康平縣高大棚小流域侵蝕性降雨與產沙關系分析

胥桂梅

(康平縣自然資源保護與行政執法中心，沈陽 110500)

康平縣地處E42°31′-43°02′、N122°45′-123°37′范圍，境內有8條河流，總長218.7km。遼河是昌圖與康平兩縣的界河，康平境內長52.7km，流域面積59.2km2，除遼河外還有西馬蓮河、東馬蓮河、八家子河、李家河、秀水河、螞螂河、公河等支流。隨著經濟社會的迅速發展，生產、生活產生了大量未經處理的污染源，生活中產生的污水、廢棄物以及農業生產過量施用的農藥、化肥進一步加劇了面源污染，加之水土流失加速污染物質流入河流，使得河流水質明顯下降，特別是高大棚小流域，暴雨時各類污染物明顯超標，對下游水環境安全造成極大的威脅。

自然與人為因素是產生土壤侵蝕的關鍵因素，而誘發水土流失的先決條件以自然因素為主，自然因素又涉及氣候因子和下墊面條件，土壤侵蝕的形成在很大程度上與降雨條件有關。土壤侵蝕在不同程度上受到降雨各特征因子的影響，如最大30min雨強、降雨歷時、降雨量、平均降雨強度等。此外，水土流失、降雨因素與土地利用方式也存在一定相關性，前人研究比較側重于黃土高原區、北方溝壑丘陵區，而對棕壤土區的遼河流域的研究還鮮有報道。因此，文章擬探究各降雨特征指標與小流域產沙間的關系，可為遼西低山丘陵區的水土流失綜合治理以及掌握遼河流域土壤侵蝕規律提供參考[1-4]。

1 研究方法

1.1 小流域概況

高大棚小流域位于康平縣西南部的柳樹鄉，屬遼河流域，總面積為2090hm2。該小流域屬于低山丘陵區，地貌單元為山地與河谷，現有水土流失區383.52hm2，占流域面積的18.35%，土壤侵蝕以水利侵蝕為主，凍融侵蝕、風蝕所占比例較小，水土流失均為輕度侵蝕。

研究區屬于北溫帶大陸性氣候，春季少雨多風，秋季降雨集中、高溫濕熱，秋季涼爽，冬季干燥嚴寒，年降水量524mm，其中70-80%降水量集中于5-10月份。年際之間的降水量變化亦較大，豐、枯水年相差2倍以上。年均徑流深100mm，≥10℃積溫3283℃，平均氣溫6.9℃，年蒸發量1750mm，無霜期151d，日照時數2800h，林草覆蓋率24.48%。研究區屬低山丘陵區，土壤劃分為143個土種、53個屬性、47個亞類、7個土類，其中綜壤占14.10%，風沙土占2.00%，草甸土占65.10%，鹽土占0.20%，堿土占0.60%，沼澤土占1.40%，水稻土占16.10%。木本植物有各種果樹、蒙古櫟矮林、刺槐等，草本植物有胡枝子、隱子草、蒿類等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗區布置

結合項目區的自然環境條件和水土保持措施類型，共設置灌草叢、經濟林、人工幼林、坡耕地和天然次生林5個標準徑流小區。標準徑流小區布置，見表1。

表1 標準徑流小區布置

1.2.2 數據的獲取

1)降雨量數據。本研究利用人工觀測與自記雨量計相結合的方法觀測降雨量，為觀測雨量將型號JDZ-1的自記雨量計安置于徑流小區附近；此外，為校對自記雨量計同地安裝一個標準雨量筒。然后以6h為間隔劃分雨量計觀測的次降雨數據，并利用Rain Record Setup 1.06exe軟件分析I60、I30、降雨歷時、次降雨量、降雨強度等特征因子[5-6]。

2)產沙量數據。本研究利用Model 711懸移質泥沙測定儀及時測定降雨后小區徑流所產生的泥沙量，經數據處理確定產沙值。

2 結果與分析

2.1 次降雨量的年變化特征

年雨量年變化特征，見圖1。不同雨量級別的侵蝕性降雨分析，見表2。

根據表2和圖1可知，3a間高大棚小流共有侵蝕性降雨191場次，2017年、2018年、2019年降雨總量依次為526.1mm、533.2mm、592.7mm，其中侵蝕性降雨量依次為318.7mm、195.2mm、423.5mm，占當年降雨量的60.58%、36.60%、71.45%。

表2 不同雨量級別的侵蝕性降雨分析

圖1 年雨量年變化特征

由圖1可知：不同年限的月降雨量變化特征，可見3a內高大棚小流域2月份均未發生降雨事件。2017年研究小流域3、4、11、12月份降雨較少，主要集中于5-10月份，1、2月未出現降雨事件，月最大降雨量發生于8月，月尺度上降雨量總體上呈正態分布；2018年高大棚小流域的年內降雨量分布與2017年基本相同，月最大降雨量發生于8月且全年降雨較為頻繁；2019年高大棚小流域月最大降雨量發生于9月，5-10月降雨較為集中。從年際變化的層面上，4月和9月的降雨量年際變幅達到最小、最大，夏秋兩季屬于近3a的降雨集中期。

