紫色丘陵區(qū)侵蝕性降雨與降雨侵蝕力特征

李林育，王志杰，焦菊英，3?

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，610041，成都;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

降雨是造成水土流失發(fā)生、發(fā)展的重要外部動(dòng)力條件，是引起土壤侵蝕的主要因子之一。降雨侵蝕力指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，與降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨歷時(shí)等降雨參數(shù)有關(guān)，反映了氣候因素對(duì)土壤侵蝕的作用能力。如何準(zhǔn)確評(píng)估計(jì)算降雨侵蝕力，對(duì)定量預(yù)報(bào)土壤流失具有重要意義［1］。降雨侵蝕力值的經(jīng)典計(jì)算方法是美國(guó)W.H.Wischmeier等［2-3］提出的EI30方法，采用此方法計(jì)算，需要多年的次降雨觀測(cè)資料，并且需要計(jì)算降雨動(dòng)能，其計(jì)算方法繁瑣而且對(duì)降雨資料的要求較高，在一般地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)［4］。為此，有學(xué)者研究發(fā)展了降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法，即利用常規(guī)的降雨資料如次降雨量、日降雨量、月降雨量和年降雨量等來(lái)估算降雨侵蝕力R 值［5-10］，并得到廣泛應(yīng)用。其中章文波等［10］提出的利用日降雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法在我國(guó)南方降雨量豐富的地區(qū)被證實(shí)具有很高的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)精度。

自然界中，不是所有的降雨都能引起土壤侵蝕;因此，在降雨侵蝕力計(jì)算中，必須引入侵蝕性降雨的概念，即能產(chǎn)生地表徑流、引起土壤侵蝕、真正意義上發(fā)生土壤流失的降雨量。1978年，USLE第2版中第1次提出侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為一次降雨如果＜12.7 mm或一次降雨＜15 min，且降雨量＜6.5 mm，則在降雨侵蝕力計(jì)算中剔除，但并沒有交代確定該標(biāo)準(zhǔn)的方法，也沒有具體說(shuō)明該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算降雨侵蝕力的影響，只是指出小于該標(biāo)準(zhǔn)的降雨引起的土壤流失量很?。?］。在我國(guó)，有學(xué)者應(yīng)用頻率分析法［11］、基于產(chǎn)流發(fā)生侵蝕的降雨樣本［12-14］、以漏選而發(fā)生侵蝕的降雨侵蝕力之和等于多選而不發(fā)生侵蝕的降雨侵蝕力之和為原則［15］以及徑流小區(qū)實(shí)測(cè)［16-17］等方法，分別建立了黃土高原、黑龍江、云南滇東北和川中丘陵區(qū)(南充縣坡耕地坡面、遂寧組母質(zhì)侵蝕區(qū))等地的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)學(xué)者在應(yīng)用日降雨量計(jì)算降雨侵蝕力方法時(shí)，通常采用12 mm作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)［30］，然而，侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)存在區(qū)域性差異，不同地區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)不同，甚至同一地區(qū)不同試驗(yàn)點(diǎn)所得出的結(jié)果也不一致;因此，不能用某一試驗(yàn)點(diǎn)的研究結(jié)果替代區(qū)域級(jí)特征。研究較大空間尺度的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)需在多地、多水文徑流泥沙資料的基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行合理分析。

四川盆地紫色丘陵區(qū)是我國(guó)紫色土集中分布區(qū)，其與四川盆地這一特殊的地貌類型相結(jié)合構(gòu)成了一種典型的不同于西北黃土區(qū)、東北黑土區(qū)以及南方紅壤區(qū)的侵蝕類型區(qū)。該地區(qū)降雨集中且強(qiáng)度大，加之紫色土松散，黏結(jié)性差，極易被地表徑流剝蝕和搬運(yùn)，故而水力侵蝕是該區(qū)的主要侵蝕類型。而該地區(qū)關(guān)于影響土壤侵蝕的主要因素降雨因子的研究，目前主要集中在利用小區(qū)定位觀測(cè)法、小流域定點(diǎn)觀測(cè)法、人工模擬降雨條件下的微型小區(qū)觀測(cè)法等方法研究降雨侵蝕力與產(chǎn)流產(chǎn)沙量之間的關(guān)系［18-20］。對(duì)于較大空間尺度上的降雨侵蝕力空間分布特征方面的研究少見報(bào)道;然而，降雨侵蝕力的空間分布反映了區(qū)域氣候?qū)ν寥狼治g的作用，對(duì)于區(qū)域水土保持規(guī)劃和生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義［1］?；诖?，筆者利用紫色丘陵區(qū)多年實(shí)測(cè)降雨資料，應(yīng)用頻率分析法，確定該地區(qū)侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)，揭示該地區(qū)侵蝕性降雨及其土壤侵蝕特征，進(jìn)而運(yùn)用降雨侵蝕力日降雨量計(jì)算方法，并采用本研究確定的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算該地區(qū)降雨侵蝕力，分析其空間分布，年內(nèi)、年際分布以及雨量量級(jí)分布特征，以期為該地區(qū)土壤流失量定量預(yù)報(bào)、水土保持規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

