連云港市黑林小流域降雨侵蝕力分布特征研究

陶淑蕓 王桂林

(江蘇省水文水資源勘測局連云港分局,江蘇 連云港 222004)

土壤侵蝕是地球環(huán)境與能量相互作用下的一種自然現(xiàn)象,引起土壤侵蝕的能量包括水力、風(fēng)力、凍融、重力等外營力,而降雨侵蝕力則反映了水力侵蝕的主要來源降雨對土壤侵蝕的潛在能力。降雨侵蝕力通常用R表示,是通用土壤流失方程USLE[1]和修正通用土壤流失方程[2]的主要計算指標之一。研究降雨侵蝕力分布特征,對流域土壤侵蝕監(jiān)測預(yù)報、制定合理的防治措施、農(nóng)業(yè)耕種和開發(fā)建設(shè)項目進度安排都具有重要意義。連云港市北部地區(qū)低山丘陵較多,土層淺薄,屬于北方土石山區(qū),水力侵蝕是該地區(qū)土壤侵蝕主要類型,開展降雨侵蝕力相關(guān)研究十分必要。目前,已有的研究大多集中在全國、大流域和省區(qū),關(guān)于小流域降雨侵蝕力研究較少[3-6]。因此,本文基于連云港市黑林小流域雨量站2013—2020年降雨量數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力,分析其變化規(guī)律和特征,為當?shù)厮亮魇ьA(yù)測與治理、生態(tài)環(huán)境保護以及水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

連云港市黑林小流域位于江蘇省和山東省交界處,沂蒙山余脈東南低山丘陵區(qū),屬于北方土石山區(qū)中的魯中南低山丘陵土壤保持區(qū)。該監(jiān)測點所處淮河流域,為溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)型氣候,夏秋季炎熱多雨,冬春季寒冷干燥,四季分明。當?shù)赝寥酪渣S黏土為主,砂壤土為輔,種植作物多為地瓜、花生、玉米、茶樹等經(jīng)濟作物和蘋果、藍莓等果樹;主要自然植被有松柏、楊樹等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

收集黑林小流域雨量站2013—2020年每場降雨的數(shù)據(jù),包括降雨量、降雨歷時等。該雨量站采用翻斗式遙測自記雨量計進行觀測,分辨率為0.5mm,采樣周期為5min。

2.2 計算方法

降雨侵蝕力R是降雨物理特征的函數(shù),采用RUSLE經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械慕?jīng)典參數(shù)計算方法[7],其公式為

式中:E是一次降雨的總動能,MJ/hm2;r=1,2,…,n,為一次降雨過程按雨強劃分的n個時段;I30為一次降雨過程中30min內(nèi)最大雨量,mm/h;Pr為第r時段雨量,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。

2.3 分析方法

對2013—2020年降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,計算其年內(nèi)和年際變化趨勢,分析當?shù)亟涤晏卣?識別8年間侵蝕性降雨場次并計算其降雨侵蝕力,分析其年內(nèi)和年際變化規(guī)律;分析每場降雨的雨量、雨強、歷時等參數(shù)與其降雨侵蝕力的相關(guān)性,進行k-均值聚類分析[8-9],識別侵蝕性降雨類型及其特點。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量時間變化

3.1.1 年內(nèi)變化

2013—2020年黑林小流域逐月降雨量分布情況見圖1。由圖1可知,降雨主要集中在汛期,5—9月降雨量達全年總降雨量的79%,7—8月降雨量占全年的51%,其中7月平均降雨量為237.3mm,占全年的28%,是降雨量最大的月份;8月平均降雨量為192.7mm,占全年的23%。表明黑林小流域降雨分布集中,季節(jié)性較為明顯,絕大部分降水發(fā)生在汛期,汛期是影響全年降雨和侵蝕的關(guān)鍵時期。

根據(jù)當?shù)亟涤昵治g特點,將降雨量大于12mm或產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨識別為侵蝕性降雨,黑林小流域降雨量和侵蝕性降雨量年內(nèi)分布曲線基本一致,均呈單峰型,見圖1。2013—2020年共發(fā)生侵蝕性降雨88次,主要集中在7—8月,占總次數(shù)的65%,其中7月發(fā)生侵蝕性降雨次數(shù)最多,為31次,占35%。侵蝕性降雨量占年總降雨量的57%,主要集中在汛期,其中7月平均侵蝕性降雨量最大,達180.8mm,占該月總降雨量的75%;8月侵蝕性降雨量占比最大,為77%。

