遼東山地丘陵區次降雨產流產沙試驗研究
——以東港市臥龍屯小流域為例

周 穎

(東港市水利事務服務中心，遼寧 東港 118300)

人類活動、氣候變化等多種因素顯著影響著降雨徑流及泥沙的形成演變，其中最為活躍的就是水沙關系[1]。水沙關系作為綜合反映人類活動影響和區域自然條件的重要參數，一直是水文水資源、水土保持等領域的研究熱點，許多學者從不同角度探討了泥沙通量、懸沙輸移等產流產沙過程[2-5]。對大尺度流域長江、黃河等部分學者研究了其侵蝕產沙特征，而研究山地丘陵區次降雨條件下小流域侵蝕產沙規律較少[6-10]。鑒于此，文章以遼東山地丘陵區臥龍屯小流域為例，應用統計分析法以及次降雨過程中的氣象、水文實測數據，探討了次降雨產流產沙特征，旨在為小流域水沙調控宏觀決策及其可持續發展提供科學指導。

1 小流域概況

臥龍屯小流域位于遼寧省東港市西北部，地處遼東低山丘陵區，屬東北黑土區規劃分區的丘陵侵蝕區，總面積為15564.48hm2，其中未利用地、建設用地、其它農用地、草地、園地、林地、耕地占比依次為3.92%、4.77%、0.26%、2.91%、5.61%、55.55%、26.97%。區內海拔處于100-600m之間，地帶性土壤為棕壤土，土層厚度0.3-1.5m范圍。由于林地占較大面積，對林木的破壞現象較重，林木盜伐、燒柴亂砍使得原始森林殆盡，其水源涵養能力和生態功能脆弱。

該小流域屬南溫帶濕潤區大陸性季風氣候，年均降水量967mm，因降雨量較大，降雨集中，多集中在7、8月份，且多為大雨或暴雨，雨強較大，雨滴濺蝕能力強，超滲產流極易引發土壤侵蝕。因此，為有效控制土壤侵蝕，蓄水保土，改善生態，減少湖庫泥沙流入量，涵養水源，減少山地災害，防治水蝕，2019年對東港市臥龍屯小流域實施綜合治理工程，主要治理措施有：老果園改造6.67hm2(修建魚鱗坑7400個)，修方塘1座，方塘拓寬加固1座，經濟林46 hm2，圍欄100m，封禁治理197.33hm2。

2 研究方法

2.1 次降雨情況

東港市臥龍屯小流域于2020年8月5日出現降雨(中雨)，降雨強度低、持續時間短，最大30min雨強17.1mm/h，平均雨強4.8mm/h，次降雨侵蝕力78.0MJ·mm/(hm2·h)，總降雨量25.6mm。此次降雨含沙量和雨量不大，臥龍屯小流域的最大含沙量0.22kg/m3，流量2.37m3/s。

2.2 樣品采集

降雨發生前，將SICO徑流泥沙自動采樣儀安裝于臥龍屯小流域內，樣品采集設置成雨強>6mm/h時自動采集。樣品采集時前期每隔30min采集一次，后期每隔2.0h采集一次，共采集24個水樣，以10min/次的頻率利用自記式浮子水位計自動記錄水位，從而確定降雨流量，降雨量等氣象數據用流域內安設的自動氣象觀測站自動獲取。

2.3 試驗方法

1)測定含沙量。室內靜置水樣，待采樣瓶中的上清液澄清后倒入量筒中測量，并標記上清液水樣體積為V1，然后搖晃均勻剩余含泥沙水樣并倒入量筒，標記剩余泥沙水樣體積V2，最后轉洗入燒杯烘干，稱量測定含沙量[11]。試驗利用下式計算含沙量：

A=M/(V1+V2)

(1)

式中：V1為上清液；V2為含泥沙水樣的體積，m3；M為烘干后的泥沙質量，kg；A為含沙量，kg/m3。

2)計算流量?？紤]到臥龍屯小流域為常規小渠控制站，小流域流量擬利用經驗公式來計算，其表達式為：

(2)

