径流小区位于秦淮河流域上游方便水库汇水区域,属丘陵山区,小区建设在山坡农用地上(图2),为标准水蚀监测小区,共设置5个坡面径流小区,规格均为:宽5 m(与等高线平行),长10 m(水平投影,与等高线垂直),单个小区水平投影面积为50 m²,坡度为9°,单个小区水平投影面积为50 m²。

监测小区配套护埂、集流槽分流池、排水沟、观测道路等设施(图3),对径流小区从1—5号依次进行编号,其中,1号小区为林地,种植乔木,2号为对照小区,荒地,3—5号为农耕地,分别种植玉米、花生、油菜。监测小区坡度为9°,径流场上部及两侧设置围埂,下部设集流槽、分流池和集流池。小区底端用浆砌砖做成矩形集流槽,槽宽0.25 m,深0.20 m,比降1%,集流槽出口布设分流池和集流池,分流池和集流池内径同为长1.2 m,宽1.0 m,分流池分流孔高度1.0 m,达到分流高度后九孔分流,其中一孔引流至集流池。

图2 径流小区位置布局

图3 径流小区试验设计

主要监测指标包括:降雨量、降雨历时、平均降雨强度、最大30 min雨强、侵蚀性降雨量、气象、土壤湿度、水位、流量、平均流量、洪峰流量、含沙量、输沙率、平均输沙率以及侵蚀量。

径流观测方法采用体积法。量水设备采用二级九孔分流法,为两个尺寸为1.2×1×1 m的分流池和1.2×1×1 m的集流池,在第一个集流池设置九孔分流孔,每孔Φ50 mmPVC管。其中一个孔的水进入第2个集流池,总容量为1.2 m³+1.2 m³×9=12 m³。每个沉沙池上设置可开启式金属盖板一个。降雨等气象要素由多功能气象站监测,定期下载监测数据; 土壤湿度由TDR土壤墒情站监测; 流量监测用流速仪法监测,在断面上设立3条垂线,分别测量水位,流速,并计算输沙量。泥沙样品采用焙干法处理,采集的样品经沉淀、浓缩后倒入烘杯烘干、冷却后称重,计算得出垂线平均含沙量。

发生侵蚀和不发生侵蚀的临界降雨数值称为侵蚀性降雨标准^[13-15],根据侵蚀性降雨标准可以尽可能剔除不发生侵蚀的降雨,保留发生侵蚀的降雨,从而精确计算侵蚀性降雨侵蚀力,减少计算的工作量^[16-18]。本文首先对2015—2017年的侵蚀性降雨进行k-均值聚类分析,确定侵蚀性降雨类型和等级^[19-20],然后根据不同降雨类型分析降雨侵蚀力,并统计不同径流小区的含沙量和径流量,最后计算出措施小区相对于对照小区的减沙率和减流率,分析不同植被措施在不同等级降雨条件下的水土保持效应。

统计2015—2017年各月降雨总量发现,区域降水主要集中在4—10月份,因此,仅针对4—10月份发生的侵蚀性降雨事件进行分析(图4)。

根据月统计结果,7月份侵蚀性降雨发生频率和侵蚀性降雨总量都为最高:侵蚀性降雨事件共12次,占月降雨总次数的92.3%; 侵蚀性降雨总量为765.0 mm,占月降雨总量的98.6%。根据年统计结果,2015年4—10月份共发生侵蚀性降雨事件17次,2016年4—10月份侵蚀性降雨事件发生频率最高,共发生26次,2017年4—10月份共发生侵蚀性降雨事件21次。

图4 2015-2017年月降雨总量

为分析不同降雨条件下各类植物措施的水土保持效应,对2015—2017年4—10月份共64场侵蚀性降雨进行分类。本文采用k-均值聚类法进行分类。k-均值聚类法是一种迭代型聚类算法,采用距离作为相似性指标,从而发现给定数据集中的k个类,且每个类的中心是根据类中所有值的均值得到,每个类用聚类中心来描述^[21-23]。64场侵蚀性降雨的k-均值聚类结果见表1。

