江西省中北部區(qū)域侵蝕性降雨特征及其降雨侵蝕力研究

呂祥云，萬小星，余 愨，何小武

（1.江西農(nóng)業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院，江西 南昌，330045；2.江西省水土保持監(jiān)督監(jiān)測站，江西 南昌，330009；3.江西省修水縣水土保持局，江西 修水，332400）

降雨是土壤發(fā)生水力侵蝕的主要驅(qū)動力，降雨侵蝕力用于表征降雨侵蝕土壤的潛在能力。在不同區(qū)域，不同等級降雨對降雨侵蝕力的貢獻不一致。二者相關(guān)關(guān)系對區(qū)域水土流失防治具有重要意義，成為研究熱點。在所有的降雨事件中，將能夠引起土壤發(fā)生侵蝕的降雨事件稱之為侵蝕性降雨。侵蝕性降雨的研究主要包括侵蝕性降雨量標準的擬定、侵蝕性降雨特征分析等。對于侵蝕性降雨量標準研究，Wischmeier等[1]擬定的美國侵蝕性降雨量標準為12.7mm，并運用于USLE和RUSLE模型中。謝云等[2]基于滿足侵蝕性降雨量標準的降雨事件的侵蝕力之和與實際降雨事件的侵蝕力之和相等或接近的原則，采用錯選率、剔除率等指標擬定的黃土高原侵蝕性降雨量標準為12.0mm。秦偉等[3]、汪邦穩(wěn)等[4]、鄭海金等[5]和馬良等[6]利用德安燕溝小流域徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)分析得出的贛北侵蝕性降雨量標準分別為 10.0mm、11.4mm、9.97mm和 11.2mm。由此可知，不同學者擬定的侵蝕性降雨量標準因地域、數(shù)據(jù)資料年限以及擬定方法不同而有所差異。對于侵蝕性降雨特征分析，目前主要集中在侵蝕性降雨發(fā)生頻率、雨量統(tǒng)計以及降雨侵蝕力分布特征等方面。張巖等[7]運用統(tǒng)計學原理分析黃土高原侵蝕性降雨發(fā)生頻率、次降雨量、次降雨侵蝕力等特征，發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)侵蝕性降雨發(fā)生頻率年均為7.0～13.4天，次降雨量均值為19.17～25.38mm，次降雨侵蝕力均值為288.1～625.0MJ·mm/（hm2·h）。張興剛等[8]研究發(fā)現(xiàn)山東省藥鄉(xiāng)小流域侵蝕性降雨多分布在中雨以上雨量等級，高降雨強度型降雨或降雨侵蝕力大于1000MJ·mm/（hm2·h）的降雨對造成嚴重土壤侵蝕具有極大貢獻。王改玲等[9]利用野外實測數(shù)據(jù)分析了晉北黃土區(qū)降雨特征與土壤侵蝕的關(guān)系，結(jié)果表明減輕大雨侵蝕的危害是水土流失防治的關(guān)鍵。顧璟冉等[10]利用徑流小區(qū)觀測法研究黔西高原侵蝕性降雨特征，得出中雨及以上或降雨侵蝕力大于500MJ·mm/（hm2·h）的降雨事件是產(chǎn)沙的主要動力。涂安國等[11]分析了不同等級侵蝕性降雨的發(fā)生頻率及其與土壤侵蝕的關(guān)系，對各等級侵蝕性降雨與降雨侵蝕力之間的關(guān)系尚不明確。

江西省受特定的氣候、地貌、人為活動的影響，造成該區(qū)域水土流失災害易發(fā)、多發(fā)的特點。本研究利用江西省水土保持監(jiān)測站次降雨資料，分析江西省中北部區(qū)域各等級侵蝕性降雨及其降雨侵蝕力特征，為該區(qū)域水土流失防治規(guī)劃、設計、決策等工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

