遼西地區(qū)不同水土保持措施條件下土壤侵蝕量與降雨因子關(guān)系研究

李明偉

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

侵蝕性降雨是造成坡面土壤侵蝕的主要原因，通過(guò)布置水土保持措施，能使水土流失狀況得到改善，但仍不能完全杜絕。研究人員對(duì)土壤侵蝕量與各降雨因子的關(guān)系進(jìn)行了研究：陳文烯等[1]通過(guò)監(jiān)測(cè)不同水土保持措施條件下小流域5年內(nèi)的降雨量和土壤侵蝕量，得出土壤侵蝕量與降雨量、降雨歷時(shí)呈顯著相關(guān)的結(jié)論；李瑞等[2]采用徑流小區(qū)法測(cè)定降雨量和降雨強(qiáng)度，并利用回歸分析法對(duì)坡面產(chǎn)沙量與降雨量、降雨強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明降雨量是影響坡面產(chǎn)沙量的主要因子；張晶晶等[3]通過(guò)徑流小區(qū)法，對(duì)土壤侵蝕量與各降雨因子的關(guān)系進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明降雨量和降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕量的影響最大；王瑄等[4]通過(guò)對(duì)野外徑流小區(qū)天然降雨的降雨因子和侵蝕量的觀測(cè)，運(yùn)用逐步回歸分析法，得出坡度和降雨動(dòng)能是影響坡面土壤侵蝕量的主要因素；盛世博等[5]采用野外徑流小區(qū)法對(duì)坡面產(chǎn)沙量與天然降雨雨滴特性因子的關(guān)系進(jìn)行研究，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析及模糊貼進(jìn)度分析法，得出影響坡面產(chǎn)沙量的主要因子為降雨強(qiáng)度和降雨動(dòng)能。綜上所述，降雨因子和水土保持措施均會(huì)對(duì)坡面產(chǎn)沙量產(chǎn)生較大影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)坡面產(chǎn)沙量與降雨因子的關(guān)系研究較多，但對(duì)水土保持措施布設(shè)后降雨因子對(duì)土壤侵蝕量的影響研究較少。本研究基于2011—2016年在野外標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)進(jìn)行的水土流失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同水土保持措施條件下坡面土壤侵蝕量與降雨因子的關(guān)系進(jìn)行研究，以期為水土保持監(jiān)測(cè)提供理論參考和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省朝陽(yáng)市朝陽(yáng)縣東大道小流域全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2011—2016年。監(jiān)測(cè)站地理位置位于E120°01′00″、N41°26′00″，所屬流域?yàn)榇罅韬又Я?，?dāng)?shù)囟嗄昶骄邓?50 mm、氣溫8.2 ℃、蒸發(fā)量2 000 mm、風(fēng)速2.9 m/s、無(wú)霜期155 d。

1.2 徑流小區(qū)布設(shè)

本次試驗(yàn)在監(jiān)測(cè)站內(nèi)布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)4個(gè)，分別為空白對(duì)照、果樹(shù)臺(tái)田、梯田、水平槽整地。徑流小區(qū)水平投影長(zhǎng)20 m、寬5 m，坡向朝南，坡度為12°，土壤為褐土，土壤容重為1.13 g/cm3。其中，果樹(shù)臺(tái)田小區(qū)土埂高度0.1 m，坡面栽植株行距為2 m×2 m；梯田小區(qū)選用土坎梯田，田面寬5.0 m，田坎高0.5 m，坡面栽植株行距為2 m×2 m；水平槽整地小區(qū)主槽長(zhǎng)1.0 m、槽寬0.6 m、槽深0.5 m，坡面栽植株行距為2 m×2 m。措施植物均為山杏，樹(shù)高1.5 m，胸徑3.0 cm。徑流小區(qū)旁設(shè)置人工氣象觀測(cè)站及TRM-ZS2型自動(dòng)氣象觀測(cè)站，與徑流小區(qū)之間距離為5 m，氣象站記錄時(shí)間間隔為5 min。小區(qū)邊界由水泥板圍成邊墻，邊墻寬13 cm，高度地上部分15 cm、地下部分30 cm。為確保試驗(yàn)精度，邊墻頂部呈外斜型，以防止多余雨水匯入小區(qū)。小區(qū)底部設(shè)有集流槽，長(zhǎng)度5.0 m，寬度0.6 m，集流槽上緣與地面平齊，確保小區(qū)地表徑流匯入槽內(nèi)，槽壁采用水泥抹面，確保水流面光滑，底部向下、向中間傾斜，保證水流順利匯入分流桶。小區(qū)徑流經(jīng)集流槽流入分流桶，分流桶為磚混結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昙爱a(chǎn)流情況，確定分流桶規(guī)格為1 m×1 m×1 m，設(shè)1個(gè)分流孔，分流孔距分流桶底面60 cm。分流桶下方設(shè)置集流桶，規(guī)格為1 m×1 m×1 m，收集由分流桶流入的清水，下部設(shè)放水孔一處。徑流小區(qū)坡面布設(shè)如圖1所示。