根据k-均值聚类结果,侵蚀性降雨分为5类:Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型。Ⅰ型降雨量中心值为286.0 mm,为大雨量,Ⅳ型、Ⅴ型降雨量中心值分别为148.8 mm,76.0 mm,为中雨量,Ⅱ型、Ⅲ型降雨量中心值分别为46.9 mm,26.5 mm,为小雨量。Ⅱ型I₃₀中心值为52.07 mm/h,为大雨强,Ⅰ型、Ⅳ型I₃₀中心值分别为36.25 mm/h,27.37 mm/h为中雨强,Ⅲ型、Ⅴ型I₃₀中心值分别为16.90 mm/h,22.39 mm/h,为小雨强。5种降雨类型中,Ⅲ型发生频率最高,所占比例为64.6%,Ⅰ型发生频率最低,所占比例为1.5%,5种类型降雨的发生频率由高到低依次为:Ⅲ型(小雨量、小雨强)>Ⅴ型(中雨量、小雨强)>Ⅱ型(小雨量、大雨强)>Ⅳ型(中雨量、中雨强)>Ⅰ型(大雨量、中雨强)。

表1 桥头小流域侵蚀性降雨k-均值聚类结果

通过计算不同植被措施在不同降雨类型下的减沙率、减流率,分析植被措施的减沙、减流效应。减沙率、减流率分别为不同植被措施下的径流小区(1,3,4,5号)相对于对照小区(2号)的泥沙减少量、径流减少量占对照小区产沙量、产流量的百分比。

3.3.1 降雨侵蚀力分析 不同降雨条件下的平均降雨侵蚀力分析结果表明,Ⅰ型降雨侵蚀力最大,为2 179.7(MJ·mm)/(hm²·h),Ⅳ型降雨侵蚀力次之,为1 211.1(MJ·mm)/(hm²·h),Ⅱ型降雨侵蚀力692.6(MJ·mm)/(hm²·h),Ⅴ型降雨侵蚀力为379.4(MJ·mm)/(hm²·h),Ⅲ型降雨侵蚀力为102.3(MJ·mm)/(hm²·h)。由此可知,5种不同的降雨条件下,降雨强度和降雨量均较大的Ⅰ型、Ⅳ型降雨侵蚀力相比其他类型降雨均较高,Ⅰ型降雨特征为大雨量中雨强,其降雨侵蚀力最大,发生频率最高的Ⅲ型降雨特征为小雨量小雨强,其降雨侵蚀力最小。

3.3.2 减沙效应分析 不同植被措施在不同降雨类型下的减沙率计算结果见图5。

由图5可知,1号小区在Ⅳ型(中雨量、中雨强)降雨条件下的减沙率最高,为76.72%,在Ⅰ型(大雨量、中雨强)降雨条件下的减沙率最小,在Ⅱ型(小雨量、大雨强)、Ⅲ型(小雨量、小雨强)、Ⅴ型(中雨量、小雨强)的同等降雨条件下,相比其他植被措施减沙率都是最高的,减沙率分别为66.63%,73.90%,54.25%。3号小区Ⅰ型降雨条件下的减沙率最高,为32.97%,在Ⅴ型降雨条件下的减沙率最小,在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型降雨条件下减沙率仅次于林地措施。4号、5号小区减沙率差异不大,在Ⅰ型、Ⅳ型降雨条件下4号小区>5号小区,在Ⅱ型、Ⅲ型降雨条件下5号小区>4号小区,在Ⅴ型降雨条件下减沙率相同。

图5 不同降雨类型下的减沙率

因此,林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨条件下,减沙率都是最好的,减沙效果最为显著; 玉米地在大雨量、中雨强的降雨条件下减沙率最好; 花生地和油菜地减沙率相当,在大雨量、中雨强的降雨条件下优于林地,次于玉米地,在中雨量、小雨强的降雨条件下优于玉米地而次于林地。

3.3.3 减流效应分析 不同植被措施在不同降雨类型下的减流率计算结果见图6。

根据图6可以看出,4号小区在Ⅱ型(小雨量、大雨强)、Ⅲ型(小雨量、小雨强)、Ⅴ型(中雨量、小雨强)降雨条件下的减流率相比其他措施小区较高,分别为71.61%,57.48%,36.87%,在Ⅳ型(中雨量、中雨强)降雨条件下减流率最低,5号小区在Ⅰ型(大雨量、中雨强)降雨条件下的减流率比其他措施小区较高,分别为54.02%,3号小区在Ⅳ型(中雨量、中雨强)降雨条件下减流率最高,在Ⅰ型、Ⅴ型降雨条件下减流率最小。1号小区在Ⅲ型降雨条件下减流率最高,仅次于4号小区,在Ⅳ型降雨条件下减流率最低,同时也是所有植被措施中最低的,在所有降雨条件下,减流率都低于4号小区。

图6 不同降雨类型下的减流率

综上,花生地在小雨量、大雨强,小雨量、小雨强及中雨量、小雨强3种类型的降雨条件下减流率最高,油菜地适合大雨量、中雨强,玉米地在中雨量、中雨强的降雨条件下减流率最佳。