玉溪市尖山河小流域侵蝕性降雨的特征

林春蕾, 王克勤, 陳若君, 張繼輝, 張伯浩, 盧錦釗

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與水土保持學(xué)院, 云南 昆明650000; 2.重慶大地建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司, 云南 昆明 650000)

玉溪撫仙湖是中國最大的深水型貧營養(yǎng)淡水湖泊，相應(yīng)湖容水量2.06×1010m3，占云南省9大高原湖泊總蓄水量的72.8%[1]。其淡水資源是玉溪人民的灌溉、工業(yè)用水、生活用水以及工業(yè)用水等的主要源泉，并且撫仙湖的優(yōu)美環(huán)境給玉溪人民帶來了寶貴的旅游資源，其豐富的漁業(yè)資源和旅游資源是當(dāng)?shù)厝嗣竦氖杖雭碓粗弧５请S著沿湖經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，撫仙湖的營養(yǎng)狀態(tài)明顯上升，水質(zhì)狀況呈現(xiàn)下降趨勢，湖泊的污染主要來自流域人類活動(dòng)產(chǎn)生的含氮、磷等的污染物, 尤其是尖山河流域，在暴雨時(shí)產(chǎn)生的污染物超標(biāo)情況比較嚴(yán)重[1-3]。

引起水土流失的因素有人為因素和自然因素，自然因素是水土流失發(fā)生的先決條件。自然因素又包括下墊面條件和氣候因子，其中降雨是土壤侵蝕的重要影響因子[4]。降雨的各特征因子也不同程度的影響土壤侵蝕，如降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、最大30 min雨強(qiáng)等。而對于不同土地利用方式下降雨因素與土壤侵蝕的關(guān)系，前人的研究主要局限于北方丘陵溝壑區(qū)、黃土高原區(qū)[5-6]，紅壤土區(qū)的撫仙湖流域的研究較少。本文擬研究不同雨量級別和不同雨強(qiáng)級別下的侵蝕性降雨特征與產(chǎn)沙關(guān)系，以期揭示土壤侵蝕規(guī)律，為西南巖溶區(qū)的水土流失綜合治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市澄江縣尖山河小流域內(nèi)，位于北緯24°32′00″—24°37′38″，東經(jīng)102°47′21″—102°52′02″。北接龍街鎮(zhèn)廣龍村委會(huì)，南接祿充管委會(huì)，東臨撫仙湖，西接晉寧縣。最高海拔在流域北部，為2 347.4 m，最低海拔在尖山河入撫仙湖的入口處，為1 722 m，相對高差625.4 m。監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測設(shè)施主要布設(shè)在流域的下游。流域地處低緯度高原，土壤主要是紅紫泥土和紅壤，紅紫泥土主要分布在尖山大河上游河道順流左岸方向。多年平均降雨量1 050 mm，雨季為5月下旬至10月下旬，降雨量占全年總降雨量的75%，旱季為11月上旬至次年5月中旬，降雨量占全年降雨量的25%。暴雨基本出現(xiàn)在雨季。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)區(qū)布置 根據(jù)水土保持措施類型和項(xiàng)目區(qū)自然環(huán)境條件，共設(shè)坡耕地(2個(gè))、云南松天然次生林、灌草叢、人工幼林和經(jīng)濟(jì)林共6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(表1)。

表1 試驗(yàn)小區(qū)布置

1.2.2 數(shù)據(jù)獲取和研究方法

(1) 降雨量資料。采用自記雨量計(jì)和人工觀測結(jié)合觀測降雨量，在徑流小區(qū)附近安置自記雨量計(jì)(型號：JDZ-1，重慶水問儀器廠)一個(gè)，觀測降雨量。同時(shí)同地安裝標(biāo)準(zhǔn)雨量筒一個(gè)，用于校對自記雨量計(jì)。將雨量計(jì)中獲取的資料，以6 h為間隔劃分次降雨。利用RainRecordSetup 1.06.exe軟件分析出次降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、I30，I60等降雨特征因子。

(2) 產(chǎn)沙量的獲取。泥沙含量采用Model 711懸移質(zhì)泥沙測定儀測量，在降雨后小區(qū)產(chǎn)流時(shí)及時(shí)進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 次降雨量的年變化特征

