重慶市合川區雙鳳坡面徑流小區產流產沙影響因素探討

2022-10-12 02:55:46于秀娟鄭云澤

中國水土保持 2022年10期

于秀娟，魏欣，葉瑛，鄭云澤

(1.重慶市水土保持監測總站，重慶 401147；2.北京師范大學地理科學學部地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；3.重慶市合川區水利工程質量技術指導中心，重慶 401520)

重慶市合川區地處長江上游三峽庫區腹心地帶，是長江經濟帶國家級轉型升級示范開發區、國家城鄉融合發展試驗區。該地區地形起伏大，生態環境脆弱，水土流失尤為嚴重[1]。開展水土流失動態監測和定位觀測是分析水土流失影響因素，開展綜合治理，改善生態環境的關鍵。目前重慶市已建的監測網絡由市監測總站、4個監測分站和17個監測站點組成，重慶市合川區雙鳳坡面徑流場主要用于監測不同坡度條件下耕地小區的產流產沙特征。不同坡度對地表徑流和水土流失有顯著影響，而產流產沙過程又是地質地貌、地形、氣候、植被覆蓋和人類活動等多種因素綜合作用的結果[2]。為此，選取重慶市合川區雙鳳坡面徑流場為研究區，利用已建成的3個不同坡度的標準徑流小區，監測降雨量、產流產沙量和植被蓋度，分析自然降雨條件下坡面產流產沙特征，探討不同坡度條件下耕地徑流小區的產流產沙特征影響因素，以期對紫色土區和三峽庫區坡面水土流失防治提供理論依據。

1 研究區概況

合川區雙鳳坡面徑流場位于合川區東南部的雙鳳鎮塘灣村，地理位置106°28′12″E、30°00′54″N，屬嘉陵江左岸干流玉龍河水系，地貌類型以低山丘陵為主，土壤以紫色土和水稻土為主。合川區屬亞熱帶濕潤季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，具有春早夏長、秋雨連綿、冬季多霧的特點。根據《重慶市水土保持規劃(2016—2030年)》，監測站點所在地所屬水土保持一級區劃為西南紫色土區(四川盆地及周圍山地丘陵區)，二級區劃為川渝山地丘陵區，三級區劃為四川盆地南部中低丘土壤保持區，四級區劃為渝西方山丘陵保土人居環境維護區。

2 研究方法

2.1 徑流小區設置

監測站點根據《重慶市水土保持監測體系建設規劃(2008—2015年)》進行規劃建設，主體及附屬工程于2016年完工，2017年8月各類監測設備安裝完成。用地面積10 795 m2，類型為坡面徑流小區，2016年始建有坡度分別為13°、15°、17°的小區各1個，氣象站1處，安裝有模擬人工降雨設備、氣象觀測設備、徑流泥沙自動監測設備，配備徑流泥沙取樣分析設備。2020年9月，由于原徑流小區建設標準偏低，出現了開裂和滲漏，影響正常產流和運行安全，運管單位將原3個坡度小區改造為10°、15°、20°的標準徑流小區，并升級配置了3套徑流泥沙和土壤墑情自動監測設備。徑流小區投影長20 m、寬5 m，其中10°和15°小區基本為原始坡面，土層厚度為30 cm，母質為頁巖，20°小區因地形限制，為原始坡面填土。徑流小區詳細信息見表1。

2.2 數據采集

數據采集環節主要包括降雨、泥沙、徑流和植被蓋度等數據的監測和采集，具體內容和方法見表2。

表2 徑流小區數據采集方法

2.2.1 降雨監測

降雨監測采用自動傳輸和人工采集兩種方式。自動傳輸是采用FDY-5自記雨量計及WRU-2000數據采集器實現降雨量實時傳輸。采集頻次為無雨時每小時發送一次數據，下雨時每5 min發送一次雨量數據。人工采集利用雨量筒測量單次雨量，并對自記雨量計結果進行校驗。

2.2.2 產流監測

產流監測包括自動監測設備監測和人工監測。自動監測設備采用的是EL-RS徑流泥沙自動監測系統的徑流部件。當小區產流時，徑流自記儀采集到數據后，實時發送到數據接收服務器；若無產流，則每小時發送1次累計徑流量。人工監測是每次降雨結束后，人工讀取分流桶和集流桶內水面的標尺讀數，通過水深和分流桶的分流孔數計算徑流量。

