基于不同坡度下小流域產流產沙變化規律分析

顧 丹

（大連市普蘭店區水務事務服務中心，遼寧 普蘭店 116200）

我國東北地區特別是山地地形區的水土流失問題日趨突出，這是因為夏季降水集中期易產生土壤侵蝕現象，對山體的梯田建設等人類活動更加劇了水土流失[1]。許多學者廣泛研究了產沙量和徑流量隨植被覆蓋、降水量、降雨強度等的變化規律，深入探討了坡面侵蝕及其產流產沙影響因子，并提出相應的水文模型與經驗方程，如王先拓等研究了紫色土壤坡面產流產沙受雨強因素的影響規律；張興奇等探究了坡面產流產沙與坡度之間的相互作用關系；晉文娟等揭示了我國東北的黑土坡耕地坡面產流產沙受水流速度、徑流時間等因子的影響作用；代數等利用模擬降雨試驗分析黃壤旱坡地產流產沙對降雨強度、坡度因素的響應過程及影響特征，結果發現產流和侵蝕的臨界坡度為22.83°、24.70°。調查顯示，2021年大連市水土流失面積4 069.42km2，占全市面積的30.74%，土壤侵蝕方式以水力侵蝕為主。大連市境內多山地丘陵，地勢較高，地形復雜，谷深坡陡且坡向多變，受自然和人為因素影響水土流失問題突出，不僅對下游糧食、生態、飲水安全以及灌溉造成威脅，還可能導致洪澇災害，對區域經濟發展造成制約。

水土流失主要受降雨、坡度等地形條件的影響，較大的地勢高差會導致山地丘陵區內各種介質在重力的作用下分布不均，形成了獨特的丘陵地貌。在降雨條件下，這種地形特征會影響徑流和產沙過程[8]。因此，自1980年大連市就開展了生態治理和環境保護等相關工作。文章以大連市普蘭店區徐溝河小流域為例，通過監測分析徑流小區實測數據揭示坡度與產流產沙之間的關系，旨在為區域大范圍實施水土流失治理提供技術支持。

1 數據與方法

1.1 小流域概況

徐溝河小流域位于普蘭店區沙包街道，海拔高程在66~153m之間，總面積19.52km2。區域內良田主要是山間谷地、河漫階地、山前洪積扇等，地貌為低山丘陵，土層較薄。土壤類型主要為棕壤土及沙壤土，層厚度約0.3m，林草植被覆蓋較低，涵養水源能力較差。徐溝河小流域控制站可以檢測降雨、泥沙、流量、水位等數據，布設的氣象觀測場主要觀測流域的風速、風向、蒸發、地溫、溫度等參數，監測覆蓋范圍10.2km2，為遼東低山丘陵區水土流失變化規律及水土保持規劃研究提供試驗觀測數據。

本研究選擇5°和12°兩種坡度，在徐溝河小流域徑流場布設長20m、寬5m觀測小區，通過監測分析徑流小區產流量、產沙量數據探究不同坡面產流產沙規律，徑流小區主要參數如表1所示。

表1 徑流小區基本參數

1.2 數據獲取

根據2021年3~9月徐溝河小流域試驗站監測的產沙量和徑流量數據，從中選取植被類型、耕作措施、小區侵蝕量、徑流量、坡度和降水量等因子，不考慮植被類型和耕作措施的影響。根據24h降水量＜10mm、10~25mm、25~50mm、50~100mm、100~250mm對應于小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的雨強標準，2021年5~9月徑流小區降水量均達到大暴雨或暴雨強度，如表2所示。

表2 研究時段內降雨強度

不同坡度下的降雨強度和歷時對產流產沙有顯著的影響，較大坡度會增加降雨徑流產生速度，導致產流量的增加，同時也會促進土壤侵蝕，增加產沙量。植被覆蓋能夠減緩降雨的入滲速率，增加土壤水分的滯留時間，降低產流和產沙的速率，故較好的植被覆蓋能夠有效減少坡面產流和產沙。文章結合徑流小區實測數據，分析了雨強、雨量、歷時及坡度對產流產沙的影響作用。

