贵州喀斯特地区侵蚀性次降雨产流产沙特征研究

2016-10-26唐丽霞潘佑静谭顺菊

西南林业大学学报 2016年5期

关键词：产沙量侵蚀性雨强

杜　波　唐丽霞　潘佑静,2　杨　智　谭顺菊　高　蜻

(1. 贵州大学林学院，贵州贵阳 550025；2. 贵州省瓮安县水务局，贵州瓮安 550400；3. 贵州省水土保持技术咨询研究中心，贵州贵阳 550002)

贵州喀斯特地区侵蚀性次降雨产流产沙特征研究

杜波1唐丽霞1潘佑静1,2杨智3谭顺菊1高蜻1

(1. 贵州大学林学院，贵州贵阳 550025；2. 贵州省瓮安县水务局，贵州瓮安 550400；3. 贵州省水土保持技术咨询研究中心，贵州贵阳 550002)

为研究喀斯特地区侵蚀性次降雨与产流产沙特征，选取贵州省关岭县蚂蝗田小流域坡面径流小区监测资料，采用经验频率统计法、快速聚类和判别聚类法、降雨侵蚀力简易计算法进行研究。结果表明：5—9月为侵蚀降雨主要集中月份，占侵蚀降雨总量98.08%，占降雨总量48.83%，6月是侵蚀降雨最多的月份；喀斯特地区侵蚀性次降雨雨量和雨强标准为14.49 mm和1.51 mm/h；侵蚀性次降雨划分为A (大雨量、长历时、小雨强、低频率)、B (小雨量、短历时、大雨强、高频率)、C (中雨量、中历时、中雨强、高频率) 3种降雨类型；B类型的产流产沙能力远大于A、C，是喀斯特地区最易产流产沙的降雨类型；次降雨侵蚀力R的计算公式中将PI30替换为PI后，更能反映喀斯特地区侵蚀性次降雨产沙的变化特征。

喀斯特；降雨类型；侵蚀力；产流；产沙

喀斯特地区水土流失问题突出，造成土地生产力迅速衰减，严重影响农、林、牧业生产，制约社会经济的可持续发展，成为中国西南地区最严重生态地质环境问题[1]。贵州喀斯特地区岩石裸露、孔隙结构发育，土壤和岩石成双层交叉结构，使得降雨产流产沙易通过孔隙或土岩界面发生流失[2]。而与常态地貌相比，喀斯特地区水土流失研究起步晚，理论研究和技术较为落后，缺乏长期定位监测资料及研究[3-4]，水土流失规律不明确[5]。因此，对贵州喀斯特地区侵蚀性次降雨与坡面产流产沙的研究具有重要的意义。

降雨是造成水土流失的主要动力因子，产流产沙侵蚀与降雨量、雨强、历时、瞬时雨强以及雨型等降雨特征密切相关。关于不同降雨类型的产流产沙的研究多见于黄土高原地区[6-7]。基于频率统计分析方法，在黄土地区[8]、南方红壤[9]和紫色土地区[10]等建立了相应的侵蚀性降雨雨量或雨强标准。Peng T等[11]将降雨划分为5类，研究了贵州岩溶地区6类坡地土壤侵蚀情况。但在喀斯特地区，缺少相应侵蚀降雨雨量和雨强标准的对比研究。本研究利用喀斯特径流小区监测资料，研究分析喀斯特地区侵蚀性次降雨产流产沙特征，以期从不同方面进一步了解喀斯特岩溶地区侵蚀性降雨与坡面产流产沙特征，为喀斯特地区相关研究和水土流失治理提供一定参考。

1　研究区概况

研究区位于贵州省安顺市关岭县花江镇蚂蝗田小流域，地处东经105°32′59″～105°34′34″，北纬25°50′12″～25°48′22″，所属珠江流域北盘江水系。小流域以水力侵蚀为主，属亚热带湿润季风气候，多年平均降雨量1 236 mm，多年平均气温19.2 ℃，土壤以水稻土、黄壤、石灰土为主；地貌以岩溶峰林、峰丛、洼地、谷地为主，海拔1 160～

1 775 m，高差大；流域周围多溶洞出现，岩溶石漠化较为发育。流域内林地面积最大，其次是旱地、水田、居民地、草地，植被多为次生乔木林、疏幼林，乔木品种主要有：杉木 (Cunninghamialanceolata)、柳杉 (Cryptomeriafortunei)、光皮桦 (Betulaluminifera) 等。

