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坡面各侵蚀分带的侵蚀特征对降雨雨型的响应
来源:   发布时间:2017-11-30   浏览量:725  
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坡面各侵蚀分带的侵蚀特征对降雨雨型的响应
高杰
(辽宁省丹东市宽甸满族自治县水土保持局,辽宁 宽甸 118200)
要:以不同侵蚀带的径流小区为研究对象,统计试验地附近土壤侵蚀观测站 6 年降雨、径流泥沙观测资料,对浅沟坡面不同侵蚀带侵蚀产沙对降雨雨型的响应,结果表明:随着降雨强度的提高,不同土壤侵蚀分带的径流量均呈增加趋势,且短历时、高强度暴雨在片蚀带、细沟侵蚀带和浅沟侵蚀带的径流量与土壤侵蚀量均最大;不同侵蚀分带径流产沙量呈显著的线性关系;随着降雨强度的增加,浅沟侵蚀带径流产沙量逐渐增大,不同降雨强度下,片蚀带径流产沙量均较小,表明发生坡面侵蚀的主要原因是由于沟蚀的径流产生引起的。在不同降雨雨型下的线性函数方程中,均以A1降雨雨型下三个侵蚀分带回归方程的斜率最大,且土壤侵蚀量与降雨强度之间呈显著的正相关关系。
关键词:降雨雨型;土壤侵蚀;降雨强度;正相关
中图分类号:S157.1              文献标识码:A

0 引言

土壤侵蚀是我国目前面临的重要环境问题,土壤侵蚀较严重地区,其经济发展收到了较大制约,我国目前水土流失情况严峻,尤其是黄土高原地区,严重影响了周围航运及生态安全[1-2]。降雨是引起土壤侵蚀发生的主要自然因素之一,不同降雨类型对土壤侵蚀的影响不同。因此,通过试验手段,研究不同降雨雨型对不同坡面侵蚀影响的机理,可为土壤侵蚀防治,制定合理的水土保持措施提供科学依据,具有十分重要的意义。

目前研究表明,小范围、短历时、高强度的降雨与大区域、长历时、低强度的暴雨均会不同程度地造成土壤侵蚀。Peng 和 Wang[3]在西南喀斯特地区研究了不同降雨类型对土壤侵蚀的影响,他们采用系统聚类分析的方法,将该地区侵蚀性降雨雨型划分为5类,其中,大雨量、高雨强的降雨对土壤侵蚀的影响最大;张黎明等[4]在南方典型红壤侵蚀区以 7 年基础降雨资料为基础,将降雨量划分成5类降雨雨型,并且深入研究了土壤产沙量的变化规律与对降雨雨型的响应;卢金发和刘爱霞[5]在黄河中游以36 个水文站多年基础泥沙降雨资料为基础,发现流域泥沙与当地年降雨量呈非线性关系;Wei 等[6]研究了甘肃西峰地区不同降雨类型对土壤侵蚀量的影响发现,发现土壤侵蚀量表现为大雨强和短历时降雨>中雨强和中历时降雨>小雨强和长历时降雨。

本文通过现场试验的研究方法,试验于辽宁丹东宽甸满族自治区进行,以宽甸附近土壤侵蚀观测站2010~2015年的降雨泥沙观测资料,研究该地区侵蚀性降雨雨型特征,并进一步分析不同土壤侵蚀带对对不同降雨雨型的响应规律。

1 试验设计与降雨类型划分

试验布设在裸露坡耕地上。根据当地坡面侵蚀垂直分带特征以及各侵蚀带之间的侵蚀产沙关系,在野外调查基础上,选取典型浅沟坡面并按照实际坡形布设 3 个试验小区。各小区位置与面积特性见表1。
表 1试验小区参数表
小区编号 土壤侵蚀带划分 小区位置 小区长度(m) 小区宽度(m) 小区面积(m2 小区坡度(°)
1 片蚀 坡地上部 15 2 30 5~10
2 细沟侵蚀 坡地中部 25 2 50 10~25
3 浅沟侵蚀 坡地下部 35 2 70 25~35
聚类分析方法是根据研究对象的相似性把它们分成不同的组。本文基于当地侵蚀性降雨划分标准,通过分析 2010~2015 年间的降雨和径流泥沙资料,共有 58场侵蚀性降雨。根据聚类分析方法,以降雨历时与最大30min降雨强度为标准,将58场侵蚀性降雨分为3大类。其中第1大类(A1)为短历时、高强度降雨:平均历时3.0h、平均最大30min降雨强度26.7mm/h,第2大类(A2)为中历时、中强度降雨:平均历时14.8h、平均最大30min降雨强度13.6mm/h,第3大类(A3)为长历时、低强度降雨:平均历时23.8h、平均最大30min降雨强度6.0mm/h,其中3种类型降雨分别出现了32、15和11次,分别占总降雨的55.2%、25.8%和19.0%。

