王 升，鄭修茹

(1.廣西百色國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會(huì)，廣西百色 533612；2.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西南寧 530001)

土壤侵蝕是全世界面臨的主要環(huán)境和農(nóng)業(yè)問題之一,一方面它會(huì)導(dǎo)致土壤入滲能力降低，從而使得土壤持水能力下降；另一方面其會(huì)降低土壤養(yǎng)分含量，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。土壤侵蝕過程受降雨、地形、土壤結(jié)構(gòu)和植被及作物類型等因素的影響。其中，降雨是土壤水蝕的主要驅(qū)動(dòng)因素，降雨引起土壤侵蝕的潛在能力稱為降雨侵蝕力(簡(jiǎn)稱R)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)降水侵蝕力的時(shí)空變化特征的研究已廣泛開展。在國(guó)內(nèi)，章文波等提出了適用于我國(guó)的日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力的模型，該模型在我國(guó)各地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。史志華等在對(duì)武漢降雨侵蝕力特征與日降雨侵蝕力模型研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于武漢地區(qū)的降雨侵蝕力計(jì)算模型。陳正發(fā)等基于昆明觀測(cè)站1951—2010年逐日雨量數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)南方地區(qū)常用的5種降雨侵蝕力計(jì)算模型在云南省的適用性進(jìn)行了分析，篩選出適用于云南省的降雨侵蝕力計(jì)算模型，并進(jìn)一步研究了云南降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征。王超以四川省40個(gè)氣象站點(diǎn) 1971—2000年逐日雨量資料為基礎(chǔ)，采用章文波等基于日雨量資料建立的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易估算方法，分析了四川省降雨侵蝕力時(shí)空分布特征。以上關(guān)于降雨侵蝕力的研究，在計(jì)算模型的選擇上大多數(shù)是直接引用其他學(xué)者的研究成果，并沒有對(duì)模型的地區(qū)適用性進(jìn)行適宜性分析，或者已有的一些研究只適用于某些特定的區(qū)域，降雨侵蝕力的計(jì)算結(jié)果精確度很難滿足預(yù)測(cè)的要求。

2013年第一次全國(guó)水利普查水土保持公報(bào)顯示，廣西以水力侵蝕(地表土壤或地表組成物質(zhì)在降水、徑流作用下被剝離、沖刷、搬運(yùn)和沉積的過程)為主(達(dá)50 537 km)。盡管廣西已有降雨侵蝕力時(shí)空變化特征方面的研究，但這些研究選用的降雨侵蝕力計(jì)算模型是直接引用其他學(xué)者的研究成果，并沒有對(duì)模型的地區(qū)適宜性進(jìn)行深入評(píng)估，使得計(jì)算結(jié)果存在很大的不確定性。廣西喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特區(qū)總面積達(dá)9.6×10km，占全區(qū)土地面積的42%。廣西喀斯特與非喀斯特區(qū)盡管外界氣候條件差異較小，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)(母巖、土巖結(jié)構(gòu)、植被類型和分布、地形等)的不同使得地表水與地下水路徑、徑流系數(shù)和相互轉(zhuǎn)化機(jī)制等存在差異，也導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土壤侵蝕以地下漏失為主。該研究擬基于廣西區(qū)1961—2010年23個(gè)均勻分布的氣象站點(diǎn)的逐日降雨量數(shù)據(jù)，分別探討適用于廣西喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力模型，旨在為廣西區(qū)石漠化治理及水土流失治理提供科技支撐。

1 資料與方法

廣西壯族自治區(qū)位于104°26′～112°04′E、 20°54′～26°24′N,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年氣候溫暖(年平均氣溫16～23 ℃)，雨量豐富,年降雨量1 250～2 000 mm。每年雨量最多的時(shí)期主要在4—9月，雨季暴雨過于集中，較大的降雨強(qiáng)度容易造成嚴(yán)重的水力侵蝕。廣西地質(zhì)環(huán)境條件也比較特殊，使得廣西水土流失較為嚴(yán)重，4—9月份降水量占全年降水量的70%～85%，且廣西區(qū)喀斯特地貌廣布,占全區(qū)總面積的41%,連片分布在桂東北、桂西北、桂中和桂西南。

