粵東北典型水土保持監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)整編分析

劉愛青

(廣東省水利水電技術(shù)中心，廣州 510635)

1 概述

廣東濱臨南海，山地丘陵面積大，紅壤分布廣，臺(tái)風(fēng)暴雨頻繁，人口密集，建設(shè)項(xiàng)目多，易造成水土流失[1]。為掌握水土流失規(guī)律，全省先后建立28個(gè)水土流失監(jiān)測站點(diǎn)開展監(jiān)測工作，積累了大量寶貴的第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)，近年來對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了年度整編。國內(nèi)在水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方面，何楊洋等對(duì)密云水庫上游流域次降雨對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙開展了研究[2]，李明熹用K-均值聚類法劃分降雨類型分析巧鳥徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙特性[3]，陳瑾等對(duì)安家溝流域地面監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量和合理性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[4]。本文運(yùn)用K-均值聚類法、SPSS統(tǒng)計(jì)工具和線性相關(guān)分析等方法，對(duì)粵東北五華、南雄、興寧3個(gè)站點(diǎn)水土流失監(jiān)測整編數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，為指導(dǎo)水土流失監(jiān)測、運(yùn)用監(jiān)測成果服務(wù)水土保持實(shí)際工作提供基礎(chǔ)性支撐。

2 典型水土保持站點(diǎn)基本情況

為科學(xué)準(zhǔn)確的掌握廣東省水土流失因子、水土流失類型的侵蝕特征及水土保持綜合治理效益指標(biāo)，真實(shí)反映水土保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，科學(xué)量化蓄水、保土生態(tài)效益，全省建立并列入全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測二期工程的監(jiān)測站點(diǎn)共28個(gè)。

2.1 3個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)基本情況

根據(jù)監(jiān)測實(shí)際情況，選擇五華、南雄、興寧3個(gè)站點(diǎn)作為全省水土流失監(jiān)測典型站點(diǎn)進(jìn)行分析。五華水保綜合觀測站建于1952年，是全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測與公告項(xiàng)目的典型監(jiān)測站，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織亞太地區(qū)農(nóng)業(yè)資源管理項(xiàng)目野外示范區(qū)，屬烏陂河小流域；南雄坡面徑流場位于南雄市珠璣鎮(zhèn)小坑村，屬湞江流域小坑河小流域，建于2010年，2012年開始觀測；興寧市大坪坡面徑流觀測場位于興寧市大坪鎮(zhèn)張?zhí)翀瑢俅笃汉有×饔颍ㄓ?010年，2012年開始觀測。

3個(gè)典型站點(diǎn)基本情況見表1所示。

表1 3個(gè)典型水蝕監(jiān)測點(diǎn)基本情況

2.2 3個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)徑流小區(qū)基本情況

選擇3個(gè)站點(diǎn)的18個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行分析，徑流小區(qū)基本情況具體見表2。

表2 徑流小區(qū)基本情況

2.3 3個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)觀測項(xiàng)目

3個(gè)典型監(jiān)測站主要對(duì)降雨、徑流泥沙、土壤含水量等項(xiàng)目進(jìn)行日常監(jiān)測[5]。

降雨項(xiàng)目主要觀測日雨量、次雨量和降雨過程等，主要包括日雨量、降雨起止時(shí)間、歷時(shí)、雨量、平均雨量、最大30 min雨強(qiáng)及降雨侵蝕力等；徑流泥沙項(xiàng)目主要觀測徑流量、徑流深、泥沙總量、含沙量和土壤流失量等；植被觀測項(xiàng)目主要觀測郁閉度、蓋度、植被生長情況等，主要采用目估法和投影法；土壤理化項(xiàng)目主要測定土壤容重、孔隙度和含水量等，主要采用烘干法、環(huán)刀法[6]。

其中次降雨最大30 min雨強(qiáng)根據(jù)降雨過程摘錄，以記錄時(shí)間間隔5 min為滑動(dòng)步長，依次滑動(dòng)計(jì)算每個(gè)連續(xù)30 min的總雨量，乘以2即為該30 min的時(shí)段雨強(qiáng)，最大值為次降雨的I30。次降雨侵蝕力采用下式計(jì)算：

