冰雹侵蝕徑流小區(qū)土壤流失量觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

何學(xué)良，王志強(qiáng)

(1.海原縣水務(wù)局 樹臺(tái)水保試驗(yàn)站，寧夏 海原755200；2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875)

冰雹侵蝕徑流小區(qū)土壤流失量觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

何學(xué)良1，王志強(qiáng)2

(1.海原縣水務(wù)局 樹臺(tái)水保試驗(yàn)站，寧夏 海原755200；2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875)

土壤流失量；冰雹；降雨侵蝕力；雨強(qiáng)；黃土丘陵溝壑區(qū)

冰雹是一種常見的自然現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成災(zāi)害。在黃土丘陵溝壑區(qū)相同條件下，冰雹造成的土壤侵蝕比降雨的嚴(yán)重。對(duì)2014年寧夏海原縣樹臺(tái)、西吉縣濫泥河水土保持試驗(yàn)站徑流場(chǎng)觀測(cè)資料進(jìn)行了整理計(jì)算，結(jié)果顯示：冰雹降水量雖小，但次降雨平均雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)、降雨動(dòng)能、降雨侵蝕力在逐次降雨中最大，造成的土壤流失量也最大；相比降雨，冰雹出現(xiàn)頻次少，但造成的土壤流失量卻很大；相對(duì)裸地與耕地，冰雹對(duì)有水土保持措施的徑流小區(qū)造成的土壤流失量很小，甚至為零，因此水土保持措施是防止冰雹侵蝕的有效辦法。

我國(guó)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重。研究人員對(duì)該區(qū)土壤侵蝕機(jī)理及影響因素進(jìn)行了大量研究工作，但對(duì)冰雹引起的土壤侵蝕涉及很少。冰雹事件在黃土丘陵地區(qū)時(shí)有發(fā)生，研究冰雹造成的侵蝕機(jī)理和侵蝕量不僅有助于應(yīng)對(duì)不良?xì)庀鬄?zāi)害，而且對(duì)當(dāng)?shù)厮亮魇е卫砭哂兄匾饬x。本研究對(duì)2014年寧夏海原縣樹臺(tái)水土保持試驗(yàn)站、西吉縣濫泥河水土保持試驗(yàn)站徑流場(chǎng)的徑流、泥沙資料進(jìn)行整理，分析冰雹和降雨過程中土壤流失量的差異，評(píng)價(jià)冰雹對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤流失量的貢獻(xiàn)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)站概況

寧夏海原縣樹臺(tái)水土保持試驗(yàn)站和西吉縣濫泥河水土保持試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱樹臺(tái)、馬建試驗(yàn)站)是寧夏水利廳水土保持局為研究黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失規(guī)律而設(shè)。樹臺(tái)試驗(yàn)站位于黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)、清水河一級(jí)支流西河干流的上游，地理坐標(biāo)36°29′30″N、105°25′25″E，海拔1 865 m，年均降水量380 mm，其中6—9月降水量占全年的近60%。馬建試驗(yàn)站位于黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅲ副區(qū)，屬濫泥河流域馬建小流域源頭和祖歷河分水嶺地區(qū)、黃河一級(jí)支流葫蘆河水系，地理坐標(biāo)35°56′39″N、105°29′8″E，海拔1 957 m，年均降水量427.0 mm。兩試驗(yàn)站地帶性土壤均為黑壚土，由于土壤侵蝕嚴(yán)重，目前以黃棉土為主，多年平均土壤侵蝕模數(shù)分別為3 657、5 000 t/(km2·a)，主要為水力侵蝕，以面蝕和溝蝕為主，局部伴有重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，在懸崖與陡峻處可見崩塌、滑坡、瀉溜和陷穴等。

1.2 徑流小區(qū)布設(shè)

樹臺(tái)試驗(yàn)站徑流場(chǎng)始建于1981年，現(xiàn)有坡度5°、10°、15°、20°、25°的徑流小區(qū)20個(gè)，皆為直線形丘陵坡(陽坡)，其中標(biāo)準(zhǔn)(裸地)小區(qū)2個(gè)，坡度10°，投影尺寸20 m×5 m；非標(biāo)準(zhǔn)(措施)小區(qū)18個(gè)，包括人工牧草、天然牧草、灌木林地、魚鱗坑+喬木林等(表1)。馬建試驗(yàn)站徑流場(chǎng)始建于1989年，現(xiàn)有坡度10°、15°、20°、25°的徑流小區(qū)18個(gè)，皆為直線形丘陵坡(陽坡)，投影尺寸均為20 m×5 m，每個(gè)坡度級(jí)別都布設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)(裸地)小區(qū)，各坡度級(jí)別非標(biāo)準(zhǔn)(措施)小區(qū)有耕地、灌木林地、天然牧草、人工牧草等(表1)。