2 结果与分析

2.1片蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应
图1为片蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应。图1显示,片蚀带多年平均径流量为14883.67m3·km·-2·a-1,多年平均土壤侵蚀量为2000.71 t·km·-2·a-1,由A1型降雨引起的径流量与土壤侵蚀量均最大,径流量在13478.03~42374.12 m3·km·-2·a-1之间,土壤侵蚀量在1985.47~6124.30 t·km·-2·a-1之间,随着降雨强度的提高,片蚀带径流量与土壤侵蚀量均呈显著增加趋势,A3型降雨引起的径流量与土壤侵蚀量均最小,径流量在1245.71~12378.62 m3·km·-2·a-1之间,土壤侵蚀量在0~752.37 t·km·-2·a-1之间,A2型降雨雨型的径流量与土壤侵蚀量在A1型与A3型之间,通过对降雨雨型进行双变量相关分析得知,三种降雨雨型的径流量与侵蚀量均达到了极显著水平(P<0.01),这表明降雨强度对片蚀带土壤产量产沙的影响较大。

图1片蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应
2.2细沟侵蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应
图2为细沟侵蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应。图2显示,细沟侵蚀带多年平均径流量为15158.71m3·km·-2·a-1,多年平均土壤侵蚀量为4272.29 t·km·-2·a-1,由A1型降雨引起的径流量与土壤侵蚀量均最大,径流量在8495.32~48500.13 m3·km·-2·a-1之间,土壤侵蚀量在3278.47~17325.39 t·km·-2·a-1之间,随着降雨强度的提高,细沟侵蚀带径流量与土壤侵蚀量均呈显著增加趋势,A3型降雨引起的径流量与土壤侵蚀量均最小,径流量在598.74~6523.47 m3·km·-2·a-1之间,土壤侵蚀量在0~2032.96 t·km·-2·a-1之间,A2型降雨雨型的径流量与土壤侵蚀量在A1型与A3型之间,通过对降雨雨型进行双变量相关分析得知,A1型降雨的径流量与侵蚀量均达到了极显著水平(P<0.01),A2与A3型降雨未达极显著水平,这表明细沟侵蚀带降雨强度对土壤产量产沙的影响较小。

图2细沟侵蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应
2.3浅沟侵蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应
图3为浅沟侵蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应。图3显示,浅沟侵蚀带多年平均径流量为14454.28m3·km·-2·a-1,多年平均土壤侵蚀量为5955t·km·-2·a-1,由A1型降雨引起的径流量与土壤侵蚀量均最大,径流量在13478.52~42374.53 m3·km·-2·a-1之间,土壤侵蚀量在5378.97~18000.03 t·km·-2·a-1之间,随着降雨强度的提高,细沟侵蚀带径流量与土壤侵蚀量均呈显著增加趋势,A3型降雨引起的径流量与土壤侵蚀量均最小,径流量在1245.82~12378.11 m3·km·-2·a-1之间,土壤侵蚀量在384.12~7985.22 t·km·-2·a-1之间,A2型降雨雨型的径流量与土壤侵蚀量在A1型与A3型之间,通过对降雨雨型进行双变量相关分析得知,三种降雨雨型的径流量与侵蚀量均达到了极显著水平(P<0.01),这表明浅沟侵蚀带降雨强度对土壤产量产沙的影响较大。

图3浅沟侵蚀带产沙产流特征对不同降雨雨型的响应
2.4不同侵蚀分带径流量与产沙量的关系
表2为不同降雨强度下不同土壤侵蚀分带径流产沙量之间的关系。表2显示,不同侵蚀分带径流产沙的决定系数R2均在0.65以上,且均达到了极显著水平(P<0.01),表明线性函数关系可以较好地反映不同侵蚀分带径流和产沙量之间的关系。土壤产沙量随径流量的变化较快,线性关系式的斜率均在30.0以上。由表中可知,不同降雨雨型影响径流产沙量的机理不同。由于A1型降雨属于大雨强、短历时暴雨,短时间内的降雨强度多数情况下远超过土壤入渗强度,使坡面发生超渗产流现象,而A3型降雨属于小雨强、长历时暴雨,降雨强度多小于土壤入渗强度,使坡面发生蓄满产流,因此,随着降雨强度的提高,径流产沙之间线性关系式的斜率呈增大趋势,说明降雨强度最高的A1型降雨,由于径流量的提高,导致产沙侵蚀量提高速率远高于其余2种降雨雨型。

