關(guān)川河流域1995－2010年降雨特征及其水土流失效應(yīng)

李海防，衛(wèi) 偉，鄧居禮，王麗君

（1.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086；2.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.定西水文水資源勘測(cè)局，甘肅 定西 743000）

甘肅省定西市位于黃土高原西部半干旱區(qū)，年平均降水量在500mm以下，水土流失是當(dāng)?shù)刈顬閲?yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［1－3］。降雨是黃土高原土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?，降雨的時(shí)空變化對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生重要的影響，與流域水土流失存在著復(fù)雜的關(guān)系［4］。前人對(duì)黃土高原降雨時(shí)空分布［5－7］，坡面降雨水蝕過程［8－9］及模擬降雨侵蝕［10－12］進(jìn)行了大量研究，但對(duì)特定地區(qū)降雨量、降雨侵蝕力及產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的系統(tǒng)分析還需要加強(qiáng)［13］。因而，本研究以甘肅省定西市關(guān)川河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用1995—2010年的逐日降雨及流域出水口的河川徑流量和輸沙量觀測(cè)資料，分析降雨及水土流失的統(tǒng)計(jì)特征。研究結(jié)果對(duì)深入了解關(guān)川河流域降雨特征與水土流失的關(guān)系，優(yōu)化黃土高原治理等方面均具有重要的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

關(guān)川河流域位于 35°17′—36°14′N，104°11′—105°01′E，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)。關(guān)川河發(fā)源于甘肅省定西地區(qū)境內(nèi)，在郭城驛匯入祖厲河，全長約100km，流域面積3535 .45km2。流域海拔在1420 ～3941 m，屬中溫帶半干旱氣候，年平均氣溫為7.2℃，無霜期122～160d，年平均降水量370mm，年蒸發(fā)量1400 mm以上。長期以來，受自然、人為等多種因素的影響，該區(qū)溝壑縱橫，梁峁起伏，植被稀疏，黃土裸露，水土流失嚴(yán)重，平均年土壤侵蝕模數(shù)為5252 .7t／（km2·a）［14］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)來源于定西市水文水資源勘測(cè)局，包括郭城驛、巉口、紅土和內(nèi)官營等4個(gè)雨量站。以1995—2010年每年5—9月的數(shù)據(jù)代表年度數(shù)據(jù)，對(duì)降雨及流域出水口的河川徑流量和輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，逐日、逐月、逐年地統(tǒng)計(jì)不同強(qiáng)度的日降雨量、出現(xiàn)次數(shù)及頻率，分析日降水量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)特征；分析月、年不同尺度降雨量、侵蝕性降雨的變化趨勢(shì)，計(jì)算降雨侵蝕力的月、年值和趨勢(shì)變化［15］。

侵蝕性降雨采用以日降雨≥12mm為侵蝕性降雨的劃分方法，降雨量＜12mm的日降雨視為小雨。土壤侵蝕力利用日降雨量參數(shù)估計(jì)模型對(duì)待定系數(shù)α和β 進(jìn)行計(jì)算，其公式為［16－17］:

式中:Pd12——日雨量≥12mm的日平均雨量（mm）；Py12——日雨量≥12mm 的年平均雨量（mm）；Pj——第j天的侵蝕性日雨量；m——侵蝕性降雨日數(shù)；R值——年平均降雨侵蝕力值﹝MJ·mm／（hm2·h·a）﹞。

2.2 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 13.0軟件對(duì)降雨量、河川徑流量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力和輸沙量等進(jìn)行因子分析和相關(guān)分析，采用LSD法檢驗(yàn)差異的顯著性。

