李亦秋, 鄧 歐, 楊廣斌, 方啟彬

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025;2.貴州山地資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽 550025; 3.貴州省水土保持監(jiān)測站, 貴州 貴陽 550002)

在20世紀(jì)50年代后期，美國學(xué)者Wischmeier等根據(jù)大量徑流小區(qū)觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和系統(tǒng)研究，提出以降雨總動能E與最大30 min雨強(qiáng)I30的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)(通常用R值表示)，用來定量表征次降雨可能引起的土壤侵蝕能力，反映雨滴濺蝕以及地表徑流對土壤侵蝕的綜合效應(yīng)[1]。此后，降雨侵蝕力的計(jì)算作為進(jìn)行土壤侵蝕定量預(yù)報(bào)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種形式的降雨侵蝕力指標(biāo)計(jì)算方法[2-8]，大多研究[3]表明降雨侵蝕力R與降雨動能E及其降雨某一時(shí)刻最大降雨強(qiáng)度It的乘積EIt有著密切的關(guān)系，但從綜合資料的可得性及適用范圍來看，EI30仍是世界上應(yīng)用最廣的土壤侵蝕力指標(biāo)。我國自20世紀(jì)80年代以來，開展了很多有關(guān)降雨侵蝕力的研究[9-11]，模型多采用冪函數(shù)結(jié)構(gòu)形式[12]，編制了區(qū)域降雨侵蝕力圖和分析降雨侵蝕力的季節(jié)分布[13-18]，取得了很多有意義的成果。

黃壤主要分布在中國南方高海拔山區(qū)，特別是云貴高原[19]?？λ固氐孛埠忘S壤在地理空間上有著高度的重合，發(fā)育于石灰?guī)r風(fēng)化物的黃壤以貴州高原較有代表性[20]?？λ固厣降攸S壤分布區(qū)土層普遍較薄，其自然坡面和耕作土壤厚度一般不超過2 m，傳統(tǒng)意義上的輕度侵蝕即可造成重大危害。黃壤作為貴州最為重要的旱地耕作土壤，長期的開發(fā)利用加劇了土壤侵蝕過程，出現(xiàn)基巖大面積裸露、土地生產(chǎn)力嚴(yán)重退化的土地石漠化問題，嚴(yán)重威脅到區(qū)域的水土資源狀況與農(nóng)業(yè)安全[21-22]?？λ固攸S壤區(qū)域的水土流失研究工作起步較晚，研究內(nèi)容集中在喀斯特地區(qū)黃壤侵蝕影響因素分析[23]、喀斯特石漠化的定義及分類分級、水土流失的侵蝕強(qiáng)度等級劃分、不同下墊面侵蝕強(qiáng)度差異性對比等[23]定性研究階段，少數(shù)定量研究則以喀斯特黃壤坡面降雨產(chǎn)流方式、水化學(xué)特征以及室內(nèi)模擬條件下的坡面產(chǎn)流的水動力學(xué)特征等方面[24-26]。鑒于此，本文以黔中喀斯特黃壤分布區(qū)10個(gè)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)2013—2019年的日降雨量記錄表和5 min間隔降雨過程摘錄數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，計(jì)算次降雨30 min最大雨強(qiáng)I30和次降雨總動能E，進(jìn)而計(jì)算次降雨侵蝕力R=EI30，分析次R值分布特征、R值的月分布特征、年際變化特征和R值的雨量雨強(qiáng)分布特征，為進(jìn)行土壤侵蝕定量預(yù)報(bào)、土壤保持規(guī)劃和水土流失防治提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

為了科學(xué)掌握喀斯特山地水土流失影響因子，系統(tǒng)研究其水土流失類型與侵蝕特征，準(zhǔn)確評價(jià)水土保持綜合治理效益，并為全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供連續(xù)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，貴州喀斯特山地黃壤分布區(qū)目前已建立起14個(gè)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)，125個(gè)監(jiān)測小區(qū)，5個(gè)小流域控制站，基本上形成了全面布控和整體監(jiān)測的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。黔中地區(qū)位于貴州省中部，包括貴州省貴陽市及遵義市、安順市、畢節(jié)市、黔東南州、黔南州的33個(gè)縣(市、區(qū))，大部分地區(qū)屬云貴高原的喀斯特丘陵地貌。黔中喀斯特山地黃壤區(qū)已建立起11個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，由于石橋站近年無觀測數(shù)據(jù)，本文選取羊雞沖、云霧等10個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)為研究對象，研究黔中喀斯特山地黃壤區(qū)降雨侵蝕力R值的分布特征，其分布見圖1。

