辽阳市双河小流域侵蚀性降雨特征研究

2019-03-26张琪

水利技术监督 2019年2期

张琪

(辽阳市水务事务服务中心，辽宁辽阳 111000)

辽阳市双河小流域不仅是辽阳市的灌溉、生活用水以及工农业用水的主要源泉，而且是实现辽宁省中部山区农村经济发展的基础，为建设社会主义新农村发挥着关键作用[1]。然而，近年来双河小流域的营养状态随着区域经济的快速发展呈现出不断上升的趋势，水环境质量明显下降，其中因人类活动产生的含氮、磷等污染物为该流域水体污染的主要来源，尤其是在暴雨和强降雨时期水体污染程度更加严重[1- 4]。

自然和人为因素是引起水土流失的主要因素，其中自然因素包括气候因子和下垫面条件，它是引起水土流失的先决条件，而影响土壤侵蚀的关键因子为区域降雨及其特征因子，如最大30min雨强、平均降雨强度、降雨量及历时等。针对降雨因素与土壤侵蚀在不同土地利用方式下的作用关系许多学者做了深入研究，但主要局限于黄土高原区，而涉及北方丘陵沟壑区的小流域的相关研究较少[5- 8]。据此，本文以辽阳市双河小流域为例对比分析了不同雨强和雨量级条件下侵蚀性降雨特征与产沙关系，以期为东北地区水土流失的综合治理和生态环境建设提供理论依据。

1 侵蚀性降雨特征分析

1.1 流域概况

研究区位于辽阳县寒岭镇的双河小流域，地理位置为123°43′2″～123°43′29″，北纬41°00′52″～41°11′10″，总占地面积1610hm2。地形特征为东低西高，周围向内地倾斜的扇形。土壤类型以棕壤土为主，随地形的垂直分布山地棕壤土可以分为为残积、坡积、洪积土。山地土壤在保水保肥方面存在较大的差异，在山区及半山区的缓坡地带主要是以渗透性差、土低坚硬的黄黏土为主；在山区的低产田内主要是山地砂质土层，其保水保水性能差、土层薄且肥沃力低。双河流域属于大陆季风气候，多年平均降水量为733.4mm且在年内分布极不均衡，每年的6—9月为雨季，该期间降雨较为集中占全年的71.3%，暴雨及强降雨通常发生在雨季。年均气温7.5℃，相对湿度为63%，受季风影响年均蒸散发量较大为1450.0mm，干旱灾害较为频繁[9- 10]。

1.2 研究方法

结合项目区自然环境和水土保持措施类型，本研究共设置了6个标准径流小区，分别为人工幼林、灌草丛、油松天然次生林、经济林以及2个坡耕地，各径流小区特征见表1。

表1 径流小区布设情况

对降雨量数据利用人工观测和自动雨量计相结合的方法进行提取，将JDZ- 1型自记雨量计安置在各个径流小区附近并对降雨数据进行观测。然后按照每6h的间隔对获取的雨量资料进行次降雨的划分，并对降雨特征因子，如I30、I60、降雨强度、历时以及次降雨量等利用Rain Record软件进行分析；采用Model 711测定仪对降雨后各小区的产流泥沙量进行测定。

2 结果分析

2.1 次降雨量变化特征

2014—2016年双河小流域共368场次降雨，其中2014、2015、2016年总降雨量分别873.2、785.7、980.4mm，各年份降雨量及其特征如图1所示。

图1 2014—2016年降雨量变化情况

由图1的各月份变化特征可知，在2014—2016年期间每年的2月及3月份几乎没有降雨，3月和4月降雨量较低，研究期间降雨量主要集中在6—9月。2014年降雨量最大的月份为6月，并且在2月份无降雨；2015年8月份降雨量为全年最大的月份。在年际变化方面，每年的9月份的降雨量年际变化最为明显，而在3—4月份各年份的变化量较低；在季节变化方面，在研究期间降雨量主要集中在夏季和秋季。

2.2 侵蚀性降雨量等级

按照不同的等级标准可将双河小流域的降雨量划分为7个级别，见表2。其中X1和X2分别为侵蚀性降雨场次及其占总侵蚀降雨场次的比例；X3和X4分别为侵蚀性降雨量及其占总的侵蚀性降雨量的比例。

在2014—2016年期间，1#至5#径流小区发生侵蚀性降雨分别为47、55、32、44、29场次，其中侵蚀性降雨量分别为1409.4、1531.4、1040.3、1258.6、97.0mm；随着降雨量级别的增加侵蚀性降雨次数逐渐增大，并呈现出跳跃式发展趋势。侵蚀性降雨量及其场次在低于50mm的降雨级别时与降雨量级别呈现出正相关特征，降雨场次随着降雨级别的增加而不断减少，但是侵蚀性降雨场次却不断增大；侵蚀性降雨场次在50mm以上降雨级别范围时随级别的增大而降低，其发展规律与降雨特征具有一定的相关性，并且在50mm以上降雨级别时通常伴随着土壤侵蚀的发生。1～4#径流小区在15～25mm和25～50mm降雨强度对土壤侵蚀的贡献率最大，所对应的侵蚀性降雨场次分别为24、26、14、23，而对于5#径流小区在10mm降雨级别时就发生了较为严重的土壤侵蚀。