3 結(jié)果與討論

3.1 關(guān)川河流域5－9月降雨量分布特征

定西地區(qū)的降雨事件主要發(fā)生在5—9月［3］。統(tǒng)計(jì)關(guān)川河流域1995—2010年5—9月降雨量可以看出，6—8月是降雨最為集中的月份。不同月份日降雨平均值、日降雨變幅和降雨日數(shù)詳見表1。由表1可以看出，最大日降雨量出現(xiàn)的時(shí)間和最大月降水量時(shí)間并不一致，5和9月的日平均降雨量較少，波動(dòng)幅度分別在0.1～30.4mm和0.1～20.55mm。6月開始降雨量有所增加，到7—8月達(dá)到全年的最高值，最高值為8月，日平均降雨量5.96mm，月降雨量達(dá)到89.35mm；9月份降雨量又開始逐漸減少。從日降雨變幅來看，降雨量在6—8月波動(dòng)相對(duì)較大，容易造成旱澇災(zāi)害。

表1 關(guān)川河流域1995－2010年5－9月降雨分布特征

并不是所有的降雨都能引起土壤侵蝕，能導(dǎo)致土壤侵蝕的降雨稱為侵蝕性降雨。在本研究中，用侵蝕性降雨來表征降雨事件中能產(chǎn)生土壤水蝕作用的降雨，一般認(rèn)為，當(dāng)日降雨量≥12mm時(shí)才能產(chǎn)生降雨侵蝕［18－19］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，15a間全部降雨中有107場(chǎng)次降雨為侵蝕性降雨，占總降雨場(chǎng)次的9.53%；侵蝕性降雨量總計(jì)2048 .93mm，占總降雨量的39.41%。從月份分布上看（表1），侵蝕性降雨多發(fā)生在7—8月份，其中8月份侵蝕性降雨量最多，雨強(qiáng)最大，且侵蝕性降雨在當(dāng)月降雨總量所占比例最高，達(dá)52.82%。降雨日數(shù)最低在5月，僅有198d降雨；9月份次之，有231d降雨；但9月份的侵蝕性降雨明顯高于5月份。5和9月日降雨量以小于12mm為主，5月份侵蝕性降雨日數(shù)和侵蝕性降雨總量分別僅占該月降雨日數(shù)和降雨總量的6.57%和30.35%，9月份侵蝕性降雨日數(shù)和侵蝕性降雨總量分別僅占該月降雨日數(shù)和降雨總量的4.76%和20.88%。這類降水強(qiáng)度小，不易造成水土流失，但往往由于沒有足夠的水量入滲至土壤深層，且淺層的水分極易蒸發(fā)，因而這類降雨對(duì)解決地區(qū)干旱作用不大。從6月份開始，≥12.0mm的日降雨量出現(xiàn)頻率開始增加，此類強(qiáng)度的降水，往往造成嚴(yán)重的土壤侵蝕，加劇了水土流失。

3.2 關(guān)川河流域1995－2010年降雨量分布特征

對(duì)關(guān)川河流域1995—2010年降雨特征進(jìn)行分析，在觀測(cè)期內(nèi)（1995—2010年），共觀測(cè)到1123 d降雨，降雨總量達(dá)到4866 .98mm；15a年均降雨量304.19mm，降水量年際間差異較大，變異系數(shù)為0.167。

由表2可以看出，降雨量的峰值出現(xiàn)在1998，2003和2007年，降雨量分別為380.07，415.10，和360.07mm；最低降雨量出現(xiàn)在1997和2002年，降雨量分別為191.17和197.07mm。由表2可知，15a來的降雨量總體變化趨勢(shì)不明顯，并沒有增多或者減少的趨勢(shì)，全年有降雨的天數(shù)也沒有明顯的變化（表1）。從侵蝕性降雨來看，每年都有10%上下的侵蝕性降雨事件造成土壤侵蝕，其雨量占全年總雨量的50%左右。關(guān)川河流域多年降雨量在204.77～413.84 mm，多年侵蝕降雨范圍在63.75～241.93mm，多年降雨侵蝕力在212.51～864.67MJ·mm／（hm2·h·a）之間波動(dòng)（表2）。

