锦州市土壤侵蚀产流产沙规律研究

杨艳辉

（凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200）

锦州市位于辽宁省西南部，地貌为低山丘陵，以低缓山坡地为主，土壤侵蚀方式主要为水力侵蚀，兼有风蚀，中度及以上侵蚀占45.98%。锦州市属温暖带半湿润大陆性季风气候，夏秋季降雨集中，暴雨多发，水土流失严重，2018 年锦州市土壤侵蚀面积达到2 649.86m2，大多分布于低山丘陵区。土壤侵蚀对生态环境和农业生产造成的不利影响已成为生态保护的重点之一，主要导致土壤沙石化和肥力下降。根据锦州市坡耕地水土流失调查资料，坡面侵蚀是其主要来源，其侵蚀程度主要受土壤、降雨、地形、植被、径流等自然和人为因素影响[1]。目前，调节控制降雨的难度较大，但可以通过改变植被覆盖、地形条件和用地方式的方式来调控水力侵蚀，并取得较好的效果。研究表明，下垫面条件及侵蚀性降雨显著影响着水土流失，其中用地类型不同的覆盖度、植物类型、下垫面、种植和耕作方式是重要影响因素，降雨作为土壤侵蚀的动力是产流产沙的关键影响因素。因此，研究不同植物措施的土壤侵蚀情况、降雨特征规律和径流泥沙特征，对水土保持工程及土壤侵蚀治理显得非常重要。然而，现有研究数据以定位观测的3～5a 天然降雨或实验室人工模拟降雨为主，对辽西低山丘陵区锦州市的有关研究较少[2-3]。因此，本研究利用径流小区试验，依据2014—2021 年长系列观测数据和模拟坡耕地种植措施，研究探讨了流域产流产沙受不同下垫面的影响及当地降雨特征，以期为锦州市水土保持规划和土壤侵蚀防治提供科学依据。

1 研究区概况

水土保持监测点位于锦州市，属北部低山丘陵保土蓄水区。该监测点位于北温带大陆性季风气候区，四季分明，季风气候显著，大陆性较强，年均气温9.2℃，多年平均降雨量555mm，平均蒸发量1 888.2mm，冬季雨量少，夏季降水多，6～9 月降水占全年70%左右。监测点为棕壤土，作物主要为大枣、花生、大豆、玉米等，优势草种为狗尾草、紫花苜蓿、黑麦草等。

2 测算方法

2.1 径流小区布设

研究布设5 个标准水蚀坡面径流小区，坡度、规格、植被覆盖等特征参数如表1 所示。根据当地作物耕作习惯设置径流小区下垫面，包括自然荒地、林地和农地，自然撂荒的荒地长有优势草种，将茶树种植到林地，农地种植黄豆、地瓜和花生，以5 月和10 月为翻耕播种及收割期。各小区的汇流与分流方式相同，通过坡面汇流后降水产流进入汇流槽，其中分水池中流入1/3，水深超过0.3m 时流入集流池1/5。

表1 径流小区特征参数

2.2 监测方法

根据现行规范进行径流小区监测工作，监测指标包括作物产量、土壤水分、植被覆盖、侵蚀量、含沙量、径流量、泥沙量以及侵蚀性降雨量、雨强、降雨历时、降雨量等降雨特征参数。其中，研究选用采样周期5min、分辨率0.5mm 的翻斗式遥测自记雨量计观测降雨连，根据集流池内的水位测量结果推求径流量，采用人工采样和标准烘干法测定泥沙量，通过目估法观测植被平均高度和灌草作物盖度等参数[4-6]。

2.3 数据处理

统计分析2014—2021 年降雨数据及特征，通过K 均值聚类分析侵蚀性降雨识别其特点和类型，应用灰色关联法探究产沙、产流与降雨量之间的相关性，通过双累积曲线进行对比分析，探讨不同下垫面在同等降雨条件下的产沙量差异特征。

