吳 玫，何丙輝，王銳亮

（西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶400716）

降雨徑流的形成過程是降雨經(jīng)植物截留、填洼和下滲等損失后，剩余的雨水（即凈雨水）在流域形成地表和地下徑流，再經(jīng)過河槽匯聚，形成出口斷面的流量過程［1］。徑流可分為：地面徑流、壤中流和地下徑流，降雨產(chǎn)流后，徑流順坡向下運(yùn)動(dòng)，分別形成坡面流、細(xì)溝、淺溝流及溝道流等多種水流類型，在其作用下相應(yīng)形成了片蝕、坡面細(xì)溝侵蝕及溝道侵蝕等土壤侵蝕方式和類型［2］。黃秉維［3］認(rèn)為，坡面上的降雨徑流侵蝕首先是土粒與土體分離，其次是與土體分離的土粒被搬運(yùn)走，并指出細(xì)溝徑流剪切力是最大的侵蝕力。各月徑流的主要影響因子各不相同，5月、6月、9月主要受當(dāng)月降雨影響，1月、3月、11月、12月主要受前期徑流影響，其余月份徑流同時(shí)受當(dāng)月降雨及前期徑流的影響［4］。且徑流流速與坡度及時(shí)間呈正相關(guān)且流速與徑流量呈冪函數(shù)關(guān)系，坡度越大，徑流量受流速的影響越明顯［5］。

目前存在的產(chǎn)沙模型中以多年平均產(chǎn)沙模型為主。Restrepo等［6］根據(jù)不同流域類型歸納總結(jié)了8種產(chǎn)沙模型，這些模型中分別考慮了最大排水量、平均高度、排水面積、最大月降雨、多年平均年徑流、地形起伏比等因素。Rompaey等［7］根據(jù) USLE－2D程序提出了泥沙年度運(yùn)力模型：TC＝KTCRK（LS－5．3S0．8g），這些模型在實(shí)際應(yīng)用中需要獲取的數(shù)據(jù)難度大。戴明英根據(jù)無定河流域徑流與泥沙形成過程將泥沙分割成坡面與河道挾沙等部分分別計(jì)算并綜合建立了水—沙關(guān)系：Ws＝0．0306W1．27年表，式中：Ws為年沙量，W年表為地表年徑流量［8］。王瑄等［9］認(rèn)為降雨量、坡度、最大瞬時(shí)雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)沙量影響顯著，鄭明國(guó)等［10］研究了次暴雨徑流和產(chǎn)沙的關(guān)系，黃土高原水沙關(guān)系的研究已取得大量成果［11－14］，但紫色土丘陵區(qū)這方面的研究還比較少。本研究旨在為深入研究川北紫色土區(qū)土壤侵蝕規(guī)律提供模型參數(shù)和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)小流域位于東經(jīng)105°44′，北緯31°31′，地處南充市南部縣升水鄉(xiāng)升鐘水庫大壩右側(cè)350m處。本研究選擇Ⅱ號(hào)支溝為試驗(yàn)溝，其形狀為羽毛形，海拔高程為494～680m，流域面積為0．419km2，干流長(zhǎng)度為0．35km，干流平均比降為310%；林木栽植面積0．079km2，林草栽植面積0．105km2，林草覆蓋率為21．95%，水土流失面積0．243km2，主要為25°以上的基坡地，白堊紀(jì)砂巖及砂質(zhì)黏土層，土壤為遂寧組紫色土，顯弱堿性，以黏土及黏壤土為主，土壤侵蝕均為中、強(qiáng)度侵蝕。

研究區(qū)氣候溫和，雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。多年平均降雨量為975mm，最高年雨量為1 476．6 mm（1981年），最小年雨量為558．3mm（1979年），多年平均降雨日數(shù)為142d，汛期（5—10月）降雨量占全年降雨量的73．5%，以7—9月份最為集中，約占全年總降雨量的58．2%。

由于降雨分布不均，旱、澇災(zāi)害頻繁。盛夏7月、8月氣溫劇增，日照、輻射量達(dá)最大值，往往形成旱災(zāi)，同時(shí)降雨在此時(shí)高度集中，地表徑流量大，常形成洪澇。1987—1989年在試驗(yàn)小流域進(jìn)行了水土保持前期治理，初步改變了以往的落后面貌。Ⅱ號(hào)溝采取以林草措施為主的生物工程治理，植榿木5．33萬株，柏樹3．74萬株，桑樹3．14萬株，柑橘樹800株，發(fā)展家庭小果園4處，種植馬桑、黃荊等10．33hm2。新開沿山溝、水平溝1．66km，擴(kuò)建塘堰兩座，新增蓄水量800m3，治理面積達(dá)49．2%。試驗(yàn)小流域土地總面積41．90hm2，其中農(nóng)耕地10．07hm2、林地25．80 hm2、荒地2．27hm2、其它用地3．76hm2。

