顧禮彬,張興奇?,楊光檄,顧再柯

(1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,210023,南京;2.貴州省水土保持監(jiān)測站,550002,貴陽)

黔西高原坡面次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

顧禮彬1,張興奇1?,楊光檄2,顧再柯2

(1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,210023,南京;2.貴州省水土保持監(jiān)測站,550002,貴陽)

利用野外徑流小區(qū)徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)與降雨特征資料,定量研究黔西高原地區(qū)降雨對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。結(jié)果表明:1)黔西高原地區(qū)年均侵蝕性降雨為22次,中、低降雨強度型降雨次數(shù)占降雨次數(shù)的93.0%;2)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與降雨的年內(nèi)分布密切相關(guān),5—8月坡面產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的99.2%,產(chǎn)流量占總產(chǎn)流量的95.8%;3)坡面產(chǎn)沙量與降雨量存在顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,其指數(shù)方程為M=0.346e0.109P;4)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與中、高降雨強度型大雨和暴雨密切相關(guān),4次暴雨事件產(chǎn)生的徑流量占總徑流量的57.3%,產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的91.5%。

水土流失;次降雨;降雨侵蝕力;徑流;泥沙

貴州喀斯特地區(qū)因其復(fù)雜的地貌形態(tài)、豐沛的降雨、突出的人地矛盾等問題,水土流失十分嚴重[1]。水土流失不僅造成坡面表土大量流失,土層變薄,土壤質(zhì)量退化,還導(dǎo)致石漠化問題的出現(xiàn)。據(jù)遙感資料統(tǒng)計,貴州省石漠化土地面積約為5萬km2,并且以2 500 km2/a的速度增長[2],導(dǎo)致耕地數(shù)量不斷減少。同時,侵蝕泥沙進入山塘、水庫以及河道等水體,帶來泥沙淤積、水資源利用困難、洪澇災(zāi)害加劇等問題。另外,土壤養(yǎng)分以及化肥、農(nóng)藥的殘留物隨水土流失進入水體導(dǎo)致面源污染問題加劇[3]。水土流失不僅使貴州喀斯特地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)退化,還導(dǎo)致其具有的長江和珠江流域上游的生態(tài)屏障保護功能喪失。

水土流失的影響因素很多,且各影響因素之間相互影響共同作用于土壤侵蝕過程,使得對單個影響因子的定量評價非常困難。在水力侵蝕區(qū),降雨是引起水土流失的驅(qū)動因子。與水土流失密切相關(guān)的降雨特征參數(shù)有降雨量、降雨強度、降雨歷時以及降雨雨型等。以往關(guān)于貴州喀斯特地區(qū)水土流失的成因研究中,一般將自然因素與人為因素綜合起來進行分析,針對單一的水土流失影響因素的研究較少。李瑞等[4]基于不同種植方式的野外徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù),對雨量、降雨強度和泥沙關(guān)系進行了相關(guān)分析,蔣榮[5]基于野外徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù),研究了坡度、坡長因子對坡面土壤侵蝕的影響,張旭賢等[6]研究了喀斯特地區(qū)4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的坡耕地土壤侵蝕特征,劉正唐等[7]利用人工模擬降雨實驗,研究了不同基巖裸露率、不同降雨強度、不同地下孔隙度以及降雨歷時對土壤侵蝕的影響。前人針對降雨對水土流失的影響研究都綜合了不同植被因子或地形因子等水土流失影響因素,定量評價單個降雨特征參數(shù)對水土流失影響的研究較少。筆者利用次降雨條件下野外徑流小區(qū)徑流泥沙觀測資料和降雨資料,基于數(shù)理統(tǒng)計與回歸分析方法,在其他影響因子相同的條件下,定量研究降雨因子對于坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響。通過分析次降雨與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)關(guān)系,為黔西高原坡面水土流失預(yù)報模型的建立提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)市鴨池鎮(zhèn)石橋小流域,屬長江水系烏江流域上段六沖河的三級支流區(qū),流域面積8.19 km2。流域內(nèi)地勢起伏大,海拔1 400～1 740 m,相對高差340 m。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均氣溫14℃,多年平均降雨量863 mm,與貴州多年平均降雨量1 100～1 300 mm相比,屬少雨區(qū),降雨主要集中在5—9月,其降雨量占年降雨量的80%以上。石橋小流域碳酸鹽類石灰?guī)r廣泛分布,平均裸巖率達30%,是貴州省境內(nèi)具有代表性的喀斯特石漠化地區(qū)。小流域內(nèi)分布有大量坡耕地,坡面土壤厚度0.2～0.5 m,主要農(nóng)作物為玉米(Zea mays)、土豆(Solanum tuberosum)、烤煙(Nicotiana tabacum)、辣椒(Capsicum annuum)等。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