3 结果与分析

3.1 年降雨特征

统计分析2014—2021 年监测点月均降雨量变化特征，结果表明汛期降雨集中，其中5～10 月降雨量占全年85.9%，并以7～8 月最为集中，该时段占全年的55.0%。侵蚀性降雨量多发生在6～9 月，占总降雨量的53.9%，其中侵蚀性降雨量最高时段为7 月的152mm，占该月降雨的68.2%，8 月侵蚀性降雨占该月总降雨量的69.5%。2014—2021 年共监测到66 场次侵蚀性降雨，侵蚀性降雨占总降雨量的53.8%，大多发生在7～8 月，该时段占总次数的69.7%，并以7 月最高达到26 次，所占比例为39.4%，故侵蚀性降雨量和侵蚀性降雨频次最高的时段是7 月。

3.2 K 均值聚类分析

对于2014—2021 年66 场次侵蚀性降雨使用K均值法进行分类，它是以K 个数据为初始中心，通过计算其与每个数据之间的距离，并重新确定每个聚类中数据的均值作为新的中心，经多次迭代计算获取稳定的聚类中心。侵蚀性降雨主要涉及雨强、历时、雨量(来源于监测数据)和侵蚀力R 因子(由经典参数法确定)，R 的计算公式为：

式中：r、I30、E为按雨强划分的降雨时段、最大30 雨强mm/h 和次降雨动能，MJ/hm2；其中r=1，2，…，n；ir、er、Pr为在r时段雨强，mm/h；降雨动能，MJ/(hm2·mm)；和雨量，mm。

根据R、I30和P参数，将侵蚀性降雨划分为4 个雨型如表2 所示。其中，Ⅰ雨型的P、雨强I30、侵蚀力R值分别为27.5mm、21.4mm/h和138.1(MJ·mm)/(hm2·h)，Ⅱ雨型为44.2mm、60.7mm/h 和656.7(MJ·mm)/(hm2·h)， Ⅲ雨型为108.6mm、89.5mm/h 和2533.2(MJ·mm)/(hm2·h)，Ⅳ雨型为96.1mm、34.7mm/h 和867.2(MJ·mm)/(hm2·h)。其中，频率最高和最低的是Ⅰ、Ⅲ雨型，占总样本的65.1%和4.5%。依据频次排序为Ⅲ＜Ⅳ=Ⅱ＜Ⅰ雨型。

表2 侵蚀性降雨K 均值聚类分析

通过单因素方差分析K均值聚类结果，确定降雨参数的自由度、离均差平方和等特征值，如表3 所示。因此，降雨侵蚀力R、最大30min 雨强I30和降雨量的组间均高于组内均方差，在p ＜0.05水平下呈显著差异。

表3 K 均值方差分析

3.3 不同雨型的产流产沙

经计算，从次降雨径流深、侵蚀力、土壤流失和降雨量来看，四种雨型的排序都是Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ。对于含沙量，从小到大依次为Ⅳ＜Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，即Ⅳ雨型引起的含沙量最低，Ⅲ雨型最高；根据土壤流失总量的排序，从小到大依次为Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅳ，即土壤流失总量在Ⅲ雨型中最低，在Ⅳ雨型中最高。尽管Ⅲ雨型的频次最低，但它的侵蚀力、土壤流失量和降雨量却是最大的，平均次降雨土壤流失量、含沙量、径流深分别为0.66t/hm2、13.1g/L、21.5mm，2014—2021 年Ⅲ雨型造成的土壤流失达到12.6t/hm2，这表明但当发生该雨型时具有较大的侵蚀风险。Ⅰ雨型的频次最低，但其侵蚀力、雨量以及产流产沙量最小，平均次降雨土壤流失量、含沙量、径流深分别为0.12t/hm2、5.0g/L、1.5mm，2014—2021 年Ⅰ雨型造成的土壤流失总量33.2t/hm2。Ⅳ雨型的发生频次较低，该雨型引起的土壤流失总量最高达到38.8t/hm2，究其原因是Ⅳ雨型的降雨历时较长。虽然Ⅰ雨型所形成的土壤流失最小，但发生频次和总流失量较高。