表2 關(guān)川河流域1995－2010年降雨量分布特征

3.3 流域出水口產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

圖1為關(guān)川河流域1995—2010年降雨量與出水口河川徑流量及輸沙量的變化情況。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，河川徑流量與輸沙量趨勢(shì)一致，呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（R2＝0.5830 ，p＜0.001）。1995年降雨產(chǎn)生的河川徑流量和輸沙量明顯大于其它年份，隨后，河川徑流量和輸沙量呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)，而降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別是1995，1998，200年和2007年，降雨量分別為351.13，380.07，415.10和360.07 mm。河川徑流量和輸沙量出現(xiàn)峰值的時(shí)間基本一致，說明降雨量越大，河川徑流量就越大，土壤侵蝕量有增加的趨勢(shì)。但河川徑流除受降雨的影響外，還受到下墊面特征的影響，下墊面特征是由地形、土壤、地表覆蓋等多種因素決定的［20］。因而，土壤侵蝕與降雨量在波動(dòng)一致性的基礎(chǔ)上又具有一定的差異性。另外，盡管最大降雨量出現(xiàn)在2003年，但由于2001和2002年的多年的持續(xù)干旱，導(dǎo)致2003年并沒有出現(xiàn)明顯的徑流量和輸沙量峰值（圖1）。表明當(dāng)降雨強(qiáng)度到達(dá)波峰時(shí)，輸沙率并未立即到達(dá)波峰，而出現(xiàn)延后的狀況。這可能是由于當(dāng)表層土壤處于缺水狀態(tài)時(shí)，降雨對(duì)土壤侵蝕的影響延遲，土壤侵蝕受降雨強(qiáng)度和前期土壤水分狀況的共同影響［21］。從1995—2010年總體變化趨勢(shì)看，降雨量沒有明顯變化趨勢(shì)的情況下，河川徑流量和輸沙量的都呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)（圖1），說明水資源消耗等其他因素對(duì)水土流失的影響，也說明流域水土流失模擬的復(fù)雜性。

圖1 降雨量與流域出水口河川徑流量和輸沙量的年際變化

3.4 水土流失影響因子間的關(guān)系分析

對(duì)關(guān)川河流域1995—2010年5—9月的降雨量、河川徑流量、侵蝕性降雨量、降雨侵蝕力和輸沙量等因素進(jìn)行因子分析（表3）。結(jié)果表明，河川徑流量與侵蝕性降雨量（p＜0.05）之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而與降雨量之間的線性關(guān)系不顯著（p＞0.05）；輸沙量只與河川徑流量呈極顯著線性關(guān)系（p＜0.01），與其它因子關(guān)系都不明顯。說明降雨量、侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力均不能獨(dú)立反映流域的土壤侵蝕過程，要準(zhǔn)確描述流域水土流失過程，還必須考慮土壤可蝕性，坡度坡長、植被變化、土地利用和土壤保持措施等多種因素的影響［22］。

表3 降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

（1）定西地區(qū)降雨事件主要發(fā)生在5—9月，7—8月達(dá)到全年的最高值，侵蝕性降雨多發(fā)生在7—8月份；1995—2010年間侵蝕性降雨占總降雨場(chǎng)次的9.53%，侵蝕性降雨量占總降雨雨量的39.41%。

（2）在觀測(cè)期內(nèi)共觀測(cè)到1123 d降雨，降雨總量達(dá)4866 .98mm，年均降雨量304.19mm，1995—2010年來的降雨量總體變化趨勢(shì)不明顯；每年都有10%左右的侵蝕性降雨事件造成土壤侵蝕，侵蝕性降雨量約占全年總雨量的50%。

（3）河川徑流量與輸沙量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.001），河川徑流量和輸沙量呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)；當(dāng)表層土壤處于缺水狀態(tài)時(shí)，降雨對(duì)土壤侵蝕的影響延遲。

（4）降雨量、侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力均不能獨(dú)立反映整個(gè)流域的土壤侵蝕過程；要準(zhǔn)確描述流域水土流失過程，還必須考慮土壤可蝕性，坡度坡長、植被變化、土地利用和土壤保持措施等多種因素的影響。

［1］Fu Bojie，Chen Liding.Agricultural landscape spatial pattern analysis in the semi－arid hill area of the Loess Plateau，China［J］.Journal of Arid Environments，2000，44（3）:291－303.

