紫色丘陵区侵蚀性降雨与降雨侵蚀力特征

2013-12-16李林育王志杰焦菊英

中国水土保持科学 2013年1期

李林育，王志杰，焦菊英，3†

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，610041，成都;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

降雨是造成水土流失发生、发展的重要外部动力条件，是引起土壤侵蚀的主要因子之一。降雨侵蚀力指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，与降雨强度、降雨量、降雨历时等降雨参数有关，反映了气候因素对土壤侵蚀的作用能力。如何准确评估计算降雨侵蚀力，对定量预报土壤流失具有重要意义［1］。降雨侵蚀力值的经典计算方法是美国W.H.Wischmeier等［2-3］提出的EI30方法，采用此方法计算，需要多年的次降雨观测资料，并且需要计算降雨动能，其计算方法繁琐而且对降雨资料的要求较高，在一般地区难以实现［4］。为此，有学者研究发展了降雨侵蚀力的简易算法，即利用常规的降雨资料如次降雨量、日降雨量、月降雨量和年降雨量等来估算降雨侵蚀力R 值［5-10］，并得到广泛应用。其中章文波等［10］提出的利用日降雨量计算降雨侵蚀力的方法在我国南方降雨量丰富的地区被证实具有很高的稳定性和预测精度。

自然界中，不是所有的降雨都能引起土壤侵蚀;因此，在降雨侵蚀力计算中，必须引入侵蚀性降雨的概念，即能产生地表径流、引起土壤侵蚀、真正意义上发生土壤流失的降雨量。1978年，USLE第2版中第1次提出侵蚀性降雨标准，认为一次降雨如果＜12.7 mm或一次降雨＜15 min，且降雨量＜6.5 mm，则在降雨侵蚀力计算中剔除，但并没有交代确定该标准的方法，也没有具体说明该标准对计算降雨侵蚀力的影响，只是指出小于该标准的降雨引起的土壤流失量很小［2］。在我国，有学者应用频率分析法［11］、基于产流发生侵蚀的降雨样本［12-14］、以漏选而发生侵蚀的降雨侵蚀力之和等于多选而不发生侵蚀的降雨侵蚀力之和为原则［15］以及径流小区实测［16-17］等方法，分别建立了黄土高原、黑龙江、云南滇东北和川中丘陵区(南充县坡耕地坡面、遂宁组母质侵蚀区)等地的侵蚀性降雨标准。我国学者在应用日降雨量计算降雨侵蚀力方法时，通常采用12 mm作为侵蚀性降雨标准［30］，然而，侵蚀性降雨标准存在区域性差异，不同地区侵蚀性降雨标准不同，甚至同一地区不同试验点所得出的结果也不一致;因此，不能用某一试验点的研究结果替代区域级特征。研究较大空间尺度的侵蚀性降雨标准需在多地、多水文径流泥沙资料的基础上运用数学和统计学方法进行合理分析。

四川盆地紫色丘陵区是我国紫色土集中分布区，其与四川盆地这一特殊的地貌类型相结合构成了一种典型的不同于西北黄土区、东北黑土区以及南方红壤区的侵蚀类型区。该地区降雨集中且强度大，加之紫色土松散，黏结性差，极易被地表径流剥蚀和搬运，故而水力侵蚀是该区的主要侵蚀类型。而该地区关于影响土壤侵蚀的主要因素降雨因子的研究，目前主要集中在利用小区定位观测法、小流域定点观测法、人工模拟降雨条件下的微型小区观测法等方法研究降雨侵蚀力与产流产沙量之间的关系［18-20］。对于较大空间尺度上的降雨侵蚀力空间分布特征方面的研究少见报道;然而，降雨侵蚀力的空间分布反映了区域气候对土壤侵蚀的作用，对于区域水土保持规划和生产实践具有重要意义［1］。基于此，笔者利用紫色丘陵区多年实测降雨资料，应用频率分析法，确定该地区侵蚀性降雨的一般雨量标准，揭示该地区侵蚀性降雨及其土壤侵蚀特征，进而运用降雨侵蚀力日降雨量计算方法，并采用本研究确定的侵蚀性降雨标准，计算该地区降雨侵蚀力，分析其空间分布，年内、年际分布以及雨量量级分布特征，以期为该地区土壤流失量定量预报、水土保持规划提供数据支持和科学依据。

