成都市降雨量及降雨侵蝕力年內(nèi)分布特征研究

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學院 ，重慶 402160)

降雨侵蝕力因子反映雨滴擊濺所引起土壤侵蝕的潛在能力[1]，是導致水力侵蝕的主要驅(qū)動因子，也是通用土壤流失方程的重要因子[2]。大量學者對降雨侵蝕力特征進行了研究。章文波等[3]利用全國564個測站1971～1998年的逐日降雨資料，估算全國降雨侵蝕力，分析其空間分布特征。李鋼等[4]以浙江省1980～2009年逐日降雨資料為基礎(chǔ)，采用3種日降雨侵蝕力模型對降雨侵蝕力的年際變化、年內(nèi)分配以及空間分布的相似性方面進行對比研究。劉斌濤等[5]以西南山區(qū)129個氣象站逐日降雨量資料(1960～2009年)為基礎(chǔ)，計算各個氣象站的降雨侵蝕力，分析了西南山區(qū)降雨侵蝕力的時空分布特征。寧麗丹和石輝[6]利用修正的降雨侵蝕力計算模型，估算了西南地區(qū)的南寧、貴陽、重慶、昆明、成都5地1971～1973年降雨侵蝕力的季節(jié)變化特征。張照錄和薛重生[7]采用日降雨侵蝕力模型計算了湖北三峽庫區(qū)近10 a降雨侵蝕力變化特征，其數(shù)值在2 828～6 701 MJ·mm/(hm2·h)之間，降雨侵蝕力值的年內(nèi)分配并無明顯的差異。陳東東等[1]利用四川省147個氣象站1961～2012年的日降雨量數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力，分析四川省降雨侵蝕力的統(tǒng)計特征及時空分布。成都市所在的四川盆地是我國暴雨中心之一，降雨量較大且集中在6～9月，該區(qū)域土壤類型為紫色土，其結(jié)構(gòu)松散、黏結(jié)性差、易侵蝕，極易形成嚴重的水土流失[8-10]。劉斌濤等[10]利用四川省土壤流失方程對成都市土壤侵蝕狀況進行定量評價，認為成都市土壤侵蝕狀況總體上不嚴重，但土壤侵蝕對成都市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響嚴重。李詠紅等[11]利用土壤侵蝕、生境和酸雨3個生態(tài)環(huán)境因子評價成都市生態(tài)環(huán)境敏感性，結(jié)果表明成都市土壤侵蝕敏感性以不敏感和輕度敏感為主，占成都市土地面積的65.73%，高敏感和極敏感占13.78%。李昕翼等[12]研究了成都地區(qū)1960～2009年降雨資料的時空分布規(guī)律，降雨量呈現(xiàn)減小的變化趨勢，7月和8月的降雨量占全年降雨量的47%。盡管目前許多學者對成都市土壤侵蝕及降雨量時空分布進行研究，但關(guān)于該區(qū)域降雨侵蝕力年內(nèi)分布特征的研究較少。因此，開展該區(qū)域降雨侵蝕力的準確估算與土壤侵蝕評估十分必要?；诖耍疚囊猿啥际?991～2010年逐日降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析降雨量和降雨侵蝕力的分布特征，為該區(qū)域土壤侵蝕的定量預測、預報與評價提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

成都市位于四川盆地西部，102°54′E～104°53′E，30°05′N～31°26′N，境內(nèi)地勢平坦，地形地貌為平原、丘陵和山地，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫15.2℃，多年平均降水量1 093 mm，主要集中在夏季，多暴雨。該區(qū)土壤以水稻土、潮土、紫色土為主，地帶性植被為亞熱帶季風常綠闊葉林。成都市土地面積為12 122 km2，水力侵蝕面積為1 041.54 km2，其中輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積占水力侵蝕總面積的73.35%，19.83%，3.07%，1.89%，1.86%，平均土壤侵蝕模數(shù)為293.27 t/(km2·a)。成都市土壤侵蝕呈現(xiàn)“圈層狀”空間格局，從中心圈向外土壤侵蝕不斷加劇[10，13]。

1.2 研究方法

本研究涉及的數(shù)據(jù)與資料為1991～2010年20 a的逐日降雨數(shù)據(jù)，來自成都氣象站。在計算降雨侵蝕力前，首先要確定降雨侵蝕力計算模型和侵蝕性降雨的標準。目前，關(guān)于降雨侵蝕力計算模型有基于年降雨量、月降雨量和日降雨量3種，年或月降雨量資料雖然容易獲取，但計算結(jié)果偏差較大，日降雨量計算結(jié)果精度相對較高，能夠準確地反映降雨侵蝕力的分布特征[14]。我國關(guān)于侵蝕性降雨的標準受到研究區(qū)域的影響有所不同，主要有日降雨量不小于9.2，9.8，10.0，12.0，12.3，12.7，13.0 mm等多個標準，侵蝕性降雨標準的不同直接影響降雨侵蝕力的計算結(jié)果。李林育等[15]確定紫色丘陵區(qū)侵蝕性降雨的標準為11.3 mm，周大淜等[16]指出紫色丘陵區(qū)土壤抗蝕性優(yōu)于黃土地區(qū)、黑龍江及云南滇東北地區(qū)，侵蝕性降雨的標準要偏大。吳昌廣等[17]認為在基于日降雨量計算降雨侵蝕力時通常采用12.0 mm作為侵蝕性降雨標準。因此，本文研究將日降雨量不小于12.0 mm作為侵蝕性降雨，并按照公式(1)計算研究時段內(nèi)的降雨侵蝕力。