續表2 不同雨量級別的侵蝕性降雨分析

2.2 侵蝕性降雨量等級劃分

2.2.1 不同降雨量級別的降雨事件

結合表2中數據，將3a內高大棚小流域降雨量數據劃分為<5mm、5-10mm、10-15mm、15-25mm、25-50mm、50-100mm、100-150mm七個等級。高大棚小流域3a降雨中，天然次生林、玉米地、人工林地、灌草地、大豆地徑流小區發生侵蝕性降雨48次、55次、28次、36次、24次，侵蝕性降雨分別為1289.6mm、1451.0mm、933.7mm、1176.8mm、574.8mm。

經統計分析發現，隨降雨量級別的增大侵蝕性降雨次數發生跳躍式變化。降雨量<50mm條件下，降雨量級別與侵蝕性降雨量、侵蝕性降雨次數存在正相關關系，隨著降雨量級別的增加侵蝕性降雨次數所占比例逐漸增大，而總體降雨場次有所減少，一次短歷時的大暴雨是造成土壤嚴重侵蝕的關鍵。降雨量>50mm條件下，隨降雨量級別的增加侵蝕性降雨次數所占比例逐漸減少，降雨特征與該變化趨勢直接相關，但降雨超過50mm時幾乎百分之百引起土壤侵蝕。對徑流小區1#、2#、3#、4#來說，15-25 mm和25-50 mm降雨量級別擁有較高的土壤侵蝕貢獻率，該雨量級別下的侵蝕性降雨場次為24次、26次、14次、20次，占總侵蝕性降雨場次比例依次為50.00%、47.27%、50.00%、55.55%。對徑流小區6#來說，在降雨量超過10mm的條件下就產生了較為明顯的土壤侵蝕[7-8]。

2.2.2 不同降雨量級別的產沙量變化

下墊面和降雨是造成坡面產沙的兩大關鍵因素，而降雨是形成產沙的內在驅動力，不同雨量級別的產沙量變化，見圖2，反映了不同土地利用類型在各雨量級別下的產沙量變化特征。由圖2可知，灌草地、人工林、次生林徑流小區明顯低于大豆地和玉米地的平均產沙模數。降雨量<50mm的情況下，隨降雨量級別的增加灌草地、次生林徑流小區的產沙量波動變化較小，而大豆地的產沙模數呈不斷增大的變化特征，隨降雨量級別的變化玉米地的產沙模數總體符合正態分布，而人工林地的變化規律不明顯，但平均產沙模數隨降雨量的增大呈明顯上升的變化趨勢。綜上分析，超過10mm的降雨就會導致坡耕地發生嚴重的土壤侵蝕，>10mm的降雨能夠顯著影響人工林、灌草地的土壤侵蝕，次生林保持水土的效果相對較好[9-10]。

圖2 不同雨量級別的產沙量變化

依據圖2中產沙量變化特征，地表覆蓋類型是同一坡度、同一降雨條件下土壤侵蝕性的主要影響因素，對雨水攔截與入滲不同的地表覆蓋具有明顯差異，這勢必會引起土壤侵蝕的差異，其中玉米坡耕地和順坡種植的大豆地比較容易產生土壤侵蝕，順坡種植減緩泥沙沖刷的作用較弱，不宜用于雨水的攔截。

2.3 侵蝕性降雨強度等級劃分

不同降雨強度的侵蝕性降雨，見表3。參考表3中數據，將3a內高大棚小流域降雨量數據劃分為80-1200mm/h、60-80mm/h、40-60mm/h、20-40mm/h、10-20mm/h、5-10mm/h、0-5mm/h七個等級。

表3 不同降雨強度的侵蝕性降雨

續表3 不同降雨強度的侵蝕性降雨

結合表3中的數據，5個徑流小區的侵蝕性降雨場次均隨著降雨強度等級的增加而減少，降雨強度越大則造成的土壤侵蝕越嚴重，而出現土壤侵蝕的頻率越小。其中，0-5mm/h的雨強等級發生侵蝕性降雨次數最高，天然次生林、玉米地、人工林地、灌草地、大豆地徑流小區發生侵蝕性降雨40次、46次、22次、30次、22次，占總侵蝕性降雨場比例依次為83.33%、83.64%、78.57%、83.33%、79.17%。降雨強度超過20mm/h的雨強級別都易發生土壤侵蝕，20-40mm/s降雨強度下各徑流小區的降雨共有3場，其中造成土壤侵蝕的有1場，歷時1min產生的侵蝕性降雨量22.30mm。不同土地利用類型與降雨強度級別下，不同降雨強度級別的產沙模數，見圖3。

圖3 不同降雨強度級別的產沙模數

依據圖3中產沙模數變化特征，平均雨強和土地利用類型均能顯著影響流域產沙模數，隨著侵蝕性降雨強度等級的增大2#、5#徑流小區的平均產沙模數表現出先減少后增加的變化趨勢，這與二次函數的性質相符合，而高大棚小流域的高強度大暴雨極少，多以小型長歷時降雨為主。平均雨強越高則3#徑流小區的產沙模數越大，隨著雨強的變化1#、4#徑流小區的產沙模數無明顯差異。