圖1 黔中喀斯特山地黃壤區(qū)的水土保持監(jiān)測站分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)源主要為各監(jiān)測站點(diǎn)2013—2019年的日降雨量記錄表和降水過程數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)具體包括次降水次序、降水時(shí)間(月、日、時(shí)、分)、累積雨量(mm)、累積歷時(shí)(min)，時(shí)段降雨的雨量(mm)、歷時(shí)(min)和雨強(qiáng)(mm/h)等。降雨量主要通過HOBO小型自動氣象站或虹吸式自記雨量計(jì)采集記錄雨量數(shù)據(jù)，5 min間隔進(jìn)行降雨過程摘錄，降雨過程中降雨間歇大于360 min時(shí)為兩次降雨。數(shù)據(jù)源還包括各監(jiān)測站點(diǎn)的經(jīng)緯度位置及其地理環(huán)境概況數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

(1) 次降雨侵蝕力R值計(jì)算。貴州省水土保持監(jiān)測站根據(jù)長期的區(qū)域性監(jiān)測資料，確定次降雨侵蝕力計(jì)算依據(jù)監(jiān)測站點(diǎn)5 min間隔記錄的降雨資料數(shù)據(jù)，采用降雨侵蝕力EI30方法計(jì)算[2-3]：

R次=EI30

(1)

(2)

er=0.29〔1-0.72exp(-0.082ir)〕

(3)

式中：R次為次降雨侵蝕力(MJ·mm/(hm2·h)；I30表示一次降雨過程中30 min的最大雨強(qiáng)，如果降雨總歷時(shí)不足30 min時(shí)，也按照30 min計(jì)算，單位為mm/h，通過雨量紙摘錄的斷點(diǎn)雨量進(jìn)行計(jì)算；E為一次降雨的總動能(MJ/hm2)；r為降雨時(shí)段(r=1，2，…，n)；n為一次降雨過程按照雨強(qiáng)分為n個(gè)時(shí)段；pr為第r時(shí)段雨量(mm)；er為每一時(shí)段的單位降雨動能〔MJ/(hm2·mm)〕;ir為第r時(shí)段雨強(qiáng)(mm/h)。

(2) 年降雨侵蝕力變差系數(shù)Cv計(jì)算。采用年降雨侵蝕力變差系數(shù)Cv反映降雨侵蝕力的穩(wěn)定性：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 次R值的分布特征

表1 研究區(qū)監(jiān)測站次R值分布特征指標(biāo)

3.2 R值的月分布特征

通過計(jì)算各站點(diǎn)各月份平均R值占年平均R值比例來表示R值的月分布特征。經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，各站點(diǎn)R值的月分布情況詳見圖2和表2。據(jù)表2和圖2可知，各站點(diǎn)R值的月分布特征與區(qū)域降雨季節(jié)變化有著十分密切的關(guān)系，由于地處亞熱帶高原季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年降水量一般在1 000 mm以上，主要集中在夏季，降雨侵蝕力R值也主要分布在4—9月，又重點(diǎn)集中于6—8月。4—9月，除平壩凱掌站R值分別占年R值的89.29%而外，其余各站點(diǎn)都在90.00%以上，其中貴定云霧站、修文龍場站、毛栗科站和箐門站更是達(dá)到95.00%以上，分別為96.03%，98.43%，96.49%和99.21%。6—8月，R值占年R值比例遵義滸洋水站最低，為55.98%，修文龍場站最高，為85.25%。

圖2 研究區(qū)各站點(diǎn)R值月分布

表2 研究區(qū)各站點(diǎn)R值的月分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 R值的年際變化分布特征