1 研究区概况

紫色丘陵区(图1)属中亚热带湿润气候型，区内年均气温16～18℃，日照时间1 000～1 300 h/a，多年平均降雨量800～1 600 mm，且年内分配极不平衡，夏季降雨量占全年的65%，通常以大暴雨形式出现，许多地区1 d最大降雨量可达100～250 mm，局部地区24 h降雨量可达800～1 000 mm［21］。区内地貌类型包括低山、丘陵和平原，在地质构造上，主要以侏罗系、白垩系紫色砂、页岩为主，也有部分三叠系、少量第三系的紫色砂、泥岩和砾岩。主要发育由紫色页岩类风化而成的紫色土［22］。植被区划属于湿润常绿阔叶林亚区域中的中亚热带常绿阔叶林地带，植被组合有亚热带常绿阔叶林、低山常绿针叶林、竹林和亚热带草丛［23］。由于人口密度大，人均耕地少，垦殖指数高，森林覆盖率低等原因，区内水土流失比较严重，水土流失面积达到668万hm2，年均侵蚀量3 173亿t，平均侵蚀模数达4 886 t/(km2·a)，其水土流失面积及土壤流失量分别占全省的13.8% 和 36.7%［24-25］。

2 数据与方法

图1 紫色丘陵区区划图Fig．1 Zoning map of the purple hilly area

2.1 数据来源

利用遂宁站、升钟站、岳池站、简阳站4个站点20°左右的顺坡休闲农耕地小区共101场侵蚀性降雨资料确定侵蚀性降雨标准，并结合上述各站和蒲江站、大竹站、井研站、蓬溪站的多年降雨侵蚀资料，分析侵蚀性降雨特征与其侵蚀特征。径流小区和小流域资料主要来源于四川省水土保持局整编的《四川省水土保持试验站观测成果(1984—2001)》，其他观测资料下载自地球系统科学数据共享网《紫色土数据集》和《紫色土试验示范数据集(1984—1994)》，部分数据由刘刚才和王玉宽老师提供。

降雨侵蚀力分析中采用的降雨资料由北京师范大学谢云教授提供，包括遂宁、南充、巴中、广元、阆中、达县、资阳、内江、宜宾、泸州等10个雨量站数据(图1)，时段为1951—2007年。

2.2 侵蚀性降雨标准的确定

对于紫色丘陵区侵蚀性降雨的一般雨量标准的确定，借鉴王万忠［11］的研究方法，将101场侵蚀性降雨资料随机抽取70场作为运算数据，另外31场资料作为验证数据，把所有侵蚀性降雨的雨量按大小顺序递减排列，并将其相应的土壤侵蚀量逐个累加，得到n次侵蚀性降雨的总侵蚀量(q)，然后按雨量大小变化把它分为若干等级，求出大于某一雨量(P)的累计侵蚀量(Q)占总侵蚀量(q)的比例(PQ)，剔除允许土壤流失量后的累积土壤侵蚀量占总侵蚀量时的PQ所对应的雨量作为侵蚀性降雨的一般雨量标准。其中，PQ的计算式为

点绘P-PQ关系曲线后，求得如下关系式:

式中:PQ为侵蚀累积比例，%;Q为累计侵蚀量，kg;q为总侵蚀量，kg;P为相应的雨量标准，mm。

2.3 降雨侵蚀力的计算方法

采用章文波等［10］提出的利用日降雨量资料计算降雨侵蚀力的方法计算紫色丘陵区的降雨侵蚀力，但侵蚀性降雨量按11.3 mm计算。其中，降雨侵蚀力年际变化特征采用3种指标表示:一是离差系数Cv;二是最大年R值与平均年R值的比值;三是最大年R值与最小年R值的比值系数。

