成都市降雨量及降雨侵蚀力年内分布特征研究

(重庆水利电力职业技术学院 ，重庆 402160)

降雨侵蚀力因子反映雨滴击溅所引起土壤侵蚀的潜在能力[1]，是导致水力侵蚀的主要驱动因子，也是通用土壤流失方程的重要因子[2]。大量学者对降雨侵蚀力特征进行了研究。章文波等[3]利用全国564个测站1971～1998年的逐日降雨资料，估算全国降雨侵蚀力，分析其空间分布特征。李钢等[4]以浙江省1980～2009年逐日降雨资料为基础，采用3种日降雨侵蚀力模型对降雨侵蚀力的年际变化、年内分配以及空间分布的相似性方面进行对比研究。刘斌涛等[5]以西南山区129个气象站逐日降雨量资料(1960～2009年)为基础，计算各个气象站的降雨侵蚀力，分析了西南山区降雨侵蚀力的时空分布特征。宁丽丹和石辉[6]利用修正的降雨侵蚀力计算模型，估算了西南地区的南宁、贵阳、重庆、昆明、成都5地1971～1973年降雨侵蚀力的季节变化特征。张照录和薛重生[7]采用日降雨侵蚀力模型计算了湖北三峡库区近10 a降雨侵蚀力变化特征，其数值在2 828～6 701 MJ·mm/(hm2·h)之间，降雨侵蚀力值的年内分配并无明显的差异。陈东东等[1]利用四川省147个气象站1961～2012年的日降雨量数据计算降雨侵蚀力，分析四川省降雨侵蚀力的统计特征及时空分布。成都市所在的四川盆地是我国暴雨中心之一，降雨量较大且集中在6～9月，该区域土壤类型为紫色土，其结构松散、黏结性差、易侵蚀，极易形成严重的水土流失[8-10]。刘斌涛等[10]利用四川省土壤流失方程对成都市土壤侵蚀状况进行定量评价，认为成都市土壤侵蚀状况总体上不严重，但土壤侵蚀对成都市生态环境质量影响严重。李咏红等[11]利用土壤侵蚀、生境和酸雨3个生态环境因子评价成都市生态环境敏感性，结果表明成都市土壤侵蚀敏感性以不敏感和轻度敏感为主，占成都市土地面积的65.73%，高敏感和极敏感占13.78%。李昕翼等[12]研究了成都地区1960～2009年降雨资料的时空分布规律，降雨量呈现减小的变化趋势，7月和8月的降雨量占全年降雨量的47%。尽管目前许多学者对成都市土壤侵蚀及降雨量时空分布进行研究，但关于该区域降雨侵蚀力年内分布特征的研究较少。因此，开展该区域降雨侵蚀力的准确估算与土壤侵蚀评估十分必要。基于此，本文以成都市1991～2010年逐日降雨数据为基础，分析降雨量和降雨侵蚀力的分布特征，为该区域土壤侵蚀的定量预测、预报与评价提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

成都市位于四川盆地西部，102°54′E～104°53′E，30°05′N～31°26′N，境内地势平坦，地形地貌为平原、丘陵和山地，属亚热带湿润季风气候，年平均气温15.2℃，多年平均降水量1 093 mm，主要集中在夏季，多暴雨。该区土壤以水稻土、潮土、紫色土为主，地带性植被为亚热带季风常绿阔叶林。成都市土地面积为12 122 km2，水力侵蚀面积为1 041.54 km2，其中轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积占水力侵蚀总面积的73.35%，19.83%，3.07%，1.89%，1.86%，平均土壤侵蚀模数为293.27 t/(km2·a)。成都市土壤侵蚀呈现“圈层状”空间格局，从中心圈向外土壤侵蚀不断加剧[10，13]。

1.2 研究方法

本研究涉及的数据与资料为1991～2010年20 a的逐日降雨数据，来自成都气象站。在计算降雨侵蚀力前，首先要确定降雨侵蚀力计算模型和侵蚀性降雨的标准。目前，关于降雨侵蚀力计算模型有基于年降雨量、月降雨量和日降雨量3种，年或月降雨量资料虽然容易获取，但计算结果偏差较大，日降雨量计算结果精度相对较高，能够准确地反映降雨侵蚀力的分布特征[14]。我国关于侵蚀性降雨的标准受到研究区域的影响有所不同，主要有日降雨量不小于9.2，9.8，10.0，12.0，12.3，12.7，13.0 mm等多个标准，侵蚀性降雨标准的不同直接影响降雨侵蚀力的计算结果。李林育等[15]确定紫色丘陵区侵蚀性降雨的标准为11.3 mm，周大淜等[16]指出紫色丘陵区土壤抗蚀性优于黄土地区、黑龙江及云南滇东北地区，侵蚀性降雨的标准要偏大。吴昌广等[17]认为在基于日降雨量计算降雨侵蚀力时通常采用12.0 mm作为侵蚀性降雨标准。因此，本文研究将日降雨量不小于12.0 mm作为侵蚀性降雨，并按照公式(1)计算研究时段内的降雨侵蚀力。

