貴州常態(tài)地貌區(qū)降雨侵蝕特征分析
——以龍里縣羊雞沖小流域為例

李華林，高華端，趙柯蘇，高儒學(xué)，孫泉忠

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州 貴陽 550002)

貴州常態(tài)地貌區(qū)降雨侵蝕特征分析
——以龍里縣羊雞沖小流域為例

李華林1，高華端1，趙柯蘇1，高儒學(xué)1，孫泉忠2

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州 貴陽 550002)

降雨侵蝕力；分布特征；常態(tài)地貌區(qū)；羊雞沖小流域；貴州

為了解貴州常態(tài)地貌區(qū)降雨侵蝕力特征，以貴州省龍里縣羊雞沖小流域為研究區(qū)，根據(jù)小流域2009年6個標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的定位觀測資料，利用統(tǒng)計分析方法，確定研究區(qū)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)，估算降雨侵蝕力，分析其年內(nèi)分布規(guī)律及與侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：研究區(qū)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)為23.6 mm；出現(xiàn)侵蝕性降雨的5個月(4、5、6、7、9月)中，6月份降雨侵蝕力最大，為2 589.10 MJ·mm/(hm2·h)，侵蝕模數(shù)也最大，為5 606.4 t/(km2·a)，4月份降雨侵蝕力最小，為818.49 MJ·mm/(hm2·h)，侵蝕模數(shù)也最小，為2 277.6 t/(km2·a)；擬合侵蝕模數(shù)與次降雨量的關(guān)系曲線為y=1 377.6lnx-3 849.1 (R2=0.607 2)，兩者相關(guān)性顯著。

貴州省位于云貴高原東部，以高原山地為主，喀斯特地貌、丹霞地貌和常態(tài)地貌是貴州的三大地貌類型，其中喀斯特地貌最為發(fā)育，而常態(tài)地貌區(qū)約占全省總面積的23.6%，主要分布在黔東南的天柱、三穗、錦屏、臺江、劍河、黎平、雷山、榕江、從江等縣，以及銅仁地區(qū)的梵凈山和黔西南州的望謨和冊亨。貴州常態(tài)地貌區(qū)巖石主要由變質(zhì)巖或碎屑巖構(gòu)成，土壤較厚，植物生長條件好，但是由于位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，降雨集中且頻繁，加之人類生產(chǎn)破壞加劇，當(dāng)?shù)厮η治g問題越發(fā)突出?？紤]到貴州省水土流失研究是以喀斯特地貌區(qū)為主[1-4]，缺少常態(tài)地貌區(qū)的相關(guān)研究成果，尤其是對降雨特征、產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究，本研究選擇位于貴州常態(tài)地貌區(qū)的典型小流域——羊雞沖小流域為研究對象，采用野外徑流小區(qū)觀測法，收集降雨和徑流泥沙資料，對侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)、降雨侵蝕力和侵蝕模數(shù)進(jìn)行分析，揭示貴州常態(tài)地貌區(qū)降雨侵蝕特征，希望能為常態(tài)地貌區(qū)水土流失監(jiān)測、預(yù)防、治理等提供參考。

1 研究區(qū)概況

貴州省黔南州龍里縣羊雞沖監(jiān)測點(diǎn)距離貴陽市區(qū)35 km，地理位置位于E107°00′53″、N26°26′58″。監(jiān)測點(diǎn)所在羊雞沖小流域?qū)儆陂L江流域烏江水系，控制流域面積11.89 km2，土壤侵蝕面積7.41 km2；位于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量1 089 mm，多年平均氣溫14.8 ℃；主要植被類型為亞熱帶石灰?guī)r常綠落葉闊葉混交林；土壤類型主要有石灰土、黃壤、黃棕土和水稻土。監(jiān)測點(diǎn)由貴州省水土保持監(jiān)測中心始建于2004年，主要設(shè)施有坡面徑流小區(qū)18個(其中水保林小區(qū)6個、農(nóng)耕地小區(qū)2個、撂荒地小區(qū)2個、經(jīng)濟(jì)林小區(qū)6個、對照小區(qū)2個)、簡易氣象觀測場1個、控制站1個(控制流域面積2.84 km2)，主要監(jiān)測設(shè)備有自記雨量計、自記水位計、人工雨量器、電子天平、烘箱、燒杯、取樣瓶、漏斗、鋁盒，主要監(jiān)測降雨、徑流、泥沙等。

