年均降水量为733.4 mm，降水年内分布不均，汛期降水量占全年的74.6%，且暴雨多、强度大，年均蒸发量为1 290 mm，年均气温为12.9 ℃，极端最高气温为40 ℃，极端最低气温为-21.1 ℃，年均无霜期为196 d，最大风速为20 m/s，主导风向为西北风；山丘起伏，地势北高南低，沟壑纵横，岩石裸露，沟道比降大、水流湍急，水土流失严重，并以水力侵蚀为主[10]；土壤大致可分为棕壤、潮土两大类，质地以砂质壤土为主，其中棕壤主要分布于流域的中上游，潮土主要分布于河谷两岸的低洼地带；植被类型主要有水保林、经济林和用材林等。孟良崮小流域控制站位于山东省临沂市蒙阴县垛庄镇北部，控制流域面积为1.04 km2。

2研究方法

2.1径流观测设计

试验设计基于小流域尺度，采用定位观测方法，对2007—2021年每场自然降雨条件下的降雨量，以及径流小区的产流量、产沙量进行监测。在控制站布设一系列径流观测设施，包括电子雨量计1个、自动气象站1处、三角堰1处、宽顶堰1处（水量小时采用三角堰，水量大时采用宽顶堰），其中三角堰堰顶角90°、高30 cm，宽顶堰（位于三角堰下方）堰宽5 m。

2.2观测方法

1）产流过程。降雨产流流量根据过堰水头（即水尺读数）代入公式计算。流量乘以该流量的过流历时，即得径流量。洪水总量求算是将暴雨洪水过程按测次划分为若干梯形水体，测验指标包括次洪水径流量、日（月、年）径流量等。

2）产沙过程。泥沙输移监测采用人工单点取样法，用水样桶取样，采样时间间隔设置以4瓶为1组，共6组24瓶。具体来说，从洪水涨起开始记录时间并采样，记录取样瓶号，第一组（1～4瓶）每隔15 min采样1次，第二组（5～8瓶）每隔30 min采样1次，第三组（9～12瓶）每隔1 h采样1次，第四组（13～16瓶）每隔2 h采样1次，第五组（17～20瓶）每隔4 h采样1次，第六组（21～24瓶）每隔8 h采样1次，共计经历63 h。实际的最终采样总数视洪水涨落历时而定，直至洪水停止，或水位降到日常水位后，按照日常观测进行。当洪水涨落历时＜63 h，则采样数量可＜24瓶；当洪水涨落历时＞71 h，采样数量可＞24瓶。取得样品后都要进行样品量积、静置、过滤、烘干和称量，算出样品的含沙量，由样品的含沙量可算出断面平均含沙量。

2.3数据处理

根据流域控制站监测的数据，对2007—2021年历次降雨的降雨量（P，mm）、降雨历时（D，min）、降雨强度（I，mm/h）、最大30 min降雨强度（I30，mm/h），以及径流深（H，mm）、径流系数（Rc）、洪峰流量（Q，m3/s）、产沙模数（Ms，t/km2）、平均含沙量（C，kg/m3）进行统计分析，探究孟良崮小流域降雨及产流产沙特征，并采用皮尔逊相关分析法及线性拟合评估降雨量、径流量、输沙量之间的关系；利用K均值聚类分析法，选取2014—2021年8 a间发生产流事件的96场降雨根据P和I30进行分类，分析不同降雨类型对产流产沙的影响。

3结果与讨论

3.1流域水沙变化规律

根据流域控制站提供的数据，对孟良崮小流域2007—2021年历次降雨事件进行统计，结果见表1。期间共发生275次降雨事件，其中最小次降雨量为1.8 mm，最大次降雨量为112.0 mm，有40次降雨事件的降雨量＞50 mm，占总降雨事件的14.5%；降雨量＞5.0 mm时会发生产流事件，共发生产流155次，产流降雨平均降雨历时为639.6 min；有57次降雨事件降雨历时＞1 000 min，占总降雨事件的20.7%，有129次降雨事件降雨历时＜480 min，占总降雨事件的46.9%；单次降雨平均降雨强度最大值可达54 mm/h，该次降雨的降雨历时为775 min，多数降雨强度＜5 mm/h，共发生了205次，占总降雨事件的74.5%。

所有降雨产流事件中，径流深在0.003～36.7 mm之间，平均值为1.9 mm，其中径流深＜0.1 mm的降雨事件发生了40次，占总产流事件的25.8%；径流系数在0.000 2～0.48之间，多数产流事件的径流系数＜0.1，共发生了126次，占总产流事件的81.3%；洪峰流量的变化范围在0.000 08～1.4 m3/s之间，有6场降雨的洪峰流量超过1.0 m3/s，占总产流事件的3.9%；径流的平均含沙量在0.008～2.05 g/L之间，平均值为0.4 g/L。