1．2 研究方法

（1）降雨資料的測(cè)定：在升鐘水土保持試驗(yàn)站Ⅱ號(hào)小流域中部開闊地設(shè)置DSJ－2型虹吸式自記雨量計(jì)（記錄紙分度范圍0．1～10mm，記錄誤差±0．05 mm，降水強(qiáng)度記錄范圍0．01～4mm／min，承水口內(nèi)徑Φ200＋0．6mm，自記紙上雨量最小分度0．1mm，全程記錄時(shí)間26h，時(shí)間最小分度10min），并輔以人工雨量計(jì)，記錄和測(cè)定降雨資料，其中雨量資料的摘錄以每日早上8：00到次日8：00為時(shí)間段記錄。

（2）徑流量的測(cè)定：在升鐘水土保持試驗(yàn)站Ⅱ號(hào)小流域出口處設(shè)置矩形堰，并輔以重慶水文儀器廠生產(chǎn)的SW40機(jī)械型日記水位計(jì)。基本水位的觀測(cè)，當(dāng)水位變化緩慢時(shí)，每日8：00和20：00各觀測(cè)1次；洪水過程中進(jìn)行加測(cè)。最后根據(jù)矩形堰過水?dāng)嗝婕八挥?jì)的記錄數(shù)據(jù)計(jì)算徑流量，并根據(jù)集水面積換算成徑流深，用徑流深來表征徑流量的大小。

（3）土壤流失量的測(cè)定：在升鐘水土保持試驗(yàn)站Ⅱ號(hào)小流域出口處設(shè)置量水建筑物（量水堰與沉沙池），用橫式泥沙采樣器從量水建筑物中采集含有泥沙的水樣，倒入水樣瓶中，經(jīng)過量積、沉淀、烘干、稱重等程序，最后根據(jù)徑流量計(jì)算出土壤流失總量。

數(shù)據(jù)通過Excel 2010和SPSS 19．0進(jìn)行分析和處理。在Excel中分析徑流及土壤流失量的年內(nèi)、年際分布特征；在SPSS中用相關(guān)分析法分析年降雨量、徑流量、土壤流失量之間的相關(guān)關(guān)系，并用回歸分析方法分別模擬降雨量與徑流量、徑流量與土壤流失量間的回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2．1 降雨與徑流

（1）汛期月降雨與月徑流。汛期多年月均降雨量與徑流量均為先升后降的變化趨勢(shì)，且在八月達(dá)到峰值；并且徑流量占降雨量的比例也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律（圖1）。徑流量的變化較降雨量劇烈，這是因?yàn)閺搅髁坎粌H受降雨影響，同時(shí)也受下墊面狀況影響，如土壤質(zhì)地影響水分滲透，植被又對(duì)降雨進(jìn)行截留等。徑流量占降雨量比例最小的月份為10月，最大為8月。6月、7月、8月份由降雨所形成的徑流比例顯著大于其他月份。分析其原因有兩個(gè)：一是前期降雨使土壤含水率維持在一個(gè)較高的水平，致使6—8月份的降雨減少了向土壤滲透的比例而形成了更多的地表徑流；二是8月底至9月西南地區(qū)會(huì)出現(xiàn)伏旱，此時(shí)植物生長(zhǎng)又處于大量需水的階段，蒸發(fā)損耗及生物用水的增加也使得土壤水分減少，使得這一時(shí)段的土壤較為干燥，地表徑流量減少。對(duì)徑流量與降雨量的相關(guān)性分析顯示兩者呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．878。對(duì)徑流量與降雨侵蝕力的相關(guān)性分析顯示兩者呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0．948。

圖1 汛期月降雨量與徑流量關(guān)系

對(duì)汛期月降雨量與徑流量進(jìn)行曲線回歸分析，11種模型中，二次項(xiàng)模型F值最大、指數(shù)模型標(biāo)準(zhǔn)誤估值最小、Cubic模型決定系數(shù)最大。二次項(xiàng)模型回歸方程為：Rm＝15．1243－0．4459Pm＋0．0029P2m；指數(shù)模型回歸方程為：Rm＝0．0274exp（0．0397Pm）；Cubic模型回歸方程 為：Rm＝2．3492－0．0007Pm－0．0015P2m＋1．3440E－005P3m。

3種模型決定系數(shù)R2分別為0．981，0．949，0．986；標(biāo)準(zhǔn)誤估值分別為1．959，0．526，2．063；F值分別為 77．406，73．931，46．749；Sig系數(shù)分別為0．003，0．001，0．021。指數(shù)模型綜合最優(yōu)。指數(shù)模型與實(shí)際數(shù)值回歸見圖2。

