郭漢清，張 勇

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西太原030013）

我國水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察組調(diào)查結(jié)果顯示，我國水土流失面積占國土面積的37.19%，其中，水力侵蝕面積為161.22萬km2[1]。黃土高原水土流失面積達(dá)45.4萬km2，占總面積的70.9%。當(dāng)前，關(guān)于坡地水土流失的研究已在多個(gè)方面展開，并取得了較大成果，如黃土坡面徑流水動力過程[2-3]、坡面流輸沙能力[4-5]、不同植被類型條件下典型降雨產(chǎn)流特征[6]、侵蝕過程中地表糙率的變化[7-8]、人為管理措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙作用[9]等。

山西省地處黃土高原東部，水土流失面積占全省總面積的69%，其中，水蝕面積居全國第7位；中度以上侵蝕土地面積與全省總面積之比居全國第2位[10]。因此，研究山西省水土流失及其防治具有非常重要的意義。

本研究以汾河上游陽坡小流域裸露坡地為研究對象，分析了2013年天然降雨條件下裸露坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，旨在通過探究水土流失的一些規(guī)律性，為當(dāng)?shù)厮帘３止ぷ鏖_展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河一級支流汾河上游的陽坡小流域。該流域地處東經(jīng) 38°14′34″、北緯 112°14′31″，海拔在1 320～1 950 m之間；流域內(nèi)溝壑縱橫，植被覆蓋度較低，水土流失比較嚴(yán)重；流域面積為18.09 km2，其中，水土流失面積 17.73 km2，是山西省石質(zhì)山低覆中度侵蝕類型區(qū)。受大陸性氣候影響，陽坡小流域年平均氣溫9.6℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-25.5℃，無霜期188 d。多年平均降水量為495.6 mm，其中，7—9月的降水量占全年降水量的70%以上，暴雨主要發(fā)生在7—8月。強(qiáng)度大、歷時(shí)短且集中的降雨是引起水土流失的主要外營力。

本研究選取陽坡小流域水土流失定位觀測站內(nèi)裸露坡地徑流小區(qū)作為研究對象，小區(qū)面積為100 m2（5 m×20 m），坡面無任何水土保持措施，雜草覆蓋小于5%。坡向?yàn)镾W，坡度15°，土壤類型為褐土。

1.2 研究方法

坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究方法歸納起來主要有4種。第1種是在天然降雨情況下，利用徑流場進(jìn)行長期觀測，這種情況下徑流場中各個(gè)徑流小區(qū)往往以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，且大多小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為5 m×20 m[6，11-12]。第2種是在人工降雨條件下，以當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)頻次最大的暴雨強(qiáng)度為參考，率定大小不同的降雨強(qiáng)度，這種方法受降雨器降雨面積的限制，所以，徑流小區(qū)長、寬度設(shè)置往往不同，有的設(shè)置為1 m×2 m，有的設(shè)置為3 m×5 m，有的設(shè)置為1 m×5 m[13-14]。第3種是放水沖刷實(shí)驗(yàn)，即通過設(shè)置在徑流小區(qū)上端的放水設(shè)施，人為控制不同的流量，觀測分析在不同流量情況下小區(qū)出口處的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況[3，15]。第4種（為較常見的方法）是通過示蹤法，即利用環(huán)境放射性核素示蹤技術(shù)對坡面土壤侵蝕過程進(jìn)行研究[16-17]。本試驗(yàn)所采用的研究方法為第1種。

1.3 觀測內(nèi)容及方法

本研究在天然降雨條件下，對陽坡小流域裸坡地徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行以下內(nèi)容的監(jiān)測：降雨量觀測，由設(shè)置在徑流場內(nèi)的自記雨量計(jì)提供；徑流量觀測，由人工分段進(jìn)行記錄；泥沙量觀測，由人工分段進(jìn)行記錄。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨過程分析