圖1 徑流小區(qū)俯視圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，采用模糊貼近度法進(jìn)行分析。模糊貼近度是指兩個(gè)序列貼近程度的比較。本研究采用模糊貼近度中較為常用的海明貼進(jìn)度對(duì)序列間相似程度進(jìn)行分析。由于各序列原始數(shù)據(jù)都是有量綱的，無(wú)法直接比較，因此在數(shù)據(jù)處理前需進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即初值化處理。建立不同降雨時(shí)間、降雨因子或侵蝕量的自變量序列Xij，其海明貼近度初值化公式為

式中：Y為因變量序列；X為自變量序列。

海明貼近度計(jì)算公式為

式中：σH(Cj,Dk)為序列C與序列D間的模糊貼近度；m為序列樣本容量。

2 結(jié)果與分析

監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)時(shí)段(2011—2016年)內(nèi)共降雨194次，其中侵蝕性降雨21次。2011年降雨41次，其中侵蝕性降雨5次；2012年降雨47次，其中侵蝕性降雨6次；2013年降雨36次，其中侵蝕性降雨4次；2014年降雨29次，其中侵蝕性降雨3次；2015年降雨11次，其中侵蝕性降雨1次；2016年降雨30次，其中侵蝕性降雨2次。

本研究降雨因子選取降雨歷時(shí)(T)、降雨量(P)、最大30min降雨強(qiáng)度(I30)、最大60min降雨強(qiáng)度(I60)、降雨量與最大30min降雨強(qiáng)度的乘積(PI30)，降雨量與最大60min降雨強(qiáng)度的乘積(PI60)。21次侵蝕性降雨的降雨因子及各小區(qū)土壤侵蝕量(S)具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)降雨因子與土壤侵蝕量原始數(shù)據(jù)

2.1 水平槽整地土壤侵蝕量與降雨因子關(guān)系分析

根據(jù)公式(1)，將土壤侵蝕量與降雨因子進(jìn)行初值化，并結(jié)合公式(2)，計(jì)算水平槽整地小區(qū)土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度(σ水平槽)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水平槽整地小區(qū)土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計(jì)算結(jié)果

由表2可知，σ水平槽I30最大，σ水平槽PI30次之，σ水平槽P最小，說(shuō)明水平槽整地土壤侵蝕量受最大30min降雨強(qiáng)度影響最大，降雨量與最大30min降雨強(qiáng)度乘積的影響次之，而降雨量的影響最小，這反映出I30在對(duì)水平槽整地土壤侵蝕量影響中占據(jù)主導(dǎo)地位?？偟膩?lái)說(shuō)，影響水平槽整地土壤侵蝕量的降雨因子海明貼近度排序?yàn)棣宜讲跧30>σ水平槽PI30>σ水平槽I60>σ水平槽PI60>σ水平槽T>σ水平槽P。

