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主辦:陜西水環境工程勘測設計研究院
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坡面各侵蝕分帶的侵蝕特征對降雨雨型的響應
來源:   發布時間:2017-11-30   瀏覽量:1156  
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坡面各侵蝕分帶的侵蝕特征對降雨雨型的響應
高杰
(遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣水土保持局,遼寧 寬甸 118200)
要:以不同侵蝕帶的徑流小區為研究對象,統計試驗地附近土壤侵蝕觀測站 6 年降雨、徑流泥沙觀測資料,對淺溝坡面不同侵蝕帶侵蝕產沙對降雨雨型的響應,結果表明:隨著降雨強度的提高,不同土壤侵蝕分帶的徑流量均呈增加趨勢,且短歷時、高強度暴雨在片蝕帶、細溝侵蝕帶和淺溝侵蝕帶的徑流量與土壤侵蝕量均最大;不同侵蝕分帶徑流產沙量呈顯著的線性關系;隨著降雨強度的增加,淺溝侵蝕帶徑流產沙量逐漸增大,不同降雨強度下,片蝕帶徑流產沙量均較小,表明發生坡面侵蝕的主要原因是由于溝蝕的徑流產生引起的。在不同降雨雨型下的線性函數方程中,均以A1降雨雨型下三個侵蝕分帶回歸方程的斜率最大,且土壤侵蝕量與降雨強度之間呈顯著的正相關關系。
關鍵詞:降雨雨型;土壤侵蝕;降雨強度;正相關
中圖分類號:S157.1              文獻標識碼:A

0 引言

土壤侵蝕是我國目前面臨的重要環境問題,土壤侵蝕較嚴重地區,其經濟發展收到了較大制約,我國目前水土流失情況嚴峻,尤其是黃土高原地區,嚴重影響了周圍航運及生態安全[1-2]。降雨是引起土壤侵蝕發生的主要自然因素之一,不同降雨類型對土壤侵蝕的影響不同。因此,通過試驗手段,研究不同降雨雨型對不同坡面侵蝕影響的機理,可為土壤侵蝕防治,制定合理的水土保持措施提供科學依據,具有十分重要的意義。

目前研究表明,小范圍、短歷時、高強度的降雨與大區域、長歷時、低強度的暴雨均會不同程度地造成土壤侵蝕。Peng 和 Wang[3]在西南喀斯特地區研究了不同降雨類型對土壤侵蝕的影響,他們采用系統聚類分析的方法,將該地區侵蝕性降雨雨型劃分為5類,其中,大雨量、高雨強的降雨對土壤侵蝕的影響最大;張黎明等[4]在南方典型紅壤侵蝕區以 7 年基礎降雨資料為基礎,將降雨量劃分成5類降雨雨型,并且深入研究了土壤產沙量的變化規律與對降雨雨型的響應;盧金發和劉愛霞[5]在黃河中游以36 個水文站多年基礎泥沙降雨資料為基礎,發現流域泥沙與當地年降雨量呈非線性關系;Wei 等[6]研究了甘肅西峰地區不同降雨類型對土壤侵蝕量的影響發現,發現土壤侵蝕量表現為大雨強和短歷時降雨>中雨強和中歷時降雨>小雨強和長歷時降雨。

本文通過現場試驗的研究方法,試驗于遼寧丹東寬甸滿族自治區進行,以寬甸附近土壤侵蝕觀測站2010~2015年的降雨泥沙觀測資料,研究該地區侵蝕性降雨雨型特征,并進一步分析不同土壤侵蝕帶對對不同降雨雨型的響應規律。

