江西省中北部区域侵蚀性降雨特征及其降雨侵蚀力研究

2021-08-27吕祥云万小星何小武

江西水利科技 2021年4期

吕祥云，万小星，余悫，何小武

（1.江西农业大学国土资源与环境学院，江西南昌，330045；2.江西省水土保持监督监测站，江西南昌，330009；3.江西省修水县水土保持局，江西修水，332400）

降雨是土壤发生水力侵蚀的主要驱动力，降雨侵蚀力用于表征降雨侵蚀土壤的潜在能力。在不同区域，不同等级降雨对降雨侵蚀力的贡献不一致。二者相关关系对区域水土流失防治具有重要意义，成为研究热点。在所有的降雨事件中，将能够引起土壤发生侵蚀的降雨事件称之为侵蚀性降雨。侵蚀性降雨的研究主要包括侵蚀性降雨量标准的拟定、侵蚀性降雨特征分析等。对于侵蚀性降雨量标准研究，Wischmeier等[1]拟定的美国侵蚀性降雨量标准为12.7mm，并运用于USLE和RUSLE模型中。谢云等[2]基于满足侵蚀性降雨量标准的降雨事件的侵蚀力之和与实际降雨事件的侵蚀力之和相等或接近的原则，采用错选率、剔除率等指标拟定的黄土高原侵蚀性降雨量标准为12.0mm。秦伟等[3]、汪邦稳等[4]、郑海金等[5]和马良等[6]利用德安燕沟小流域径流小区观测数据分析得出的赣北侵蚀性降雨量标准分别为 10.0mm、11.4mm、9.97mm和 11.2mm。由此可知，不同学者拟定的侵蚀性降雨量标准因地域、数据资料年限以及拟定方法不同而有所差异。对于侵蚀性降雨特征分析，目前主要集中在侵蚀性降雨发生频率、雨量统计以及降雨侵蚀力分布特征等方面。张岩等[7]运用统计学原理分析黄土高原侵蚀性降雨发生频率、次降雨量、次降雨侵蚀力等特征，发现黄土高原地区侵蚀性降雨发生频率年均为7.0～13.4天，次降雨量均值为19.17～25.38mm，次降雨侵蚀力均值为288.1～625.0MJ·mm/（hm2·h）。张兴刚等[8]研究发现山东省药乡小流域侵蚀性降雨多分布在中雨以上雨量等级，高降雨强度型降雨或降雨侵蚀力大于1000MJ·mm/（hm2·h）的降雨对造成严重土壤侵蚀具有极大贡献。王改玲等[9]利用野外实测数据分析了晋北黄土区降雨特征与土壤侵蚀的关系，结果表明减轻大雨侵蚀的危害是水土流失防治的关键。顾璟冉等[10]利用径流小区观测法研究黔西高原侵蚀性降雨特征，得出中雨及以上或降雨侵蚀力大于500MJ·mm/（hm2·h）的降雨事件是产沙的主要动力。涂安国等[11]分析了不同等级侵蚀性降雨的发生频率及其与土壤侵蚀的关系，对各等级侵蚀性降雨与降雨侵蚀力之间的关系尚不明确。

江西省受特定的气候、地貌、人为活动的影响，造成该区域水土流失灾害易发、多发的特点。本研究利用江西省水土保持监测站次降雨资料，分析江西省中北部区域各等级侵蚀性降雨及其降雨侵蚀力特征，为该区域水土流失防治规划、设计、决策等工作提供参考。

1 研究区概况

江西省地处长江中下游南岸，内有赣江、抚河、信江、饶河、修河五大河流和中国第一大淡水湖——鄱阳湖；全省东南西三面环山，地势南高北低，以山地、丘陵为主。地带性土壤以红壤为主，约占全省总面积的64.78%[12]。该地区属亚热带湿润性季风气候，年平均气温约为16.3～17.5°C，年平均降水量为1 341～1 943mm。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究搜集清水桥小流域、中堡港小流域、燕沟小流域及老虎山小流域水土保持监测站点多年的次降雨资料（表1），采用统计学方法，分析4站多年平均侵蚀性降雨场次、降雨量以及降雨侵蚀力，探索江西省中北部区域不同降雨等级的侵蚀性降雨、降雨侵蚀力特征及其季节分配。采用秦伟等[3]拟定的侵蚀性降雨量标准10mm，将次降雨划分为非侵蚀性降雨和侵蚀性降雨，并与我国24h等级降雨划分标准[13]结合，将侵蚀性次降雨划分为中雨（10～25mm）、大雨（25～50mm）、暴雨（50～100mm）、大暴雨（>100mm）四个等级。按照气象习惯划分四季：春季为3～5月，夏季为6～8月，秋季为9～11月，冬季为12月至翌年2月。

表1 水土保持监测站点基本情况

2.2 降雨侵蚀力计算

次降雨侵蚀力计算如下：

式中：R为次降雨侵蚀力，MJ·mm/（hm2·h）；E为次降雨总动能，MJ/hm2；I30为次降雨的最大30min雨强，mm/h；Pr为每一时段降雨量，mm；er为每一时段的单位降雨动能，MJ/（hm2·mm）；ir为第r时段雨强，mm/h。

3 结果与分析

3.1 各等级侵蚀性降雨场次特征

江西省中北部区域年均侵蚀性降雨场次为39.2场。其中，各等级侵蚀性降雨场次如图1所示。各等级降雨场次中，最多的为中雨19.8场，占所有侵蚀性降雨场次的50.53%，最少的为大暴雨1.9场，仅占4.91%。总体上降雨等级愈高，降雨场次愈少，说明降雨强度愈大，发生降雨次数愈少。中雨、大雨场次占总场次的80.27%，说明了区域内的降雨发生主要以该二者为主。