表2 不同降雨量等级各径流小区侵蚀性降雨统计结果

降雨和下垫面为影响坡面产沙的关键因素[11]，而产沙的主要来源为降雨，对不同降雨量级别下的产沙量进行试验分析，如图2所示。由图可知，人工领、次生林以及灌草地径流小区的平均产沙模数均低于玉米地和大豆地。灌草地和次生林在50mm以下降雨量时期产沙量并未表现出明显的变化，而随着降雨量级别的增大大豆地小区的平均产沙模数不断增大；玉米地整体满足正态分布的变化特征；人工林小区随着降雨量级别的变化为不稳定的变化规律，但其产沙模数随着降雨量的增大整体为增加趋势。总而言之，对于10mm以上的降雨强度坡耕地会出现较为严重的土壤侵蚀，而人工林和灌草地在50mm以上的降雨等级下可对土壤侵蚀产生较为明显的影响，水土保持效果最好的径流小区为次生林。

图2 不同降雨量的产沙变化

根据图2可以看出，在相同坡度和降雨条件下地表覆盖类型是影响土壤侵蚀性的关键因素，不同的地表覆盖对雨水的入渗和拦蓄作用存在一定的差异，这也是引起土壤侵蚀差异的主要因素。因此，最易引起土壤侵蚀额因素为烤烟顺坡耕地和玉米坡耕地，顺坡耕种对泥沙的防冲刷作用并不明显。

2.3 侵蚀性降雨强度等级

将双河小流域2014—2016年的降雨数据按照不同的强度等级划分为7个级别，见表3。

由表3可知，各径流小区的侵蚀性降雨场次均随着降雨强度等级的增加而不断减少，土壤侵蚀的发生频率随着降雨强度的增大而降低，但所造成的侵蚀程度更加严重。侵蚀性降雨场次在0～5mm/h级别最多，在该区间1～5#径流小区的侵蚀性场次为41、46、25、35和21，分别占相应场次的78.85%、79.31%、78.13%、81.40%和77.78%。各径流小区在不同降雨强度下产沙变化特征如图3所示。

图3 各径流小区在不同降雨强度下的产沙量

土地利用方式指标降雨强度级别/(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

由图3可知，对产沙模数影响较为显著的指标参数为平均雨强和土地利用类型，并且2#与5#小区的平均产沙模数随着侵蚀性降雨强度等级的变化呈现出先降低后增大的趋势，具有二次函数的特征，长历时的小型降雨为双河小流域的主要降雨类型，并且存在少数的暴雨。在不同雨强条件下1#和4#小区的产沙模数为呈现出显著变化，而3#小区随着雨强的增大而呈现出增加的趋势。综上所述，因频繁的小型降雨造成的土壤侵蚀往往低于极少的大暴雨引起的土壤侵蚀，因此要考虑大暴雨对土壤侵蚀的影响作用制定科学合理的水土流失防治措施。因坡耕地土壤受降雨的影响作为较为明显，因此其他土地利用方式的产沙量通常低于坡耕地[12]。

2.4 产沙与侵蚀性降雨特征指标的相关性

对降雨特征指标与不同强于强度产沙之间的相关性利用SPSS软件进行分析，在20～40mm/h的等级下存在一次土壤侵蚀，因此可不考虑该数据的关联性特征，其他各指标计算结果见表4。表中I30、I60分别为最大30min和60min的雨强；“**”代表极显著相关；“*”为显著相关。

表4 降雨特征指标与产沙之间的相关系数

由上表计算结果可以看出，各降雨特征指标在3#径流小区未表现出相关性，1#小区的产沙量在5mm/h以下的降雨强度下与I60和降雨量存在显著相关性，而与其他指标未存在相关性；2#和3#小区各降雨特征指标与产沙无显著相关性。而4#和5#小区的产沙量与降雨量分别存在极显著和显著的相关性特征，其原因可能是5#小区的土地利用方式为顺坡耕种，在存在降雨时极易引起水土流失，而2#小区为玉米种植小区，并且植被覆盖度随着玉米的生长而不断增加，在小型降雨条件下可发挥一定的拦蓄截留作用。2#径流小区产沙量在5～10mm/h降雨强度时主要受降雨量、历时、I30、I60指标影响，并且产沙量与I60、降雨量和历时存在较为显著的相关性[13- 14]。