將降雨后徑流小區(qū)有產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨定義為侵蝕性降雨。野外徑流小區(qū)布設(shè)在石橋小流域,根據(jù)研究目的并結(jié)合喀斯特地區(qū)自然地理環(huán)境特征,布設(shè)了2個5°裸土標(biāo)準小區(qū),小區(qū)坡長20 m、寬5 m,土層厚度30 cm。小區(qū)底設(shè)置水泥制集流槽,并設(shè)有集流池和一級分流池,集流池采用九孔分流與一級分流池連接。2012和2013年石橋小流域降雨量分別為828.5和782.5 mm。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)來自小區(qū)2012和2013年43次侵蝕性降雨(2012年23次,2013年21次,2年加起來共44次,但是其中的1次因集流池漏水導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)失真而被剔除)產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測記錄以及室內(nèi)分析結(jié)果。

2.3 試驗方法

1)每次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙后第1時間實地觀測取樣,首先觀測分流池、集流池中的水深,以此計算坡面徑流深。

式中:h為坡面徑流深,mm;V為坡面總產(chǎn)流體積, m3;S為野外徑流小區(qū)面積,m2;S1為集流池池底面積,m2;h1為集流池水深,m;r為一級分流系數(shù),S2為一級分流池池底面積,m2;h2為一級分流池水深,m。

2)收集集流槽槽土并稱其質(zhì)量,取3個土樣采用烘干法測定槽土含水率,以此計算槽土質(zhì)量。

3)將集流池和分流池內(nèi)徑流泥沙混合液攪拌均勻,采集體積為1 000 mL的水沙樣品3個,靜置、烘干、稱量,求平均值測得含沙率,以此計算集流池和分流池中的產(chǎn)沙量,計算坡面產(chǎn)沙模數(shù)。

式中:W為坡面產(chǎn)沙模數(shù),t/km2;Wv為坡面總產(chǎn)沙量,t;C1為集流池含沙率,g/L;C2為一級分流池含沙率,g/L;m為集流槽槽土質(zhì)量,g;c為集流槽槽土含水率,%。

4)降雨過程由自記雨量計記錄,利用降雨過程資料計算次降雨侵蝕力[8]。

式中:E為降雨總動能,MJ/hm2;ek為k時段單位降雨動能,MJ/(hm2·mm);Pk為k時段降雨量,mm;ik為k時段降雨強度,mm/h;R為降雨侵蝕力,MJ· mm/(hm2·h);I30為最大30 min降雨強度,mm/h。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

本研究旨在探討在氣候、土壤、地形、植被覆蓋以及管理措施相同的條件下降雨對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,因此,只利用標(biāo)準徑流小區(qū)的觀測資料。采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件作回歸分析,采用Excel2007軟件制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與次降雨特征

對2012—2013年43次侵蝕性降雨進行統(tǒng)計分析,按照氣象學(xué)對于降雨等級的劃分方法,即小雨(P＜10 mm)、中雨(10≤P＜25 mm)、大雨(25≤P＜50 mm)、暴雨(50≤P＜100 mm)、大暴雨(P≥100 mm)進行分級,結(jié)果見表1?？芍?43次侵蝕性降雨中,小雨和中雨型降雨共31次,占總降雨次數(shù)的72.1%,累計降雨量占總降雨量的38.6%,而大雨和暴雨的降雨次數(shù)僅12次,累計降雨量占總降雨量的61.4%;所有侵蝕性降雨中,除平均降雨強度外,平均降雨侵蝕力、平均徑流深以及平均產(chǎn)沙模數(shù)都隨降雨量的增加而逐漸增加,尤其是暴雨事件,其平均降雨強度、平均降雨侵蝕力、平均徑流深以及平均產(chǎn)沙模數(shù)增加顯著。