［2］Chen Liding，Huang Zhilin，Gong Jie，et al.The effect of land cover／vegetation on soil water dynamic in the hilly area of the Loess Plateau，China［J］.Catena，2007，70（2）:200－208.

［3］馬海霞.定西黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失研究進(jìn)展［J］.草原與草坪，2012，32（4）:90－92.

［4］楊占彪，朱波，林立金，等.川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕特征［J］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（4）:480－45.

［5］張少偉，楊勤科，陸廣勇.陜北黃土高原月降雨理論分布的初步研究［J］.水土保持研究，2011，18（3）:1－4.

［6］張由松，肖自幸，牛健植，等.基于GIS的羅玉溝流域降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（15）:87－90.

［7］馬芹，張曉萍，萬龍，等.黃土高原河龍區(qū)間最大日雨量（PMP）極值擬合及時(shí)空演變特征［J］.水土保持研究，2012，19（2）:71－76.

［8］甘卓亭，葉佳，周旗，等.模擬降雨下草地植被調(diào)控坡面土壤侵蝕過程［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（9）:2387－2396.

［9］黃金柏，付強(qiáng)，王斌，等.黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶坡面降雨分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（8）:108－113.

［10］于國強(qiáng)，李占斌，魯克新，等.黃土高原小流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙分段預(yù)報(bào)模型研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2010，47（4）:604－610.

［11］劉李霞，畢華興，許華森，等.基于GIS的柳溝流域場(chǎng)降雨產(chǎn)流模擬［J］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（3）:357－364.

［12］魯克新，李占斌，張霞，等.室內(nèi)模擬降雨條件下徑流侵蝕產(chǎn)沙試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（2）:6－14.

［13］吳艷，白建勤，張曉萍，等.基于日雨量的長武縣53年來降雨量及侵蝕力演變趨勢(shì)分析［J］.水土保持研究，2012，19（4）:38－42.

［14］萬廷朝.定西市淤地壩建設(shè)成效與經(jīng)驗(yàn)［J］.水土保持通報(bào)，2005，25（6）:89－90.

［15］張巖，朱清科.黃土高原侵蝕性降雨特征分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（6）:99－103.

［16］李學(xué)奎，王志勇，何建勛.元謀縣小黃瓜園水土保持監(jiān)測(cè)站降雨侵蝕力特征及日降雨侵蝕力模型淺析［J］.水土保持通報(bào)，2009，29（2）:43－46.

［17］陳利頂，呂昌河.黃土丘陵區(qū)土地利用與水土流失的尺度效應(yīng)研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2012.

［18］尋瑞，王克林，于閩，等.基于侵蝕降雨特征的湘江流域R因子修正算法［J］.中國水土保持科學(xué)，2009，29（2）:43－46.

［19］馬良，左長清，邱國玉.贛北紅壤坡地侵蝕性降雨的特征分析［J］.水土保持通報(bào)，2010，30（1）:74－79.

［20］代數(shù)，蔣光毅，夏清，等.坡度和雨強(qiáng)對(duì)重慶市黃壤旱坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（4）:1－5.

［21］王金葉，李海防，段文軍，等.漓江上游典型森林群落內(nèi)外降雨特征研究［J］.水土保持研究，2012，19（1）:56－59.

［22］Feng Xiaoming，Wang Yafeng，Chen Liding，et al.Modeling soil erosion and its response to land－use change in hilly catchments of the Chinese Loess Plateau［J］.Geomorphology，2010，118（3）:239－248.