基于不同降雨条件对小流域水土流失的影响分析

曾晶伟

(惠州市博润生态工程咨询有限公司,广东 惠州 516000)

0 引言

径流和水土流失过程受到许多因素的影响,但在这些因素中,降雨和土地利用是最常研究的两个因素。径流和泥沙的产生被认为在不同的降雨类型中差异很大。降雨系统的时空分布与流域的水文响应之间存在复杂的相互作用。局部风暴模式对于确定径流过程线的形状很重要。根据地块层面不同的土地覆盖类型,将径流产生和泥沙转移的根本差异归因于此。水土流失主要受土地利用的影响,而不是受地块规模和集水区规模的环境特征的影响。长期休耕和/或多年生植被下的小流域的年直接径流通常在年降雨量的15%～24%之间变化。在种植年份,流域土壤物质的损失可能是休耕条件下的六倍。尽管不同地点和不同情况下的响应差异很大,但森林覆盖的减少导致水量增加,而重新造林导致水量减少,而暴雨和旱季水流状况的变化更为多变和复杂,取决于气候、土壤财产和土地利用的变化。结合降雨,也有证据表明,土地利用的变化影响了各个流域的水文状况。这些变化对小流域的影响可能是显著的。

1 研究区域

这项研究是在位于中国某小流域进行的。占地16.7 km2。流域内的高程范围为184～1 180 m,坡度范围为2°～58°,平均23°。某小流域的溪流呈羽状水系,主河道长度约6 500 m。该地区的母质大多为白垩纪或第三纪的紫色页岩、砂质页岩和砂岩,其中含有大量特定矿物学形式的铁和锰氧化物。研究流域内有两个主要的土壤群:源自紫色砂质页岩的紫色土壤和源自紫色土壤的水稻土。根据农业部土壤分类法,紫色土壤和水稻土分别被归类为土壤土和水溶土。年均悬移质输沙量为8 033 t/a。气候为亚热带气候,平均气温在11℃～18℃之间。年平均降水量为1 016 mm,其中70%发生在5-9月之间。某小流域有六个村庄和4 920人。人口密度为295 人/km2,人口自然增长率为0.66%。

2 勘察现场调查

图1 某小流域2005年(A)、2010年(B)和2015年(C)的土地利用图

3 研究实验方法

3.1 实验仪器及过程

一套由连续记录雨量计、水位记录仪和淤泥采样器(瓶式)组成的仪器分别用于记录降雨量、流量和泥沙流量。水位每15 min测量一次,然后通过定期流量测量获得的校准额定曲线转化为流量。悬浮泥沙浓度(SSCs)采用重量法测定。悬浮沉积物样本仅在降雨-径流事件期间采集,每次事件期间需要>10个样本。通过0.45 μm过滤器对水样进行真空过滤,并将残留物在105℃下烘干24 h。每个干燥残留物的重量和样品体积提供SSC(g m-3)。然后根据SSC和排水数据计算悬浮泥沙量。在流量增加超过降雨事件开始时记录的基准流量1.5倍的情况下,发现了洪水。使用经典过程线分离方法,将径流分为暴雨流和基本流两类。有几次,出现故障的设备阻碍了对风暴的全面监测。2005-2014年期间,对152个事件进行了水文分离,获得了合理完整的沉积物浓度记录。

3.2 聚类方法

采用聚类方法对降雨事件进行分类。聚类方法是统计分析中的一种基本而重要的工具。它旨在根据物体的相似性对其进行分组,并已被广泛应用于各个科学领域。聚类有两种方法:层次方法和K-means方法。K-means聚类方法适用于大量数据,并且在分类之前需要聚类数。为了确定数据集中聚类的数量,已经提出了许多标准。在本研究中,通过反复试验选择了最合适的聚类数。该分类符合显著水平的方差分析标准(P<0.001)。

3.3 统计分析

对于每一次降雨-径流事件,考虑到其水土流失性,对单个风暴的特征进行了评估。随后使用三组变量对洪水事件进行了表征。采用了径流系数、地表径流和总悬移质输沙量三个指标。

表1 统计分析中使用的洪水变量

RC=R/P R=Q-BF

(1)

其中,RC、R、P、Q和BL分别表示径流系数、地表径流、降水量、总流量和基流量。

TL=Qmean×SSCmean

(2)

