三峽庫區(qū)紫色小流域侵蝕性降雨特征

付友行，廖曉勇

(1.中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

【研究意義】降雨尤其是侵蝕性降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的原始動(dòng)力之一[1]，其空間異質(zhì)性和時(shí)間不均衡性對(duì)土壤侵蝕有著重要的影響，認(rèn)識(shí)降雨時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估與預(yù)報(bào)土壤流失、合理配置水土保持措施具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前關(guān)于小流域侵蝕性降雨特征的研究，一是基于小流域單一雨量站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)[2-6]，二是利用小流域所在市縣氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)[7-9]，但上述降雨資料均不能詳實(shí)地刻畫小流域內(nèi)部侵蝕性降雨特征，尤其是在支溝發(fā)育的紫色山丘區(qū)小流域。【本研究切入點(diǎn)】本文以三峽庫區(qū)陳家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用小流域內(nèi)4條支溝雨量站點(diǎn)2016-2017年逐日雨量資料，采用K-Mean Cluster樣品聚類方法以及多種降雨特征指標(biāo)，探討分析了小流域內(nèi)侵蝕性降雨的類別、時(shí)空分配及變化特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期為定量評(píng)價(jià)三峽庫區(qū)紫色小流域水土流失提供重要背景參數(shù)，為合理制定水土流失防治對(duì)策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文選擇三峽庫區(qū)中部的萬州區(qū)長嶺鎮(zhèn)陳家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，其地處川東平行嶺谷區(qū)，位于長江左岸一級(jí)支流五橋河流域內(nèi)(圖1)，地理坐標(biāo)30°43′30″～30°46′20″N、108°29′40″～108°31′40″E，面積8.32 km2，地勢(shì)南高北低，海拔265～846 m，地貌以低山、丘陵為主，支溝發(fā)育，出露侏羅系沙溪廟組、蓬萊鎮(zhèn)組紫色地層，土壤以灰棕紫泥和棕紫泥紫色土為主；氣候?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年均氣溫14～19 ℃，年降水量1000～1350 mm，年均日照時(shí)數(shù)1300～1600 h；地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，原生植被破壞殆盡，現(xiàn)有植被以次生林被和灌叢草被為主。

陳家溝小流域?yàn)橹锌圃喝f州生態(tài)站的水土保持監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)，小流域內(nèi)建設(shè)有完善的水土流失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在其中的楊家溝、戴家溝、黑溝嶺、喬家1號(hào)等4條支溝分別布設(shè)有雨量自動(dòng)觀測(cè)站(圖1、表1)，采用自計(jì)雨量計(jì)(JDZ02-1型)自動(dòng)監(jiān)測(cè)小流域降雨過程。

表1 雨量觀測(cè)站概況Table 1 Overview of rainfall observation station

2 數(shù)據(jù)獲取及處理

本文所采用的數(shù)據(jù)資料為陳家溝小流域4個(gè)支溝雨量觀測(cè)站2016-2017年逐日降雨數(shù)據(jù)。資料整理中，次降雨定義為1次降雨過程中，降雨間歇時(shí)間在6 h以下或連續(xù)6 h降雨量大于1.2 mm的視為1次降雨事件[10]；侵蝕性降雨根據(jù)史冬梅等在三峽庫區(qū)的模擬降雨實(shí)驗(yàn)和分析[2]，選取次降雨量不低于10 mm的降雨作為陳家溝小流域的侵蝕性降雨。

本文以侵蝕性降雨雨量、降雨歷時(shí)、最大30 min降雨強(qiáng)度作為變量，降雨事件作為標(biāo)記，利用K-Mean Cluster聚類方法[11-12]，將2016-2017年陳家溝小流域所有侵蝕性降雨進(jìn)行雨情分類，并采用侵蝕性降雨量(ER)、降雨歷時(shí)(D)、降雨次數(shù)(F)、最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)、降雨侵蝕力(R)、降雨不均勻系數(shù)(c.v.)等指標(biāo)來分析陳家溝小流域侵蝕性降雨特征。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Map of the locations of study area

