喀斯特地区不同坡度径流小区水土流失特征分析

2015-02-22刘凤仙

中国水土保持 2015年8期

关键词：产流坡面坡度

覃莉，刘凤仙，杨智

(1.贵州省水土保持监测站，贵州贵阳 550000； 2.贵州省水土保持技术咨询研究中心，贵州贵阳 550000)

喀斯特地区不同坡度径流小区水土流失特征分析

覃莉1，刘凤仙2，杨智2

(1.贵州省水土保持监测站，贵州贵阳 550000； 2.贵州省水土保持技术咨询研究中心，贵州贵阳 550000)

径流小区；临界坡度；产流；产沙；喀斯特地区

以毕节石桥小流域5个不同坡度裸露径流小区为研究对象，分析2012、2013年径流小区在天然降雨条件下的产流产沙情况。结果表明：在相同降雨强度条件下，坡度15°时径流小区径流深、产沙量达到最大值；坡面产流产沙量随降雨强度的增加总体呈增加趋势，特别是暴雨时产沙量显著增加；前期降雨对坡面径流有一定影响，前期降雨越多，土壤含水量越接近饱和，降雨产生的径流产沙量就越多。应根据喀斯特地区水土流失特征，合理设计小区集雨设施断面尺寸，使小区径流泥沙观测更具操作性和实用性。

1 研究区概况

毕节石桥小流域位于贵州省毕节市东南部的鸭池镇境内，土地总面积35.93 km2；属山坡谷地地貌，最高海拔1 742.3 m，最低海拔1 400.0 m，相对高差342.3 m；属亚热带湿润季风气候区，年均气温14.03 ℃，极端最高温度33.8 ℃，极端最低温度-3.4 ℃，年平均日照时数1 377.7 h，年无霜期258 d；年均降水量863.0 mm，年最大降水量995.5 mm，年最小降水量618.2 mm，降雨主要集中在7—9月，期间降水量占全年降水量的52.4%[1]；区域内以碳酸岩类的石灰岩及侏罗纪紫色砂页岩为主，土壤以黄壤土及紫砂土为主，在岩溶洼地和山间平地有水源的地方分布少量水稻土，坡耕地一般为黄色石灰土，林地、灌草丛为黑灰色石灰土；自然植被主要为亚热带常绿阔叶林，原生植被多被破坏，多为次生林，大部分分布在山坡上部，人工林主要是零星分布的桃、李、梨、花椒、杜仲等。

2 试验方法

在毕节石桥小流域设立了5°、10°、15°、20°和25°共5个坡度的径流小区，小区规格均为10.0 m×2.5 m，土壤为黄壤，土壤容重为1.35 g/cm3，覆盖度小于5%，没有采取任何水土保持措施。在试验小区进行试验，研究天然降雨条件下不同坡度径流小区的产流产沙情况。根据2012、2013年研究区降雨资料，降雨量采用虹吸式自记雨量计记录。每次降雨后及时收集集雨池内1 L泥水混合样，重复取样3次，过滤烘干，测定其中泥沙含量。根据径流池内的泥水总量计算出每次降雨的径流深、产沙量[2-3]。

3 试验结果分析

3.1 次降雨过程中产流产沙随坡度变化情况

2012、2013年共发生15次降雨产流产沙过程。次降雨产流产沙量统计结果见表1。由表1知，同一坡度下，随着降水量的增加，坡面产流产沙量总体呈增加趋势。径流深随着坡度的增加而增加，直至达到临界坡度，15次降雨过程中有10次降雨径流深最大值出现在15°，3次降雨径流深最大值出现在25°；有8次降雨产沙量最大值出现在15°，4次降雨产沙量最大值出现在25°；有6次产流产沙量的最大值均出现在15°；总径流深在坡度15°时出现极大值，是其他坡度总径流深的1.54～2.70倍；总产沙量在15°、25°时均出现极大值，25°时的总产沙量最大，说明该流域15°和25°坡面土壤侵蚀较为严重。坡度对产流产沙的影响主要是通过影响降雨入渗来实现的。相同降雨条件下，随着坡度的增加，坡面水流速度增大，入渗能力降低，有多余的雨水转化为地表径流，径流量增加[4-7]。但当坡度增加到一定程度后，雨滴对水面的打击作用减弱，水流的侵蚀力减弱，坡面受雨面积也显著减少，水流的侵蚀力减弱，侵蚀量随坡度的增加而减小[8-9]。

表1 2012、2013年次降雨过程中径流深、产沙量随坡度变化情况

3.2 不同降雨强度产流产沙情况

根据我国降雨强度分级标准：小雨为24 h雨量小于10 mm；中雨为10.0～24.9 mm；大雨为25.0～49.9 mm；暴雨为大于等于50 mm。对2012、2013年各降雨分级下的径流深和产沙量做平均化处理，统计得出中雨、大雨、暴雨条件下径流深随坡度变化规律见图1。同一坡度径流小区，坡面产沙量随降雨强度的增大总体呈增加趋势，即暴雨>大雨>中雨，特别是暴雨的产沙量较多，这可能是暴雨冲刷坡面，带走大粒径砂砾石引起的，见表2。当降雨强度为暴雨时，坡面产流产沙存在临界坡度(15°)。