3.2降雨与流域产沙过程的关系

孟良崮小流域降雨、产流、产沙之间的关系见图1。由图1可知，径流深、径流量与降雨量，以及侵蚀量与径流量、含沙量与I30之间均呈显著正相关，这说明降雨引起了流域产流，而降雨强度是影响产沙量的主要因素。

3.3不同降雨类型条件下流域水沙变化特征

降雨类型的统计分类特征见表2。根据K均值聚类算法计算结果，将2014—2021年研究区发生产流事件的96场降雨分为4种类型：①降雨类型Ⅰ，降雨量中等（52.5 mm），降雨强度中等（25.9 mm/h）；②降雨类型Ⅱ，降雨量最大（78.1 mm），降雨强度中等（26.3 mm/h），发生的频率最低，仅为9.4%；③降雨类型Ⅲ，降雨量中等（65.9 mm），降雨强度最大（60.5 mm/h）；④降雨类型Ⅳ，降雨量最小（12.4 mm），降雨强度最小（11.6 mm/h），发生频次最多，共发生43次，占总降雨事件的44.8%。

不同降雨类型流域产流产沙特征见图2。流域降雨的产流能力通常采用径流系数表征，4种降雨类型的径流系数Ⅱ型＞Ⅲ型＞Ⅰ型＞Ⅳ型，见图2（a），其中Ⅳ型降雨径流系数最小，为0.04，Ⅱ型降雨径流系数最大，为0.12，比Ⅳ型降雨径流系数高200%，说明不同降雨类型会对径流过程产生较大影响。4种降雨类型的洪峰流量Ⅲ型＞Ⅰ型＞Ⅱ型＞Ⅳ型，见图2（b），其中Ⅲ型降雨洪峰流量＞6.2 m3/s，但事件发生频次较少，仅为11場，在总产流事件中占11.5%，Ⅱ型和Ⅳ型降雨的洪峰流量数值差异较小，分别为2.4、2.1 m3/s。此外，流域输沙量与产流量通常采用断面平均含沙量来表征。由图2（c）（d）可知，Ⅲ型降雨的产沙模数和平均含沙量均为最大，分别达到0.047 t/hm2和1.2 g/L，这表明Ⅲ型降雨是研究区产流产沙以至发生水土流失的主要降雨类型，而Ⅳ型降雨的产沙模数和平均含沙量均为最小，分别为0.000 9 t/hm2和0.1 g/L。

4结论与讨论

降雨是地表径流的主要来源，是影响水土流失的关键因素之一。孟良崮小流域属于温带大陆性季风气候区，季节性降雨分明。在本研究中，Ⅱ型降雨降雨量最大，导致径流量也较大，但由于雨强中等，因此产生的含沙量较小，这说明含沙量主要受到雨强的影响。LIU et al.[11]研究表明降雨强度是影响土壤侵蚀的重要降雨因子，反映了降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，这是因为大雨强降雨的侵蚀力较大，能够破坏地表结构，剥离、运移土壤沙粒，从而引发水土流失。中雨量、中雨强的Ⅰ型和小雨量、小雨强的Ⅳ型降雨是孟良崮小流域常见的降雨类型，8 a中发生频率分别为34.4%和44.8%，其中Ⅳ型降雨导致的水土流失量最小。Ⅲ型降雨发生的频率虽然仅为11.5%，但产沙模数和含沙量却最大，是导致该地区水土流失的主要降雨类型。王浩等[12]研究发现，极端降雨事件导致的径流系数和土壤流失量分别是普通降雨的2.6和11.5倍。因此，孟良崮小流域的水土保持工作应加强对中雨量、大雨强降雨事件的防护措施。

[参考文献]

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［9］ 晏清洪，原翠萍，雷廷武，等.降雨类型和水土保持对黄土区小流域水土流失的影响[J].农业机械学报，2014，45（2）：169-175.

［10］ 董明明，邢先双，郭静，等.孟良崮小流域水土流失动态变化及影响因素[J].中国水土保持，2022（1）：59-61.

［11］ LIU J P，YUAN S Q，RANSFORD O D.Characteristics of water and droplet size distribution from fluidic sprinklers[J].Irrigation and Drainage，2016，65（4）：1-11.

［12］ 王浩，张光辉，刘法，等.黄土丘陵区生物结皮对土壤入渗的影响[J].水土保持学报，2015，29（5）：117-123.

收稿日期： 2023-04-10

第一作者： 张潭（1991—），女，山东日照人，工程师，博士，主要从事水土保持管理工作。

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（责任编辑李杨杨）