3 结果与分析

3.1 侵蚀性降雨特征

3.1.1 侵蚀性雨量标准根据紫色丘陵区的土壤流失特征，并参考黄土高原侵蚀性降雨的雨量标准，规定允许的土壤流失量可占总流失量的10%以下，即拟定的侵蚀性降雨的一般雨量标准所引起的土壤流失量应占总流失量的90%以上。令PQ=90%，运用70场侵蚀性降雨资料，由式(2)求得P=11.3 mm。

运用31场未参与侵蚀性降雨标准拟合的验证数据，利用式(1)，计算大于11.3 mm降雨量的累积侵蚀量占总侵蚀量的比例，得到PQ=99.1%，说明小于11.3 mm降雨量引起的土壤流失量只占总流失量的0.9%，次最大土壤流失量仅为60.0 t/km2;因此，可以认为紫色丘陵区顺坡休闲农耕地的侵蚀性雨量标准为11.3 mm。

3.1.2 侵蚀性雨量年内分布与侵蚀特征主要水土保持试验站的侵蚀性降雨量及其年内分布特征见表1。可以看出:紫色丘陵区侵蚀性降雨量占多年平均降雨量的60%以上，主要集中于5—9月，占年均侵蚀性降雨量的86.5% ～96.0%，其中6—8月所占比例最大，为59.1% ～74.7%，大部分地区1、2和12月没有侵蚀性降雨发生。在空间分布上，丘陵区西部的蒲江站年均侵蚀性降雨量值最大，为911.7 mm，中部蓬溪站年均侵蚀性降雨量值最小，为483.5 mm。年均侵蚀性雨量占多年平均雨量值比例最大的为丘陵区中部西南侧的简阳站，达到73.1%，比例最小的是蓬溪站，为60.3%。

表1 主要水土保持试验站的侵蚀性降雨量及其年内分布特征Tab．1 Erosive rainfall and its distribution within the year in the main soil and water conservation experiment stations

表1(续)

结合径流小区实测的降雨侵蚀产沙资料，并考虑到水土保持措施因素对侵蚀性降雨与土壤侵蚀特征关系的影响，选用未受人类活动干扰，并且在同等土地利用方式即顺坡耕作下(主要种植作物为苎麻(Boehmeria nivea))的径流小区降雨产沙资料进行分析，结果见表2。可以看出:在顺坡耕作区，5—9月份土壤侵蚀量随侵蚀性降雨量的增加而增大，其中，7、8月年均侵蚀性降雨量和土壤侵蚀量最大(岳池站除外)，其他3个月之间的变化规律较不明显。3.1.3 量级分布与侵蚀特征以井研站1985—1990年径流小区(小区面积为48.0 m2)观测的次降雨产流产沙情况为基础进行统计分析，结果见表3。可以看出:虽然雨量在11.3 mm以下的降雨次数多达323次，占总降雨次数的69.6%，但产流却只有1次，其土壤侵蚀量也只有0.15kg，占总流失量的0.05%，这一雨量级对土壤侵蚀影响不大;而20 mm以上降雨，引起的土壤流失量为290.4 kg，占总侵蚀量的96.75%，其中雨量为50.1～100 mm之间的降雨有16次，只占总降雨次数的3.4%，其产流次数为14次，占11.3 mm以上总产流次数的22.6%，产流率达到87.5%，其土壤流失量最多，为141.2 kg，占总侵蚀量的47.0%。

6年间5—9月份＞30 mm雨量的侵蚀性降雨45次，仅占总降雨次数的9.7%，然而，由此产生的侵蚀量高达275.0 kg，占总侵蚀量的91.5%。可知，紫色丘陵区土壤侵蚀主要是由少数几次暴雨和大暴雨引起的，这些暴雨与大暴雨集中分布在5—9月份。从另一方面来看，分级雨量越大，产生的土壤侵蚀量越大，特别是次降雨量大于100 mm的降雨，平均次侵蚀强度高达532.9 t/km2，一次降雨就足以使顺坡耕地产生的侵蚀量超过水利部颁布的年土壤容许流失量［26］。

坡面采取了横坡耕作措施以后，也显示出土壤侵蚀主要发生在较大雨量级，特别是大暴雨级(＞100 mm)，2次降雨产生侵蚀量占总侵蚀量的28.6%(表4)。然而，侵蚀量比未采取耕作措施的小近1/2。