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)收集了廣西25個(gè)氣象站點(diǎn)逐日降雨量資料，因平果站和防城站1961—2010年的大部分年份的降雨數(shù)據(jù)不齊全，所以剔除了這2個(gè)站點(diǎn)，選取了剩下23個(gè)國(guó)家基本雨量站1961—2010年逐日降雨數(shù)據(jù)，從建站到現(xiàn)在數(shù)據(jù)記錄較完整。由于廣西喀斯特地貌廣布，且降雨侵蝕過程會(huì)受到地質(zhì)、地貌等因素的影響，所以將廣西劃分為喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)來分別探討降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型的適宜性。如果氣象站點(diǎn)所在的市(縣)喀斯特地貌面積是所在市(縣)總面積的30%，則可以認(rèn)為該氣象站點(diǎn)屬于喀斯特站點(diǎn)，否則就是非喀斯特站點(diǎn)。23個(gè)氣象站點(diǎn)中(圖1)，喀斯特站點(diǎn)有10個(gè)(融安、桂林、鳳山、河池、都安、柳州、那坡、靖西、來賓、龍州)，非喀斯特站點(diǎn)有13個(gè)(蒙山、賀州、百色、田東、桂平、梧州、南寧、靈山、玉林、東興、欽州、北海、潿洲島)。

圖 1 廣西氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Guangxi

降雨侵蝕力計(jì)算模型介紹。將以下5種降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型分別運(yùn)用于廣西喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)，并依據(jù)田剛等的方法，將5種模型計(jì)算的降雨侵蝕力的平均值作為基準(zhǔn)值，然后與5種計(jì)算模型的值對(duì)比，最后對(duì)喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)模型的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)模型A。章文波等的日雨量模型：

(1)

=21586-7189 1

(2)

(3)

式中,為第個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力值[(MJ·mm)/(hm·h)]；為該半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)；為半月時(shí)段內(nèi)第天的侵蝕性降雨量,要求日雨量≥12 mm,否則以0計(jì)算；與為模型參數(shù)；12為日雨量≥12 mm的日平均雨量；12為日雨量≥12 mm的年平均雨量。

(2)模型B。CREAMS日雨量模型：

=103151

(4)

式中，為降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為第天的日雨量(mm),日侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)≥12.7 mm。

(3)模型C。吳素業(yè)的月降雨量模型：

(5)

式中,為年降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為月降雨總量(mm)。

(4)模型D。鄭海金等的月雨量模型：

(6)

式中,為年降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為月降雨總量(mm)。

(5)模型E。史東梅等采用人工模擬降雨手段，建立了重慶地區(qū)降雨侵蝕力計(jì)算的月雨量模型：

(7)

=××=5249××

(8)

式中,為月降雨量(mm)；為第個(gè)月的降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]。

模型適宜性評(píng)價(jià)方法。選用模型有效系數(shù)()和相對(duì)偏差系數(shù)()來評(píng)價(jià)5種降雨侵蝕力模型在廣西喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)的適用性。

有效系數(shù)()的計(jì)算公式如下：

(9)

式中,為模型計(jì)算的年降雨侵蝕力，為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力，為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力的平均值。該研究中，參照田剛等的研究方法，將5個(gè)模型計(jì)算得到的年降雨侵蝕力的平均值作為該年度的基準(zhǔn)年降雨侵蝕力，將5個(gè)模型計(jì)算得到的多年(50年)降雨侵蝕力平均值作為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力的平均值。越接近1，表示模型計(jì)算結(jié)果與基準(zhǔn)值越接近，模型的精度越高。

相對(duì)偏差系數(shù)()的計(jì)算公式如下：

(10)

式中,為模型計(jì)算的多年平均降雨侵蝕力;為基準(zhǔn)年降雨侵蝕力的平均值。

2 結(jié)果與分析

喀斯特地區(qū)?；诳λ固氐貐^(qū)10個(gè)觀測(cè)站1961—2010年逐日降雨數(shù)據(jù)，采用5種降雨侵蝕力計(jì)算模型，分別計(jì)算得到各站1961—2010年降雨侵蝕力指標(biāo)。以河池站和桂林站為例，對(duì)喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

