基于不同降雨條件對小流域水土流失的影響分析

曾晶偉

(惠州市博潤生態工程咨詢有限公司,廣東 惠州 516000)

0 引言

徑流和水土流失過程受到許多因素的影響,但在這些因素中,降雨和土地利用是最常研究的兩個因素。徑流和泥沙的產生被認為在不同的降雨類型中差異很大。降雨系統的時空分布與流域的水文響應之間存在復雜的相互作用。局部風暴模式對于確定徑流過程線的形狀很重要。根據地塊層面不同的土地覆蓋類型,將徑流產生和泥沙轉移的根本差異歸因于此。水土流失主要受土地利用的影響,而不是受地塊規模和集水區規模的環境特征的影響。長期休耕和/或多年生植被下的小流域的年直接徑流通常在年降雨量的15%～24%之間變化。在種植年份,流域土壤物質的損失可能是休耕條件下的六倍。盡管不同地點和不同情況下的響應差異很大,但森林覆蓋的減少導致水量增加,而重新造林導致水量減少,而暴雨和旱季水流狀況的變化更為多變和復雜,取決于氣候、土壤財產和土地利用的變化。結合降雨,也有證據表明,土地利用的變化影響了各個流域的水文狀況。這些變化對小流域的影響可能是顯著的。

1 研究區域

這項研究是在位于中國某小流域進行的。占地16.7 km2。流域內的高程范圍為184～1 180 m,坡度范圍為2°～58°,平均23°。某小流域的溪流呈羽狀水系,主河道長度約6 500 m。該地區的母質大多為白堊紀或第三紀的紫色頁巖、砂質頁巖和砂巖,其中含有大量特定礦物學形式的鐵和錳氧化物。研究流域內有兩個主要的土壤群:源自紫色砂質頁巖的紫色土壤和源自紫色土壤的水稻土。根據農業部土壤分類法,紫色土壤和水稻土分別被歸類為土壤土和水溶土。年均懸移質輸沙量為8 033 t/a。氣候為亞熱帶氣候,平均氣溫在11℃～18℃之間。年平均降水量為1 016 mm,其中70%發生在5-9月之間。某小流域有六個村莊和4 920人。人口密度為295 人/km2,人口自然增長率為0.66%。

2 勘察現場調查

圖1 某小流域2005年(A)、2010年(B)和2015年(C)的土地利用圖

3 研究實驗方法

3.1 實驗儀器及過程

一套由連續記錄雨量計、水位記錄儀和淤泥采樣器(瓶式)組成的儀器分別用于記錄降雨量、流量和泥沙流量。水位每15 min測量一次,然后通過定期流量測量獲得的校準額定曲線轉化為流量。懸浮泥沙濃度(SSCs)采用重量法測定。懸浮沉積物樣本僅在降雨-徑流事件期間采集,每次事件期間需要>10個樣本。通過0.45 μm過濾器對水樣進行真空過濾,并將殘留物在105℃下烘干24 h。每個干燥殘留物的重量和樣品體積提供SSC(g m-3)。然后根據SSC和排水數據計算懸浮泥沙量。在流量增加超過降雨事件開始時記錄的基準流量1.5倍的情況下,發現了洪水。使用經典過程線分離方法,將徑流分為暴雨流和基本流兩類。有幾次,出現故障的設備阻礙了對風暴的全面監測。2005-2014年期間,對152個事件進行了水文分離,獲得了合理完整的沉積物濃度記錄。

3.2 聚類方法

采用聚類方法對降雨事件進行分類。聚類方法是統計分析中的一種基本而重要的工具。它旨在根據物體的相似性對其進行分組,并已被廣泛應用于各個科學領域。聚類有兩種方法:層次方法和K-means方法。K-means聚類方法適用于大量數據,并且在分類之前需要聚類數。為了確定數據集中聚類的數量,已經提出了許多標準。在本研究中,通過反復試驗選擇了最合適的聚類數。該分類符合顯著水平的方差分析標準(P<0.001)。

3.3 統計分析

對于每一次降雨-徑流事件,考慮到其水土流失性,對單個風暴的特征進行了評估。隨后使用三組變量對洪水事件進行了表征。采用了徑流系數、地表徑流和總懸移質輸沙量三個指標。

表1 統計分析中使用的洪水變量

RC=R/P R=Q-BF

(1)