2 結果分析

2.1 不同坡度下的產流

1）降水量的影響。不同坡度和降水量條件下實測小區徑流量如表3所示，經分析坡面產流與降水量的相關系數P為0.56，兩者具有較強相關性。

表3 不同坡度徑流量與降水量

通過對比分析可知，在相同降水量條件下，坡面徑流量隨坡度的增大總體呈增大趨勢，徑流差平均值0.6 486m3且均為正值，如圖1所示。

圖1 降水量與徑流量的變化關系

降水量處于12.8~55.2mm變化范圍時，坡面徑流量呈先上升后下降的波動變化趨勢，變化不明顯且數值較小；降水量增大到66.0~95.0mm時，坡面徑流量急劇增大，起伏變化明顯；降水量進一步增大到95.0~115.1mm時，坡面徑流量呈明顯減小趨勢，降水量為95.0mm時徑流量發生轉折。結合實際情況，降水量為95.0mm的降水過程從8月30日一直持續到8月31日，考慮到降水的連續性特征，將2d降水合并會增大坡面徑流量，并進一步增大產沙量。產流產沙量的大小受多種因素的影響，包括雨強、雨量、歷時、土壤含水量和特性等，而該降雨過程具有較長歷時(20.2h)、較大雨強(4.7mm/h)和雨量(95.0mm)，這些因素的共同作用導致了異常高的產流量，這說明降水量不僅會影響當天徑流量，還會對1~2d后的徑流產生影響，即產流受降水量影響表現出一定的持續性特征，換而言之一次較大降雨事件可能會導致水流持續地排出并形成徑流。

2）降雨強度的影響。降雨強度與坡面徑流存在密切聯系，不同坡度和降雨強度條件下實測小區徑流量如表4，經分析坡面產流與降雨強度間的相關系數P為0.56，兩者存在較強相關性。

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表4 不同坡度徑流量與降雨強度

通過對比分析可知，在大暴雨和暴雨條件下，坡度5°相比于12°徑流小區的產流量明顯較低。根據降雨等級相同的流量差可知，大雨、暴雨和大暴雨條件下的徑流差為0.3 058m3、0.3 246m3、3.9 095m3，徑流差平均值1.5 133m3。大暴雨條件下，坡度越陡則徑流量越大，其徑流差也較高，如圖2所示。

圖2 降雨強度與徑流量的變化關系

隨著雨強的增加，坡面徑流量呈明顯上升趨勢，特別是在高強度降雨情況下與坡面凈流量之間存在顯著的相關性，這種類型降雨導致的產流量占總量比例較大達到83.66%。裸露的徑流小區指沒有植被覆蓋的地面區域，在這種情況下植被無法發揮水保功能和下滲作用。因此，在一定的降雨歷時條件下，暴雨會引起較大的坡面產流產沙量。

3）降雨歷時的影響。一般地，不同坡度情況下，降雨強度和坡度越大，坡面徑流量也就越大。不同坡度徑流量與降雨歷時，如表5 所示。

表5 不同坡度徑流量與降雨歷時

由表5可知，雖然8月5日的降雨強度較大，但坡度12°和5°徑流小區在大暴雨條件下的產流量均比較小。可見，降雨歷時也會在一定程度上影響不同坡度坡面徑流量，如短時強降雨條件下所形成的徑流量卻不大。在2021年8月5日徑流小區降雨歷時6.7h，降雨強度1.9mm/h，而以由此形成的徑流量并不大，如圖3所示。

圖3 降雨歷時與徑流量的變化關系

總體而言，坡度12°高于5°徑流小區的產流量，在20.2h降水歷時情況下徑流量達到峰值。另外雖然坡面產流與降水歷時有關，但兩者的相關系數較小只有0.31，坡面產流與降水歷時的相關性小。

2.2 不同坡度下的產沙

1）雨量因素。雨量與產流量之間的相關系數0.44，由此可以確定兩者存在一定的相關性，但相關性不強，說明雨量對產流量變化只能貢獻一部分，還有其他因素在影響坡面產流量。不同坡度和雨量情況條件下下實測小區產沙量如表6所示，可見隨著降水量變化坡度12°總體高于5°徑流小區的產沙量。

表6 不同坡度產沙量與降水量

圖4 降水量與產沙量的變化關系

降水量處于12.8~22.6mm變化范圍時，12°坡面產沙量呈明顯減小趨勢，降水量增大到22.6~66.0mm時，坡面產沙量呈波動減小的變化趨勢；降水量增大到66.0~95.0mm時，坡面產沙量呈快速增大趨勢；降水量進一步增大到95.1~115.1mm時，坡面產沙量呈明顯減小趨勢，降水量為95.0mm時產沙量發生轉折，該變化特征與徑流量基本一致。依據實際情況，降水量為95.0mm的降水過程從8月30日一直持續到8月31日，考慮到降水的連續性特征，將2d降水合并會增大坡面徑流量，相應的產沙也會增大。產流產沙量受到多種因素的共同影響，其中雨量、雨強、歷時、土壤含水量和特性等都是關鍵因素，在不同的降雨時段產流產沙量總體上呈現逐漸上升的趨勢。本次降水同時出現較長歷時(20.2h)、較大雨量(95.0mm)和雨強(4.7mm/h)，導致該情況下產生了異常高值，這是8月30日場次降雨造成的產流產沙量明顯不同于其他場次的主要原因。另外，不同坡度產流產沙的差異性隨雨強和降水總量的增加而增大，如降雨歷時為20.2h的坡面產流產沙差異最大。降水量和坡度是影響坡面產沙量的重要因素，降水量越大對坡面的侵蝕作用就越強，這是因為大量的降雨水分無法被土壤充分吸收和滲透，導致土壤的穩定性減弱，易被水流沖刷，并帶走其中的顆粒物和礦物質等。坡度越大則表層土壤的黏著力就越小，受到重力作用下的侵蝕性就越強。坡度從5°提高至12°裸地徑流小區的坡面產流量增加，植被對保持水土以及降雨下滲的作用為零，降雨入滲率降低，坡面土壤受降雨的沖刷作用增強，故坡度越大所形成的產沙量越高。

