寇馨月, 黄 俊, 姜学兵, 向家平, 金平伟, 王思伟

(1.珠江水利委员会 珠江流域水土保持监测中心站, 广东 广州 510611; 2.珠江水利委员会 珠江水利科学研究院, 广东 广州510611)

不同下垫面径流小区次降雨对产流产沙的影响

寇馨月1,2, 黄 俊1,2, 姜学兵1,2, 向家平1,2, 金平伟1,2, 王思伟1,2

(1.珠江水利委员会 珠江流域水土保持监测中心站, 广东 广州 510611; 2.珠江水利委员会 珠江水利科学研究院, 广东 广州510611)

[目的] 揭示南方红壤区人工径流小区次降雨对径流泥沙作用规律，为区域水土保持工程实践与基础理论研究提供参考。 [方法] 基于云南摩布小流域3种下垫面(林地、农地、裸地)人工径流小区2013—2015年自然降雨观测资料，采用M-K趋势检验、灰色相关分析及双累积曲线等方法研究了次降雨量、径流量、泥沙量和入渗率的变化趋势及相关关系，以及降雨因子对径流泥沙的影响。 [结果] (1) 2013—2015年摩布径流小区月降雨均呈先增加后减少的波动性变化趋势，3 a降雨量无显著性变化趋势。 (2) 相同降雨量各下垫面径流小区产流差异显著(p<0.05)，其中林地最小，农地次之，裸地最大；3种下垫面次降雨径流深增长速率大小规律与此相同。 (3) 次降雨产沙量与降雨量、径流量均存在密切相关关系，相关系数分别为0.67～0.82，0.69～0.85。径流小区产沙能力随雨强增大而增强。相同雨量下，林地产沙能力最小，而裸地累积产沙量增速最大。 (4) 3个径流小区的入渗率均随降雨量和雨强增大而增大，其中林地入渗率最大，平均入渗率为94.03%；裸地入渗率最小，平均入渗率为86.28%。 [结论] 与农地和裸地相比，林地不同程度提高了土壤入渗性能，降低了产流量和产沙量。

径流小区; 径流泥沙; 入渗率; 下垫面

文献参数： 寇馨月, 黄俊, 姜学兵, 等.不同下垫面径流小区次降雨对产流产沙的影响[J].水土保持通报，2017,37(2)：27-31.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.004； Kou Xinyue, Huang Jun, Jiang Xuebing, et al. Effects of Rainfall on Runoff and Sediment Under Different Underlying Surfaces of Runoff Plots[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：27-31.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.004

降雨是坡面水土流失的源动力，是影响流域产流产沙的主要因素[1-2]。研究降雨变化特征以及其对径流泥沙的影响作用，是水土保持工程实践的重要依据；同时也是应对气候变化对流域水文环境、水文过程、水量平衡以及流域生态系统影响的基础[3-7]。研究水土保持措施效果可为水土保持规划、水土流失定量预报等提供依据。不同区域采用的水土保持措施不同，探索区域治理效果最优的水土保持措施是学者着重关注的重点。下垫面不同水保措施对降雨产流及产沙具有明显的影响作用，其水土保持效果十分显著[8-11]。符素华等[12]在北京官厅水库研究结果表明，下垫面不同水土保持措施具有显著的水土保持效应，显著降低了多年平均径流泥沙量。土地利用方式作为下垫面条件的一种具体表现，其变化对降雨产流产沙量具有重要影响作用[13]。基于燕沟流域研究结果表明，灌草地保持水土、降低土壤侵蚀效果好于荒草地及裸地[14]，因此水土保持工程实践中要充分考虑不同措施间的搭配。姜娜等[15]在黄土高原六道沟小流域的研究也得出类似研究结论，认为草灌措施保持水土的效果明显高于坡耕地。但也有研究表明水土保持的耕作措施与工程措施相结合才能达到最好的水土保持效果[16]。有关西北黄土区及东北黑土区不同下垫面水土保持措施下降雨产流产沙特征研究成果较为丰富[17-21]，一方面丰富了水土保持基础研究理论，另一方面为水土保持工程实践提供了理论支撑，但涉及到南方红壤区相关研究成果仍相对有限。本研究基于云南省摩布小流域野外径流小区2013—2015年观测资料，探讨不同下垫面降雨特征对径流、泥沙影响作用及其相互关系，分析不同下垫面措施水土保持作用效果，以期为该区水土流失治理提供参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