2　材料与方法

2.1数据来源

研究数据来源于贵州省关岭县蚂蝗田水土保持监测站3号径流小区2009—2013年监测的侵蚀性次降雨数据 (2009年1—4月和2010年1—3月数据缺失，均为降雨少的月份)。小区水平投影长20 m、宽5 m，坡度20°；土壤为黄壤，土层浅薄 (0～40 cm)；土地利用类型为草灌地，覆盖面积为55%，主要植被为荩草 (Arthraxonhispidus)、结缕草 (Zoysiajaponica)、女贞 (Ligustrumlucidum)等；基岩为石灰岩，岩石裸露率为45%，为典型的喀斯特地貌。

2.2研究方法

2.2.1经验频率统计法

本研究运用5 a监测到喀斯特坡面径流小区产流产沙的数据 (76个样本) 拟定侵蚀性雨量标准。采用经验频率统计法确定侵蚀性次降雨雨量和雨强标准[8-9]，将侵蚀性次降雨雨量按大小降序排列，并将相对应的土壤侵蚀量逐个累加，得到N个降雨侵蚀量 (Q) 和总侵蚀量 (q)，求出大于某一雨量 (P) 产生的土壤侵蚀量累加百分比PQ(PQ=Q/q)，绘制P～PQ关系曲线和平均雨强I～PQ关系曲线。

2.2.2降雨类型划分法

以侵蚀性次降雨量 (P)、降雨历时 (T) 和平均雨强 (I) 作为指标，运用SPSS 17.0的快速聚类和判别聚类法对侵蚀性次降雨类型进行划分[6-7]，采用四分位数法，取分位数为25%、75%对应的数值作为不同降雨类型特征指标变化范围的取值，并分析不同降雨类型的产流产沙特征。

2.2.3降雨侵蚀力

由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力即为降雨侵蚀力 (R)，R是通用土壤流失方程中最基本的因子。喀斯特地区降雨侵蚀力的使用至今都是参照其他地区的结论[12]，研究都是通过对降雨指标因子与产沙侵蚀量的回归决定系数分析，提出降雨侵蚀力的简易计算方法。采用王万忠等[13]提出的降雨侵蚀力 (R) 简易计算公式计算。

R=1.70(PI30/100)-0.136

(当I30<10 mm/h)

(1)

R=2.35(PI30/100)-0.523

(当I30≥10 mm/h)

(2)

式中：R为次降雨侵蚀力 (mtcm/(hm2h))；P为次降雨量 (mm)；I为平均雨强 (mm/h)。

3　结果与分析

3.1侵蚀性降雨特点

2009—2013年共监测76场侵蚀性降雨，5 a降雨总量和侵蚀降雨总量月分布见表1。

表1　2009—2013年降雨特征统计值

注：以上统计值均为2009—2013年的总值。

由表1可知，总降雨量为4 867.5 mm，5—10月降雨占总降雨量88.06%，为降雨主要集中月份；单月降雨量以6月最高，占总量的25.04%。侵蚀性降雨总量为2 699.1 mm，占降雨总量的55.45%，发生在4—10月；其中，5—9月降雨有50%以上可产生土壤侵蚀，占侵蚀性降雨总量的98.08%，占总降雨的48.83%，是发生侵蚀性降雨主要月份，且侵蚀性降雨量与降雨总量月分布呈现良好相关关系，相关系数达0.978。侵蚀性降雨历时以6月最长，为228.83 h，占总历时的30.17%；5—9月降雨历时731.95 h，占总历时的96.51%，为主要主要集中分布月份。侵蚀降雨次数同样以6月最多，为24次，为总次数的31.58%；侵蚀降雨集中于5—9月，为73次，占总次数的96.05%。整体来说，5—9月是降雨、侵蚀降雨 (降雨量、降雨历时、降雨次数) 最为集中分布的月份，6月为降雨和侵蚀降雨最易发生的月份。

3.2侵蚀性降雨标准

侵蚀性次降雨雨量和雨强标准，用一次降雨的情况来划分不仅比较困难，还存在不确定性误差或错误，因此只能用统计概率来划分引起土壤流失的侵蚀性次降雨雨量和雨强标准，本研究中5 a序列的观测资料满足拟定侵蚀性雨量标准的要求[14]。P～PQ和I～PQ关系曲线拟合表达式为：

PQ=112.61-1.215P(R2=0.97)

PQ=114.79-13.086I(R2=0.98)