R次=EI30

(1)

E=∑(erpr)

(2)

er=0.29[1-0.72exp(-0.082ir)]

(3)

式中：

R次——次降雨總動(dòng)能，(MJ·mm)/(hm2·h)；

E——次降雨總動(dòng)能，MJ/hm2；

I30——最大30 min降雨強(qiáng)度，mm/h；

er——某時(shí)段單位降雨動(dòng)能，MJ/(hm2·mm)；

ir——每一時(shí)段的雨強(qiáng)(斷點(diǎn)雨強(qiáng))，mm/h；

Pr——對(duì)應(yīng)時(shí)段降雨量，mm。

3 3個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)整編情況

2016年開始，廣東省水利廳每年都開展28個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測成果資料整編工作。其中，水蝕監(jiān)測站整編資料包括資料說明、逐日降雨量、降水過程摘錄、徑流小區(qū)基本情況、田間管理、逐次徑流泥沙、逐年徑流泥沙、土壤含水量和植被蓋度等內(nèi)容。

從歷年整編情況[7-10]看，3個(gè)站點(diǎn)2017—2020年觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、一致性和可靠性較高。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有部分監(jiān)測站點(diǎn)還存在問題：降雨場次與泥沙取樣沒有完全一一對(duì)應(yīng)，徑流小區(qū)施肥、除草等管理沒有統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)施故障、自動(dòng)化監(jiān)測率不高導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不及時(shí)、不準(zhǔn)確甚至缺失，人員技術(shù)水平因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)錯(cuò)誤等。要解決這些問題，監(jiān)測站點(diǎn)需提高徑流場監(jiān)測自動(dòng)化、信息化水平，加強(qiáng)機(jī)構(gòu)建設(shè)、加大培訓(xùn)，提高工作人員責(zé)任心和專業(yè)水平，加強(qiáng)數(shù)據(jù)整編工作對(duì)徑流場監(jiān)測的反饋監(jiān)督作用，加強(qiáng)監(jiān)測成果應(yīng)用提高從業(yè)人員責(zé)任感、使命感[11-12]。

3個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，按式(1)～式(3)計(jì)算得到的年降雨侵蝕力成果見表3所示。

表3 3個(gè)典型水蝕監(jiān)測點(diǎn)年降雨侵蝕力Ra成果

4 整編數(shù)據(jù)分析

4.1 徑流系數(shù)、土壤流失量合理性分析

應(yīng)用SPSS對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)整理得出的徑流系數(shù)和土壤流失量兩個(gè)樣本進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 徑流系數(shù)與土壤流失量樣本分析

徑流系數(shù)的變異系數(shù)1.317，大于0.15；土壤流失量的變異系數(shù)3.147，大于0.15；分析認(rèn)為，監(jiān)測數(shù)據(jù)系列中可能存在異常值。

結(jié)合散點(diǎn)圖分析，可發(fā)現(xiàn)3號(hào)站點(diǎn)3-1徑流小區(qū)(祼地、無水保措施)2019年(年降雨量1 927.4 mm)整編徑流系數(shù)只有0.066而土壤流失量高達(dá)92.59 t/hm2，相關(guān)關(guān)系差。

通過SPSS統(tǒng)計(jì)工具結(jié)合散點(diǎn)圖分析，可以發(fā)現(xiàn)系列中可能存在的異常數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)時(shí)，可作如下處理：在整編工作時(shí)應(yīng)重點(diǎn)復(fù)核，必須時(shí)檢查原始記錄本，如發(fā)現(xiàn)記錄小數(shù)點(diǎn)等低級(jí)錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)及時(shí)更正。如確系錯(cuò)誤數(shù)據(jù)無法更正，規(guī)律分析時(shí)應(yīng)予以剔除。

