九仙山徑流小區(qū)降雨及產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究

一、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省曲阜市吳村鎮(zhèn)九仙山小流域（原名紅山小流域）糧船石水庫(kù)，土地面積約50km2，氣候?qū)倥瘻貛О敫珊?、半濕?rùn)、季風(fēng)大陸性氣候，多年平均降水量647.3mm，汛期（6～9月）降水量可達(dá)462.8mm，土壤為棕壤性土和棕壤，質(zhì)地多為礫質(zhì)砂壤土，流域內(nèi)原生植被稀少，現(xiàn)有植被主要以人工林和野生灌木為主。流域?qū)亵斨心系蜕角鹆陱?qiáng)度侵蝕區(qū)，土壤侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕形式為面蝕和溝蝕，其中以面蝕和細(xì)溝狀侵蝕為主。

二、研究方法

1.徑流小區(qū)布設(shè)

站內(nèi)設(shè)有5處徑流小區(qū)，分別為10°、15°、17°、20°徑流小區(qū)及梯田徑流小區(qū)，小區(qū)規(guī)格均為5m×20m，土壤為棕壤性土，質(zhì)地為砂～礫質(zhì)壤土，基巖為花崗片麻巖。徑流場(chǎng)情況詳見表1。

2.降雨觀測(cè)

降雨資料收集采用翻斗式自記雨量計(jì)，雨量計(jì)翻斗分辨率為0.5mm，采樣周期為5min。

3.徑流泥沙觀測(cè)

徑流觀測(cè)方法采用體積法，設(shè)備采用集流桶和分流桶，桶高均為110cm，半徑為0.6m；分流桶采用九孔分流法，分流孔用50mm分流管。

泥沙量測(cè)定采用取樣，濾紙過(guò)濾烘干法。

三、結(jié)果分析

1.降雨特征分析

通過(guò)對(duì)九仙山2013～2015年月降雨量分析可以看出，九仙山年內(nèi)降雨具有明顯的季節(jié)性，多集中在4～9月份，占全年降雨量的88.3%，其中雨季（6～9月）降雨量占全年的63.7%，降雨量年內(nèi)分布極不均勻。

2013～2015年九仙山共發(fā)生降雨178場(chǎng)，總降雨量1765.0mm，年均588.3mm，最大次雨量121.0mm，最大I30為108.8mm/h，最大降雨侵蝕力3647.20 MJ.mm/（hm2·h），均發(fā)生于2015年7月30日。2013年共發(fā)生侵蝕性降雨（次雨量超過(guò)12mm或次雨量小于12mm但產(chǎn)流的降雨，以及15min內(nèi)雨量超過(guò)6mm的短歷時(shí)、小雨量、大雨強(qiáng)降雨）20場(chǎng)，累計(jì)雨量578mm，占全年降雨量的83.6%；2014年發(fā)生侵蝕性降水15場(chǎng)，累計(jì)雨量400.5mm，占全年降雨量的83.5%；2015年發(fā)生侵蝕性降水12場(chǎng)，累計(jì)雨量67.3mm，占全年降雨量的67.3%。2013年～2015年九仙山年降雨特征值統(tǒng)計(jì)情況見表2。

2.產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

2013～2015年，徑流場(chǎng)5處徑流小區(qū)共產(chǎn)流21次，分流2次，其中10°、15°、17°、20°、梯田小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)依次為19次、10次、12次、18次、13次，分流的小區(qū)為10°小區(qū)和梯田小區(qū)。各徑流小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)、徑流深及土壤流失量統(tǒng)計(jì)表見表3。產(chǎn)流次數(shù)大小關(guān)系是：10°小區(qū)＞20°小區(qū)＞梯田小區(qū)＞17°小區(qū)＞15°小區(qū)，產(chǎn)生徑流總量大小關(guān)系是：10°小區(qū)＞梯田小區(qū)＞15°小區(qū)＞20°小區(qū)＞17°小區(qū)，產(chǎn)生泥沙總量大小關(guān)系是：10°小區(qū)＞梯田小區(qū)＞15°小區(qū)＞20°小區(qū)＞17°小區(qū)。從以上大小關(guān)系可以看出：