式中:TL、Qmean和SSCmean分别表示总悬移质输沙量、平均流量和平均洪水SSC。所有结果均使用SPSS13.0进行计算。

4 影响结果分析

4.1 降雨情况

将152个降雨事件分为三组,采用K-均值聚类。在此过程中使用了三个降雨变量,包括深度(P)、持续时间(D)和最大30 min降雨强度(I30)。根据10 a的降雨测量聚类,152次降雨事件被分为三种降雨模式。降雨工况III发生94次,总深度2 050.3 mm。降雨工况I发生46次,总厚度1 349.1 mm。然而,降雨工况II仅观测到14次,总高度817.7 mm。平均P和D按以下顺序下降:降雨工况II>降雨工况I>降雨工况III。降雨模式III的平均I30值最高,其次是降雨模式II和I。每个降雨模式的一般特征可描述如下:降雨模式I由中等P、中等D和低I30的降雨事件组成。降雨工况II是一组具有高平均P和长D的降雨事件。然而,降雨工况III具有低P和短D。

除2005年和2014年外,第二降雨区的总深度均低于其他降雨区。这是因为第二种降雨方式的频率是所有降雨方式中最低的;事实上,它甚至在2008年和2012年都没有发生过,数值为31.8 mm(2013年),第三降雨区的平均I30最高,其次是第一和第二降雨区。图2显示了152个事件中I30和D之间的关系,并表明I30值较大的事件很少持续很长时间。I30>20 mm的事件与D<1 000分钟的事件一致。这是不同降雨模式的决定性特征。

图2 某小流域152个事件最大30 min强度和持续时间的关系

4.2 土地利用变化

2005-2015年间,某小流域的土地利用发生了巨大变化。2005年,森林覆盖了研究区域的44.5%,农田覆盖了23.3%(389.4 hm2),稻田覆盖了19.8%(330.7 hm2)。其他土地利用类型相对较少,包括灌木林(3.2%)、果园(4.2%)、农村居民点用地(3.9%)和水体(0.7%)。到2015年,稻田和耕地面积显著减少。果园是一种非农业用地,旨在增加农民收入,2015年增长了2.8倍,占流域面积的11.9%。发生了重要的变化,例如,一些坡度大于25°的陡峭土地被改为森林。这一变化与20世纪90年代TGA为土壤保护实施ISWM有关。在此期间,森林在2010年增加到48.6%,在2015年增加到55.4%。

4.3 不同降雨状态下的水土流失

根据三种降雨方式下的径流和土壤流失特征,我们发现,不同降雨方式的RC和TL值如下:降雨方式II>降雨方式I>降雨方式III。降雨方式I产生了最多的累积输沙量(4 283 t),总流量(368.7 mm)较高,远远超过第二和第三种降雨模式。然而,第三种降雨量模式产生了低平均含沙量和大量P(2 050.3 mm)。尽管第一降雨区的累积流量大于第二降雨区,但这两个降雨区的总地表径流量几乎相同。

4.4 2005-2014年不同降雨方式下的水土流失趋势

2005-2014年期间,所有三种降雨方式的RC和泥沙量都呈下降趋势。这些趋势显示了每个降雨制度的径流系数和泥沙量都有类似的下降。降雨工况II的径流系数和输沙量急剧下降。降雨工况I比降雨工况II下降得更平缓。然而,第三种降雨模式只有轻微的下降。

以RC和TL为因变量,以降雨状况和土地利用为自变量进行方差分析(2005-2009年期间的事件作为一种土地利用,2010-2014年期间的活动作为另一种土地使用)。双向方差分析显示,TL在不同降雨模式之间(P=0.009)和不同降雨模式间(P=0.008)存在显著差异。然而,仅在不同土地利用之间(P=0.001)发现RC的显著差异。在RC或TL中,降雨模式和土地利用之间没有发现统计学上显著的相互作用。