图1 径流深随坡度变化情况

表2 不同坡度小区产沙量统计 t/km2

3.3 前期降雨对产流产沙的影响

为进一步分析前期降雨对径流小区产流产沙量的影响，选取2012年5次降雨(A、B、C、D、E降雨)分2组进行对比，见表1。2012年8月8日降雨(B降雨)与2012年6月22日降雨(A降雨)、2013年5月25日降雨(C降雨)的降水量相近，A、C降雨产流产沙量随坡度的变化规律基本一致，径流深为0.49～1.25 mm，产沙量为0.11～18.75 t/km2，而B降雨在各坡度下的径流深为4.30～20.20 mm，产沙量为17.22～1 585.40 t/km2，比A、C降雨相同坡度下的产流产沙量高得多。这主要是由于2012年8月6日有一场降水量33.70 mm的前期降雨，使得径流小区内土壤含水量增加，B降雨发生后土壤入渗减少、坡面产流产沙量增加。此外，不同降水量的前期降雨的影响是不同的[10]。2013年5月26日(D降雨)与2013年5月29日降雨(E降雨)的降水量均较大，两降雨在相同坡度下的径流深基本相同，但E降雨的产沙量为D降雨的2.25～10.44倍。D、E降雨均有前期降雨发生，D降雨的前期降雨为2013年5月25日降雨(降水量29.4 mm)，E降雨的前期降雨为D降雨(降水量55.50 mm)。可见，前期降雨量越大，径流小区土壤含水量越接近饱和，产生的径流就越多、径流深也越大。但是前期降水量并非影响坡面产流产沙的唯一因子，降雨历时、降雨强度也决定了坡面径流产沙量的大小。一般情况下，短历时、大雨强情况下水流挟沙力增强，坡面产沙量也相应增多。

4 结语

基于喀斯特地区水土流失的特殊性，受降水量、坡度和前期降雨共同影响，产流产沙量变化特征呈现一定的规律性：同一坡度径流小区，坡面径流产沙量基本随降水量、降雨强度的增加而增大，特别是暴雨的产沙量显著增加；相同降雨强度条件下，坡度15°时径流小区径流深、产沙量达到最大值；前期降雨对坡面径流也有一定的影响，较大的前期降雨可能导致本次降雨产生的径流深和产沙量增加；降雨历时、降雨强度也决定了坡面径流产沙量的大小，短历时、大雨强情况下水流挟沙力大为增强，坡面产沙量增多。

从试验结果可以看出，在相同降雨条件下，喀斯特地区水土流失临界坡度为15°。应根据该特点，优化喀斯特地区水土流失防治措施布设，比如在小流域综合治理中优选坡度为15°的地类进行综合治理，重点考虑坡改梯工程，同时加强产业结构调整，促进农民增收。此外，在以后径流小区设计中，应根据坡度情况合理设计小区集雨设施断面尺寸，使小区径流泥沙观测更具操作性和实用性。

[1] 周玮,熊康宁,高渐飞,等.贵州毕节石桥小流域喀斯特石漠化耕地治理研究[J].贵州农业科技,2010,38(9):110-113.

[2] 和继军,蔡强国,刘松波.次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响[J].应用生态学报,2012,23(5):1263-1268.

[3] 王海斌.不同水土保持措施下径流小区降雨与产流产沙关系研究[J].水土保持研究,2011,18(5):63-66.

[4] 申震洲,刘普灵,谢永生,等.不同下垫面径流小区土壤水蚀特征试验研究[J].水土保持通报,2006,26(3):6-10.

[5] 贾绍凤,梁季阳.黄土高原降雨、径流、产沙相互关系的研究[J].水土保持学报,1992,6(3):42-47.

[6] 程义.延河洪水输沙特征分析[J].水土保持学报,1992,6(2):35-40.

[7] 李德利,王瑄,邱野.天然降雨条件下裸坡、植被坡的产流产沙过程分析[J].安徽农业科技,2011,39(35):21971—21974.

[8] 吴普特,周佩华.地表坡度与薄层水流侵蚀关系的研究[J].水土保持通报,1993,13(3):1-5.

[9] 贾志军,王小平,李俊义,等.晋西黄土高原降雨侵蚀力研究[J].中国水土保持,1991(1):43-46.

[10] 李子君,李秀彬,朱会.北方土石山区不同模式下的小流域综合治理效益[J].中国水土保持,2009(1):35-37.

(责任编辑李杨杨)

S157.1