2.2.3 產沙監測

產沙監測采用雨后人工采集泥沙的方法，通過人工攪拌或全剖面泥沙采樣器采集每個分流桶和集流桶內的泥沙。人工攪拌后泥沙均勻分布于桶內，此時快速采集渾水樣裝至1 000 mL的集流瓶內；而通過全剖面泥沙采樣器采集泥沙時則無須攪拌，將采樣器直接插入分流桶或集流桶中采集渾水樣后，倒入水桶，在水桶中攪拌采集水樣至1 000 mL集流瓶內。集流瓶在室內靜置沉淀，倒掉清液后烘干稱量，計算產沙量。

由表3說明，樣本1土壤中沒有添加化學修復劑時，其中鋅含量最高的是小麥景天，最高值為334.7mg/L，最低的是馬鈴薯，最低值為299.7mg/L。鉛含量最高的是油菜，最高值為77.1mg/L，最低的是狼尾草，最低值為60.6 mg/L。鉻含量最高的是巴天酸模，最高值為36.0mg/L，最低的是刺兒菜，最低值為32.3mg/L。銅含量最高的是狼尾草，最高值為29.7mg/L，最低的是刺兒菜，最低值為25.4mg/L。砷含量最高的是油菜，最高值為7.4mg/L，最低的是狼尾草，最低值為5.7mg/L。鎘含量最高的是油菜，最高值為0.8mg/L，最低的是狼尾草，最低值為0.5mg/L。

2.2.4 蓋度監測

徑流小區的作物種植和田間處理參照當地耕地的作物種植習慣，并按時間要求，開展鋤草、疏枝、收割等操作。3個小區田間操作盡量在雨前同天處理完成，以保證每個小區在降雨期間的蓋度因子沒有較大差異。每月的1日和15日進行蓋度監測，采用目估觀測法，全年植被蓋度觀測曲線見圖1。

圖1 徑流小區作物植被蓋度年度變化曲線

2.3 數據計算分析

次降雨侵蝕力計算公式為

R次=EI30

(1)

(2)

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

(3)

式中：R次為次降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；I30為一次降雨過程中最大30 min雨強，mm/h；E為一次降雨的總動能，MJ/hm2；r=1，2，…，n，表示一次降雨過程按斷點雨強分為n個時段；Pr為第r時段雨量，mm；er為第r時段的單位降雨動能，MJ/(hm2·mm)；ir為第r時段斷點雨強，mm/h。

3 結果與分析

3.1 降雨特征

監測站點2021年全年降雨量1 663.1 mm，最大日降雨量107 mm，最大次降雨量130 mm，最大月降雨量380 mm，年降雨侵蝕力8 754.8 MJ·mm/(hm2·h)，最大降雨侵蝕力1 111.1 MJ·mm/(hm2·h)，最大I30為63 mm/h。2021年月降雨量統計見圖2。

圖2 研究區2021年各月降雨量

圖3 研究區2019—2021年降雨場次及強度統計

3.2 徑流小區產流產沙特征

2021年坡度10°的小區產流35次，總徑流深517.65 mm，其中12次產流的徑流深>10 mm，徑流系數0.3，泥沙總量725.82 kg，土壤流失量72.58 t/hm2，單次產流量最大值為10.25 m3，單次產沙量最大值為324.54 kg，單次含沙量最大值為239.95 g/L，全年6次產流的含沙量>10 g/L；15°小區產流35次，總徑流深426.94 mm，其中11次產流的徑流深>10 mm，徑流系數0.26，泥沙總量982.30 kg，土壤流失量98.23 t/hm2，單次產流量最大值為9.65 m3，單次產沙量最大值為454.90 kg，單次含沙量最大值為311.66 g/L，全年有6次產流的含沙量>10 g/L；20°小區產流34次，總徑流深214.53 mm，其中8次產流的徑流深>10 mm，徑流系數0.13，泥沙總量704.99 kg，土壤流失量70.50 t/hm2，單次產流量最大值為3.79 m3，單次產沙量最大值為328.19 kg，單次含沙量最大值為277.51 g/L，全年有6次產流的含沙量>10 g/L。各徑流小區產流產沙情況見表3。

