大别山南麓裸地小区径流泥沙过程对降雨特征的响应.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 1-3 0 资助项目:生产建设项目中水文数据筛选新技术(2 0 2 1 2 6 1 4 C 0 3);国家自然科学基金项目(4 1 7 7 1 3 0 7,4 1 2 0 1 2 7 1);长江科学院开放研究基金项目(C KWV 2 0 1 7 5 2 2/KY);华中农业大学“湖北省大学生创新创业训练计划”项目(S 2 0 2 1 1
2、0 5 0 4 0 5 9)第一作者:钟祎珣(1 9 9 8),女,在读硕士研究生,主要从事土壤侵蚀机制研究。E-m a i l:z h o n g y i x u n w e b m a i l.h z a u.e d u.c n 通信作者:张晓明(1 9 8 0),男,博士,副教授,主要从事崩岗及土壤侵蚀研究。E-m a i l:z x m_h u a n o n g w e b m a i l.h z a u.e d u.c n大别山南麓裸地小区径流泥沙过程对降雨特征的响应钟祎珣1,张晓明1,高 超2,王 谦1,欧阳曙光3,陈炳全3(1.华中农业大学资源与环境学院,武汉4 3 0 0 7
3、 0;2.湖北省水土保持监测中心,武汉4 3 0 0 1 9;3.湖北省黄冈市水土保持与农田水利科研所,湖北 黄冈4 3 8 6 0 0)摘要:作为水土流失重点预防保护区,大别山南麓裸地坡面水土流失严重,为探究该区典型裸地坡面径流泥沙对降雨的响应,利用自动化径流泥沙监测设备对裸地径流小区的降雨径流-泥沙过程进行监测。以2 0 2 0年全年侵蚀性降雨数据为基础,依据降雨峰值时序划分雨型,分析了4种雨型的累计产流产沙特征和次降雨的径流泥沙特征,并建立了累计产流产沙的最优函数模型。结果表明:(1)大别山南麓降雨事件的I3 0是影响降雨事件的泥沙量和径流系数的重要因素;前期集中型和中期集中型降雨事件的
4、泥沙量与前4 8h内的降雨量呈显著正相关。(2)不同雨型下产流产沙过程有显著差异,但径流泥沙指标的差异不显著。不同雨型下累计产流产沙的最优模型为L o g i s t i c模型。(3)不同雨型下,雨强、产流率和产沙率的变化趋势和峰值出现规律存在一致性,也存在产沙产流过程滞后于雨强变化过程的现象,产沙滞后多出现在前期集中型降雨,产流滞后多出现在中期集中型和后期集中型降雨。研究结果揭示了降雨-产流-产沙相互关系,对该区域坡面水土流失防治具有一定的科学指导意义。关键词:次降雨;雨型;径流泥沙过程;自动化监测;裸地径流小区中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2
5、2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 1 3 2-1 0D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 1 8R e s p o n s eo fR u n o f fa n dS e d i m e n tP r o c e s s t oR a i n f a l lC h a r a c t e r i s t i c s i nB a r eL a n dP l o t s i nS o u t h e r nF o o t o fD a b i eM o u n t a i nZ HONGY i x u n1,Z HA
6、NGX i a o m i n g1,GAOC h a o2,WANGQ i a n1,OUYANGS h u g u a n g3,CHE NB i n g q u a n3(1.S c h o o l o fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,H u a z h o n gA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,W u h a n4 3 0 0 7 0;2.H u b e iS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o nM o n i t o r i
7、n gC e n t e r,W u h a n4 3 0 0 1 9;3.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o na n dW a t e rC o n s e r v a n c y,H u a n g g a n g,H u b e i4 3 8 6 0 0)A b s t r a c t:A sak e ys o i l e r o s i o np r e v e n t i o nr e s e r v e,t h eb a r e s l o p eo f t h e s o u t h e
8、r n f o o t h i l l so fD a b i eM o u n t a i nh a ss e r i o u ss o i l e r o s i o n.I no r d e rt oe x p l o r et h er e s p o n s eo fr u n o f fa n ds e d i m e n tt or a i n f a l lo nt y p i c a lb a r el a n ds l o p e s,t h e r a i n f a l l-r u n o f f-s e d i m e n t p r o c e s so f b a
9、 r e l a n dr u n o f f p l o t sw a sm o n i t o r e db ya u t o m a t i c r u n o f fa n ds e d i m e n tm o n i t o r i n ge q u i p m e n t.B a s e do nt h ea n n u a l e r o s i v er a i n f a l ld a t a i n2 0 2 0,t h er a i n f a l lp a t t e r n sw e r ed i v i d e da c c o r d i n gt o t h