1 試驗設計與降雨類型劃分

試驗布設在裸露坡耕地上。根據當地坡面侵蝕垂直分帶特征以及各侵蝕帶之間的侵蝕產沙關系,在野外調查基礎上,選取典型淺溝坡面并按照實際坡形布設 3 個試驗小區。各小區位置與面積特性見表1。
表 1試驗小區參數表
小區編號 土壤侵蝕帶劃分 小區位置 小區長度(m) 小區寬度(m) 小區面積(m2 小區坡度(°)
1 片蝕 坡地上部 15 2 30 5~10
2 細溝侵蝕 坡地中部 25 2 50 10~25
3 淺溝侵蝕 坡地下部 35 2 70 25~35
聚類分析方法是根據研究對象的相似性把它們分成不同的組。本文基于當地侵蝕性降雨劃分標準,通過分析 2010~2015 年間的降雨和徑流泥沙資料,共有 58場侵蝕性降雨。根據聚類分析方法,以降雨歷時與最大30min降雨強度為標準,將58場侵蝕性降雨分為3大類。其中第1大類(A1)為短歷時、高強度降雨:平均歷時3.0h、平均最大30min降雨強度26.7mm/h,第2大類(A2)為中歷時、中強度降雨:平均歷時14.8h、平均最大30min降雨強度13.6mm/h,第3大類(A3)為長歷時、低強度降雨:平均歷時23.8h、平均最大30min降雨強度6.0mm/h,其中3種類型降雨分別出現了32、15和11次,分別占總降雨的55.2%、25.8%和19.0%。

2 結果與分析

2.1片蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應
圖1為片蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應。圖1顯示,片蝕帶多年平均徑流量為14883.67m3·km·-2·a-1,多年平均土壤侵蝕量為2000.71 t·km·-2·a-1,由A1型降雨引起的徑流量與土壤侵蝕量均最大,徑流量在13478.03~42374.12 m3·km·-2·a-1之間,土壤侵蝕量在1985.47~6124.30 t·km·-2·a-1之間,隨著降雨強度的提高,片蝕帶徑流量與土壤侵蝕量均呈顯著增加趨勢,A3型降雨引起的徑流量與土壤侵蝕量均最小,徑流量在1245.71~12378.62 m3·km·-2·a-1之間,土壤侵蝕量在0~752.37 t·km·-2·a-1之間,A2型降雨雨型的徑流量與土壤侵蝕量在A1型與A3型之間,通過對降雨雨型進行雙變量相關分析得知,三種降雨雨型的徑流量與侵蝕量均達到了極顯著水平(P<0.01),這表明降雨強度對片蝕帶土壤產量產沙的影響較大。

圖1片蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應
2.2細溝侵蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應
圖2為細溝侵蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應。圖2顯示,細溝侵蝕帶多年平均徑流量為15158.71m3·km·-2·a-1,多年平均土壤侵蝕量為4272.29 t·km·-2·a-1,由A1型降雨引起的徑流量與土壤侵蝕量均最大,徑流量在8495.32~48500.13 m3·km·-2·a-1之間,土壤侵蝕量在3278.47~17325.39 t·km·-2·a-1之間,隨著降雨強度的提高,細溝侵蝕帶徑流量與土壤侵蝕量均呈顯著增加趨勢,A3型降雨引起的徑流量與土壤侵蝕量均最小,徑流量在598.74~6523.47 m3·km·-2·a-1之間,土壤侵蝕量在0~2032.96 t·km·-2·a-1之間,A2型降雨雨型的徑流量與土壤侵蝕量在A1型與A3型之間,通過對降雨雨型進行雙變量相關分析得知,A1型降雨的徑流量與侵蝕量均達到了極顯著水平(P<0.01),A2與A3型降雨未達極顯著水平,這表明細溝侵蝕帶降雨強度對土壤產量產沙的影響較小。

圖2細溝侵蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應
2.3淺溝侵蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應
圖3為淺溝侵蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應。圖3顯示,淺溝侵蝕帶多年平均徑流量為14454.28m3·km·-2·a-1,多年平均土壤侵蝕量為5955t·km·-2·a-1,由A1型降雨引起的徑流量與土壤侵蝕量均最大,徑流量在13478.52~42374.53 m3·km·-2·a-1之間,土壤侵蝕量在5378.97~18000.03 t·km·-2·a-1之間,隨著降雨強度的提高,細溝侵蝕帶徑流量與土壤侵蝕量均呈顯著增加趨勢,A3型降雨引起的徑流量與土壤侵蝕量均最小,徑流量在1245.82~12378.11 m3·km·-2·a-1之間,土壤侵蝕量在384.12~7985.22 t·km·-2·a-1之間,A2型降雨雨型的徑流量與土壤侵蝕量在A1型與A3型之間,通過對降雨雨型進行雙變量相關分析得知,三種降雨雨型的徑流量與侵蝕量均達到了極顯著水平(P<0.01),這表明淺溝侵蝕帶降雨強度對土壤產量產沙的影響較大。

