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        元謀干熱河谷林地和農(nóng)地集水區(qū)尺度水土流失對(duì)比研究

        2012-09-08 11:10:52陳奇伯王克勤劉培靜李苗苗
        中國(guó)水土保持 2012年7期
        關(guān)鍵詞:集水區(qū)產(chǎn)沙量產(chǎn)流

        劉 海,陳奇伯,王克勤,周 玲,劉培靜,李苗苗

        (1.西南林業(yè)大學(xué),云南 昆明 650224;2.云南巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院,云南昆明650011;3.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司,云南昆明 650051)

        元謀縣位于云南省楚雄州北部,地處金沙江一級(jí)支流龍川江的中下游,是金沙江干熱河谷區(qū)的典型區(qū)段,屬我國(guó)西南生態(tài)脆弱區(qū)[1-2]。區(qū)內(nèi)生產(chǎn)條件落后,人口與資源矛盾突出,坡耕地面積不斷增大,成為水土流失加劇的主要根源。目前,對(duì)干熱河谷區(qū)水土流失的研究主要以坡面徑流小區(qū)尺度為主[3-5],而以集水區(qū)尺度研究的較少。研究土地利用類型變化與水土流失關(guān)系時(shí),坡面徑流小區(qū)無(wú)法與之匹配,較可行且有效的方法是以集水區(qū)或小流域?yàn)閱卧?,因?yàn)樵摮叨鹊难芯考缺3至颂烊粻顩r下的徑流流動(dòng),又能避免徑流小區(qū)觀測(cè)放大了侵蝕量的不足,通過(guò)測(cè)定集水區(qū)出口處的徑流和泥沙,能有效評(píng)價(jià)流域土地利用類型、水土保持措施變化對(duì)水土流失的影響[6]。本研究選取元謀縣老城鄉(xiāng)轄區(qū)內(nèi)林地和農(nóng)地2個(gè)集水區(qū),比較了2個(gè)集水區(qū)尺度的水土流失特征,并分析了徑流深與產(chǎn)沙量的關(guān)系,旨在為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)恢復(fù)及水土流失防治提供借鑒。

        1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)選擇在元謀縣城東南部老城鄉(xiāng)“長(zhǎng)江中上游水土保持重點(diǎn)治理項(xiàng)目區(qū)”的那能小流域內(nèi)。該流域?qū)偕钋泻庸鹊蜕角鹆甑孛?,為低緯度南亞熱帶季風(fēng)河谷干熱氣候[2],年均氣溫21.9℃,年均降雨量626 mm,年最大降雨量960 mm,年最小降雨量287 mm,干濕季分明,雨季(6—10月)受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的共同影響,降雨量多達(dá)542.4 mm,占全年總降雨量的86.65%,年蒸發(fā)量3 911.1 mm,旱季長(zhǎng)達(dá)7~8個(gè)月。四季不分明,全年基本無(wú)霜,被譽(yù)為“天然溫室”[7]。土壤類型主要為燥紅土、紅壤、變性土、紫色土,而燥紅土和紫色土是該區(qū)地帶性土壤的典型代表[3],燥紅土土層薄、石礫含量較高、保水性差、有效養(yǎng)分缺乏,紫色土是一種強(qiáng)侵蝕性土壤。植被類型為稀樹(shù)灌木草叢,喬木主要有云南松(Pinus yunnanensis)、桉樹(shù)(Eucalyptus spp.);灌木矮小稀疏,代表樹(shù)種有銀合歡(Leucaena glauca)、余甘子(Phylanthus emblica)、車桑子(Dodonaea viscosa);草本代表植物有扭黃茅(Heteropogon contortus)、旱茅(Eremopogon delavayi)。試驗(yàn)地植被以銀合歡、車桑子及扭黃茅群落為主,散生劍麻和少量野生華西小石積(Osteomeles schwerinae)。

        2 研究方法

        選擇2種不同土地利用類型林地集水區(qū)和農(nóng)地集水區(qū)為研究對(duì)象,設(shè)立卡口站,集水區(qū)量水建筑物選用三角形薄壁堰,采用Odyssey電容式水位記錄儀與人工量測(cè)相結(jié)合方法量測(cè)水位,用RG2-M自記雨量計(jì)測(cè)定試驗(yàn)區(qū)每場(chǎng)降雨的降雨量及降雨歷時(shí)。集水區(qū)土地利用現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