圖2 月降雨量與月徑流量指數(shù)回歸關(guān)系

（2）年降雨量與徑流量。年徑流量變化較為復(fù)雜（圖3），最小值2．43mm（1996年），最大值117．05 mm（1991年），相差近48倍。降雨量變化較平緩，最大值934．4mm（2000年）與最小值339．1mm（1997年）僅相差2．8倍。年降雨量與年徑流量的極值出現(xiàn)的時(shí)間并不一致。1994—1998年其年徑流量低于年均徑流量，為枯水年；與之相對(duì)應(yīng)的是1994—1997年其年降雨量低于年均降雨量，這表明徑流量的變化總體上伴隨著降雨量的變化。徑流量與降雨量的比值最大值為16．39（1991年），最小值為0．63（1996年），差距為26倍。土壤、植被等因素對(duì)徑流的影響非常大。1994—1998年徑流量占降雨量的比例特別小，這可能是因?yàn)?994—1997年降雨量偏少，導(dǎo)致土壤含水率低，降雨基本被土壤吸收了。值得注意的是：1998年降雨量不少但其形成的地表徑流卻很少，這可能是前5a土壤干燥導(dǎo)致的延遲效應(yīng)。不同類型植被坡面的研究顯示，在同樣的降雨條件下，地表產(chǎn)流量與土層厚度的灰關(guān)聯(lián)度最大，其次為枯落物量、林分郁閉度、最后為坡度［15］。以上結(jié)果說明，雖然降雨量與徑流量息息相關(guān)，但徑流量還受氣溫、植被、土壤前期土壤含水率、地形等影響，故二者的變化規(guī)律并不完全一致。

對(duì)年徑流量與降雨量的相關(guān)性分析表明兩者達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0．716；對(duì)年徑流量與與降雨侵蝕力的相關(guān)性分析亦表明兩者達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0．660。

圖3 汛期降雨總量與徑流量關(guān)系

對(duì)年降雨量與年徑流量進(jìn)行曲線回歸分析，11種模型中，冪函數(shù)模型在各個(gè)方面均最優(yōu)。冪函數(shù)模型回歸方程：Ry＝7．1633E－010P3．7599y，決定系數(shù)R2為0．808，標(biāo)準(zhǔn)誤估值為0．680，F(xiàn)值為37．942，Sig系數(shù)為0．000。冪函數(shù)模型與實(shí)際數(shù)值回歸見圖4。

（3）產(chǎn)流次數(shù)。從年際來看（表1），1991—2001共計(jì)產(chǎn)流35次，年均產(chǎn)流3．18次。其中1991年、1992年、1993年、1995年產(chǎn)流次數(shù)超過平均產(chǎn)流次數(shù)，依次為9次、4次、5次、4次。產(chǎn)流次數(shù)主要集中在11a中的前半段，但前半段的降雨量普遍少于后半段。其原因之一為1994—1997年間降雨量偏少致使土壤含水率小，從而使得后幾年降雨入滲量大，產(chǎn)流減少。1998—2000年3a的降雨量與1993的降雨量相當(dāng)或超過，但前者產(chǎn)流次數(shù)明顯小于后者。造成這一現(xiàn)象的原因可能是該試驗(yàn)流域植被狀況逐漸好轉(zhuǎn)或流域坡度變緩。

圖4 年降雨量與徑流量?jī)缁貧w

從年內(nèi)來看，產(chǎn)流主要集中在6—8月，特別是7月、8月份，這兩個(gè)月11a產(chǎn)流總次數(shù)均超過10次，這與降雨量情況一致。而9月、10月份產(chǎn)流次數(shù)急劇減小，11a中僅有1a產(chǎn)流，說明這兩個(gè)月期間植被需水量大，土壤處于較缺水的狀態(tài)。除了植被生長(zhǎng)生理特性之外，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的另一原因可能是氣溫高，試驗(yàn)流域出現(xiàn)伏旱。

表1 汛期產(chǎn)流次數(shù)月、年分布 次

綜上，汛期月降雨量與徑流量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，年降雨量與年徑流總量的變化趨勢(shì)大致相同，但降雨量的變化幅度小于徑流量的變化幅度。汛期月產(chǎn)流次數(shù)與月徑流量呈相同的變化趨勢(shì)，年產(chǎn)流次數(shù)與年徑流量的變化不同。月徑流量與降雨量顯著相關(guān)，與降雨侵蝕力極顯著相關(guān)，月徑流量與降雨侵蝕力相關(guān)性高于降雨量。年徑流量與降雨量顯著相關(guān)，與降雨侵蝕力顯著相關(guān)，年徑流量與降雨量相關(guān)性高于降雨侵蝕力。且月回歸模型決定系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤估值及F值均好于年回歸模型。在只有降雨量數(shù)據(jù)的情況下，先由月降雨量估算月徑流量，然后將月徑流量累加得到的年徑流量較直接由年降雨量估算得到的結(jié)果更優(yōu)。

