2011—2017年蘇北沿海侵蝕性降雨特征研究

陳 鳳， 張 華， 王俊逸， 潘德峰

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210037； 2.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017；3.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所， 江蘇 鹽城 224200)

水土流失是世界性的環(huán)境災(zāi)害問題之一，國內(nèi)外許多學(xué)者和專家對水土流失及其影響因子進行了大量、廣泛而較深入的觀測和研究[1-4]。土壤侵蝕是多種自然因素與社會因素共同作用的結(jié)果，降雨則是自然因素中導(dǎo)致土壤侵蝕的主要動力[5-6]。大量的觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在自然界中只有部分降雨事件發(fā)生真正意義上的土壤侵蝕，這一部分被稱為侵蝕性降雨[7]。Wischmeier等[8]利用全美徑流小區(qū)試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)雨量擬定出了適合美國的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為降雨量小于12.7 mm。江忠善等[9]對黃土高原地區(qū)的侵蝕性降雨進行了分析，建立了侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為降雨量大于10 mm，但沒有分析降雨事件的篩選精度。王萬忠、謝云、汪邦穩(wěn)等[10-12]研究了不同區(qū)域的侵蝕性降雨特征和土壤侵蝕特征侵蝕性降雨，提出了適合當(dāng)?shù)氐那治g性降雨量標(biāo)準(zhǔn)。侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的研究國內(nèi)外已做了大量工作[13-17]，但由于氣候條件和土壤條件的差異，各地的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，涉及沿海地區(qū)降雨侵蝕力的研究還不多。筆者基于鹽城東臺市2011—2017年的觀測數(shù)據(jù)和降雨資料，通過采用RUSLE中的降雨侵蝕公式計算該區(qū)域降雨侵蝕，探討侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)及年際內(nèi)分布特征，以期為類似地區(qū)水土流失治理和水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，為水土流失預(yù)測、水土保持、生態(tài)環(huán)境保護以及災(zāi)害防治等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在江蘇省東臺市，北緯32°33′～32°57′，東經(jīng)120°07′～120°53′，處于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，年平均氣溫14.5°C。主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)和西北風(fēng)，年平均風(fēng)速3.3 m/s。年平均日照時數(shù)2 231.9 h。年平均降雨量1 065.2 mm，最大年降雨量1 978.2 mm(1991年)，最小年降雨量462.3 mm(1978年)；汛期平均降雨量為733.4 mm，汛期最大降雨量1 294.1 mm，汛期最小降雨量為218.5 mm。汛期和非汛期雨量懸殊較大，容易形成旱澇災(zāi)害。

江蘇東臺地區(qū)屬于蘇北沿海淤積質(zhì)砂土區(qū)，野外徑流小區(qū)設(shè)立在距離海邊20 km的華丿鎮(zhèn)，土質(zhì)以砂土、砂壤土為主，土壤容重是1.21～1.31 g/cm3。徑流小區(qū)設(shè)在東臺河北岸的清坎上，共有7個徑流小區(qū)，包括3個標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)和4個微型小區(qū)。根據(jù)《水土保持試驗規(guī)程》(SL419—2007)及徑流小區(qū)試驗研究[18-24]，沿徑流小區(qū)四周設(shè)有楔形保護墻,下部設(shè)有集流槽，集流槽下端接集水池。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文于2015—2017年的在蘇北沿海東臺市開展了自然降雨條件下野外徑流小區(qū)試驗。主要觀測指標(biāo)及方法：土壤容重采用環(huán)刀法；土壤結(jié)構(gòu)顆粒級配采用比重計法；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤鹽分采用ProCheck手持式多功能讀表/數(shù)采儀器，同時取表層0～10 cm土壤使用水土比5：1電導(dǎo)法校核(每月測定1次)；土壤含水率：每周測定1次(土壤水分測定儀)，降雨后加測；降雨徑流結(jié)束后，測量徑流量和泥沙量[17]。本文氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得。