1.3 數(shù)據(jù)采集和處理

試驗(yàn)站觀測(cè)項(xiàng)目主要有降水量、徑流含沙量、植被覆蓋度、土壤含水率等。降雨量采用自記雨量計(jì)觀測(cè)。徑流采樣過程是在降水后，先測(cè)定集流池的水深，再用攪拌工具將集流池中的徑流和泥沙充分混合，用勺子取部分渾水樣，將水樣裝入取樣瓶中，用烘干法測(cè)定徑流含沙量。取樣3次，分別測(cè)定含沙量，最終取平均值，并將含沙量換算成單位面積土壤流失量(t/km2)。平均降雨強(qiáng)度(mm/h)、最大30 min雨強(qiáng)(mm/h)、降雨侵蝕力[MJ·mm/(hm2·h)]采用北京師范大學(xué)rain recorder軟件計(jì)算。

表1 樹臺(tái)、馬建試驗(yàn)站徑流小區(qū)布設(shè)情況

2 結(jié)果與分析

2.1 冰雹造成的土壤流失量

樹臺(tái)試驗(yàn)站2014年8月16日發(fā)生冰雹，從17時(shí)開始，歷時(shí)45 min。此次冰雹共降水14.0 mm，平均降雨強(qiáng)度3.2 mm/h，降雨侵蝕力為99.2 MJ·mm/(hm2·h)，造成1、2號(hào)小區(qū)土壤流失量分別為87.07、115.82 t/km2，11、12號(hào)小區(qū)土壤流失量均為13.62 t/km2，其他小區(qū)土壤流失量均為零。馬建試驗(yàn)站冰雹發(fā)生于2014年10月3日，從17時(shí)31分開始，歷時(shí)204 min。此次冰雹共降水19.4 mm，平均降雨強(qiáng)度5.7 mm/h，降雨侵蝕力為82.3 MJ·mm/(hm2·h)，造成1、6、11、15號(hào)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失量分別為10、22、85、112 t/km2，2、7、12、16號(hào)耕地小區(qū)分別為4、9、10、16 t/km2，13號(hào)天然牧草小區(qū)為2 t/km2，14號(hào)灌木林地小區(qū)為2 t/km2，其他小區(qū)均為零。由上述分析可知，在冰雹降水量、平均降雨強(qiáng)度、降雨侵蝕力相同的條件下，標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失量最大，其次是耕地小區(qū)，而對(duì)于有水保措施的小區(qū)兩次冰雹幾乎都沒有造成土壤流失。

2.2 冰雹和降雨土壤流失量對(duì)比

2014年樹臺(tái)、馬建試驗(yàn)站徑流場(chǎng)各發(fā)生降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙5次，統(tǒng)計(jì)各次降雨土壤流失量結(jié)果見表2、3。

表2 2014年樹臺(tái)試驗(yàn)站徑流場(chǎng)各次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

表3 2014年馬建試驗(yàn)站徑流場(chǎng)各次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

樹臺(tái)試驗(yàn)站的5次產(chǎn)流產(chǎn)沙過程中，8月16日冰雹的降水量最小，僅為14.0 mm，但土壤流失量最大，達(dá)115.82 t/km2，發(fā)生在2號(hào)小區(qū)。該小區(qū)年土壤流失量為153 t/km2，冰雹造成的土壤流失量占小區(qū)全年土壤流失量的75.7%。馬建試驗(yàn)站5次產(chǎn)流中，10月3日冰雹的降水量最小，僅為19.4 mm，土壤流失量最大，達(dá)112.41 t/km2，發(fā)生在15號(hào)小區(qū)。15號(hào)小區(qū)年土壤流失量為225.98 t/km2，冰雹造成的土壤流失量占小區(qū)全年土壤流失量的43.9%。

2.3 冰雹造成土壤流失原因分析

作為一種常見的自然現(xiàn)象，猛烈的冰雹可以損壞農(nóng)作物、車輛、建筑，甚至威脅人們的生命安全。其像子彈一樣密集地打擊在土壤表面，破壞了土壤結(jié)皮，濺起的土粒被徑流沖刷。冰雹過后，在樹臺(tái)和馬建試驗(yàn)站裸地和耕地徑流小區(qū)的土壤表面留下了密密麻麻的小坑，直徑1～3 cm，深1.5 cm左右，暴雨一般不會(huì)造成這樣的情況。