其中,RC、R、P、Q和BL分別表示徑流系數、地表徑流、降水量、總流量和基流量。

TL=Qmean×SSCmean

(2)

式中:TL、Qmean和SSCmean分別表示總懸移質輸沙量、平均流量和平均洪水SSC。所有結果均使用SPSS13.0進行計算。

4 影響結果分析

4.1 降雨情況

將152個降雨事件分為三組,采用K-均值聚類。在此過程中使用了三個降雨變量,包括深度(P)、持續時間(D)和最大30 min降雨強度(I30)。根據10 a的降雨測量聚類,152次降雨事件被分為三種降雨模式。降雨工況III發生94次,總深度2 050.3 mm。降雨工況I發生46次,總厚度1 349.1 mm。然而,降雨工況II僅觀測到14次,總高度817.7 mm。平均P和D按以下順序下降:降雨工況II>降雨工況I>降雨工況III。降雨模式III的平均I30值最高,其次是降雨模式II和I。每個降雨模式的一般特征可描述如下:降雨模式I由中等P、中等D和低I30的降雨事件組成。降雨工況II是一組具有高平均P和長D的降雨事件。然而,降雨工況III具有低P和短D。

除2005年和2014年外,第二降雨區的總深度均低于其他降雨區。這是因為第二種降雨方式的頻率是所有降雨方式中最低的;事實上,它甚至在2008年和2012年都沒有發生過,數值為31.8 mm(2013年),第三降雨區的平均I30最高,其次是第一和第二降雨區。圖2顯示了152個事件中I30和D之間的關系,并表明I30值較大的事件很少持續很長時間。I30>20 mm的事件與D<1 000分鐘的事件一致。這是不同降雨模式的決定性特征。

圖2 某小流域152個事件最大30 min強度和持續時間的關系

4.2 土地利用變化

2005-2015年間,某小流域的土地利用發生了巨大變化。2005年,森林覆蓋了研究區域的44.5%,農田覆蓋了23.3%(389.4 hm2),稻田覆蓋了19.8%(330.7 hm2)。其他土地利用類型相對較少,包括灌木林(3.2%)、果園(4.2%)、農村居民點用地(3.9%)和水體(0.7%)。到2015年,稻田和耕地面積顯著減少。果園是一種非農業用地,旨在增加農民收入,2015年增長了2.8倍,占流域面積的11.9%。發生了重要的變化,例如,一些坡度大于25°的陡峭土地被改為森林。這一變化與20世紀90年代TGA為土壤保護實施ISWM有關。在此期間,森林在2010年增加到48.6%,在2015年增加到55.4%。

4.3 不同降雨狀態下的水土流失

根據三種降雨方式下的徑流和土壤流失特征,我們發現,不同降雨方式的RC和TL值如下:降雨方式II>降雨方式I>降雨方式III。降雨方式I產生了最多的累積輸沙量(4 283 t),總流量(368.7 mm)較高,遠遠超過第二和第三種降雨模式。然而,第三種降雨量模式產生了低平均含沙量和大量P(2 050.3 mm)。盡管第一降雨區的累積流量大于第二降雨區,但這兩個降雨區的總地表徑流量幾乎相同。

4.4 2005-2014年不同降雨方式下的水土流失趨勢

2005-2014年期間,所有三種降雨方式的RC和泥沙量都呈下降趨勢。這些趨勢顯示了每個降雨制度的徑流系數和泥沙量都有類似的下降。降雨工況II的徑流系數和輸沙量急劇下降。降雨工況I比降雨工況II下降得更平緩。然而,第三種降雨模式只有輕微的下降。

以RC和TL為因變量,以降雨狀況和土地利用為自變量進行方差分析(2005-2009年期間的事件作為一種土地利用,2010-2014年期間的活動作為另一種土地使用)。雙向方差分析顯示,TL在不同降雨模式之間(P=0.009)和不同降雨模式間(P=0.008)存在顯著差異。然而,僅在不同土地利用之間(P=0.001)發現RC的顯著差異。在RC或TL中,降雨模式和土地利用之間沒有發現統計學上顯著的相互作用。