陽坡小流域2013年5—10月降雨37次，總降雨量為513.40 mm，比同期多年平均值高出30.80%，屬于豐水年。由圖1可知，多年平均降雨多集中在7—9月，而 2013年降雨集中在 6，7，9月份，其中，2013年6月降雨量為150.50 mm，是同期平均水平的3.56倍，主要是由于6月19日的降雨引起，該次降雨從6月19日23時(shí)開始至22日11時(shí)結(jié)束，歷時(shí)3 558 min，雨量高達(dá)100.60 mm，對6月總雨量的貢獻(xiàn)率高達(dá)66.84%，為年內(nèi)最大次降雨；7月份的總降雨量為185.8 mm，較同期平均水平高出110.89%，其中，7月8—11日降雨達(dá)87 mm，占7月份總雨量的46.82%，年內(nèi)次降雨量排第2位；8月份的降雨僅為42 mm，比同期平均水平低63.57%；9月份的降雨量為112.2 mm，比同期平均水平高出21.30%。綜合分析可知，該流域降雨年內(nèi)分布和年際之間變化較為劇烈。

2.2 降雨量與徑流量關(guān)系

在2013年5—10月的37次降雨中，產(chǎn)生地面徑流的降雨次數(shù)為17次，其余的20次降雨沒有形成地面徑流，這是因?yàn)榇谓涤暧炅科俸痛谓涤暧陱?qiáng)偏小，難以形成地表徑流。通常情況下，解釋流域產(chǎn)流的模式有2種，一種是蓄滿產(chǎn)流，該模式是指在一次降雨過程中，僅當(dāng)包氣帶的含水量達(dá)田間持水量后才產(chǎn)流，且以后的有效降雨全部變?yōu)閺搅鳎涣硪环N是超滲產(chǎn)流，該模式不管當(dāng)?shù)氐耐寥篮渴欠襁_(dá)到田間持水量，只要降雨強(qiáng)度超過了下滲強(qiáng)度就產(chǎn)生地面徑流。對陽坡小流域來說，由于其地下水埋藏較深，包氣帶較厚，即使在雨季也難以全部滿足土壤虧缺水分，達(dá)到蓄滿產(chǎn)流條件。因此，本研究利用超滲產(chǎn)流模式解釋降雨產(chǎn)流更加符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。

由圖2可知，5月份降雨次數(shù)為3次，降雨總量為8.7 mm，但產(chǎn)流量為0，這與5月份前期降水很少，土壤極其干燥，下滲率較大有關(guān)。5月22日的降雨量為7.1 mm，占5月總降雨量的81.61%，但該次降雨歷時(shí)107 min，所以，雨強(qiáng)很小，難以滿足坡面產(chǎn)流條件，因此，5月份沒有地表徑流產(chǎn)生。

6月份降雨次數(shù)為7次，產(chǎn)流次數(shù)為3次，產(chǎn)流量為0.2477m3；前2次產(chǎn)流分別發(fā)生在6月7，9日，產(chǎn)流量分別為0.015 9，0.047 3 m3，對應(yīng)的降雨量分別為19.2，16.9 mm，第3次產(chǎn)流是于6月19日開始、22日截止的降雨，該次降雨歷時(shí)3 558 min，降雨量高達(dá)100.60 mm，產(chǎn)流量為0.184 5 m3，是2013年較大的一次產(chǎn)流。這是由于前期雨量較少，土壤含水量較低，土壤初始下滲率較大，導(dǎo)致降雨前期初損較大；另外，徑流小區(qū)的坡長達(dá)20 m，降雨多用于補(bǔ)充土壤虧缺水分，所以，徑流沿程損失非常大，形成徑流量較少。

7月份的降雨次數(shù)為9次，產(chǎn)流次數(shù)為7次，產(chǎn)流量為1.362 3 m3，為各月之最。這是因?yàn)?月份該流域進(jìn)入雨季，降雨次數(shù)和降雨量均明顯增加，加上6月份的降水使得土壤虧缺水分得以有效補(bǔ)充，使7月份的土壤含水量保持在比較高的水平，土壤入滲率較低；另外，7月份雨強(qiáng)介于0.004 8～0.665 4 mm/min之間，處于較高水平，所以，7月份地表徑流總量最大，占全年總徑流量的62.34%。

8月份的降雨次數(shù)為8次，超過了6，7月份，與多年同期降雨次數(shù)的平均值持平；但是僅有2次降雨產(chǎn)生徑流，降雨雨強(qiáng)分別為0.109（8月28日），0.194 mm/min（8月11日），加上8月份降雨總量偏少（比多年平均值減少63.57%）。8月份徑流量僅占全年總徑流量的11.91%。