表2不同降雨强度下不同侵蚀分带径流产沙对比
降雨雨型 土壤侵蚀分带 径流、产沙关系式 R2
A1 片蚀带 SL=43.28R-21.47 0.73**
细沟侵蚀带 SL=48.26R-19.34 0.70**
浅沟侵蚀带 SL=51.22R-40.52 0.66**
A2 片蚀带 SL=42.74R-20.44 0.68**
细沟侵蚀带 SL=45.63R-22.19 0.70**
浅沟侵蚀带 SL=50.11R-18.23 0.71**
A3 片蚀带 SL=34.78R-19.32 0.67**
细沟侵蚀带 SL=38.77R-23.68 0.68**
浅沟侵蚀带 SL=45.54R-19.21 0.71**
注:表中SL代表降雨土壤侵蚀量,t·km-2·a-1R代表最大30min雨强,m3·km-2·a-1
2.5不同降雨强度下不同侵蚀分带径流产沙对比
表3为不同降雨强度下不同土壤侵蚀分带径流产沙排序。表3显示,随着降雨强度的提高,径流、产沙量的最大地段均由细沟侵蚀带变为浅沟侵蚀带,而随着降雨强度的提高,细沟侵蚀带的径流产沙量积累速率逐渐降低,而片蚀带和浅沟侵蚀带的径流产沙量积累速率明显高于细沟侵蚀带。同时,较产沙量,径流量对降雨强度的敏感度明显更高,当降雨强度I30在30~45mm/h时,最大径流量产生部位已由细沟侵蚀带变为浅沟侵蚀带,而产沙量在I30大于45mm/h时,最大产沙量产生部位才出现变化。综上所述,浅沟侵蚀带径流产沙量与降雨强度关系最为密切,而在降雨强度较小时,细沟侵蚀带的产沙径流量最大,片蚀带径流产沙量均较低。这表明,发生坡面侵蚀的主要原因是由于沟蚀的径流产生引起的。

表 3不同降雨强度下不同侵蚀分带径流产沙排序
降雨强度I30(mm/h) 产流量对比 产沙量对比
<15 细沟侵蚀带>浅沟侵蚀带>片蚀带 细沟侵蚀带>浅沟侵蚀带>片蚀带
15~30 浅沟侵蚀带>细沟侵蚀带>片蚀带 细沟侵蚀带>浅沟侵蚀带>片蚀带
30~45 浅沟侵蚀带>细沟侵蚀带>片蚀带 浅沟侵蚀带>细沟侵蚀带>片蚀带
>45 浅沟侵蚀带>片蚀带>细沟侵蚀带 浅沟侵蚀带>片蚀带>细沟侵蚀带
2.6土壤侵蚀量与降雨强度的关系
表4为土壤侵蚀量与降雨强度之间的关系。表2显示,土壤侵蚀量(SL)与最大30min降雨强度(I30)呈正相关关系,不同降雨雨型SLI30的决定系数R2均在0.70以上,且均达到了极显著水平(P<0.01),表明表中的线性方程可较好地反映SLI30之间的关系。同时,在不同降雨雨型下的线性函数方程中,均以A1降雨雨型下三个侵蚀分带回归方程的斜率最大,而A3下三个侵蚀分带回归方程的斜率最小。说明 A1下降雨的侵蚀产沙能力最强。

表 4土壤侵蚀量与降雨强度的关系
土壤侵蚀带 降雨雨型 关系式 R2
片蚀带 A1 SL=205.47I30+17.41 0.85**
A2 SL=193.48I30-27.32 0.82**
A3 SL=185.37I30+28.69 0.83**
细沟侵蚀带 A1 SL=505.37I30-108.27 0.72**
A2 SL=481.14I30+44.23 0.78**
A3 SL=317.36I30+53.67 0.86**
浅沟侵蚀带 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代表降雨土壤侵蚀量,kg;I30代表最大30min雨强,mm/h。

3 结论

本文以不同侵蚀带的径流小区为研究对象,在统计试验地附近土壤侵蚀观测站 6 年降雨、径流泥沙观测资料基础上,并结合野外调查与定位观测,研究了浅沟坡面不同侵蚀带侵蚀产沙对降雨雨型的响应,并得出了土壤侵蚀量与降雨之间的关系。主要研究结论包括:
(1)短历时、高强度暴雨将产生最大的径流量与土壤侵蚀量,A1型暴雨的径流量与土壤侵蚀量最大,随着降雨强度的提高,片蚀带、细沟侵蚀带与浅沟侵蚀带的径流量与土壤侵蚀量均呈显著增加趋势;
(2)不同侵蚀分带径流产沙量呈显著的线性关系;随着降雨强度的增加,浅沟侵蚀带径流产沙量逐渐增大,不同降雨强度下,片蚀带径流产沙量均较小,表明发生坡面侵蚀的主要原因是由于沟蚀的径流产生引起的。
(3)在不同降雨雨型下的线性函数方程中,均以A1降雨雨型下三个侵蚀分带回归方程的斜率最大,土壤侵蚀量(SL)与最大30min降雨强度(I30)呈正相关关系,且均通过了极显著水平(P<0.01),表明得出的方程可较好地反映土壤侵蚀量与降雨强度的关系。
参 考 文 献
[1]刘震. 中国的水土保持现状及今后发展方向[J]. 水土保持科技情报,2004, (1):1−4.
[2]郑粉莉,高学田. 坡面侵蚀过程研究进展[J]. 地理科学,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] 张黎明, 于东升, 史学正, 林金石. 不同降雨类型下的南方典型土壤侵蚀量差异研究[J]. 水土保持通报, 2011, 31(4): 1−6.
[5]卢金发, 刘爱霞. 黄河中游降雨特性对泥沙粒径的影响[J]. 地理科学, 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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