不同坡度下的坡面土壤侵蚀特征分析_时宏.pdf

57 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）不同坡度下的坡面土壤侵蚀特征分析时 宏（北票市台吉水利服务站，辽宁 朝阳 122122）摘 要：文章利用北票市水土保持部门 2019、2020 年径流小区实测数据，科学分析了坡面产流产沙量受坡度因子的影响，为全面掌握低山丘陵区坡面侵蚀特征提供一定支持。研究表明：坡面产流产沙量随着坡度的增加而增大，坡度处于 20 25之间时产流产沙量最高，随后小幅减小但整体呈上升趋势；不同雨强下，最大 30min 雨强 I30 50mm/h 的产流产沙量高于 I30 50mm/h，随植被覆盖度的增加坡面产流产沙量逐渐减小，土壤抗蚀性增强；径流小区实测数据与 USLE 方程模拟产沙量相差不大，对北票市坡面土壤侵蚀计算该模型及其参数具有较高适用性。关键词：坡度因子；土壤侵蚀；径流小区；北票市 中图分类号：S157.1 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0057-05 收稿日期 2022-11-09作者简介 时宏（1 9 8 2-），女，辽宁北票人，工程师，研究方向为水土保持、水利水电工程、河道治理、农村饮水、农村小型水利工程。坡度是影响土壤侵蚀和坡面径流的关键地形因子之一，降雨相同情况下不同坡度产生的坡面产流产沙量往往具有较大差异1。近年来，中国许多学者探索了坡面产流产沙量与坡度间的关系，如张兴奇等2通过现场实测黔西北地区径流小区数据发现，随坡度增加坡面产流产沙量呈现出先增加后减Analysis of Slope Soil Erosion Characteristics under Different SlopesAnalysis of Slope Soil Erosion Characteristics under Different SlopesSHI Hong(Beipiao Urban Taiji Water Conservancy Service Station,Chaoyang 122122,China)Abstract:Based on the measured data of runoff plots in 2019 and 2020 from the Department of Soil and Water Conservation in Bepiao City,this paper scientifically analyzed the influence of slope factors on sediment yield and runoff yield on slope,providing certain support for comprehensively mastering slope erosion characteristics in hilly areas.The results showed that the sediment yield on the slope increased with the increase of slope,and the sediment yield was the highest when the slope was in the range of 20-25,and then decreased slightly but showed an overall upward trend.Under different rainfall intensity,the sediment yield of the maximum 30min rainfall intensity I3050mm/h was higher than that of I30 50mm/h,with the increase of vegetation coverage,the sediment yield and sediment yield of the slope gradually decreased,and the soil erosion resistance increased.There is little difference between the measured data of runoff plot and the simulated sediment yield of USLE equation,so the model and its parameters are highly applicable to the calculation of slope soil erosion in Beipiao city.Key words:slope gradient;soil erosion;runoff plot;Beipiao city DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.016 58 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）少再增加的变化特征，但坡面径流量的增加幅度相对较小；和继军等3结合现场实测径流小区产流产沙量，探讨了不同场次降雨下随坡度增加坡面产流产沙量的变化特征。考虑到坡面产流产沙受坡度的影响比较复杂，不同研究对象、方法所得到的结论具有明显差异，故进一步研究坡面土壤侵蚀受坡度因子的影响特征，对准确预测当地水土流失工作具有重要意义4。本研究通过设置不同坡度的径流小区，探讨分析坡面产流、土壤侵蚀受不同坡度因子的影响规律，旨在为北票市水土保持综合治理以及水土流失监测等提供科学依据。