重庆市合川区双凤坡面径流小区产流产沙影响因素探讨

于秀娟，魏 欣，叶 瑛，郑云泽

(1.重庆市水土保持监测总站，重庆 401147；2.北京师范大学 地理科学学部 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；3.重庆市合川区水利工程质量技术指导中心，重庆 401520)

重庆市合川区地处长江上游三峡库区腹心地带，是长江经济带国家级转型升级示范开发区、国家城乡融合发展试验区。该地区地形起伏大，生态环境脆弱，水土流失尤为严重[1]。开展水土流失动态监测和定位观测是分析水土流失影响因素，开展综合治理，改善生态环境的关键。目前重庆市已建的监测网络由市监测总站、4个监测分站和17个监测站点组成，重庆市合川区双凤坡面径流场主要用于监测不同坡度条件下耕地小区的产流产沙特征。不同坡度对地表径流和水土流失有显著影响，而产流产沙过程又是地质地貌、地形、气候、植被覆盖和人类活动等多种因素综合作用的结果[2]。为此，选取重庆市合川区双凤坡面径流场为研究区，利用已建成的3个不同坡度的标准径流小区，监测降雨量、产流产沙量和植被盖度，分析自然降雨条件下坡面产流产沙特征，探讨不同坡度条件下耕地径流小区的产流产沙特征影响因素，以期对紫色土区和三峡库区坡面水土流失防治提供理论依据。

1 研究区概况

合川区双凤坡面径流场位于合川区东南部的双凤镇塘湾村，地理位置106°28′12″E、30°00′54″N，属嘉陵江左岸干流玉龙河水系，地貌类型以低山丘陵为主，土壤以紫色土和水稻土为主。合川区属亚热带湿润季风气候，温暖湿润，雨量充沛，具有春早夏长、秋雨连绵、冬季多雾的特点。根据《重庆市水土保持规划(2016—2030年)》，监测站点所在地所属水土保持一级区划为西南紫色土区(四川盆地及周围山地丘陵区)，二级区划为川渝山地丘陵区，三级区划为四川盆地南部中低丘土壤保持区，四级区划为渝西方山丘陵保土人居环境维护区。

2 研究方法

2.1 径流小区设置

监测站点根据《重庆市水土保持监测体系建设规划(2008—2015年)》进行规划建设，主体及附属工程于2016年完工，2017年8月各类监测设备安装完成。用地面积10 795 m2，类型为坡面径流小区，2016年始建有坡度分别为13°、15°、17°的小区各1个，气象站1处，安装有模拟人工降雨设备、气象观测设备、径流泥沙自动监测设备，配备径流泥沙取样分析设备。2020年9月，由于原径流小区建设标准偏低，出现了开裂和渗漏，影响正常产流和运行安全，运管单位将原3个坡度小区改造为10°、15°、20°的标准径流小区，并升级配置了3套径流泥沙和土壤墒情自动监测设备。径流小区投影长20 m、宽5 m，其中10°和15°小区基本为原始坡面，土层厚度为30 cm，母质为页岩，20°小区因地形限制，为原始坡面填土。径流小区详细信息见表1。

2.2 数据采集

数据采集环节主要包括降雨、泥沙、径流和植被盖度等数据的监测和采集，具体内容和方法见表2。

表2 径流小区数据采集方法

2.2.1 降雨监测

降雨监测采用自动传输和人工采集两种方式。自动传输是采用FDY-5自记雨量计及WRU-2000数据采集器实现降雨量实时传输。采集频次为无雨时每小时发送一次数据，下雨时每5 min发送一次雨量数据。人工采集利用雨量筒测量单次雨量，并对自记雨量计结果进行校验。

2.2.2 产流监测

产流监测包括自动监测设备监测和人工监测。自动监测设备采用的是EL-RS径流泥沙自动监测系统的径流部件。当小区产流时，径流自记仪采集到数据后，实时发送到数据接收服务器；若无产流，则每小时发送1次累计径流量。人工监测是每次降雨结束后，人工读取分流桶和集流桶内水面的标尺读数，通过水深和分流桶的分流孔数计算径流量。