1.3 分析方法

本文采用RUSLE中的參數(shù)計算方法計算降雨侵蝕力。RUSLE 模型是在美國通用土壤流失模型USLE的基礎(chǔ)上建立起來的，是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的土壤侵蝕預(yù)測模型之一[15-21]。RUSLE是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，參?shù)涵蓋了主要的土壤侵蝕影響因子(公式(1))。

A=RKLSCP

(1)

式中：A為年均土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長坡度因子，L為坡長因子，S為坡度因子；C為覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

降雨侵蝕力因子R采用經(jīng)典的指標(biāo)[25-27]，

R=EI30

(2)

(3)

er=0.29[1-0.72exp(-0.05ir)]

(4)

式中：E為次降雨動能；er為時段單位降雨動能；Pr為與er對應(yīng)的時段雨量；ir為降雨強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2015—2017年3年降雨過程資料和侵蝕資料，對降雨過程資料進行次降雨資料整理，共有大小降雨258次，降雨次數(shù)統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)為降雨間隔時間6h之內(nèi)的算作同一次降雨事件。通過公式(2)、(3)和(4)計算降雨侵蝕力，得出的結(jié)果為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的雨量標(biāo)準(zhǔn)為10.8 mm，侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的最大30 min雨強標(biāo)準(zhǔn)為7.6 mm/h。

2.2 侵蝕性降雨年際分布特征

侵蝕性降雨的年際分布是土壤侵蝕情況年際分布的重要影響因子，對進一步分析土壤侵蝕有重要意義。根據(jù)2.1得出的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，篩選出侵蝕性降雨，進一步分析侵蝕性降雨的年際分布特征[28]。

本文對2011—2017年的降雨資料(中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供)進行篩選，發(fā)生侵蝕的降雨事件共計264場(降雨次數(shù)及雨量具體數(shù)據(jù)見表1)。

表1 侵蝕性降雨情況與全年降雨情況比較

2011—2017年的年平均侵蝕性降雨場次為37.7場，年平均侵蝕性降雨量為1 082.0 mm。由表1得知2016年侵蝕性降雨量最大，占總侵蝕性降雨量的21.9%，2017年侵蝕性降雨量最小，占總侵蝕性降雨量的8.3%。發(fā)現(xiàn)年侵蝕性降雨場次占年降雨場次的百分比為37.0%～65.4%，變異系數(shù)為0.17，平均占比51.6%，年侵蝕性降雨量占年降雨量的百分比為84.3%～93.4%，變異系數(shù)為0.03，平均占比為90.6%，說明年侵蝕性降雨量占比變化幅度小，占比數(shù)值較穩(wěn)定，同時從多年均值來看51.6%的降雨場次產(chǎn)生了90.6%的降雨量。

研究區(qū)侵蝕性降雨場次和侵蝕性降雨量年際變化大，年最大侵蝕性降雨場次與年最小侵蝕性降雨場次相差19場，年最大侵蝕性降雨場次約為年最小侵蝕性降雨場次的1.70倍，年最大侵蝕性降雨場次約為年平均侵蝕性降雨場次的1.22倍，年際變異系數(shù)Cv=0.16；年最大侵蝕性降雨量與年最小侵蝕性降雨量相差910.4 mm，年最大侵蝕性降雨量約為年最小侵蝕性降雨量的2.63倍，年最大侵蝕性降雨量約為年平均侵蝕性降雨量的1.53倍，年際變異系數(shù)Cv=0.36。

