关川河流域1995－2010年降雨特征及其水土流失效应

李海防，卫 伟，邓居礼，王丽君

（1.中国科学院 生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京 100086；2.桂林理工大学 旅游学院，广西 桂林 541004；3.定西水文水资源勘测局，甘肃 定西 743000）

甘肃省定西市位于黄土高原西部半干旱区，年平均降水量在500mm以下，水土流失是当地最为严重的生态环境问题，严重制约着当地社会经济的可持续发展［1－3］。降雨是黄土高原土壤侵蚀的主要动力，降雨的时空变化对土壤侵蚀产生重要的影响，与流域水土流失存在着复杂的关系［4］。前人对黄土高原降雨时空分布［5－7］，坡面降雨水蚀过程［8－9］及模拟降雨侵蚀［10－12］进行了大量研究，但对特定地区降雨量、降雨侵蚀力及产流产沙过程的系统分析还需要加强［13］。因而，本研究以甘肃省定西市关川河流域为研究对象，利用1995—2010年的逐日降雨及流域出水口的河川径流量和输沙量观测资料，分析降雨及水土流失的统计特征。研究结果对深入了解关川河流域降雨特征与水土流失的关系，优化黄土高原治理等方面均具有重要的参考价值。

1 研究区概况

关川河流域位于 35°17′—36°14′N，104°11′—105°01′E，属黄土高原丘陵沟壑区。关川河发源于甘肃省定西地区境内，在郭城驿汇入祖厉河，全长约100km，流域面积3535 .45km2。流域海拔在1420 ～3941 m，属中温带半干旱气候，年平均气温为7.2℃，无霜期122～160d，年平均降水量370mm，年蒸发量1400 mm以上。长期以来，受自然、人为等多种因素的影响，该区沟壑纵横，梁峁起伏，植被稀疏，黄土裸露，水土流失严重，平均年土壤侵蚀模数为5252 .7t／（km2·a）［14］。

2 研究方法

2.1 数据来源

所用数据来源于定西市水文水资源勘测局，包括郭城驿、巉口、红土和内官营等4个雨量站。以1995—2010年每年5—9月的数据代表年度数据，对降雨及流域出水口的河川径流量和输沙量进行统计特征分析，逐日、逐月、逐年地统计不同强度的日降雨量、出现次数及频率，分析日降水量的均值和标准差等统计特征；分析月、年不同尺度降雨量、侵蚀性降雨的变化趋势，计算降雨侵蚀力的月、年值和趋势变化［15］。

侵蚀性降雨采用以日降雨≥12mm为侵蚀性降雨的划分方法，降雨量＜12mm的日降雨视为小雨。土壤侵蚀力利用日降雨量参数估计模型对待定系数α和β 进行计算，其公式为［16－17］:

式中:Pd12——日雨量≥12mm的日平均雨量（mm）；Py12——日雨量≥12mm 的年平均雨量（mm）；Pj——第j天的侵蚀性日雨量；m——侵蚀性降雨日数；R值——年平均降雨侵蚀力值﹝MJ·mm／（hm2·h·a）﹞。

2.2 数据处理

应用SPSS 13.0软件对降雨量、河川径流量、侵蚀性降雨量、降雨侵蚀力和输沙量等进行因子分析和相关分析，采用LSD法检验差异的显著性。

3 结果与讨论

3.1 关川河流域5－9月降雨量分布特征

定西地区的降雨事件主要发生在5—9月［3］。统计关川河流域1995—2010年5—9月降雨量可以看出，6—8月是降雨最为集中的月份。不同月份日降雨平均值、日降雨变幅和降雨日数详见表1。由表1可以看出，最大日降雨量出现的时间和最大月降水量时间并不一致，5和9月的日平均降雨量较少，波动幅度分别在0.1～30.4mm和0.1～20.55mm。6月开始降雨量有所增加，到7—8月达到全年的最高值，最高值为8月，日平均降雨量5.96mm，月降雨量达到89.35mm；9月份降雨量又开始逐渐减少。从日降雨变幅来看，降雨量在6—8月波动相对较大，容易造成旱涝灾害。

表1 关川河流域1995－2010年5－9月降雨分布特征

并不是所有的降雨都能引起土壤侵蚀，能导致土壤侵蚀的降雨称为侵蚀性降雨。在本研究中，用侵蚀性降雨来表征降雨事件中能产生土壤水蚀作用的降雨，一般认为，当日降雨量≥12mm时才能产生降雨侵蚀［18－19］。统计结果表明，15a间全部降雨中有107场次降雨为侵蚀性降雨，占总降雨场次的9.53%；侵蚀性降雨量总计2048 .93mm，占总降雨量的39.41%。从月份分布上看（表1），侵蚀性降雨多发生在7—8月份，其中8月份侵蚀性降雨量最多，雨强最大，且侵蚀性降雨在当月降雨总量所占比例最高，达52.82%。降雨日数最低在5月，仅有198d降雨；9月份次之，有231d降雨；但9月份的侵蚀性降雨明显高于5月份。5和9月日降雨量以小于12mm为主，5月份侵蚀性降雨日数和侵蚀性降雨总量分别仅占该月降雨日数和降雨总量的6.57%和30.35%，9月份侵蚀性降雨日数和侵蚀性降雨总量分别仅占该月降雨日数和降雨总量的4.76%和20.88%。这类降水强度小，不易造成水土流失，但往往由于没有足够的水量入渗至土壤深层，且浅层的水分极易蒸发，因而这类降雨对解决地区干旱作用不大。从6月份开始，≥12.0mm的日降雨量出现频率开始增加，此类强度的降水，往往造成严重的土壤侵蚀，加剧了水土流失。