摩布小流域位于云南省宣威市宝山镇境内，属南温带高原季风气候，多年平均降雨量988 mm。土壤类型主要为红壤，土壤田间持水量及饱和含水量分别为26.8%～28.3%和41.7%～43.1%，凋萎系数为15%～17%；粉粒(0.002～0.02 mm)含量为26%～28%，黏粒(<0.002 mm)含量为23%～27%。小流域植被类型主要是乔灌混交，以云南松(Pinusyunnanensis)、冬瓜(Benincasahispida)、马桑(Coriarianepalensis)、火刺木(Pyracanthakoidzumii)、火绒草(Leontopodiumleontopodiodes)、锈叶杜鹃(Rhododendronsiderophyllum)、大车前(Plantagomajor)等为主。摩布径流小区建立于2003年，包含了3个标准径流小区(20 m×5 m)，各小区坡度及土层厚度均为20°和200 cm，具体参数详见表1。

表1 径流小区参数

注：“地表植被盖度”指径流小区植被的枝叶、冠层垂直于地面的投影面积占小区总面积的比例，为观测期内的平均值。圆柏(Sabinachinensis)，鹧鸪草(Eriachnepallescens)，马铃薯(Solanumtuberosum)，荞(Fagopyrumesculentum)。

1.2 材料与方法

依托于水利部发布的《全国水土流失动态监测与公告项目管理办法》(试行)(办水保[2014]257号)，基于摩布小流域的3个径流小区开展2013—2015年的自然降雨观测试验。采用遥测雨量器观测降雨量及降雨过程数据。地表植被盖度参照《径流小区和小流域水土保持监测手册》，通过照相法和目估法确定。径流量通过集流池和分流池水位计算得到，泥沙量通过人工取样烘干获得。入渗率通过降雨量和径流量的差值计算得到[22-24]。观测数据均为自然降雨事件，通过初步筛选，本试验共收集到3 a降雨数据和103组(51次降雨事件×3个径流小区)引起产流的降雨数据，使用Excel软件进行数据处理，Origin 9.0绘图。

引起产流的自然降雨事件是本文的主要研究对象。采用Mann-Kendall趋势性检验法[25]分析年降雨的趋势性变化特征；通过双累积曲线方法[26]探讨次降雨对摩布径流小区产流产沙影响作用及其定量关系；基于灰色关联度分析法[27-28]阐明次降雨产沙量与降雨量和径流量的相关性；利用SPSS软件研究相同雨强下各小区产流产沙能力差异的显著性[17]及采用T检验方法分析相同径流小区不同雨强下入渗率变化的显著性[29]。

2 结果与分析

2.1 研究期降雨特征分析

图1是摩布径流小区2013—2015年自然降雨和产流降雨年内分布趋势变化特征。从图1可看出，3 a降雨整体均呈增加—减少的波动变化趋势，其中2013年最大月降雨量出现在8月，为144.5 mm；7月出现2014年最大月降雨量，占全年总雨量的26.11%；2015年最大月降雨量为230.5 mm。同时，Mann-Kendall趋势性检验分析结果表明，摩布小区3 a降雨量变化趋势不显著(p>0.05)。引起产流的降雨集中在5—10月汛期，占3 a降雨总量的62.15%，其中3 a研究期内6月的产流降雨总量最大为398.50mm。因此，汛期降雨是引起摩布小区产流产沙的主要原因。

