遼陽(yáng)市雙河小流域侵蝕性降雨特征研究

張 琪

(遼陽(yáng)市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

遼陽(yáng)市雙河小流域不僅是遼陽(yáng)市的灌溉、生活用水以及工農(nóng)業(yè)用水的主要源泉，而且是實(shí)現(xiàn)遼寧省中部山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，為建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。然而，近年來(lái)雙河小流域的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，水環(huán)境質(zhì)量明顯下降，其中因人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的含氮、磷等污染物為該流域水體污染的主要來(lái)源，尤其是在暴雨和強(qiáng)降雨時(shí)期水體污染程度更加嚴(yán)重[1- 4]。

自然和人為因素是引起水土流失的主要因素，其中自然因素包括氣候因子和下墊面條件，它是引起水土流失的先決條件，而影響土壤侵蝕的關(guān)鍵因子為區(qū)域降雨及其特征因子，如最大30min雨強(qiáng)、平均降雨強(qiáng)度、降雨量及歷時(shí)等。針對(duì)降雨因素與土壤侵蝕在不同土地利用方式下的作用關(guān)系許多學(xué)者做了深入研究，但主要局限于黃土高原區(qū)，而涉及北方丘陵溝壑區(qū)的小流域的相關(guān)研究較少[5- 8]。據(jù)此，本文以遼陽(yáng)市雙河小流域?yàn)槔龑?duì)比分析了不同雨強(qiáng)和雨量級(jí)條件下侵蝕性降雨特征與產(chǎn)沙關(guān)系，以期為東北地區(qū)水土流失的綜合治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 侵蝕性降雨特征分析

1.1 流域概況

研究區(qū)位于遼陽(yáng)縣寒嶺鎮(zhèn)的雙河小流域，地理位置為123°43′2″～123°43′29″，北緯41°00′52″～41°11′10″，總占地面積1610hm2。地形特征為東低西高，周?chē)騼?nèi)地傾斜的扇形。土壤類(lèi)型以棕壤土為主，隨地形的垂直分布山地棕壤土可以分為為殘積、坡積、洪積土。山地土壤在保水保肥方面存在較大的差異，在山區(qū)及半山區(qū)的緩坡地帶主要是以滲透性差、土低堅(jiān)硬的黃黏土為主；在山區(qū)的低產(chǎn)田內(nèi)主要是山地砂質(zhì)土層，其保水保水性能差、土層薄且肥沃力低。雙河流域?qū)儆诖箨懠撅L(fēng)氣候，多年平均降水量為733.4mm且在年內(nèi)分布極不均衡，每年的6—9月為雨季，該期間降雨較為集中占全年的71.3%，暴雨及強(qiáng)降雨通常發(fā)生在雨季。年均氣溫7.5℃，相對(duì)濕度為63%，受季風(fēng)影響年均蒸散發(fā)量較大為1450.0mm，干旱災(zāi)害較為頻繁[9- 10]。

1.2 研究方法

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)自然環(huán)境和水土保持措施類(lèi)型，本研究共設(shè)置了6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，分別為人工幼林、灌草叢、油松天然次生林、經(jīng)濟(jì)林以及2個(gè)坡耕地，各徑流小區(qū)特征見(jiàn)表1。

表1 徑流小區(qū)布設(shè)情況

對(duì)降雨量數(shù)據(jù)利用人工觀測(cè)和自動(dòng)雨量計(jì)相結(jié)合的方法進(jìn)行提取，將JDZ- 1型自記雨量計(jì)安置在各個(gè)徑流小區(qū)附近并對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)。然后按照每6h的間隔對(duì)獲取的雨量資料進(jìn)行次降雨的劃分，并對(duì)降雨特征因子，如I30、I60、降雨強(qiáng)度、歷時(shí)以及次降雨量等利用Rain Record軟件進(jìn)行分析；采用Model 711測(cè)定儀對(duì)降雨后各小區(qū)的產(chǎn)流泥沙量進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果分析

2.1 次降雨量變化特征

2014—2016年雙河小流域共368場(chǎng)次降雨，其中2014、2015、2016年總降雨量分別873.2、785.7、980.4mm，各年份降雨量及其特征如圖1所示。

圖1 2014—2016年降雨量變化情況

由圖1的各月份變化特征可知，在2014—2016年期間每年的2月及3月份幾乎沒(méi)有降雨，3月和4月降雨量較低，研究期間降雨量主要集中在6—9月。2014年降雨量最大的月份為6月，并且在2月份無(wú)降雨；2015年8月份降雨量為全年最大的月份。在年際變化方面，每年的9月份的降雨量年際變化最為明顯，而在3—4月份各年份的變化量較低；在季節(jié)變化方面，在研究期間降雨量主要集中在夏季和秋季。

