紫色土丘陵区小流域径流和泥沙过程对降雨的多尺度响应规律研究

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土壤侵蚀是人类面临的重要环境问题之一。侵蚀的持续发生不仅造成土壤肥力的下降,破坏土地资源,而且侵蚀泥沙的输移与沉积加剧了洪涝等自然灾害的发生;它也是造成面源污染、破坏水资源的重要因素。集水区是地表径流、泥沙输移的基本单元,降雨引起滴溅侵蚀,产流后在坡面产生片蚀,坡地的中下部则出现细沟和浅沟侵蚀,在较大的水流冲刷下则发生沟道侵蚀,并最终将泥沙输移出集水区,乃至小流域,这是一个完整的侵蚀产沙过程。小流域综合治理被认为是行之有效的水保措施。只有明确小流域降雨—径流—泥沙的响应关系及其内在机理,才能准确预报水土流失、评价土壤侵蚀、优化水保措施方案。长江中上游四川盆地属于紫色土丘陵区,土壤发育程度低,抗蚀性差,且该地区降雨丰富,暴雨频次高,年流失表土可达3.77×108t,土壤流失问题仅次于黄土高原,是我国水土流失最严重的地区之一,也是长江泥沙的主要来源区[1]。土壤侵蚀往往是导致坡地退化、土壤质量下降、生态系统受损[2]。计算土壤流失量是合理利用和管理土地资源的重要科学依据[3],而不同的降雨条件与流域土地利用类型是影响地表径流的产生及其携沙能力的主要因素。地表径流是影响土壤侵蚀的重要过程[4]。本研究以紫色土丘陵地区典型小流域—12km2万安小流域为研究对象,通过对万安小流域总把口站(地表水出口断面)及其内部不同类型子流域和集水区(截流小流域、陈家湾农林复合集水区、苏荣集镇集水区)2013年的产流输沙监测与分析(在非雨季,每周监测一次;在雨季,则基于降雨事件连续动态监测),从多个尺度探讨了地表径流、输沙过程对降雨的响应规律,以探明土地利用类型与格局以及汇水面积对小流域河流径流量与输沙量的影响机制。取得的主要研究结果有:(1)通过分析万安、截流堰、苏荣等集水区小流域2013年月径流、泥沙数据,发现随着流域汇水面积的增大,小流域单位面积输沙量减少,说明小流域内坡面侵蚀产生的一部分泥沙在输移过程中主要于宽谷处发生沉积。(2)虽然雨季前期(5月初至6月中旬)若干典型降雨事件下的产流较慢、径流量较小(占全年径流量的31.8%),但侵蚀产沙量却较大,占小流域全年泥沙负荷量的27.3%。其主要原因可能是因为经历了冬、春两季长久的干旱,表层土壤结构劣化,土壤团聚作用较差,抗蚀性较低,在春季首场能产流的降雨事件发生时,出现了严重的初期冲刷侵蚀效应。(3)在雨季的暴雨事件中,产流迅猛,初期的径流增幅远大于输沙量增幅,万安小流域河水中的泥沙含量呈“凹”形抛物线变化趋势。单场大暴雨事件引发的小流域水沙输移量分别占年流失量的9.6%和3.6%。(4)对同一场次降雨,陈家湾农林复合型集水区的地表径流量是苏荣集镇集水区的26倍,前者的单位面积产沙量是1793.8kg/hm2,远高于后者。其主要原因在于土地利用类型差异较大。陈家湾集水区主要由耕地、林地等透水性下垫面土地构成,占总土地面积的99%,而苏荣集水区的居民道路等不透水下垫面占总面积的46.5%。因此,降雨产流时,陈家湾集水区的可蚀性土地面积较大,因而产沙量也较大。
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