桥沟不同空间尺度地貌单元在不同时间尺度上的产流特征

　　在黄土丘陵沟壑区集水流域从分水岭至沟谷底的垂直斜剖面上，具有明显的垂直分带性，在地貌形态上可划分梁峁坡上部、梁峁坡下部和沟谷坡，而梁峁坡和沟谷坡连接的整体称为坡沟系统，两个坡沟系统组成流域最基本的集水区，不同级别的集水区组成流域的毛沟、支沟和干沟。国内外学者对不同空间尺度地貌单元的产流产沙过程开展了不少研究，但多利用室内概化模型开展研究，而且关于产流变化特征的空间尺度研究多是基于单一坡面尺度或流域尺度，不同时间尺度下产流特征多见于河川径流变化研究，对黄土高原丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元的产流产沙在时间尺度上的差异研究还不多，而研究不同空间尺度地貌单元产流的时间特征，是优化水土保持措施配置方案的实践需求。鉴于此，文中利用黄土丘陵沟壑区桥沟流域原型观测设施，开展定位观测，揭示自然状态下不同空间尺度地貌单元在不同时间尺度上的产流特征，为进一步揭示流域不同地貌部位水沙关系奠定基础。

　　1、研究区概况

　　以黄土丘陵区桥沟流域为研究对象，桥沟是裴家峁沟流域的一级支沟，流域面积0．45km2，流域年平均降雨约350mm。流域主沟长1．4km，沟道比降1．11%，沟壑密度5．4km/km2，流域不对称系数0．23。流域内有支沟两条，呈长条形，其中一支沟面积0．069km2，沟长870m，沟道比降4．97%;二支沟面积0．093km2，沟长805m，沟道比降1．15%。

　　流域尺度定位观测设施布设在桥沟流域沟口、一支沟和二支沟沟口，在各沟口布设水文站，采用三角槽观测，观测项目有水位、流量、含沙量、泥沙颗粒级配。坡面尺度定位观测位于桥沟流域左岸坡面，布设梁峁坡、沟谷坡和坡沟系统大型径流场。梁峁坡径流场平均坡度22°，倾斜坡长49．2m，平均宽度10m，径流场出口设分水箱和径流池;沟谷坡径流场平均坡度40°06'，倾斜坡长69．3m，平均宽度19．3m，径流场出口设三角槽;坡沟系统径流场平均坡度32°18'，倾斜坡长117m，平均宽度25．2m，径流场出口设三角槽。径流场观测内容有每次降水的产流量、产沙量、雨前雨后土壤含水量。桥沟流域水文站、径流场等原型观测设施分布(图1)。

　　2、结果与分析

　　2．1年时间尺度下不同空间尺度地貌单元产流特征

　　某地貌单元的径流量是指地貌单元出口断面径流量的大小，是该地貌单元集水能力大小的反应。以任一径流场发生产流为标准，根据桥沟流域1986－1988、1995－1997、1999、2000－2002、2005年等11年的观测数据，统计不同空间尺度地貌单元多年平均径流量(表1)。统计结果表明，就多年平均径流量而言，梁峁坡为17m3，沟谷坡为48m3，坡沟系统为187m3，一支沟为1641m3，二支沟为1839m3，全流域为9438m3，不同地貌单元径流量分布规律表现为梁峁坡＜沟谷坡＜坡沟系统＜一支沟＜二支沟＜全流域，即多年平均径流量表现为随空间尺度的增大而增加的趋势。

　　径流模数是反映地表产流状况的一个重要指标，径流模数是指地貌单元出口径流量与地貌单元面积之比，径流模数消除了流域面积的影响。统计不同空间尺度地貌单元年均径流模数(图2)。

　　从图2可以看出，多年平均径流模数随着尺度的增加，基本呈单峰型分布，表现出"增加－峰值－减小"的变化过程。在坡面尺度，从梁峁坡至沟谷坡为增加趋势，在沟谷坡达到峰值;在流域尺度，随着流域尺度的增加，径流模数呈减小的趋势，反映了黄土丘陵沟壑区坡沟是产流产沙的重要来源区，而沟道是水沙的输送通道。

　　2．2次降雨尺度下不同空间尺度地貌单元产流特征

　　选择径流系数作为分析不同空间尺度地貌单元在次降雨条件下的产流特征。径流系数是一定汇水面积地面径流量与降雨量的比值，是任意时段内的径流深度(或径流总量)与同时段内的降水深度(或降水总量)的比值。径流系数说明在降水量中有多少水变成了径流，它综合反映流域内自然地理要素对降水─径流关系的影响，可以代表流域产流的综合状况。