2.2.3 产沙监测

产沙监测采用雨后人工采集泥沙的方法，通过人工搅拌或全剖面泥沙采样器采集每个分流桶和集流桶内的泥沙。人工搅拌后泥沙均匀分布于桶内，此时快速采集浑水样装至1 000 mL的集流瓶内；而通过全剖面泥沙采样器采集泥沙时则无须搅拌，将采样器直接插入分流桶或集流桶中采集浑水样后，倒入水桶，在水桶中搅拌采集水样至1 000 mL集流瓶内。集流瓶在室内静置沉淀，倒掉清液后烘干称量，计算产沙量。

由表3说明，样本1土壤中没有添加化学修复剂时，其中锌含量最高的是小麦景天，最高值为334.7mg/L，最低的是马铃薯，最低值为299.7mg/L。铅含量最高的是油菜，最高值为77.1mg/L，最低的是狼尾草，最低值为60.6 mg/L。铬含量最高的是巴天酸模，最高值为36.0mg/L，最低的是刺儿菜，最低值为32.3mg/L。铜含量最高的是狼尾草，最高值为29.7mg/L，最低的是刺儿菜，最低值为25.4mg/L。砷含量最高的是油菜，最高值为7.4mg/L，最低的是狼尾草，最低值为5.7mg/L。镉含量最高的是油菜，最高值为0.8mg/L，最低的是狼尾草，最低值为0.5mg/L。

2.2.4 盖度监测

径流小区的作物种植和田间处理参照当地耕地的作物种植习惯，并按时间要求，开展锄草、疏枝、收割等操作。3个小区田间操作尽量在雨前同天处理完成，以保证每个小区在降雨期间的盖度因子没有较大差异。每月的1日和15日进行盖度监测，采用目估观测法，全年植被盖度观测曲线见图1。

图1 径流小区作物植被盖度年度变化曲线

2.3 数据计算分析

次降雨侵蚀力计算公式为

R次=EI30

(1)

(2)

er=0.29[1-0.72exp(-0.082ir)]

(3)

式中：R次为次降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)；I30为一次降雨过程中最大30 min雨强，mm/h；E为一次降雨的总动能，MJ/hm2；r=1，2，…，n，表示一次降雨过程按断点雨强分为n个时段；Pr为第r时段雨量，mm；er为第r时段的单位降雨动能，MJ/(hm2·mm)；ir为第r时段断点雨强，mm/h。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

监测站点2021年全年降雨量1 663.1 mm，最大日降雨量107 mm，最大次降雨量130 mm，最大月降雨量380 mm，年降雨侵蚀力8 754.8 MJ·mm/(hm2·h)，最大降雨侵蚀力1 111.1 MJ·mm/(hm2·h)，最大I30为63 mm/h。2021年月降雨量统计见图2。

图2 研究区2021年各月降雨量

图3 研究区2019—2021年降雨场次及强度统计

3.2 径流小区产流产沙特征

2021年坡度10°的小区产流35次，总径流深517.65 mm，其中12次产流的径流深>10 mm，径流系数0.3，泥沙总量725.82 kg，土壤流失量72.58 t/hm2，单次产流量最大值为10.25 m3，单次产沙量最大值为324.54 kg，单次含沙量最大值为239.95 g/L，全年6次产流的含沙量>10 g/L；15°小区产流35次，总径流深426.94 mm，其中11次产流的径流深>10 mm，径流系数0.26，泥沙总量982.30 kg，土壤流失量98.23 t/hm2，单次产流量最大值为9.65 m3，单次产沙量最大值为454.90 kg，单次含沙量最大值为311.66 g/L，全年有6次产流的含沙量>10 g/L；20°小区产流34次，总径流深214.53 mm，其中8次产流的径流深>10 mm，径流系数0.13，泥沙总量704.99 kg，土壤流失量70.50 t/hm2，单次产流量最大值为3.79 m3，单次产沙量最大值为328.19 kg，单次含沙量最大值为277.51 g/L，全年有6次产流的含沙量>10 g/L。各径流小区产流产沙情况见表3。

表3 不同坡度小区的产流产沙

2021年3个小区的产流量峰值均发生于次降雨量达到130 mm的9月6日，主要是前期的暴雨导致3个小区土壤含水量已经很高，致使产流量峰值出现。而3个小区的产沙量峰值均发生于5月3日，为2021年首次暴雨，雨量达到71 mm，且历时短，降雨侵蚀力高达1 106.3 MJ·mm/(hm2·h)，主要原因是小区作物播种时间不长，而且经过了翻耕和除草等，地表覆盖度较低，导致侵蚀量最大。