9月份降雨次數(shù)為8次，總降雨量為112.2 mm，但是產(chǎn)流次數(shù)僅為3次，產(chǎn)流總量為0.304 8 m3，究其原因，一方面是因?yàn)?月份降雨較往年減少很多，土壤虧缺水分較多，加之9月份的土壤蒸發(fā)較為劇烈，土壤初始入滲率處于較高水平，降水多轉(zhuǎn)化為土壤水，難以形成地表徑流；另一方面，9月份雖然降雨次數(shù)多達(dá)8次，但每次降雨前后間隔時(shí)間較長，雨強(qiáng)范圍為0.013 0～0.224 2 mm/min，處于較低水平，只在9月3日（雨強(qiáng)為0.093 8 mm/min）、9月13日（雨強(qiáng)為0.224 2 mm/min）和9月23日（雨強(qiáng)為0.012 9 mm/min）產(chǎn)生了3次地表徑流。

進(jìn)入10月份后，受大氣環(huán)流影響，暖濕氣團(tuán)南移，降雨機(jī)會減少，雖觀測得到2次降雨，但雨量不大，且歷時(shí)較長，僅有1次產(chǎn)流，產(chǎn)流量為0.010 3 m3。通過對裸坡地徑流小區(qū)累積徑流量和累積降雨量進(jìn)行擬合（圖 3）可知，二者滿足 y＝0.037 2e0.011x，式中，y為累積徑流量（m3），x為累積降雨量（mm）。相關(guān)系數(shù)為0.953 4。

2.3 徑流量與產(chǎn)沙量之間的關(guān)系分析

從2.2的分析可以看出，2013年5—9月，陽坡小流域的降雨次數(shù)是產(chǎn)流次數(shù)的2.18倍。降雨產(chǎn)生擊濺侵蝕，導(dǎo)致在小區(qū)局部區(qū)域產(chǎn)生泥沙遷移，但是如果徑流小區(qū)沒有形成明顯的地表徑流，則在小區(qū)出口處就不會觀測到泥沙量。因此，從產(chǎn)沙量來看，年內(nèi)較多降雨均因沒有產(chǎn)生地表徑流而對產(chǎn)沙量沒有貢獻(xiàn)，但是這并不能說明降雨沒有產(chǎn)生土壤侵蝕。

分析表明，從2013年6月7日第1次侵蝕性降雨開始至10月15日最后一次侵蝕性降雨結(jié)束，全年共計(jì)17次侵蝕性降雨，雨強(qiáng)分布在0.013 0～0.665 4 mm/min之間。裸坡地徑流小區(qū)共計(jì)產(chǎn)生21.86 kg泥沙侵蝕量，單位徑流產(chǎn)沙量在0.15～25.00 kg/m3之間。其中，9月23日的降雨持續(xù)44 h，雨量為34.4 mm，雨強(qiáng)為0.013 mm/min，降雨產(chǎn)流量為0.071 m3，相應(yīng)的產(chǎn)沙量僅為0.003 kg，僅占裸坡地徑流小區(qū)全年產(chǎn)沙量的0.01%。7月31日降雨17.3 mm，持續(xù)時(shí)間26 min，雨強(qiáng)高達(dá)0.67 mm/min，為2013年全年雨強(qiáng)的極值點(diǎn)。由于該次降雨歷時(shí)較短，雨量集中，雨強(qiáng)較大，對地表的沖刷較大，在26min內(nèi)，面積為100 m2的坡面上產(chǎn)流量達(dá)0.61 m3，單位徑流中泥沙含量高達(dá)25 kg/m3。該次降雨造成15.34 kg的產(chǎn)沙量，占到裸坡地徑流小區(qū)全年產(chǎn)沙量的70.17%。通過對裸坡地徑流小區(qū)累積徑流量和累積產(chǎn)沙量進(jìn)行擬合（圖4）可知，二者存在較好的指數(shù)關(guān)系：y＝0.074 9e2.6126x，式中，y表示累積產(chǎn)沙量（kg），x表示累積徑流量（m3）。相關(guān)系數(shù)為0.925 9。總結(jié)得出，黃土高原裸露坡面全年土壤侵蝕由少數(shù)幾次降雨形成。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究表明，2013年的降雨總量比多年平均水平高出30.80%，屬于豐水年，降雨量年內(nèi)分布與平均值相比變化較大，尤其是6月19—22日的降雨量高達(dá)100.6 mm，對該月降雨量的貢獻(xiàn)率高達(dá)66.84%；8月份的降雨量僅為42 mm，比多年平均水平低63.57%。說明陽坡小流域降雨量在年內(nèi)分布和年際間變異較高。