2 研究方法

采用自記雨量計記錄每場降雨的降雨量。地表產(chǎn)流后，收集徑流，記錄集流池中水位，再將池中泥水?dāng)嚢杈鶆?，取?00 mL，經(jīng)過濾烘干，測定其中泥沙含量。根據(jù)羊雞沖小流域2009年降雨資料，2009年共有降水66次，其中出現(xiàn)產(chǎn)流的侵蝕性降雨12次。本次試驗設(shè)置有農(nóng)耕地(種植玉米)、撂荒地(自然草地)、清除地表(對照)3類共6個小區(qū)，進(jìn)行野外調(diào)查，其中：1、2號標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)為農(nóng)耕地，種植玉米，連續(xù)耕作，植被覆蓋度為20%；3、4號標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)為撂荒地，坡耕地退耕5年后雜草和小灌木覆蓋全區(qū)，植被覆蓋度為70%；5、6號標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)為對照，每年割除雜草，植被覆蓋度小于5%。各小區(qū)基本情況見表1。根據(jù)監(jiān)測站的泥沙數(shù)據(jù)和降雨資料，對試驗觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，確定研究區(qū)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)，計算降雨侵蝕力和侵蝕模數(shù)，分析降雨侵蝕力與侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系，探求研究區(qū)降雨侵蝕力特征及分布規(guī)律。

表1 試驗小區(qū)基本情況

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)

貴州省降雨歷時較長、降雨多、雨量大，但常為綿綿細(xì)雨，侵蝕性降雨少，只有小部分降雨會產(chǎn)生地表徑流，從而導(dǎo)致土壤侵蝕，將這部分降雨定義為侵蝕性降雨[5]。在計算降雨侵蝕力時，應(yīng)將自然降雨場次里不會產(chǎn)生土壤侵蝕的降雨場次剔除，這樣有利于減少工作量，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。王萬中等[6]給出了4種侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，即基本雨量標(biāo)準(zhǔn)、一般雨量標(biāo)準(zhǔn)、瞬時雨率標(biāo)準(zhǔn)和暴雨標(biāo)準(zhǔn)。考慮到與土壤侵蝕的相關(guān)性，本研究選取基本雨量標(biāo)準(zhǔn)，即將侵蝕性降雨按雨量從大到小排序，將順序數(shù)與總次數(shù)之比等于80%時對應(yīng)的雨量作為侵蝕性降雨雨量。采用頻率分析法對羊雞沖小流域2009年12場侵蝕性降雨按照降雨量從大到小排序，根據(jù)WEIBULL經(jīng)驗公式[7-8]P=m/(n+1)×100%(其中：P為頻率；m為序號；n為序列總項數(shù))，以經(jīng)驗頻率為橫坐標(biāo)、降雨量為縱坐標(biāo)，建立經(jīng)驗頻率與降雨量的關(guān)系曲線y=224.44x-0.513(R2= 0.957 9)，見圖1。從曲線上查得當(dāng)P=80%時的降雨量，即研究區(qū)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)值為23.6 mm。

圖1 經(jīng)驗頻率與降雨量的關(guān)系曲線

3.2 降雨侵蝕力

年降雨侵蝕力等于一年內(nèi)所有侵蝕性降雨的降雨侵蝕力總和，多年平均降雨侵蝕力計算一般要求20年以上的資料。降雨侵蝕力一般包含動能和時段雨強(qiáng)等因子，采用降雨侵蝕力指標(biāo)計算侵蝕力，則必須有連續(xù)記錄的降雨過程線，而在實(shí)際研究中很多地區(qū)都缺少該類型資料，因此多采用簡易算法。目前我國建立的區(qū)域性降雨侵蝕力簡易算法也大多采用月降雨量或年降雨量數(shù)據(jù)[9]。根據(jù)2009年監(jiān)測點(diǎn)降雨資料，確定侵蝕性降雨為4月份3場、5月份3場、6月份2場、7月份3場、9月份1場，采用王萬中等[6]提出的中國降雨侵蝕力指標(biāo)EI30(E為降雨動能，I30為最大30 min雨強(qiáng))，得到12次降雨的降雨侵蝕力數(shù)值(表2)，按所屬月份進(jìn)行匯總，即得到月降雨侵蝕力。4、5、6、7、9月降雨侵蝕力分別為818.49、834.33、2 589.10、1 213.75、706.98 MJ·mm/(hm2·h)，侵蝕性降雨日數(shù)占年平均降雨日數(shù)的18.2%。

表2 研究區(qū)2009年次降雨侵蝕力統(tǒng)計

3.3 侵蝕模數(shù)

土壤侵蝕模數(shù)是衡量土壤侵蝕程度的一個量化指標(biāo)。利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，分別用一次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)、對數(shù)函數(shù)5種趨勢線對侵蝕模數(shù)與次降雨量進(jìn)行擬合，結(jié)果表明對數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)擬合效果較好。通常情況下，侵蝕量隨次降雨量的增大而增大，因此本研究選用對數(shù)函數(shù)(圖2)。每場降雨數(shù)據(jù)對應(yīng)6個標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)(同類型小區(qū)取平均值)。侵蝕模數(shù)與次降雨量的關(guān)系曲線為y=1 377.6lnx-3 849.1 (R2=0.607 2)，兩者相關(guān)性顯著。土壤侵蝕模數(shù)隨次降雨量變化呈對數(shù)變化，因此可利用測得的降雨數(shù)據(jù)推求徑流場沒有監(jiān)測的產(chǎn)沙量，即延長數(shù)據(jù)長度，推求不同降雨量下的侵蝕模數(shù)。