2.3 侵蝕性降雨年內(nèi)分布特征

侵蝕性降雨年內(nèi)分布直接影響土壤侵蝕的年內(nèi)分布，具有重要意義[28-30]。侵蝕性降雨量與場次變化情況如圖1所示。降雨場次與雨量集中于5～10月，且降雨強度明顯高于其它月份。侵蝕性降雨每月都會發(fā)生，月平均場次為22場，1月與 2月是發(fā)生場次最少的月份，7年數(shù)據(jù)總體來看分別發(fā)生了9場侵蝕性降雨，7月發(fā)生場次最多，7年數(shù)據(jù)總體來看達到了47場，5～10月是降雨場次最集中的時期，這一時期的侵蝕性降雨場次達到總場次的67.8%。每年平均月度發(fā)生1.29場侵蝕性降雨，7月每年平均發(fā)生6.71場侵蝕性降雨，為發(fā)生侵蝕性降雨最多的月份。

侵蝕性降雨量的變化趨勢和侵蝕性降雨場次的變化趨勢不完全一致，侵蝕性降雨量的特征曲線呈單峰型，1～7月呈上升趨勢，7～12月呈下降趨勢，侵蝕性降雨量的最大值出現(xiàn)在7月份，侵蝕性降雨場次的特征曲線有3個峰值，最大值也出現(xiàn)在7月份。通過比較侵蝕性降雨量的變化趨勢和侵蝕性降雨場次的變化趨勢可知，侵蝕性降雨量和侵蝕性降雨場次之間沒有必然的聯(lián)系。

月平均侵蝕性降雨量為631.1 mm，侵蝕性降雨量的極值出現(xiàn)在7月份，月侵蝕性降雨量達到了1 879.9 mm，1月份侵蝕性降雨量最小，僅有118.0 mm，月降雨量變異系數(shù)Cv=0.85，汛期(5～10月)的累加侵蝕性降雨量達到總侵蝕性降雨量的81.1%，是侵蝕性降雨量最集中的時期。非汛期(11～4月)的侵蝕性降雨場次和侵蝕性降雨量明顯低于汛期場次和降雨量。汛期中7月和8月的侵蝕性降雨平均雨強明顯高于其它月份，其平均降雨強度的最大值同樣出現(xiàn)在7月，與降雨場次和侵蝕性降雨量的極值出現(xiàn)在同一月份，達到了4.90 mm/h，最小值為1月份的1.52 mm/h。汛期侵蝕性降雨量變化幅度大，而非汛期侵蝕性降雨量變化幅度小，相對穩(wěn)定。這是由于受當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯挠绊?，?dāng)?shù)叵募救菀装l(fā)生大暴雨，可能造成大量土壤侵蝕。

圖1 侵蝕性降雨量和侵蝕性降雨場次年內(nèi)變化

2.4 侵蝕性降雨的雨量等級分析

雨量等級按照24 h降雨量的不同，可以劃分為小雨(24 h降雨量小于10 mm)、中雨(24 h降雨量10～24.9 mm)、大雨(24 h降雨量25～49.9 mm)、暴雨(24 h降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(24 h降雨量100～249.9 mm)、特大暴雨(24 h降雨量大于等于250 mm)。侵蝕性降雨事件的雨量等級分布見圖2。

根據(jù)2011—2017年的264場侵蝕性降雨的降雨過程資料，小雨事件50場，占18.9%，中雨事件116場，占43.9%，大雨事件58場，占22.0%，暴雨事件33場，占12.5%，大暴雨事件6場，占2.3%，特大暴雨1場，占0.4%?？梢娗治g性降雨事件最多的是中雨事件，中雨及以上的降雨事件占了總降雨事件的81.1%。進一步分析不同雨量事件的降雨強度，小雨平均降雨強度為3.73 mm/h，中雨平均降雨強度為1.84 mm/h，大雨平均降雨強度為2.93 mm/h，暴雨平均降雨強度為5.05 mm/h，大暴雨平均降雨強度為8.89 mm/h，特大暴雨平均降雨強度為8.36 mm/h。小雨事件的平均雨強超過了中雨事件和大雨事件，這是由于小雨雖然降雨量小，但是降雨歷時短，導(dǎo)致降雨強度反而比中雨和大雨大，可見即使是小雨也不應(yīng)忽視其對土壤侵蝕的影響。