陽坡小流域土壤侵蝕主要由少數(shù)幾次雨強(qiáng)較大的降雨引起。與降雨量對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響相比，雨強(qiáng)對不同坡地利用方式下的水土流失影響更大。陽坡小流域坡地產(chǎn)沙產(chǎn)流具有水沙同源的特點(diǎn)，累積產(chǎn)沙量和累積徑流量具有指數(shù)相關(guān)關(guān)系。雨強(qiáng)大小對坡地產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的影響比較突出。

3.2 討論

降雨和產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間的關(guān)系非常密切，同時(shí)也受到其他諸如土壤理化性狀、地表覆蓋度、瞬時(shí)雨強(qiáng)、地形、坡度等因素的影響，需要對降雨、產(chǎn)流和產(chǎn)沙的過程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測研究，為坡地水土流失機(jī)理的解釋和防治提供數(shù)據(jù)支持。因此，要在今后的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測過程中充分發(fā)揮定位監(jiān)測設(shè)施的功能，加大對水土流失過程的監(jiān)測，包括降雨、徑流和泥沙3個(gè)序列在時(shí)空上的連續(xù)觀測，從而得到具有過程性的系列監(jiān)測數(shù)據(jù)，為探究當(dāng)?shù)啬酥粮蠓秶鷥?nèi)水土流失的規(guī)律性提供科學(xué)依據(jù)。

［1］何淑勤，宮淵波，鄭子成，等.不同植被類型條件下土壤抗蝕性變化特征及其影響因素[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（5）：17-22.

［2］趙海濱，張營營，姚文藝，等.黃土坡面徑流水動力過程試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（5）：28-31.

［3］趙海濱，閆國新，姚文藝，等.黃土坡面徑流輸沙能力試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（6）：41-44.

［4］Guy BT，Rudra RP，Dickenson WT，et al.Empirical model for calculating sediment-transport capacity in shallow overland flows：Model development[J].Biosystems Engineering，2009，103（1）：105-115．

［5］Bissonnaais Y L，Cerdan O，Lecomte V，et al.Variability of soil surfacecharacteristicsinfluencingrunoff and interrill erosion[J].Catena，2005，62：111-124.

［6］宮淵波，張君，陳林武，等.嘉陵江上游不同植被類型小流域典型降雨產(chǎn)流特征分析[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（2）：35-39.

［7］鄭子成，何淑勤，吳發(fā)啟.侵蝕過程中地表糙度的變化特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（5）：165-168.

［8］鄭子成，何淑勤，吳發(fā)啟.降雨條件下耕作方式對地表糙度的濺蝕效應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：103-108.

［9］鄭子成，何淑勤，吳發(fā)啟.人為管理措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙作用的研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（6）：150-152.

［10］溫宏芳.山西省水土流失現(xiàn)狀及對策分析 [J].山西科技，2010，25（2）：12-13.

［11］曾繁富，張軍，趙同謙，等.蒿坪河小流域降雨徑流特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（2）：40-43.

［12］程琴娟，蔡強(qiáng)國，廖義善.土壤表面特性與坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（2）：9-11.

［13］肖培青，姚文藝，牛光輝，等.不同下墊面條件下坡面蓄水保土效益試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（1）：65-68.

［14］肖培青，鄭粉莉，汪小勇，等.黃土坡面侵蝕方式演變與侵蝕產(chǎn)沙過程實(shí)驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（1）：24-27.

［15］郭軍權(quán)，劉敏，王文龍.上方來水對淺溝侵蝕產(chǎn)沙的野外放水沖刷實(shí)驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（3）：49-52.

［16］李豪，張信寶，文安邦，等.三峽庫區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕的137Cs示蹤研究[J].水土保持通報(bào)，2009，29（5）：1-6.

［17］史忠林，文安邦，嚴(yán)冬春，等.紫色土坡地侵蝕產(chǎn)沙過程的7Be法初探[J].山地學(xué)報(bào)，2013，31（1）：71-76.