        徑流總量為堰池內(nèi)徑流體積和過(guò)堰徑流體積之和。堰池內(nèi)徑流體積計(jì)算式為V1=h×A,其中h為堰池水深,A為堰池底面積;過(guò)堰徑流體積計(jì)算式為V2=Q1×t,其中Q1為過(guò)堰流量,采用三角形薄壁堰測(cè)流量計(jì)算公式Q1=1.4×H5/2(H為過(guò)堰水頭)[6]計(jì)算,t為徑流過(guò)堰持續(xù)時(shí)間。集水區(qū)推移質(zhì)泥沙采用體積法、懸移質(zhì)泥沙采用置換法測(cè)定。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 降雨特征及其變化

        元謀干熱河谷特殊的氣候條件及焚風(fēng)效應(yīng),使得區(qū)內(nèi)干熱程度加劇且降雨量減少。據(jù)元謀氣象站觀測(cè)資料,試驗(yàn)區(qū)2010年雨季降雨41次,總降雨量386.4 mm,占雨季多年平均降雨量的71.24%,較往年偏少且降雨量分配不均。研究區(qū)2010年降雨特征見(jiàn)表2。

        從表2可以看出,6、7、8月降雨次數(shù)較多,7月降雨類型最為豐富且降雨量達(dá)189.2 mm,高于多年平均值,占雨季總降雨量的48.96%,其他月份降雨量均遠(yuǎn)小于相應(yīng)的多年平均降雨量。元謀縣2009年下半年至2010年5月8日滴雨未降,屬百年不遇的重大旱情,5月9日出現(xiàn)降雨,但5、6月降雨量?jī)H分別為9.2、55.0 mm,降雨量過(guò)小,旱情并未得到緩解。7月降雨次數(shù)增多,降雨量猛增且高于多年平均值,僅7月28日的單次降雨量就達(dá)101.8 mm,表明暴雨是元謀干熱河谷降雨量增加的主要形式。雨季若降雨時(shí)間較為集中,即便降雨量較小也可產(chǎn)生徑流。據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年集水區(qū)產(chǎn)流降雨為12次,占總降雨次數(shù)的29.26%,表明干熱河谷地區(qū)年降雨總量中,大部分降雨屬小強(qiáng)度降雨和全部入滲的小量降雨,并不能產(chǎn)生徑流。

        表1 2010年集水區(qū)土地利用現(xiàn)狀

        表2 研究區(qū)2010年6—10月降雨特征

        3.2 不同集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)比分析

        影響水土流失的因素較多且比較復(fù)雜,其中降雨是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的動(dòng)力條件[7],產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量隨降雨量的變化而變化。研究降雨量少且集中的干熱河谷集水區(qū)降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系,對(duì)認(rèn)識(shí)該區(qū)水土流失特征具有重要意義。2010年2個(gè)集水區(qū)12次產(chǎn)流降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征值對(duì)比見(jiàn)表3。

        表3 2010年2個(gè)集水區(qū)12次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征值對(duì)比

        表3顯示:徑流深總值為農(nóng)地>林地。不論是產(chǎn)流量還是產(chǎn)沙量均為降雨量大其值則大,7月28日產(chǎn)流降雨量為101.8 mm,2個(gè)集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙值均達(dá)到最大;12次產(chǎn)流降雨中降雨量在4.8~27.6 mm之間時(shí),徑流深基本趨勢(shì)為農(nóng)地<林地,原因在于農(nóng)地中旱地、裸地及稀疏草地的植被覆蓋度較低、土壤疏松、土層比較深厚,其水分入滲速率、總孔隙率和持水性都較高,溝道及跌坎地類覆蓋部分雜草幾近裸露,導(dǎo)致大量降雨直接打擊地表的機(jī)會(huì)增加,當(dāng)降雨量較小時(shí),這些地類吸持水的能力比林地強(qiáng),所以徑流量會(huì)較林地小。同時(shí),隨著降雨量的繼續(xù)增加,農(nóng)地集水區(qū)中旱地、裸地、溝道及跌坎等地類達(dá)到飽和狀態(tài)后土壤保水能力降低,土壤水分飽和之后的降雨則全部形成徑流;水泥路面徑流系數(shù)較大,除較少降雨入滲外,其余均形成地表徑流,使得農(nóng)地的產(chǎn)流速率增大,這些均是造成農(nóng)地在降雨量較大時(shí)徑流深較大的原因。