江西省地處長江中下游南岸，內(nèi)有贛江、撫河、信江、饒河、修河五大河流和中國第一大淡水湖——鄱陽湖；全省東南西三面環(huán)山，地勢南高北低，以山地、丘陵為主。地帶性土壤以紅壤為主，約占全省總面積的64.78%[12]。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均氣溫約為16.3～17.5°C，年平均降水量為1 341～1 943mm。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究搜集清水橋小流域、中堡港小流域、燕溝小流域及老虎山小流域水土保持監(jiān)測站點多年的次降雨資料（表1），采用統(tǒng)計學方法，分析4站多年平均侵蝕性降雨場次、降雨量以及降雨侵蝕力，探索江西省中北部區(qū)域不同降雨等級的侵蝕性降雨、降雨侵蝕力特征及其季節(jié)分配。采用秦偉等[3]擬定的侵蝕性降雨量標準10mm，將次降雨劃分為非侵蝕性降雨和侵蝕性降雨，并與我國24h等級降雨劃分標準[13]結(jié)合，將侵蝕性次降雨劃分為中雨（10～25mm）、大雨（25～50mm）、暴雨（50～100mm）、大暴雨（>100mm）四個等級。按照氣象習慣劃分四季：春季為3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月，冬季為12月至翌年2月。

表1 水土保持監(jiān)測站點基本情況

2.2 降雨侵蝕力計算

次降雨侵蝕力計算如下：

式中：R為次降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h）；E為次降雨總動能，MJ/hm2；I30為次降雨的最大30min雨強，mm/h；Pr為每一時段降雨量，mm；er為每一時段的單位降雨動能，MJ/（hm2·mm）；ir為第r時段雨強，mm/h。

3 結(jié)果與分析

3.1 各等級侵蝕性降雨場次特征

江西省中北部區(qū)域年均侵蝕性降雨場次為39.2場。其中，各等級侵蝕性降雨場次如圖1所示。各等級降雨場次中，最多的為中雨19.8場，占所有侵蝕性降雨場次的50.53%，最少的為大暴雨1.9場，僅占4.91%?？傮w上降雨等級愈高，降雨場次愈少，說明降雨強度愈大，發(fā)生降雨次數(shù)愈少。中雨、大雨場次占總場次的80.27%，說明了區(qū)域內(nèi)的降雨發(fā)生主要以該二者為主。

圖1 各等級年均降雨場次

各等級侵蝕性降雨場次季節(jié)分配如圖2所示。春季侵蝕性降雨場次占比最大為39.58%，秋季占比最小為13.62%；侵蝕性降雨主要發(fā)生在春、夏兩季，占比為71.77%。在春季的侵蝕性降雨場次中，以中雨和大雨等級為主，兩者之和占整個春季侵蝕性降雨場次的82.88%，大暴雨場次僅占3.72%。夏季仍以中雨、大雨等級為主，但與春季相比下降了10.10%，相應增加了暴雨及以上等級的場次，尤其大暴雨場次為春季的2.6倍。在秋季，中雨的場次占比超過50%，大雨、暴雨占比分別為27.14%、19.29%，大暴雨則幾乎不發(fā)生，在觀測年限內(nèi)實際僅發(fā)生1次。冬季各等級降雨場次發(fā)生的規(guī)律與秋季類似，不同的是中雨的占比增加了13.36%。由此可看出秋冬季節(jié)總體上降雨場次少，且以中雨為主，大暴雨發(fā)生的機會極少。

圖2 各等級降雨場次季節(jié)分配

3.2 各等級侵蝕性降雨量特征

年均各等級侵蝕性降雨量分布如圖3所示。江西省中北部區(qū)域年均侵蝕性降雨量為1 403.7mm。其中，年均雨量最多的等級為大雨413.2mm，其后依次為暴雨387.0mm、中雨326.5mm、大暴雨277.0mm。前二者的雨量之和占總侵蝕性降雨量的57.00%，后二者之和占43.00%，說明從雨量來看，降雨以大雨和暴雨為主，但各等級間差異不大。等級降雨的雨量變化規(guī)律與場次變化并不一致，降雨場次最多的中雨雨量僅占總侵蝕性降雨量的23.26%，略高于大暴雨的19.73%。這說明等級雨量與降雨場次之間無相關(guān)關(guān)系。

圖3 各等級年均降雨量

春季和夏季是侵蝕性降雨量分布的主要季節(jié)，且二者之間差異不明顯（圖4）。兩季其侵蝕性雨量之和為1 089.8mm，占全年總量的77.64%；秋季和冬季各占10%左右。

