天水市罗玉沟流域降雨量和降雨侵蚀力变化特征研究

王 满，白 娜

[黄河水土保持天水治理监督局(黄河水利委员会 天水水土保持科学试验站)，甘肃 天水 741000]

1 概 况

1.1 针对降雨侵蚀力的研究概况

降水资源是我国最重要的自然资源之一，降水是直接引起土壤侵蚀危害的主要环境动力因素。随着我国对生态安全和农业资源领域愈发重视，如何采取有效措施防范及治理土壤侵蚀已成为当下亟待探索解决的问题[1]。降雨侵蚀力(Rainfall Erosivity)是自然降雨引起土壤发生侵蚀变化的潜在能力，是土壤流失方程中的一个重要基本计算因子[2-3]。降雨侵蚀力大小也直接反映了降雨对土壤侵蚀效应的综合影响程度，是对土壤侵蚀效应规律进一步分析挖掘和理论预测，并进行利用的基础。

自Wischmeier首次提出以次降雨总动能E与30 min最大雨强I30的乘积EI30作为降雨的侵蚀力指标[4]，并应用于通用土壤流失方程USLE以来，针对降雨侵蚀力特性的理论研究也越来越受到研究者的重视，我国不少学者也对降雨侵蚀力进行了广泛而深入的研究。目前，由于我国许多地区的实际降雨过程资料难以获取[5-6]，而降雨统计资料较为容易获取，于是很多学者根据研究区气象站点所提供的年、月、日降雨资料建立了不同的简易模型。常用的降雨侵蚀力算法通常基于小时、日、月、年等尺度的代表性雨量资料，相对年、月尺度，基于日降雨量估算的侵蚀力精度更高，且信息更容易被直接地获取，故而应用更广泛[7-8]。

1.2 罗玉沟概况

甘肃省天水市罗玉沟地处天水市北郊，是渭河支流藉河左岸的一级支流。罗玉沟发源于麦积区新阳镇境内的凤凰山南麓，自西向东流经秦州区东关注入藉河，流域呈狭长形，沟系分布呈羽状，主沟长21.81 km，流域面积72.79 km2，有大小支毛沟193条。地势西北高东南低，海拔在1 165～1 895.6 m之间，相对高差730.6 m，平均海拔1 537 m，平均比降3.35%。位于黄土丘陵沟壑区第三副区，按其自然特征可划分三个类型区，即黄土区、杂土区及土石山区。多年平均降雨量531 mm，土壤侵蚀模数7 500 t/(km2·a)。

本研究基于罗玉沟流域内17个雨量站的降雨数据，分析研究该流域的降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力的变化规律，为管理部门对流域水土流失风险评估和防治等提供可靠有效的参考依据。

2 数据来源和计算方法

2.1 数据来源

本研究主要数据来源是2016—2020年天水市罗玉沟流域内的17个自记雨量站，选取每个雨量站的降雨量数据，经整理归纳后，用于进行降雨侵蚀力的计算。雨量站原始数据文件经过较严格的质量控制和检查，有效且可靠。其中廖家陷雨量站于2018年底被裁撤。罗玉沟流域雨量站信息见表1。

表1 雨量观测站点信息

2.2 计算方法

采用修正后的土壤流失模型(RUSLE)中降雨侵蚀力的估算方法，使用罗玉沟流域雨量站收集并计算出来的日降雨资料，按照每半月为一个基本单位，分别计算具有侵蚀能力的雨日资料，进而计算出月、年时间尺度的降雨侵蚀力值。

降雨侵蚀力的计算，先要确定侵蚀性降雨数值。从产生土壤侵蚀结果的角度来讲，侵蚀性降雨可以定义为在引起土壤流失的最小降雨强度以上强度范围内的降雨。因此，这里在计算降雨侵蚀力值时，以每24 h雨量是否大于等于12.7 mm作为侵蚀性降雨的界定标准。而直接利用日降雨资料进行降雨侵蚀力估算是目前认为准确度较高的一种估算方法。采用日降雨量数据计算半月时段降雨侵蚀力值[9]的公式为

(1)