图1 降雨量年内分布

2.2 次降雨与产流量关系

依据气象学中的降雨强度等级划分，将降雨分为4个等级：小雨(<10.00 mm/d)、中雨(10.00～24.9 mm/d)、大雨(25.00～49.90 mm/d)、暴雨(>50.00 mm/d)。分析结果表明该地区引起产流的降雨为中雨、大雨和暴雨，而小雨未能引起研究区坡面产流，这与部分已有研究成果一致[30-31]。各雨强等级下降雨和径流双累积曲线如图2所示。不论雨强等级如何，相同累积降雨量下林地累积产流量最小，农地次之，裸地最大。使用SPSS软件对各降雨等级下累积曲线进行差异性分析，结果表明相同降雨等级下林地、农地、裸地的产流能力差异性显著(p<0.05)。坡面径流是引起坡面水土流失的主要动力，受降雨和下垫面等多种因素相互作用的影响。林地种植圆柏，树冠对降雨具有一定的截留和缓冲作用，林下覆盖的杂草也降低雨滴击溅能力，阻碍汇流。农地种植农作物，虽在空间上不能多层缓冲雨滴击溅，但地表覆盖的农作物阻挡降雨对下垫面的直接侵蚀作用，因此林地和农地的径流深低于裸地。

图2 不同雨强下降雨-径流深双累积曲线

由图2中双累积曲线拟合方程可以看出，不同下垫面径流深增长速率依次为：林地<农地<裸地，说明林地较之农地、裸地具有最好的拦蓄降雨功能。地表植被的覆盖有效的削弱了降雨对地面的直接冲刷，且植被根系的生长一定程度增加了土壤孔隙度，提高土壤入渗率，降低地表径流。因此，空间多层次的林分结构和地表植被覆盖对减少流域径流的产生具有显著效果。此外，相同下垫面条件下降雨强度越大，径流深增长速率越小。径流深变化除受到降雨影响外，还受到土壤入渗能力的影响。降雨强度的增加，土壤的入渗率增大(表3)，使得入渗量增加而径流量降低。

2.3 次降雨与产沙量关系

表2为不同径流小区各降雨等级下产沙量与降雨量和径流量的灰色关联度系数。暴雨下，林地产沙量与降雨量、径流深的灰色相关系数最高，分别为0.82，0.85。不同径流小区的产沙量与降雨、径流深均有很好的相关性，相关系数分别为0.67～0.82，0.69～0.85。3个径流小区的“产沙量—径流深”灰色相关系数均大于“产沙量—降雨量”的灰色相关系数，表明地表径流是土壤侵蚀的源动力，径流对产沙量的影响作用较降雨更大。

图3为不同下垫面径流小区不同雨强下累积降雨量和累积泥沙量双累积曲线及其拟合方程。拟合方程斜率表示径流小区累积降雨量对产沙量的影响，相同降雨条件下，裸地的产沙能力(最大)分别是林地的26倍(中雨)、79倍(大雨)、93倍(暴雨)，是农地的9.5倍(中雨)、16倍(大雨)、7.5倍(暴雨)，林地的产沙能力最小。对各雨强下不同小区产沙能力显著性分析可知，林地、农地和裸地之间产沙能力差异性显著(p<0.05)。由图3中双累积曲线可以看出，雨强增加，径流小区产沙能力也随之增大，其中裸地累积产沙量增速最为显著，农地次之，林地最小。如前文所述，林地产流量最小，因此其产沙量也相对最小。此外，林地、农地有植被覆盖，植被根系具有固土作用，从源头上减少了泥沙量的产生，泥沙来源远小于裸地。多年降雨侵蚀破坏了裸地表土物理结构并降低了土壤的抗蚀性，导致其产沙量随径流深增加而迅速增加。

表2 不同雨强等级下产沙量与降雨量、径流深的灰色相关分析

图3 不同雨强下降雨量-产沙量双累积曲线

2.4 降雨量对入渗率影响

图4为不同下垫面土壤入渗率随次降雨量变化散点图。总体而言，随次降雨量增加土壤入渗率呈现先增加而后逐渐趋于稳定的变化趋势；其中林地土壤入渗率最大，其次为农地，裸地入渗率最小。不同下垫面小区入渗率受土壤孔隙度、持水能力、土壤容重等因素影响，其中土壤孔隙是入渗水流的主要通道[32]。当降雨量增加时，地表水深增加，地表水层静水压力相应增大，一定程度上增加了土壤入渗性能，因此入渗率随降雨量增加而增加。按照降雨等级统计51次产流降雨各区间的平均入渗率(表3)，可看出3个小区的入渗率均随雨强增大而增加，且增加趋势不显著。这表明降雨强度增加对土壤水分入渗具有促进作用。当降雨强度增大时，雨滴动能随之增大，雨滴打击对入渗水体产生的挤压力增加，这不仅可以加快入渗水流的运动速度，也可以使部分静止的毛管水参与入渗过程。