R=2.294 4P+0.066P2

(1)

式中，R为次降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)；P为次降雨量，mm，P≥12.0 mm。

2 结果与分析

2.1 降雨量分布特征

由表1可知，成都市多年平均降雨量的最大值、最小值、平均值均呈现先增大再减小的变化趋势，为单峰式分布型，降雨量最大值出现在8月份，为245.79 mm，占全年降雨量的27.76%，最小值出现在12月份，为8.38 mm，占全年降雨量的0.95%；成都市多年平均降雨量峰值分布在6～9月份，分别为105.61，205.32，245.79，108.77 mm，占全年降雨量的75.18%。由多年平均降雨量的最大值与最小值的比值(最大值/最小值)可知，各个月份比值在2.98～30.13之间，平均为8.64，最大值出现在2月份，说明研究时段内2月份成都市降雨量存在较大的波动，即年际变化明显，降雨量分布不均匀；3～11月份降雨量的比值波动较小，在5.25上下波动，其离散程度较小，说明该时段多年降雨量分布较为均匀，无明显波动。此外，成都市多年平均降雨天数的变化趋势与多年平均降雨量相一致，即先增大再减小，6～9月降雨天数占全年的46.02%，其中最大值出现在8月份，为19.1 d。

表1 成都市多年平均降雨分布特征Tab.1 Distribution characteristics of annual mean rainfall in Chengdu

成都市降雨量主要集中在汛期(6～9月份)，暴雨频繁，年均在2 d以上[10]。强降雨增加了雨滴的终点速度和打击动能，降雨侵蚀力显著增加，也加大了溅蚀发生的可能性。当降雨发生在植被覆盖度较低的坡耕地或生产建设项目区时，会发生严重的水土流失，这不仅与紫色土易侵蚀的土壤特性有关，也与地表植被覆盖度关系密切；同时，成都市特有的地形地貌加快了地表径流的汇集，这也加大了土壤侵蚀发生速度和程度。当降雨发生在建筑物、沥青、水泥马路等人为地貌单元时，不透水地面会降低土壤水分入渗能力，造成城市内涝问题，也减少水资源的补给。据成都市水资源公报显示[18-20]，2012年和2015年成都市水资源总量相比2010年减少16.61%和32.57%，属于水资源缺乏地区。

2.2 侵蚀性降雨分布特征

图1为成都市多年侵蚀性降雨分布特征。由图1可知，成都市多年平均侵蚀性降雨量先增大再减小，其变化特征与多年平均降雨量相一致，最大值为211.4 mm，出现在8月份，最小值为0，出现在1月份。从侵蚀性降雨量占多年平均降雨量和当月降雨量的比例可知，两者的变化特征与侵蚀性降雨量一致，其中7，8月份侵蚀性降雨量为169.4 mm和211.4 mm，分别占多年平均降雨量的19.14%和23.89%，占当月降雨量的82.51%和86.01%，该时段侵蚀性降雨发生的程度和频率较高，容易形成侵蚀性降雨，这与宁丽丹和石辉[6]的研究结果相一致。成都市发生侵蚀性降雨的天数先增大再减小，具有明显的峰值，7，8月份发生侵蚀性降雨天数为7.8 d和5.1 d。从侵蚀性降雨天数占多年平均降雨天数和当月降雨天数的比例可知，7月份和8月份侵蚀性降雨天数占多年平均降雨天数的8.55%，占当月降雨天数的68.26%，三者具有较好的相关性。

图1 成都市多年侵蚀性降雨分布特征Fig.1 Distribution characteristics of annual erosive rainfall in Chengdu

无论是侵蚀性降雨量还是侵蚀性降雨天数，均表现为8月份最大，7月份较大，1月份最小，说明7，8月份容易发生侵蚀性降雨，因此应加强该时段内水土流失的防治，特别是生产建设项目的施工，在开挖、扰动和堆弃土体的情况下，由于植被覆盖度和下垫面微地形地貌的改变，溅蚀、面蚀、沟蚀等水力侵蚀的侵蚀强度会有所增强，松散土体在地表径流冲刷下极易发生水土流失，且其水土流失强度和程度会显著增大。因此，生产建设项目应尽量避开土壤侵蚀高发期，同时加强该时段生产建设项目水土流失监测、防治与监督，以最大程度地降低该区域水土流失量，减小水土流失发生的可能性。