式中：M为半月时段的降雨侵蚀力值，MJ·mm/(hm2·h)；k为半月时段内日降雨量大于等于12.7 mm的累计天数；Pj为半月时段内第j天的侵蚀性日雨量值，要求日雨量大于等于12.7 mm，否则不参加计算[10]；α、β为模型参数，α=0.183，β=1.84。

半月时段的划分以每月第15日为界限，每月的第1—15日为该月上半个月时段，第16日到当月最后一日作为该月下半个月时段，把全年划分为24个时段，剔除掉无雨日和日雨量值小于12.7 mm的天数，根据公式(1)计算逐年内每个半月降雨侵蚀力，得到罗玉沟流域雨量站共计166个降雨侵蚀力值的序列，经累加后得到年降雨侵蚀力，最终计算出年平均降雨侵蚀力值。

3 结果与分析

3.1 流域降雨侵蚀力分析

罗玉沟流域降雨量与降雨侵蚀力关系曲线见图1。由图1可知，罗玉沟的平均降雨侵蚀力与降雨量呈显著正相关性，决定系数R2=0.852 1。该结论与艾明乐等[7]的研究结论一致，说明随着降雨量增大，降雨侵蚀力也逐渐增大。

图1 降雨量与降雨侵蚀力关系曲线

3.2 流域降雨侵蚀力年内变化分析

罗玉沟流域各雨量站的年内降雨量和降雨侵蚀力分布不均(图2、图3)。由图2看出，罗玉沟的降雨量主要集中在夏季，年内分布不均匀，8月出现峰值，为114.59 mm，占全年降雨量的17.5%；由图3看出，罗玉沟流域及各雨量站点的降雨侵蚀力年内分布不均，全年内1—3月和11—12月两个时间段内降雨侵蚀力较低，最低的降雨侵蚀力为0，降雨侵蚀力在4—5月份开始明显上升，8月出现峰值，8月后降雨侵蚀力逐渐下降，8月是峰值拐点，降雨侵蚀力为340.2 MJ·mm/(hm2·h)，占全年降雨侵蚀力的28.6%；降雨侵蚀力主要集中在夏季，6—8月降雨侵蚀力占全年降雨侵蚀力的67.7%。

图2 罗玉沟各雨量站年内降雨量

图3 罗玉沟各雨量站年内降雨侵蚀力

3.3 流域降雨侵蚀力年际变化分析

罗玉沟流域年际降雨量和降雨侵蚀力关系如图4所示，年际降雨量和侵蚀性雨量关系如图5所示。

图4 年际降雨量和降雨侵蚀力关系

图5 年际降雨量和侵蚀性雨量关系

罗玉沟流域侵蚀性雨量占总降雨量的比例总体呈上升趋势，且降雨量、侵蚀性雨量和降雨侵蚀力总体呈逐年波动上升趋势，三者之间保持一定的相关性。

侵蚀性雨量年内分布与年降雨量的年内分布表现出明显的正相关，与侵蚀性降雨所伴随的降雨侵蚀力也表现出明显的相关关系，2016—2020年，各年侵蚀性雨量占当年降雨量的比例分别为41.3%、53.2%、62.1%、52.3%、66.8%，流域年均降雨量和降雨侵蚀力分别653.92 mm和1 191.15 MJ·mm/(hm2·h)。

4 结 论

(1)罗玉沟流域降雨量与降雨侵蚀力呈显著正相关性，决定系数R2=0.852 1。

(2)罗玉沟流域及各雨量站点的降雨侵蚀力和降雨量，两者变化呈现同步性。罗玉沟流域的降雨量主要集中在夏季，8月出现峰值，为114.59 mm，占全年降雨量的17.5%；降雨侵蚀力年内分布不均，8月是峰值拐点，降雨侵蚀力为340.2 MJ·mm/(hm2·h)，占全年降雨侵蚀力的28.6%。

(3)流域侵蚀性降雨量占年降雨量的比例总体呈上升趋势，且降雨量、侵蚀性雨量和降雨侵蚀力总体呈逐年波动上升趋势，三者之间保持一定的相关性。几乎可以说“凡有大降雨，均可能发生土壤侵蚀”。同时随降雨量增大，降雨侵蚀力也增大。侵蚀性雨量年内分布与降雨量的年内分布表现出明显的正相关。