圖4 各等級降雨量季節(jié)分配

春季的等級雨量分配中，中雨、大雨、暴雨、大暴雨分別占春季雨量的22.75%、37.80%、24.68%、14.77%，以大雨居多，中雨和暴雨差異不大，大暴雨占比最小。夏季中雨量和大雨量的占比較春季分別下降了4.81%、16.58%，暴雨量和大暴雨量則明顯增加，雨量占比已達到夏季侵蝕性雨量的60.83%。其中大暴雨量占夏季的33.35%，為夏季雨量占比最大。這說明夏季的侵蝕性降雨量以大暴雨和暴雨為主。秋季和冬季的中雨、大雨量之和超過50%，暴雨占據(jù)一定比例，但大暴雨量極少。這與秋冬季極少發(fā)生大暴雨事件相關(guān)。

3.3 各等級降雨侵蝕力特征

江西省中北部區(qū)域年均降雨侵蝕力為8 263.50 MJ·mm/（hm2·h），各等級年均降雨侵蝕力如圖5所示。隨著降雨等級的增大，降雨侵蝕力呈遞增趨勢。其中，雨量占比最多的大雨等級的降雨侵蝕力占比僅為25.18%，雨量占比最少的大暴雨等級的降雨侵蝕力占比為最大達33.56%。這是因為降雨侵蝕力不僅與降雨量相關(guān)，更重要的是與降雨強度密切相關(guān)。大暴雨均為短時間內(nèi)的大量降雨，降雨強度極大，顯示了極大的降雨侵蝕能力。因此，水土流失防治應更多重視大強度的降雨過程。

圖5 各等級年均降雨侵蝕力

各等級降雨侵蝕力季節(jié)分配如圖6所示。春、夏、秋、冬四季降雨侵蝕力分別為3 030.46、4 354.85、675.64、202.55MJ·mm/（hm2·h），分別占年總降雨侵蝕力的36.67%、52.70%、8.18%、2.45%。因此，春夏兩季是該區(qū)域水土流失防治的重要季節(jié)。

圖6 各等級降雨侵蝕力季節(jié)分配

春季各等級降雨的降雨侵蝕力占比分別為中雨11.53%、大雨32.66%、暴雨26.23%、大暴雨29.59%。大雨等級的降雨侵蝕力居多是由于該等級雨量最大導致的。大暴雨等級雨量占比雖少，但由于雨強極大導致其降雨侵蝕力占比僅略低于大雨等級。降雨場次最多的中雨的降雨侵蝕力占比最小，是由于其雨量和雨強均較小所致。大雨、暴雨、大暴雨的降雨侵蝕力相差不大，三者降雨侵蝕力之和占春季降雨侵蝕力的88.47%。夏季是一年中降雨侵蝕力值最大的季節(jié)，也是水土流失防治任務最嚴峻的季節(jié)。其各等級降雨的降雨侵蝕力占比規(guī)律為中雨＜大雨＜暴雨＜大暴雨，其中，大暴雨等級的降雨侵蝕力占比為41.83%，暴雨、大暴雨等級的降雨侵蝕力占比達到70%以上。因此，夏季尤其應注意對暴雨、大暴雨的水土流失防護。秋、冬季節(jié)的降雨侵蝕力以大雨、暴雨等級貢獻最多，但總降雨侵蝕力不大，僅占全年總降雨侵蝕力的10%左右。從降雨侵蝕力角度，只要對年均2～3次的大雨、暴雨進行防范，即可高效地做好秋冬季的水土流失防治。

4 結(jié)論

通過上述對江西省中北部區(qū)域的降雨及其降雨侵蝕力特征的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）江西省中北部區(qū)域侵蝕性降雨場次整體上以中雨、大雨為主；各季節(jié)中，春季降雨次數(shù)最多，其后依次為夏季、秋季和冬季；各等級降雨場次在各季節(jié)中排列均為中雨＞大雨＞暴雨＞大暴雨。

（2）江西省中北部區(qū)域年均侵蝕性降雨量為1 403.7mm；侵蝕性降雨主要發(fā)生在春夏兩季，春季以大雨、暴雨為主，夏季以暴雨、大暴雨為主。

（3）江西省中北部區(qū)域年均降雨侵蝕力為8 263.50 MJ·mm/（hm2·h），各等級降雨的降雨侵蝕力隨降雨等級增加呈遞增趨勢；90%左右的降雨侵蝕力主要分配在春、夏兩季，秋、冬季占比僅為10%左右。