紫色丘陵區(qū)(圖1)屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候型，區(qū)內(nèi)年均氣溫16～18℃，日照時(shí)間1 000～1 300 h/a，多年平均降雨量800～1 600 mm，且年內(nèi)分配極不平衡，夏季降雨量占全年的65%，通常以大暴雨形式出現(xiàn)，許多地區(qū)1 d最大降雨量可達(dá)100～250 mm，局部地區(qū)24 h降雨量可達(dá)800～1 000 mm［21］。區(qū)內(nèi)地貌類型包括低山、丘陵和平原，在地質(zhì)構(gòu)造上，主要以侏羅系、白堊系紫色砂、頁(yè)巖為主，也有部分三疊系、少量第三系的紫色砂、泥巖和礫巖。主要發(fā)育由紫色頁(yè)巖類風(fēng)化而成的紫色土［22］。植被區(qū)劃屬于濕潤(rùn)常綠闊葉林亞區(qū)域中的中亞熱帶常綠闊葉林地帶，植被組合有亞熱帶常綠闊葉林、低山常綠針葉林、竹林和亞熱帶草叢［23］。由于人口密度大，人均耕地少，墾殖指數(shù)高，森林覆蓋率低等原因，區(qū)內(nèi)水土流失比較嚴(yán)重，水土流失面積達(dá)到668萬(wàn)hm2，年均侵蝕量3 173億t，平均侵蝕模數(shù)達(dá)4 886 t/(km2·a)，其水土流失面積及土壤流失量分別占全省的13.8% 和 36.7%［24-25］。

2 數(shù)據(jù)與方法

圖1 紫色丘陵區(qū)區(qū)劃圖Fig．1 Zoning map of the purple hilly area

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用遂寧站、升鐘站、岳池站、簡(jiǎn)陽(yáng)站4個(gè)站點(diǎn)20°左右的順坡休閑農(nóng)耕地小區(qū)共101場(chǎng)侵蝕性降雨資料確定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合上述各站和蒲江站、大竹站、井研站、蓬溪站的多年降雨侵蝕資料，分析侵蝕性降雨特征與其侵蝕特征。徑流小區(qū)和小流域資料主要來(lái)源于四川省水土保持局整編的《四川省水土保持試驗(yàn)站觀測(cè)成果(1984—2001)》，其他觀測(cè)資料下載自地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)《紫色土數(shù)據(jù)集》和《紫色土試驗(yàn)示范數(shù)據(jù)集(1984—1994)》，部分?jǐn)?shù)據(jù)由劉剛才和王玉寬老師提供。

降雨侵蝕力分析中采用的降雨資料由北京師范大學(xué)謝云教授提供，包括遂寧、南充、巴中、廣元、閬中、達(dá)縣、資陽(yáng)、內(nèi)江、宜賓、瀘州等10個(gè)雨量站數(shù)據(jù)(圖1)，時(shí)段為1951—2007年。

2.2 侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的確定

對(duì)于紫色丘陵區(qū)侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)的確定，借鑒王萬(wàn)忠［11］的研究方法，將101場(chǎng)侵蝕性降雨資料隨機(jī)抽取70場(chǎng)作為運(yùn)算數(shù)據(jù)，另外31場(chǎng)資料作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，把所有侵蝕性降雨的雨量按大小順序遞減排列，并將其相應(yīng)的土壤侵蝕量逐個(gè)累加，得到n次侵蝕性降雨的總侵蝕量(q)，然后按雨量大小變化把它分為若干等級(jí)，求出大于某一雨量(P)的累計(jì)侵蝕量(Q)占總侵蝕量(q)的比例(PQ)，剔除允許土壤流失量后的累積土壤侵蝕量占總侵蝕量時(shí)的PQ所對(duì)應(yīng)的雨量作為侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)。其中，PQ的計(jì)算式為