研究表明，頻繁的小型降雨導致的土壤侵蝕低于極少的大暴雨，大暴雨對土壤侵蝕的影響應作為水土流失治理方案設計的重點。對于土壤擾動較大的坡耕地而言，相對于其他土地利用方式其產沙量在各雨量級別下均明顯較高。

2.4 侵蝕性降雨特征指標與產沙相關性

本研究擬利用SPSS軟件分析各降雨特征指標與不同降雨強度級別產沙之間的相關性，降雨特征指標與產沙的相關系數，見表4。

表4 降雨特征指標與產沙的相關系數

由于降雨強度等級為20-40mm/h時產生土壤侵蝕的僅有1次，因此相關性分析過程中可以將該次數據剔除，即不參與相關分析。

結合表4中數據，各降雨特征指標與人工林地徑流小區無相關關系；降雨強度<5mm/h條件下，除降雨量、I60外其他降雨特征指標與天然次生林徑流小區的產沙量均不存在顯著相關性，而僅與降雨量、I60存在顯著相關關系；各降雨特征指標與玉米地、人工林地徑流小區的產沙均不存在顯著相關性，而灌草地、大豆地徑流小區的產沙與降雨量存在極顯著和顯著相關性，深入分析可知長期順坡種植大豆的5#徑流小區，在降雨條件下極易產生土壤侵蝕，而種植玉米的2#徑流小區同樣如此。植被覆蓋度隨著玉米的增長而逐漸增加，此時能夠攔截一定的小型降雨。5-10mm/h降雨強度條件下，I30、I60、降雨量和降雨歷時對人工林地徑流小區產沙量的影響較大，此時產沙量與I60、降雨量和降雨歷時存在極顯著正相關關系。

總體而言，0-5mm/h降雨強度下，降雨量、最大60min雨強與天然次生林徑流小區的產沙量存在顯著正相關性，而降雨量與大豆地徑流小區的產沙量存在自按住相關性。0-5mm/h降雨強度下，降雨歷時屬于造成玉米地徑流小區土壤侵蝕的關鍵因素，5-10mm/h降雨強度下，降雨量、降雨歷時、最大60min雨強與產沙量存在極顯著正相關性。0-5mm/h降雨強度下，降雨量與灌草地徑流小區的產沙量存在極顯著相關性，5-10mm/h降雨強度下，最大60min雨強與灌草地徑流小區產沙量存在顯著相關性，該條件下各降雨特征指標與人工林地徑流小區不存在相關性。由此表明，下墊面條件或其他因素是人工林地徑流小區的朱啊喲影響因素，人工林多由高大喬木組成，所以其林冠截留功能很強，而灌草地的泥沙攔截作用有限，灌草地的水土保持功能隨著降雨量的增加逐漸下降，所以頻繁降雨條件下灌草地的水土保持效應不如喬木林。

3 結 論

1)月尺度上，研究小流域近3a降雨量總體上呈正態分布，5-10月的降雨比較集中，6-9月屬于汛期，10月后降雨開始明顯減少；在季節分布上，夏秋兩季降水較多，研究區有明顯的干濕季節，大陸性季風氣候與該變化規律存在一定關聯。

2)對于降雨徑流和泥沙的攔截，不同覆蓋度的土地利用方式存在明顯的差異，對土壤流失的影響不同農作物和工作方式也存在一定差異。在同一坡度、同一降雨條件下地表覆蓋類型是影響土壤侵蝕性的主要因素，對降雨入滲和雨水攔截不同地表覆蓋存在明顯的差異，這勢必會引起土壤侵蝕的差異，其中玉米坡耕地、順坡種植大豆地較易產生土壤侵蝕，順坡種植對減緩泥沙沖刷作用較低，不宜作為雨水攔截措施。

3)頻繁的小型降雨導致的土壤侵蝕低于極少的大暴雨，大暴雨對土壤侵蝕的影響應作為水土流失治理方案設計的重點。對于土壤擾動較大的坡耕地而言，相對于其他土地利用方式其產沙量在各雨量級別下均明顯較高。

4)相關研究認為山區坡面產流產沙與降雨歷時、最大30min雨強、降雨量之間呈顯著相關性，有學者提出降雨歷時與種植花生的坡耕地不存在相關性。本研究認為，各降雨特征指標與不同土地利用方式、不同降雨強度級別下的產沙量之間的關系也存在差異，由于泥沙攔截效應有限灌草地具有一定的小型降雨抗沖能力，而較多群落層次的喬木林對較大暴雨的徑流攔截能力較強，枯枝落葉層和較低的草木層能夠降低降雨動能和激濺侵蝕。此外，雖然存在較高覆蓋度的植被也有相應的抗侵蝕力，但退耕還林仍然是坡度較大坡耕地治理的最優措施。