由圖1和表2可知，尖山河小流域3 a共降雨371場，2014年降雨總量為834.9 mm，侵蝕性降雨量524.8 mm,占全年降雨量的62.86%。2015年的降雨總量是838.4 mm，侵蝕性降雨量為306.8 mm，占全年降雨量的36.59%。2016年總降雨量1035.8 mm,侵蝕性降雨量742.2 mm，占全年降雨量的71.65%。

根據(jù)月變化特征圖1可以看出，從年內(nèi)的降雨變化看，3 a中的2月均無降雨事件發(fā)生，2014年降雨主要集中于5—9月，3，4，11和12月基本沒有降雨，1和2月無降雨事件，大體變化趨勢類似正態(tài)分布，6月降雨量達(dá)最大。2015年的降雨從1月開始，3月無降雨事件，4月的降雨量是全年最小的，全年降雨都很頻繁，8月降雨量達(dá)到全年的最大值。2016年的降雨主要集中于5—11月，9月的降雨量達(dá)到全年最大。從年際變化來看，每年的4月降雨量差異最小，9月的降雨量年際變化幅度較大；就季節(jié)變化來看，3 a的降雨量集中于夏秋兩季。

圖1 不同年限的降雨量年變化

2.2 侵蝕性降雨量等級劃分

2.2.1 不同降雨量級別的降雨事件分析 如表2所示，將尖山河小流域3 a的降雨量數(shù)據(jù)劃分為7個(gè)降雨量等級，分別為H<5 mm,5 mm≤H<10 mm,10 mm≤H<15 mm,15 mm≤H<25 mm,25 mm≤H<50 mm,50 mm≤H<100 mm和100 mm≤H<150 mm。3 a的降雨中，2#徑流小區(qū)共侵蝕53次，侵蝕性降雨共1 424.2 mm,3#徑流小區(qū)共侵蝕58次，侵蝕性降雨共1 529.2 mm，4#徑流小區(qū)共侵蝕32次，侵蝕性降雨為1 047.2 mm，5#徑流小區(qū)侵蝕43次,侵蝕性降雨1 356.8 mm，5#徑流小區(qū)侵蝕28次，侵蝕性降雨620.4 mm。

侵蝕性降雨次數(shù)隨著降雨量級別的增加，出現(xiàn)跳躍式變化。當(dāng)降雨量小于50 mm時(shí)，降雨量級別與侵蝕性降雨次數(shù)和侵蝕性降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量級別的增加，降雨場次減少，但侵蝕性降雨次數(shù)增多，造成一次嚴(yán)重土壤侵蝕的降雨為一次短歷時(shí)的大暴雨。當(dāng)降雨量大于50 mm時(shí)，侵蝕性降雨次數(shù)隨著降雨量級別增加而減少，這一趨勢與降雨特征有關(guān)，但是大于50 mm的降雨引起土壤侵蝕的幾率幾乎是百分之百。對于2#,3#,4#和5#徑流小區(qū)而言，對土壤侵蝕性貢獻(xiàn)最大的降雨量級別為15～25和25～50 mm，4個(gè)徑流小區(qū)的侵蝕性降雨場次分別是26,28,16和23，分別占總的侵蝕性降雨場次的49.06%,44.83%,46.88%和53.49%。而對于6#徑流小區(qū)而言，當(dāng)降雨量大于10 mm便開始引起嚴(yán)重的土壤侵蝕。

表2 不同降雨量等級的侵蝕性降雨的分析

2.2.2 不同降雨量級別的產(chǎn)沙量變化 影響坡面產(chǎn)沙的主要因素是下墊面和降雨，而降雨則是產(chǎn)沙的主要來源。如圖2所示，從總體上來看，玉米地和烤煙地徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)均顯著高于次生林、人工林地和灌草地徑流小區(qū)。當(dāng)降雨量小于50 mm時(shí)，次生要和灌草地徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量變化幅度不大，而烤煙地徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)隨降雨量級別的增加而增大，玉米地徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)大致符合正態(tài)分布，隨著降雨量級別的變化，人工林地徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化規(guī)律，但隨降雨量的增大，平均產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢。綜上所述，對于坡耕地而言，大于10 mm的降雨會(huì)引起嚴(yán)重土壤侵蝕，而大于50 mm的降雨對灌草地和人工林的土壤侵蝕有顯著影響，次生林有較好的水土保持效果。

