不同水土保持措施下径流小区产流产沙与降雨关系研究

司英凡,俞琳琳,朱家润

(1.江苏省水利科教中心,江苏 南京 210000; 2.江苏省水文水资源勘测局 徐州分局,江苏 徐州 221000)

黄泛平原区地处海河平原与淮北平原之间,区域内存在严重的土壤沙化现象。近年来通过生态系统改造治理,黄泛平原区土壤质量得到明显提升,结构得到明显改善,土地利用率进一步提高,但下垫面环境中多为粉砂和沉积细砂,土地生产力较低,因此水利部在《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区复核划分成果》中将黄泛平原风沙区列为国家级水土流失重点预防区,着重加强防护治理。该区属于北方土石山区(一级区)的华北平原区(二级区),地势平坦,但受黄河多次迁徙、决口、改道等影响,形成了河滩高地、河间洼地、岗、坡、缓平坡地相间分布的格局[1]。该区水土流失多集中在受人为利用影响较大的土地类型上,主要类型为城镇、农村建设用地及采矿用地,因此对黄泛平原区开展水土流失治理及研究显得尤为重要。目前该区设置标准径流试验小区目的在于为水土保持动态监测提供基础依据,推演区域水土流失概况,评估水土流失治理效益,对不同水土保持措施下的土壤侵蚀因子进行分析,并探求其在不同土壤环境、水文气象等条件下的侵蚀规律。本研究所选取研究小区为丰县水土保持监测站,通过对该站点进行不同水保措施下的降雨径流试验,研究其在不同降水条件下产流产沙的规律,并分析不同水保措施下的防治效果,为水土流失治理提供科学的理论依据和精准的决策支撑。

1 研究区概况

研究区位于江苏省徐州市丰县大沙河镇(东经116°38′40.6″、北纬34°33′12.6″),属于淮河流域沂沭泗水系。属暖温带半湿润季风气候区,四季分明,地势平缓。多年平均气温13.8 ℃,平均相对湿度72%。降水量年际变化大,时空分布极不均匀,多年平均降水量734 mm,年最大降水量1 206.7 mm,年最小降水量377.3 mm,汛期降水量占全年降水量的66%。地势南高北低,自然坡降1/3 000～1/10 000。表层土壤主要以黏土、亚黏土、亚砂土、砂土组成,分布规律是沿河道两岸为砂质土壤,远离河道低洼地区为黏质土壤。植被类型为针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林,植物种类较简单,主要分布为侧柏和刺槐,其次为麻栎、栓皮栎、黑松及赤松人工林;另分布有小面积次生林,主要乔木树种有黄檀、刺槐、豆梨、黄连木及臭椿等,主要灌木有牡荆、酸枣、茅莓和野山楂[2]。

2 研究方法

2.1 小区情况

试验小区是江苏省水文水资源勘测局依托江苏省水土保持监测与管理信息系统工程于2022年所建,小区内监测项目有降雨、径流、泥沙、植被覆盖度/郁闭度、土壤水分和作物产量等。共有5个长20 m、宽5 m的标准坡面径流小区,主要测报设施有轮式自动泥沙采样器、翻斗式径流自记仪各5组,土壤墒情传感器15套,自动气象站1处,1 m×1 m林下覆盖度监测场4处。选取一组自然荒草坡面作为荒草代表小区,其余小区分别种植梨树(树龄3 a)、椤木石楠、黑麦草、大豆,分别代表种植经果林、乔木林、草地、农作物等不同措施。试验所选措施均为黄泛平原区具有代表性的措施类别,与当地种植措施保持一致。小区内土壤类型为潮土,土层厚约50 cm,5个坡面均为北向坡,小区内地面横向平整,每年汛后复核坡度,保持排水通畅。本研究所选观测年份为2020—2021年,各小区概况见表1。