4.2 降雨侵蝕力、徑流系數(shù)和土壤流失量相關(guān)關(guān)系分析

以站點(diǎn)1為例，將其歷年降雨侵蝕力、徑流系數(shù)和土壤流失量數(shù)據(jù)利用SPSS工具進(jìn)行線性相關(guān)分析，計(jì)算結(jié)果見表5所示。從表5看出，降雨侵蝕力與徑流系數(shù)、降雨侵蝕力與土壤流失量、徑流系數(shù)與土壤流失量線性相關(guān)系數(shù)分別0.969、0.984、0.997，顯著性指標(biāo)分別為0.16、0.114、0.046，表明徑流系數(shù)與土壤流失量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，降雨侵蝕力與徑流系數(shù)、土壤流失量呈現(xiàn)較高的相關(guān)關(guān)系。

表5 降雨侵蝕力、徑流系數(shù)和土壤流失量相關(guān)系數(shù)

4.3 歷年各小區(qū)徑流系數(shù)和土壤流失量成果分析

通過相同站點(diǎn)不同徑流小區(qū)和同一站點(diǎn)同一徑流小區(qū)不同年份的的整編成果進(jìn)行比較，可進(jìn)一步揭示徑流小區(qū)自然條件(地類、坡度、植被蓋度、土壤等)、水保工程植物措施、年降雨量、降雨結(jié)構(gòu)、土壤侵蝕力等因素對(duì)徑流系數(shù)和土壤流失量的影響規(guī)律。

4.3.1站點(diǎn)1各徑流小區(qū)徑流系數(shù)、土壤流失量影響

關(guān)系分析

圖1是站點(diǎn)1各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)分布示意，圖2是站點(diǎn)1各徑流小區(qū)2017—2020年土壤流失量分布示意，由圖1、圖2和表3可知：

1)2018年與2019年年降雨量相近，但各徑流小區(qū)土壤流失量相差大。這主要是由于這兩年次降雨結(jié)構(gòu)不同(不同的次降雨量和30分鐘最大降雨強(qiáng)度I30)，表現(xiàn)在降雨侵蝕力2019年比2018年高出65%，說明降雨結(jié)構(gòu)對(duì)土壤流失可產(chǎn)生較大影響。

2)1-3、1-7和1-8號(hào)小區(qū)有水平溝、梯田等水保措施，對(duì)比其他沒有水保工程措施的小區(qū)土壤流失量銳減10%～40%，說明梯田是坡地極其有效的水保措施；小區(qū)1-7和1-8水保工程措施相同，但1-8小區(qū)在沙田柚下套種作物，因此水土流失程度較小。圖2中2017年只有1-3小區(qū)土壤流失量沒有呈現(xiàn)一致性規(guī)律，可能是監(jiān)測數(shù)據(jù)存在問題，建議檢查原始數(shù)據(jù)。

3)徑流系數(shù)總體比較小，主要原因是3 a持續(xù)干旱和小區(qū)植被蓋度大(特別是汛期)，下滲截流多、產(chǎn)匯流少，說明徑流系數(shù)與土壤含水率關(guān)系密切。

4)圖1、圖2曲線呈負(fù)斜率，前4個(gè)小區(qū)坡度為30°、后4個(gè)小區(qū)坡度為25°，說明坡度大的小區(qū)徑流系數(shù)和土壤流失量更大。

圖1 站點(diǎn)1各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)分布示意

圖2 站點(diǎn)1各徑流小區(qū)2017—2020年土壤流失量分布示意

4.3.2站點(diǎn)2各徑流小區(qū)徑流系數(shù)、土壤流失量影響關(guān)系分析

圖3是站點(diǎn)2各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)分布示意，圖4是站點(diǎn)2各徑流小區(qū)2017—2020年土壤流失量分布示意，由圖3、圖4可知：

圖3 站點(diǎn)2各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)分布示意

圖4 站點(diǎn)2各徑流小區(qū)2017—2020年土壤流失量分布示意

1)在其他條件相同情況下，農(nóng)地果林(2-3、2-7小區(qū))較祼地(2-1、2-5小區(qū))徑流系數(shù)和土壤流失量銳減，說明水保措施很重要。

2)豐水的2019年暴雨頻繁，對(duì)照枯水的2018年降雨量增加82.4%，降雨侵蝕力增加175%，徑流系數(shù)和土壤流失量呈5倍以上倍數(shù)增加，說明暴雨能幾何級(jí)數(shù)地影響土壤流失。

