大别山南麓裸地小区径流泥沙过程对降雨特征的响应.pdf

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 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 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 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 HANGX 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 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 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 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 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 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 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 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 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 dp 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 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 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 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、累计降雨量、时段雨强和土壤湿度。通过原始数据计算产流率、产沙率、平均降雨强度、最大3 0m i n雨强(I3 0)、最大1 0m i n雨强(I1 0)、径流系数和侵蚀性降雨事件前4 8h内的降雨量。以殷水清等1 5的雨型分型为依据对石桥铺站点2 0 2 0年的降雨事件进行分型,将累计降雨特征数据做归一化处理,作量纲为一的累计降雨历时和累计降雨量的平滑曲线散点图,根据曲线的形态和11线的交点位置判断该次降雨的雨型为前期集中型、中期集中型、后期集中型或均匀分布型。通过相关性分析,分析不同雨型降雨与径流、泥沙指标间的相关关系。通过曲线拟合,概括不同雨型累计产流和累计产沙的变化规律,通过R2和赤池信息准则选出最优拟合模型。相关研究5中,累计水沙与降雨历时的关系拟合较少,降雨量与径流量、泥沙量的关系拟合较多,多拟合为线性函数或幂函数关系模型。累计产流和累计产沙的关系采取L o g i s t i c方程、B o l t z m a n n方程、E x p D e c 1方程、E x p G r o w 1方程、A l l o m e t r i c 1方程、E x p 2 p方程和L i n e a r方程进行拟合描述。选取单次典型降雨事件,详细分析降雨-产流-产沙过程变化特征,同时证明对雨型数据概括分析的合理性。赤池信息准则(A I C)被广泛应用于估算模型拟合数据的优良性中,当有多个模型符合曲线变化规律时,A I C值越小,模型拟合越优,A I C值最小的模型是同一组可供选择的模型中可取的最佳模型。其标准表现形式为:A I C=2k-2 l nL式中:k为变量的具体数量(1,2,3,n);L为极大似然函数。使用E x c e l 2 0 2 0软件处理数据,计算降雨、径流、泥沙指标;采用S P S S2 0软件进行统计学分析;利用O r i-g i n2 0 2 2 b软件绘图。1.4 次降雨事件的筛选自然界的降雨过程复杂,一般情况下,降雨间隔时间在6h以上可视为2次降雨事件1 5,为了尽可能反映径流泥沙对降雨的响应,本文选取典型次降雨事件时尽可能避免前期连续降雨和次降雨历时过长。但该地区全年降雨频繁,难以完全避免前期降雨的影响。最终选取2 0 2 0年典型前期集中型降雨2场(8月1 0日和1 1月1 8日)、中期集中型2场(8月1 8日和9月1 0日)、后期集中型1场(7月3 0日)、均匀分布型1场(1 1月2 4日)。次降雨的降雨特征及径流小区的产流产沙情况见表1。2 结果与分析2.1 全年次降雨的降雨特征2 0 2 0年有记录的降雨事件有1 5 8场,其中造成土壤流失的侵蚀性降雨有2 8场,各种雨型分布的频次与殷水清等1 5研究中长江区降雨分型占比的结果一致。