表1 2020—2021年径流小区概况

2.2 数据观测方法

降雨量数据通过气象站翻斗式遥测雨量计获得,定期校核、巡查并清除承雨器内杂物,保持仪器清洁;暴雨时适当增加巡查次数,保证仪器正常运行。风速、风向、温度、湿度数据由全自动气象站一体化观测,每周进行数据监控,有异常情况及时处理。径流量测量前清除集流桶盖板积水,防止积水进入桶内,影响试验精度;清除积水后打开桶盖,将不锈钢尺垂直放入桶中至桶底,读取水面所在刻度值,在每个集流桶内壁三等分点处做好标记,每个位置各测水深1次;采集桶内水样,在不同位置取样2次,以搅拌舀水取样为主,产流后集流槽内若沉积泥沙,则将泥沙全部取出称量,测定产流量、干土质量,并采用烘干法对含沙量进行测定,计算泥沙总量。每15 d观测植被覆盖度及郁闭度,产流后加测一次,如遇连续降水,雨停后观测,并用TDR法对土壤含水量及土壤深度进行测定。对经果林和农作物产量进行监测,在作物成熟后计算小区作物的产量。根据小区监测运行情况,本研究选取2020—2021年的降雨、径流、泥沙等数据进行分析。

3 结果分析

3.1 2020—2021年降雨量特征

收集整理气象站雨量计所得到的降雨数据,2020年降水总量为992 mm,高于该区多年平均降水量,年降水日数为85 d,最大日降水量为89.5 mm。2021年降水总量1 197 mm,远高于多年平均降水量,年降水日数为80 d,最大日降水量为102 mm。根据气象水文部门关于降雨量等级的划分标准,划分场次降雨等级。通过分析不同年度内场次降雨中最大I10、最大I20、最大I30和平均雨强与坡面径流场产生径流量之间的关系,利用回归分析发现,径流量与最大I30拟合程度最好,关系最紧密[3]。降雨等级及I30情况见表2。

表2 2020—2021年研究区降雨及降雨强度划分情况

由表2可知,该区域场次降雨多为小到中雨,2020、2021年小雨及中雨场次分别占全年的85.5%和68.5%,降雨量分别占全年的32.9%和21.1%。可见小到中雨场次虽多但降雨量占比不大,大雨及以上级别降雨场次在2020、2021年的占比分别为14.5%和31.5%,降雨量却占到了67.1%和78.9%。降雨量分配主要来自于大雨、暴雨及大暴雨。受2021年台风“烟花”影响,该区域强对流天气较多,带来了多场次强降水,降雨量相比2020年度增加了20.67%,是一个典型的丰水年,且年内最大I30>30 mm/h的分级降雨场次比2020年度有明显增加。

根据小区内观测数据,2021年度产生径流次数更多,且多发生在最大I30>30 mm/h的场次。摘选2020、2021年5个小区均产生径流泥沙的降雨场次信息,见表3。由表3可知,小区产生径流的降雨场次均为大雨及以上级别,产流所需降雨量大且I30很高,在短时强降雨过程中,土壤经降水渗透饱和后遭受侵蚀形成坡面径流,降雨侵蚀力也随着降雨动能的增大而增大。当I30>30 mm/h时,短时雨强大于土壤下渗能力,此时产生超渗产流和壤中流。当10 mm/h≤I30≤30 mm/h时,如果历时较短,则可能只产生壤中流,如果历时较长则会出现饱和地面径流即蓄满产流和壤中流。前期雨量大小也直接影响小区的径流量,在汛期连续降雨情况下,前期雨量较大,此时该区域前期土壤含水量偏大,极易形成蓄满产流,并最终携带泥沙进入集流桶中。采集桶内水样后静置至泥沙完全沉淀,取出上层清水后将泥沙盒放入烘箱中烘干,得出水样中含沙量,通过各小区产生的径流总量计算径流中所含泥沙量,加上集流槽及导流管中泥沙烘干后的质量,通过换算折合即为此次降雨的土壤流失量。

表3 产生径流的降雨场次信息

3.2 不同小区产流产沙特征

选取2020—2021年5个小区均产生径流泥沙的场次降雨,进行径流量、含沙量和土壤流失量的定量分析与比较(见表4)。这14次降雨总量为947 mm,荒草地、梨树、大豆、椤木石楠、黑麦草小区所形成的径流深总量分别为175.63、124.79、97.68、79.77、64.66 mm,小区径流中平均含沙量分别为1.61、0.92、0.82、0.42、0.41 g/L。可见在2020—2021年间不同小区中产流及含沙量的大小关系均为荒草地小区>梨树小区>大豆小区>椤木石楠小区>黑麦草小区。并且可以看到没有植被覆盖的荒草地小区产流、产沙量明显大于采取水保措施的小区。不同水保措施与区域水文降雨径流过程形成一个相互影响的调节反馈系统,植物措施对土壤进行改造,增加土壤的营养物质含量,改良土壤的结构与质地,并通过植被拦蓄减弱降雨侵蚀动能,提高土壤的下渗能力,在有效减少坡面径流的同时减少泥沙量。