3.4 相关性分析

采用灰色关联法分析不同雨型下各小区径流深、降雨量与产沙量之间的相关性，如表4 所示。

表4 相关性统计分析表

通过对各径流小区数据分析可知，径流深、降雨量与产沙量的相关系数为0.62～0.88，在该变化范围内存在较好的相关性。Ⅰ雨型下荒地小区的两个相关系数最高为0.88 和0.87，Ⅰ、Ⅳ雨型下各小区的降雨量-产沙量均低于径流深-产沙量相关系数，这说明在较小雨强时产沙量与地表径流相比于降雨具有更好相关性。Ⅱ、Ⅲ雨型降雨量-产沙量大于径流深-产沙量相关系数，即增大雨强对产沙过程的影响更加显著[7-9]。

3.5 不同下垫面的产沙能力

通过拟合累积含沙量和降雨量双累积曲线，获取能够反映累积产沙量响应降雨的拟合线的斜率如表5 所示。根据拟合结果，在各种垫面条件下，各拟合曲线的变化特征相近，其中茶树、花生、黄豆、地瓜是荒地产沙能力的2.1、2.6、2.8 和3.3 倍。植被覆盖度、植被类型、耕作方式和土地利用类型是影响各下垫面特性的主要因素，从产沙能力上分析各因素的影响程度、作用和方式。

表5 产沙量—降雨量线性拟合方程

对于不同用地类型，产沙能力最高、最低的是农地和荒地，农地是林地、荒地的1.5 倍和2.8倍。荒地产沙最低的原因是其土地覆盖度高，水分蒸发缓慢，并有茂密的地表植被阻止水土流失，同时荒地中的植被具有一定固土保水作用，可以有效防止土壤冲刷剥离。在翻土播种、除草收割等条件下种植农作物土地的扰动较大，稳定性破坏极易发生侵蚀，农作物收割后雨滴击打裸露表土会进一步破坏土壤结构引起冲刷，使得径流小区产沙能力提升。

3.6 差异性分析

研究分析产流产沙随下垫面条件的变化特征，结果表明Ⅰ雨型条件下的产流产沙达到及显著差异性(p ＜0.01)，其它雨型下未达到显著差异(p ＞0.05)。其中，从小到大径流深的检验p 值为Ⅰ＜Ⅳ＜Ⅱ＜Ⅲ，该变化规律与雨强大小保持一致，表明随雨强增大各下垫面之间的产流差异性逐渐减小；从小到大含沙量的检验p 值为Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ，该变化规律与降雨侵蚀力、雨量大小保持一致，表明随降雨侵蚀力和雨量的增大各下垫面之间的差异性逐渐减小；从小到大土壤流失量的检验p 值为Ⅰ＜Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅳ，该变化规律与降雨侵蚀力、雨强、雨量变化不同，这主要是含沙量与径流量相互作用的结果[10-11]。

4 结 论

1）锦州市侵蚀性降雨多发生在汛期，并以7月的频次和雨量最高。2014—2021 年发生侵蚀性降雨共66 次，占总降雨量的53.8%。小雨强及小雨量条件下，不同下垫面的产沙产流具有显著差异，随着雨强和雨量的增大这种差异不断降低。雨量和强度较小情况下，不同下垫面之间的产沙和产流存在显著差异，但随着雨量的增加这种差异逐渐减小。

2）将侵蚀性降雨按照降雨侵蚀力R、最大30min 雨强I30和降雨量参数划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ雨型，从低到高4 种雨型的降雨侵蚀力、降雨量、次降雨径流深和土壤流失量排序均为Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅳ＜Ⅲ，次降雨含沙量排序为Ⅳ＜Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，从低到高土壤流失总量为Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅳ。Ⅱ雨型的频次最低而产流产沙量、次雨量和侵蚀力最高，Ⅰ雨型的频次最高而产流产沙量、次雨量和侵蚀力最低，Ⅳ雨型的频次较低而土壤流失总量最高。

3）较小雨强时，产沙量与地表径流相较于降雨的相关性更高，增大雨强后产沙量与降雨量相较于地表径流的相关性更高。种植高覆盖度的植物、横向起垄种植以及减少地表土壤人为扰动可以增大水保效益。