陳 丹

(廣東方莫工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510510)

1 概述

降雨是引發(fā)水土流失的重要因素，已有研究中將降雨事件特征進行了劃分，有降雨強度、降雨量和降雨歷時等，這些特征參數(shù)與流域的產(chǎn)流輸沙量密切相關(guān)[1-3]。同時，降雨類型對流域與水土流失也存在密切的關(guān)系。降雨類型與水土流失的關(guān)系是一個極具有研究價值的課題，可以為水土流失治理提供理論依據(jù)[4-6]。

小流域的水土流失預(yù)報和降雨輸沙產(chǎn)流規(guī)律被視為水土保持研究的重點。隨著生態(tài)化治理概念的提出，使得小流域的產(chǎn)沙產(chǎn)流機制產(chǎn)生改變，治理效果也得到大幅提升[7-8]。但在目前的研究中鮮有考慮降雨類型對水土保持效益的研究成果，因此了解降雨類型對水土流失影響規(guī)律具有重要的科學(xué)意義[9-10]。通過統(tǒng)計流域內(nèi)24年來洪水事件的降雨泥沙水文數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)分析法探究降雨量、徑流、輸沙量與降雨特征的關(guān)系，分析不同類型降雨條件下次洪水事件的產(chǎn)流輸沙特征，探討水土保持治理效果。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)與水文環(huán)境

研究區(qū)流域由一條2km的主溝和多條支溝交錯構(gòu)成，流域面積1.36km2，平均比降為20.75%。流域中主要存在兩種土質(zhì)，其中呈黑褐色的黃土占比超過60%，其余部分為呈紅色的黑褐粗骨土。流域年降水量差異大，最少年降水量僅為366.8mm，而最大年降水量可達933.7mm，多年的平均講降水量為542.5mm。而在降水年內(nèi)降水分布也不均勻，全年70%以上的降水量由汛期提供。由于獨特的地質(zhì)條件，年蒸發(fā)量達1293mm，一年內(nèi)的溫差最高達57.4℃，土體干燥度為1.3。

2.2 水土保持現(xiàn)狀

流域在水土保持的治理早期，主要采用種草種樹、改種梯田等手段進行坡面治理。直至2016年，19座大小不一的淤泥地壩在流域內(nèi)修建完成。由數(shù)據(jù)表1可知，經(jīng)過多年的水土保持治理和發(fā)展，土地利用有了較為顯著改善。相較于1997年，2014年流域的林地面積增加了15.2%，梯田面積增加了35.2%，裸地面積減少了4.3%，坡耕面積減少了45.9%。

表1 研究區(qū)土地利用類型占流域面積比例%

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文使用的水文數(shù)據(jù)均來自流域內(nèi)3所雨量站；流域出口設(shè)置徑流泥沙測站，采用體積法測定徑流流量，使用浮標法計算流量進行檢驗，泥沙樣品量采用置換法計算得到。

本文采用皮爾遜相關(guān)分析法探究降雨量、徑流、輸沙量與降雨特征的關(guān)系。并根據(jù)爾遜相關(guān)分析法對研究的參數(shù)做出定義：

D—降雨歷時，I—降雨強度，P—次降雨量，Qmax—洪峰流量，H—徑流深度，Rc—徑流系數(shù)，Cmax—最大含沙量，C—平均含沙量，Ms—輸沙模數(shù)，I30max—最大30min降雨強度，P1d—前1d降雨量，P3d—前3d降雨量，P5d—前5d降雨量，P7d—前7d降雨量。

根據(jù)K均值分類法，將降雨特征進行了詳細的劃分，分類的方差值需滿足p<0.05，才會被認定為分類合理。

4 結(jié)果與討論

4.1 流域水沙變化特征

根據(jù)科學(xué)試驗站提供的數(shù)據(jù)，本文對流域的降雨進行了統(tǒng)計，將不同年代的降雨事件的降雨量、泥沙變量、徑流進行了詳細的描述分析，分析結(jié)果見表2。在143場的洪水事件中，最小降雨量為3.1mm，最大降雨量為96.8mm，有17場降雨事件的次降雨量大于50mm，并引發(fā)了洪水，占總降雨事件的11.9%。當降雨量在43～2399mm范圍內(nèi)時會發(fā)生次洪水事件，在此類事件中平均降雨歷時628min。有21場的洪水事件降雨歷時大于1000min，在總事件中占14.7%。有59場的洪水事件降雨歷時少于480min，在總事件中占41.3%。平均降雨平均強度的最大值可達32.6mm·h-1，降雨歷時較短，僅有43min；次降雨平均強度的最小值為0.4mm·h-1，降雨歷時長，持續(xù)降雨1570min。在洪水事件中多數(shù)降雨強度小于5mm·h-1，共發(fā)生了112次，在總事件中占79%，前期降雨量的變化基本隨降雨歷時的增長而增大，前1d的變異系數(shù)為2.18，前3d的變異系數(shù)為1.35，5d的變異系數(shù)為1.14，7d的變異系數(shù)為1.05。