點(diǎn)繪P-PQ關(guān)系曲線后，求得如下關(guān)系式:

式中:PQ為侵蝕累積比例，%;Q為累計(jì)侵蝕量，kg;q為總侵蝕量，kg;P為相應(yīng)的雨量標(biāo)準(zhǔn)，mm。

2.3 降雨侵蝕力的計(jì)算方法

采用章文波等［10］提出的利用日降雨量資料計(jì)算降雨侵蝕力的方法計(jì)算紫色丘陵區(qū)的降雨侵蝕力，但侵蝕性降雨量按11.3 mm計(jì)算。其中，降雨侵蝕力年際變化特征采用3種指標(biāo)表示:一是離差系數(shù)Cv;二是最大年R值與平均年R值的比值;三是最大年R值與最小年R值的比值系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕性降雨特征

3.1.1 侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)紫色丘陵區(qū)的土壤流失特征，并參考黃土高原侵蝕性降雨的雨量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定允許的土壤流失量可占總流失量的10%以下，即擬定的侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)所引起的土壤流失量應(yīng)占總流失量的90%以上。令PQ=90%，運(yùn)用70場(chǎng)侵蝕性降雨資料，由式(2)求得P=11.3 mm。

運(yùn)用31場(chǎng)未參與侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)擬合的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，利用式(1)，計(jì)算大于11.3 mm降雨量的累積侵蝕量占總侵蝕量的比例，得到PQ=99.1%，說(shuō)明小于11.3 mm降雨量引起的土壤流失量只占總流失量的0.9%，次最大土壤流失量?jī)H為60.0 t/km2;因此，可以認(rèn)為紫色丘陵區(qū)順坡休閑農(nóng)耕地的侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)為11.3 mm。

3.1.2 侵蝕性雨量年內(nèi)分布與侵蝕特征 主要水土保持試驗(yàn)站的侵蝕性降雨量及其年內(nèi)分布特征見表1?？梢钥闯?紫色丘陵區(qū)侵蝕性降雨量占多年平均降雨量的60%以上，主要集中于5—9月，占年均侵蝕性降雨量的86.5% ～96.0%，其中6—8月所占比例最大，為59.1% ～74.7%，大部分地區(qū)1、2和12月沒有侵蝕性降雨發(fā)生。在空間分布上，丘陵區(qū)西部的蒲江站年均侵蝕性降雨量值最大，為911.7 mm，中部蓬溪站年均侵蝕性降雨量值最小，為483.5 mm。年均侵蝕性雨量占多年平均雨量值比例最大的為丘陵區(qū)中部西南側(cè)的簡(jiǎn)陽(yáng)站，達(dá)到73.1%，比例最小的是蓬溪站，為60.3%。

表1 主要水土保持試驗(yàn)站的侵蝕性降雨量及其年內(nèi)分布特征Tab．1 Erosive rainfall and its distribution within the year in the main soil and water conservation experiment stations

表1(續(xù))

結(jié)合徑流小區(qū)實(shí)測(cè)的降雨侵蝕產(chǎn)沙資料，并考慮到水土保持措施因素對(duì)侵蝕性降雨與土壤侵蝕特征關(guān)系的影響，選用未受人類活動(dòng)干擾，并且在同等土地利用方式即順坡耕作下(主要種植作物為苧麻(Boehmeria nivea))的徑流小區(qū)降雨產(chǎn)沙資料進(jìn)行分析，結(jié)果見表2?？梢钥闯?在順坡耕作區(qū)，5—9月份土壤侵蝕量隨侵蝕性降雨量的增加而增大，其中，7、8月年均侵蝕性降雨量和土壤侵蝕量最大(岳池站除外)，其他3個(gè)月之間的變化規(guī)律較不明顯。3.1.3 量級(jí)分布與侵蝕特征 以井研站1985—1990年徑流小區(qū)(小區(qū)面積為48.0 m2)觀測(cè)的次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙情況為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3。可以看出:雖然雨量在11.3 mm以下的降雨次數(shù)多達(dá)323次，占總降雨次數(shù)的69.6%，但產(chǎn)流卻只有1次，其土壤侵蝕量也只有0.15kg，占總流失量的0.05%，這一雨量級(jí)對(duì)土壤侵蝕影響不大;而20 mm以上降雨，引起的土壤流失量為290.4 kg，占總侵蝕量的96.75%，其中雨量為50.1～100 mm之間的降雨有16次，只占總降雨次數(shù)的3.4%，其產(chǎn)流次數(shù)為14次，占11.3 mm以上總產(chǎn)流次數(shù)的22.6%，產(chǎn)流率達(dá)到87.5%，其土壤流失量最多，為141.2 kg，占總侵蝕量的47.0%。