2.3 降雨侵蚀力分布特征

表2为成都市降雨侵蚀力分布特征。由表2可知，成都市降雨侵蚀力年内分布呈单峰式分布型，主要集中在6～9月，这与李林育等[15]的研究结果相一致。成都市降雨侵蚀力7，8月份较大，其数值为1 000.65 MJ·mm/(hm2·h)和1 008.97 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的68.79%，最小值为0，出现在1月份。各月降雨侵蚀力占全年比例的变化规律与降雨侵蚀力年内分布相一致，呈先增大后减小的变化趋势，6，7，8，9月份降雨侵蚀力占年降雨侵蚀力的9.85%，34.25%，34.54%，10.98%。各月(1月份除外)降雨侵蚀力的变异系数在49.94%～300.00%之间，6～9月份为中等变异性，其余月份为强变异性，说明研究时段内各月降雨侵蚀力波动程度大，变化显著。成都市降雨侵蚀力具有明显的季节性分布特征，各个季节降雨侵蚀力(MJ·mm/(hm2·h))大小依次为夏季(2 297.46)>秋季(350.06)>春季(262.85)>冬季(11.20)。降雨侵蚀力主要集中在夏季，占全年的78.64%，说明夏季不仅降雨量大，降雨侵蚀力也较强。陈东东等[1]也得出了类似的结论。春季和冬季的降雨侵蚀力较小，所占比例也小，但降雨侵蚀力的变异系数较大，分别为90.30%和150.57%，达到中等变异或强变异性，说明冬季降雨侵蚀力变化十分明显。

成都市的多年平均降雨侵蚀力为2 921.57 MJ·mm/(hm2·h)，最大值为3 833.17 MJ·mm/(hm2·h)，最小值为1 830.96 MJ·mm/(hm2·h)，最大值与最小值相差2 002.21 MJ·mm/(hm2·h)，最大值为最小值的2.09倍，变异系数为21.96%，属于中等变异，说明成都市降雨侵蚀力年际变化显著。采用回归分析建立降雨侵蚀力与降雨量、降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量的相关性方程(见图2)。由图2可知，降雨侵蚀力与降雨量、降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量均具有显著的线性正相关关系，即降雨侵蚀力随着多年平均降雨量和多年平均侵蚀性降雨量的增加而增大，其中降雨侵蚀力与降雨量回归方程的决定系数为0.676 2，降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量回归方程的决定系数为0.710 9，说明年降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量的相关性更好，这与Lai等[21]研究结果相一致。

表2 成都市降雨侵蚀力分布特征Tab.2 Distribution characteristics of rainfall erosivity in Chengdu

图2 降雨侵蚀力与降雨量和侵蚀性降雨量的相关性Fig.2 Correlation between rainfall erosivity and rainfall and erosive rainfall

降雨侵蚀力是计算土壤流失量的重要指标参数，降雨侵蚀力越大，其造成的土壤流失量也越大。相关研究表明[15]，在未发生侵蚀性降雨时，尽管降雨次数较多，其土壤流失量也仅为总流失量的0.05%；而大于20 mm降雨量所导致的土壤流失量占总侵蚀量的96.75%，这说明土壤流失多发生在暴雨或大暴雨条件下，一次降雨就产生严重的土壤流失。

3 结 论

成都市多年平均降雨量年内变化呈现先增大再减小的变化趋势，8月降雨量最大，为245.79 mm，占全年降雨量的27.76%；多年平均侵蚀性降雨量和侵蚀性降雨天数的变化趋势与降雨量相一致，7，8月份侵蚀性降雨量占多年平均降雨量的43.03%，侵蚀性降雨天数占多年平均降雨天数的8.55%。多年平均降雨侵蚀力为2 921.57 MJ·mm/(hm2·h)，主要集中在6～9月，7，8月份为1 000.65 MJ·mm/(hm2·h) 和1 008.97 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的68.79%；降雨侵蚀力具有明显的季节性分布特征，依次为夏季>秋季>春季>冬季，夏季的降雨侵蚀力为2 297.46 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的78.64%；成都市降雨侵蚀力年际变化显著，降雨侵蚀力与降雨量、降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量均具有显著的线性正相关关系，降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量的相关性优于降雨侵蚀力与降雨量的相关性。