在次洪水事件中徑流深度小于0.1mm的事件發(fā)生了65次，占據(jù)了總事件的45.5%。而在所有洪水事件中，徑流深度在0.001～22.9mm之間，平均值為0.8mm。徑流系數(shù)在0.0001～0.23之間，有90場洪水事件的徑流系數(shù)小于0.01，占總事件的62.9%。輸沙模數(shù)的變化范圍在0.02t·km-2～9991.8t·km-2之間。有17場洪水的輸沙模數(shù)超過500t·km-2，占總事件的11.9%；有82場洪水的輸沙模數(shù)少于50t·km-2，占總事件的57.3%。含沙量的最大值為612.1kg·m-3，最小值為19.3g·m-3，變異系數(shù)為0.56。

表2 流域次洪水事件描述統(tǒng)計特征

4.2 降雨-徑流-輸沙關(guān)系

根據(jù)科學(xué)試驗站提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)整理后構(gòu)建了降雨、徑流和輸沙變量的皮爾遜相關(guān)矩陣，可知，輸沙和徑流與D的方差均大于0.05，不具有顯著相關(guān)，最大含砂量與D的方差p<0.05，水平顯著相關(guān)。而P與輸沙、徑流、降雨、徑流系數(shù)以及最大含砂量的方差p<0.05，水平顯著相關(guān)。I30max與輸沙、徑流、最大含砂量、徑流系數(shù)、降雨的方差p<0.01均具有顯著相關(guān)性。

4.3 不同降雨類型下徑流和輸沙

經(jīng)統(tǒng)計，根據(jù)降雨特征均值P和I30max的大小將143場降雨劃分為4個類型，見表3。由表3可知，Ⅰ型降雨：發(fā)生頻次最多，共發(fā)生112次，降雨量小，降雨強度大；Ⅱ型降雨：發(fā)生頻次最少，共發(fā)生4次，降雨量大，降雨強度??；Ⅲ型降雨：共發(fā)生13次，降雨量大，降雨強度小；Ⅳ型降雨：共發(fā)生14次，降雨量小，降雨強度大。

不同降雨類型對流域累計降雨量、輸沙量、徑流量占比的影響如圖1所示。由圖1可知，Ⅰ型降雨的累計降雨量占總降雨量的60.32%，在4種類型的降雨中占比最大，累計徑流量和累計輸沙量僅次于Ⅱ型降雨，占比分別為37.8%和33.05%。Ⅱ型降雨的累計徑流量和累計輸沙量分別為39.93%和43.46%，在4種類型的降雨中占比最大，但累計降雨量僅占總降雨量的8.53%。Ⅲ型降雨的累計降雨量在4種類型的降雨中排第二，但累計徑流量和累計輸沙量占比最少。

表3 降雨類型統(tǒng)計特征

在黃土地區(qū)，降雨的產(chǎn)流以超滲產(chǎn)流為主，并且降雨的產(chǎn)流能力和過程與降雨強度顯著相關(guān)。根據(jù)表2中皮爾遜相關(guān)分析數(shù)據(jù)顯示，在所有類型的降雨事件中I30max與流域的Qmax和RC顯著相關(guān)，并且I30max與降雨類型的關(guān)系為：Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ。不同降雨類類型對流域產(chǎn)流輸沙特征的影響如圖2所示，在統(tǒng)計中降雨類型之間顯著差異性用圖中字母表示(p<0.05)。圖2(a)中展示了降雨類型對流域徑流系數(shù)的影響。流域降雨的產(chǎn)流能力通常采用徑流系數(shù)來表征，從圖2(a)中可以看出四種降雨類型中徑流系數(shù)由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ，其中Ⅱ與Ⅳ的存在顯著差異，Ⅰ與Ⅲ則差異不明顯。說明不同降雨類型對徑流過程有重要影響。觀察圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，四種降雨類型中累計洪峰流量由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ。其中Ⅰ型與Ⅲ型降雨的累計洪峰流量小于0.5m3/s，事件發(fā)生頻次也較少，為9場和1場。由圖2(c)可知，Ⅱ型降雨的輸沙模數(shù)要遠大于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ型降雨的輸沙模數(shù)，具有顯著性差異，輸沙模數(shù)平均值為4261.23t/km2。而其他類型的降雨則與輸沙模數(shù)差異不顯著，平均輸沙模數(shù)度低于500t/km2。由圖2(d)可知，4種類型的降雨與流域的次洪水事件平均含沙量存在差異不顯著，但流域輸沙量與產(chǎn)流量常常采用洪水事件的平均含沙量來表征，這也說明了流域水沙與降雨類型關(guān)聯(lián)性較弱。

圖1 不同降雨類型累計降雨量、累計徑流量和累計輸沙量所占比例

圖2 不同降雨類型下次洪水事件產(chǎn)流輸沙特征

5 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計流域洪水事件的降雨泥沙水文數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)分析法探究降雨量、徑流、輸沙量與降雨特征的關(guān)系，并利用根據(jù)K均值分類法，將降雨特征進行劃分。結(jié)果表明降雨類型中徑流系數(shù)由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ，其中Ⅱ與Ⅳ存在顯著差異，Ⅰ與Ⅲ則差異不明顯。說明不同降雨類型對徑流過程有重要影響；降雨類型中累計洪峰流量由大到小為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ；Ⅱ型降雨的輸沙模數(shù)要遠大于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ型降雨的輸沙模數(shù)，具有顯著性差異；降雨與流域的次洪水事件平均含沙量存在差異不顯著。研究結(jié)果對降雨類型對水土流失影響規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。