降雨特征对巧鸟径流小区水土流失的影响分析

李明熹

(朝阳华瑞工程技术咨询有限公司，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

小流域是综合治理水土流失的基本单元，短时间内流域的土壤特征与地形地貌相对稳定，植被覆盖在无人为干扰下不会出现明显的改变，所以短期降雨是造成土壤侵蚀的重要因素和主要动力。降雨过程中，雨量随历时的分配称为降水的时程雨型，雨型极大地影响着径流、入渗和侵蚀过程，而影响区域产流产沙的重要因素有降雨历时、降雨强度、降雨量等降雨特征[1-3]。近年来，针对区域产流产沙与降雨特征的相关性国内外学者开展了深入探究，如何杨洋等[4]以石匣小流域为例探究其产流产沙特征，结果发现流域产流产沙与降雨强度、降雨量存在相关关系；晏清洪等[5]研究了黄土区小流域在不同降雨类型条件下的水土流失特征，结果显示流域产流输沙主要受最大30min雨强、降雨量等降雨特征影响；杨云斌等[6]研究发现小流域产流受降雨历时、降雨量的影响较大，小流域产沙受雨强分布的影响较大；周璟等[7]以女儿寨小流域为例，通过研究77场典型降雨特征发现产沙模数、径流深与降雨量呈显著线性相关性；王万忠等[8]以黄土地区为例，研究了土壤流失与降雨特性之间的关系，发现土壤流失量与10-30min最大降雨量的瞬时雨率等降雨参数的相关性最好。借鉴现有研究成果可知，不同研究区的产流产沙与降雨特征相关性存在一定差异，有必要对不同区域开展深入研究。目前，关于辽西低山丘陵区小流域产流产沙与降雨特征相关性的研究还鲜有报道。鉴于此，文章以锦州巧鸟径流小区为例，通过统计分析2017-2020年151场降雨事件，揭示产流产沙特性与不同雨型之间的相关性，以期为小流域水土流失综合治理提供一定参考。

1 研究区概况

锦州巧鸟径流小区位于E121°04′22″，N41°00′22″，属于大凌河水系，辽宁省水土流失重点治理区。研究区为北温带大陆性季风气候，四季分明，春季少雨风大，秋季温和少雨，夏季高温多雨，冬季干冷，季风气候显著，多年平均降水量555mm，并且多集中于汛期，汛期降水量约占全年的60%。其中，6-7月降雨具有范围广、历时长、总量大等特点，8-9月降雨范围相对较小、历时短、雨强大。巧鸟径流小区平均海拔60.5m，土壤以水稻土和黄棕壤为主，土地利用类型主要有农用地、林地、园地、耕地。裸露表土在暴雨作用下易形成水力侵蚀，较陡坡面还会伴随有重力侵蚀。地形起伏较大的丘陵地区更加剧了径流冲刷侵蚀，降雨条件下极易形成面蚀与沟蚀，部分开发的茶园、果园和农田地表多为栽培植被，降雨情况下易形成深沟侵蚀和细沟状面蚀[9-11]。

2 研究方法

2.1 数据来源

由锦州市水土保持基础信息监测平台提供巧鸟径流小区2017-2020年的水文泥沙数据，监测项目有含沙量、流速、水位、降水量等，监测断面输沙量及径流量等数据利用流量计算公式确定，巧鸟径流小区2017-2020年的年输沙量和径流量见表1。

表1 巧鸟径流小区年输沙量和径流量

2.2 计算方法

采用现场安装的雨量遥测终端，并利用无线传输技术将降雨数据发送至平台，从平台上下载当日雨量和当月降雨过程数据，降雨侵蚀力、I30、雨强和降雨量等指标利用软件计算；采用流速仪法监测流量，把3条垂线设立于断面处用以测量流量、流速和水位；根据《泥沙测验规范》相关规定，采用烘干法处理泥沙样品，经沉淀、浓缩后将采集的样品倒入烘杯烘至恒重称量，从而确定平均含沙量。

利用SPSS20.0软件统计分析水文泥沙数据，通过多元线性回归分析、最小显著差异法(LSD)方差分析、K-均值聚类分析、皮尔逊相关性分析等探讨径流小区产流产沙及降雨特性。根据典型断面监测成果分析使用12个变量，即前1d降雨量(P1d，mm)、前3d降雨量(P3d，mm)、前7d降雨量(P7d，mm)、产沙模数(Ms，t/hm2)、含沙量(C，g/L)、径流系数(Rc)径流深(H，mm)、洪峰流量(Qmax，m3/s)、降雨侵蚀力[R，MJ·mm/(hm2·h)]、最大30min雨强(I30max，mm/h)、雨量(P，mm)、降雨历时(D，min)。

3 结果与分析

3.1 不同降雨类型分析

径流小区产水产沙受I30和降雨量的影响都较大，为了分析水沙受不同降雨类型的影响程度，将151场降雨事件利用K-均值聚类法和Perruchet提出的标准划分成5类，见表2。