侵蚀性降雨集中在68月,其侵蚀量占全年的8 4.0 1%。其中1 0mm的降雨事件8次,1 02 5mm的4次,2 55 0mm的8次,5 01 0 0mm的6次。其中低于2 5mm降雨量的1 2次降雨产生的土壤侵蚀量占全年的1 4.6%,而5 0 1 0 0mm降雨量的6次降雨事件导致全年4 8.1%的土壤侵蚀量。引起侵蚀的最小降雨量为2.6mm,显著低于研究中普遍认为的侵蚀性降雨雨量标准(一般为1 2mm1 6),该场降雨的平均雨强为5.5 7 1mm/h;引起侵蚀的最小径流量为2L,该场降雨的平均雨强为1 1.1 4 3mm/h。虽然降雨量、径流量小,但降431水土保持学报 第3 7卷雨历时短,雨强大,也可能产沙。由此可知,降雨频繁月份的大雨量降雨事件是全年土壤侵蚀的主要来源;降雨量和径流量的相对大小不能决定产沙与否,当雨强够大,则可能产生侵蚀。表1 次降雨径流泥沙情况汇总表降雨量/mm降雨历时/m i n平均雨强/(mmh-1)径流总量/L泥沙总量/k g径流系数/(Lmm-1)雨前土壤湿度/%雨后土壤湿度/%前4 8h内降雨量/LI3 0/(mmh-1)I1 0/(mmh-1)观测日期(年-月-日)降雨过程分型9.81 6 63.5 4 280.4 7 20.0 0 82 0.12 3.70.21 0.02 4.02 0 2 0-0 2-0 6中期9.21 2 2 70.4 5 01 80.5 0 80.0 1 92 1.42 3.41.07.21 3.22 0 2 0-0 2-1 52.62 85.5 7 12 1 42.4 4 20.7 9 53 3.33 3.405.24.82 0 2 0-0 4-2 3前期4 6.41 0 8 62.5 6 46 9 50.9 1 90.1 4 53 4.13 6.82.42 8.46 0.02 0 2 0-0 6-1 2前期3 7.89 2 32.4 5 76 9 40.0 2 20.1 7 73 4.13 6.84 8.22 5.67 0.82 0 2 0-0 6-1 3前期1 0 6.81 7 8 33.5 9 44 5 7 61 8.0 1 40.4 1 43 2.74 1.91 5.62 5.63 3.62 0 2 0-0 6-2 1前期6 4.81 0 4 53.7 2 12 1 1 31 2.9 9 70.3 1 53 6.93 9.01 0 6.83 4.44 0.82 0 2 0-0 6-2 2中期9 2.02 9 2 91.8 8 56 0 70.5 7 00.0 6 43 1.43 8.302 2.02 5.22 0 2 0-0 6-2 7均匀4 5.81 2 6 72.1 6 95 0 81.5 1 40.1 0 73 2.33 7.302 1.63 0.02 0 2 0-0 7-0 2前期2 9 9.43 7 2 04.8 2 91 6 3 4 98.3 3 70.5 2 73 5.14 0.54 5.84 3.61 0 0.82 0 2 0-0 7-0 4后期2 9.23 1 55.5 6 28 2 87.7 3 20.2 7 43 3.53 8.51 1.84 1.66 0.02 0 2 0-0 7-2 6中期4 1.03 2 07.6 8 81 6 6 13.1 3 20.3 9 13 7.13 7.62 9.23 1.63 6.02 0 2 0-0 7-2 7前期2 5.03 5 34.2 4 94 0 04.0 0 80.1 5 53 5.23 8.55.21 9.63 8.42 0 2 0-0 7-2 9中期3 3.01 5 11 3.1 1 35 8 62 1.0 9 90.1 7 23 6.84 2.23 0.21 9.62 6.42 0 2 0-0 7-3 0后期7 3.01 0 1 74.3 0 71 5 5 22 9.1 7 10.2 0 52 3.63 9.404 3.68 1.62 0 2 0-0 8-0 8后期6 1.62 7 41 3.4 8 92 7 3 43 6.9 7 40.4 2 93 6.23 9.97 3.07 0.47 9.22 0 2 0-0 8-1 0前期1 1.61 6 94.1 1 863.5 6 10.0 0 53 3.23 7.10.21 2.02 0.42 0 2 0-0 8-1 2中期5.22 81 1.1 4 322.3 4 10.0 0 42 7.92 7.807.61 4.42 0 2 0-0 8-1 7前期6.22 31 6.1 7 473.6 3 10.0 1 12 7.12 7.25.21 1.63 0.02 0 2 0-0 8-1 8中期1 8.23 2 33.3 8 12 62.4 6 40.0 1 42 6.93 5.40.22 4.83 1.22 0 2 0-0 8-2 0前期4.82 8 11.0 2 540.7 1 00.0 0 83 4.13 3.71 8.22.84.82 0 2 0-0 8-2 11 9.89 71 2.2 