圖1 2013—2020年黑林小流域月均降雨量及頻次分布

3.1.2 年際變化

黑林小流域2013—2020年降雨量年際變化情況見圖2,全年降雨量和汛期降雨量、侵蝕性雨量變化趨勢基本一致,其中全年降雨量與汛期降雨量呈很好的相關(guān)性(R2=0.9377),全年降雨量與侵蝕性降雨量也呈較好的相關(guān)性(R2=0.6779)。采用一元線性回歸模型分析降雨量年際變化趨勢,由回歸線的斜率進行判別,正斜率表明有增大趨勢,斜率越大表明增大趨勢越明顯。由圖2可知,年降雨量、汛期降雨量和侵蝕性雨量均呈增大趨勢,其中年降雨量和汛期降雨量增大趨勢較為一致,侵蝕性雨量增大趨勢較前兩者更為明顯。

黑林小流域年降雨量距平百分比和累積距平百分比情況,見圖3,將距平百分比進行劃分,絕對值在10%以內(nèi)的為平水年,10%～20%的為偏豐水年和偏枯水年,大于20%的為豐水年和枯水年。由圖3可知,2013—2020年共有2年為豐水年,1年為枯水年,3年為平水年,2年為偏枯水年,各種年型基本相當,豐枯交替波動,整體上基本穩(wěn)定。年降雨量的變差系數(shù)Cv為0.19,汛期降雨量的變差系數(shù)Cv為0.28,侵蝕性降雨量的變差系數(shù)Cv為0.33,表明汛期降雨量和侵蝕性降雨量年際差異更大。2013—2014年,流域內(nèi)年降雨量累積距平百分比為正值,表明該段時期內(nèi)流域降雨量總體高于多年平均,2015—2019年累積距平百分比不斷降低,表明這段時期內(nèi)降雨量總體少于多年平均,直至2020年再次上升,降雨波動明顯。

3.2 降雨侵蝕力時間變化

3.2.1 年內(nèi)變化

2013—2020年黑林小流域逐月降雨侵蝕力分布情況見圖4。由圖4可知,降雨侵蝕力主要集中在汛期,5—9月降雨侵蝕力達全年的98%,7—8月降雨侵蝕力占全年的77%。其中7月平均降雨侵蝕力為1867.0MJ·mm/(hm2·h),占全年的39%,是降雨侵蝕力最大的月份;8月平均降雨侵蝕力為1823.7MJ·mm/(hm2·h),占全年的38%,表明黑林小流域降雨侵蝕力分布非常集中,季節(jié)性十分明顯,絕大部分降雨侵蝕發(fā)生在汛期的7月、8月,汛期是影響全年降雨侵蝕的關(guān)鍵時期。據(jù)此可以將年內(nèi)降雨侵蝕力分為4個時期:7—8月為高峰期,6月和9月為中度期,4—5月和10—11月為低度期,12月至次年3月為無侵蝕期。當?shù)厮亮魇Х乐喂ぷ鲬?yīng)重點關(guān)注高峰期以及中度期的土壤侵蝕情況。

圖4 2013—2020年黑林小流域月均降雨侵蝕力變化情況

3.2.2 年際變化

黑林小流域降雨侵蝕力年際變化見圖5,呈逐年上升趨勢,且其增長趨勢較雨量趨勢更為明顯。降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)在2019年,為7407.43MJ·mm/(hm2·h),最小值出現(xiàn)在2014年,為1406.07MJ·mm/(hm2·h),最大值是最小值的5.3倍,變差系數(shù)為0.36,年際間差異大。當年總降雨量增加10%左右時,降雨侵蝕力增加2倍左右;當年總降雨量增加30%左右時,降雨侵蝕力增加3倍左右;當年總降雨量增加70%左右時,降雨侵蝕力增加4倍左右。年總降雨侵蝕力隨年總降雨量增加而增加,但增幅較降雨量大,表明降雨侵蝕力對降雨量變化的響應(yīng)十分敏感。

圖5 2013—2020年降雨侵蝕力過程線及年際變化趨勢

黑林小流域年降雨侵蝕力距平百分比和累積距平百分比情況見圖6。由圖6可知,黑林小流域距平百分比在-70%～55%之間波動,變幅較大,其中2013—2016年總體低于多年平均,2017—2020年高于多年平均,與年降雨量的豐枯分布不完全一致。2013—2016年流域內(nèi)降雨侵蝕力累積距平百分比逐年降低,表明該段時期內(nèi)流域降雨侵蝕力總體低于多年平均,2017—2020年累積距平百分比不斷升高,表明這段時期內(nèi)降雨侵蝕力總體高于多年平均。

圖6 年降雨侵蝕力距平及累積距平變化

3.3 降雨參數(shù)相關(guān)性分析

經(jīng)統(tǒng)計,2013—2020年黑林小流域共發(fā)生88場侵蝕性降雨,選取每場雨量、降雨歷時、I30和降雨侵蝕力4個參數(shù)進行皮爾遜相關(guān)性分析,見表1。由表1可知,降雨侵蝕力與雨量、I30在P＜0.01的水平上顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.747和0.780,說明雨量和雨強是影響降雨侵蝕力的重要因素,其中與雨強的相關(guān)性較雨量略大一些;雨量與I30、降雨歷時在P＜0.01的水平上顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.440和0.512,說明雨強和降雨歷時是影響雨量的重要因素,其中與降雨歷時的相關(guān)性較雨強大一些;I30與降雨歷時在P＜0.05的水平上顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.269,說明降雨歷時和雨強有一定的負相關(guān)性,一場降雨的歷時越長,其雨強越小。