表2 不同降雨类型划分

由表2可知，锦州巧鸟径流小区共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五种降雨类型，按小到大排列降雨中心值为：Ⅰ、Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ，按从小到大排列I30为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅳ。在所有雨型中Ⅰ雨型的降雨中心值(11.96mm)和I30中心值(5.81mm/h)均为最小，将其定义为小雨强、小雨量；依据Ⅱ雨型的降雨中心值(145.70mm)和I30中心值(25.95mm/h)，将其定义为中雨强、大雨量；依据Ⅲ雨型的降雨中心值(71.28mm)和I30中心值(21.36mm/h)，将其定义为小雨强、中雨量；依据Ⅳ雨型的降雨中心值(80.65mm)和I30中心值(60.78mm/h)，将其定义为大雨强、中雨量；依据Ⅴ雨型的降雨中心值(32.56mm)和I30中心值(28.14mm/h)，将其定义为中雨强、小雨量。按从小到大排列5种雨型发生频率为Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅰ，其中发生频率最高的为小雨型、小雨量的Ⅰ雨型，降雨场次95场，所占比例为62.91%，其次为中雨强、小雨量的Ⅴ雨型，降雨场次38场，所占比例为25.17%，而大雨强、中雨量的Ⅳ雨型和中雨强、大雨量的Ⅱ雨型发生频率较低，降雨场次依次为2场和5场，所占比例为1.32%、3.31%。

3.2 水沙变化特征分析

将引起土壤侵蚀的降雨定义为侵蚀性降雨，水沙变化特征分析时仅考虑侵蚀性降雨事件。经统计，锦州巧鸟径流小区2017-2010年侵蚀性降雨事件共68场，描述性统计的9个变量特征，见表3。

表3 描述性统计降雨事件特征

续表3 描述性统计降雨事件特征

由表3可知：①锦州巧鸟径流小区最大和最小雨量为246.0mm、4.5mm，平均降雨量为51.2mm，有20场降雨事件超过平均雨量，所占比例为29.41%。②I30最大值和最小值为64.27mm/h、3.00mm/h，对应的降雨量为31.0mm、16.0mm，相应的降雨历时为38min和861min；③径流深处于0.41-370.60mm的变化范围，平均径流深为24.63mm，有29场降雨事件的径流深超过5mm，占总侵蚀性降雨事件42.65%；④径流系数处于0.01-0.92的变化范围，径流系数平均值为0.30，有51场降雨事件的径流系数>0.10，占总侵蚀性降雨事件的75.00%；⑤含沙量最大和最小值为6.18g/L、0.01g/L，含沙量平均值0.75g/L，有21场降雨事件的含沙量超过平均值，占总侵蚀降雨事件的30.88%；⑥总体上分析，有68场降雨事件的产沙模数平均值为0.32t/hm2，有12场降雨事件产沙模数超过平均值，占总侵蚀性降雨场次的17.65%，产沙模数最大值为5.04t/hm2。

采用皮尔逊相关性分析151场降雨事件的9个变量，如表4。由表4可知，在p<0.01水平上含沙量、I30、产沙模数、径流深、洪峰流量、降雨侵蚀力与降雨量显著相关，在p<0.05水平上径流系数与降雨量显著相关，这表明影响巧鸟径流小区产流产沙重要因素有降雨量。在p<0.01水平上含沙量、洪峰流量、降雨侵蚀力与I30显著相关，在p<0.05水平上产沙模数、径流系数、径流深与I30显著相关，这表明影响巧鸟径流小区产流产沙的重要因素有I30。在p<0.01水平上含沙量、径流系数、产沙模数、径流深、洪峰流量与降雨侵蚀力显著相关，产沙模数、径流深、洪峰流量与降雨侵蚀力的相关系数均>0.5，这表明影响径流小区产流产沙的重要因素有降雨侵蚀力。在p<0.01水平上洪峰流量与P3d显著相关，在p<0.05水平上径流深、洪峰流量与P7d显著相关，在p<0.05水平上含沙量与P3d显著相关，这表明巧鸟径流小区降雨产流产沙能力受前期降雨量的影响显著。

表4 皮尔逊相关系数矩阵

由于降雨强度和降雨量具有显著差异，所以其对产流产沙的影响会产生明显差异。为了分析径流小区产流产沙特性受I30、降雨量的影响程度，绘制出径流系数、含沙量与I30、降雨量的关系图，见图1。径流系数达到最大的0.92时所对应的土壤体积含水量为50.6%，前7d降雨量为88.1mm、I30为45.5mm/h，这表明土壤含水量因前期的充分降雨已明显增大，若再遇暴雨极易产生径流；含沙量达到最大的6.18g/L时所对应的土壤属于湿润状态，前7d降雨量为65.6mm、I30为36.20mm/h，湿润的土壤为土壤侵蚀创造了条件。在I30<20mm/h、降雨量<75mm的条件下，含沙量不超过1g/L，径流系数不超过0.2；在20≤I30<40mm/h、75≤降雨量<125mm的条件下，含沙量处于1-2g/L范围，径流系数处于0.18-0.36范围，在40≤I30<65mm/h、125≤降雨量<285mm的条件下，含沙量处于2-4.5g/L范围，径流系数处于0.35-0.95范围。