表3 不同坡度小區的產流產沙

2021年3個小區的產流量峰值均發生于次降雨量達到130 mm的9月6日，主要是前期的暴雨導致3個小區土壤含水量已經很高，致使產流量峰值出現。而3個小區的產沙量峰值均發生于5月3日，為2021年首次暴雨，雨量達到71 mm，且歷時短，降雨侵蝕力高達1 106.3 MJ·mm/(hm2·h)，主要原因是小區作物播種時間不長，而且經過了翻耕和除草等，地表覆蓋度較低，導致侵蝕量最大。

綜上所述，10°小區更易產流且徑流系數最大，15°小區徑流量是10°小區的82.5%，而20°小區徑流量才達到10°小區的41.4%。產沙隨著產流發生，但不完全取決于產流量，同時又受土壤質地、坡度、蓋度等影響。10°小區產流量最大，但跟15°小區相比，流量優勢并不顯著；15°小區產沙量大，20°小區的平均含沙量最大。從2021年3個小區的產流和產沙量對比分析可知，3個坡度小區的產流產沙并未完全依坡度變化而變化，主要原因可能在于3個小區的降雨侵蝕力、坡長、植被與作物管理、水土保持措施因子雖一致，但土壤透水性差異較大，因地形限制，10°和15°小區下層為基巖，而20°小區為回填土，導致前兩個小區存在隔水層，土壤透水性與20°小區差異較大。

3.3 產流產沙影響因素分析

坡面產流產沙對次降雨的響應在不同的作物生長期、地表蓋度、土層厚度和母質條件下有較大不同，為了明確其影響因素，記錄并分析2021年18場侵蝕性降雨的產流產沙變化，詳見圖4。通過對比逐場降雨量與徑流深的關系可知，不同坡度小區的徑流深隨降雨量的變化有明顯的相似性，當雨量增加時，徑流深也隨之增加。尤其在暴雨和大暴雨時，3個小區的徑流量都顯著增加。對比同一場次降雨條件下不同坡度小區徑流深的變化可知，10°小區的徑流深略大于15°小區，沒有明顯差異，而20°小區的徑流深均小于10°和15°小區，在暴雨或大暴雨時，徑流深的增加量遠小于其他兩個小區。3個坡度小區除坡度和土壤厚度的差異外，其他條件基本相同，均為耕地，且作物種植類型與時間、田間管理均相同，因此地表蓋度基本一致，但是10°小區和15°小區基本為原始坡面，土層厚度30 cm，母質為巖石，而20°小區是在原始坡面的基礎上填土而成，土層較為疏松，土壤入滲能力明顯高于其他兩個小區，導致徑流量較小。

圖4 2021年不同坡度小區逐次降雨條件下的產流產沙特征

對比逐場降雨量與產沙量的關系可知，3個小區在2021年5月2、6和13日降雨的產沙量遠高于全年其他降雨場次降雨，而其他降雨場次產沙量的變化趨勢同徑流深和降雨量的變化一致，即當降雨量和徑流深增加時，產沙量增加。經過逐場降雨分析可知，5月2日的侵蝕性降雨是2021年的第一場暴雨，降雨量達到71 mm，I30為全年降雨的最大值，達到63.0 mm/h，降雨侵蝕力為1 106.3 MJ·mm/(hm2·h)；而5月6日和13日也達到大雨水平，降雨量分別是32 mm和31 mm，此時徑流小區種植的作物為玉米，種植時間為3月25日，植被蓋度較低，為10%～20%，并且經過翻耕和除草等田間管理的土層較為松軟，容易發生侵蝕。隨著作物生長，加上5月中下旬套種了紅薯，6月植被蓋度迅速增加，對地表土壤形成了較好的保護，使后期暴雨和大暴雨所引發的產沙量遠小于5月。圖5為5月中旬以后不同坡度小區的產流產沙特征。分析圖5可知，產沙量與徑流量對暴雨的響應基本一致，暴雨時的產沙量隨著徑流的增加而增加，但是坡度與產沙量沒有明顯相關關系，其中10°小區逐次降雨的產沙量相對較高，但是產沙量峰值發生于7月8日的20°小區，此次降雨I30為全年降雨的第二大值，達到50.4 mm/h，降雨侵蝕力為984.1 MJ·mm/(hm2·h)。