旱澇急轉(zhuǎn)天氣土壤濕度與地表徑流變化特征分析

[摘 要] 分析旱澇急轉(zhuǎn)天氣背景下，在后期發(fā)生強(qiáng)降水，出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)，各層土壤濕度變化特征，與正常年份相比，各層土壤濕度不易出現(xiàn)飽和，降水后地表徑流與降水前的土壤濕度呈正相關(guān)，干旱使土壤濕度偏低，強(qiáng)降水形成的地表徑流也偏低，水土流失速率降低，山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害較不易發(fā)生。

[關(guān)鍵詞] 旱澇急轉(zhuǎn) 土壤濕度 地表徑流 變化特征

[中圖分類(lèi)號(hào)] p4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1003-1650 （2013）06-0228-02

“旱澇急轉(zhuǎn)”是指前期持續(xù)偏旱，接著因一場(chǎng)暴雨以上的強(qiáng)降水或雨量較大的連陰雨致使迅速轉(zhuǎn)旱為澇的天氣過(guò)程。王勝[1]等給出如下流域“旱澇急轉(zhuǎn)”標(biāo)準(zhǔn)：旱：前期降水持續(xù)偏少，緊接著連續(xù)兩旬以上（包括兩旬）全流域內(nèi)半數(shù)以上臺(tái)站降水距平百分率偏少50% 以上。澇：旱后出現(xiàn)第一場(chǎng)大范圍暴雨，之后持續(xù)出現(xiàn)多次較強(qiáng)降水過(guò)程，導(dǎo)致全流域半數(shù)以上臺(tái)站降水距平百分率偏多50% 以上。同時(shí)滿(mǎn)足以上條件則稱(chēng)之為旱澇急轉(zhuǎn)[2]。2011年6月份之前，長(zhǎng)江中下游地區(qū)發(fā)生了近60年來(lái)最嚴(yán)重的冬春持續(xù)干旱天氣，6月中旬，在久旱之后，接連4輪強(qiáng)降水過(guò)程的降水量為近60年歷史同期最多，長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)，這一地區(qū)遭受?chē)?yán)重暴雨洪澇災(zāi)害。

旱澇急轉(zhuǎn)使干旱土壤墑情迅速上升，土壤相對(duì)濕度急劇增加，部分農(nóng)作物遭受漬害，對(duì)于農(nóng)作物遭受漬害情況，這里不作分析。本文在此主要研究不同深度的土壤相對(duì)濕度在旱澇急轉(zhuǎn)天氣背景下的具體變化特征。

一、資料與處理

麻城位于湖北北省東北部，大別山南麓，東經(jīng)114°40′～115°28′，北緯30°52′～31°36'。本文選取資料來(lái)源于麻城市國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，資料長(zhǎng)度為4年（2008年～2011年）。土壤相對(duì)濕度選取每年4～6月份資料，其中，逢8日觀測(cè)值為的固定觀測(cè)地段（植被為雜草）和作物觀測(cè)地段分別按各層進(jìn)行合并統(tǒng)計(jì)平均，逢3日的土壤相對(duì)濕度為固定地段觀測(cè)值。固定地段在大氣觀測(cè)場(chǎng)旁10m，作物觀測(cè)地段距觀測(cè)場(chǎng)3km，前期（5月28日前）作物為小麥，后期（5月28日后）作物為棉花。地表徑流資料來(lái)源于麻城市浮橋河水庫(kù)。浮橋河水庫(kù)位于麻城市以西，距麻城市13km。浮橋河水庫(kù)來(lái)水量主要來(lái)自地表徑流，本文用水庫(kù)庫(kù)容增加量（降水后最大庫(kù)容與降水前最低庫(kù)容之差）來(lái)表示流域內(nèi)地表徑流。

二、 結(jié)果和分析

1.旱澇急轉(zhuǎn)天氣背景及降水特點(diǎn)

從2011年1月～ 4月，降水量?jī)H45.0mm，比歷年同期少244.3mm，少84%，干旱不斷升級(jí)，到5月底，累計(jì)降水量?jī)H81.4 mm，比歷年同期少360.8mm，少82%，部分農(nóng)作物受災(zāi)嚴(yán)重而減產(chǎn)。從6月10日開(kāi)始，出現(xiàn)4次大到暴雨，6月17～18日降大暴雨，麻城過(guò)程降水量183.6mm，過(guò)程降水量最大出現(xiàn)在白果站，為246.7mm。 6月份麻城降水量達(dá)390.6mm，比歷年同期多216.2mm，多124%。浮橋河水庫(kù)流域面積內(nèi)的降水量分布為：東部降水量大于西部，南部降水量大于北部，降水量自東南方向向西北方向減少。