3)計算輸沙模數。設Ac、Sd為小流域有效集水面積(hm2)和產沙量(g)，則利用下式計算輸沙模數Ms(g/hm2/s)，即：

MS=Sd/Ac

(3)

4)數據處理。選用Exce2010表格制作、Origin 8.0繪圖和SPSS20.0相關性分析等軟件，對以上數據進行處理。

3 結果與分析

3.1 降雨-流量變化趨勢

臥龍屯小流域20200805次降雨過程與出口控制站流量變化曲線，如圖1所示。降雨發生30min后臥龍屯小流域開始產流，降雨過程中形成了明顯的流量峰值，降雨量峰值出現時間略置前于流量峰值，置前時間約30min，降雨量與流量變化趨勢基本相似。

(a)降雨量

文章綜合考慮次降雨數據、降雨量、降雨強度、野外試驗操作以及地形地貌、植被覆蓋度、流域面積等影響因素，在流域狀況、降雨條件相差不明顯的情況下該小流域降雨-流量曲線呈現出一定規律性。

3.2 降雨-含沙量變化趨勢

根據測定的含沙量、流量、降雨量等數據繪制變化曲線，如圖2所示。

流量與控制站含沙量響應關系，見圖2。

從圖2可以看出，此次降雨過程中臥龍屯小流域含沙量、流量均呈雙峰狀變化趨勢，在降雨210min和840min時含沙量達到峰值的0.68kg/m2、0.51kg/m2，含沙量峰值的出現時間置前于流量峰值，含沙量與流量之間的響應未呈現明顯趨勢。

圖2 流量與控制站含沙量響應關系

降雨過程中臥龍屯小流域的流量與含沙量變化趨勢保持較好一致性，流量與含沙量密切相關，這是由于流域面積較小時流量與含沙量能夠響應迅速，所以能夠保持較好變化趨勢。此外，流域內林地面積所占比例較高，由林帶形成的地埂能夠明顯降低含沙水流能量，林地可以淤積部分淤泥，對低強度降雨植被具有顯著的減沙效應。因此，植被覆蓋率和流域面積也會影響流量與含沙量的響應關系。臥龍屯小流域雨強與含沙量之間顯著相關，這主要與流域內道路、居民點等不透水面積有關，降雨初期硬化路面形成產流并攜帶泥沙流入河道，所以雨強和降雨量是影響小流域含沙量的關鍵因素[12-13]。

3.3 輸沙模數變化趨勢

臥龍屯小流域20200805次降雨過程中輸沙模數變化曲線，如圖3。

圖3 輸沙模數變化關系

從圖3可以看出，降雨過程中臥龍屯小流域平均輸沙模數0.042g/(hm2·s)，在降雨270min、960min時輸沙模數達到峰值的0.134g/(hm2·s)、0.131g/(hm2·s)，隨后開始明顯減少，采集水樣逐漸澄清，而土地利用、地貌類型、地質構造等因素都在不同程度上影響著小流域徑流輸沙模數[14-17]。

4 結 論

文章探討了遼東山地丘陵區臥龍屯小流域次降雨產流產沙特征，揭示了降雨徑流-含沙量變化規律，主要結論如下：

1)在降雨量較小的次降雨情況下多種因素均會影響降雨產流，特別是面積較小的流域降雨-流量滯后效應更加明顯，植被覆蓋率和流域面積在一定程度上影響流量與含沙量響應關系。

2)臥龍屯小流域雨強與含沙量之間顯著相關，這與流域內道路、居民點等不透水面積有關，降雨初期硬化路面形成產流并攜帶泥沙流入河道，雨強和降雨量是影響小流域含沙量的關鍵因素。降雨過程中，小流域平均輸沙模數0.042g/(hm2·s)，這與土地利用、地貌類型、地質構造等因素有關。