山東省藥鄉(xiāng)小流域侵蝕性降雨分布特征

張興剛,王春紅,程甜甜,李賽,李亦然,張永濤

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,271018,山東泰安)

山東省藥鄉(xiāng)小流域侵蝕性降雨分布特征

張興剛,王春紅,程甜甜,李賽,李亦然,張永濤?

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,271018,山東泰安)

為探究山東省藥鄉(xiāng)小流域侵蝕性降雨分布特征,本研究選擇裸地坡面徑流小區(qū)為研究對(duì)象,利用小區(qū)觀測(cè)法得到的降雨、徑流以及泥沙等資料,通過頻率分析法擬定研究區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn),并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法從時(shí)間、降雨強(qiáng)度、降雨侵蝕力角度分析侵蝕性降雨分布特征。結(jié)果表明:1)該研究區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為降雨量17.3 mm;2) 7月份侵蝕性降雨場(chǎng)次、降雨量、徑流量和產(chǎn)沙量占侵蝕性降雨比例為42.31%、45.71%、85.78%和97.97%,其他月份侵蝕性降雨分布較少;3)大雨、暴雨以上侵蝕性降雨,高降雨強(qiáng)度型降雨場(chǎng)次分別占相應(yīng)雨量等級(jí)比例為60%和100%,其產(chǎn)沙量所占比例分別為75.07%、100%;4)降雨侵蝕力＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)侵蝕性降雨產(chǎn)沙量占侵蝕性降雨比例為95.26%,其徑流深是≤1 000 MJ·mm/(h·hm2)侵蝕性降雨3倍以上。以上研究表明,研究區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為17.3 mm,其主要分布在中雨以上雨量等級(jí),造成嚴(yán)重土壤侵蝕的侵蝕性降雨多為高降雨強(qiáng)度型降雨或降雨侵蝕力＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)的降雨,且其多分布于7月份。本文結(jié)果有助于研究區(qū)小流域侵蝕性降雨規(guī)律分析以及土壤侵蝕規(guī)律研究。

小流域;侵蝕性降雨;侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn);降雨強(qiáng)度;降雨侵蝕力

天然降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生和發(fā)展的主要外部動(dòng)力因素[1],但只有部分次降雨能夠?qū)е峦寥狼治g,通常稱為侵蝕性降雨,其臨界參數(shù)值稱為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)確定,不同降雨參數(shù)值,差異比較大。W.H.Wischmeier等[2-3]以降雨量為參數(shù),擬定標(biāo)準(zhǔn)為次降雨量≥12.7 mm或者次降雨15 min內(nèi)降雨量達(dá)到6.4 mm。國(guó)內(nèi)常見侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)擬定方法有2種:1)王萬忠[4]在黃土區(qū)根據(jù)土壤流失與降雨特性的關(guān)系,從土壤侵蝕量角度,擬定降雨量9.9 mm為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn);2)謝云等[5]根據(jù)對(duì)黃河流域子洲徑流試驗(yàn)站小區(qū)的研究,從降雨侵蝕力角度,擬定30 min降雨強(qiáng)度為0.25 mm/min為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于侵蝕性降雨特征分布,不同學(xué)者從不同角度進(jìn)行了分析。張巖等[6]從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析侵蝕性降雨的發(fā)生頻率、次降雨量、次降雨歷時(shí)、次降雨侵蝕力以及降雨時(shí)程分布特征;有研究[7-9]以年內(nèi)分配的角度分析侵蝕性降雨分布,表明侵蝕性降雨分布集中;顧璟冉等[10]以雨量與降雨侵蝕力為分類等級(jí),分析侵蝕性降雨分布特征,發(fā)現(xiàn)侵蝕性降雨多發(fā)生在中雨以上或者降雨侵蝕力＞100 MJ·mm/(h·hm2)的降雨事件中。

山東省水力侵蝕面積3萬2 432 km2,約占侵蝕總面積的90%,土壤侵蝕已經(jīng)成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要限制因素,其中輪休、輪作期的土壤裸露導(dǎo)致的土壤侵蝕不容小覷;因此,研究該地區(qū)侵蝕性降雨對(duì)該地的土壤侵蝕研究具有重要作用。為探究山東省藥鄉(xiāng)小流域侵蝕性降雨分布特征,本研究選擇裸地坡面徑流小區(qū)為研究對(duì)象,利用小區(qū)觀測(cè)法得到的降雨、徑流以及泥沙等資料,通過頻率分析法擬定研究區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn),并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法從時(shí)間、降雨強(qiáng)度、降雨侵蝕力角度分析侵蝕性降雨分布特征,以期為該小流域侵蝕性降雨研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