4.3.3站點(diǎn)3各徑流小區(qū)徑流系數(shù)和土壤流失量影響關(guān)系分析

圖5是站點(diǎn)3各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)分布示意，圖6是站點(diǎn)3各徑流小區(qū)2017—2020年土壤流失量分布示意。剔除3-1號(hào)小區(qū)2019年數(shù)據(jù)后，由圖5、圖6可知：

1)不同措施水土保持效果不同，單一水保植物措施(小區(qū)3-3植草、小區(qū)3-4喬木、小區(qū)3-5灌木)比綜合水保植物措施(小區(qū)3-6喬灌草)效果差。

2)裸地?zé)o水保措施3-1小區(qū)土壤流失量比其它實(shí)施水保措施土壤流失量增加數(shù)十倍，在豐水的2019年暴雨時(shí)表現(xiàn)得更為突出。

3)產(chǎn)流系數(shù)不僅與本次降雨有關(guān)，還與前次降雨、土壤含水率關(guān)系密切。

4.4 徑流系數(shù)(或徑流深)與土壤流失量關(guān)系規(guī)律分析

4.4.1站點(diǎn)1徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系規(guī)律分析

圖7是站點(diǎn)1各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系示意，由圖7可知：

圖7 站點(diǎn)1各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系示意

1)各年度土壤流失量與徑流系數(shù)總體呈良好的線性關(guān)系，準(zhǔn)確地說呈雙線性關(guān)系，采取水保措施的小區(qū)(13號(hào)小區(qū)水平溝、17和18號(hào)小區(qū)梯田)處于較低的直線中。

2)降雨侵蝕力大的年份(如2019年)直線水平軸截距較大，斜率較高，表明侵蝕程度強(qiáng)。

4.4.2站點(diǎn)2徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系規(guī)律分析

圖8是站點(diǎn)2各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系示意，由圖8可知：

圖8 站點(diǎn)2各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系示意

1)各年度土壤流失量與徑流系數(shù)總體呈良好的線性關(guān)系。

2)降雨侵蝕力大的年份(如2019年)直線除了斜率高外，直線跨度還大(是2018年5倍以上)，說明該年度侵蝕程度高(最高約25倍)，表現(xiàn)不同水保措施效果差異性明顯。

4.4.3站點(diǎn)3徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系規(guī)律分析

圖9是站點(diǎn)3各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系示意，由圖9可知：

圖9 站點(diǎn)3各徑流小區(qū)2017—2020年徑流系數(shù)與土壤流失量關(guān)系示意

1)各年度土壤流失量與徑流系數(shù)大致呈線性關(guān)系。

2)線圖較站點(diǎn)1和站點(diǎn)2線性規(guī)律略有差異，是因?yàn)?-1小區(qū)(祼地?zé)o水保措施，與其他小區(qū)條件迵異)各年度土壤流失量特別增大，說明線性規(guī)律不是單純的，不同小區(qū)條件呈現(xiàn)不同線性規(guī)律。

5 結(jié)語

1)通過對(duì)同一站點(diǎn)不同年份和不同站點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各站點(diǎn)水土保持監(jiān)測存在的一些問題，可督促指導(dǎo)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)改進(jìn)實(shí)際工作。

2)對(duì)水土監(jiān)測整編數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是必要且有意義的，可檢驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性，掌握水土流失變化規(guī)律，指導(dǎo)水土保持工作實(shí)踐。

3)次降雨類型、降雨強(qiáng)度、降雨前土壤含水率對(duì)土壤流失量產(chǎn)生直接影響。土壤流失量與降雨侵蝕力有著良好的正相關(guān)關(guān)系。土壤流失量與降雨量呈現(xiàn)加倍增長關(guān)系。采取水土保持措施的小區(qū)土壤流失量銳減。

4)徑流系數(shù)與土壤流失量呈良好線性關(guān)系，降雨侵蝕力越大，直線斜率越大，水土流失增量越強(qiáng)。