10、e r a i n f a l l p e a kt i m es e r i e s.T h ec h a r a c t e r i s t i c so f c u m u l a t i v e r u n o f f a n ds e d i m e n ty i e l do ft h ef o u rr a i n f a l lp a t t e r n sa n dt h er u n o f fa n ds e d i m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fi n d i v i d u a lr a i n f a l lw e r
11、 ea n a l y z e d,a n dt h eo p t i m a l f u n c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)T h em a x i m u m3 0m i nr a i n f a l l i n t e n s i t yw a sa n i m p o r t a n t f a c t o ra f f e c t i n gt h es e d i m e n tv o l u m ea n dr u n o f f c o e
12、 f f i c i e n to f r a i n f a l le v e n t s i nt h es o u t h e r nf o o to fD a b i eM o u n t a i n s.T h e r ew a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er a i n f a l la n ds e d i m e n t l o a di nt h ef i r s t4 8h o u r so fi n i t i a la n d m i d d l ec o n c e n t r a t
13、 e dr a i n f a l le v e n t s.(2)T h e r e w e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s i nt h ep r o c e s so fr u n o f fa n ds e d i m e n ty i e l du n d e rd i f f e r e n tr a i n f a l lp a t t e r n s,b u tt h ed i f f e r e n c eo f r u n o f fa n ds e d i m e n t i n d e x e sw a sn
14、o ts i g n i f i c a n t.T h eo p t i m a lm o d e lo fc u m u l a t i v er u n o f fa n ds e d i m e n ty i e l du n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l p a t t e r n sw a sL o g i s t i cm o d e l.(3)U n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l p a t t e r n s,t h ev a r i a t i o nt r e n da n d
15、p e a kv a l u eo c c u r r e n c er u l eo f r a i n f a l l i n t e n s i t y,r u n o f f r a t ea n ds e d i m e n ty i e l dr a t ew e r ec o n s i s t e n t,a n dt h ep r o c e s so fs e d i m e n ty i e l dl a g g e db e h i n dt h ep r o c e s so fr a i n f a l li n t e n s i t y.T h el a go
16、fs e d i m e n ty i e l d m o s t l yo c c u r r e di nt h ee a r l ys t a g eo fc o n c e n t r a t e dr a i n f a l l,a n dt h el a go fr u n o f fm o s t l yo c c u r r e d i nt h em i d d l ea n d l a t e s t a g eo f c o n c e n t r a t e dr a i n f a l l.T h e r e s u l t s c a nr e v e a l t
17、h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a i n f a l l-r u n o f f-s e d i m e n ty i e l d,w h i c hh a sc e r t a i ns c i e n t i f i cg u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r t h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo f s o i l a n dw a t e r l o s so nt h es l o p e i nt h i sa r e a.K e y