山東省藥鄉(xiāng)小流域位于北方土石山區(qū)魯中南山地丘陵區(qū)的西北部,屬于山東省泰安市黃前流域, E 117°05＇39″～117°09＇26″,N 36°17＇58″～36°20＇30″,總面積9.45 km2。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶詠啙駶?rùn)季風(fēng)氣候,多年平均氣溫為18.5℃,多年平均降水量758 mm,土壤類型為棕壤,呈微酸性,母質(zhì)為片麻巖,pH值在6.0左右,主要植被類型為人工林,包括落葉闊葉林、針葉林、經(jīng)濟(jì)林和農(nóng)田植被等,另外有次生灌叢和草叢植被。流域處于東、西、北三面山嶺包圍之中,海拔280～950 m,平均海拔530 m。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)施

研究區(qū)共布設(shè)有9個(gè)不同坡度、工程措施、生物措施的徑流小區(qū),其中一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)裸地小區(qū),為對(duì)照小區(qū),規(guī)格為5 m×20 m,水平投影面積為100 m2,位于坡上位。小區(qū)下方設(shè)置水泥制集流槽,并設(shè)有集流池和一級(jí)分流池,集流池采用五孔分流與一級(jí)分流池連接。本文用裸地標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2.2 降雨、產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測(cè)

觀測(cè)期為2013年1月—2015年12月。根據(jù)水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測(cè)手冊(cè)》制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定點(diǎn)定期觀測(cè)。

在小區(qū)附近的標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)站,用自記雨量設(shè)備3554WD翻斗式自記雨量計(jì)記錄降雨的相關(guān)參數(shù),記錄間隔為5 min共摘錄201場(chǎng)降雨過程的降雨量和時(shí)段降雨強(qiáng)度。泥沙數(shù)據(jù)采用烘干法測(cè)量得到。降雨侵蝕力和次降雨動(dòng)能依據(jù)《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測(cè)手冊(cè)》[11]計(jì)算。

2.3 侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的擬定

王萬忠方法實(shí)質(zhì)上是頻率分析法,不涉及研究區(qū)概況,這也是后來研究者采用該方法的原因[9,12],采用時(shí)僅根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其中參數(shù)進(jìn)行修改,并沒有提出實(shí)質(zhì)性改進(jìn);同時(shí),研究[13-14]表明謝云等的方法在裸地至少需要5年數(shù)據(jù)?？紤]本研究區(qū)實(shí)際情況,采用王萬忠所提方法:將選取的樣本雨量由大到小排序,并把各自對(duì)應(yīng)土壤侵蝕量累加,得到n次侵蝕性降雨的總侵蝕量,然后將其按照雨量大小分為若干級(jí)別,計(jì)算超過某雨量的累積侵蝕量占總侵蝕量的比例,刪去允許土壤流失量后的累積土壤侵蝕量占總侵蝕量的比例,所相對(duì)應(yīng)的降雨量即為侵蝕性降雨的臨界雨量。

式中:PQ為土壤侵蝕量累積比例,%;Q為累計(jì)侵蝕量,kg;q為總侵蝕量,kg。

利用Excel 2010、SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及Rainrecord摘錄降雨數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)

剔除不合理數(shù)據(jù)后,得到31場(chǎng)產(chǎn)流產(chǎn)沙次降雨事件。據(jù)前述方法得到降雨量與土壤侵蝕量累積比例關(guān)系式:

式中P為降雨量,mm。

該方法規(guī)定侵蝕性降雨所引起的土壤侵蝕量應(yīng)占總侵蝕量的95%[4],即侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為PQ= 95%時(shí)對(duì)應(yīng)的P。根據(jù)式(2),得到P≈17.3 mm,此值即為研究區(qū)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)。利用規(guī)定[11]標(biāo)準(zhǔn)12 mm計(jì)算,只代表87.4%土壤侵蝕量,所以本文計(jì)算的17.3 mm標(biāo)準(zhǔn)更為準(zhǔn)確。表1[15-16]是不同學(xué)者給出的不同地區(qū)的侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)參考值。由表可知,本文計(jì)算結(jié)果與其他研究者成果相比是一致的,處在合理范圍內(nèi)。

表1 不同地區(qū)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Different erosive rainfall standard

