黄泛平原区不同水土保持措施下径流小区降雨与产流产沙关系研究
司英凡，俞琳琳，徐庆军
江苏省水文水资源勘测局徐州分局，221000
摘要：黄泛平原区为国家水土流失重点预防区，水土流失多集中在受人为利用影响较大的土地类型上，因此对该区进行水土保持治理及研究尤为重要。依托江苏丰县水保监测站设置荒草地、梨树、大豆、椤木石楠、黑麦草小区，分析2020-2021年场次降雨、产流量、含沙量、土壤流失量变化，得出该区域降雨场次多为小到中雨，但降雨量主要来于大雨及以上级别；各小区产流及土壤流失量大小为：荒草地小区>梨树小区>大豆小区>椤木石楠小区>黑麦草小区，说明种植经果林、农作物、灌木林、草地措施均能够有效拦蓄径流泥沙，且因为草地措施植被盖度高，成长周期快，可作为短时间内防治水土流失的有效手段。
关键词：水土保持措施；降雨特征；径流；土壤流失量
引 言
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虽使得土壤质量与结构得到明显提升，土地利用率进一步提高，但由于下垫面环境中多为粉砂和沉积细砂，土地生产力得不到满足，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。淮河流域黄泛平原风沙区属于北方土石山区（一级区）的华北平原区（二级区），该区地势平坦，但因黄河多次迁徙、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]。该区域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保持治理及研究显得尤为重要，目前该区设置标准径流实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。本文所选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实验，研究其在不同降水条件下产流产沙的规律特性，并分析不同水保措施下的防治增益效能，为水土保持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。本流域属暖温带半湿润季风气候，四季分明，地势平缓。多年平均气温13.8℃，平均相对湿度72%。十年九旱，降水量年际变化大，时空分布极不均匀。汛期降水量占全年降水量66%。多年平均降水量734mm，年最大降水量1206.7mm，年最小降水量377.3mm，地势南高北低，自然坡降1/3000～1/10000。表层土壤主要以黏土、亚黏土、亚砂土、沙土组成，分布规律是沿河道两岸为沙质土壤，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。本区有小面积次生林，组成树种为黄檀、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
实验小区由江苏省水文水资源勘测局于2020年设立，是江苏省水土保持监测与管理信息系统工程所建站点，小区内监测项目有降雨、径流、泥沙、植被覆盖度/郁闭度、土壤水分和作物产定等。主要测报设施有5个面积为100m2长宽尺度为20m×5m的标准坡面径流小区，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。径流场内通过选取一组植被覆盖度小于5%的裸地坡面作为裸地代表小区，其余小区分别耕作年龄为3a的梨树、椤木石楠、黑麦草、大豆，分别代表经果林、灌木林、草地、农业不同水保措施，实验所选水保措施均为黄泛平原区具有代表性的措施类别，采用自然耕作与当地种植措施保持一致，小区内土壤类型为沙土、土层厚约50cm，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。文章所选观测年份为2020-2021年，各小区概况见表1.
表1 2020-2021年径流小区概况 | |||
编号 | 水保措施 | 坡度/° | 植被覆盖度/% |
1 | 梨树 | 3 | 60 |
2 | 椤木石楠 | 3 | 80 |
3 | 裸地 | 3 | 5 |
4 | 黑麦草 | 3 | 99 |
5 | 大豆 | 3 | 80 |
2.2 数据观测方法
降雨量数据通过翻斗式遥测雨量计获得，定期校核、巡查、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。径流量测验前清除集流桶盖板积水，防止积水进入桶内，影响测验精度，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，采集桶内泥沙样，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，将泥沙全部取出称重，测定含水量、干土重，参与泥沙总量计算，并采用烘干法对含沙量进行测定。每15天观测植被盖度及郁闭度，产流发生后加测一次，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，测定后的土壤深度为20cm。对经果林和农作物林产量进行监测，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，文章所摘选数据为2020-2021年的降雨、径流、泥沙等数据。
3 结果分析
3.1 2020-2021年降雨量特征及产流产沙
据气象站统计降雨数据，2020年降水总量为992mm，高于该区多年平均降水量，年降水日数为85日，最大日降水量为89.5mm。2021年降水总量1197mm，远高于多年平均降水量，年降水日数为80日，最大日降水量为102mm。根据气象水文部门关于降雨量等级的划分标准，24h降雨量小于10mm的为小雨；24h降雨量10～25mm的为中雨；24h降雨量25～50mm的为大雨；24h降雨量50～100mm的为暴雨；24h降雨量100～250mm的为大暴雨；24h降雨量250mm以上的为特大暴雨，将场次降雨根据等级进行划分。通过分析不同年度内场次降雨中最大I10、最大I20、最大I30和平均雨强对坡面径流场产生径流之间的关系，利用回归分析发现，最大I30拟合程度最好，关系最紧密[3]。降雨等级及最大30min雨强情况见表2。
表2 2020-2021年研究区降雨及降雨强度划分情况 | |||||||||
年份 | 项目 | 降雨等级 | 最大30min降雨强度分级/mm·h-1 | ||||||
小雨 | 中雨 | 大雨 | 暴雨 | 大暴雨 | <10 | 10～30 | >30 | ||
2020 | 降雨次数 | 50 | 9 | 5 | 4 | 1 | 60 | 5 | 4 |
降雨量/mm | 172 | 154.5 | 223.5 | 293 | 149 | 413 | 247 | 332 | |
2021 | 降雨次数 | 30 | 7 | 11 | 4 | 2 | 38 | 7 | 9 |
降雨量/mm | 130 | 123 | 428.5 | 284.5 | 231 | 318.5 | 382 | 496.5 | |