圖2 侵蝕模數(shù)與次降雨量的關(guān)系曲線

圖3為降雨侵蝕力、侵蝕模數(shù)年內(nèi)分布曲線。由圖3知，發(fā)生侵蝕性降雨的5個月中， 6月份侵蝕模數(shù)最大，為5 606.4 t/(km2·a)，4月份侵蝕模數(shù)最小，為2 277.6 t/(km2·a)。整體上，侵蝕模數(shù)與降雨侵蝕力呈正相關(guān)，即降雨侵蝕力數(shù)值越大，侵蝕模數(shù)就越大，就越容易產(chǎn)生土壤侵蝕。

圖3 侵蝕模數(shù)與降雨侵蝕力的年內(nèi)分布

4 結(jié) 論

(1)侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，微度降雨并不會導(dǎo)致土壤侵蝕，發(fā)生土壤侵蝕可能是受當(dāng)?shù)氐耐寥老聣|面狀況、降雨前土壤含水量、降雨強(qiáng)度，以及人為因素的影響。本次研究結(jié)果表明，羊雞沖小流域侵蝕性降雨量為23.6 mm，次降雨量大于該值才會產(chǎn)生土壤侵蝕。與全國其他地區(qū)相比，黃土高原地區(qū)侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)為9.9 mm，這與黃土抗沖蝕能力很差[10]有關(guān)；紫色土丘陵區(qū)侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)為11.3 mm，這是因為紫色土的母巖主要是紫色砂頁巖，組成物質(zhì)細(xì)碎，鹽類淋失慢，容易發(fā)生水土流失。

(2)降雨侵蝕力年內(nèi)分布。貴州地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，降雨量年內(nèi)變化較大。2009年龍里縣羊雞沖監(jiān)測站共發(fā)生降水66次，其中12次是侵蝕性降雨，占總降雨次數(shù)的18.2%。羊雞沖監(jiān)測點(diǎn)一年中4、5、6、7、9月降雨侵蝕力分別為818.49、834.33、2 589.10、1 213.75、706.98 MJ·mm/(hm2·h)。降雨量和降雨侵蝕力呈正相關(guān)，兩者的峰值都出現(xiàn)在6月份，整體變化趨勢是降雨侵蝕力隨降雨量的增大而增大，但是降雨量與降雨侵蝕力不是呈絕對的正比關(guān)系，這可能是因為降雨侵蝕力和降雨量的分布并不完全取決于研究區(qū)氣候和地形因素，而是受不同時期的降雨特性、雨量、雨強(qiáng)等因素影響。

(3)侵蝕模數(shù)分布特征。研究結(jié)果表明，羊雞沖監(jiān)測點(diǎn)次降雨侵蝕力與侵蝕模數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。發(fā)生侵蝕性降雨的5個月中，6月份侵蝕模數(shù)最大，為5 606.4 t/(km2·a)，4月份侵蝕模數(shù)最小，為2 277.6 t/(km2·a)。土壤侵蝕模數(shù)與次降雨量相關(guān)性顯著，關(guān)系式為y=1 377.6 lnx-3 849.1 (R2=0.607 2)。在小流域綜合治理中，水土保持工作人員應(yīng)充分重視每年4—7月坡耕地植被覆蓋情況，在侵蝕性降雨分布密集時期，采取具有較大地表覆蓋度和根系固土能力的植被措施，盡量避免邊坡開挖、取土、棄土、棄渣等活動，若無法避免則采取相應(yīng)的水土保持措施，以有效地減少水土流失。

需要說明的是，本次研究受到實(shí)際條件的限制，實(shí)測降雨資料只有1年，沒有20年以上的降雨觀測資料，未能做出降雨侵蝕力年際變化圖，無法驗證降雨量最大月份是否會隨年份不同而變化，不同年份的月侵蝕力是否有明顯不同等。今后應(yīng)擴(kuò)大研究尺度和增加研究時間序列，進(jìn)行水土流失動態(tài)監(jiān)測，為常態(tài)地貌區(qū)合理利用水土資源、改善生態(tài)環(huán)境和防治水土流失提供參考。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

貴州省專業(yè)學(xué)位研究生工作站項目(黔教研合JYSZ字〔2014〕003)；貴州省水利廳水利科技專項經(jīng)費(fèi)項目(KT201311)

S157

A

1000-0941(2017)05-0032-04

李華林(1992—)，男，貴州銅仁市人，碩士研究生，從事區(qū)域水土保持研究；通信作者高華端(1965—)，男，貴州貴陽市人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向為區(qū)域水土保持與環(huán)境科學(xué)。

2017-01-15