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域侵蝕性降雨雨情特征

從陳家溝小流域不同侵蝕性降雨雨情特征來看(表2)，第Ⅲ類雨情在各支溝出現(xiàn)次數(shù)最少(1～2次)，但平均降雨侵蝕力值最高，遠(yuǎn)大于其它兩類雨情下的平均降雨侵蝕力值，這主要是由于其平均雨量、平均最大I30、降雨歷時(shí)均大于其它兩類雨情，由此可見，陳家溝小流域每年出現(xiàn)長歷時(shí)、高強(qiáng)度、大雨量的降雨次數(shù)雖少，但引起強(qiáng)烈土壤侵蝕的潛在能力大。第Ⅱ類雨情在各支溝出現(xiàn)次數(shù)最多(44～55次)，占年侵蝕性降雨總次數(shù)的75 %以上，但由于其平均雨量、平均最大I30都遠(yuǎn)低于其他兩種雨情下的相應(yīng)值，因此其平均降雨侵蝕力值卻最低，由于第Ⅱ類雨情在各支溝頻繁出現(xiàn)，而且集中在汛期(5-9月)，尤其容易出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)連續(xù)降雨的情形，其引起嚴(yán)重水土流失的潛在能力也不容忽視。第Ⅰ類雨情的平均雨量、平均最大I30及出現(xiàn)次數(shù)均介于第Ⅱ類和第Ⅲ類雨情之間，由于該雨情下侵蝕性降雨出現(xiàn)次數(shù)是第Ⅲ類雨情下的3～12倍，平均雨量和平均最大I30超過第Ⅱ類雨情下相應(yīng)值的3倍，導(dǎo)致該雨情下侵蝕性降雨總侵蝕力值高于其它兩類雨情。

從陳家溝小流域各支溝的侵蝕性降雨雨情特征來看(表3)，以第II類雨情出現(xiàn)次數(shù)最多，第I類雨情其次，第III類雨情最少。各支溝在3類雨情下的平均最大I30、平均降雨侵蝕力值各有不同，總體來看，戴家溝的平均最大I30、平均降雨侵蝕力值在3類雨情下均遠(yuǎn)高于其他支溝的相應(yīng)值，具有最大的潛在土壤侵蝕能力；黑溝嶺、楊家溝其次；喬家1號(hào)最低，說明無論從降雨量還是降雨強(qiáng)度指標(biāo)來看，其侵蝕性降雨在陳家溝小流域內(nèi)偏弱，相對(duì)來說其潛在的土壤侵蝕能力就最小。

各支溝在3類雨情下侵蝕性降雨指標(biāo)的c.v.值均介于0.29～0.80，屬于中等變異，說明陳家溝小流域內(nèi)侵蝕性降雨量、降雨強(qiáng)度以及降雨歷時(shí)的空間變異程度較大。同時(shí)可見，第II類雨情下降雨強(qiáng)度和降雨量比第I類雨情下的變化大，在同一雨情下降雨特征指標(biāo)的變異程度均為：平均降雨歷時(shí)>平均最大I30>平均侵蝕性降雨量。

3.2 小流域侵蝕性降雨年內(nèi)變化特征

從陳家溝小流域各支溝侵蝕性降雨次數(shù)在年內(nèi)變化來看，呈明顯的雙峰型分布特征(圖2)，2016年峰值分別出現(xiàn)在5和8月，2017年則分別出現(xiàn)在6月和9月，5-9月侵蝕性降雨次數(shù)占到全年侵蝕性降雨次數(shù)的75 %以上。2016-2017年各支溝侵蝕性降雨出現(xiàn)總次數(shù)不同，其中楊家溝侵蝕性降雨出現(xiàn)總次數(shù)最多，為63次，戴家溝、喬家1號(hào)其次，分別為58、57次，黑溝嶺最少，為54次。