2.2 侵蝕性降雨量等級(jí)

按照不同的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可將雙河小流域的降雨量劃分為7個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表2。其中X1和X2分別為侵蝕性降雨場(chǎng)次及其占總侵蝕降雨場(chǎng)次的比例；X3和X4分別為侵蝕性降雨量及其占總的侵蝕性降雨量的比例。

在2014—2016年期間，1#至5#徑流小區(qū)發(fā)生侵蝕性降雨分別為47、55、32、44、29場(chǎng)次，其中侵蝕性降雨量分別為1409.4、1531.4、1040.3、1258.6、97.0mm；隨著降雨量級(jí)別的增加侵蝕性降雨次數(shù)逐漸增大，并呈現(xiàn)出跳躍式發(fā)展趨勢(shì)。侵蝕性降雨量及其場(chǎng)次在低于50mm的降雨級(jí)別時(shí)與降雨量級(jí)別呈現(xiàn)出正相關(guān)特征，降雨場(chǎng)次隨著降雨級(jí)別的增加而不斷減少，但是侵蝕性降雨場(chǎng)次卻不斷增大；侵蝕性降雨場(chǎng)次在50mm以上降雨級(jí)別范圍時(shí)隨級(jí)別的增大而降低，其發(fā)展規(guī)律與降雨特征具有一定的相關(guān)性，并且在50mm以上降雨級(jí)別時(shí)通常伴隨著土壤侵蝕的發(fā)生。1～4#徑流小區(qū)在15～25mm和25～50mm降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)率最大，所對(duì)應(yīng)的侵蝕性降雨場(chǎng)次分別為24、26、14、23，而對(duì)于5#徑流小區(qū)在10mm降雨級(jí)別時(shí)就發(fā)生了較為嚴(yán)重的土壤侵蝕。

表2 不同降雨量等級(jí)各徑流小區(qū)侵蝕性降雨統(tǒng)計(jì)結(jié)果

降雨和下墊面為影響坡面產(chǎn)沙的關(guān)鍵因素[11]，而產(chǎn)沙的主要來(lái)源為降雨，對(duì)不同降雨量級(jí)別下的產(chǎn)沙量進(jìn)行試驗(yàn)分析，如圖2所示。由圖可知，人工領(lǐng)、次生林以及灌草地徑流小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)均低于玉米地和大豆地。灌草地和次生林在50mm以下降雨量時(shí)期產(chǎn)沙量并未表現(xiàn)出明顯的變化，而隨著降雨量級(jí)別的增大大豆地小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)不斷增大；玉米地整體滿足正態(tài)分布的變化特征；人工林小區(qū)隨著降雨量級(jí)別的變化為不穩(wěn)定的變化規(guī)律，但其產(chǎn)沙模數(shù)隨著降雨量的增大整體為增加趨勢(shì)。總而言之，對(duì)于10mm以上的降雨強(qiáng)度坡耕地會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的土壤侵蝕，而人工林和灌草地在50mm以上的降雨等級(jí)下可對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生較為明顯的影響，水土保持效果最好的徑流小區(qū)為次生林。

圖2 不同降雨量的產(chǎn)沙變化

根據(jù)圖2可以看出，在相同坡度和降雨條件下地表覆蓋類(lèi)型是影響土壤侵蝕性的關(guān)鍵因素，不同的地表覆蓋對(duì)雨水的入滲和攔蓄作用存在一定的差異，這也是引起土壤侵蝕差異的主要因素。因此，最易引起土壤侵蝕額因素為烤煙順坡耕地和玉米坡耕地，順坡耕種對(duì)泥沙的防沖刷作用并不明顯。

2.3 侵蝕性降雨強(qiáng)度等級(jí)

將雙河小流域2014—2016年的降雨數(shù)據(jù)按照不同的強(qiáng)度等級(jí)劃分為7個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表3。

由表3可知，各徑流小區(qū)的侵蝕性降雨場(chǎng)次均隨著降雨強(qiáng)度等級(jí)的增加而不斷減少，土壤侵蝕的發(fā)生頻率隨著降雨強(qiáng)度的增大而降低，但所造成的侵蝕程度更加嚴(yán)重。侵蝕性降雨場(chǎng)次在0～5mm/h級(jí)別最多，在該區(qū)間1～5#徑流小區(qū)的侵蝕性場(chǎng)次為41、46、25、35和21，分別占相應(yīng)場(chǎng)次的78.85%、79.31%、78.13%、81.40%和77.78%。各徑流小區(qū)在不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)沙變化特征如圖3所示。