從河池站不同模型計(jì)算的降雨侵蝕力(值)逐年變化(圖2)可以看出，年降雨侵蝕力整體上呈波動(dòng)變化，5種降雨侵蝕力計(jì)算模型得到的降雨侵蝕力都是隨著降雨量的增多而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，反之亦然；不同降雨侵蝕力計(jì)算模型得到的年值存在一定的差異，表現(xiàn)為模型A[16 805.8(MJ·mm)/(hm·h)]>模型B[7 637.2(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[6 229.3(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C[5 209.5(MJ·mm)/(hm·h)]>模型E[3 364.7(MJ·mm)/(hm·h)]，其變化趨勢(shì)一致,未出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。另外對(duì)于河池站，基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計(jì)算的值均大于基于月降雨量的模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖2 1961—2010年河池站不同降雨侵蝕力計(jì)算模型R值時(shí)間序列分布Fig.2 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Hechi Station from 1961 to 2010

圖3給出了桂林站5種模型計(jì)算的值逐年變化。與河池站類似，不同模型得到的逐年值也呈波動(dòng)變化，且隨著降雨量的增多而增大，反之亦然。不同降雨侵蝕力計(jì)算模型得到的年值也存在較大差異，表現(xiàn)為模型B[74 604.7(MJ·mm)/(hm·h)]>模型A[24 069.2(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[10 251.5(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C[9 038.9(MJ·mm)/(hm·h)]>模型E[5 065.5(MJ·mm)/(hm·h)]，各模型計(jì)算的值變化趨勢(shì)一致。對(duì)于桂林站，也表現(xiàn)為基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計(jì)算的值均大于基于月降雨量模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖3 1961—2010年桂林觀測(cè)站不同降雨侵蝕力計(jì)算模型R值時(shí)間序列分布Fig.3 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Guilin Station from 1961 to 2010

非喀斯特地區(qū)?；趶V西非喀斯特地區(qū)13個(gè)觀測(cè)站1961—2010年逐日降雨數(shù)據(jù)，采用5種降雨侵蝕力計(jì)算模型分別計(jì)算值，得出13個(gè)觀測(cè)站不同降雨侵蝕力模型計(jì)算的值在1961—2010年的變化趨勢(shì)。以非喀斯特地區(qū)降雨較多的北海站(年降雨量為1 670 mm)和降雨較少的田東站(年降雨量為1 167 mm)為例，對(duì)非喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

從1961—2010年田東觀測(cè)站不同降雨侵蝕力計(jì)算模型值時(shí)間序列逐年分布(圖4)可以看出，不同降雨侵蝕力計(jì)算模型得到的年值表現(xiàn)為模型A[6 894.9(MJ·mm)/(hm·h)]>模型B[6 596.0(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[4 978.6(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C[4 089.8(MJ·mm)/(hm·h)]>模型E(2 961.8(MJ·mm)/(hm·h)]；除模型E計(jì)算的值存在一定的不規(guī)則波動(dòng)外，其余模型計(jì)算的R值均表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，表明模型E對(duì)不同月份降雨量大小較為敏感。在田東站，也表現(xiàn)出基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計(jì)算的值均大于基于月降雨量模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖5顯示了1961—2010年北海觀測(cè)站不同降雨侵蝕力計(jì)算模型值時(shí)間序列逐年分布圖。北海站降雨量比田東站年均降雨量多503 mm,不同模型獲得的北海站值在2 578.1～2 7609.4 (MJ·mm)/(hm·h)，而田東站大多則是1 658.1～10 056.1 (MJ·mm)/(hm·h)，北海站值遠(yuǎn)大于田東站。不同降雨侵蝕力計(jì)算模型得到的年值表現(xiàn)為模型B[13 369.3 (MJ·mm)/(hm·h)])>模型A[10 893.2(MJ·mm)/(hm·h)]>模型D[9 105.8(MJ·mm)/(hm·h)]>模型C(8 100.3 (MJ·mm)/(hm·h)]>模型E[5 710.2(MJ·mm)/(hm·h)],同樣表現(xiàn)出基于日降雨量的降雨侵蝕力模型(A和B)計(jì)算的值均大于基于月降雨量模型(C、D和E)的結(jié)果。

圖4 1961—2010年田東觀測(cè)站不同降雨侵蝕力計(jì)算模型R值時(shí)間序列分布Fig.4 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Tiandong observation station from 1961 to 2010

圖5 1961—2010年北海觀測(cè)站不同降雨侵蝕力計(jì)算模型R值時(shí)間序列分布Fig.5 Time series distribution of R value of different rainfall erosivity calculation models at Beihai observation station from 1961 to 2010