3.2 降雨侵蚀力

3.2.1 空间分布紫色丘陵区主要站点降雨侵蚀力年内分配比例见图2。可以看出，紫色丘陵区年均R值空间分布差异较大，基本上介于5 000～6 500 MJ/(mm·hm2·h)之间(除巴中站为7 182.9 MJ/(mm·hm2·h)外)，由丘陵区周边向中部逐渐减小，研究区北部大于南部，西部大于东部，其中丘陵区北部的巴中、达县、阆中的年均降雨侵蚀力均超过6 000 MJ/(mm·hm2·h)。多年平均R值最大的测站为巴中站，R 值为7 182.9 MJ/(mm·hm2·h)，R 值最小的测站是研究区中部的遂宁站，R值为5 079.0 MJ/(mm·hm2·h)，极差达到 1 322.1 MJ/(mm·hm2·h)。

表2 顺坡耕作5—9月的侵蚀性降雨量与土壤侵蚀量Tab．2 Erosive rainfall and soil erosion amount in the downslope cultivation land plots between May and September

表3 井研站1985—1990年分级雨量降雨次数与顺坡耕地土壤侵蚀量Tab．3 Frequency of different rainfall levels and graded erosion amount in the downslope cultivation land plots from 1985 to 1990

表4 井研站1985—1990年分级雨量降雨次数与横坡耕地的土壤侵蚀量Tab．4 Frequency of different rainfall levels and graded erosion amount in the contour cultivation plots from 1985 to 1990

图2 紫色丘陵区主要站点降雨侵蚀力年内分配比例Fig．2 Proportion of monthly rainfall erosivity in purple hilly area

3.2.2 年内分布由图2和表5可以看出:紫色丘陵区R值主要分布在5—10月，占年R值的89%以上，其中，6、7、8 或7、8、9 月可占年 R 值的 60%以上，7、8月可占年R值的40%以上，R值的月分布集中程度比较高;11月至翌年的4月，6个月的R值仅占年R值的3.0% ～10.2%，部分地区1和12月的R值为0，其中，10个站的月R值最大值均为7月，广元、资阳及宜宾7月的R值相对较大，分别占年R值的32.8%、32.8%和30.5%，宜宾、资阳及内江8月的R值相对较大，分别占年R值的26.1%、25.1%和24.2%。

3.2.3 年际分布从表6的结果可以看出，紫色丘陵区R值的年际变化离差系数Cv值变化于0.3～0.5之间，属于中等变异程度，北部大于中部和南部地区，其中阆中和内江的离差系数最大，资阳的离差系数最小。最大年R值为平均年R值的1.7～2.4倍，地区间差异不大，其中内江最大，为2.4倍，遂宁最小，为1.7倍，最大年R值与最小年R值的比值系数基本变化在3.9～8.6倍之间，其中内江最大，资阳最小。

表5 紫色丘陵区主要站月、年降雨侵蚀力Tab．5 Monthly and annual rainfall erosivity in purple hilly area

表6 紫色丘陵区主要站降雨侵蚀力的年际变化特征Tab．6 Variation characteristics of annual rainfall erosivity in purple hilly area

4 结论与讨论

1)紫色丘陵区顺坡休闲农耕地侵蚀性降雨的一般雨量标准为11.3 mm。

这一结果略高于利用同一方法计算的国内其他地区，如黄土地区农耕地侵蚀性降雨的一般雨量标准为9.9 mm，黑龙江及云南滇东北地区的基本雨量标准分别为9.8和9.2 mm。这可能与不同地区土壤抗蚀性特征有关，紫色丘陵区土壤抗蚀性较其他地区好［27］。同时，黄土地区主要为超渗产流，当降雨强度超过了土壤的入渗速度，就会形成坡面径流［28］，而紫色丘陵区主要以蓄满产流为主，这也可能是导致2个地区侵蚀性降雨标准差异的原因。另外，研究仅对侵蚀性降雨的一般雨量标准进行了分析，由于缺少实测降雨强度数据，没有分析侵蚀性降雨的降雨强度特征，而降雨最大强度是影响暴雨侵蚀力的最重要的特征之一［28］;因此，今后应增加降雨过程的观测，以便获得不同的降雨强度指标，提出适合于该区的侵蚀性降雨的降雨强度标准。