通過(guò)開(kāi)挖水平槽并在槽內(nèi)植樹(shù)的方法，提升了坡面涵養(yǎng)水源和保持土壤的能力。水平槽整地小區(qū)土壤侵蝕量之所以受I30影響最大，是由于水平槽內(nèi)蓄水量和土壤持水能力有限，短歷時(shí)且降雨量較大的雨型可以迅速使坡面持水能力達(dá)到飽和并產(chǎn)生地表徑流，對(duì)土壤沖刷強(qiáng)烈并形成細(xì)溝侵蝕，并且隨著I30增大土壤侵蝕越發(fā)嚴(yán)重。水平槽整地小區(qū)土壤侵蝕量受降雨歷時(shí)和降雨量影響較小，這是由天然降雨強(qiáng)度不穩(wěn)定的特點(diǎn)所致——降雨歷時(shí)長(zhǎng)但降雨量分散，加之布設(shè)有工程措施，坡面具有一定的蓄水能力。

2.2 果樹(shù)臺(tái)田小區(qū)土壤侵蝕量與降雨因子關(guān)系分析

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合公式(1)、(2)，計(jì)算果樹(shù)臺(tái)田小區(qū)土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度(σ果樹(shù)臺(tái)田)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 果樹(shù)臺(tái)田土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計(jì)算結(jié)果

由表3可知，σ果樹(shù)臺(tái)田T最大，其次是σ果樹(shù)臺(tái)田I30和σ果樹(shù)臺(tái)田PI30，這說(shuō)明降雨歷時(shí)對(duì)果樹(shù)臺(tái)田的土壤侵蝕量影響最大。而σ果樹(shù)臺(tái)田P最小，說(shuō)明果樹(shù)臺(tái)田土壤侵蝕量受降雨量的影響程度最小，這與水平槽整地小區(qū)相同?？偟膩?lái)說(shuō)，影響果樹(shù)臺(tái)田土壤侵蝕量的降雨因子海明貼近度排序?yàn)棣夜麡?shù)臺(tái)田T>σ果樹(shù)臺(tái)田I30=σ果樹(shù)臺(tái)田PI30>σ果樹(shù)臺(tái)田PI60>σ果樹(shù)臺(tái)田I60>σ果樹(shù)臺(tái)田P。

在表3中，σ果樹(shù)臺(tái)田T與σ果樹(shù)臺(tái)田I30、σ果樹(shù)臺(tái)田PI30數(shù)值較大且非常接近，說(shuō)明果樹(shù)臺(tái)田土壤侵蝕量受三者的共同影響，即隨著T、PI30、I30增大，土壤達(dá)到田間持水率后持續(xù)蓄水，并最終形成超滲產(chǎn)流?？梢钥闯?，果樹(shù)臺(tái)田土壤侵蝕量受多降雨因子共同影響。

2.3 梯田土壤侵蝕量與降雨因子關(guān)系研究

結(jié)合表1的計(jì)算結(jié)果，利用公式(1)、(2)，計(jì)算梯田土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度(σ梯田)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 梯田土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計(jì)算結(jié)果

由表4可知，σ梯田PI30最大，其次是σ梯田I30和σ梯田PI60，這說(shuō)明梯田土壤侵蝕量受降雨量和最大30min降雨強(qiáng)度乘積的影響最大，受最大30min降雨強(qiáng)度的影響次之。σ梯田P最小，這與水平槽整地和果樹(shù)臺(tái)田小區(qū)相同?？偟膩?lái)說(shuō)，影響梯田土壤侵蝕量的降雨因子海明貼近度排序?yàn)棣姨萏颬I30>σ梯田I30>σ梯田PI60>σ梯田T>σ梯田I60>σ梯田P。

梯田是較常見(jiàn)的水土保持工程措施，在遼西地區(qū)應(yīng)用非常廣泛。梯田的土壤侵蝕量受PI30影響最大，即受到降雨量與最大30min降雨強(qiáng)度的復(fù)合影響最大。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要是坡改梯將坡耕地改變?yōu)檩^為平緩的臺(tái)階，增加了坡面承雨面積。在非極端條件下，當(dāng)降雨量較大而最大30min降雨強(qiáng)度較小時(shí)，梯田工程涵養(yǎng)大部分水源，產(chǎn)生侵蝕量較小；當(dāng)最大30min降雨強(qiáng)度較大而降雨量較小時(shí)，也不會(huì)形成大量產(chǎn)流。為避免用單因子反映影響結(jié)果不夠準(zhǔn)確或穩(wěn)定，本研究采用降雨量與最大30min降雨強(qiáng)度乘積的形式來(lái)判斷其對(duì)梯田侵蝕量影響的效果較好。

