黄土丘陵沟壑区坡面产流能力及影响因素研究

第28卷　第3期

2009年5月地 理 研 究GEO GRA P HICAL RESEA RC H Vol 128,No 13May ,2009 收稿日期:2008209214;修订日期:2009203218

基金项目:中科院院长奖获得者科研启动专项“中国典型水土流失区水沙关系尺度效应及地带性研究”、国家重

点基础研究发展计划资助(2007CB407207)和国家自然科学基金资助项目(30671721)

作者简介:方海燕(19772),男,山东省金乡县人,博士,助理研究员。主要从事土壤侵蚀、水土保持和GIS

应用等方面研究。E 2mail :fanghy @igsnrr 1ac 1cn

黄土丘陵沟壑区坡面产流能力及影响因素研究

方海燕1,蔡强国1,李秋艳2

(11中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京100101;

21中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083)

摘要:坡面是黄土高原土壤侵蚀的重要来源,本文以团山沟流域的7个径流场9年的降雨-

径流事件,对不同坡面和降雨特征下径流系数随坡面的变化进行了研究。结果表明,研究区

存在降雨强度大、持续时间短的A 型雨、降雨强度小持续时间长的C 型雨以及居于二者之间

的B 型雨。不同雨型下坡面产流能力大小为A 型雨>B 型雨>C 型雨,而产流尺度效应则为

C 型雨>B 型雨>A 型雨。坡度一定,A 型雨下随着坡面长度增加产流能力先增加后减小,

径流系数峰值出现在坡长为40m 的坡面上,B 型和C 型雨坡面产流能力随坡面长度的增加而

增加;坡长一定,峁坡区坡面产流能力随着坡度的增加而增加;A 型雨下沟坡产流能力最小,

而在B 型和C 型雨下,坡面产流能力相对有所提高。

关键词:黄土丘陵沟壑区;降雨类型;坡面;径流系数;尺度效应

文章编号:100020585(2009)0320583209

1　引言

在半湿润和半干旱地区,当降雨强度超过入渗强度后,即可发生霍顿流。然而,由于坡面水流向下流动的过程中受到地表性质、土壤结皮、植被覆盖、地表粗糙度和降雨特征等因素的影响,使得并非所有坡面上部的产流都能够到达坡底或者流域出口,坡面产流能力及尺度效应研究成为目前地学和水文学研究的重点和热点之一。在黄土高原地区,已进行了一些有关坡面产流能力的研究,蔡强国等对黄土丘陵沟壑区峁坡面的产流能力随坡长的关系进行了研究[1],认为在黄土丘陵沟壑区坡面产流能力存在着临界坡长。郑粉莉[2]、吴普特[3]、胡世雄等[4]及其他一些研究者[5]也对黄土高原坡面产流临界坡度进行了研究。王玉宽等[6]对黄土坡面降雨产流过程机制进行了研究。王兴奎等[7]对黄土丘陵沟壑区团山沟流域的产汇流进行了模拟。陈永宗等[8]对岔巴沟流域团山沟径流场降雨侵蚀的时间变化特征及产流产沙随坡面特征和降雨的变化进行了深入的分析。王占礼等[9]研究了黄土高原裸露坡面降雨产流的变化过程。王万忠等[10]对黄土高原的降雨-径流特征进行了分析。以上研究多侧重研究黄土区坡面产流(总)量的某个影响因素或者集中在某个坡位上进行研究,同时对影响产流的重要因素降雨类型也缺少明确的划分。那么,不同降雨类型下坡顶至坡底产流能力如何?不同降雨特征下坡长、坡度等特征对产流能力的影响又如何?有关这些方面的系统研究在黄土丘陵沟壑区还有待进一步的加强。

　地 理 研 究28卷584

黄土丘陵沟壑区地形起伏,沟壑纵横,坡面坡度大。从坡顶到坡底,受降雨和流水的作用,从坡顶至坡底坡度和坡长变化剧烈,垂直侵蚀地貌发育,与水沙关系有着密切的联系,对该区坡面产流能力及尺度效应的研究,不仅可以丰富已有的研究成果,而且可为坡面甚至流域产沙研究提供依据。本文选取位于黄土丘陵沟壑区团山沟流域的7个径流场坡面为研究对象,利用长达9年的降雨-径流事件研究该区产流随降雨和坡面的变化特征,并揭示其影响因素。

2　材料与方法

211　研究区介绍

研究区位于黄土丘陵沟壑区团山沟径流实验场,东经109°47′,北纬37°31′,海拔高度950～1070米。气候属于半干旱大陆性气候,多年平均降雨量为450mm,其中7～9月份的降雨量占年降雨量的70%,多为降雨强度大、短历时的强暴雨,最大记录降雨强度为315mm min-1,年蒸发量达1228mm。年均气温8℃,最低温度为-27℃,最高温度为38℃。土壤为风成黄土母质,属于石灰性始成土,粘粒平均含量为512%,沙粒含量为4817%,有机质含量为0147%[11],该类型的土质极易造成侵蚀及土壤结皮的形成。

为研究不同坡面上土壤侵蚀产沙,1959年黄河水利委员会在该区建立了12个径流场,1969年径流场关闭,因此,共可以收集11年数据。径流小区周边用砖和水泥围成,以防止场外水流进入小区。径流场最小尺寸为30m2,最大可达17200m2。为研究降雨和坡面对产流的影响,本文选取位于阴坡面的1～7号径流场作为研究对象(表1),探讨坡面的产流能力。

团山沟各径流场种植的作物主要有谷子、绿豆、马铃薯、苜蓿、高粱和麋子等,1～5号径流场和7号峁坡面每年的种植作物和方式基本相同,6号沟坡和7号全坡面沟坡部分种植作物和种植方式虽然有些年份有别于1～5号径流场,但野外调查发现,他们的植被覆盖与1～5号径流场差别不大。因此,种植作物和种植方式对1～7号径流场产流能力的影响本文忽略不计。

表1　径流场基本特征

T ab11　Characteristics of the study runoff plots

径流场位置坡型坡度(‰)坡长(m)坡宽(m)面积(m2)主要侵蚀方式1坡顶直行坡158207.5150溅蚀

2峁坡上部直行坡4044015600片蚀

3峁坡中部直行坡4046015900片蚀、细沟侵蚀

4峁坡上部直行坡4042015300片蚀

5峁坡上部直行坡6012015300片蚀

6沟坡直行坡8271160细沟侵蚀

7全坡面(上中下)自然坡445,1730,3444080片蚀、细沟侵蚀212　数据收集和处理

在径流场的附近,利用自记雨量计和普通雨量桶收集降雨数据,包括降雨量、持续时间和降雨强度等。为保证记录降雨-径流事件的完整性,本文选取的研究时段为1961～1969年,期间共统计了84场降雨事件。所有出口处均设有量水堰和集水桶,从小区里流出来的水流通过量水堰进入集水桶。对于一次降雨事件,根据集水桶里收集的水量和小区