　　A型降雨(降雨量多为10－30mm，降雨历时一般为30－120min)是引起土壤侵蚀的主要降水过程，选择桥具有A型特征的场次降水(95年9月3日发生的降水，简称950903、以下同，960616、970718、970731)进行不同空间尺度地貌单元次降水径流系数分析。950903场次降水历时98min，降水量24．5mm，土壤前期含水量平均为9%;960616场次降水历时112min，降水量26．6mm，土壤前期含水量平均为21%;970718场次降水历时130min，降水量48．2mm，土壤前期含水量平均为8%;970731场次降水历时105min，降水量17．5mm，土壤前期含水量平均为14%。

　　不同空间尺度地貌单元的径流系数(表2)，不同空间尺度地貌单元次降水径流系数对比(图3)。

　　由表2可以看出，不同空间尺度地貌单元，次降水径流系数有很大的差别，当空间尺度由坡面尺度增加到流域尺度时，径流系数急剧减少，平均径流系数由0．38减少至0．11，但在同一空间尺度，径流系数在不同地貌单元呈现波动变化规律(图3)，在坡面尺度(面积从小到大为:梁峁坡＜沟谷坡＜坡沟系统)，沟谷坡径流系数最大，平均为0．68;在流域尺度(面积从小到大为:一支沟＜二支沟＜全流域)，一支沟的径流系数最大，平均为0．18。在坡面尺度和流域尺度，径流系数最大的地貌单元分别是沟谷坡和一支沟。

　　对比分析年尺度下多年平均径流模数和次降水尺度下径流系数的分布规律，可以发现发生径流模数和径流系数最大值的地貌单元共同之处在于坡度大，地形陡峭，由于黄土丘陵沟壑区的产流机制为超渗产流，其产流量主要决定于降雨强度和下渗能力的对比，当降雨强度大于入渗能力的时候，地表产流。肖培青等通过室内模拟实验，利用实测雨强与径流资料计算推求坡面土壤入渗过程。入渗率f(mm/min)由公式计算:

　　式中:I为降雨强度(mm/min);θ为地表坡度(°);t为取样间隔时间(min);Ｒj为第j次取的产流速率(m3/s);S为坡面受雨面积(cm2);10为单位换算系数。蒋定生等根据室内模拟实验也发现，黄土丘陵沟壑区坡面的下渗率与坡度成反比，即，坡度愈大，下渗率越小，在相同的降雨条件下，产流量增加。因此，在同一空间尺度，由于沟谷坡和一支沟坡度陡峭，入渗率小，产流量大，径流系数最大。

　　3、讨论

　　径流是陆地上重要的水文现象，水文现象随空间和时间变化，产流变化涉及空间和时间尺度。就时间尺度而言，不同时段的水文量呈现出性质迥异的变化特征。径流量、径流模数、径流系数是表征降雨径流过程的重要综合参数。在本研究中，随着不同地貌单元空间尺度的增加，不同地貌单元的径流量增加，说明在降雨、下垫面状况相似条件下，径流量与面积成正比;随着地貌单元由坡面尺度空间尺度的增加，不同地貌单元的年径流模数、次降雨径流系数急剧减少，说明面积较大的流域，其平均地表水汇流时间也较长，在汇流过程中的下渗损失就会较大，这也反映了汇流过程中的下渗是径流模数、径流系数随着流域面积的增加而减小的主要原因。对于同一流域，在同一尺度内，由于土壤的空间变异性、地貌差异，在短历时、强降雨过程对径流系数的影响增加，土壤性质的空间变异性既可以增加又可以减少地表径流，造成径流系数在同一空间尺度内呈现波动变化。

　　4、结论

　　利用野外原型定位观测设施，研究了黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元在年、次降雨时间尺度下的产流特征。

　　(1)在年时间尺度上，不同空间尺度地貌单元多年平均径流量表现为:梁峁坡＜沟谷坡＜坡沟系统＜一支沟＜二支沟＜全流域，即随着空间尺度的增加，平均径流量增加，而多年平均径流模数，随着空间尺度的增加，径流模型呈现"增加－峰值－减少"的趋势，在坡面尺度，径流模数在沟谷坡达到峰值，在流域尺度，随着空间尺度的增加，径流模数呈减少的趋势。

　　(2)在次降雨尺度上，当地貌单元由坡面尺度增加到流域尺度时，次降雨径流系数急剧减小，坡面尺度的次降雨径流系数是流域尺度次降雨径流系数的3．4倍，但在同一空间尺度，径流系数在不同地貌单元呈现波动变化规律，在坡面尺度(面积从小到大为:梁峁坡＜沟谷坡＜坡沟系统)，沟谷坡径流系数最大;在流域尺度(面积从小到大为:一支沟＜二支沟＜全流域)，一支沟的径流系数最大。

　　文中是在现有原型观测条件下对不同空间尺度地貌单元的产流特征进行了初步探讨，主要分析了不同空间尺度地貌单元地形因子对产流的影响，在今后的研究中，还需要进一步研究，在地形差别较小情况下，流域下垫面状况、降水空间分布不均匀性等因素对产流的影响。

　　参考文献：
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