综上所述，10°小区更易产流且径流系数最大，15°小区径流量是10°小区的82.5%，而20°小区径流量才达到10°小区的41.4%。产沙随着产流发生，但不完全取决于产流量，同时又受土壤质地、坡度、盖度等影响。10°小区产流量最大，但跟15°小区相比，流量优势并不显著；15°小区产沙量大，20°小区的平均含沙量最大。从2021年3个小区的产流和产沙量对比分析可知，3个坡度小区的产流产沙并未完全依坡度变化而变化，主要原因可能在于3个小区的降雨侵蚀力、坡长、植被与作物管理、水土保持措施因子虽一致，但土壤透水性差异较大，因地形限制，10°和15°小区下层为基岩，而20°小区为回填土，导致前两个小区存在隔水层，土壤透水性与20°小区差异较大。

3.3 产流产沙影响因素分析

坡面产流产沙对次降雨的响应在不同的作物生长期、地表盖度、土层厚度和母质条件下有较大不同，为了明确其影响因素，记录并分析2021年18场侵蚀性降雨的产流产沙变化，详见图4。通过对比逐场降雨量与径流深的关系可知，不同坡度小区的径流深随降雨量的变化有明显的相似性，当雨量增加时，径流深也随之增加。尤其在暴雨和大暴雨时，3个小区的径流量都显著增加。对比同一场次降雨条件下不同坡度小区径流深的变化可知，10°小区的径流深略大于15°小区，没有明显差异，而20°小区的径流深均小于10°和15°小区，在暴雨或大暴雨时，径流深的增加量远小于其他两个小区。3个坡度小区除坡度和土壤厚度的差异外，其他条件基本相同，均为耕地，且作物种植类型与时间、田间管理均相同，因此地表盖度基本一致，但是10°小区和15°小区基本为原始坡面，土层厚度30 cm，母质为岩石，而20°小区是在原始坡面的基础上填土而成，土层较为疏松，土壤入渗能力明显高于其他两个小区，导致径流量较小。

图4 2021年不同坡度小区逐次降雨条件下的产流产沙特征

对比逐场降雨量与产沙量的关系可知，3个小区在2021年5月2、6和13日降雨的产沙量远高于全年其他降雨场次降雨，而其他降雨场次产沙量的变化趋势同径流深和降雨量的变化一致，即当降雨量和径流深增加时，产沙量增加。经过逐场降雨分析可知，5月2日的侵蚀性降雨是2021年的第一场暴雨，降雨量达到71 mm，I30为全年降雨的最大值，达到63.0 mm/h，降雨侵蚀力为1 106.3 MJ·mm/(hm2·h)；而5月6日和13日也达到大雨水平，降雨量分别是32 mm和31 mm，此时径流小区种植的作物为玉米，种植时间为3月25日，植被盖度较低，为10%～20%，并且经过翻耕和除草等田间管理的土层较为松软，容易发生侵蚀。随着作物生长，加上5月中下旬套种了红薯，6月植被盖度迅速增加，对地表土壤形成了较好的保护，使后期暴雨和大暴雨所引发的产沙量远小于5月。图5为5月中旬以后不同坡度小区的产流产沙特征。分析图5可知，产沙量与径流量对暴雨的响应基本一致，暴雨时的产沙量随着径流的增加而增加，但是坡度与产沙量没有明显相关关系，其中10°小区逐次降雨的产沙量相对较高，但是产沙量峰值发生于7月8日的20°小区，此次降雨I30为全年降雨的第二大值，达到50.4 mm/h，降雨侵蚀力为984.1 MJ·mm/(hm2·h)。

图5 2021年不同坡度小区逐次降雨条件下的产沙特征(5月15日—9月18日)

综合分析可知，双凤径流小区坡度对产流产沙的影响小于植被覆盖和小区土壤厚度及母质对产流产沙的影响。

4 结 论

(1)在有页岩母质的原始坡面和完全填土两种不同条件下，修建的坡度小区的径流量与产沙量与坡度没有明显关系，说明坡度对产流产沙的影响小于其他因素的影响，同时也说明为了能够监测坡度对产流产沙影响，小区的修建基础应完全一致，通过填土方式修建的小区无法反映重庆地区真实耕地坡面的产流和产沙情况。

(2)植被覆盖对坡耕地产流产沙的影响大于坡度的影响，翻耕和除草后的坡耕地土质疏松，为暴雨或大暴雨条件下的土壤侵蚀发生提供了大量源物质，加剧了坡面水土流失。