陳家溝小流域各支溝侵蝕性降雨雨量在年內(nèi)分配也呈明顯的雙峰型分布特征(圖3)，2016年峰值分別出現(xiàn)在6和9月，2017年則分別出現(xiàn)在6和8月，與侵蝕性降雨次數(shù)峰值在年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間不同步，這主要是由于次降雨雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)不同而導(dǎo)致。各支溝月侵蝕性降雨量超過月平均侵蝕性降雨量的月份集中在5-9月，侵蝕性降雨量高度集中，5-9月累積侵蝕性雨量占全年侵蝕性雨量的82 %以上，其中2016年為86.86 %～92.19 %、2017年為82.42 %～89.98 %。各支溝全年侵蝕性降雨雨量以戴家溝最大(表2)，2016-2017年侵蝕性降雨雨量分別為1109.4、854.4 mm，黑溝嶺、楊家溝其次，喬家1號(hào)最少。

表2 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨事件聚類結(jié)果Table 2 K-Mean clustering results of all the erosive rainfall events of Chenjiagou basin in 2016 and 2017

注：c.v.表示各支溝在不同雨情下降雨歷時(shí)(D)、最大30 min雨強(qiáng)(I30)和侵蝕性雨量(ER)各自的變異系數(shù)。

圖2 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨次數(shù)年內(nèi)分布Fig.2 The seasonal distributions of erosive rainfall frequencies of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

與史冬梅等在三峽庫區(qū)涪陵區(qū)開展的試驗(yàn)研究結(jié)果相比較，涪陵區(qū)侵蝕性降雨次數(shù)在年內(nèi)也呈現(xiàn)出雙峰型分布特征[2]，2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在5月和9月，與本研究差異不大；但多年平均侵蝕性降雨量在年內(nèi)分布呈現(xiàn)單峰型，峰值出現(xiàn)在6月，8-9月的侵蝕性降雨量低于5-7月，與本研究結(jié)果差異較大，這可能是由于三峽庫區(qū)地形復(fù)雜，地貌以山地、丘陵為主，不同地區(qū)海拔、山丘走向等地形因子有異而導(dǎo)致區(qū)域性降雨出現(xiàn)較大差異。

圖3 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨雨量年內(nèi)分配Fig.3 The seasonal distributions of erosive rainfall of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

表3 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨特征Table 3 Characteristics of erosive rainfall of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

4 結(jié) 論

(1)陳家溝小流域內(nèi)侵蝕性降雨主要有3類雨情。第Ⅲ類雨情下侵蝕性降雨次數(shù)少，但其平均降雨侵蝕力最大，引起強(qiáng)烈土壤侵蝕的潛在能力大；第Ⅱ類雨情下平均降雨侵蝕力最低，但其侵蝕性降雨次數(shù)最多，且集中在汛期，容易出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)連續(xù)降雨的情形，其引起嚴(yán)重水土流失的潛在能力也不容忽視；第Ⅰ類雨情下侵蝕性降雨次數(shù)、平均雨量及平均最大及都介于第Ⅱ類雨情和第Ⅲ類雨情，但侵蝕性降雨總侵蝕力值高于其它兩類雨情。

(2)陳家溝小流域內(nèi)侵蝕性降雨雨量、降雨強(qiáng)度以及降雨歷時(shí)的空間變異程度較大，侵蝕性降雨量在年內(nèi)呈明顯的雙峰型分布，5-9月是降雨集中期，無論在量上還是強(qiáng)度上都處于比較高的水平，容易出現(xiàn)強(qiáng)烈的水土流失和嚴(yán)重的非點(diǎn)源污染，甚至引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，因此在該時(shí)段內(nèi)必須做好氣象預(yù)測(cè)工作，水利、水土保持工程設(shè)計(jì)必須充分考慮到該時(shí)段內(nèi)可能出現(xiàn)的次數(shù)極少的大暴雨以及連續(xù)出現(xiàn)暴雨的情形，應(yīng)盡量避免或減少該時(shí)段在小流域內(nèi)開展大規(guī)模的農(nóng)田改造和開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目等活動(dòng)。

(3)陳家溝小流域內(nèi)不同支溝侵蝕性降雨特征各異，總體上來看，侵蝕性降雨雨量、平均最大I30、平均降雨侵蝕力值具有如下趨勢(shì)：戴家溝>黑溝嶺>楊家溝>喬家1號(hào)，因此，在制定小流域水土流失防治對(duì)策時(shí)要因地制宜，充分考慮不同支溝侵蝕性降雨的差異性。