表1 次降雨特征及產(chǎn)流產(chǎn)沙特征Tab.1 Characteristics of rainfall events and slope runoff and sediment production

坡面產(chǎn)流量主要受降雨特征和下墊面條件的影響,采集的侵蝕性降雨資料中,最大次降雨量為87.0 mm,其次為63.1 mm,2次降雨的降雨量占總降雨量的17.1%,坡面產(chǎn)流量卻占總產(chǎn)流量的49.2%。坡面產(chǎn)沙模數(shù)大于100 t/km2的降雨共有4次,均為暴雨,坡面產(chǎn)沙量之和占43次降雨總產(chǎn)沙量的91.5%,徑流量占總徑流量的57.3%。表明黔西高原坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙主要來源于暴雨。

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨強度密切相關(guān),尤其與最大30 min降雨強度[5,9]。以I30作為降雨強度分級的指標(biāo),把降雨分為3種不同降雨強度的雨型:低降雨強度型降雨(I30≤10 mm/h)、中降雨強度型降雨(10 mm/h＜I30＜30 mm/h)、高降雨強度型降雨(I30≥30 mm/h)。43次侵蝕性降雨中:中、低降雨強度型降雨次數(shù)為40次,占總降雨次數(shù)的93.0%,其中低降雨強度型降雨23次,占總降雨次數(shù)的53.5%,中降雨強度型降雨17次,占總降雨次數(shù)的39.5%,二者累計徑流深和產(chǎn)沙量之和占43次降雨總徑流深和總產(chǎn)沙量的70.1%和69.6%;高降雨強度型降雨僅3次,占侵蝕性降雨次數(shù)的7.0%,徑流深和泥沙量分別占總徑流深和總產(chǎn)沙量的29.1%和30.4%。最為典型的高降雨強度型降雨事件發(fā)生于2012年7月11日,其降雨量為63.1 mm,歷時99 min,I30為58.0 mm/h,降雨侵蝕力1 015.8 kJ·mm/(h·hm2),徑流深為33.8 mm,坡面產(chǎn)沙模數(shù)1 413 t/km2,其降雨侵蝕力占總降雨侵蝕力的28.4%,產(chǎn)流量占總產(chǎn)流量的28.2%,產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的30.0%。由此可見,高降雨強度型侵蝕性降雨會引起嚴重的坡面水土流失,對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻很大。

3.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙的月變化特征

貴州地區(qū)降雨主要集中在4—9月,汛期在5—8月。將43次侵蝕性降雨按月進行統(tǒng)計,得出降雨及產(chǎn)流產(chǎn)沙的月變化特征見表2。43次降雨中, 87.2%的降雨量集中在5—8月,降雨侵蝕力占總降雨侵蝕力的94.1%。降雨侵蝕力是降雨因子的重要特征,坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨侵蝕力密切相關(guān),5—8月的產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的99.2%,產(chǎn)流量占總產(chǎn)流量的95.8%。

表2 次降雨特征及產(chǎn)流產(chǎn)沙月變化特征Tab.2 Characteristics of rainfall events and monthly slope runoff and sediment production

3、4月份降雨次數(shù)少且以綿綿細雨為主,降雨強度較小,加上冬季降水少,土壤含水量低,導(dǎo)致坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量較小。自5月進入汛期后,降雨逐漸增多,在7月份達到最大值293 mm。5月份是侵蝕性降雨次數(shù)最多的月份,但由于降雨強度較小,坡面產(chǎn)流量較小。坡面侵蝕量受降雨侵蝕力和徑流的泥沙搬運能力決定,5月份降雨侵蝕力與6月份接近,但由于坡面產(chǎn)流量小,僅相當(dāng)于6月份產(chǎn)流量的41.7%,受徑流搬運能力限制導(dǎo)致坡面產(chǎn)沙量較低,僅相當(dāng)于6月份坡面產(chǎn)沙量的21.9%。6、7月降雨次數(shù)、降雨量和降雨侵蝕力分別占了5—8月的50%、60.4%和70.9%。6、7月份的侵蝕性降雨具有降雨強度大、歷時短的特點,次降雨侵蝕力大且坡面產(chǎn)流量較大,產(chǎn)流量占5—8月總產(chǎn)流量的83.7%。徑流的泥沙搬運能力的提高帶來產(chǎn)沙量的大幅度增加,產(chǎn)沙量占了5—8月總產(chǎn)沙量的90.6%。8、9月降雨次數(shù)減少,降雨強度減弱,產(chǎn)流量和坡面產(chǎn)沙量也隨之下降。