3.3 不同降雨类型对水沙的影响

在5种不同雨型下巧鸟径流小区的累计径流量、累计含沙量、累计降雨量占总量的比例见图2。

图2 不同降雨类型下累计径流量、累计含沙量、累计降雨量所占比例

从图2可以看出，Ⅴ雨型的累计径流量较小(8.46%)而累计含沙量最高(29.40%)；Ⅳ雨型的累计含沙量、累计降雨量较低而累计径流量最高(占46.18%)；Ⅱ雨型的累计径流量、累计含沙量和累计雨量占比都较高，依次为32.88%、22.70%、32.63%；Ⅰ雨型的累计径流量、累计含沙量、累计降雨量所占比例均为最小。

为了揭示不同降雨类型下巧鸟径流小区的产流产沙变化特征，对不同降雨类型间的洪峰流量、径流系数、含沙量、产沙模数在统计上的差异性利用最小显著差异法(LSD)分析，见图3。

从图3可以看出：①在统计上Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ雨型与Ⅱ、Ⅴ雨型的产沙模数具有显著差异性，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ雨型雨型的产沙模数差异性不显著。Ⅱ、Ⅳ雨型的产沙模数为1.85t/hm2和0.92t/hm2，与Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型相比相对较大；②按从小到大排列含沙量为Ⅰ、Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ，在统计上Ⅱ雨型的含沙量与Ⅰ雨型具有显著差异性，而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ雨型与Ⅰ雨型的含沙量均无显著差异性。含沙量反映了径流小区输沙量与产流量之间的关系，含沙量最大、最小的为Ⅱ雨型的1.75g/L和Ⅰ雨型0.36g/L，表明巧鸟径流小区水沙关系受Ⅱ雨型的影响显著，Ⅱ雨型是引起巧鸟径流产沙的主要雨型；③在统计上Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型与Ⅱ、Ⅳ雨型的径流系数具有显著差异性，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型雨型的径流系数差异性不显著。径流系数反映了径流小区降雨产流能力，径流系数最大的为Ⅱ雨型的0.58，其次为Ⅳ雨型的0.51，其它雨型均未超过0.5，这表明产流能力最强的为Ⅱ雨型，其它雨型的产流能力较弱；④在统计上Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型与Ⅱ、Ⅳ雨型的洪峰流量具有显著差异性，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型雨型的洪峰流量差异性不显著。洪峰流量最大的为Ⅱ雨型的5.88m3/s，其次为Ⅳ雨型的3.42m3/s。

(a)产沙模数 (b)含沙量

(c)径流系数 (d)洪峰流量

多元逐步回归拟合洪峰流量和产沙模数这2个主要指标，拟合与水土流失相关性较高的指标，见表5。

表5 拟合回归方程

由表5可知，主要指标拟合优度R2均超过0.75，可见模型的拟合效果较高、拟合程度较高。拟合回归方程的显著性检验利用数据方差F描述，结果显示因变量受各解释变量的影响显著，F对应的Sig显著性检验都<0.05，这表明回归方程具有较强的适用性。径流深、含沙量、降雨量指标与产沙模数具有较大的相关性，回归系数经标准处理依次为0.381、0.532、0.196，按从小到大排列影响程度为降雨量、径流深、含沙量；I30、含沙量、径流深与洪峰流量具有较大的相关性，回归系数经标准化处理依次为0.188、0.235、0.721，按从小到大排列影响程度为I30、含沙量、径流深。

4 结 语

1)在p<0.05水平上降雨侵蚀力、I30、降雨量与其它指标显著相关，这也是影响径流小区产流产沙的主要因素。降雨事件的水沙特性以含沙量<1g/L、径流系数<0.2、I30<20mm/h、降雨量<75mm为主。

2)降雨类型可划分成Ⅴ(中雨强、小雨量)、Ⅳ(大雨强、中雨量)、Ⅲ(小雨强、中雨量)、Ⅱ(中雨强、大雨量)、Ⅰ(小雨强、小雨量)五种，发生频率最高和最低的为Ⅰ雨型、Ⅳ雨型，所占比例为62.91%、1.32%。

3)Ⅴ雨型的累计径流量较小(8.46%)而累计含沙量最高(29.40%)；Ⅳ雨型的累计含沙量、累计降雨量较低而累计径流量最高(占46.18%)；Ⅱ雨型的累计径流量、累计含沙量和累计雨量占比都较高，依次为32.88%、22.70%、32.63%；Ⅰ雨型的累计径流量、累计含沙量、累计降雨量所占比例均为最小。Ⅱ、Ⅳ雨型的产沙模数、径流系数、含沙量、洪峰流量均高于其它雨型，其次为Ⅲ雨型，Ⅰ、Ⅴ雨型最小。输沙能力和产流能力最大的为Ⅱ雨型，Ⅳ雨型其次，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ雨型的产水产沙特性未呈现出显著差异性。

4)多元回归方程拟合的洪峰流量和产沙模数效果较好，回归系数R2通过显著性检验且均超过0.75，针对水土流失相关指标可以利用回归方程定量计算。降雨量、径流深、含沙量指标对产沙模数的影响较大，I30、含沙量、径流深指标对洪峰流量的影响较大。