曲阜九仙山小流域降雨徑流關(guān)系變化分析

李 棟，齊云婷，鄭衛(wèi)東

（濟(jì)寧市水文中心，山東 濟(jì)寧 272000）

九仙山坡面徑流場位于泗河上游的曲阜市吳村鎮(zhèn)龍尾莊村北，該流域氣候?qū)倥瘻貛О敫珊怠霛駶櫋⒓撅L(fēng)大陸性氣候。多年平均降水量647.3 mm，汛期（6～9月）降水量可達(dá)462.8 mm，占全年降水總量的73.4%。流域總土地面積約50 km2，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)林木植被覆蓋率為23.47%。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。流域內(nèi)喬木植物主要為楊樹刺槐、麻櫟。灌木為荊條和胡枝子，草本為卷柏、狗尾草等；植物群落主要有麻櫟林、楊樹林、刺槐林、側(cè)柏林和荊條灌草叢等。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)施

研究區(qū)共建設(shè)5個(gè)徑流小區(qū)，見表1，分別為10°、15°、17°、20°徑流小區(qū)及梯田徑流小區(qū)各1處。徑流小區(qū)規(guī)格為水平投影坡長20 m，小區(qū)寬度5 m，面積100 m2。小區(qū)四周磚砌圍埂，圍埂外側(cè)設(shè)置保護(hù)帶，寬2 m。下部設(shè)承水槽和引水管，引水管末端設(shè)置集、分流桶，集、分流桶底部設(shè)排水孔。雨量設(shè)施主要配置了JDZ－1型翻斗式自記雨量計(jì)、自動(dòng)氣象站，用于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等。雨量計(jì)翻斗分辨率為0.5 mm，采樣周期為5 min。本文主要針對(duì)研究區(qū)內(nèi)徑流小區(qū)的降雨、徑流等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

表1 徑流小區(qū)水保措施布局統(tǒng)計(jì)表

1.2 降雨徑流觀測

研究區(qū)的降雨徑流觀測主要依據(jù)《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》中指定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定點(diǎn)定期監(jiān)測。徑流小區(qū)的監(jiān)測主要針對(duì)降雨結(jié)束后，采用分水箱和集流桶進(jìn)行人工觀測，每次侵蝕性降雨結(jié)束后，人工觀測水深，計(jì)算徑流量；小區(qū)取樣完畢后，一般采用烘干法測定含沙量。降雨觀測主要包括日雨量、次雨量和降雨過程等。主要通過JDZ－1型自記雨量計(jì)設(shè)備和自動(dòng)氣象站同時(shí)進(jìn)行雨量數(shù)據(jù)的采集并計(jì)算出降雨量和降雨強(qiáng)度。研究區(qū)在觀測期2017—2019年降雨過程中共186場降雨量和時(shí)段降雨強(qiáng)度。主要采用excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析[1]，用rainrecord軟件進(jìn)行降雨量數(shù)據(jù)的摘錄。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

降雨的特征主要包括降雨過程中降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、次降雨、降雨動(dòng)能、最大30 min雨強(qiáng)和次降水侵蝕力等指標(biāo)。研究區(qū)將降雨資料進(jìn)行整理并利用rainrecord軟件計(jì)算出次雨量、日雨量、年雨量和降雨侵蝕力。計(jì)算公式如下：

式中：R次為次降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h）；E為一次降雨的總動(dòng)能，MJ/hm2；I30為一次降雨過程中最大30 min雨強(qiáng)度，mm/h；Er為每一時(shí)段單位降雨動(dòng)能，MJ/（hm2·mm）；Ir為r時(shí)段的斷點(diǎn)雨強(qiáng)，mm/h；Pr為r時(shí)段的雨量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

2017—2019年九仙山小流域年降雨特征見表2。研究期內(nèi)共降雨186場，其中2017、2018、2019年總降雨量分別691.5 mm、748.6 mm、579 mm。降雨摘錄：一是根據(jù)次降雨大于或等于侵蝕性降雨，二是次降雨小于侵蝕性次降雨但卻產(chǎn)流的情況。三是15 min內(nèi)降雨量超過6 min的短歷時(shí)強(qiáng)降雨。研究區(qū)2017—2019年共篩選出45場侵蝕性降雨。其中2017年侵蝕性降雨共19場；2018年侵蝕性降雨共15場；2019年侵蝕性降雨共11場。根據(jù)降雨強(qiáng)度分析，產(chǎn)生中型降雨共36次，累計(jì)降雨量802.4 mm，占總降雨量的50.9%；共產(chǎn)生暴雨5次，累計(jì)降雨量281 mm，占總降雨量的31.2%；產(chǎn)生大暴雨4次，累計(jì)降雨量492.0 mm，占總降雨量的17.8%。

表2 2017—2019年降雨特征

研究區(qū)2017—2019年降雨量變化情況見圖1，由此可以看出，每年的2月、3月幾乎無雨，10月、11月、12月份少量降雨。2017年降雨量最大日降水量73.5 mm，最大次降水量76.5 mm，最大月降雨量242.5 mm，出現(xiàn)月份為7月；2018年降雨量最大日降水量104.5 mm，最大次降水量134.0 mm，最大月降雨量283.5 mm，出現(xiàn)月份為8月；2019年降雨量最大日降水量76.5 mm，最大次降水量138.5 mm，最大月降雨量200.0 mm，出現(xiàn)月份為8月份。從圖1可以看出，降雨主要集中汛期（5～10月份），每年的8月、9月份的由于降雨量強(qiáng)度大降雨歷時(shí)長，對(duì)土壤的沖刷力也較大，造成的水土流失量也比枯季較為嚴(yán)重。而10月至次年的3月、4月份降雨強(qiáng)度明顯減少，降雨一般以小雨、中雨為主，可能造成的水土流失現(xiàn)象不明顯。