2）降雨強度的影響。降雨強度與坡面產沙量有較強相關性，不同坡度和降雨強度條件下實測小區產沙量如表7所示，經分析降雨強度與坡面產沙量間的相關系數P為0.58，兩者存在較強相關性。

表7 不同坡度產沙量與降雨強度

通過對比大暴雨、暴雨和大雨條件下產沙量可知，大暴雨降雨強度時的產沙量最大，這種降雨類型所引起的坡面產沙量占總量的89.16%。降雨強度相同條件下，坡度5°相比于12°徑流小區的產沙量明顯較小，產沙差平均值0.7 906kg。暴雨和大暴雨條件下，坡度越陡則產沙量越大，其產沙差也越大，最大差值可以達到4.564kg，如圖5所示。

圖5 降雨強度與徑流量的變化關系

3）降雨歷時的影響。一般地，降雨歷時會對產沙量產生影響，歷時越長則降雨沖刷的能力就越強，從而導致產沙量增加。然而，結合各場次降水歷時發現（表8），只考慮降水歷時不能完全解釋產沙量的變化，其他因素如雨強、土壤含水量和坡度等也會產生影響。歷時與產沙量的相關系數不超過0.2，但坡度12°總體高于5°徑流小區的產沙量。因此，坡面產沙量受坡度的影響較大。此外，降水歷時為20.2h時5°、12°徑流小區的產沙量有異常高值，兩者明顯高于其它歷時產沙量，說明產沙量變化主要受降雨強度和降水量的影響，坡面產沙受降水歷時的影響較小，還需要考慮降水量與降水強度因素。

表8 不同坡度產沙量與降雨歷時

坡面徑流量隨降雨強度的增加呈明顯上升趨勢，說明降雨強度特別是大暴雨與坡面凈流量具有顯著相關性，這種類型降雨導致的產流量占總量比例較大達到83.66%。裸露的徑流小區指沒有植被覆蓋的地面區域，在這種情況下植被無法發揮水保功能和下滲作用。因此，在一定的降雨歷時條件下，暴雨會引起較大的坡面產流產沙量[11-13]。如圖6所示。

圖6 降雨歷時與產沙量的變化關系

對比分析圖3、圖6可知，在2021年5月~ 9月不同降雨時段徐溝河小流域徑流小區的產流量和產沙量具有較差差異。不考慮8月30日場次降雨產流產沙量異常高值的情況下，徑流隨著降雨歷時的增加而增大，此外5°徑流小區的徑流量增加趨勢更為明顯。產沙量受降雨歷時和徑流的變化不明顯，但12°徑流小區隨著歷時的增加均呈增大趨勢，這是因為徑流產沙量受到多種因素的影響，包括徑流小區的坡度、坡面入滲率和降雨前的土壤含水量等。

3 結 論

文章通過監測分析2021年徐溝河小流域試驗徑流小區的徑流和泥沙數據，揭示了不同坡度的坡面產流產沙變化規律，可為遼東低山丘陵區水土保持方案設計提供一定支持。根據5°和12°坡度徑流小區產流產沙量變化趨勢，得出結論有：

1）不同雨強、雨量和歷時情況下，5°低于12°徑流小區的產流量，徑流差平均值0.6 486m3，故降雨歷時、雨強及降水量相同情況下坡面徑流量受坡度的影響較大。

2）雨強和降水量對坡面凈流量的影響較大，徑流量隨雨強的增大而增加，大暴雨與徑流量的相關性較高，兩者相關系數達到0.56。雨強與坡面產沙量具有較強相關性，產沙量受大暴雨的影響最顯著，這種降雨類型所引起的坡面產沙量占總量的89.16%。降雨強度相同條件下，坡度5°相比于12°徑流小區的產沙量明顯較小，產沙差平均值0.7 906kg。

3）徑流產沙量不僅與徑流小區的坡度有關，還與坡面入滲率和降水前的土壤含水量等因素有關，尤其是短歷時強降雨會導致產流產沙量明顯增大。