R=2.294 4P+0.066P2

(1)

式中，R為次降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；P為次降雨量，mm，P≥12.0 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量分布特征

由表1可知，成都市多年平均降雨量的最大值、最小值、平均值均呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢，為單峰式分布型，降雨量最大值出現(xiàn)在8月份，為245.79 mm，占全年降雨量的27.76%，最小值出現(xiàn)在12月份，為8.38 mm，占全年降雨量的0.95%；成都市多年平均降雨量峰值分布在6～9月份，分別為105.61，205.32，245.79，108.77 mm，占全年降雨量的75.18%。由多年平均降雨量的最大值與最小值的比值(最大值/最小值)可知，各個月份比值在2.98～30.13之間，平均為8.64，最大值出現(xiàn)在2月份，說明研究時段內(nèi)2月份成都市降雨量存在較大的波動，即年際變化明顯，降雨量分布不均勻；3～11月份降雨量的比值波動較小，在5.25上下波動，其離散程度較小，說明該時段多年降雨量分布較為均勻，無明顯波動。此外，成都市多年平均降雨天數(shù)的變化趨勢與多年平均降雨量相一致，即先增大再減小，6～9月降雨天數(shù)占全年的46.02%，其中最大值出現(xiàn)在8月份，為19.1 d。

表1 成都市多年平均降雨分布特征Tab.1 Distribution characteristics of annual mean rainfall in Chengdu

成都市降雨量主要集中在汛期(6～9月份)，暴雨頻繁，年均在2 d以上[10]。強降雨增加了雨滴的終點速度和打擊動能，降雨侵蝕力顯著增加，也加大了濺蝕發(fā)生的可能性。當降雨發(fā)生在植被覆蓋度較低的坡耕地或生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)時，會發(fā)生嚴重的水土流失，這不僅與紫色土易侵蝕的土壤特性有關(guān)，也與地表植被覆蓋度關(guān)系密切；同時，成都市特有的地形地貌加快了地表徑流的匯集，這也加大了土壤侵蝕發(fā)生速度和程度。當降雨發(fā)生在建筑物、瀝青、水泥馬路等人為地貌單元時，不透水地面會降低土壤水分入滲能力，造成城市內(nèi)澇問題，也減少水資源的補給。據(jù)成都市水資源公報顯示[18-20]，2012年和2015年成都市水資源總量相比2010年減少16.61%和32.57%，屬于水資源缺乏地區(qū)。

2.2 侵蝕性降雨分布特征

圖1為成都市多年侵蝕性降雨分布特征。由圖1可知，成都市多年平均侵蝕性降雨量先增大再減小，其變化特征與多年平均降雨量相一致，最大值為211.4 mm，出現(xiàn)在8月份，最小值為0，出現(xiàn)在1月份。從侵蝕性降雨量占多年平均降雨量和當月降雨量的比例可知，兩者的變化特征與侵蝕性降雨量一致，其中7，8月份侵蝕性降雨量為169.4 mm和211.4 mm，分別占多年平均降雨量的19.14%和23.89%，占當月降雨量的82.51%和86.01%，該時段侵蝕性降雨發(fā)生的程度和頻率較高，容易形成侵蝕性降雨，這與寧麗丹和石輝[6]的研究結(jié)果相一致。成都市發(fā)生侵蝕性降雨的天數(shù)先增大再減小，具有明顯的峰值，7，8月份發(fā)生侵蝕性降雨天數(shù)為7.8 d和5.1 d。從侵蝕性降雨天數(shù)占多年平均降雨天數(shù)和當月降雨天數(shù)的比例可知，7月份和8月份侵蝕性降雨天數(shù)占多年平均降雨天數(shù)的8.55%，占當月降雨天數(shù)的68.26%，三者具有較好的相關(guān)性。

圖1 成都市多年侵蝕性降雨分布特征Fig.1 Distribution characteristics of annual erosive rainfall in Chengdu