2)紫色丘陵区侵蚀性降雨占多年平均总降雨量的60%，丘陵区边缘地区侵蚀性降雨量大于丘陵区中部地区。次降雨量与土壤侵蚀量是密切相关的，暴雨侵蚀是水土流失防御的重点事件，且7—8月是紫色丘陵区水土保持的关键时期;但耕作措施可削弱降雨对土壤侵蚀的影响，因此，在紫色丘陵区除改善工程措施外，应实行免耕、少耕或水土保持耕作法，以增加混作套种，增大作物覆盖，减少水土流失［16］。

3)紫色丘陵区年均R值介于5 000～6 500 MJ/(mm·hm2·h)之间。不同地区间R值与侵蚀性降雨的空间分布趋势基本相同。年R值的年内集中度较高，主要分布在5—10月份，可占年R值的89%以上;降雨侵蚀力的年内变化趋势与我国西北黄土区［29］、东北黑土区［16］、南方地区［30］等地的研究结果基本一致，这与我国大部分地区所处的亚热带大陆性季风气候环境有关［31］。R值的年际变化也较大，达到中等程度变异，不同地区的R值年际变化差异较大，但并未表现出明显的随时间变化的增减趋势。

中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所刘刚才研究员和北京师范大学谢云教授为本研究提供了部分径流小区水文泥沙资料和降雨资料，在此表示诚挚的感谢。

［1］章文波，谢云，刘宝元.中国降雨侵蚀力空间变化特征［J］.山地学报，2003，21(1):33-40

［2］ Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses:a guide to conservation planning［M］.USDA Agricultural Handbook，1978:537

［3］ Wischmeier W H，Smith D D.Rainfall energy and its relationship to soil loss［J］.Transactions，American Geophysical Union，1958，39(2):285-291

［4］伍育鹏，谢云，章文波.国内外降雨侵蚀力简易计算方法的比较［J］.水土保持学报，2001，15(3):31-34

［5］ Arnoldus H M J.Methodology used to determine the maximum potential average annual soil loss due to sheet and rill erosion in Morocco［J］.FAO Soils Bulletin，1977，34:39-51

［6］ Ferro V，Giordano G，Iovino M.Isoerosivity and erosion risk map for Sicily［J］.Hydrological Sciences Journal，1991，36:549-564

［7］ Renard K G，Freimund J R.Using monthly precipitation data to estimate the R-factor in the Revised USLE［J］.Journal of Hydrology，1994，157:287-306

［8］周伏建，陈明华，林福兴，等.福建省降雨侵蚀力指标R值［J］.水土保持学报，1995，9(1):13-18

［9］王万忠，焦菊英，郝小品，等.中国降雨侵蚀力R值的计算与分布(I)［J］.水土保持学报，1995，9(4):5-18

［10］章文波，谢云，刘宝元.利用日雨量计算降雨侵蚀力的方法研究［J］.地理科学，2002，22(6):705-711

［11］王万忠.黄土地区降雨特性与土壤流失关系的研究III:关于侵蚀性降雨的标准问题［J］.水土保持通报，1984，4(2):58-63

［12］江忠善，李秀英.黄土高原土壤流失方程中降雨侵蚀力和地形因子的研究［J］.中国科学院西北水土保持研究所集刊，1988(7):40-45

［13］张宪奎，卢秀琴，詹敏，等.土壤流失预报方程中R指标的研究［J］.水土保持科技情报，1991(4):48-49

［14］杨子生.滇东北山区坡耕地土壤流失方程研究［J］.水土保持通报，1999，19(1):1-9

［15］谢云，刘宝元，章文波.侵蚀性降雨标准研究［J］.水土保持学报，2000，14(4):6-11

［16］吕甚悟，李君莲.降雨及土壤湿度对水土流失的影响［J］. 土壤学报，1992，29(1):94-103

［17］孙佳，何丙辉，吴咏，等.不同降雨条件下紫色土母质水沙输移动态研究［J］.水土保持研究，2007，14(4):457-459