圖2 研究區(qū)不同降雨量級別的產(chǎn)沙量變化

從圖2可知，在同一降雨，同一坡度條件下，影響土壤侵蝕性的因素主要是地表覆蓋類型，不同的地表覆蓋對攔截雨水和入滲存在很大的差異性，這樣必然導(dǎo)致土壤侵蝕的差異性，順坡種植烤煙最容易引起土壤侵蝕，其次是玉米坡耕地，順坡種植不宜攔截雨水，但對泥沙的沖刷作用不是太大。

2.3 侵蝕性降雨強(qiáng)度等級劃分

將尖山河小流域3 a的降雨量數(shù)據(jù)劃分為7個(gè)降雨強(qiáng)度等級，分別為0～5,5,10～20,20～40,40～60,60～80和80～1 200 mm/h。

由表3可知，隨著降雨強(qiáng)度等級的增加，5個(gè)徑流小區(qū)的侵蝕性降雨場次均呈逐漸減少趨勢，降雨強(qiáng)度越大，發(fā)生土壤侵蝕的頻率就越低，但是引起的土壤侵蝕更為嚴(yán)重。雨強(qiáng)級別為0～5 mm/h的侵蝕性降雨次數(shù)最多，5個(gè)徑流小區(qū)的侵蝕性次數(shù)分別是42,47,24,34和22，分別占總的侵蝕性降雨場次的79.2%,81.03%,75%,79.1%和78.6%。易發(fā)生土壤侵蝕的雨強(qiáng)級別是降雨強(qiáng)度大于20 mm/h，20～40的降雨總發(fā)生4場，其中1場導(dǎo)致土壤侵蝕，歷時(shí)僅1 min，侵蝕性降雨量為18.6 mm。不同降雨強(qiáng)度級別的產(chǎn)沙量變化詳見圖3。

表3 不同降雨強(qiáng)度等級的侵蝕性降雨的分析

圖3 研究區(qū)不同降雨強(qiáng)度級別的產(chǎn)沙量變化

從圖3可以明顯的看出，土地利用類型和平均雨強(qiáng)對產(chǎn)沙模數(shù)的影響顯著，隨著侵蝕性降雨強(qiáng)度等級的變化，3#和6#徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，符合二次函數(shù)的性質(zhì)，而研究區(qū)的降雨類型多為長歷時(shí)的小型降雨，極少部分高強(qiáng)度的大暴雨。4#徑流小區(qū)隨著平均雨強(qiáng)的增加而增大，2#和5#徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)在雨強(qiáng)的變化下無顯著差異。

由此可見，極少的大暴雨引起的土壤侵蝕量高于頻繁的小型降雨引起的土壤侵蝕，在制定水土流失防治措施要注意大暴雨對土壤侵蝕的影響。由于坡耕地土壤擾動(dòng)比較大，因此在不同雨強(qiáng)級別下的產(chǎn)沙量均高于其他土地利用方式。

2.4 產(chǎn)沙與侵蝕性降雨特征指標(biāo)的相關(guān)性分析

利用SPSS分析軟件對不同降雨強(qiáng)度級別的產(chǎn)沙和降雨特征指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，20～40 mm/h的降雨強(qiáng)度等級下，僅發(fā)生一次土壤侵蝕，因此剔除這一次數(shù)據(jù)，不列入進(jìn)行分析(表4)。

表4 不同降雨強(qiáng)度級別的產(chǎn)沙和降雨特征指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

注：**表示極顯著相關(guān)； *表示顯著相關(guān)；I30為最大30 min雨強(qiáng)；I60為最大60 min雨強(qiáng)。

從表4看出，4#徑流小區(qū)與各降雨特征指標(biāo)無相關(guān)關(guān)系；當(dāng)平均降雨強(qiáng)度小于5 mm/h時(shí)，2#徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量僅與降雨量和I60呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，其他降雨特征指標(biāo)均與產(chǎn)沙無顯著相關(guān)關(guān)系；3#和4#徑流小區(qū)的產(chǎn)沙與各降雨特征指標(biāo)都無顯著相關(guān)關(guān)系；5#徑流小區(qū)與降雨量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，6#徑流小區(qū)與降雨量呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，這可能是由于6#徑流小區(qū)長期以順坡溝壟方式種植烤煙，一旦降雨便會(huì)發(fā)生水土流失，而3#徑流小區(qū)種植玉米。隨著玉米的生長，植被覆蓋度增加，對小型降雨具有一定的攔截作用。當(dāng)降雨強(qiáng)度為5～10 mm/h時(shí)，影響3#徑流小區(qū)產(chǎn)沙量的因素主要是降雨歷時(shí)、降雨量、I30和I60，產(chǎn)沙量與降雨歷時(shí)、降雨量和I60呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