2.4 三種水土保持措施土壤侵蝕量與降雨因子對(duì)比分析

采用相同方式計(jì)算對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕量與降雨因子的海明貼近度，將4個(gè)小區(qū)的計(jì)算結(jié)果整理見(jiàn)表5。

表5 不同水土保持措施小區(qū)土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度計(jì)算結(jié)果

由表5可知，除T、P兩項(xiàng)不同外，對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕量與各降雨因子的海明貼近度大小排序與水平槽整地小區(qū)相同。除降雨歷時(shí)外，對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕量與各降雨因子的海明貼近度均大于其他水土保持措施小區(qū)，這表明除降雨歷時(shí)外的降雨因子對(duì)裸坡土壤侵蝕量的影響程度大于對(duì)其他水土保持措施小區(qū)的影響程度。在各類(lèi)水保措施小區(qū)，降雨歷時(shí)對(duì)土壤侵蝕量的影響在果樹(shù)臺(tái)田小區(qū)表現(xiàn)得最明顯，其次是梯田小區(qū)，而降雨量無(wú)論在何種措施條件下對(duì)土壤侵蝕量的影響均為最低。這是由于布設(shè)水土保持工程措施改變了原地貌，提升了坡面蓄水保水能力，而蓄水能力的增強(qiáng)使得降雨量對(duì)坡面土壤侵蝕量的影響明顯減小。I30對(duì)土壤侵蝕量影響較大，這與丁文峰等[6]得出的水土流失的主要影響因子是降雨強(qiáng)度結(jié)論相類(lèi)似，也與林錦闊等[7]在蕎麥小區(qū)、花生小區(qū)得出的結(jié)論基本一致。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)照小區(qū)裸坡土壤侵蝕量與降雨因子變化貼近程度較水保措施小區(qū)高，說(shuō)明水土保持措施可以有效減輕降雨因子對(duì)土壤侵蝕的影響。水保措施布設(shè)后，降雨量對(duì)水平槽整地小區(qū)土壤侵蝕量的影響最低，出現(xiàn)這種情況的原因是水平槽整地的蓄水保水能力較其他水保措施強(qiáng)，其降雨大多蓄積于槽內(nèi)，只有當(dāng)降雨量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)流后才會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的侵蝕，因此在降雨量不大的情況下侵蝕量并不是隨降雨量變化而變化的。各水保措施小區(qū)土壤侵蝕量與I30的貼近程度均較高，說(shuō)明30min內(nèi)降雨量較大的雨型對(duì)研究的這三種水保措施小區(qū)影響較大。原因是這種類(lèi)型的降雨在有一定前期降雨的條件下，會(huì)造成小區(qū)內(nèi)土壤含水量在短時(shí)間內(nèi)驟增，進(jìn)而產(chǎn)生地表徑流，沖刷表土。研究區(qū)土壤侵蝕量有較大比例來(lái)源于這種降雨侵蝕，因此應(yīng)注意防范該類(lèi)型降雨侵蝕，并在降雨后及時(shí)修繕?biāo)帘３执胧?/p>

3 結(jié) 論

(1)水平槽整地土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度排序?yàn)镮30>PI30>I60>PI60>T>P。

(2)果樹(shù)臺(tái)田土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度排序?yàn)門(mén)>I30=PI30>PI60>I60>P。

(3)梯田土壤侵蝕量與降雨因子海明貼近度排序?yàn)镻I30>I30>PI60>T>I60>P。

(4)不同水土保持措施土壤侵蝕量與降雨量貼近程度最低，與I30、PI30貼近程度較高；水平槽整地保水能力強(qiáng)于梯田和果樹(shù)臺(tái)田；I30較大的雨型易對(duì)研究的這三種水土保持措施小區(qū)水土流失產(chǎn)生較大影響。