式中：PQ为侵蚀累计百分比 (%)；P为对应的次降雨雨量标准 (mm)；I为对应的次降雨雨强标准 (mm/h)。

P～PQ和I～PQ关系曲线拟合结果见图1～2。

图1侵蚀量累计百分比与降雨量关系

Fig.1Erosion cumulative percentage relationship with rainfall

图2侵蚀量累计百分比与平均雨强关系

Fig.2Erosion cumulative percentage relationship with average rainfall intensity

根据频率法，PQ=95%时，计算喀斯特地区侵蚀雨量标准值为14.49 mm (n=76)，基本雨强标准为1.51 mm/h (n=71)。同一算法中，我国普遍侵蚀性降雨标准为10 mm，黄土高原地区[13]和紫色丘陵区[10]降雨量≥14.49 mm的降雨引起的土壤流失量占总流失量的85.92%和87.91%；南方红壤坡地[9]雨量≥9.97 mm、雨强≥0.756 mm/h的降雨所引起的土壤流失量占总流失量的99.9%，而本地区达到对应土壤流失量的雨量和雨强为10.46 mm和1.14 mm/h。相比之下，本研究地区的侵蚀雨量和雨强标准值较高，原因在于坡面径流小区岩石裸露率高、多空隙结构、土层较浅薄，降雨易从土岩界面和空隙流走，不易形成地表面流产生面蚀，而在较高降雨量和降雨强度下，雨量大于入渗损失量，产流产沙才能在地表坡面形成。

3.3侵蚀性次降雨类型划分

产流产沙不仅与降雨量、雨强、历时、瞬时雨强相关，还和降雨类型相关，降雨类型的划分以降雨的某些特征参数作为指标，大多研究均选用降雨量、降雨历时、降雨雨强来划分降雨类型。本研究以侵蚀性次降雨量、降雨历时和平均雨强为降雨类型划分指标，将76场侵蚀性次降雨划分为A、B、C 3个类型，结果见图3。不同降雨类型的降雨特征参数见表2。

由图3可知，各降雨类型间的分布界限较为明显，C降雨类型分布较A、B降雨类型集中，侵蚀性次降雨量、降雨历时和平均雨强3个降雨特征参数的聚类函数和判别函数显著性检验Sig ≤ 0.01，分类效果显著。

图3侵蚀性次降雨判别分类散点图

Fig.3　Identification and classification scatterplot of single erosive rainfall

注：T、P、I、I30、I60为次降雨历时、降雨量、平均雨强、最大30 min雨强、最大60 min雨强；V25、V75表示分位数为25%、75%对应的数值。

由表2可知，A、B、C降雨类型样本数分别为9、33、34，占总样本的11.84%、43.42%、44.74%。A降雨类型场均降雨量最大，为50.28 mm，主要分布在32.0～66.0 mm；场均历时最长，为22.72 h，主要分布在20.0～25.0 h；场均雨强I、I30、I60最小，分别主要分布在1.3～3.5、8.0～27.0、5.5～15.0 mm/h。B降雨类型场均降雨量最小，为24.2 mm，主要分布在13.0～33.0 mm；场均历时最短，为4.43 h，主要分布在2.5～6.0 h之间；场均雨强I、I30、I60分别主要分布在3.0～8.0、10.0～36.0、8.0～19.0 mm/h。C降雨类型场均降雨量和降雨历时分别为42.59 mm和11.99 h，介于A、B降雨类型之间，分别主要集中在26.0～56.0 mm和9.5～14.5 h，场均雨强I、I30、I60分别主要分布在2.0～4.5 mm/h、13.0～30.0 mm/h、10.0～21.0 mm/h。从而得出A降雨类型表现为大雨量、长历时、小雨强、低频率，B降雨类型表现为小雨量、短历时、大雨强、高频率，而C降雨类型为中雨量、中历时、中雨强、高频率。

3.4不同降雨类型产流产沙特征

分析A、B、C降雨类型2009—2013年的侵蚀性降雨产流产沙特征，由于各种降雨类型的雨量不同，为统一比较，采用径流系数和单位侵蚀降雨产沙量 (1 mm侵蚀降雨产沙量) 来反映不同雨型间产流产沙的能力。结果见表3。

表3　不同雨型2009—2013年总产流产沙特征

注：单位降雨产沙量=产沙量/侵蚀性降雨量。

由表3可知，5 a内降雨总量为2 699.1 mm，产流达到93.49 mm，产沙总量为26.22 t/km2。A降雨类型侵蚀性降雨占到16.76%，但产流量却只占9.73%，产沙量只占14.38%；B降雨类型侵蚀性降雨占29.58%，但产流量占到48.23%，产沙量占52.44%；C降雨类型侵蚀性降雨占53.65%，产流量占42.04%，产沙量占33.18%。侵蚀性降雨量表现为C降雨类型最多，A降雨类型最少；产流量B降雨类型最多，A降雨类型最少；产沙量B降雨类型最多，A降雨类型最少。A、B降雨类型产流量占有比例小于产沙量占有比例，而C降雨类型产流量占有比例大于产沙量占有比例，表明在降雨产流产沙过程中，A、B降雨类型的泥沙含量高，C降雨类型的泥沙含量低，A、B降雨类型的降雨产沙能力强于C降雨类型。