表1 皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣

3.4 侵蝕性降雨聚類分析

根據(jù)降雨參數(shù)相關(guān)性分析,識別出雨量和雨強是影響降雨侵蝕力的主要因素,而每場降雨的雨量和雨強存在明顯差異,因此選取雨量、雨強以及降雨歷時參數(shù),采用k-均值聚類分析法對降雨進行分類,該算法在整個數(shù)組中選擇k個數(shù)據(jù)作為初始聚類中心,然后計算每個數(shù)據(jù)與初始中心的距離,并按距離的大小將數(shù)據(jù)分為k個聚類,并重新計算每個聚類內(nèi)所有數(shù)據(jù)的平均值,將其作為新的聚類中心,由此反復(fù)迭代,直至聚類中心穩(wěn)定[10]。

聚類分析結(jié)果見表2和圖7,侵蝕性降雨可分為3類,分別為Ⅰ雨型、Ⅱ雨型和Ⅲ雨型。Ⅰ雨型組中心雨量為62.8mm,中心I30為22.3mm/h,中心降雨歷時為1408min,中心降雨侵蝕力341.3MJ·mm/(hm2·h),為中雨量、小雨強、長歷時型降雨,其降雨侵蝕力為中度;Ⅱ雨型組中心雨量為29.3mm,中心I30為32.3mm/h,中心降雨歷時為329min,中降雨侵蝕力294.7MJ·mm/(hm2·h),為小雨量、中雨強、短歷時型降雨,其降雨侵蝕力為低度;Ⅲ雨型組中心雨量為112.2mm,中心I30為78.4mm/h,中心降雨歷時為815min,中心降雨侵蝕力2495.7MJ·mm/(hm2·h),為大雨量、大雨強、中歷時型降雨,其降雨侵蝕力為高度。

表2 侵蝕性降雨k-均值聚類分析結(jié)果

圖7 侵蝕性降雨k-均值聚類分析結(jié)果

不同雨型聚類分布特征見圖8。由圖8可知,3種降雨中,次降雨侵蝕力為低度的Ⅱ雨型發(fā)生頻率最高,占比65.9%;次降雨侵蝕力為高度的Ⅲ雨型發(fā)生頻次最低,占比5.7%;次降雨侵蝕力為中度的Ⅰ雨型介于兩類之間。Ⅲ雨型次降雨侵蝕力年內(nèi)分布為單峰型,峰值遠高于其他雨型,達到其他峰值的4倍左右,峰值出現(xiàn)在7—8月;Ⅰ雨型次降雨侵蝕力年內(nèi)分布為雙峰型,峰值出現(xiàn)在5月和8月,兩次峰值大小相近。3種降雨產(chǎn)生的總侵蝕力由高到低依次排序為Ⅱ雨型＞Ⅲ雨型＞Ⅰ雨型。最常見的Ⅱ雨型多發(fā)生在6—8月,其中7月最多,場次達22次,頻次占比達38%,雨量占比達40%,降雨侵蝕力占比達46%;次降雨侵蝕力最大的Ⅲ雨型多發(fā)生在7—8月,其中7月雨量占比最大,達47%,8月降雨侵蝕力占比最大,達46%。因此7—8月是水土流失需要高度關(guān)注的時期,Ⅱ雨型和Ⅲ雨型是土壤侵蝕需要高度關(guān)注的降雨類型。

圖8 不同雨型聚類分布特征

4 結(jié) 語

本文根據(jù)連云港市2013—2020年降雨資料,對該區(qū)域降雨侵蝕力進行分析。結(jié)果表明,雨量和雨強是影響降雨侵蝕力的重要因素,連云港市黑林小流域降雨量和降雨侵蝕力年際間豐枯交替波動,且呈增大趨勢,有水土流失加劇的風(fēng)險;2013—2020年共產(chǎn)生88場侵蝕性降雨,可分為3類,分別為Ⅰ雨型(中雨量、小雨強、長歷時)、Ⅱ雨型(小雨量、中雨強、短歷時)和Ⅲ雨型(大雨量、大雨強、中歷時),發(fā)生頻次排序為Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ,總侵蝕力排序為Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ;最常見的Ⅱ雨型多發(fā)生在6—8月,次降雨侵蝕力最大的Ⅲ雨型多發(fā)生在7—8月。因此建議當?shù)厮帘３止ぷ鲬?yīng)高度關(guān)注汛期,特別是7—8月水土流失高發(fā)風(fēng)險期,以及降雨侵蝕力較高的Ⅱ雨型、Ⅲ雨型,并根據(jù)降雨作出水土流失預(yù)測預(yù)警?！?/p>