4 74 42.7 7 90.0 2 13 0.43 7.303 2.07 2.02 0 2 0-0 8-2 5前期5 4.89 7 03.3 9 06 72.6 1 20.0 1 21 9.23 4.601 1.61 4.42 0 2 0-0 9-1 0中期5 3.61 8 1 21.7 7 51 5 89.4 8 80.0 2 83 4.03 5.43 6.01 0.81 3.22 0 2 0-0 9-1 6前期3 2.03 6 45.2 7 51 0 65.2 3 00.0 3 22 8.23 4.41.02 2.05 5.22 0 2 0-1 1-1 8前期6.64 3 00.9 2 183.2 0 10.0 1 23 2.13 4.41.21.63.62 0 2 0-1 1-2 4均匀2 1.87 0 11.8 6 65 74.8 9 40.0 2 53 3.13 4.47.85.66.02 0 2 0-1 1-2 5前期9.61 0 7 30.5 3 742.1 4 30.0 0 42 6.42 6.801.63.62 0 2 0-1 2-2 9后期 注:降雨过程分型一栏中出现表示降雨累计曲线特征不明确,无法分类到任何一种雨型中;下划线字体标记的降雨事件是不同雨型中选出的典型次降雨事件。2.2 裸地产流产沙对雨型的响应不同雨型的降雨产流产沙特征见表2。同种雨型次降雨的降雨量的标准差大、数值分散,其他指标的数据均是如此。对数据进行单因素方差分析结果显示,除了后期集中型的降雨量和径流总量与前期、中期相比有显著性差异外,其他降雨、径流、泥沙指标均没有显著性差异,基于本文1年的降雨数据可知雨型对径流泥沙指标影响不显著。表2 不同雨型的降雨径流泥沙指标降雨类型降雨历时/m i n降雨量/mm平均雨强/(mmh-1)I3 0/(mmh-1)径流总量/L径流系数/(Lmm-1)泥沙总量/k g频次占总频次的比例%前期集中性6 9 2.7 76 3 0.9 23 7.8 92 7.4 2 a5.6 34.1 82 3.9 41 6.9 48 8 2.6 91 3 6 4.8 9 a0.2 00.2 46.9 41 0.1 91 34 6.4 3中期集中型4 3 4.4 34 0 6.6 82 8.7 72 2.9 3 a5.8 24.6 22 0.1 11 2.7 74 8 9.8 67 7 8.3 8 a0.1 10.1 45.0 04.1 372 5.0 0后期集中型1 4 9 0.2 51 5 4 5.2 5 1 0 3.7 51 3 3.0 3 b5.7 05.3 02 7.1 02 0.4 24 6 2 2.7 57 8 4 3.5 2 b0.2 30.2 21 5.1 91 2.2 141 4.2 9均匀分布型1 6 7 9.51 7 6 7.0 64 9.3 06 0.3 9 a b1.4 00.6 81 1.8 01 4.4 23 0 7.5 04 2 3.5 6 a b0.0 40.0 41.8 91.8 627.1 4 注:表中数据均为平均值标准差,根据L S D检验,后跟任何相同字母处理的平均值在9 5%置信水平上没有显著差异。2.3 降雨径流泥沙特征的关系为探究降雨、径流、泥沙指标间的关系,对前期、中期和后期集中型3种雨型各指标做相关性分析(图2)。3种雨型下,I3 0和I1 0均表现出较强的相关性,且I3 0与其他指标的相关性更好,为避免重复计算可以只选取I3 0这个最大雨强指标。除后期集中型降雨531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外,降雨历时和降雨量、降雨前4 8h内降雨量与泥沙量在p0.0 1水平下呈显著正相关,I3 0和产沙量的相关性较高。除中期集中型降雨外,径流量和降雨量在p0.0 1水平下呈显著正相关。前期集中型:降雨历时和平均雨强在p0.0 5水平呈负相关,I3 0与泥沙量在p0.0 1水平呈显著正相关。说明降雨事件前期是短暂的高强度降雨,历时越长平均雨强越小,集中的雨强即I3 0很大程度地决定产沙量。注:利用p e a r s o n相关分析,相关性显示为椭圆形,形状方向朝右前方为正、左前方为负,颜色深浅对应系数大小,短轴越短,相关性越强;*表示差异显著(p0.0 5),*表示差异极显著(p0.0 l)。图2 降雨、径流泥沙指标热点图中期集中型:降雨量和降雨历时在p0.0 1水平呈显著正相关。径流系数和径流量、泥沙量、最大雨强呈显著正相关,其中I3 0是影响径流系数的主要因子,前人1 7也得出相似的研究结果。径流系数是一段时间内径流总量与降水总量的比值,降水总量和径流总量的差值取决于植物截流、填洼、入渗和蒸发。对于裸地小区而言,入渗对径流系数的影响较植物截流和填洼的作用更大。径流系数和径流量的显著正相关说明入渗量与总降雨量的比值随总降雨量的增大而减小,入渗量不随总降雨量同比例增大,是因为总入渗量是有限的。