圖3 各徑流小區(qū)在不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)沙量

土地利用方式指標(biāo)降雨強(qiáng)度級(jí)別/(mm/h)0～55～1010～2020～4040～6060～8080～1200次生林玉米地人工林地灌草地大豆地X141532001X278.859.625.773.850.000.001.92X31082.5246.065.012.50018.2X476.0117.274.560.880.000.001.28X146542001X279.318.626.903.450.000.001.72X31195.2245.155.414.80018.2X478.1816.033.620.970.000.001.19X125420001X278.1312.506.250.000.000.003.13X3760.5224.045.000018.2X472.5921.384.300.000.000.001.74X135520001X281.4011.634.650.000.000.002.33X31048.2246.045.50001.35X478.1618.343.390.000.000.000.10X121221001X277.787.417.413.700.000.003.70X3425.0115.245.014.60018.7X468.7118.637.282.360.000.003.02

由圖3可知，對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)影響較為顯著的指標(biāo)參數(shù)為平均雨強(qiáng)和土地利用類(lèi)型，并且2#與5#小區(qū)的平均產(chǎn)沙模數(shù)隨著侵蝕性降雨強(qiáng)度等級(jí)的變化呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢(shì)，具有二次函數(shù)的特征，長(zhǎng)歷時(shí)的小型降雨為雙河小流域的主要降雨類(lèi)型，并且存在少數(shù)的暴雨。在不同雨強(qiáng)條件下1#和4#小區(qū)的產(chǎn)沙模數(shù)為呈現(xiàn)出顯著變化，而3#小區(qū)隨著雨強(qiáng)的增大而呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。綜上所述，因頻繁的小型降雨造成的土壤侵蝕往往低于極少的大暴雨引起的土壤侵蝕，因此要考慮大暴雨對(duì)土壤侵蝕的影響作用制定科學(xué)合理的水土流失防治措施。因坡耕地土壤受降雨的影響作為較為明顯，因此其他土地利用方式的產(chǎn)沙量通常低于坡耕地[12]。

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

對(duì)降雨特征指標(biāo)與不同強(qiáng)于強(qiáng)度產(chǎn)沙之間的相關(guān)性利用SPSS軟件進(jìn)行分析，在20～40mm/h的等級(jí)下存在一次土壤侵蝕，因此可不考慮該數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性特征，其他各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。表中I30、I60分別為最大30min和60min的雨強(qiáng)；“**”代表極顯著相關(guān)；“*”為顯著相關(guān)。

表4 降雨特征指標(biāo)與產(chǎn)沙之間的相關(guān)系數(shù)

由上表計(jì)算結(jié)果可以看出，各降雨特征指標(biāo)在3#徑流小區(qū)未表現(xiàn)出相關(guān)性，1#小區(qū)的產(chǎn)沙量在5mm/h以下的降雨強(qiáng)度下與I60和降雨量存在顯著相關(guān)性，而與其他指標(biāo)未存在相關(guān)性；2#和3#小區(qū)各降雨特征指標(biāo)與產(chǎn)沙無(wú)顯著相關(guān)性。而4#和5#小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量分別存在極顯著和顯著的相關(guān)性特征，其原因可能是5#小區(qū)的土地利用方式為順坡耕種，在存在降雨時(shí)極易引起水土流失，而2#小區(qū)為玉米種植小區(qū)，并且植被覆蓋度隨著玉米的生長(zhǎng)而不斷增加，在小型降雨條件下可發(fā)揮一定的攔蓄截留作用。2#徑流小區(qū)產(chǎn)沙量在5～10mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)主要受降雨量、歷時(shí)、I30、I60指標(biāo)影響，并且產(chǎn)沙量與I60、降雨量和歷時(shí)存在較為顯著的相關(guān)性[13- 14]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以遼陽(yáng)市雙河小流域?yàn)槔?，通過(guò)對(duì)比分析了不同雨強(qiáng)和雨量級(jí)條件下侵蝕性降雨特征與產(chǎn)沙關(guān)系，研究了該區(qū)域不同徑流小區(qū)的侵蝕性降雨特征，得出的主要結(jié)論如下。

(1)在相同坡度和降雨條件下地表覆蓋類(lèi)型是影響土壤侵蝕性的關(guān)鍵因素，不同的地表覆蓋對(duì)雨水的入滲和攔蓄作用存在一定的差異，這也是引起土壤侵蝕差異的主要因素。

(2)因頻繁的小型降雨造成的土壤侵蝕往往低于極少的大暴雨引起的土壤侵蝕，因此要考慮大暴雨對(duì)土壤侵蝕的影響作用制定科學(xué)合理的水土流失防治措施；坡耕地土壤受降雨的影響作為較為明顯，因此其他土地利用方式的產(chǎn)沙量通常低于坡耕地。