分析可知,各小区的径流深与降雨量及雨强均呈正相关关系,径流量随降雨量的变大而变大,并且当两场降雨量接近时,雨强大的降雨历时就短,在土壤下渗速率相同的情况下,下渗量减少,所产生的径流深增加。当出现连续降雨时,降雨历时长导致前期影响雨量增大,土壤含水量增大,径流量也明显增大。但径流中的含沙量并不与降雨量及雨强有明显关联,这可能是与植被拦蓄能力、降雨历时、人为扰动影响有关,可以看出2020年刚布设水保措施时各小区所产径流中含沙量及土壤流失量普遍偏高,经过一年的时间,在2021年相类似的降雨径流过程后,含沙量及土壤流失量均有了明显的下降趋势。随着时间的推移,植被对侵蚀性降雨起到了越来越明显的保护作用,减少土壤泥沙的流失作用显著。

根据2020—2021年多场次径流过程中土壤流失量的对比来看,在不同水保措施下,梨树小区的土壤流失量最大,大豆小区次之,椤木石楠小区与黑麦草小区流失量接近,黑麦草抵抗土壤流失能力最强。这可能与水保措施种类、植被覆盖度、种植方式有关。黑麦草属于耕种草地措施,植被覆盖率高达99%,且黑麦草的根系发达,生长快,固持土壤能力强,使土壤团粒体水稳性、分散特性和团粒结构得到明显改善,提高了土壤抗蚀性,减少了径流及泥沙的产生[4]。椤木石楠作为乔木林措施,植被覆盖度达80%,对地表的覆被和土壤的改良有极为突出的能力,在石楠及其枯落物的影响下,土壤中微生物得到有效繁育,且其根系也能够固持土地,减少地表径流,减弱侵蚀作用。大豆作为农业措施,比梨树经果林措施防治土壤流失效果好,可能是因为:大豆采用平播密植、无垄栽培,减少了汇水量,增加了地面渗透时间,不中耕使播种后土质不松动、不易流失,收获后不需整地减少了机械人为扰动次数,有利于土壤内微生物的繁殖,从而使土壤渗透量增加,径流减少[5]。梨树树龄较短且种植时间不长,植被覆盖率不高,在汛期降雨集中、雨强大的情况下,水土流失防治效果不够理想,其水土保持效果主要是依靠果树根系在长时间的发育中形成强大的团聚结构,对径流进行拦蓄,在保持土壤通气透水的同时起到蓄水固土的作用。综上所述,根据各种植小区的径流量、含沙量、土壤流失量数据分析,在黄泛平原区抵抗降雨侵蚀、拦蓄水土能力的大小依次为黑麦草>椤木石楠>大豆>梨树。

4 结论

黄泛平原区场次降雨多为小到中雨,但主要降雨量来自大雨及以上级别,且受台风影响,强对流天气增多,雨强大的强降雨增多。2020—2021年发生降雨侵蚀的径流多为I30大于30mm/h的降雨,在汛期连续降雨情况下,前期降雨量大,土壤含水量增大,极易形成蓄满产流。各小区径流深与降雨量及雨强均呈正相关关系,径流量随着降雨量的增大而增大,雨量相等时雨强越大降雨历时越短,在土壤下渗速率不变的情况下,下渗量减少,径流深也就越大。但含沙量与降雨量、雨强关系不明显,可能与土层各向异性的作用有关。

2020—2021年各径流小区产流产沙及土壤流失量的大小关系是:荒草地小区>梨树小区>大豆小区>椤木石楠小区>黑麦草小区。荒草地小区的产流产沙及土壤流失量明显大于其余布设水保措施的小区,说明不同的水保措施均能对土壤进行改造,通过植被拦蓄降低雨水侵蚀动能,提高土壤下渗能力,减少坡面径流的同时减少泥沙量。根据植被措施种类及方法得出植被覆盖度最大的黑麦草是水土流失最少的小区,因其生长快且效果理想,可以看出耕种草地水保措施是黄泛平原区短时间内防治水土流失最有效的手段。