由表2数据可知，该区域降雨场次多为小到中雨，2020年和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%。可见小到中雨虽场次多但不是该区域主要降雨量，大雨及以上级别降雨场次在2020年和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%。降雨量主要分配来自大雨、暴雨及大暴雨。受2021年台风“烟花”影响使得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20.66%，是一个典型的丰水年，且年内降雨场次最大I30分级比2020年度有明显抬高，根据小区内实验数据，2021年度产生径流次数更多，且多发生在最大I30>30mm/h的场次，分别摘选2020年和2021年产生径流的场次如表3所示。
表3 产生径流的降雨场次信息 | ||||
产流时间 | 降雨量/mm | 降雨等级 | I30/mm·h-1 | 降雨侵蚀力/MJ·mm·hm-2·h-1 |
2020-07-11 | 76.5 | 暴雨 | 24 | 279.49 |
2020-08-06 | 118 | 大暴雨 | 79 | 987.75 |
2020-11-17 | 61.5 | 暴雨 | 16 | 220.66 |
2021-06-03 | 27 | 大雨 | 35.25 | 245.75 |
2021-06-30 | 70.5 | 暴雨 | 66.46 | 1243.85 |
2021-07-14 | 49 | 大雨 | 38.27 | 440.06 |
2021-07-15 | 92.5 | 暴雨 | 39.27 | 747.68 |
2021-07-27 | 130 | 大暴雨 | 20.14 | 450.42 |
2021-08-19 | 48.5 | 大雨 | 37.26 | 403.61 |
2021-08-22 | 50.5 | 暴雨 | 37.26 | 459.36 |
2021-08-29 | 41.5 | 大雨 | 40.28 | 397.69 |
2021-09-03 | 71.5 | 暴雨 | 23.16 | 337.82 |
2021-09-19 | 41 | 大雨 | 35.25 | 298.1 |
2021-09-24 | 69 | 暴雨 | 22.15 | 305.22 |
由表3数据可知，该小区产生径流场次均为大雨及以上级别，产流所需降雨量大且最大30min雨强均很高，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>30mm/h时，短时雨强大于土壤下渗能力，此时产生超渗地表径流和壤中径流。当30mm/h>I30>10mm/h时，如果是历时较短，只可能产生壤中径流，历时较长则出现饱和地面径流即蓄满产流和壤中径流。前期影响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，前期影响雨量较大，此时该区域前期土壤含水量偏大，极易形成蓄满产流。结合小区的坡度和土层各向异性的客观影响形成降雨径流，并最终携带泥沙进入集流桶中。采集桶内水样后静置完全沉淀，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，通过与各小区产生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。
3.2不同水保措施下小区产流产沙
2020年-2021年径流小区共监测到13次侵蚀性降雨径流过程，如表4所示，这13次产生径流的降雨总量为947mm，裸地、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、64.66mm，场均径流中含沙量分别为1.61、0.91、0.81、0.42、0.41g/l。可见在2020-2021年间不同小区中产流及含沙量的大小关系为：荒草地小区>梨树小区>大豆小区>椤木石楠小区>黑麦草小区。从每场降雨的土壤流失量来看也呈现这个趋势，荒草地土壤流失量也明显大于其余小区。不同水保措施通过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，不同的植被措施对土壤进行改造，增加土壤内的营养物质和有机质的含量，改良土壤的结构与质地，通过植被拦蓄从而减弱降雨侵蚀动能，提高土壤的下渗能力，能够有效减少坡面径流的同时减少泥沙量。
从表3及表4看出，各小区的径流深大小均与降雨量及雨强均呈正相关趋势，径流量随着雨量的变大而变大，并且当两场降雨量接近时，雨强越大降雨历时也就越短，在土壤下渗速率不变的情况下，下渗量减少，所产生的径流深也越大。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含有明显关联关系，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年刚耕作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，经过一年的植被耕作根系生长在2021年研究相类似的降雨径流过程中发现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，得出梨树小区的土壤流失量最大，大豆次之，椤木石楠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、种植方式均有关，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，成长周期快，深活土层固持土壤能力强，使土壤团粒水稳性、分散特性和团粒结构得到明显的改善，提高土壤抗蚀性，提高植被覆盖率，扩大水土保持面积，减少径流及泥沙的产生[4]。椤木石楠作为灌木林措施，植被覆盖度达80%，灌木作为木本植物中最大的群体，对地表的覆被和根系的壮大有极为突出的能力，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，减缓侵蚀作用。大豆作为农业措施比梨树的经果林措施防治土壤流失效果好，可能是因为大豆采用横坡顺向平播密植，无垄栽培减少汇水量，增加了地面渗透时间；不中耕，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，增加土壤渗透量[5]，径流减少，土壤流失量较经果林少，梨树树龄较短且耕种时间不长地表植被覆盖率不高，在汛期降雨集中、雨强大的情况下，水土防治效果不够理想，水土流失较大，其水土保持主要依靠果树根系在长时间的发育中形成强大的团聚结构从而深入土壤对径流进行拦蓄，在对土壤保持通气透水的同时起到蓄水固土的作用，应该说梨树的水土保持效果的潜力是最大的，地下根茎的蓄水量相比较灌木林、草本植物有着天然的优势。综上所述，根据各小区的径流量、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为：黑麦草>椤木石楠>大豆>梨树。
表4 不同水保措施下2020-2021年各场次降雨径流量、含沙量、土壤流失量 | |||||||||||||||
产流时间 | 径流深/mm | 含沙量/g·l-1 | 土壤流失量/t·h-1·m-2 | ||||||||||||
荒草地 | 梨树 | 大豆 | 石楠 | 黑麦草 | 荒草地 | 梨树 | 大豆 | 石楠 | 黑麦草 | 荒草地 |
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