6年間5—9月份＞30 mm雨量的侵蝕性降雨45次，僅占總降雨次數(shù)的9.7%，然而，由此產(chǎn)生的侵蝕量高達(dá)275.0 kg，占總侵蝕量的91.5%。可知，紫色丘陵區(qū)土壤侵蝕主要是由少數(shù)幾次暴雨和大暴雨引起的，這些暴雨與大暴雨集中分布在5—9月份。從另一方面來(lái)看，分級(jí)雨量越大，產(chǎn)生的土壤侵蝕量越大，特別是次降雨量大于100 mm的降雨，平均次侵蝕強(qiáng)度高達(dá)532.9 t/km2，一次降雨就足以使順坡耕地產(chǎn)生的侵蝕量超過水利部頒布的年土壤容許流失量［26］。

坡面采取了橫坡耕作措施以后，也顯示出土壤侵蝕主要發(fā)生在較大雨量級(jí)，特別是大暴雨級(jí)(＞100 mm)，2次降雨產(chǎn)生侵蝕量占總侵蝕量的28.6%(表4)。然而，侵蝕量比未采取耕作措施的小近1/2。

3.2 降雨侵蝕力

3.2.1 空間分布 紫色丘陵區(qū)主要站點(diǎn)降雨侵蝕力年內(nèi)分配比例見圖2?？梢钥闯?，紫色丘陵區(qū)年均R值空間分布差異較大，基本上介于5 000～6 500 MJ/(mm·hm2·h)之間(除巴中站為7 182.9 MJ/(mm·hm2·h)外)，由丘陵區(qū)周邊向中部逐漸減小，研究區(qū)北部大于南部，西部大于東部，其中丘陵區(qū)北部的巴中、達(dá)縣、閬中的年均降雨侵蝕力均超過6 000 MJ/(mm·hm2·h)。多年平均R值最大的測(cè)站為巴中站，R 值為7 182.9 MJ/(mm·hm2·h)，R 值最小的測(cè)站是研究區(qū)中部的遂寧站，R值為5 079.0 MJ/(mm·hm2·h)，極差達(dá)到 1 322.1 MJ/(mm·hm2·h)。

表2 順坡耕作5—9月的侵蝕性降雨量與土壤侵蝕量Tab．2 Erosive rainfall and soil erosion amount in the downslope cultivation land plots between May and September

表3 井研站1985—1990年分級(jí)雨量降雨次數(shù)與順坡耕地土壤侵蝕量Tab．3 Frequency of different rainfall levels and graded erosion amount in the downslope cultivation land plots from 1985 to 1990

表4 井研站1985—1990年分級(jí)雨量降雨次數(shù)與橫坡耕地的土壤侵蝕量Tab．4 Frequency of different rainfall levels and graded erosion amount in the contour cultivation plots from 1985 to 1990

圖2 紫色丘陵區(qū)主要站點(diǎn)降雨侵蝕力年內(nèi)分配比例Fig．2 Proportion of monthly rainfall erosivity in purple hilly area

3.2.2 年內(nèi)分布 由圖2和表5可以看出:紫色丘陵區(qū)R值主要分布在5—10月，占年R值的89%以上，其中，6、7、8 或7、8、9 月可占年 R 值的 60%以上，7、8月可占年R值的40%以上，R值的月分布集中程度比較高;11月至翌年的4月，6個(gè)月的R值僅占年R值的3.0% ～10.2%，部分地區(qū)1和12月的R值為0，其中，10個(gè)站的月R值最大值均為7月，廣元、資陽(yáng)及宜賓7月的R值相對(duì)較大，分別占年R值的32.8%、32.8%和30.5%，宜賓、資陽(yáng)及內(nèi)江8月的R值相對(duì)較大，分別占年R值的26.1%、25.1%和24.2%。