随着降雨过程的发生,前期降雨逐渐将土壤蓄满,少有径流产生,到中期集中降雨时几乎不再入渗而转化为径流,泥沙也在这期间增大。后期集中型:径流总量和降雨量、降雨历时相关性强,是因为降雨集中在后期,降雨历时越长表明前中期的降雨时间也越长,土壤蓄水越多,越接近饱和,在后期集中降雨时径流量便会增大。降雨量与径流系数在p 0.0 5的水平上呈正相关,其原因和中期集中型一致。分析可知,I3 0是本区域最佳的最大时段雨强指标,影响泥沙量和径流系数;径流系数和径流量、降雨量的相关性是因为蓄满产流;前4 8h内的降雨量对前期型和中期型降雨事件泥沙量有明显影响。2.4 累计水沙过程与累计降雨历时的关系本文全年侵蚀性降雨场次的降雨量与径流量可拟合为线性函数、指数函数和幂函数模型,计算A I C值依 次 为3 9 2.9 4 3,3 8 3.2 4 1,3 6 8.8 6 7,R2依 次 为0.8 9 4,0.9 2 5,0.9 5 5,均表明幂函数为最佳拟合模型,幂函数方程符合y=0.3 4 0 8x1.8 6 5 2。分析不同雨型量纲为一的累计产流量、累计产沙量和累计降雨历时的曲线发现,每种雨型都呈现明显的规律,不同雨型水沙曲线规律的差异明显。虽然图3中的1 3次降雨事件同为前期集中型降雨,但曲线聚集形成2条规则的趋势线,图3 a中的趋势线1是从起始时刻开始快速增长,约呈7 5 的直线,在降雨历时3 0%左右时就已经累积9 0%的径流量。趋势线2增长缓慢约呈4 5 的直线,在历时3 0%时,累计产流不超过4 0%。虽然图3 b也表现出2条明显的分化趋势线,但趋势线2附近的部分降雨事件在图3 b中的曲线更接近趋势线3,趋势线3符合大多数降雨事件的累计泥沙规律,在累计历时5 0%时对应的累计产沙超过6 0%。趋势线4只有2场(4月2 3日和8月1 7日),这2次降雨事件的降雨历时是所有前期型降雨最短的,只有2 8m i n。整体而言,前期型降雨事件的产沙曲线较产流曲线规律性更弱,但出现分歧的产流规律在产沙过程中得以统一。由表3可知,根据A I C值和R2判断,L o g i s t i c方程为拟合趋势线1,2和3的最优模型,王思思等1 8利用L o g i s t i c方程拟合绿地累计产流量,也有利用相似的L o g i c a l模型拟合降雨过程的径流泥沙累积量关系5。虽然趋势线4拟合为L o g i s t i c和B o l t z m a n n方程的R2高,但L o-g i s t i c方程拟合失败且有较大的A I C值,A I C值更低的A l l o m e t r i c 1方程为最佳拟合函数。可知A I C值具有更优模型的筛选能力。采用L o g i s t i c最佳拟合函数对8月1 0日和1 1月1 8日典型单次降雨事件进行拟合检验,拟合效果较好(表4)。631水土保持学报 第3 7卷 注:图b中7月2 7日的散点折线有明显不正常的上下波动,故剔除。图3 量纲-累积产流产沙-历时曲线特征关系(前期型)表3 前期型降雨产流产沙过程函数拟合趋势线拟合方程模型拟合优度R2A I C1L o g i s t i c0.8 3 6-4 9 0 4.6 5B o l t z m a n n0.8 3 5-4 8 9 9.7 1E x p D e c 10.8 0 4-4 6 8 1.3 42L i n e a r0.8 9 6-2 5 1 0.7 1L o g i s t i c0.9 2 7-2 7 1 1.4 7A l l o m e t r i c 10.8 9 6-2 5 0 8.1 13L o g i s t i c0.7 2 5-5 7 7 4.1 8B o l t z m a n n0.7 2 4-5 7 6 5.6 8E x p D e c 10.7 0 9-5 6 7 6.2 34L o g i s t i c(f a i l e d)0.9 5 7-1.5 9B o l t z m a n n0.9 5 7-1.5 9A l l o m e t r i c 10.8 1 6-1 4.7 8 中期型降雨的初始产流产沙时刻在整场历时的1 8%附近,与累计产流相比累计产沙曲线“S”形上升部分的历时更短,斜率更大。累计历时在5 0%处时,降雨事件的累计产流为3 5%9 5%,而累计产沙为6 5%1 0 0%。表明降雨历程前期径流中泥沙较多而后期径流中泥沙减少。中期集中型的累计产流产沙曲线趋势明显,均拟合为L o g i s t i c方程,图4 a趋势线5满足y=1.0 3 7-1.0 2 51+(x0.4 4 4)4.3 3 1,R2=0.8 1 9,图4 b趋势线6满足y=0.9 7 9-0.9 5 61+(x0.3 8 9)7.5 0 0,R2=0.7 6 9。采用L o g i s t i c最佳拟合函数对9月1 0日典型单次降雨事件的拟合效果很好(表5)。表4 前期型单次降雨产流产沙过程函数拟合观测日期(年-月-日)累计产流拟合模型拟合方程R2累计产沙拟合模型拟合方程R22 0 2 0-0 8-1