径流系数方面，A降雨类型最小，只有2.01%；C降雨类型居中，为2.71%；B降雨类型最大，达到5.65%，是A、C降雨类型的2倍之多，高于整体的3.46%。这表明B降雨类型最易产流，产流能力最强。在单位侵蚀性降雨产沙量方面，A、C降雨类型最小，均低于整体的0.009 7 t/(km2mm)，分别只有0.008 3、0.006 t/(km2mm)；而B降雨类型远远高于总体平均值，达到0.017 2 t/(km2mm)，同样是A、C降雨类型的2倍之多。表明B降雨类型降雨产沙能力最强，A、C降雨类型次之。B降雨类型侵蚀降雨量不足总体的30%，但产流产沙量却占到总量的48%和52%以上，是喀斯特地区最易产流产沙的类型，也是产流产沙集中分布的降雨类型；而A和C降雨类型侵蚀降雨总量占总体的70.42%，产流量占总体的51.77%，产沙量占总体的47.46%。

3.5产沙侵蚀量与次降雨侵蚀力

由公式 (1) 和 (2) 计算得出的次降雨侵蚀力 (R)，因为侵蚀量 (A) 由下式计算：

A=RKLSCP

式中：A为土壤流失量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为作物管理因子；P为治理措施因子。

且本研究数据来源于同一径流小区，产流产沙时间在4—10月 (植被覆盖基本不变)，所以K、LS、C、P因子基本维持不变，侵蚀量与R将呈线性关系，将计算得出的R值与实测的产沙侵蚀量进行相关性和回归分析，结果见图4。

图4产沙侵蚀量与R关系

Fig.4The relationship between sediment erosion andR

产沙侵蚀量A与R的线性拟合关系式 (图4) 为：A=0.012 95R+ 0.053 89 (R2=0.359)，A与R在0.01水平上显著相关，相关系数r=0.634。然而，分析产沙侵蚀量与降雨指标因子的不同组合得出 (表4)：与产沙侵蚀量相关性最高的是PI组合因子。

表4　产沙侵蚀量与降雨因子Pearson相关性

注：*在 0.05 水平 (双侧) 上显著相关，**在 0.01 水平 (双侧) 上显著相关。

将R计算公式中的PI30替换为PI计算降雨侵蚀力，记为RI，A与RI相关系数r=0.767，在0.01水平上显著相关，A与RI线性拟合的关系 (图5) 为：A=0.043 49RI+0.100 2 (R2=0.601)。相比之下，A与RI的线性拟合好于A与R，A与RI的相关性也好于A与R，表明RI比R更能反应喀斯特地区的次降雨的产沙侵蚀量情况，PI组合因子更适合计算喀斯特地区的降雨侵蚀力。侵蚀力RI比R小，RI计算得出的产沙侵蚀量也将小于RI计算得出的参数侵蚀量，这与实际情况相符。因为喀斯特地区的独特水文二元结构发育、岩石裸露率高、土层浅薄，以致于有些地方的地表基本没土可流失，众多研究也表明[15-16]喀斯特地区的侵蚀量相比于非岩喀斯特溶区小得多。

图5产沙侵蚀量与RI关系

Fig.5The relationship between sediment erosion andRI

4　结　论

1) 5—10月为降雨主要集中月份，占降雨总量的88.06%，5—9月为侵蚀降雨量主要集中月份，占侵蚀降雨总量98.08%，占总降雨的48.83%，6月是降雨和侵蚀降雨最多的月份。

2) 喀斯特地区的产流产沙需要较高降雨量和雨强，次侵蚀雨量标准为14.49 mm，雨强标准为1.51 mm/h，这一标准的产沙侵蚀量占总侵蚀量的95%以上。

3) B雨型降雨产流产沙能力远高于A、C雨型，B雨型侵蚀降雨量不足总体的30%，产流产沙量却占到总体的48%和52%以上；A、C雨型侵蚀降雨量超过总体的70%，产流量约占总体的50%，产生量占总体的不足50%。小雨量、短历时、大雨强的B雨型降雨是喀斯特地区最易产流产沙的降雨类型。

4) 适用于我国次降雨侵蚀力计算的R简易公式在喀斯特地区的适用性不是很好，R计算公式中的PI30替换为PI后，R值减小，得出的产沙侵蚀量减小，但产沙侵蚀量A与R的相关性提高，更能反应出喀斯特区侵蚀性次降雨的产沙侵蚀量的变化情况。

[1]王世杰. 喀斯特石漠化: 中国西南最严重的生态地质环境问题[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2003, 22(2): 120-126.