圖1 2017—2019年降雨量變化情況

2.2 產(chǎn)流特征分析

針對(duì)2017—2019年研究區(qū)每年的產(chǎn)流次數(shù)、徑流深、水土流失量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3，可以看出，2017—2019年徑流小區(qū)共產(chǎn)流26次，分流次數(shù)為3次，分流的小區(qū)為10°小區(qū)。產(chǎn)流次數(shù)最多的小區(qū)為10°徑流小區(qū)，其次為20°徑流小區(qū)；其他3個(gè)徑流小區(qū)產(chǎn)流的次數(shù)相比前兩個(gè)徑流小區(qū)較少。產(chǎn)生徑流總量最大的小區(qū)為10°徑流小區(qū)（26.8 m3），其次為梯田徑流小區(qū)（8.13 m3），15°徑流小區(qū)（4.95 m3），17°徑流小區(qū)（3.90 m3），最小為20°小區(qū)（1.48 m3）。

表3 2017—2019年產(chǎn)流變化值

通過表3可以看出，在相同的降雨條件下，10°徑流小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均為最大，遠(yuǎn)超過了其他小區(qū)的產(chǎn)流量，這是因?yàn)?0°徑流場小區(qū)與梯田小區(qū)主要種植農(nóng)作物，人為擾動(dòng)了小區(qū)原有土壤結(jié)構(gòu)，加劇了水土流失的發(fā)生，造成了小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)增多，徑流量、泥沙量增加。而15°、17°及20°小區(qū)種植植被主要為林地，其田間管理次數(shù)與人為擾動(dòng)程度，前者均要大于后者，從而導(dǎo)致了10°小區(qū)與梯田小區(qū)無論從產(chǎn)流次數(shù)、分流次數(shù)、徑流量以及產(chǎn)沙量均要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了坡度較大的15°、17°及20°小區(qū)。

2.3 降雨-徑流相關(guān)分析

造成水土流失的主要原因還包括降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等。氣候是導(dǎo)致坡面土壤流失的動(dòng)力因素，降雨量是影響侵蝕的主要?dú)夂蛞蜃樱涤陱?qiáng)度愈大，歷時(shí)越長，雨滴動(dòng)能也愈大，地表產(chǎn)流就越多，土壤侵蝕就嚴(yán)重，侵蝕因而增強(qiáng)[2]。

為進(jìn)一步分析降雨徑流關(guān)系變化[3]，考慮到前期降雨量的影響，選擇兩場發(fā)生時(shí)間相近的降雨量，特別是汛期6～9月份進(jìn)行典型對(duì)比分析，選擇2018年兩場典型降雨，第一場降雨選擇在6月25日5：35～13：05，降雨歷時(shí)1 890 min，降雨量134.0 mm，最大I30為66.5 mm，降雨侵蝕力為2 012.0 mm。第二場降雨選擇8月14日0：35～12：00，降雨歷時(shí)685 min，降雨量100 mm，最大I30為86.6 mm，降雨侵蝕力為2 264.3 mm。兩場降雨的降雨量差別不大，但是第一場的產(chǎn)流卻明顯大于第二場。由圖2可以看出，第一場降雨由于受前期降雨的影響，土壤含水率高，所以小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量分別為第二場降雨的6～7倍，土壤流失量較大。而第二場降雨發(fā)生時(shí)，前期并沒有產(chǎn)生降雨，土壤含水率較低比較干燥，造成降雨直接被土壤吸收，大部分雨水下滲到土壤中去，產(chǎn)生的土壤流失量減少。由此可知，徑流小區(qū)降雨的產(chǎn)流量和前期降雨有著十分重要的關(guān)系，直接影響著徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙。

圖2 兩場降雨土壤流失量對(duì)比圖

3 結(jié)論

從以上觀測數(shù)據(jù)綜合分析來看：

1）九仙山小流域降雨徑流關(guān)系變化顯著，75.3%的降雨主要集中在6～9月份（汛期）。而24.7%的降雨集中在10～4月份（枯季）。從雨型上來看，可知45次侵蝕性降雨中，中大雨型降雨共36次，累計(jì)降雨量802.4 mm，占總降雨量的50.9%；暴雨次數(shù)5次，累計(jì)降雨量281 mm，占總降雨量的31.2%；大暴雨次數(shù)4次，累計(jì)降雨量492.0 mm，占總降雨量的17.8%。

2）在相同的降雨條件下，產(chǎn)生的徑流深和水土流失量差別較大，10°徑流場小區(qū)與梯田小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量變化表現(xiàn)為最多，產(chǎn)流量約為其他小區(qū)的8～9倍，這說明合理的采用水土保持措施，梯田和栽植植物等對(duì)坡面徑流和泥沙造成的沖刷力減少，能夠有效地減少水土流失的發(fā)生。

3）降雨特征與徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系十分密切。通過對(duì)前期降雨和徑流的相關(guān)分析，當(dāng)前期無降雨時(shí)，土壤比較干燥，大部分降雨直接被表層土吸收，入滲能力大于降雨強(qiáng)度，產(chǎn)生的流失量減少。由此可知，徑流小區(qū)降雨的產(chǎn)流量和前期降雨有著十分重要的關(guān)系，直接影響著徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙。