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［關(guān)鍵詞］降雨特征；雨型；徑流量；產(chǎn)沙量；孟良崮小流域；沂蒙山區(qū)

［摘要］基于孟良崮小流域2007—2021年歷次降雨事件的降雨、徑流、泥沙等水文氣象數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)分析法探究降雨量、徑流量、輸沙量之間的關(guān)系，并選取2014—2021年產(chǎn)流降雨數(shù)據(jù)，利用K均值聚類算法，分析不同類型降雨條件下次洪水事件的產(chǎn)流輸沙特征，以及降雨類型對(duì)流域徑流量、輸沙量的影響。結(jié)果表明：徑流深、徑流量與降雨量，以及侵蝕量與徑流量、含沙量與I30之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系；相比降雨量，降雨強(qiáng)度是產(chǎn)生水土流失的主要因素；小雨量、小雨強(qiáng)的Ⅳ型降雨是流域常見的降雨類型，發(fā)生頻率為44.8%；Ⅲ型降雨的產(chǎn)沙模數(shù)和平均含沙量均為最大，是該區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙以至發(fā)生水土流失的主要降雨類型。

［中圖分類號(hào)］ S157.1［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）08－0028－04

水土流失已成為威脅全球土壤健康和可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，影響全球84%的陸地表面，導(dǎo)致33%的土地退化[1]。在諸多水土流失影響因素中，降水是影響徑流形成的重要因素，降水和徑流二者時(shí)空特征的改變勢(shì)必造成流域水沙關(guān)系的變化[2]，雨滴打擊地表，破壞土壤團(tuán)聚體，形成土壤小顆粒隨徑流沖刷流失。侵蝕性降雨是水土流失的主要驅(qū)動(dòng)力，甚至誘發(fā)滑坡、崩塌等，威脅群眾生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。降雨類型不同，侵蝕破壞力也不同，因此研究不同降雨條件下的水土流失變化特征對(duì)于水土流失防治具有重要意義。

已有許多學(xué)者對(duì)自然因素，如降雨、坡度、植被覆蓋度等對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響進(jìn)行了研究。吳希媛等[4-5]認(rèn)為，降雨強(qiáng)度是影響徑流和入滲的決定性因素，也是引起土壤侵蝕的主要影響因子，雨強(qiáng)的增大提高了坡面徑流量和侵蝕量。饒素秋等[6]研究發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代以來(lái)黃河中游輸沙量呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)，其原因可歸結(jié)為極端暴雨發(fā)生頻率的降低。RODRGUEZ-BLANCO et al.[7]研究表明，徑流量對(duì)流域輸沙量的影響比降雨量更為顯著。ZHANG et al.[8]以黃土高原小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了次洪尺度上的水沙關(guān)系，結(jié)果表明大洪峰流量場(chǎng)次洪水的徑流泥沙關(guān)系擬合得更好、更有規(guī)律性。晏清洪等[9]發(fā)現(xiàn)場(chǎng)次降雨事件中降雨、輸沙及徑流三者間的相關(guān)關(guān)系決定了流域洪沙關(guān)系及水沙輸移規(guī)律，在流域尺度范圍內(nèi)能進(jìn)一步揭示泥沙來(lái)源的時(shí)空分布?？紤]到目前鮮有沂蒙山區(qū)降雨類型對(duì)水土流失的影響特征的研究成果，本研究以位于沂蒙山區(qū)的典型小流域——孟良崮小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過統(tǒng)計(jì)流域2007—2021年歷次降雨事件的降雨、徑流、泥沙等水文氣象數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)分析法探究降雨量、徑流量、輸沙量之間的關(guān)系，并選取2014—2021年產(chǎn)流降雨數(shù)據(jù)，利用K均值聚類算法，分析不同類型降雨條件下次洪水事件的產(chǎn)流輸沙特征，以及降雨類型對(duì)流域內(nèi)徑流量、輸沙量的影響，希望能為類似地區(qū)水土流失治理提供參考。

1研究區(qū)概況

孟良崮小流域（東經(jīng)118°10′～118°11′、北緯35°34′～35°35′）屬淮河流域沂河水系，是蒙河一級(jí)支流疃里河的上游；屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均降水量為733.4 mm，降水年內(nèi)分布不均，汛期降水量占全年的74.6%，且暴雨多、強(qiáng)度大，年均蒸發(fā)量為1 290 mm，年均氣溫為12.9 ℃，極端最高氣溫為40 ℃，極端最低氣溫為-21.1 ℃，年均無(wú)霜期為196 d，最大風(fēng)速為20 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)；山丘起伏，地勢(shì)北高南低，溝壑縱橫，巖石裸露，溝道比降大、水流湍急，水土流失嚴(yán)重，并以水力侵蝕為主[10]；土壤大致可分為棕壤、潮土兩大類，質(zhì)地以砂質(zhì)壤土為主，其中棕壤主要分布于流域的中上游，潮土主要分布于河谷兩岸的低洼地帶；植被類型主要有水保林、經(jīng)濟(jì)林和用材林等。孟良崮小流域控制站位于山東省臨沂市蒙陰縣垛莊鎮(zhèn)北部，控制流域面積為1.04 km2。

2研究方法

2.1徑流觀測(cè)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)基于小流域尺度，采用定位觀測(cè)方法，對(duì)2007—2021年每場(chǎng)自然降雨條件下的降雨量，以及徑流小區(qū)的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在控制站布設(shè)一系列徑流觀測(cè)設(shè)施，包括電子雨量計(jì)1個(gè)、自動(dòng)氣象站1處、三角堰1處、寬頂堰1處（水量小時(shí)采用三角堰，水量大時(shí)采用寬頂堰），其中三角堰堰頂角90°、高30 cm，寬頂堰（位于三角堰下方）堰寬5 m。

2.2觀測(cè)方法

1）產(chǎn)流過程。降雨產(chǎn)流流量根據(jù)過堰水頭（即水尺讀數(shù)）代入公式計(jì)算。流量乘以該流量的過流歷時(shí)，即得徑流量。洪水總量求算是將暴雨洪水過程按測(cè)次劃分為若干梯形水體，測(cè)驗(yàn)指標(biāo)包括次洪水徑流量、日（月、年）徑流量等。

2）產(chǎn)沙過程。泥沙輸移監(jiān)測(cè)采用人工單點(diǎn)取樣法，用水樣桶取樣，采樣時(shí)間間隔設(shè)置以4瓶為1組，共6組24瓶。具體來(lái)說，從洪水漲起開始記錄時(shí)間并采樣，記錄取樣瓶號(hào)，第一組（1～4瓶）每隔15 min采樣1次，第二組（5～8瓶）每隔30 min采樣1次，第三組（9～12瓶）每隔1 h采樣1次，第四組（13～16瓶）每隔2 h采樣1次，第五組（17～20瓶）每隔4 h采樣1次，第六組（21～24瓶）每隔8 h采樣1次，共計(jì)經(jīng)歷63 h。實(shí)際的最終采樣總數(shù)視洪水漲落歷時(shí)而定，直至洪水停止，或水位降到日常水位后，按照日常觀測(cè)進(jìn)行。當(dāng)洪水漲落歷時(shí)＜63 h，則采樣數(shù)量可＜24瓶；當(dāng)洪水漲落歷時(shí)＞71 h，采樣數(shù)量可＞24瓶。取得樣品后都要進(jìn)行樣品量積、靜置、過濾、烘干和稱量，算出樣品的含沙量，由樣品的含沙量可算出斷面平均含沙量。

2.3數(shù)據(jù)處理

根據(jù)流域控制站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)2007—2021年歷次降雨的降雨量（P，mm）、降雨歷時(shí)（D，min）、降雨強(qiáng)度（I，mm/h）、最大30 min降雨強(qiáng)度（I30，mm/h），以及徑流深（H，mm）、徑流系數(shù)（Rc）、洪峰流量（Q，m3/s）、產(chǎn)沙模數(shù)（Ms，t/km2）、平均含沙量（C，kg/m3）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究孟良崮小流域降雨及產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，并采用皮爾遜相關(guān)分析法及線性擬合評(píng)估降雨量、徑流量、輸沙量之間的關(guān)系；利用K均值聚類分析法，選取2014—2021年8 a間發(fā)生產(chǎn)流事件的96場(chǎng)降雨根據(jù)P和I30進(jìn)行分類，分析不同降雨類型對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

3結(jié)果與討論

3.1流域水沙變化規(guī)律

根據(jù)流域控制站提供的數(shù)據(jù)，對(duì)孟良崮小流域2007—2021年歷次降雨事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。期間共發(fā)生275次降雨事件，其中最小次降雨量為1.8 mm，最大次降雨量為112.0 mm，有40次降雨事件的降雨量＞50 mm，占總降雨事件的14.5%；降雨量＞5.0 mm時(shí)會(huì)發(fā)生產(chǎn)流事件，共發(fā)生產(chǎn)流155次，產(chǎn)流降雨平均降雨歷時(shí)為639.6 min；有57次降雨事件降雨歷時(shí)＞1 000 min，占總降雨事件的20.7%，有129次降雨事件降雨歷時(shí)＜480 min，占總降雨事件的46.9%；單次降雨平均降雨強(qiáng)度最大值可達(dá)54 mm/h，該次降雨的降雨歷時(shí)為775 min，多數(shù)降雨強(qiáng)度＜5 mm/h，共發(fā)生了205次，占總降雨事件的74.5%。

所有降雨產(chǎn)流事件中，徑流深在0.003～36.7 mm之間，平均值為1.9 mm，其中徑流深＜0.1 mm的降雨事件發(fā)生了40次，占總產(chǎn)流事件的25.8%；徑流系數(shù)在0.000 2～0.48之間，多數(shù)產(chǎn)流事件的徑流系數(shù)＜0.1，共發(fā)生了126次，占總產(chǎn)流事件的81.3%；洪峰流量的變化范圍在0.000 08～1.4 m3/s之間，有6場(chǎng)降雨的洪峰流量超過1.0 m3/s，占總產(chǎn)流事件的3.9%；徑流的平均含沙量在0.008～2.05 g/L之間，平均值為0.4 g/L。

3.2降雨與流域產(chǎn)沙過程的關(guān)系

孟良崮小流域降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間的關(guān)系見圖1。由圖1可知，徑流深、徑流量與降雨量，以及侵蝕量與徑流量、含沙量與I30之間均呈顯著正相關(guān)，這說明降雨引起了流域產(chǎn)流，而降雨強(qiáng)度是影響產(chǎn)沙量的主要因素。

3.3不同降雨類型條件下流域水沙變化特征

降雨類型的統(tǒng)計(jì)分類特征見表2。根據(jù)K均值聚類算法計(jì)算結(jié)果，將2014—2021年研究區(qū)發(fā)生產(chǎn)流事件的96場(chǎng)降雨分為4種類型：①降雨類型Ⅰ，降雨量中等（52.5 mm），降雨強(qiáng)度中等（25.9 mm/h）；②降雨類型Ⅱ，降雨量最大（78.1 mm），降雨強(qiáng)度中等（26.3 mm/h），發(fā)生的頻率最低，僅為9.4%；③降雨類型Ⅲ，降雨量中等（65.9 mm），降雨強(qiáng)度最大（60.5 mm/h）；④降雨類型Ⅳ，降雨量最小（12.4 mm），降雨強(qiáng)度最小（11.6 mm/h），發(fā)生頻次最多，共發(fā)生43次，占總降雨事件的44.8%。

不同降雨類型流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征見圖2。流域降雨的產(chǎn)流能力通常采用徑流系數(shù)表征，4種降雨類型的徑流系數(shù)Ⅱ型＞Ⅲ型＞Ⅰ型＞Ⅳ型，見圖2（a），其中Ⅳ型降雨徑流系數(shù)最小，為0.04，Ⅱ型降雨徑流系數(shù)最大，為0.12，比Ⅳ型降雨徑流系數(shù)高200%，說明不同降雨類型會(huì)對(duì)徑流過程產(chǎn)生較大影響。4種降雨類型的洪峰流量Ⅲ型＞Ⅰ型＞Ⅱ型＞Ⅳ型，見圖2（b），其中Ⅲ型降雨洪峰流量＞6.2 m3/s，但事件發(fā)生頻次較少，僅為11場(chǎng)，在總產(chǎn)流事件中占11.5%，Ⅱ型和Ⅳ型降雨的洪峰流量數(shù)值差異較小，分別為2.4、2.1 m3/s。此外，流域輸沙量與產(chǎn)流量通常采用斷面平均含沙量來(lái)表征。由圖2（c）（d）可知，Ⅲ型降雨的產(chǎn)沙模數(shù)和平均含沙量均為最大，分別達(dá)到0.047 t/hm2和1.2 g/L，這表明Ⅲ型降雨是研究區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙以至發(fā)生水土流失的主要降雨類型，而Ⅳ型降雨的產(chǎn)沙模數(shù)和平均含沙量均為最小，分別為0.000 9 t/hm2和0.1 g/L。

4結(jié)論與討論

降雨是地表徑流的主要來(lái)源，是影響水土流失的關(guān)鍵因素之一。孟良崮小流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，季節(jié)性降雨分明。在本研究中，Ⅱ型降雨降雨量最大，導(dǎo)致徑流量也較大，但由于雨強(qiáng)中等，因此產(chǎn)生的含沙量較小，這說明含沙量主要受到雨強(qiáng)的影響。LIU et al.[11]研究表明降雨強(qiáng)度是影響土壤侵蝕的重要降雨因子，反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，這是因?yàn)榇笥陱?qiáng)降雨的侵蝕力較大，能夠破壞地表結(jié)構(gòu)，剝離、運(yùn)移土壤沙粒，從而引發(fā)水土流失。中雨量、中雨強(qiáng)的Ⅰ型和小雨量、小雨強(qiáng)的Ⅳ型降雨是孟良崮小流域常見的降雨類型，8 a中發(fā)生頻率分別為34.4%和44.8%，其中Ⅳ型降雨導(dǎo)致的水土流失量最小。Ⅲ型降雨發(fā)生的頻率雖然僅為11.5%，但產(chǎn)沙模數(shù)和含沙量卻最大，是導(dǎo)致該地區(qū)水土流失的主要降雨類型。王浩等[12]研究發(fā)現(xiàn)，極端降雨事件導(dǎo)致的徑流系數(shù)和土壤流失量分別是普通降雨的2.6和11.5倍。因此，孟良崮小流域的水土保持工作應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中雨量、大雨強(qiáng)降雨事件的防護(hù)措施。

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收稿日期： 2023-04-10

第一作者： 張?zhí)叮?991—），女，山東日照人，工程師，博士，主要從事水土保持管理工作。

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（責(zé)任編輯李楊楊）