2．2 徑流與土壤流失

（1）汛期月徑流與土壤流失。土壤流失量與徑流量情況（圖5）顯示，土壤流失集中在6—8月，其中8月份的土壤流失量最大，達(dá)到30．852t，10月的土壤流失量最小，為0．008t。一般來說，土壤流失量與降雨量、徑流量及產(chǎn)流次數(shù)成正比。7月份徑流量增加，但土壤流失量反而較前一月減少，這一方面是因?yàn)?月份的徑流將土壤中較易流失的物質(zhì)大部分已經(jīng)帶走了，土壤可蝕性有所降低，造成7月份的土壤流失量減少。另一方面原因可能是植被條件的改變。而7月到8月份土壤流失量的劇增則是由于前幾個(gè)月的降雨雨滴及徑流的動(dòng)能將土壤表層變得松散以及土壤中水分含量大，再加之8月份徑流的沖刷等因素的綜合作用使得土壤流失出現(xiàn)一個(gè)爆發(fā)期。

圖5 汛期月徑流量與土壤流失量關(guān)系

分別對(duì)土壤流失量與徑流量、降雨量、降雨侵蝕力進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：土壤流失量與徑流量達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0．871；與降雨侵蝕力也顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．843。土壤流失量與降雨量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)僅為0．758。故在估算月土壤流失量時(shí)，使用徑流量?jī)?yōu)于降雨量及降雨侵蝕力。

對(duì)月土壤流失量與月徑流量進(jìn)行曲線回歸，11種模型中冪模型得出的結(jié)果最好，冪模型回歸方程為Sm＝0．3956R1．2545m，決定系數(shù)R2為0．952，標(biāo)準(zhǔn)誤估值為0．656，F(xiàn)值為78．866，Sig系數(shù)為0．001。最佳回歸曲線與實(shí)際值如圖6所示。

圖6 月徑流量與土壤流失量?jī)缁貧w關(guān)系

（2）年徑流與土壤流失。年徑流與土壤流失變化較為復(fù)雜。土壤流失量與徑流量并不完全成正比。但從11a的整體情況看，徑流量大，土壤流失量也較大。11a中，最大土壤流失量發(fā)生在1993年，達(dá)165．73t；其對(duì)應(yīng)的徑流量為113．47mm，為11a來的次大值。最小土壤流失量發(fā)生在1996年，為0．407t；其對(duì)應(yīng)的徑流量為最小2．43mm（圖7）。

圖7 汛期徑流量與土壤流失量關(guān)系

分別對(duì)年土壤流失量與徑流量、降雨量、降雨侵蝕力進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明土壤流失量與徑流量極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．846；與降雨侵蝕力及降雨量未達(dá)到顯著相關(guān)水平，相關(guān)系數(shù)分別為0．424及0．470。故在估算年土壤流失量時(shí)也宜采用徑流量。

對(duì)年土壤流失量與年徑流量進(jìn)行曲線回歸分析，11種模型中冪模型結(jié)果最好，冪模型回歸方程為Sy＝0．0883R1．4922y，決定系數(shù)R2為0．959，標(biāo)準(zhǔn)誤估值為0．480，F(xiàn)值為210．236，Sig系數(shù)為0．000。最佳回歸曲線與實(shí)際值如圖8所示。

圖8 年土壤流失量?jī)缁貧w關(guān)系

綜合來看，月土壤流失量與徑流量的相關(guān)性高于年土壤流失量與徑流量。從相關(guān)性上來看月模型較年模型可靠。但從曲線回歸上來看，年模型的決定系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤估值好于月模型。

3 結(jié) 論

（1）徑流主要取決于降雨量，但其與前期降雨量、地表植被情況、地形條件以及土壤質(zhì)地等也息息相關(guān)。

（2）土壤流失量與徑流量關(guān)系最為密切。月土壤流失量與降雨量、降雨侵蝕力及徑流量三者之間的相關(guān)性大小為：徑流量＞降雨侵蝕力＞降雨量（未達(dá)到顯著水平）。年土壤流失量與降雨量、降雨侵蝕力及徑流量三者之間的相關(guān)性大小為：徑流量＞降雨量（未達(dá)到顯著水平）＞降雨侵蝕力（未達(dá)到顯著水平）。

（3）根據(jù)降雨量對(duì)徑流量進(jìn)行估算時(shí)，月回歸模型優(yōu)于年回歸模型。而根據(jù)徑流量對(duì)土壤流失量進(jìn)行估算時(shí)，年回歸模型較月回歸模型更優(yōu)，誤差更小。

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