[2]郑永春, 王世杰. 贵州山区石灰土侵蚀及石漠化的地质原因分析[J]. 长江流域资源与环境, 2002, 11(5): 461-465.

[3]李晋, 熊康宁. 我国喀斯特地区水土流失研究进展[J]. 土壤通报, 2012, 43(4): 1001-1007.

[4]熊康宁, 李晋, 龙明忠. 典型喀斯特石漠化治理区水土流失特征与关键问题[J]. 地理学报, 2012, 67(7): 878-888.

[5]陈洪松, 杨静, 傅伟, 等. 桂西北喀斯特峰丛不同土地利用方式坡面产流产沙特征[J]. 农业工程学报, 2012, 28(16): 121-126.

[6]Fang H Y, Cai Q G, Chen H, et al. Effect of rainfall regime and slope on runoff in a gullied loess region on the loess plateau in China[J]. Environmental Management, 2008, 42(3): 402-411.

[7]秦伟, 左长清, 晏清洪, 等.红壤裸露坡地次降雨土壤侵蚀规律[J]. 农业工程学报, 2015, 32(2): 124-132.

[8]王万忠, 焦菊英. 中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J]. 水土保持通报, 1996, 16(5): 1-20.

[9]郑海金, 杨洁, 左长清, 等. 红壤坡地侵蚀性降雨及降雨动能分析[J]. 水土保持研究, 2009, 16(3): 30-33.

[10]李林育, 王志杰, 焦菊英. 紫色丘陵区侵蚀性降雨与降雨侵蚀力特征[J]. 中国水土保持科学, 2013, 11(1): 8-16.

[11]Peng T, Wang S J. Effects of land use, land cover and rainfall regimes on the surface runoff and soil loss on karts slopes in southwest China[J]. Catena, 2012, 90(3): 53-62.

[12]张文源. 贵州喀斯特黄壤坡面降雨侵蚀特征研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2015.

[13]王万中, 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.

[14]金建君, 谢云, 张科利. 不同样本序列下侵蚀性雨量标准的研究[J]. 水土保持通报, 2001, 21(2): 31-33.

[15]彭韬, 杨涛, 王世杰, 等. 喀斯特坡地土壤流失监测结果简报[J]. 地球与环境, 2009, 37(2): 126-129.

[16]魏兴萍, 谢世友, 张志伟, 等. 重庆南平镇岩溶槽谷区不同土地利用类型地表水土流失[J]. 农业工程学报, 2011, 27(6): 42-46.

(责任编辑曹龙)

Study on the Characteristics of Single Erosive Rainfall and Runoff and Sediment Yield in Karst Area of Guizhou

Du Bo1, Tang Lixia1, Pan Youjing1,2, Yang Zhi3, Tan Shunju1, Gao Qing1

(1. College of Forestry, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550025, China; 2. Water Authority of Wengan County, Wengan Guizhou 550400, China; 3. Technical Consulting Research Center of Soil and Water Conservation, Guiyang Guizhou 550002, China)

The objective of this study was to study the characteristics of erosive rainfall and runoff and sediment yield in Karst area. Data were collected in a soil and water loss monitoring station in Mahuangtian of Guanling County, Guizhou province. Analyzing the data by using the empirical frequency statistics, fast clustering and discriminant clustering method, and the simple calculation method of rainfall erosivity. Results showed that erosion rainfall mainly concentrated from May to September, accounted for 98.08% of the total erosive rainfall and 48.83% of the total rainfall. Erosive rainfall occurred most in June. The standard of single erosive rainfall and rainfall intensity in Karst area was 14.49 mm and 1.51 mm/h. Single erosive rainfall was divided into the following three types of rainfall, A (strong rainfall, long duration, light rain and low frequency), B (little rainfall, short duration, high rainfall intensity and high frequency) and C (medium rainfall, medium duration, medium rainfall intensity and high frequency). The runoff and sediment yield of B-type was much larger than that of A and C, and also was the easiest type produced runoff and sediment in the karst area. The erosivityRof single erosive rainfall was better reflected the variation characteristics of sediment erosion in Karst area when thePI30replaced byPIin theRcalculation formula.

Karst, rainfall type, erosivity, runoff yield, sediment yield