譚順菊, 高華端, 代 裕, 楊光檄

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴定縣德新鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心， 貴州 貴定 551300； 3.貴州省水土保持監(jiān)測中心， 貴州 貴陽 550002)

黔中地區(qū)的侵蝕性次降雨特征

譚順菊1,2, 高華端1*, 代 裕1, 楊光檄3

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴定縣德新鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心， 貴州 貴定 551300； 3.貴州省水土保持監(jiān)測中心， 貴州 貴陽 550002)

為黔中地區(qū)的水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考，基于野外徑流小區(qū)實(shí)測降雨資料，選取降雨量、降雨歷時、平均雨強(qiáng)3個指標(biāo)，采用快速聚類、判別聚類和分位數(shù)取值相結(jié)合的方法，將侵蝕性次降雨劃分為A、B、C 3類雨型，研究黔中地區(qū)侵蝕性次降雨特征。結(jié)果表明：1) 黔中地區(qū)年均降雨量913.52 mm、年均侵蝕性降雨量493.17 mm，平均次侵蝕性降雨量26.42 mm。2) 侵蝕性降雨量在每年5月和9月最穩(wěn)定，在7月達(dá)最大值。3) 降雨次數(shù)和降雨量均呈夏季>春季>秋季>冬季的趨勢。降雨量在夏季年際間波動小，在春季和秋季年際間波動大。4) 3類雨型的侵蝕能力呈 A雨型(大雨量，長歷時，大雨強(qiáng)，低頻次)>C雨型(小雨量，短歷時，中雨強(qiáng)，高頻次)>B雨型(中雨量，中歷時，小雨強(qiáng)，中頻次)。5) 各雨型降雨侵蝕力與平均雨強(qiáng)、最大30分鐘雨強(qiáng)、最大60分鐘雨強(qiáng)呈冪函數(shù)關(guān)系。

次降雨； 降雨特征； 降雨類型； 降雨侵蝕力； 黔中地區(qū)

貴州省水土流失面積占全省總面積的41.62%[1]，嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。降雨是引起土壤侵蝕的諸多因子中最主要的驅(qū)動因子[2]，侵蝕性次降雨是降雨后有產(chǎn)流產(chǎn)沙的那部分降雨，作為一個完整的自然降雨過程，定量對其特征進(jìn)行研究具有重要意義。前人關(guān)于次降雨的研究尺度多集中在宏觀的空間尺度上[3-6]，研究區(qū)域多集中在西北黃土區(qū)[7-10]，研究內(nèi)容主要是次降雨的降雨侵蝕力與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間關(guān)系及侵蝕預(yù)報模型等方面[11-14]。在貴州地區(qū)，由于喀斯特面積占全省總面積的73.6%，坡耕地面積占耕地總面積的61.01%，因此，坡耕地是貴州水土流失的主要來源[1,15]。目前，大量的降雨侵蝕研究工作主要針對典型喀斯特巖溶地區(qū)降雨-徑流-產(chǎn)沙的研究[15-18]，鮮有對常態(tài)地貌區(qū)次降雨特征進(jìn)行的深入研究。為此，筆者根據(jù)龍里縣羊雞沖小流域野外徑流小區(qū)實(shí)測降雨資料，對黔中地區(qū)次降雨的月和季節(jié)變化特征進(jìn)行定量研究，并進(jìn)一步采用劃分雨型方法，對侵蝕性次降雨不同雨型的降雨特征指標(biāo)與侵蝕力之間的關(guān)系進(jìn)行研究，建立最優(yōu)侵蝕模型，揭示黔中地區(qū)侵蝕性次降雨特征，以期為區(qū)域水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 資料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔南州龍里縣東城郊羊雞沖小流域內(nèi)，地理位置東經(jīng)107°00′53"，北緯26°26′58"。流域控制面積11.89 km2，其中，水土流失面積7.41 km2，屬長江流域?yàn)踅?。該流域隸屬國家水土流失重點(diǎn)治理區(qū)珠江南北盤江治理區(qū)和貴州省人民政府公布的水土流失重點(diǎn)治理區(qū)及重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)。流域氣候類型屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明，多年平均降雨量1 089 mm，多年平均氣溫14.8℃。區(qū)域主要植被類型為亞熱帶石灰?guī)r常綠櫪林及常綠落葉闊葉混交林，主要土壤侵蝕類型為水力侵蝕。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于貴州省重點(diǎn)水土流失監(jiān)督和治理區(qū)龍里縣羊雞沖小流域2006—2008年降雨實(shí)測資料。