3.2.3 年際分布 從表6的結(jié)果可以看出，紫色丘陵區(qū)R值的年際變化離差系數(shù)Cv值變化于0.3～0.5之間，屬于中等變異程度，北部大于中部和南部地區(qū)，其中閬中和內(nèi)江的離差系數(shù)最大，資陽(yáng)的離差系數(shù)最小。最大年R值為平均年R值的1.7～2.4倍，地區(qū)間差異不大，其中內(nèi)江最大，為2.4倍，遂寧最小，為1.7倍，最大年R值與最小年R值的比值系數(shù)基本變化在3.9～8.6倍之間，其中內(nèi)江最大，資陽(yáng)最小。

表5 紫色丘陵區(qū)主要站月、年降雨侵蝕力Tab．5 Monthly and annual rainfall erosivity in purple hilly area

表6 紫色丘陵區(qū)主要站降雨侵蝕力的年際變化特征Tab．6 Variation characteristics of annual rainfall erosivity in purple hilly area

4 結(jié)論與討論

1)紫色丘陵區(qū)順坡休閑農(nóng)耕地侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)為11.3 mm。

這一結(jié)果略高于利用同一方法計(jì)算的國(guó)內(nèi)其他地區(qū)，如黃土地區(qū)農(nóng)耕地侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)為9.9 mm，黑龍江及云南滇東北地區(qū)的基本雨量標(biāo)準(zhǔn)分別為9.8和9.2 mm。這可能與不同地區(qū)土壤抗蝕性特征有關(guān)，紫色丘陵區(qū)土壤抗蝕性較其他地區(qū)好［27］。同時(shí)，黃土地區(qū)主要為超滲產(chǎn)流，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過了土壤的入滲速度，就會(huì)形成坡面徑流［28］，而紫色丘陵區(qū)主要以蓄滿產(chǎn)流為主，這也可能是導(dǎo)致2個(gè)地區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)差異的原因。另外，研究?jī)H對(duì)侵蝕性降雨的一般雨量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析，由于缺少實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)，沒有分析侵蝕性降雨的降雨強(qiáng)度特征，而降雨最大強(qiáng)度是影響暴雨侵蝕力的最重要的特征之一［28］;因此，今后應(yīng)增加降雨過程的觀測(cè)，以便獲得不同的降雨強(qiáng)度指標(biāo)，提出適合于該區(qū)的侵蝕性降雨的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2)紫色丘陵區(qū)侵蝕性降雨占多年平均總降雨量的60%，丘陵區(qū)邊緣地區(qū)侵蝕性降雨量大于丘陵區(qū)中部地區(qū)。次降雨量與土壤侵蝕量是密切相關(guān)的，暴雨侵蝕是水土流失防御的重點(diǎn)事件，且7—8月是紫色丘陵區(qū)水土保持的關(guān)鍵時(shí)期;但耕作措施可削弱降雨對(duì)土壤侵蝕的影響，因此，在紫色丘陵區(qū)除改善工程措施外，應(yīng)實(shí)行免耕、少耕或水土保持耕作法，以增加混作套種，增大作物覆蓋，減少水土流失［16］。

3)紫色丘陵區(qū)年均R值介于5 000～6 500 MJ/(mm·hm2·h)之間。不同地區(qū)間R值與侵蝕性降雨的空間分布趨勢(shì)基本相同。年R值的年內(nèi)集中度較高，主要分布在5—10月份，可占年R值的89%以上;降雨侵蝕力的年內(nèi)變化趨勢(shì)與我國(guó)西北黃土區(qū)［29］、東北黑土區(qū)［16］、南方地區(qū)［30］等地的研究結(jié)果基本一致，這與我國(guó)大部分地區(qū)所處的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候環(huán)境有關(guān)［31］。R值的年際變化也較大，達(dá)到中等程度變異，不同地區(qū)的R值年際變化差異較大，但并未表現(xiàn)出明顯的隨時(shí)間變化的增減趨勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所劉剛才研究員和北京師范大學(xué)謝云教授為本研究提供了部分徑流小區(qū)水文泥沙資料和降雨資料，在此表示誠(chéng)摯的感謝。

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