2.5 侵蝕性降雨歷時分布特征

降雨歷時是重要的降雨特征，侵蝕性降雨的降雨歷時對分析土壤侵蝕規(guī)律與侵蝕性降雨之間的關(guān)系具有重要意義。2011—2017年的侵蝕性降雨資料顯示發(fā)生的侵蝕性降雨歷時在0.25-67.83 h之間，將其分為12種不同的降雨歷時，分別為降雨歷時≤2 h、2 h<降雨歷時≤4 h、4 h<降雨歷時≤6 h、6 h<降雨歷時≤8 h、8 h<降雨歷時≤10 h、10 h<降雨歷時≤12 h、12 h<降雨歷時≤14 h、14 h<降雨歷時≤18 h、18 h<降雨歷時≤24 h、24 h<降雨歷時≤36 h、降雨歷時>48 h。

降雨歷時≤2 h的場次最多，占總場次的21.6%，降雨歷時>48 h的場次最少且占比僅為0.4%，降雨歷時≤24h的場次占總場次的94.3%，可以得出侵蝕性降雨的降雨歷時一般不會超過24 h。4 h<降雨歷時≤6 h、6 h<降雨歷時≤8 h、8 h<降雨歷時≤10 h這3種降雨歷時的場次占比接近，差異不明顯，但其平均降雨強度仍然呈減小的趨勢。進一步分析這12種降雨歷時的平均降雨強度，平均降雨強度隨著降雨歷時的增加總體呈減小的趨勢，降雨歷時≤2 h的雨強最大，達到了15.17 mm/h，降雨歷時>48h的雨強最小，為1.55 mm/h，降雨歷時≤2h的雨強約為降雨歷時>48 h的雨強的9.8倍，相差很大?？偟脕砜唇涤隁v時與平均降雨強度之間呈反比例關(guān)系，應(yīng)重視短時侵蝕性降雨發(fā)生時的土壤侵蝕防護工作。

3 結(jié) 論

本文在2015—2017年的野外現(xiàn)場觀測降雨和侵蝕資料基礎(chǔ)上得出蘇北沿海圍墾區(qū)的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為降水量達到10.8 mm或者最大30 min雨強達到7.6 mm/h。根據(jù)得到的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)對2011—2017年的降雨資料進行了篩選并分析，得到如下結(jié)論：

圖2 侵蝕性降雨事件雨量等級分布

圖3 侵蝕性降雨歷時場次和平均雨強變化

(1)侵蝕性降雨場次年際變異系數(shù)Cv=0.16，侵蝕性降雨的降雨量年際變異系數(shù)Cv=0.36，侵蝕性降雨場次占總降雨場次的51.6%，侵蝕性降雨量卻占總降雨量的90.6%。

(2)年內(nèi)侵蝕性降雨分布不均勻，其特征曲線呈單峰型，1～7月呈上升趨勢，7～12月呈下降趨勢。月侵蝕性降雨量最大值為7月的1 879.9 mm，月侵蝕性降雨量最小值為1月的118.0 mm，月降雨量變異系數(shù)Cv=0.85。汛期(5～10月)侵蝕性降雨量達到總侵蝕性降雨量的81.1%。月侵蝕性降雨的平均降雨強度最大值和月侵蝕性降雨的雨量最大值均出現(xiàn)在7月。汛期容易發(fā)生土壤侵蝕，其中7月極有可能發(fā)生大量土壤侵蝕。

(3)侵蝕性降雨的降雨歷時一般小于24 h，且降雨歷時越短平均雨強越大，小雨平均雨強超過了中雨和大雨，因此短歷時高雨強的小雨也應(yīng)引起我們的重視，它對土壤侵蝕影響不容忽視。暴雨即暴雨以上降雨事件雨強很大，應(yīng)積極防治它們造成的土壤侵蝕。