18、w o r d s:i n d i v i d u a l r a i n f a l l;r a i np a t t e r n;r u n o f f-s e d i m e n t p r o c e s s;a u t o m a t i cm o n i t o r i n g;b a r e l a n dr u n o f fp l o t 大别山区是我国水土流失较为严重的区域之一,水土流失对当地生态、社会、经济效益造成威胁。降雨是地表径流的重要来源,土壤侵蚀的主要动力,近年来,关于天然降雨条件下坡面产流产沙过程研究已经取得不少成果,降雨特性与坡面土壤侵蚀量的相关研究从定性步入
19、量化阶段。张晶玲等1研究连续型降雨与间歇型降雨条件下横垄和顺垄玉米径流形成和泥沙迁移规律显示,连续型降雨过程呈“W”或“V”形,产沙形态呈“W”或“M”形;王子豪2对刈割后的退耕坡面研究发现,不同刈割强度坡面的径流率与侵蚀速率随历时均呈幂函数增长,累积产流量、累积产沙量与降雨历时之间幂函数关系显著,降雨强度对坡面产流量的贡献率分别为4 3.5 0%;闫胜军等3拟合黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型下的不同时段雨强(I3 0、I2 0、I1 0)与产流量的E X P函数显示,I3 0的拟合效果最佳,与平均雨强呈3次函数关系;李赛4对鲁中山地不同雨型天然次降雨的径流泥沙过程进行了描述,建立了产流率-产
20、沙率和雨强-产流率的线性回归模型。综上可知,研究降雨产流产沙的分析方法主要为建立指标间的函数关系。研究区域集中在黄土高原区、南方红壤区、东北黑土区、紫色土丘陵地区、鲁中山地地区和喀斯特地区,而湖北大别山区的研究成果较少。在研究次降雨对径流泥沙的影响时首先对雨型进行分类,分类的方式有:(1)1 2h/2 4h降雨分级标准,如小雨、中雨、大雨、暴雨等;(2)以降雨特征指标聚类,常用的聚类指标有降雨量、降雨历时、最大3 0m i n雨强等;(3)以降雨事件的降雨过程特征划分,如降雨强度峰值的时序、个数等5。方式(1)是研究中最常见的分类方法4,6,研究已得出了普遍的结论。方式(2)是近1 0年来研究
21、侵蚀性降雨产流产沙过程的重要方法7,与方式(1)相比,除了降雨量,更多径流泥沙的主要影响因子被用于分类,得到的分类结果更具有科学性。方式(3)多用于人工降雨试验,研究相同土壤侵蚀力下不同雨强峰值及其历时对产流产沙过程的影响,已有研究8-1 0表明,降雨模式对径流和土壤侵蚀有显著的影响。而天然次降雨研究过程中鲜少以此种方式分类,因为天然降雨过程中,雨强随降雨的历时存在变异性,而且降雨、水沙变化的过程数据获取不易。目前径流小区泥沙收集方法多为人工搅拌集流池取样,而可用的自动测量仪器少,全自动监测的设备难以准确统计每次降雨径流、泥沙的过程数据1 1。综上所述,受制于传统方法,天然次降雨产流、产沙过程
22、规律的研究不充分。针对大别山区天然降雨径流产沙过程特征的研究成果较少的问题,本文选取湖北省罗田县的典型裸地坡面径流小区为研究对象,利用HL-3型自动化监测设备监测裸地径流小区的水土流失过程数据,探究天然次降雨的径流与侵蚀泥沙对降雨过程的响应,建立降雨-产流-产沙关系函数,揭示降雨径流与侵蚀输沙的规律。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于湖北省罗田县石桥铺综合观测站,具体位置为1 1 5 3 5 2 3 N,3 0 4 6 0 3 E(图1)。该站位于罗田县匡河镇石桥铺,地处湖北省大别山南麓,水土保持三级分区为桐柏大别山山地丘陵水源涵养保土区,属北亚热带季风气候,冬干夏湿,春暖秋凉。全县多
23、年平均降水量13 3 0mm,降雨(0.1mm)时间在1 1 51 4 7天,降雨主要集中在69月,土壤类型以黄棕壤、棕壤为主。本文选取石桥铺综合观测站裸地径流小区为研究对象,原因概括为3点:(1)相较于其他土地利用方式,裸地缺少地表植被,拦蓄坡面径流和泥沙的能力最弱,水土流失明显加剧1 2;(2)不同地表覆盖情况、不同雨量大小下的产流产沙差异较大1 3,裸地小区下的降雨-径流-产沙的规律更明显、具普遍性,因此裸地径流小区通常是对照组,本文的结论可为后续不同下垫面的土壤侵蚀研究提供参考;(3)罗田是一个“八山一水一分田”的山区,大别山区内山高坡陡、岩石破碎,土壤垂直节理发育,存在着地表植被覆盖
24、较少,甚至裸露的情况,可近似看成裸地。裸地小区的坡度为1 5,长2 0m,宽5m,土壤类型为黄棕壤,在水热充足的季节有杂草生长。1.2 监测设备H L-3型径流泥沙自动监测系统由长春合利水土331第4期 钟祎珣等:大别山南麓裸地小区径流泥沙过程对降雨特征的响应保持科技有限公司生产。该系统由降雨自动识别系统(翻斗式雨量计)、径流泥沙收集装置(集流桶)、数据采集控制系统和数据分析处理系统组成,能实现自动识别降雨、自动记录降雨产流产沙过程,并将数据通过G P R S发往云服务器。测量原理为全量收集并称重。邹玉梦1 4研究流量和含沙量对该自动监测系统测量精度的影响发现,在不同流量水平下,9 0%的径流
25、测量相对误差在5%内,泥沙测量误差范围在2 5%内,在不同含沙量下,径流测量相对误差在5%内,泥沙相对误差在1 5%内。径流、泥沙误差在可接受的范围内,故认为本文的数据是可信的。注:图为黄冈市的D EM影像,五角星的位置为黄冈罗田县石桥铺综合观测站。图1 研究区概况1.3 数据获取与研究方法从湖北省水土保持监测系统网站(h t t p:/s l t.h u b e i.g o v.c n/s b j c/a/l o g i n)上获取黄冈罗田县石桥铺综合观测站2 0 2 0年全年的次降雨产流产沙过程数据:包括从降雨起始时间至结束时间全过程中每隔5m i n记录1次的累计产流、累计产沙量、累计降
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