3.2 侵蝕性降雨時(shí)間分布特征

在觀測(cè)期內(nèi),總共有次降雨事件201次,利用降雨量17.3 mm侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)一共篩選出26場(chǎng)侵蝕性降雨,并以月份為單位統(tǒng)計(jì)其降雨參數(shù)與徑流產(chǎn)沙數(shù)據(jù),結(jié)果見表2?？芍?侵蝕性降雨多分布在3—9月,其發(fā)生次數(shù)相較總降雨事件次數(shù)相比較小,約占總降雨事件13%。侵蝕性降雨的降雨量和平均降雨強(qiáng)度都比較大,降雨量為1 327.4 mm,占總降雨量的50.54%,平均降雨強(qiáng)度是總降雨平均降雨強(qiáng)度的1.88倍。

由表2還可看出:侵蝕性降雨月際分布不均,呈現(xiàn)單峰型分布,兩邊少,中間多的趨勢(shì)。1—4月在整個(gè)觀測(cè)期幾乎無侵蝕性降雨,7月份侵蝕性降雨場(chǎng)次、降雨量、徑流量和產(chǎn)沙量占侵蝕性降雨比例為42.31%、45.71%、85.78%、97.97%,分別占整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)總降雨的5.47%、23.10%、74.84%、93.60%,9月份以后侵蝕性降雨很少發(fā)生。侵蝕性降雨主要集中在7月份,其特點(diǎn)是場(chǎng)次多、雨量大、產(chǎn)流產(chǎn)沙多。

表2 研究區(qū)侵蝕性降雨月際分布特征Tab.2 Distribution characteristics of erosive rainfall in each month

3.3 侵蝕性降雨降雨強(qiáng)度分布特征

首先根據(jù)氣象學(xué)雨量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將降雨劃分為小雨(＜10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(＞25～＜50 mm)和暴雨以上(≥50 mm)4個(gè)雨量等級(jí),根據(jù)前文所擬定的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn),可知研究區(qū)侵蝕性降雨分布在中雨以上雨量等級(jí)。再參考蔣蓉研究成果[17],按照最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)將降雨分為3種降雨強(qiáng)度類型,即:低降雨強(qiáng)度型、中降雨強(qiáng)度型、高降雨強(qiáng)度型,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3?？芍?侵蝕性降雨6次中雨,其中4場(chǎng)是高降雨強(qiáng)度型,其場(chǎng)次占該等級(jí)的66.67%,平均產(chǎn)沙量0.030 kg,占該等級(jí)產(chǎn)沙量37.85%;10次大雨,其中6場(chǎng)是高降雨強(qiáng)度型,占該等級(jí)的60%,平均產(chǎn)沙量0.560 kg,占該等級(jí)75.07%;10次暴雨以上,全部為高降雨強(qiáng)度型,平均產(chǎn)沙量11.965 kg,占到該等級(jí)100%。因?yàn)橹杏甑燃?jí)絕對(duì)產(chǎn)沙量比較小,幾乎可以忽略,因此侵蝕性降雨多為高降雨強(qiáng)度型降雨,對(duì)產(chǎn)沙具有極大貢獻(xiàn)。

3.4 侵蝕性降雨侵蝕力等級(jí)分布特征

降雨侵蝕力R是反應(yīng)雨滴擊濺與地表徑流對(duì)土壤侵蝕的綜合效應(yīng)。考慮研究區(qū)實(shí)際情況,本文以R≤100、100＜R≤1 000和R＞1 000 MJ·mm/ (h·hm2)3個(gè)降雨侵蝕力等級(jí)對(duì)侵蝕性降雨進(jìn)行分類。由表4可以看出,本研究區(qū)的侵蝕性降雨主要分布在R＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)和100＜R≤1 000 MJ·mm/(h·hm2)2個(gè)等級(jí),占到全部侵蝕性降雨的76.92%。其中以R＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)等級(jí)產(chǎn)流產(chǎn)沙最多,產(chǎn)沙量占到整個(gè)侵蝕性降雨的95.26%,其徑流深是其他2個(gè)等級(jí)的3倍以上,可見R＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)是主要的侵蝕性降雨分布等級(jí)。

表3 研究區(qū)侵蝕性降雨雨量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分布特征Tab.3 Distribution characteristics of rating standard for the amount of erosive rainfall in the study plot

表4 研究區(qū)侵蝕性降雨侵蝕力等級(jí)分布Tab.4 Distribution level of rainfall erosion force in the study plot

4 討論與結(jié)論

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裸地小區(qū)的降雨、產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量資料的分析,可知研究區(qū)侵蝕性降雨分布特征如下: 1)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為降雨量17.3 mm,侵蝕性降雨多分布于中雨以上雨量等級(jí);2)侵蝕性降雨強(qiáng)度多屬于高雨強(qiáng)型或者降雨侵蝕力R＞1 000 MJ·mm/ (h·hm2)的降雨,且其多分布于7月份。