图1 各等级年均降雨场次

各等级侵蚀性降雨场次季节分配如图2所示。春季侵蚀性降雨场次占比最大为39.58%，秋季占比最小为13.62%；侵蚀性降雨主要发生在春、夏两季，占比为71.77%。在春季的侵蚀性降雨场次中，以中雨和大雨等级为主，两者之和占整个春季侵蚀性降雨场次的82.88%，大暴雨场次仅占3.72%。夏季仍以中雨、大雨等级为主，但与春季相比下降了10.10%，相应增加了暴雨及以上等级的场次，尤其大暴雨场次为春季的2.6倍。在秋季，中雨的场次占比超过50%，大雨、暴雨占比分别为27.14%、19.29%，大暴雨则几乎不发生，在观测年限内实际仅发生1次。冬季各等级降雨场次发生的规律与秋季类似，不同的是中雨的占比增加了13.36%。由此可看出秋冬季节总体上降雨场次少，且以中雨为主，大暴雨发生的机会极少。

图2 各等级降雨场次季节分配

3.2 各等级侵蚀性降雨量特征

年均各等级侵蚀性降雨量分布如图3所示。江西省中北部区域年均侵蚀性降雨量为1 403.7mm。其中，年均雨量最多的等级为大雨413.2mm，其后依次为暴雨387.0mm、中雨326.5mm、大暴雨277.0mm。前二者的雨量之和占总侵蚀性降雨量的57.00%，后二者之和占43.00%，说明从雨量来看，降雨以大雨和暴雨为主，但各等级间差异不大。等级降雨的雨量变化规律与场次变化并不一致，降雨场次最多的中雨雨量仅占总侵蚀性降雨量的23.26%，略高于大暴雨的19.73%。这说明等级雨量与降雨场次之间无相关关系。

图3 各等级年均降雨量

春季和夏季是侵蚀性降雨量分布的主要季节，且二者之间差异不明显（图4）。两季其侵蚀性雨量之和为1 089.8mm，占全年总量的77.64%；秋季和冬季各占10%左右。

图4 各等级降雨量季节分配

春季的等级雨量分配中，中雨、大雨、暴雨、大暴雨分别占春季雨量的22.75%、37.80%、24.68%、14.77%，以大雨居多，中雨和暴雨差异不大，大暴雨占比最小。夏季中雨量和大雨量的占比较春季分别下降了4.81%、16.58%，暴雨量和大暴雨量则明显增加，雨量占比已达到夏季侵蚀性雨量的60.83%。其中大暴雨量占夏季的33.35%，为夏季雨量占比最大。这说明夏季的侵蚀性降雨量以大暴雨和暴雨为主。秋季和冬季的中雨、大雨量之和超过50%，暴雨占据一定比例，但大暴雨量极少。这与秋冬季极少发生大暴雨事件相关。

3.3 各等级降雨侵蚀力特征

江西省中北部区域年均降雨侵蚀力为8 263.50 MJ·mm/（hm2·h），各等级年均降雨侵蚀力如图5所示。随着降雨等级的增大，降雨侵蚀力呈递增趋势。其中，雨量占比最多的大雨等级的降雨侵蚀力占比仅为25.18%，雨量占比最少的大暴雨等级的降雨侵蚀力占比为最大达33.56%。这是因为降雨侵蚀力不仅与降雨量相关，更重要的是与降雨强度密切相关。大暴雨均为短时间内的大量降雨，降雨强度极大，显示了极大的降雨侵蚀能力。因此，水土流失防治应更多重视大强度的降雨过程。

图5 各等级年均降雨侵蚀力

各等级降雨侵蚀力季节分配如图6所示。春、夏、秋、冬四季降雨侵蚀力分别为3 030.46、4 354.85、675.64、202.55MJ·mm/（hm2·h），分别占年总降雨侵蚀力的36.67%、52.70%、8.18%、2.45%。因此，春夏两季是该区域水土流失防治的重要季节。

图6 各等级降雨侵蚀力季节分配

春季各等级降雨的降雨侵蚀力占比分别为中雨11.53%、大雨32.66%、暴雨26.23%、大暴雨29.59%。大雨等级的降雨侵蚀力居多是由于该等级雨量最大导致的。大暴雨等级雨量占比虽少，但由于雨强极大导致其降雨侵蚀力占比仅略低于大雨等级。降雨场次最多的中雨的降雨侵蚀力占比最小，是由于其雨量和雨强均较小所致。大雨、暴雨、大暴雨的降雨侵蚀力相差不大，三者降雨侵蚀力之和占春季降雨侵蚀力的88.47%。夏季是一年中降雨侵蚀力值最大的季节，也是水土流失防治任务最严峻的季节。其各等级降雨的降雨侵蚀力占比规律为中雨＜大雨＜暴雨＜大暴雨，其中，大暴雨等级的降雨侵蚀力占比为41.83%，暴雨、大暴雨等级的降雨侵蚀力占比达到70%以上。因此，夏季尤其应注意对暴雨、大暴雨的水土流失防护。秋、冬季节的降雨侵蚀力以大雨、暴雨等级贡献最多，但总降雨侵蚀力不大，仅占全年总降雨侵蚀力的10%左右。从降雨侵蚀力角度，只要对年均2～3次的大雨、暴雨进行防范，即可高效地做好秋冬季的水土流失防治。