在影響水土流失的其他因子相同的情況下,坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與研究區(qū)具有的季風(fēng)氣候特點相吻合,雨季降雨集中,土壤侵蝕量大,所以,汛期的水土保持工作尤為重要。

3.3 產(chǎn)流產(chǎn)沙與次降雨特征的相關(guān)性分析

對次降雨量、降雨侵蝕力、坡面產(chǎn)沙模數(shù)及徑流深進行回歸分析,結(jié)果見圖1。由圖1(a)和(b)可知,坡面徑流深與降雨量和降雨侵蝕力存在線性相關(guān),決定系數(shù)R2分別為0.473、0.563(顯著性水平小于0.01)。由圖1(c)和(d)可知,坡面產(chǎn)沙量與徑流深和降雨侵蝕力均明顯地線性相關(guān),其中產(chǎn)沙量與徑流深線性相關(guān)性最強,決定系數(shù) R2分別為0.579、0.508(顯著性水平小于0.01)。降雨侵蝕力與坡面徑流量和產(chǎn)沙量均線性相關(guān),可作為重要的次降雨特征指標(biāo)描述坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。降雨量與產(chǎn)沙模數(shù)之間存在顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,如圖1(e)所示,其決定系數(shù)R2為0.613。其擬合方程為

式中:M為產(chǎn)沙模數(shù),t/km2;P為降雨量,mm。

對于缺乏降雨過程資料的地區(qū),可利用該方程進行坡面水土流失預(yù)報。

對坡面徑流深、產(chǎn)沙模數(shù)與次降雨各指標(biāo)之間的相關(guān)性進行分析。次降雨特征參數(shù)與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)系數(shù)矩陣見表3。可知:坡面徑流深與降雨侵蝕力相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)為0.75,其次與最大60 min降雨強度I60、降雨量P相關(guān)性較好;產(chǎn)沙模數(shù)與徑流深顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.76,產(chǎn)沙模數(shù)與降雨量與降雨侵蝕力相關(guān)性較好。

降雨侵蝕力指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力,是一項客觀評價由降雨引起土壤分離和泥沙搬運的動力指標(biāo)[11]。降雨侵蝕力經(jīng)典算法(R=EI30)反映了雨滴濺蝕以及地表徑流對土壤侵蝕的綜合效應(yīng),其物理意義明確,在世界各國得到廣泛應(yīng)用。筆者通過43次降雨過程資料,以降雨侵蝕力的經(jīng)典算法求得次降雨侵蝕力,以0～25、25～50、50～100、100～500和大于500 kJ·mm/(h·hm2)5個等級進行劃分,分析降雨侵蝕力與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系,結(jié)果見表4。

圖1 坡面產(chǎn)沙與次降雨特征的關(guān)系Fig.1 Relationship between slope sediment and runoff production under rainfall events

表3 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與次降雨特征參數(shù)相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of slope runoff and sediment production and characteristics of rainfall events

表4 不同降雨侵蝕力等級下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征Tab.4 Characteristics of slope runoff and sediment production under different levels of rainfall erosivity

由表4可知,降雨侵蝕力與坡面產(chǎn)沙量密切相關(guān),隨著降雨侵蝕力的增加坡面產(chǎn)沙量逐漸增加,尤其是中等降雨侵蝕力50(kJ·mm/(h·hm2))以上的降雨,引起的坡面產(chǎn)沙量顯著增加。43次侵蝕性降雨主要由低降雨侵蝕力型降雨構(gòu)成,50(kJ·mm/ (h·hm2))以下的次降雨次數(shù)占總降雨次數(shù)的74.4%,侵蝕力僅占總侵蝕力的13.2%,引起的坡面產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的2.2%。中、高降雨侵蝕性力型降雨引起的坡面產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的97.8%,其中高降雨侵蝕力500(kJ·mm/(h·hm2))以上的降雨僅有2次,占總降雨次數(shù)的4.7%,產(chǎn)沙量卻占總產(chǎn)沙量的30.4%?？梢姼呓涤昵治g力型降雨是坡面土壤侵蝕研究的主要對象,探明高降雨侵蝕力型降雨對坡面土壤侵蝕過程的作用機制對坡面土壤侵蝕研究具有重要的理論意義。