3.2 关川河流域1995－2010年降雨量分布特征

对关川河流域1995—2010年降雨特征进行分析，在观测期内（1995—2010年），共观测到1123 d降雨，降雨总量达到4866 .98mm；15a年均降雨量304.19mm，降水量年际间差异较大，变异系数为0.167。

由表2可以看出，降雨量的峰值出现在1998，2003和2007年，降雨量分别为380.07，415.10，和360.07mm；最低降雨量出现在1997和2002年，降雨量分别为191.17和197.07mm。由表2可知，15a来的降雨量总体变化趋势不明显，并没有增多或者减少的趋势，全年有降雨的天数也没有明显的变化（表1）。从侵蚀性降雨来看，每年都有10%上下的侵蚀性降雨事件造成土壤侵蚀，其雨量占全年总雨量的50%左右。关川河流域多年降雨量在204.77～413.84 mm，多年侵蚀降雨范围在63.75～241.93mm，多年降雨侵蚀力在212.51～864.67MJ·mm／（hm2·h·a）之间波动（表2）。

表2 关川河流域1995－2010年降雨量分布特征

3.3 流域出水口产流产沙特征

图1为关川河流域1995—2010年降雨量与出水口河川径流量及输沙量的变化情况。统计分析结果可知，河川径流量与输沙量趋势一致，呈极显著的线性正相关关系（R2＝0.5830 ，p＜0.001）。1995年降雨产生的河川径流量和输沙量明显大于其它年份，随后，河川径流量和输沙量呈波动减少的趋势，而降雨峰值出现的时间分别是1995，1998，200年和2007年，降雨量分别为351.13，380.07，415.10和360.07 mm。河川径流量和输沙量出现峰值的时间基本一致，说明降雨量越大，河川径流量就越大，土壤侵蚀量有增加的趋势。但河川径流除受降雨的影响外，还受到下垫面特征的影响，下垫面特征是由地形、土壤、地表覆盖等多种因素决定的［20］。因而，土壤侵蚀与降雨量在波动一致性的基础上又具有一定的差异性。另外，尽管最大降雨量出现在2003年，但由于2001和2002年的多年的持续干旱，导致2003年并没有出现明显的径流量和输沙量峰值（图1）。表明当降雨强度到达波峰时，输沙率并未立即到达波峰，而出现延后的状况。这可能是由于当表层土壤处于缺水状态时，降雨对土壤侵蚀的影响延迟，土壤侵蚀受降雨强度和前期土壤水分状况的共同影响［21］。从1995—2010年总体变化趋势看，降雨量没有明显变化趋势的情况下，河川径流量和输沙量的都呈波动减少的趋势（图1），说明水资源消耗等其他因素对水土流失的影响，也说明流域水土流失模拟的复杂性。

图1 降雨量与流域出水口河川径流量和输沙量的年际变化

3.4 水土流失影响因子间的关系分析

对关川河流域1995—2010年5—9月的降雨量、河川径流量、侵蚀性降雨量、降雨侵蚀力和输沙量等因素进行因子分析（表3）。结果表明，河川径流量与侵蚀性降雨量（p＜0.05）之间存在显著正相关关系，而与降雨量之间的线性关系不显著（p＞0.05）；输沙量只与河川径流量呈极显著线性关系（p＜0.01），与其它因子关系都不明显。说明降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力均不能独立反映流域的土壤侵蚀过程，要准确描述流域水土流失过程，还必须考虑土壤可蚀性，坡度坡长、植被变化、土地利用和土壤保持措施等多种因素的影响［22］。

表3 降雨与产流产沙相关系数

4 结论

（1）定西地区降雨事件主要发生在5—9月，7—8月达到全年的最高值，侵蚀性降雨多发生在7—8月份；1995—2010年间侵蚀性降雨占总降雨场次的9.53%，侵蚀性降雨量占总降雨雨量的39.41%。

（2）在观测期内共观测到1123 d降雨，降雨总量达4866 .98mm，年均降雨量304.19mm，1995—2010年来的降雨量总体变化趋势不明显；每年都有10%左右的侵蚀性降雨事件造成土壤侵蚀，侵蚀性降雨量约占全年总雨量的50%。

（3）河川径流量与输沙量呈极显著正相关关系（p＜0.001），河川径流量和输沙量呈波动减少的趋势；当表层土壤处于缺水状态时，降雨对土壤侵蚀的影响延迟。

（4）降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力均不能独立反映整个流域的土壤侵蚀过程；要准确描述流域水土流失过程，还必须考虑土壤可蚀性，坡度坡长、植被变化、土地利用和土壤保持措施等多种因素的影响。

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