        表3表明,農(nóng)地產(chǎn)沙量一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于林地,原因在于降雨量較小時(shí),林地雖產(chǎn)流較多,但植被覆蓋率較高的林地、稀疏草地,其植被冠層截留降雨使降雨量削減,保存較好的枯枝落葉層能降低徑流流速[8],使徑流在地面上滯留的時(shí)間延長(zhǎng),增加了土壤下滲時(shí)間,使得土體比較緊實(shí),沙粒不易被起動(dòng)和搬運(yùn),從而減少了徑流所攜帶的泥沙;植物根系盤(pán)結(jié)、保持水土,從根本上保護(hù)和改良了土壤結(jié)構(gòu),增加了土壤免遭侵蝕的能力,因此能減少水土流失。農(nóng)地集水區(qū)中旱地、裸地、稀疏草地、溝道及跌坎等地類土質(zhì)比較疏松,人為對(duì)表土的干擾比較大,又非長(zhǎng)期有覆蓋度較高的作物保護(hù),因此較林地更易遭受雨滴的打擊和徑流對(duì)表土的沖刷、搬運(yùn),從而使土壤流失量增加。特別是7月28日產(chǎn)流降雨量為101.8 mm時(shí),農(nóng)地徑流深、產(chǎn)沙量遠(yuǎn)高于林地,說(shuō)明持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的大雨、暴雨易造成嚴(yán)重的水土流失。

        2010 年雨季林地、農(nóng)地總徑流深分別為9.56、25.01 mm,產(chǎn)沙量分別為218.04、354.08 t/km2。與農(nóng)地相比,林地徑流深減少了61.77%,輸沙模數(shù)減少38.42%。結(jié)合表1,林地植被覆蓋度65%,遠(yuǎn)高于農(nóng)地(30%),說(shuō)明覆蓋度高的植被有較好的調(diào)節(jié)徑流、保水與抗侵蝕作用,故林地的總產(chǎn)流量較小,所攜帶的泥沙量也較少。農(nóng)地集水區(qū)地類豐富且缺少植被覆蓋,其徑流深與產(chǎn)沙量均很大??梢?jiàn)林地?cái)r蓄徑流、削減泥沙的效果要優(yōu)于農(nóng)地。

        3.3 不同集水區(qū)產(chǎn)流與產(chǎn)沙之間的關(guān)系

        通過(guò)對(duì)林地與農(nóng)地2個(gè)集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙值進(jìn)行分析,剔除7月28日的奇異值,建立不同集水區(qū)產(chǎn)沙量(S)與產(chǎn)流量(W)之間的線性方程,結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,兩個(gè)集水區(qū)的相關(guān)系數(shù)(R2)都在0.61以上,產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系,產(chǎn)沙量隨徑流深的變化而變化。從直線斜率來(lái)看,林地為78.078,農(nóng)地為270.45,前者明顯小于后者,表明產(chǎn)流量接近時(shí)農(nóng)地產(chǎn)沙量增大的速率高于林地,林地的水土保持效果明顯好于農(nóng)地。

        表4 2個(gè)集水區(qū)產(chǎn)流與產(chǎn)沙相關(guān)方程

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)元謀干熱河谷區(qū)年降雨總量中,大部分降雨屬低強(qiáng)度降雨,雨量小、入滲量大,并不能產(chǎn)生徑流,暴雨才是該區(qū)徑流產(chǎn)生的主要降雨方式。2010年雨季產(chǎn)流降雨為12次,占總降雨次數(shù)的29.26%。

        (2)與農(nóng)地集水區(qū)相比,林地集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量總值低,徑流深減少61.77%,輸沙模數(shù)減少38.42%。有效降雨在4.8~27.6 mm之間時(shí),徑流深為農(nóng)地<林地,產(chǎn)沙量為農(nóng)地>林地;有效降雨量>27.6 mm時(shí),徑流深、產(chǎn)沙量均為農(nóng)地>林地,林地、農(nóng)地總徑流深分別為 9.56、25.01 mm,產(chǎn)沙量分別為218.04、354.08 t/km2。

        (3)2個(gè)集水區(qū)的相關(guān)系數(shù)都達(dá)0.61以上,產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系,產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流量的增加而增加,且產(chǎn)流量相近時(shí)農(nóng)地產(chǎn)沙量增長(zhǎng)速率要高于林地,林地的水土保持效果要明顯好于農(nóng)地。

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