1.3 分析方法

用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析次降雨年變化、季節(jié)變化和月變化特征。以降雨量、降雨歷時和平均雨強(qiáng)為特征變量，采用快速聚類和判別聚類相結(jié)合的方法對有準(zhǔn)確降雨歷時的48次侵蝕性次降雨的雨型進(jìn)行劃分。針對不同雨型，分別統(tǒng)計(jì)次降雨量(P)、降雨歷時(T)、平均雨強(qiáng)(I)、最大30分鐘雨強(qiáng)(I30)和最大60分鐘雨強(qiáng)(I60)。選取分位數(shù)25%和75%對應(yīng)的取值，進(jìn)行適當(dāng)取整調(diào)整，作為對應(yīng)雨型的特征指標(biāo)主要變化范圍，并據(jù)此分析不同雨型特征。

R=1.70×(PI30/100)-0.136I30<10 mm/h

R=2.35×(PI30/100) -0.523I30≥10 mm/h

式中，P為降雨量，I30為最大30分鐘雨強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨的月變化特征

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，龍里縣羊雞沖小流域3年共降雨255次，累積降雨量2 740.55 mm，年均降雨量913.52 mm。侵蝕性降雨56次，累積侵蝕性降雨量1 479.5 mm，年均侵蝕性降雨量493.17 mm，次侵蝕性降雨量26.42 mm。侵蝕性降雨次數(shù)占降雨總次數(shù)的21.96%，侵蝕性降雨量占降雨總量的53.99%。

從圖1可見，全年中降雨主要集中分布在4—10月，1月、2月、11月和12月幾乎沒有降雨。綜合12個月月變化規(guī)律可知，降雨量總體趨勢符合正態(tài)分布規(guī)律。除2006年最大降雨量出現(xiàn)在5月以外，全年中降雨量在7月達(dá)最大值。2007年7月降雨量占全年降雨總量的26.4%。2008年7月降雨量占全年降雨總量的25.29%。7月以后，降雨量逐漸減少。此外，每年5月和9月年際間降雨量差異最小。2006—2008年3年中，5月的降雨量分別為142.6 mm、156.4 mm和152.6 mm，年際間降雨量變化為3.8～13.8 mm；9月降雨量分別為82.3 mm、109.1 mm和102.1 mm，年際間降雨量變化為7～26.8 mm。表明，每年5月和9月降雨量較為穩(wěn)定。而11月年際間降雨量變化差異最大，最小降雨量0.4 mm，最大降雨量76.4 mm，差異較為異常，可能是由于2008年貴州省出現(xiàn)極端凝凍天氣，長時間雨夾雪使降雨量急劇增加，導(dǎo)致11月出現(xiàn)極大值。

圖 1 降雨月變化特征

Fig.1 Monthly variation characteristics of rainfall

2.2 降雨的季節(jié)變化特征

（2）要“嚴(yán)之有度”。我認(rèn)為嚴(yán)格要求不等于什么都“一刀切”。我們不能用同一標(biāo)準(zhǔn)要求所有的學(xué)生，我對不同類型的學(xué)生有不同的要求。

按照氣象學(xué)對四季的劃分標(biāo)準(zhǔn)，春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12月至次年2月，據(jù)此分析次降雨季節(jié)變化特征。從表1看出，不論是降雨次數(shù)、降雨量還是侵蝕性降雨次數(shù)、侵蝕性降雨量，夏季都是全年中發(fā)生次數(shù)最多，產(chǎn)流最大的季節(jié)。春夏秋3個季節(jié)降雨次數(shù)多且波動大，冬季降雨次數(shù)少且波動小。冬季降雨次數(shù)僅為全部降雨總數(shù)的5%，且不發(fā)生侵蝕。

總體來看，2006年、2007年降雨次數(shù)和降雨量均呈夏季>春季>秋季>冬季的趨勢。2008年，秋季降雨次數(shù)和降雨量均大于春季，但是侵蝕性降雨量卻幾乎相等?？梢?，秋季雖然降雨次數(shù)多，但真正產(chǎn)生侵蝕的降雨次數(shù)較少，而春季雖然降雨次數(shù)少，但卻容易導(dǎo)致土壤發(fā)生侵蝕。