各站點(diǎn)的R值年際變化特征指標(biāo)計(jì)算結(jié)果詳見表3。降雨侵蝕力年均R值及變差系數(shù)Cv空間分布如圖3所示。

據(jù)表3和圖3可知，研究區(qū)年均R值由東南和西南向北向西呈明顯的減小趨勢，年均R值變化范圍在3 034.43～7 608.82 MJ·mm/(hm2·h)之間，均值為4 287.78 MJ·mm/(hm2·h)。R值年際變差系數(shù)與之呈相反趨勢，由東南向西北逐漸增大，表明由東南向西北降雨侵蝕力的穩(wěn)定性逐漸降低。R值年際變差系數(shù)變化范圍在0.20～0.45之間，均值為0.31；最大年R值一般為平均年R值的 1.18～1.51倍；最大年R值與最小年R值的比值為 1.57～2.52倍，表明降雨侵蝕力年際變化較大。

表3 研究區(qū)R值的年際變化特征指標(biāo)

圖3 研究區(qū)年均R值及變差系數(shù)Cv空間分布

3.4 R值的降雨特征分布

3.4.1R值的雨量分布特征 將各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)次降雨按雨量大小排序，并按照雨量大小分成6個(gè)等級[27]：小雨(24 h降雨量小于10 mm)；中雨(24 h降雨量10～25 mm)；大雨(24 h降雨量25～50 mm)；暴雨(24 h降雨量50～100 mm)；大暴雨(24 h降雨量100～250 mm)；特大暴雨(24 h降雨量在250 mm以上)。各監(jiān)測站點(diǎn)各等級雨量對應(yīng)的累計(jì)R值占總R值的比例詳見表4。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，繪制監(jiān)測站點(diǎn)量級雨量的R值比例的雷達(dá)圖(圖4)。據(jù)表4和圖4可知，各個(gè)站點(diǎn)小雨所產(chǎn)生的R值占總R值的比例均在5.00 %以下，平均占比2.01%，云霧站小雨所產(chǎn)生的R值占比僅為0.27%，龍場站小雨所產(chǎn)生的R值占比最大，也只占4.13%；中雨、大雨、暴雨和大暴雨是產(chǎn)生R值的主要雨量等級；大雨因出現(xiàn)頻率相對較高、歷時(shí)較長，對總R值的貢獻(xiàn)也最大，其平均占比達(dá)35.06%；大雨和暴雨是R值分布的兩個(gè)高峰點(diǎn)，所產(chǎn)生的R值占比均在60.00%左右及其以上，最大占比是螞蝗田站，占比達(dá)67.84%；大暴雨總體上出現(xiàn)的頻率不高，但單次大暴雨的降雨侵蝕力的R值卻可以很大，如前所述的三股水站2014年6月20日最大降雨的R值高達(dá)2 296.94 MJ·mm/(hm2·h)，羊雞沖站2015年6月18日最大降雨的R值高達(dá)2 661.13 MJ·mm/(hm2·h)，箐門站2018年5月18日最大降雨的R值高達(dá)2 436.84 MJ·mm/(hm2·h)，一次大暴雨就可能改變R的整體分布；各監(jiān)測站點(diǎn)暫無特大暴雨記錄。

表4 研究區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)量級雨量的R值比例 %

圖4 研究區(qū)各量級雨量R值比例雷達(dá)圖

3.4.2R值的雨強(qiáng)分布特征 降雨強(qiáng)度是指單位時(shí)段內(nèi)的降雨量，以mm/min或mm/h計(jì)，強(qiáng)度愈大，雨愈猛烈。計(jì)算時(shí)特別有意義的是相應(yīng)于某一歷時(shí)的最大平均降雨強(qiáng)度。例如，I30表示一次降雨過程中30 min的最大雨強(qiáng)。以次降雨最大30 min降雨強(qiáng)度I30作為強(qiáng)度指標(biāo)，將其分為5個(gè)量級[17]，各量級雨強(qiáng)對應(yīng)的累計(jì)R值占總R值的比例見表5，并繪制監(jiān)測站點(diǎn)量級雨強(qiáng)的R值比例雷達(dá)圖如圖5所示。