綜上所述，典型4個(gè)站點(diǎn)分別用5 種降雨侵蝕力模型計(jì)算的值在喀斯特地區(qū)的離散程度遠(yuǎn)大于非喀斯特地區(qū)，表明不同模型計(jì)算的降雨侵蝕力差異較大，也進(jìn)一步說明在選用降雨侵蝕力模型時(shí)，須對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行地區(qū)適宜性分析。

喀斯特地區(qū)。不同降雨侵蝕力模型在喀斯特地區(qū)站點(diǎn)的模型有效系數(shù)()和相對(duì)偏差()如表1所示?？λ固氐貐^(qū)的10個(gè)觀測(cè)站中，有6個(gè)站點(diǎn)(融安、鳳山、河池、都安、來賓、龍州)模型B的在5種模型中最大，且均在0.89以上接近1，均低于0.05接近0，說明模型B精度在這5種模型中最高。其次精度較高的為模型D，其均大于0，且相對(duì)較小，在日降雨量資料缺失僅有月降雨量時(shí)，喀斯特地區(qū)降雨侵蝕力計(jì)算可采用模型D。模型A計(jì)算結(jié)果明顯偏大，在昆明地區(qū)的研究也表明模型A(章文波等模型)計(jì)算得到的降雨侵蝕力偏大。模型E(史東梅等模型)的計(jì)算結(jié)果較低，且得到的年值小于其余幾個(gè)模型，這可能是由于該模型基于重慶地區(qū)的降雨特征及標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)資料建立，主要適用于重慶地區(qū)。綜上所述，廣西喀斯特地區(qū)降雨侵蝕力計(jì)算，有日降雨資料時(shí)宜采用模型B，僅有月降雨資料時(shí)宜采用模型D。

非喀斯特地區(qū)。從不同降雨侵蝕力模型在廣西非喀斯特地區(qū)站點(diǎn)的模型和(表2)可以看出，在非喀斯特地區(qū)選取的13個(gè)觀測(cè)站中，除了蒙山，其余12個(gè)觀測(cè)站均為模型D的(平均值為0.967)高于其余4個(gè)模型，(平均值為0.033)均低于0.11，且在蒙山站模型C與模型D計(jì)算的值差異較小(分別為0.897和0.840，分別為0.059和0.102)，說明模型D在衡量廣西非喀斯特地區(qū)降雨侵蝕力時(shí)效果較好。另外，模型E在4個(gè)站點(diǎn)(賀州、田東、桂平和玉林)的為負(fù)值，其他模型的均為正值，表明基于重慶地區(qū)降雨特征及實(shí)測(cè)侵蝕數(shù)據(jù)建立的模型E不適用于廣西地區(qū)。

3 結(jié)論

(1)在廣西地區(qū)，基于日降雨資料的降雨侵蝕力模型(章文波等和CREAMS模型)計(jì)算結(jié)果大于基于月降雨資料模型(吳素業(yè)、鄭海金等和史東梅等模型)的結(jié)果。

表1 喀斯特地區(qū)各觀測(cè)站不同降雨侵蝕力模型有效系數(shù)(Ef)和相對(duì)偏差(Er)Table 1 Effective coefficient (Ef) and relative deviation (Er) of different rainfall erosivity models for different observation stations in the karst area

(2)在喀斯特地區(qū)的10個(gè)站點(diǎn)中，有6個(gè)站點(diǎn)模型B(CREAMS模型)的穩(wěn)定性較好，具有較大的有效系數(shù)和較小的相對(duì)偏差，表明基于日降雨量的模型B在喀斯特地區(qū)較為適用；當(dāng)僅有月降雨量資料時(shí)，宜采用模型D(鄭海金等模型)。

表 2 非喀斯特地區(qū)各觀測(cè)站不同降雨侵蝕力模型有效系數(shù)(Ef)和相對(duì)偏差(Er)Table 2 Effective coefficient (Ef) and relative deviation (Er) of different rainfall erosivity models for different observation stations in the karst area

(3)在非喀斯特地區(qū)的13個(gè)站點(diǎn)中，有12個(gè)站點(diǎn)模型D(鄭海金等模型)穩(wěn)定性較好,具有較大的有效系數(shù)(平均值為0.967)和較小的相對(duì)偏差(平均值為0.033)，表明基于月降雨量的鄭海金等模型在非喀斯特地區(qū)較為適用。