表1 2006—2008年龍里縣羊雞沖小流域各季節(jié)的降雨次數(shù)和降雨量

2.3侵蝕性次降雨的雨型劃分

2.3.1判別分類 土壤侵蝕的發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，與侵蝕性降雨的雨型密切相關(guān)。采用快速聚類與判別聚類相結(jié)合方法對56次侵蝕性降雨中有準(zhǔn)確降雨歷時的48次進(jìn)行雨型劃分，結(jié)果顯示，將雨型劃分為3類時，降雨歷時和平均雨強(qiáng)2個特征變量的聚類函數(shù)和判別函數(shù)顯著性檢驗(yàn)概率P<0.01。3類雨型分別命名為A、B和C，其聚類散點(diǎn)分別聚集在3 個相對集中的區(qū)域，除A 雨型相對分散外，B雨型和C 雨型較集中，不同雨型邊界清晰無交集，聚類效果較好(圖2)。

圖2 侵蝕性次降雨判別分類的散點(diǎn)分布

2.3.2 不同雨型的特點(diǎn) 根據(jù)聚類結(jié)果和各降雨特征指標(biāo)的25%分位數(shù)和75%分位數(shù)所對應(yīng)的取值(表2)，經(jīng)適當(dāng)取整調(diào)整，作為相應(yīng)雨型降雨特征指標(biāo)的變化范圍，不同雨型的特點(diǎn)歸納：為A雨型，降雨量59～85 mm，降雨歷時10～20 h，雨強(qiáng)3.65～7.07 mm/h，降雨侵蝕力19～114 m·t·cm/hm2·h，即A雨型特征表現(xiàn)為大雨量，長歷時，大雨強(qiáng)，低頻次降雨；B雨型，降雨量35～32 mm，降雨歷時8～16 h，雨強(qiáng)2.23～3.73 mm/h，降雨侵蝕力8.5～21 m·t·cm/hm2·h，即B雨型特征為中雨量，中歷時，小雨強(qiáng)，中頻次降雨；C雨型，降雨量10～17 mm，降雨歷時3～15 h，雨強(qiáng)0.98～3.97 mm/h，降雨侵蝕力0.67～4.05 m·t·cm/hm2·h，即C雨型特征為小雨量，短歷時，中雨強(qiáng)，高頻次降雨。

2.3.3 不同雨型的侵蝕能力 48次侵蝕性降雨中，A、B、C雨型分別為5次、16次和27次，分別占樣本總數(shù)的10.42%、33.33%和56.25%。C雨型發(fā)生頻次最高，B雨型次之，A雨型發(fā)生頻次最低。3 類雨型平均降雨量分別為71.74 mm、35.02 mm和14.14 mm，平均最大30分鐘雨強(qiáng)分別為40.92 mm/h、18.47 mm/h和9.87 mm/h，差異明顯。3類雨型平均降雨侵蝕力分別為68.23m·t·cm/hm2·h、14.74 m·t·cm/hm2·h和46.74 m·t·cm/hm2·h，依次為A 雨型>C雨型>B雨型。

表2 不同雨型侵蝕性降雨特征指標(biāo)

注：A、B、C表示3類雨型，降雨次數(shù)分別為5次、16次和27次；V25表示在分位數(shù)為25%時對應(yīng)的取值，V75表示在分位數(shù)為75%時對應(yīng)的取值。

Note: A, B and C indicates different rainfall type respectively. Rainfall times are 5, 16 and 27 separately. V25means the corresponding value when the quantile is 25%. V75means the corresponding value when the quantile is 75%.

2.4 侵蝕性降雨特征指標(biāo)與降雨侵蝕力的相關(guān)性

從表3看出，A雨型60分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力呈極顯著相關(guān)，降雨歷時、降雨強(qiáng)度、30分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力呈顯著相關(guān)。B雨型30分鐘雨強(qiáng)、60分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力呈極顯著相關(guān)，降雨歷時、降雨強(qiáng)度與降雨侵蝕力呈顯著相關(guān)。C雨型降雨量、降雨強(qiáng)度、30分鐘雨強(qiáng)、60分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力呈極顯著相關(guān)。A、B雨型降雨量與降雨侵蝕力相關(guān)性不顯著，C雨型降雨歷時與降雨侵蝕力相關(guān)性不顯著。總體上看，降雨量、降雨歷時與降雨侵蝕力無相關(guān)性或相關(guān)性不顯著，而降雨強(qiáng)度、30分鐘雨強(qiáng)和60分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力顯著相關(guān)。

表3 不同雨型降雨特征指標(biāo)與降雨侵蝕力的相關(guān)系數(shù)

Table 3 Correlation coefficient between rainfall erosion capacity and rainfall characteristics index under different rainfall types

降雨類型RainfalltypePTII30I60A0．404-0．942?0．948?0．901?0．992??B0．383-0．576?0．586?0．965??0．874??C0．680??-0．3870．624??0．966??0．961??