1 研究方法1.1 小流域概况北票市水土保持局在大巴沟小流域设立有监测点，该小流域属大凌河支流蒙古营河中游，低山丘陵地貌，总面积 14.85km2，海拔高程 420680m。气候类型为大陆性季风气候，日照充足，雨热同期，温差较大，年均气温 8.8，均降水量 474mm/a，平均径流深 110mm/a，降水量年内分配不均匀，年季间变化较大，多集中于 7-9 月。土壤类型以褐土为主，亚类中淋溶褐土分布广泛，土层厚度20110cm 之间，肥力中等偏下，土壤抗冲蚀性弱，腐殖质薄，通透性差，固土保水能力和复种指数低，土壤侵蚀严重。由于长期的人为干扰，流域内原始植被破坏殆尽，现状植被以人工林木和天然次生林为主，植被类型主要有灌丛、真阔混交林、针叶林，主要树种有山杏、油松、侧柏、国槐、刺槐等，农作物以谷子、玉米为主，草种有蒲公英、披碱草、狗尾草、沙大旺等，林草植被覆盖率 34.15%。1.2 径流小区设置在 大 巴 沟 小 流 域 设 置 5、10、15、20、25五种不同坡度的标准径流小区，各小区的投影面积为长 20m 宽 5m。然后将长 5m 宽1.5m 高 1.5m 的集流池设置在各径流小区的底部，预留出水口连接集水池与径流小区，集水桶放置于集水池出水口处，主要作用是承接降雨冲刷出的泥沙和径流量，集水桶容积 250L。1.3 常规监测方法每次降雨后及每月 1 日、15 日，定期监测各径流小区植被覆盖度、土壤含水量和水土流失量，具体如下：1）植被覆盖度及土壤含水量监测。将各径流小区合理划分成 9 个地块，遵循从下到上、自西向东的原则依次测量记录，确保监测数据的可参考性和对比性。文章选用 TDR 检测仪测量土壤含水量，通过垂直于坡面拍摄的方式测定植被覆盖度，维持拍摄高度 1.5m 不变。2）水土流失监测。首先，准确测量集水桶及集水池内的泥沙量、水量，在均匀搅拌泥沙和水后取出 500mL 水样，实验室监测含沙量；然后将桶内泥沙和水倒出，打开阀门清洗集水池，为下次测量做好准备。3）试验方法。为形成人工坡面与草灌结合的径流小区，开始先播种高羊茅、狗牙根、白车轴草、黑麦草等禾本科草籽，待草本植被覆盖稳定后模拟天然坡面灌木植被分布和平均密度，然后将胡枝子、荆条等低矮灌木种植于各径流小区内，完成分阶段演替式坡面处理。1.4 数据处理将获取的泥沙和径流数据利用 SPSS 20.0、Excel 2019 等软件进行统计分析，主要包括拟合处理、相关性分析和基本数据统计量等，并考虑实际需要绘制图表。2 结果与分析2.1 坡度与坡面产沙量、产流量的关系不同坡度下各径流小区 2019、2020 年坡面产流产沙量统计数据，不同坡度的产沙量、产流量见表 1。由表 1 可知，降雨相同情况下，坡度从 5逐渐提高到 20时坡面产流产沙量均不断增加；坡度继续从 20提高到 25时，2020 年产沙量及2019、2020 年产流量有所减小，但 2019 年产沙量依然增加。究其原因，虽然各径流小区的投影面积相同，但 25 20径流小区的坡长，更长的径流途径使得降雨更易入渗，相应的产流量较少；此外，随着坡度的不断增加，25坡面的植被生长状况和植被覆盖度不如 20，因此具有较高的降雨渗透性和较小的坡面产流量。而 2019 年植物根系还不发达，坡面植被覆盖度较小，土壤灌溉后形成物理结皮且多处于裸露状态，从而使得土壤侵蚀量较高，产沙量明显增大。59 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）（a）I30 50mm/h （b）I30 50mm/h图 1 不同雨强下坡度与产流量的关系从图1可以看出，雨强相同情况下，在5 20范围时坡度与坡面产流量之间存在正相关性，随坡度增加产流量逐渐增大；在 2025范围时坡度与坡面产流量之间存在负相关性，随坡度增加产流量逐渐减小。雨强不同情况下，I30 50mm/h 整体高于 I30 50mm/h 的产流量。此外，2020 年各坡度平均产流量均小于同坡度 2019 年数据，这是由于 2020 年的植物生长状况更好，根系更加发达且植被覆盖度更高，从而增强了坡面的降雨蓄渗作用。考虑到 2019 年刚建立的径流小区土壤条件稳定性较差，产沙量较多并且与 2020 年相差较大，所以选择 2019、2020 年产沙量平均值来分析，不同雨强下坡度与产沙量的关系，见图 2。从图 2 可以看出，在I3050mm/h、I3050mm/h雨强情况下，坡度从 20逐渐提高到 25时，坡面产沙量增长率从 96.04%、105.30%减小到 27.29%、1.63%。随坡度增加雨滴击打地表所形成的垂直于表土的分量越小，相应的激溅侵蚀力和土壤侵蚀量减小，特别是 20坡度时的临界效应增加显著。图 2 不同雨强下坡度与产沙量的关系2.3 不同植被覆盖下坡度与产流产沙量的关系表 1 不同坡度的产沙量、产流量坡度/产沙量/(tkm-2a-1)产流量/L2019 年2020 年平均值2019 年2020 年平均值5481.0050.886240.946 971.2650.4810.800 10702.7601.480352.120 1125.7782.0953.850 151154.5612.527578.544 1182.0895.11038.550 202348.0243.8251175.925 1451.51132.61292.050 252515.5633.3711259.467 1322.01058.21190.100 根据实际监测数据，2019 年在 20坡面上发生 5 次最大侵蚀量，而 25坡面仅出现 2 次最大侵蚀量，2020 年所有最大侵蚀量都发生于 20坡面上。因此，研究认为临界坡度为 20，即 20坡面的土壤侵蚀量达到最高。2.2 不同雨强下坡度与产流产沙量的关系现 有 研 究 表 明，最 大 30min 雨 强 I30与 坡面产