图4 不同径流小区次降雨入渗率

表3 不同降雨等级的平均入渗率

3 结 论

(1) 引起摩布小区产流的降雨类型为中雨、大雨和暴雨，集中在5—10月。Mann-Kendall分析表明，2013—2015年摩布小区年降雨量变化趋势不显著，呈先增加后减少的波动性变化。径流小区的入渗率随雨量和雨强的增加呈不显著的增大趋势，其中林地的入渗率最大，入渗率分别为92.10%(中雨)，93.78%(大雨)，95.53%(暴雨)；裸地入渗率最小，各雨强下的入渗率均小于90%。

(2) 与降雨量相比，径流深对产沙量影响作用更大。中雨、大雨、暴雨雨强下，同一累积降雨量引起的累积产流量大小和径流深增长速率均表现为：林地<农地<裸地。相同径流小区径流深增长速率随雨强增大而减少。降雨对不同径流小区产沙量影响有明显不同，相同雨量下，林地小区产沙能力最小，不同小区产沙能力差异性显著(p<0.05)；累积产沙量增速中裸地最为显著，农地次之，林地最小。

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Effects of Rainfall on Runoff and Sediment Under Different Underlying Surfaces of Runoff Plots

KOU Xinyue1,2, HUANG Jun1,2, JIANG Xuebing1,2, XIANG Jiaping1,2, JIN Pingwei1,2, WANG Siwei1,2

(1.SoilandWaterConservationMonitoringCenterofPearlRiverBasin,PearlRiverWaterResourcesCommissionoftheMinistryofWaterResources,Guangzhou,Guangdong510611,China; 2.PearlRiverHydraulicResearchInstitute,PearlRiverWaterResourcesCommissionoftheMinistryofWaterResources,Guangzhou,Guangdong510611,China)

[Objective] Effects of rainfall on runoff and sediment in red soil region of Southern China were studied in runoff plots, to provide references for soil and water conservation engineering practice and fundamental research. [Methods] Based on three underlying surfaces (forest, agricultural land, bare land) of runoff plots in Mobu watershed of Yunnan Province, chrono-changes of rainfall, runoff, sediment and infiltration rate were observed from 2013 to 2015. Their relationships were analyzed by means of Mann-Kendall, grey correlation analysis and double cumulative curve, and so on. Meanwhile, effects of rainfall amount on runoff and sediment were studied. [Results] (1) The monthly rainfall during a year showed a fluctuated trend: firstly increased, and then decreased. The rainfall had no significant change among the three years. (2) Under same level of rainfall amount, significant difference in runoff among the three underlying surfac-runoff plots(p<0.05), they ranked as: forest >agricultural land > bare land. For runoff depth, it had the same rank. (3) Sediment yield had a strong correlation with rainfall and runoff. The correlative coefficients were 0.67～0.82 and 0.69～0.85 respectively. The sediment yield increased with the increase of rainfall intensity. Under similar rainfall scenario, forest had the minimum sediment, while bare land had the largest one. (4) The infiltration rate increased with the growth of rainfall and rainfall intensity in all three runoff plots. The infiltration rate was the biggest in forest with an average infiltration rate of 94.03%; the infiltration rate was the smallest in bare land, its infiltration rate was 86.28%. [Conclusion] As compared with agricultural land and bare land, forest plot increased soil infiltration capacity and reduced the runoff and sediment yield to some extent.

runoff plots; runoff and sediment; infiltration rate; underlying surface

2016-06-21

2016-08-03

水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放基金项目“红壤区小流域水沙输移规律研究”(2016006); 广东省水利科技创新项目(2009-50)

寇馨月(1990—),女(汉族),辽宁省沈阳市人,硕士,工程师，主要从事水土保持研究。E-mail:yykou@126.com。

A

1000-288X(2017)02-0027-05

S157.1， S714.7