注：*、**分別表示在0.05、0.01 水平(雙側(cè))顯著相關(guān)。

Note: * and ** indicates significance of difference at 0.05 and 0.01 level respectively.

2.4.1 降雨量與降雨侵蝕力 C雨型降雨量與降雨侵蝕力呈極顯著相關(guān)，為明確C雨型降雨量與降雨侵蝕力關(guān)系，經(jīng)降雨量與降雨侵蝕力回歸分析，對比多種模型擬合結(jié)果后得出，C雨型降雨量與降雨侵蝕力二項(xiàng)式擬合關(guān)系最佳，方程為y=0.069x2-1.408x+7.685，R2=0.606。即小雨量、短歷時、中雨強(qiáng)型降雨的降雨量與降雨侵蝕力呈二項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。

2.4.2 平均雨強(qiáng)與降雨侵蝕力 3類雨型平均雨強(qiáng)與降雨侵蝕力呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，方程分別為A雨型：y=1.812x2.148，R2=0.840；B雨型：y=3.423x1.234，R2=0.675；C雨型：y=0.802x0.810，R2=0.534。冪指數(shù)依次為A雨型>B雨型>C雨型，即大雨量、大雨強(qiáng)型降雨的降雨侵蝕力隨平均雨強(qiáng)的增大變化最大，而中雨量、小雨強(qiáng)型其次，小雨量、中雨強(qiáng)型變化較小。

2.4.3 最大30分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力 3類雨型最大30分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，方程分別為A雨型：y=1.332x1.058，R2=0.942；B雨型：y=0.295x1.329，R2=0.933；C雨型：y=0.084x1.480，R2=0.897。冪指數(shù)依次為C雨型>B雨型>A雨型，即小雨量，中雨強(qiáng)型降雨的降雨侵蝕力隨最大30分鐘雨強(qiáng)增大變化最大，B雨型其次，A雨型變化較小。

2.4.4 最大60分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力 3類雨型最大60分鐘雨強(qiáng)與降雨侵蝕力冪函數(shù)擬合效果好，方程分別為A雨型：y=3.040x0.940，R2=0.992；B雨型：y=0.347x1.469，R2=0.823；C雨型：y=18.43x-1.03，R2=0.505。冪指數(shù)依次為B雨型>A雨型>C雨型，即中雨量、小雨強(qiáng)型降雨的降雨侵蝕力隨最大60分鐘雨強(qiáng)增大變化最大，A雨型其次，C雨型變化最小。

3 結(jié)論與討論

1) 2006—2008年黔中地區(qū)年均降雨量913.52 mm，年均侵蝕性降雨量493.17 mm，年均降雨次數(shù)85次，年均侵蝕性降雨19次。侵蝕性降雨次數(shù)占降雨總次數(shù)的21.96%，侵蝕性降雨量占降雨總量的53.99%。平均每次侵蝕性降雨量26.42 mm。降雨主要集中在3—11月，降雨量在7月達(dá)最大值。侵蝕性降雨主要集中在4—10月。每年5月和9月的降雨量差異最小，降雨量最穩(wěn)定。夏季降雨量年際間變化較小，而春季和秋季降雨量年際間波動較大。降雨次數(shù)和降雨量均呈夏季>春季>秋季>冬季趨勢。

2) 基于降雨量、降雨歷時和平均雨強(qiáng)指標(biāo)，將黔中地區(qū)降雨類型劃分為A、B、C 3類雨型。A雨型：大雨量，長歷時，大雨強(qiáng)，低頻次；B雨型：中雨量，中歷時，小雨強(qiáng)，中頻次；C雨型：小雨量，短歷時，中雨強(qiáng)，高頻次。此分類結(jié)果與黃土高原地區(qū)分類結(jié)果相似，黃土高原地區(qū)次降雨也多被分為3類，其中，大雨強(qiáng)型降雨也是造成黃土高原發(fā)生土壤侵蝕的主要雨型。張黎明等[12]在研究南方紅壤侵蝕性次降雨時，按照10 mm 雨量等值間隔法將降雨量劃分為5類。但該分類實(shí)質(zhì)是對降雨量的平均分段，未考慮降雨歷時和降雨強(qiáng)度等特征對分類的影響；Huang 等[13]在研究南方紅壤地區(qū)的降雨類型時，采用快速聚類法將降雨劃分為4 類，但其中1 類僅包含1 次降雨樣本。相比之下，本研究基于快速聚類法和判別聚類法，同時結(jié)合四分位數(shù)取值確定降雨特征變化范圍所得出的侵蝕性降雨類型，在方法和結(jié)果上更符合次降雨的實(shí)際情況。