本文分析侵蝕性降雨分布特征,實(shí)質(zhì)是分析研究區(qū)降雨與坡面產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量的關(guān)系,得出的結(jié)論與左長(zhǎng)清等[12]和侯建才等[18]研究成果是一致的,都表明次暴雨是引起產(chǎn)沙與產(chǎn)流的主要降雨類型。采用王萬忠模型確定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn),不同地區(qū)所采用的的參數(shù)PQ大小有區(qū)別,李林育等[9]在紫色丘陵區(qū)采用90%,左長(zhǎng)清等[12]在紅壤區(qū)采用80%,本文保守采用原模型參數(shù)95%,較長(zhǎng)時(shí)間按序列會(huì)使參數(shù)更準(zhǔn)確。張文源等[7]在研究侵蝕性降雨分布時(shí),分析了耕地、草地和人工林地3種土地利用類型,表明不同土地利用類型對(duì)侵蝕性降雨分布特征有顯著影響,由于條件的限制,本文僅對(duì)裸地進(jìn)行了研究。未來進(jìn)一步研究該小流域侵蝕性降雨模型以及影響因素成為值得關(guān)注的問題。

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Distribution characteristics of erosive rainfall in Yaoxiang Small Watershed of Shandong Province

ZHANG Xinggang,WANG Chunhong,CHENG Tiantian,LI Sai,LI Yiran,ZHANG Yongtao
(College of Forestry,Shandong Agricultural University,Shandong Province Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration, Taishan Forest Ecosystem Research Station,271018,Tai＇an,Shandong,China)

[Background]In order to study the effect of erosive rainfall on runoff and sediment yield in the mountainous area of North China,we first need to study the distribution characteristics of erosive rainfall.In this paper,the research object is runoff plot of bare land that is typical in Yaoxiang Small Watershed of Shandong Province.[Methods]The characteristics of erosive rainfall were analyzed by mathematical statistics,based on the data of rainfall observed by tipping bucket rain gauge,runoff calculated by plot runoff and sediment yield measured by oven-drying method in the period of 2013—2015.In addition,rainfall erosive force was calculated by I30max.In this paper,erosive rainfall standard was proposed by the method of Wang Wanzhong.Here is the method:1)calculating the total erosion amount of erosive rainfall:the rainfalls of the selected samples are sorted by descending order,and the corresponding amount of soil erosion is accumulated,thus the total erosion amount in n erosive rainfalls is obtained;2)classifying the amounts of rainfalls as several levels,and then calculating the proportion ofthe accumulated erosion amount over a given rainfall amount to the total erosion amount;3)the standard of erosive rainfall is the amount of rainfall corresponding to the proportion of the accumulated soil erosion amount after the allowable soil erosion is deleted,to total erosion amount.[Results]1)The reference value of standard erosive rainfall in the study area was 17.3 mm.2)In July,times of erosive rainfall, precipitation,runoff volume,and sediment yield accounted for 42.31%,45.71%,85.78%,and 97.97%in all erosive rainfalls,respectively,and erosive rainfall occurred little in other months.3)In the class of heavy rain,the rainfall times of high rainfall intensity type accounted for 60%and sediment yield accounted for 75.0%.While in the class of above rainstorm,the rainfall times of high rainfall intensity type accounted for 100%and sediment yield accounted for 100%.4)In the class of rainfall erosive force＞1 000 MJ·mm/(h·hm2),sediment yield accounted for 95.26%in all erosive rainfalls, and the runoff depth was over 3 times of the erosive rainfall＜1 000 MJ·mm/(h·hm2).[Conclusions]Therefore,the standard of erosive rainfall in the study area is 17.3 mm,which is mainly distributed in the moderate and above rainfall grades.The rainfall causing serious soil erosion is high rainfall intensity type or the erosive force of the rainfall is＞1 000 MJ·mm/(h·hm2),and it mainly distributes in July. This research is conducive to study the erosive rainfall in the small watershed,and provides a reference for understanding the erosive rainfall in the northern rocky mountains.

small watershed;erosive rainfall;erosive rainfall standard;rainfall intensity;rainfall erosion force

S157.1

:A

:2096-2673(2017)01-0128-06

10.16843/j.sswc.2017.01.016

2016- 04- 06

2017- 02- 05

項(xiàng)目名稱:全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目藥鄉(xiāng)小流域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(水保監(jiān)201505)

張興剛(1992—),男,碩士研究生。主要研究方向:水土保持監(jiān)測(cè)。E-mail:18805488623@sina.cn

?通信作者簡(jiǎn)介:張永濤(1972—),男,博士,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持監(jiān)測(cè)。E-mail:yongtaozhang@126.com