圖3淺溝侵蝕帶產沙產流特征對不同降雨雨型的響應
2.4不同侵蝕分帶徑流量與產沙量的關系
表2為不同降雨強度下不同土壤侵蝕分帶徑流產沙量之間的關系。表2顯示,不同侵蝕分帶徑流產沙的決定系數R2均在0.65以上,且均達到了極顯著水平(P<0.01),表明線性函數關系可以較好地反映不同侵蝕分帶徑流和產沙量之間的關系。土壤產沙量隨徑流量的變化較快,線性關系式的斜率均在30.0以上。由表中可知,不同降雨雨型影響徑流產沙量的機理不同。由于A1型降雨屬于大雨強、短歷時暴雨,短時間內的降雨強度多數情況下遠超過土壤入滲強度,使坡面發生超滲產流現象,而A3型降雨屬于小雨強、長歷時暴雨,降雨強度多小于土壤入滲強度,使坡面發生蓄滿產流,因此,隨著降雨強度的提高,徑流產沙之間線性關系式的斜率呈增大趨勢,說明降雨強度最高的A1型降雨,由于徑流量的提高,導致產沙侵蝕量提高速率遠高于其余2種降雨雨型。

表2不同降雨強度下不同侵蝕分帶徑流產沙對比
降雨雨型 土壤侵蝕分帶 徑流、產沙關系式 R2
A1 片蝕帶 SL=43.28R-21.47 0.73**
細溝侵蝕帶 SL=48.26R-19.34 0.70**
淺溝侵蝕帶 SL=51.22R-40.52 0.66**
A2 片蝕帶 SL=42.74R-20.44 0.68**
細溝侵蝕帶 SL=45.63R-22.19 0.70**
淺溝侵蝕帶 SL=50.11R-18.23 0.71**
A3 片蝕帶 SL=34.78R-19.32 0.67**
細溝侵蝕帶 SL=38.77R-23.68 0.68**
淺溝侵蝕帶 SL=45.54R-19.21 0.71**
注:表中SL代表降雨土壤侵蝕量,t·km-2·a-1R代表最大30min雨強,m3·km-2·a-1
2.5不同降雨強度下不同侵蝕分帶徑流產沙對比
表3為不同降雨強度下不同土壤侵蝕分帶徑流產沙排序。表3顯示,隨著降雨強度的提高,徑流、產沙量的最大地段均由細溝侵蝕帶變為淺溝侵蝕帶,而隨著降雨強度的提高,細溝侵蝕帶的徑流產沙量積累速率逐漸降低,而片蝕帶和淺溝侵蝕帶的徑流產沙量積累速率明顯高于細溝侵蝕帶。同時,較產沙量,徑流量對降雨強度的敏感度明顯更高,當降雨強度I30在30~45mm/h時,最大徑流量產生部位已由細溝侵蝕帶變為淺溝侵蝕帶,而產沙量在I30大于45mm/h時,最大產沙量產生部位才出現變化。綜上所述,淺溝侵蝕帶徑流產沙量與降雨強度關系最為密切,而在降雨強度較小時,細溝侵蝕帶的產沙徑流量最大,片蝕帶徑流產沙量均較低。這表明,發生坡面侵蝕的主要原因是由于溝蝕的徑流產生引起的。