3) 黔中地區(qū)3類雨型的平均降雨侵蝕力依次為A 雨型>C雨型>B雨型。降雨侵蝕力是降雨引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力，不同雨型的降雨侵蝕力表征不同雨型的侵蝕能力。A雨型是典型的低頻次大雨強(qiáng)類型，C雨型是高頻次中雨強(qiáng)類型。A雨型平均降雨侵蝕力大于C雨型，但發(fā)生頻率是C雨型的18.5%?？梢?，A雨型是導(dǎo)致發(fā)生土壤侵蝕的主要雨型，即暴雨型降雨在黔中地區(qū)更容易導(dǎo)致土壤發(fā)生侵蝕，產(chǎn)生山洪和泥石流等，在修建水保工程時應(yīng)重點(diǎn)考慮。其次，高頻次中雨強(qiáng)C型降雨因降雨發(fā)生頻率較高，也是常常導(dǎo)致水土流失的主要因素，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)注意做好防護(hù)工作。

4) 各雨型降雨侵蝕力與平均雨強(qiáng)、最大30分鐘雨強(qiáng)、最大60分鐘雨強(qiáng)均呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，具體變化趨勢因雨型的不同而不同。A雨型降雨侵蝕力隨平均雨強(qiáng)的增大變化最大，B雨型降雨侵蝕力隨最大60分鐘雨強(qiáng)的增大變化最大，C雨型降雨侵蝕力隨最大30分鐘雨強(qiáng)的增大變化最大。

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(責(zé)任編輯： 姜 萍)

Characteristics of Erosive Individual Rainfall in Central Guizhou

TAN Shunju1,2, GAO Huaduan1*, DAI Yu1, YANG Guangxi3

(1.CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025; 2.AgriculturalServiceCenterofDexinTown,Guiding,Guizhou551300; 3.GuizhouMonitoringCenterofSoilandWaterConservation,Guiyang,Guizhou550002,China)

The erosive individual rainfall types are divided into A, B and C type by means of analyzing three indexes of rainfall capacity, rainfall duration and average rainfall intensity selected from the actual rainfall data of field runoff plots by K-Means cluster, discriminant clustering and quantile value methods. The erosive individual rainfall characteristics was studied by analyzing three erosive individual rainfall ypes to provide a reference for water and soil conservation and ecological environment construction in Central Guizhou. Results: 1) Annual average rainfall capacity, annual average erosive rainfall capacity and average single erosive rainfall capacity is 913.52 mm, 493.17 mm and 26.42 mm separately.2) The erosive rainfall capacity is the most stable in May and September but the erosive rainfall capacity is the maximum in July in a year. 3) Rainfall times and rainfall capacity are Summer > Spring > Autumn> Winter. The fluctuation of rainfall capacity is small in Summer but the fluctuation of rainfall capacity is great in Spring and Autumn among different years. 4) The erosive capacity of three rainfall types is A type (heavy rainfall capacity, longer rainfall duration, high rainfall intensity and lower rainfall frequency > C type (small rainfall capacity, short rainfall duration, moderate rainfall intensity and higher frequency)> B type (moderate rainfall capacity, moderate rainfall duration, lower rainfall intensity and moderate frequency). 5) The rainfall erosion force of three rainfall types show a power function relationship with average rainfall intensity, maximum rainfall intensity in 30 min and maximum rainfall intensity in 60 min.

individual rainfall; rainfall characteristics; rainfall type; rainfall erosion force; Center Guizhou

2015-12-11； 2016-04-04修回

貴州省教育廳教改項(xiàng)目“貴州省喀斯特生態(tài)與環(huán)境專業(yè)學(xué)位研究生工作站”[黔教研合JYSZ字(2014)003]

譚順菊(1987-)，女，在讀碩士，研究方向：區(qū)域水土保持與環(huán)境。E-mail：897605468@qq.com

*通訊作者：高華端(1965-)，男，教授，博士，從事區(qū)域水土保持與環(huán)境研究。E-mail：399965122@qq.com

1001-3601(2016)04-0178-0133-05

S715.1

A

農(nóng)業(yè)信息·農(nóng)業(yè)工程·資源環(huán)境

Agricultural Information and Technology·Agricultural Engineering·Resource and Environment