表5 研究區(qū)各量級I30雨強(qiáng)的R值比例 %

據(jù)表5和圖5可知，各個(gè)站點(diǎn)小于15 mm/h雨強(qiáng)所產(chǎn)生的R值占總R值的平均占比在10.00%以下，雨強(qiáng)15～30 mm/h是R值分布的高峰區(qū)，其平均占比為31.97%；雨強(qiáng)30～45 mm/h是R值分布的次高峰區(qū)，其平均占比為27.62%；高雨強(qiáng)的降雨發(fā)生的隨機(jī)性更大，大于60 mm/h雨強(qiáng)所產(chǎn)生的R值比例的空間分布差異也大，占比最大的云霧站為19.75%，占比最小的螞蝗田站為4.35%。

4 討論與結(jié)論

(1) 各站點(diǎn)系列最大次R值在次平均R值的幾倍至十幾倍之間，最大次R值占對應(yīng)年份的年R值的比例也差異明顯?？傮w上，最大次R值占對應(yīng)年份的年R值的比例最少都達(dá)22.28%。一年中幾次比較大的暴雨對土壤侵蝕的貢獻(xiàn)率大。

(2) 降雨侵蝕力R值主要分布在4—9月，又重點(diǎn)集中于6—8月。4—9月R值分別占年R值的90.00%左右，其中貴定云霧站和修文龍場站更是達(dá)到95.00%以上。6—8月R值占年R值比例最低都為55.98%(遵義滸洋水站)，修文龍場站最高，達(dá)到85.25%。

(3) 年均R值由東南和西南向北向西呈明顯的減小趨勢，年均R值變化范圍在3 034.43～7 608.82 MJ·mm/(hm2·h)之間，均值為4 287.78 MJ·mm/(hm2·h)。R值年際變差系數(shù)與之呈相反趨勢，由東南向西北呈明顯的增大趨勢，表明由東南向西北降雨侵蝕力的穩(wěn)定性逐漸降低。R值年際變差系數(shù)變化范圍在0.20～0.45之間，均值為0.31，表明降雨侵蝕力年際變化較大。

(4) 中雨、大雨、暴雨和大暴雨是產(chǎn)生R值的主要雨量等級，大多數(shù)站點(diǎn)的占比均在60.00%以上；大雨因出現(xiàn)頻率相對較高、歷時(shí)較長，對總R值的貢獻(xiàn)也最大，其平均占比達(dá)35.06%；大暴雨總體上出現(xiàn)的頻率不高，但單次大暴雨的降雨侵蝕力的R值卻可以很大，一次大暴雨就可能改變R的整體分布。雨強(qiáng)15～30 mm/h是R值分布的高峰區(qū)，其平均占比為31.97%；高雨強(qiáng)的降雨發(fā)生的隨機(jī)性更大，大于60 mm/h雨強(qiáng)所產(chǎn)生的R值比例的空間分布差異也大。

綜上所述，本研究以監(jiān)測站點(diǎn)徑流小區(qū)長時(shí)間序列的實(shí)測降雨過程資料進(jìn)行數(shù)據(jù)支持，計(jì)算次降雨侵蝕力，在此基礎(chǔ)上選用R值分布的特征指標(biāo)分析次R值、月R值、年R值和R值的雨量雨強(qiáng)分布特征，在最大程度上保證了分析數(shù)據(jù)的可靠性。在年R值和R值年際變差系數(shù)空間分異研究中，需要盡可能多的監(jiān)測站點(diǎn)資料才能保證插值的精度。在后續(xù)研究中可將水土監(jiān)測站點(diǎn)徑流小區(qū)觀測資料與常規(guī)氣象監(jiān)測站點(diǎn)觀測資料相結(jié)合，建立常規(guī)雨量站降雨量與水土監(jiān)測監(jiān)測站點(diǎn)相應(yīng)的降雨過程的降雨侵蝕力之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，有效解決站點(diǎn)廣泛性和資料代表性之間的矛盾，為區(qū)域土壤侵蝕定量預(yù)報(bào)、土壤保持規(guī)劃和水土流失防治提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。