（1）栽植農(nóng)作物的10°小區(qū)及梯田小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均大于栽植經(jīng)果林的15°小區(qū)、17°小區(qū)及20°小區(qū)。從表3可以看出，隨年份增長(zhǎng)，經(jīng)果林小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量逐漸減少，尤其是土壤流失量與同年度農(nóng)作物小區(qū)的土壤流失量差異逐漸明顯。與人為擾動(dòng)因素較少、植物根系發(fā)達(dá)的經(jīng)果林小區(qū)相比，農(nóng)作物小區(qū)每年都有耕作行為，人為擾動(dòng)較頻繁，對(duì)土地?cái)_動(dòng)較強(qiáng)烈，土壤抗侵蝕能力下降，造成沖刷量的增加。

（2）同是栽植農(nóng)作物小區(qū)的10°小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量分別是梯田小區(qū)的1.82倍、22倍。經(jīng)過(guò)梯田整地的坡面，與采取等高種植的坡面相比，能夠有效地?cái)r蓄徑流、減少土壤流失量，是一種有效的水土保持措施。

（3）同為經(jīng)果林小區(qū)的15°、17°、20°小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙差異不太明顯，徑流量和土壤流失量并非隨坡度增加而增大，而是在坡度大于15°以后出現(xiàn)波動(dòng)。坡度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響主要通過(guò)影響降雨入滲率實(shí)現(xiàn)。有研究表明，當(dāng)坡度小于18°時(shí)入滲率隨坡度增加而增大，當(dāng)坡度超過(guò)18°后入滲率隨坡度增加而減小。不同學(xué)者由于研究方法不同，對(duì)臨界坡度值的界定也不同。九仙山坡面徑流場(chǎng)最大坡度只到20°，無(wú)法確定其臨界坡度。

由表3可以看出，2013年各徑流小區(qū)徑流深排序是：10°小區(qū)＞梯田小區(qū)＞15°小區(qū)＞17°小區(qū)＞20°小區(qū)，土壤流失量排序是：10°小區(qū)＞梯田小區(qū)＞17°小區(qū)＞15°小區(qū)＞20°小區(qū)，兩者排序并不一致，徑流深的小區(qū)土壤流失量不一定也大。這一結(jié)果說(shuō)明，土壤流失量的大小不僅受徑流深影響，還受地表植被種類及蓋度、地形等因素的影響。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)九仙山試驗(yàn)站2013～2015年間觀測(cè)到的徑流深和土壤流失量進(jìn)行回歸分析，擬合關(guān)系最好的是次方關(guān)系，即y=0.01454x1.35036（R2=0.837），式中，y為土壤流失量，單位t/hm2，x為徑流深，單位mm。從方程式可以看出，徑流深和土壤流失量為正相關(guān)關(guān)系，但是該方程式無(wú)法解釋徑流量大于50mm時(shí)，土壤流失量發(fā)生的突變，土壤流失量達(dá)到52.89 t/hm2。

3.前期降雨量對(duì)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響分析

降雨作為水土流失的原動(dòng)力，與小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙有著密切的關(guān)系。大量研究表明，降雨量、降雨歷時(shí)和最大30min雨強(qiáng)與產(chǎn)流產(chǎn)沙呈正相關(guān)關(guān)系，即降雨量越大、歷時(shí)越長(zhǎng)、最大30min雨強(qiáng)越大，本次降雨的侵蝕力越大。小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙除與本次降雨有關(guān)，還受前期降雨影響。前期降雨主要是通過(guò)影響土壤前期含水量進(jìn)而影響土壤的入滲能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

表1 徑流場(chǎng)基本信息表

表2 2013年～2015年九仙山年降雨特征值統(tǒng)計(jì)表

表3 2013～2015年九仙山徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙統(tǒng)計(jì)表