5 讨论

5.1 不同降雨制度对径流和土壤流失的影响

根据这项研究,III型降雨是最频繁的降雨事件,累积降雨量最大。它对土壤的水土流失作用很小,不会产生严重的水土流失和水分损失。降雨工况II仅占总降雨事件的一小部分,但其产生的泥沙量与降雨工况III几乎相同。降雨工况II的平均SS负荷几乎是降雨工况I的三倍,是降雨工况III的六倍。它对土壤表面具有破坏性影响。降雨制度I往往比其他制度引起更高的总径流量和总水土流失。这一结果强调了降雨类型作为径流和水土流失的主要原因的重要性。从这个角度来看,降雨深度是预测或指示研究区域水土流失程度的最重要因素。其他研究也证实,降雨深度在径流和泥沙生成中起着至关重要的作用。

大部分径流量和输沙量是由少量径流事件产生的。这一发现显示了累积径流和输沙量的百分比作为事件百分比的函数。这些结果清楚地强调了研究流域内径流量和产沙量的可变性,并且与其他农业流域研究一致,因为大部分沙量是在少数事件中输送的。许多降雨深度小、持续时间短的降雨事件产生的径流有限,几乎没有沉积物,这一点在第三降雨模式中尤为明显。

5.2 土地利用对径流和土壤流失的影响

除了定义地表凹陷储存外,土地利用还定义了裸露的土壤表面的比例,因此暴露在雨滴的冲击和结皮中。这一因素直接影响拦截能力以及地表和地下蓄水能力。耕地被认为是该地区沉积物产量的主要贡献者。大部分土壤流失发生在6-8月,这与农村活动相对频繁的时期相吻合。与本研究区域的主要土地利用变化非常相似,当耕地转为果园或森林时,农村活动减少。果园或森林的树冠可以降低雨滴的水土流失力,它们为森林地面的土壤覆盖提供了材料。因此,当雨滴到达土壤时,取决于雨滴大小和速度的雨滴能量几乎为零。此外,它们的生根系统还将有效地保持土壤颗粒,使土壤更耐水土流失。根系的渗透及其随后的生长可以压实附近的土壤,从而提高其对水土流失的抵抗力。流域的土壤主要是由紫色砂岩发育而成的紫色土壤;它们具有较高的岩石碎片含量,并且富含大孔。大孔隙的出现与土地利用和农业管理实践密切相关。有人认为,农业管理,特别是深耕和集约土壤耕作,会减少土壤的大孔隙性,从而有助于增加农业地区的暴雨径流。其他研究证实,森林面积的增加会导致流量和沉积物的显著减少。

5.3 土地利用和降雨制度相互作用对径流和土壤流失的影响

然而,在第一和第二降雨模式下显示出的急剧下降趋势与第三降雨模式下更温和的下降趋势形成了对比。这种差异主要是由于第三降雨状态下的平均降水深度和单个降雨事件的持续时间低于第一和第二降雨模式。因此,径流和水土流失对土地利用的反应最敏感的是降雨制度II,其次是降雨制度I,然后是降雨制度III。这表明降雨特征对不同暴雨径流产生机制的相对重要性具有决定性作用。与降雨量较低的降水引起的洪水相比,降雨量较大的风暴引起的径流受地表条件的影响更大,尤其是当降雨强度与土壤的渗透能力在同一数量级时。产生大部分径流量和输沙量的少量径流事件主要发生在2010年之前。

土地利用变化决定了径流(P=0.001)和输沙量(P=0.008)的变化趋势。不同降雨方式对RC变化的敏感性显著不同。研究结果表明,土地利用条件对暴雨径流产生的影响在很大程度上取决于降雨事件的特征。坡面水土流失主要受降雨特征和土壤表面特征的控制。

6 结语

在本文中,使用基于降雨深度、最大30 min强度和持续时间的K-均值聚类,从152个事件中对三种降雨情况进行了分类。降雨制度I造成的累积径流和土壤损失比例最大。不同降雨制度的平均径流系数和平均输沙量值如下:降雨制度II>降雨制度I>降雨制度III。2005-2014年,某小流域从稻田和农田向森林和果园的转变是最重要的土地利用变化。结果表明,在不同的降雨条件下,不同土地利用(2010年前后的土地利用)的径流量和土壤损失差异很大。显然,研究期间土地利用变化的总体影响是某小流域的径流和土壤流失显著减少。不同的降雨状态对这种下降的敏感性是决定性的。降雨深度较大的风暴(主要是在第一和第二降雨模式下)引起的径流比降雨深度较低的降水引起的洪水更受地表条件的影响。