無論是侵蝕性降雨量還是侵蝕性降雨天數(shù)，均表現(xiàn)為8月份最大，7月份較大，1月份最小，說明7，8月份容易發(fā)生侵蝕性降雨，因此應加強該時段內(nèi)水土流失的防治，特別是生產(chǎn)建設(shè)項目的施工，在開挖、擾動和堆棄土體的情況下，由于植被覆蓋度和下墊面微地形地貌的改變，濺蝕、面蝕、溝蝕等水力侵蝕的侵蝕強度會有所增強，松散土體在地表徑流沖刷下極易發(fā)生水土流失，且其水土流失強度和程度會顯著增大。因此，生產(chǎn)建設(shè)項目應盡量避開土壤侵蝕高發(fā)期，同時加強該時段生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測、防治與監(jiān)督，以最大程度地降低該區(qū)域水土流失量，減小水土流失發(fā)生的可能性。

2.3 降雨侵蝕力分布特征

表2為成都市降雨侵蝕力分布特征。由表2可知，成都市降雨侵蝕力年內(nèi)分布呈單峰式分布型，主要集中在6～9月，這與李林育等[15]的研究結(jié)果相一致。成都市降雨侵蝕力7，8月份較大，其數(shù)值為1 000.65 MJ·mm/(hm2·h)和1 008.97 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的68.79%，最小值為0，出現(xiàn)在1月份。各月降雨侵蝕力占全年比例的變化規(guī)律與降雨侵蝕力年內(nèi)分布相一致，呈先增大后減小的變化趨勢，6，7，8，9月份降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的9.85%，34.25%，34.54%，10.98%。各月(1月份除外)降雨侵蝕力的變異系數(shù)在49.94%～300.00%之間，6～9月份為中等變異性，其余月份為強變異性，說明研究時段內(nèi)各月降雨侵蝕力波動程度大，變化顯著。成都市降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性分布特征，各個季節(jié)降雨侵蝕力(MJ·mm/(hm2·h))大小依次為夏季(2 297.46)>秋季(350.06)>春季(262.85)>冬季(11.20)。降雨侵蝕力主要集中在夏季，占全年的78.64%，說明夏季不僅降雨量大，降雨侵蝕力也較強。陳東東等[1]也得出了類似的結(jié)論。春季和冬季的降雨侵蝕力較小，所占比例也小，但降雨侵蝕力的變異系數(shù)較大，分別為90.30%和150.57%，達到中等變異或強變異性，說明冬季降雨侵蝕力變化十分明顯。

成都市的多年平均降雨侵蝕力為2 921.57 MJ·mm/(hm2·h)，最大值為3 833.17 MJ·mm/(hm2·h)，最小值為1 830.96 MJ·mm/(hm2·h)，最大值與最小值相差2 002.21 MJ·mm/(hm2·h)，最大值為最小值的2.09倍，變異系數(shù)為21.96%，屬于中等變異，說明成都市降雨侵蝕力年際變化顯著。采用回歸分析建立降雨侵蝕力與降雨量、降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的相關(guān)性方程(見圖2)。由圖2可知，降雨侵蝕力與降雨量、降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量均具有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，即降雨侵蝕力隨著多年平均降雨量和多年平均侵蝕性降雨量的增加而增大，其中降雨侵蝕力與降雨量回歸方程的決定系數(shù)為0.676 2，降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量回歸方程的決定系數(shù)為0.710 9，說明年降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的相關(guān)性更好，這與Lai等[21]研究結(jié)果相一致。

表2 成都市降雨侵蝕力分布特征Tab.2 Distribution characteristics of rainfall erosivity in Chengdu

圖2 降雨侵蝕力與降雨量和侵蝕性降雨量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between rainfall erosivity and rainfall and erosive rainfall

降雨侵蝕力是計算土壤流失量的重要指標參數(shù)，降雨侵蝕力越大，其造成的土壤流失量也越大。相關(guān)研究表明[15]，在未發(fā)生侵蝕性降雨時，盡管降雨次數(shù)較多，其土壤流失量也僅為總流失量的0.05%；而大于20 mm降雨量所導致的土壤流失量占總侵蝕量的96.75%，這說明土壤流失多發(fā)生在暴雨或大暴雨條件下，一次降雨就產(chǎn)生嚴重的土壤流失。

3 結(jié) 論

成都市多年平均降雨量年內(nèi)變化呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢，8月降雨量最大，為245.79 mm，占全年降雨量的27.76%；多年平均侵蝕性降雨量和侵蝕性降雨天數(shù)的變化趨勢與降雨量相一致，7，8月份侵蝕性降雨量占多年平均降雨量的43.03%，侵蝕性降雨天數(shù)占多年平均降雨天數(shù)的8.55%。多年平均降雨侵蝕力為2 921.57 MJ·mm/(hm2·h)，主要集中在6～9月，7，8月份為1 000.65 MJ·mm/(hm2·h) 和1 008.97 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的68.79%；降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性分布特征，依次為夏季>秋季>春季>冬季，夏季的降雨侵蝕力為2 297.46 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的78.64%；成都市降雨侵蝕力年際變化顯著，降雨侵蝕力與降雨量、降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量均具有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的相關(guān)性優(yōu)于降雨侵蝕力與降雨量的相關(guān)性。