總體上看，在一定降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)(0～5 mm/h)，2#徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量和最大60 min雨強(qiáng)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，6#徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量呈顯著相關(guān)關(guān)系。對于3#玉米坡耕地而言，當(dāng)雨強(qiáng)小于5 mm/h時(shí)，影響玉米坡耕地土壤侵蝕的因素是降雨歷時(shí)，當(dāng)降雨強(qiáng)度為5～10 mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量與降雨歷時(shí)、降雨量和最大60 min雨強(qiáng)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。對于5#徑流小區(qū)而言，當(dāng)降雨強(qiáng)度為0～5 mm/h時(shí)，產(chǎn)沙量與降雨量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，當(dāng)降雨強(qiáng)度為5～10 mm/h時(shí),產(chǎn)沙量與最大60 min雨強(qiáng)呈顯著相關(guān)關(guān)系，而4#徑流小區(qū)與各降雨特征指標(biāo)無相關(guān)關(guān)系。說明影響4#徑流小區(qū)的因素可能是下墊面條件或其他因素，由高大喬木組成的人工林具有很強(qiáng)的林冠截留作用，灌草地的攔截泥沙的效應(yīng)有限，隨著降雨量的增大，灌草地的水土保持作用逐漸降低，因此在降雨極為頻繁的南方地區(qū)而言，喬木林的水土保持效應(yīng)較灌草地好。

3 討論與結(jié)論

(1) 從3 a的降雨情況來看，大體變化類似正態(tài)分布，研究區(qū)的降雨主要集中于5—10月，汛期在6—9月；從10月開始，降雨量逐漸減少，而從季節(jié)分布來看，降雨集中在夏秋兩季，干濕季節(jié)明顯。這一規(guī)律與大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)有關(guān)。

(2) 覆蓋度不同的土地利用方式在攔截泥沙和徑流等方面存在很大差異，耕作方式和農(nóng)作物對土壤流失也有不同程度的影響。同一降雨，同一坡度條件下，影響土壤侵蝕性的因素主要是地表覆蓋類型，不同的地表覆蓋對攔截雨水和入滲存在很大的差異性，這樣必然導(dǎo)致土壤侵蝕的差異性，順坡種植烤煙最容易引起土壤侵蝕，其次是玉米坡耕地，順坡種植不宜攔截雨水，但對泥沙的沖刷作用不是太大。王占禮等[7]，潘聲旺等[8]究結(jié)果中，旱地不同土地利用方式下，玉米—油菜輪作的土壤侵蝕量最大。

(3) 極少的大暴雨引起的土壤侵蝕量高于頻繁的小型降雨引起的土壤侵蝕，在制定水土流失防治措施要注意大暴雨對土壤侵蝕的影響。由于坡耕地土壤擾動(dòng)比較大，因此在不同雨強(qiáng)級別下的產(chǎn)沙量均高于其他土地利用方式；而在黃土高原區(qū)，大暴雨出現(xiàn)頻率較高，造成水土流失的雨型主要是大型暴雨，大多數(shù)的降雨一般不產(chǎn)生地表徑流[11]。

(4) 許多學(xué)者認(rèn)為降雨量、最大30 min降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)對山區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙均存在顯著的相關(guān)性，并且一些學(xué)者認(rèn)為種植花生的坡耕地與降雨歷時(shí)無顯著相關(guān)關(guān)系[9-11]，而筆者的結(jié)論中，不同的降雨強(qiáng)度級別下，不同土地利用方式的產(chǎn)沙量與降雨特征指標(biāo)之間的關(guān)系也是存在差異性，灌草地的攔截泥沙效應(yīng)有限，對小型降雨有一定的抗沖能力，而較大暴雨則需要群落層次較多的喬木林，較高的林冠層能夠截留一部分雨水，而較低的草木層和枯枝落葉層可降低降雨動(dòng)能，減小降雨的激濺侵蝕。并且有些植被覆蓋度較高的降雨也有一定的抗侵蝕能力，但對于坡度較大的坡耕地而言，仍然建議進(jìn)行退耕還林措施。

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