(1)冰雹降雨強(qiáng)度大、濺蝕能力強(qiáng)。由表2、3知，2014年樹臺(tái)試驗(yàn)站在出現(xiàn)產(chǎn)流產(chǎn)沙的5次降雨過程中，冰雹雨強(qiáng)大于其他4次降雨雨強(qiáng)，馬建試驗(yàn)站的情況也是一樣。雨強(qiáng)越大，雨滴動(dòng)能越大[1]，因此冰雹對(duì)土壤的濺蝕能力大于其他場(chǎng)次降雨。在降暴雨或冰雹時(shí)，雨滴或冰雹擊濺所引起的土壤顆粒分散是侵蝕過程中重要的一部分。對(duì)于有水土保持措施的小區(qū)，植被削減了冰雹降落的能量，下墊面的枯枝落葉避免了冰雹直接砸向土壤表面，使表土結(jié)構(gòu)不被破壞，土壤分離量少，減少了土壤流失量，因此植被覆蓋度越大土壤流失量越小。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，冰雹下落直接砸向標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)裸露的地表，造成密密麻麻的小坑，而有水土保持措施的小區(qū)地表破壞較輕。

(2)冰雹侵蝕力大。降雨侵蝕力是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是降雨物理特征的函數(shù)，在下墊面特征相對(duì)一致的條件下，降雨侵蝕力越大，引起的土壤侵蝕越劇烈[1]。據(jù)表2、3，樹臺(tái)試驗(yàn)站冰雹的降雨侵蝕力為99.2 MJ·mm/(hm2·h)，在5次降雨過程中位列第二；馬建試驗(yàn)站冰雹的降雨侵蝕力為82.3 MJ·mm/(hm2·h)，在5次降雨過程中最大。采用北京師范大學(xué)rain recorder軟件，降雨侵蝕力計(jì)算公式為

R=E·I30

(1)

式中：R為次降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；I30為一次降雨過程中最大30 min雨強(qiáng)，mm/h；E為一次降雨總動(dòng)能，MJ/hm2。

由于冰雹降水與降雨特性不同，直接使用公式(1)會(huì)導(dǎo)致冰雹侵蝕力計(jì)算結(jié)果偏小很多，這也是樹臺(tái)試驗(yàn)站冰雹的降雨侵蝕力位列第二的原因。據(jù)估計(jì)，這次冰雹的降雨侵蝕力至少超過由降雨侵蝕力公式計(jì)算結(jié)果的一倍以上。雖然冰雹的密度比雨水小，但冰雹一般體積大、質(zhì)量大，常見的冰雹直徑5～30 mm，而雨滴直徑0.5～5.5 mm，最大的冰雹可達(dá)數(shù)千克，且形狀大小不同，因此冰雹的破壞力更大。

雨滴終點(diǎn)速度和動(dòng)能計(jì)算公式為

(2)

(3)

上二式中：r為物質(zhì)半徑，m；C為常數(shù)；g為重力加速度，m/s2；E為降雨動(dòng)能，J；m為雨滴質(zhì)量，kg；v為雨滴終點(diǎn)速度，m/s。

由式(2)、(3)知，雨滴的最大末速度取決于其體積大小，或者說是質(zhì)量大小，因此考慮空氣阻力，大水滴的終點(diǎn)速度將更大。冰雹的體積大于雨滴數(shù)倍，其終點(diǎn)速度也大于雨滴，其動(dòng)能更遠(yuǎn)大于雨滴。加之，冰雹最大30min雨強(qiáng)大于其他場(chǎng)次降雨，冰雹的降雨侵蝕力要遠(yuǎn)大于降雨，造成的土壤流失量也最大。

3 結(jié) 語

對(duì)寧夏海原縣樹臺(tái)和西吉縣馬建試驗(yàn)站徑流場(chǎng)2014年的冰雹降水引起的土壤侵蝕進(jìn)行了分析。得出以下結(jié)論：

(1)2014年樹臺(tái)和馬建試驗(yàn)站冰雹引起的土壤流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨引起的土壤流失量。兩試驗(yàn)站冰雹降水量分別只占2014年有效降雨量的8.6%和11.9%，但造成的流失量卻分別占年流失量的75.7%和43.9%。

(2)初步分析表明，冰雹的雨強(qiáng)、動(dòng)能及其綜合指標(biāo)——降雨侵蝕力都高于其他降水形式，是冰雹侵蝕量大的主要原因。但冰雹侵蝕的具體過程和機(jī)理，以及針對(duì)降雨的動(dòng)能和降雨侵蝕力公式是否適宜于冰雹降水，都需要進(jìn)一步深入研究。

(3)冰雹引起的土壤侵蝕主要發(fā)生在裸地和耕地小區(qū)，有水土保持措施的其他小區(qū)基本無侵蝕，說明已有的水土保持措施對(duì)冰雹侵蝕具有防護(hù)作用。

[1]N.W.哈德遜.土壤保持[M].竇葆璋，譯.北京:科學(xué)出版社,1976:29-41,44-53.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157.1

A

1000-0941(2015)09-0049-03

何學(xué)良(1963—)，男，寧夏海原縣人，工程師，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)研究與管理工作。

2015-03-13