2.土壤濕度變化特征

土壤濕度變化主要與降水多少有關(guān)[4]，春季取土日前有雨和無(wú)雨時(shí)總體情況是氣象觀測(cè)場(chǎng)的土濕高于農(nóng)田，在夏季，固定地段與農(nóng)田各層土濕為高度正相關(guān)[5，6]。通過(guò)對(duì)麻城國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站固定地段和作物觀測(cè)地段土壤濕度變化分析，2008～2010年4～6月，汛前固定地段各層土濕高于農(nóng)田土濕，入汛后固定地段各層土濕低于農(nóng)田土濕。而在2011年4～6月，汛前固定地段土壤濕度各層均低于農(nóng)田土壤濕度，這反映出偏旱情況下各類(lèi)農(nóng)田耕作活動(dòng)能使土壤有一定的保墑效果，而偏澇時(shí)各類(lèi)農(nóng)田耕作措施能使土壤濕度有一定程度降低。將2 011年度與前3年各層土壤濕度平均值進(jìn)行比較，2011年6月18日以前，固定地段和作物各層土濕均明顯低于2008～2010年平均，5月8日達(dá)最低水平，并出現(xiàn)5～10cm干土層。2008年～2010年4～6月，各層土壤相對(duì)濕度均處于較高值，當(dāng)遇強(qiáng)降水后，就會(huì)出現(xiàn)不同層次土壤濕度過(guò)飽和現(xiàn)象（土壤含水量≥田間持水量，土壤相對(duì)濕度≥100%），而在2011年即使在6月18日大暴雨后，0～50cm土濕沒(méi)有出現(xiàn)飽和或過(guò)飽和土層（見(jiàn)表1）。由此可以看出，前期干旱較嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)天氣過(guò)程后，各層土壤相對(duì)濕度雖也有較大幅度上升，但不易使土壤濕度達(dá)到飽和或過(guò)飽和狀態(tài)。

三、旱澇急轉(zhuǎn)天氣背景地表徑流變化原因分析

1.公式推導(dǎo)

地表徑流受氣候、降水、地形、地質(zhì)、植被覆蓋率、植被的類(lèi)型等條件的綜合影響。降水是形成地表徑流的重要前提，其強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間決定著地表徑流的產(chǎn)生和徑流量的大小，從而影響土壤儲(chǔ)水量、地下水位變化。徑流量的大小更多地受降水量和降水強(qiáng)度的共同影響，地表徑流與降水前0～20cm的土壤水分呈明顯正相關(guān)關(guān)系[7]。

土壤吸收降水的能力除了與降水量和降水強(qiáng)度有關(guān)外，還與土壤容重（D）、土壤重量含水率（田間持水量E）等土壤物理特性和土壤計(jì)算深度（h）有關(guān)。

如果忽略降水時(shí)蒸發(fā)損失，假定降水全部被地表吸收和產(chǎn)生地表徑流流流入下游水庫(kù)，根據(jù)降水量和土壤濕度的定義和計(jì)算方法，我們可以得出一定流域面積內(nèi)的水庫(kù)庫(kù)容增加量（亦即地表徑流）的公式如下：

公式中，V：地表徑流，S：流域面積，R：降水量，D：土壤容重，E：田間持水量，r：土壤濕度，h：計(jì)算深度。

式中流域面積、土壤容重、田間持水量都可以提前計(jì)算得出，這里可以看成為一常數(shù)。由公式可知，地表徑流與降水量和一定深度內(nèi)土壤濕度成正比，在降水量確定時(shí)，土壤濕度高，地表徑流大，土壤濕度低，地表徑流小。

2.相關(guān)分析

對(duì)不同層次的土壤相對(duì)濕度與地標(biāo)徑流進(jìn)行相關(guān)分析。這里，先考慮降水量對(duì)地表徑流的貢獻(xiàn)，引入一個(gè)定義λ：地表徑流與降水量的比值，即單位降水量對(duì)地表徑流的貢獻(xiàn)（單位：萬(wàn)m3/mm）。統(tǒng)計(jì)2008年～2010年5～8月間共計(jì)20次降水過(guò)程降水量和浮橋河水庫(kù)流域地表徑流，計(jì)算得出每次降水過(guò)程λ值，結(jié)果表明，λ數(shù)值變化區(qū)間較大，在1.600～32.693之間，再計(jì)算λ與不同層次土壤相對(duì)濕度的單相關(guān)系數(shù)，結(jié)果在0.6044～0.4983之間，淺層相關(guān)系數(shù)較大，相關(guān)系數(shù)隨深度增加而緩慢降低。由于土壤水分隨深度有其自身的變化規(guī)律[8]，土壤水分的不同層次之間存在自相關(guān)關(guān)系，為避免其對(duì)結(jié)果造成干擾，將0～50cm各層進(jìn)行平均后再計(jì)算與λ的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果為0.5752。

由此可見(jiàn)，λ與0～50 cm土壤水分（ 相對(duì)濕度） 呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。2011年6月，浮橋河水庫(kù)流域由于前期干旱使土壤相對(duì)濕度較低，因此產(chǎn)生的地表徑流也較低。地表徑流低，一方面使水庫(kù)庫(kù)容增加有限，另一方面也制約了水土流失速率，使發(fā)生山洪泥石流地質(zhì)災(zāi)害的幾率減少。

四、結(jié)論

1.旱澇急轉(zhuǎn)天氣背景下，強(qiáng)降水前由于土壤相對(duì)濕度較低，強(qiáng)降水后雖然也能使各層土壤濕度顯著上升，但不易使土壤含水量達(dá)到或超過(guò)飽和狀態(tài)。

2.土壤水分含量的高低，對(duì)地表徑流產(chǎn)生一定的影響。由于干旱期土壤濕度低，地表徑流但遠(yuǎn)小于土壤濕度較高時(shí)同等降水量級(jí)和降水強(qiáng)度時(shí)的地表徑流。

3.降水徑流低，也制約了水土流失速率，發(fā)生山洪泥石流地質(zhì)災(zāi)害的幾率減少。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉中新，男，1962年生，高級(jí)工程師，主要從事專(zhuān)業(yè)氣象研究。