4 結(jié)論

1)黔西高原地區(qū)侵蝕性降雨年均發(fā)生22次,中、低降雨強度型降雨次數(shù)占總降雨次數(shù)的93.02%,其累計徑流深和產(chǎn)沙量占43次降雨總徑流深和總產(chǎn)沙量的70.1%和69.6%;高降雨強度型降雨次數(shù)少,僅占7.0%,但是,其徑流深和產(chǎn)沙量分別占29.1%和30.4%。

2)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與降雨的年內(nèi)分布密切相關(guān),5—8月的產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的99.2%,徑流深占總徑流深的95.6%。其中6、7月降雨次數(shù)、降雨量和降雨侵蝕力分別占了 5—8月的 50%、60.4%和70.9%,其產(chǎn)生的徑流深和產(chǎn)沙量分別占5—8月的83.7%和90.6%。

3)黔西高原坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與次降雨特征關(guān)系密切,其中,坡面產(chǎn)沙模數(shù)與降雨量存在顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,產(chǎn)沙模數(shù)與降雨量關(guān)系指數(shù)方程為M=0.346e0.109P。

4)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與中、高降雨強度型大雨和暴雨密切相關(guān),產(chǎn)沙模數(shù)大于100 t/km2的4次暴雨的徑流量和產(chǎn)沙量分別占總徑流量、總產(chǎn)沙量的57.3%和91.5%。次降雨條件下坡面徑流形成過程與土壤侵蝕過程及其變化規(guī)律是需要今后深入研究的問題。

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(責(zé)任編輯:宋如華)

Characteristics of slope runoff and sediment production under rainfall events in the plateau area of western Guizhou

Gu Libin1,Zhang Xingqi1,Yang Guangxi2,Gu Zaike2
(1.School of Geographic and Oceanographic Sciences at Nanjing University,210023,Nanjing,China; 2.Guizhou Monitoring Station of Soil and Water Conservation,550002,Guiyang,China)

Based on field observations of runoff and sediment generated on runoff plots and rainfall data, we studied quantitatively the impact of rainfall on slope runoff and sediment production in the plateau area of western Guizhou.The results showed that:1)there are 22 events of erosive rainfall annually on average in the study area,in which rainfall events of moderate and low intensities account for 93.02%of the total number of events.2)Characteristics of slope runoff and sediment production have a close relationship with the rainfall distribution within a year.The amount of sediment generated from May to August accounted for 99.2%and that of runoff during the same period of time accounted for 95.8%of the total.3)The amount of slope sediment showed a significantly exponential relationship with the amount of rainfall with an equation of M=0.346e0.109P.4)Slope runoff and sediment production were significantly correlated with rainfalls of moderate and high intensities,which can be demonstrated by that 57.3%of the total runoff and 91.5%of the total sediment were produced in four heavy rainfall events.

soil and water loss;rainfall events;rainfall erosivity;runoff;sediment

S157

A

1672-3007(2015)01-0023-06

2014- 08- 20

2014- 12- 18

項目名稱:貴州省水利廳重點科研項目“貴州喀斯特地區(qū)土壤侵蝕機理研究”(KJZD200801)、“貴州喀斯特地區(qū)坡耕地坡度、坡長與水土流失關(guān)系研究”(KT201007)、“西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕機理及水土流失預(yù)測”(2006200);國家自然科學(xué)基金資助項目“喀斯特地區(qū)人類活動主導(dǎo)下的生態(tài)環(huán)境變化與流域水文循環(huán)響應(yīng)耦合機理研究”(41371045);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

顧禮彬(1990—),男,碩士研究生。主要研究方向:生態(tài)環(huán)境與水土保持。E-mail:glbnju@163.com

?通信作者簡介:張興奇(1964—),男,博士,副教授。主要研究方向:水資源與水土保持。E-mail:zxqrh@nju.edu.cn