圖1 2013年7月4日及16日兩場(chǎng)降雨坡面產(chǎn)流量情況對(duì)比圖

圖2 2013年7月4日及16日兩場(chǎng)降雨坡面產(chǎn)沙量情況對(duì)比圖

為了更直觀地了解前期降雨對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，同時(shí)排除徑流小區(qū)內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)及植被狀態(tài)變化對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，本次研究選擇2場(chǎng)發(fā)生時(shí)間較近的典型降雨進(jìn)行對(duì)照，一場(chǎng)降雨發(fā)生在 2013 年 7 月 4 日 2：00～16：30（以下簡(jiǎn)稱降雨A），降雨量111.0mm，降雨歷時(shí)990min，最大30min雨強(qiáng)58.4mm/h，降雨侵蝕力1590.3 MJ.mm/（ha·h），此次降雨前 7 天僅發(fā)生2.0mm降雨；另一場(chǎng)降雨發(fā)生在2013年 7 月 16 日 2：30～5：05（以下簡(jiǎn)稱降雨 B），降雨量37.0mm，降雨歷時(shí)155min，最大30min雨強(qiáng)58.4mm/h，降雨侵蝕力 590.9MJ.mm/（ha·h），此次降雨前3天均有小雨，降雨量合計(jì)達(dá)35.0mm。降雨A的降雨量、降雨歷時(shí)和降雨侵蝕力分別是降雨B的3.0倍、6.4倍、2.7倍，但是降雨A發(fā)生前，土壤較干燥，幾乎不受前期降雨影響；降雨B發(fā)生前，土壤含水率較高，收前期降雨影響明顯。這兩場(chǎng)降雨條件下坡面產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量對(duì)比情況見圖 1、圖 2。

從圖1、圖2可以看出，降雨B引起的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均大于降雨A，產(chǎn)流總量是降雨A的1.95倍，土壤流失量是降雨A的1.26倍。前期降雨對(duì)坡面產(chǎn)流量影響相對(duì)較大，對(duì)坡面產(chǎn)沙量影響相對(duì)較小。

但并非前期影響雨量越大，坡面產(chǎn)流及產(chǎn)沙量越大。前期影響雨量是通過(guò)影響土壤前期含水量來(lái)影響產(chǎn)流產(chǎn)沙量。已有研究證實(shí)，存在一臨界含水量，當(dāng)土壤前期含水量低于這一含水量時(shí)，產(chǎn)流量隨前期含水量的增加而增加，當(dāng)高于這一含水量時(shí)，產(chǎn)流量與前期含水量為遞減的變化趨勢(shì)。產(chǎn)沙量隨土壤前期含水量的變化趨勢(shì)也符合這一規(guī)律。

四、結(jié)論

（1）九仙山區(qū)域降雨具有明顯的季節(jié)性，63.7%的降雨量集中在6～9月，22.4%的降雨集中在4～5月，年內(nèi)分布極不均勻。2013～2015年侵蝕性降雨雨量分別占當(dāng)年降雨量的83.6%、83.5%和67.3%，侵蝕性降雨占比較高，水土保持形勢(shì)較嚴(yán)峻。

（2）不同徑流小區(qū)由于水土保持措施不同，其產(chǎn)生的徑流深和土壤流失量各有差異。種植經(jīng)果林的產(chǎn)流產(chǎn)沙量遠(yuǎn)小于種植農(nóng)作物，且隨著年份增長(zhǎng)其差異愈加明顯。所以梯田種植的水土保持效果高于等高種植。

（3）通過(guò)對(duì)徑流深和土壤流失量的回歸分析，得出九仙山徑流小區(qū)土壤流失量和徑流深大致呈次方關(guān)系。土壤流失量的大小不僅受徑流深影響，還受地表植被種類及蓋度、地形等因素的影響。

（4）小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙除與本次降雨有關(guān)，還受前期降雨影響。通過(guò)對(duì)前期降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙量的分析，得出九仙山徑流小區(qū)的徑流對(duì)前期雨量的響應(yīng)較土壤流失量的更敏感■