5 討論

5.1 不同降雨制度對徑流和土壤流失的影響

根據這項研究,III型降雨是最頻繁的降雨事件,累積降雨量最大。它對土壤的水土流失作用很小,不會產生嚴重的水土流失和水分損失。降雨工況II僅占總降雨事件的一小部分,但其產生的泥沙量與降雨工況III幾乎相同。降雨工況II的平均SS負荷幾乎是降雨工況I的三倍,是降雨工況III的六倍。它對土壤表面具有破壞性影響。降雨制度I往往比其他制度引起更高的總徑流量和總水土流失。這一結果強調了降雨類型作為徑流和水土流失的主要原因的重要性。從這個角度來看,降雨深度是預測或指示研究區域水土流失程度的最重要因素。其他研究也證實,降雨深度在徑流和泥沙生成中起著至關重要的作用。

大部分徑流量和輸沙量是由少量徑流事件產生的。這一發現顯示了累積徑流和輸沙量的百分比作為事件百分比的函數。這些結果清楚地強調了研究流域內徑流量和產沙量的可變性,并且與其他農業流域研究一致,因為大部分沙量是在少數事件中輸送的。許多降雨深度小、持續時間短的降雨事件產生的徑流有限,幾乎沒有沉積物,這一點在第三降雨模式中尤為明顯。

5.2 土地利用對徑流和土壤流失的影響

除了定義地表凹陷儲存外,土地利用還定義了裸露的土壤表面的比例,因此暴露在雨滴的沖擊和結皮中。這一因素直接影響攔截能力以及地表和地下蓄水能力。耕地被認為是該地區沉積物產量的主要貢獻者。大部分土壤流失發生在6-8月,這與農村活動相對頻繁的時期相吻合。與本研究區域的主要土地利用變化非常相似,當耕地轉為果園或森林時,農村活動減少。果園或森林的樹冠可以降低雨滴的水土流失力,它們為森林地面的土壤覆蓋提供了材料。因此,當雨滴到達土壤時,取決于雨滴大小和速度的雨滴能量幾乎為零。此外,它們的生根系統還將有效地保持土壤顆粒,使土壤更耐水土流失。根系的滲透及其隨后的生長可以壓實附近的土壤,從而提高其對水土流失的抵抗力。流域的土壤主要是由紫色砂巖發育而成的紫色土壤;它們具有較高的巖石碎片含量,并且富含大孔。大孔隙的出現與土地利用和農業管理實踐密切相關。有人認為,農業管理,特別是深耕和集約土壤耕作,會減少土壤的大孔隙性,從而有助于增加農業地區的暴雨徑流。其他研究證實,森林面積的增加會導致流量和沉積物的顯著減少。

5.3 土地利用和降雨制度相互作用對徑流和土壤流失的影響

然而,在第一和第二降雨模式下顯示出的急劇下降趨勢與第三降雨模式下更溫和的下降趨勢形成了對比。這種差異主要是由于第三降雨狀態下的平均降水深度和單個降雨事件的持續時間低于第一和第二降雨模式。因此,徑流和水土流失對土地利用的反應最敏感的是降雨制度II,其次是降雨制度I,然后是降雨制度III。這表明降雨特征對不同暴雨徑流產生機制的相對重要性具有決定性作用。與降雨量較低的降水引起的洪水相比,降雨量較大的風暴引起的徑流受地表條件的影響更大,尤其是當降雨強度與土壤的滲透能力在同一數量級時。產生大部分徑流量和輸沙量的少量徑流事件主要發生在2010年之前。

土地利用變化決定了徑流(P=0.001)和輸沙量(P=0.008)的變化趨勢。不同降雨方式對RC變化的敏感性顯著不同。研究結果表明,土地利用條件對暴雨徑流產生的影響在很大程度上取決于降雨事件的特征。坡面水土流失主要受降雨特征和土壤表面特征的控制。

6 結語

在本文中,使用基于降雨深度、最大30 min強度和持續時間的K-均值聚類,從152個事件中對三種降雨情況進行了分類。降雨制度I造成的累積徑流和土壤損失比例最大。不同降雨制度的平均徑流系數和平均輸沙量值如下:降雨制度II>降雨制度I>降雨制度III。2005-2014年,某小流域從稻田和農田向森林和果園的轉變是最重要的土地利用變化。結果表明,在不同的降雨條件下,不同土地利用(2010年前后的土地利用)的徑流量和土壤損失差異很大。顯然,研究期間土地利用變化的總體影響是某小流域的徑流和土壤流失顯著減少。不同的降雨狀態對這種下降的敏感性是決定性的。降雨深度較大的風暴(主要是在第一和第二降雨模式下)引起的徑流比降雨深度較低的降水引起的洪水更受地表條件的影響。