表 3不同降雨強度下不同侵蝕分帶徑流產沙排序
降雨強度I30(mm/h) 產流量對比 產沙量對比
<15 細溝侵蝕帶>淺溝侵蝕帶>片蝕帶 細溝侵蝕帶>淺溝侵蝕帶>片蝕帶
15~30 淺溝侵蝕帶>細溝侵蝕帶>片蝕帶 細溝侵蝕帶>淺溝侵蝕帶>片蝕帶
30~45 淺溝侵蝕帶>細溝侵蝕帶>片蝕帶 淺溝侵蝕帶>細溝侵蝕帶>片蝕帶
>45 淺溝侵蝕帶>片蝕帶>細溝侵蝕帶 淺溝侵蝕帶>片蝕帶>細溝侵蝕帶
2.6土壤侵蝕量與降雨強度的關系
表4為土壤侵蝕量與降雨強度之間的關系。表2顯示,土壤侵蝕量(SL)與最大30min降雨強度(I30)呈正相關關系,不同降雨雨型SLI30的決定系數R2均在0.70以上,且均達到了極顯著水平(P<0.01),表明表中的線性方程可較好地反映SLI30之間的關系。同時,在不同降雨雨型下的線性函數方程中,均以A1降雨雨型下三個侵蝕分帶回歸方程的斜率最大,而A3下三個侵蝕分帶回歸方程的斜率最小。說明 A1下降雨的侵蝕產沙能力最強。

表 4土壤侵蝕量與降雨強度的關系
土壤侵蝕帶 降雨雨型 關系式 R2
片蝕帶 A1 SL=205.47I30+17.41 0.85**
A2 SL=193.48I30-27.32 0.82**
A3 SL=185.37I30+28.69 0.83**
細溝侵蝕帶 A1 SL=505.37I30-108.27 0.72**
A2 SL=481.14I30+44.23 0.78**
A3 SL=317.36I30+53.67 0.86**
淺溝侵蝕帶 A1 SL=1427.22I30+447.13 0.79**
A2 SL=1285.37I30+367.69 0.79**
A3 SL=1182.19I30+308.28 0.85**
注:表中SL代表降雨土壤侵蝕量,kg;I30代表最大30min雨強,mm/h。

3 結論

本文以不同侵蝕帶的徑流小區為研究對象,在統計試驗地附近土壤侵蝕觀測站 6 年降雨、徑流泥沙觀測資料基礎上,并結合野外調查與定位觀測,研究了淺溝坡面不同侵蝕帶侵蝕產沙對降雨雨型的響應,并得出了土壤侵蝕量與降雨之間的關系。主要研究結論包括:
(1)短歷時、高強度暴雨將產生最大的徑流量與土壤侵蝕量,A1型暴雨的徑流量與土壤侵蝕量最大,隨著降雨強度的提高,片蝕帶、細溝侵蝕帶與淺溝侵蝕帶的徑流量與土壤侵蝕量均呈顯著增加趨勢;
(2)不同侵蝕分帶徑流產沙量呈顯著的線性關系;隨著降雨強度的增加,淺溝侵蝕帶徑流產沙量逐漸增大,不同降雨強度下,片蝕帶徑流產沙量均較小,表明發生坡面侵蝕的主要原因是由于溝蝕的徑流產生引起的。
(3)在不同降雨雨型下的線性函數方程中,均以A1降雨雨型下三個侵蝕分帶回歸方程的斜率最大,土壤侵蝕量(SL)與最大30min降雨強度(I30)呈正相關關系,且均通過了極顯著水平(P<0.01),表明得出的方程可較好地反映土壤侵蝕量與降雨強度的關系。
參 考 文 獻
[1]劉震. 中國的水土保持現狀及今后發展方向[J]. 水土保持科技情報,2004, (1):1−4.
[2]鄭粉莉,高學田. 坡面侵蝕過程研究進展[J]. 地理科學,2003,23(2) :230−235.
[3]Peng T, Wang S J. Effects of land use, land cover and rainfall regimes on the surface runoff and soil loss on karts slopes in southwest China. Catena, 2012, 90(3): 53−62.
[4] 張黎明, 于東升, 史學正, 林金石. 不同降雨類型下的南方典型土壤侵蝕量差異研究[J]. 水土保持通報, 2011, 31(4): 1−6.
[5]盧金發, 劉愛霞. 黃河中游降雨特性對泥沙粒徑的影響[J]. 地理科學, 2002, 22(5): 552−556.
[6]Wei W, Chen LD, Fu BJ, Huang ZG, Wu DP, Gui LD. The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi−arid loess hilly area, China [J]. Journal of Hydrology, 2007,335(3/4): 247−258.


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