貴州喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究

杜　波　唐麗霞　潘佑靜,2　楊　智　譚順菊　高　蜻

(1. 貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省甕安縣水務局，貴州 甕安 550400；3. 貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴陽 550002)

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貴州喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究

杜波1唐麗霞1潘佑靜1,2楊智3譚順菊1高蜻1

(1. 貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省甕安縣水務局，貴州 甕安 550400；3. 貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴陽 550002)

為研究喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，選取貴州省關嶺縣螞蝗田小流域坡面徑流小區(qū)監(jiān)測資料，采用經(jīng)驗頻率統(tǒng)計法、快速聚類和判別聚類法、降雨侵蝕力簡易計算法進行研究。結果表明：5—9月為侵蝕降雨主要集中月份，占侵蝕降雨總量98.08%，占降雨總量48.83%，6月是侵蝕降雨最多的月份；喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨雨量和雨強標準為14.49 mm和1.51 mm/h；侵蝕性次降雨劃分為A (大雨量、長歷時、小雨強、低頻率)、B (小雨量、短歷時、大雨強、高頻率)、C (中雨量、中歷時、中雨強、高頻率) 3種降雨類型；B類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙能力遠大于A、C，是喀斯特地區(qū)最易產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨類型；次降雨侵蝕力R的計算公式中將PI30替換為PI后，更能反映喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨產(chǎn)沙的變化特征。

喀斯特；降雨類型；侵蝕力；產(chǎn)流；產(chǎn)沙

喀斯特地區(qū)水土流失問題突出，造成土地生產(chǎn)力迅速衰減，嚴重影響農(nóng)、林、牧業(yè)生產(chǎn)，制約社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，成為中國西南地區(qū)最嚴重生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題[1]。貴州喀斯特地區(qū)巖石裸露、孔隙結構發(fā)育，土壤和巖石成雙層交叉結構，使得降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙易通過孔隙或土巖界面發(fā)生流失[2]。而與常態(tài)地貌相比，喀斯特地區(qū)水土流失研究起步晚，理論研究和技術較為落后，缺乏長期定位監(jiān)測資料及研究[3-4]，水土流失規(guī)律不明確[5]。因此，對貴州喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究具有重要的意義。

降雨是造成水土流失的主要動力因子，產(chǎn)流產(chǎn)沙侵蝕與降雨量、雨強、歷時、瞬時雨強以及雨型等降雨特征密切相關。關于不同降雨類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究多見于黃土高原地區(qū)[6-7]?；陬l率統(tǒng)計分析方法，在黃土地區(qū)[8]、南方紅壤[9]和紫色土地區(qū)[10]等建立了相應的侵蝕性降雨雨量或雨強標準。Peng T等[11]將降雨劃分為5類，研究了貴州巖溶地區(qū)6類坡地土壤侵蝕情況。但在喀斯特地區(qū)，缺少相應侵蝕降雨雨量和雨強標準的對比研究。本研究利用喀斯特徑流小區(qū)監(jiān)測資料，研究分析喀斯特地區(qū)侵蝕性次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，以期從不同方面進一步了解喀斯特巖溶地區(qū)侵蝕性降雨與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，為喀斯特地區(qū)相關研究和水土流失治理提供一定參考。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省安順市關嶺縣花江鎮(zhèn)螞蝗田小流域，地處東經(jīng)105°32′59″～105°34′34″，北緯25°50′12″～25°48′22″，所屬珠江流域北盤江水系。小流域以水力侵蝕為主，屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量1 236 mm，多年平均氣溫19.2 ℃，土壤以水稻土、黃壤、石灰土為主；地貌以巖溶峰林、峰叢、洼地、谷地為主，海拔1 160～

1 775 m，高差大；流域周圍多溶洞出現(xiàn)，巖溶石漠化較為發(fā)育。流域內(nèi)林地面積最大，其次是旱地、水田、居民地、草地，植被多為次生喬木林、疏幼林，喬木品種主要有：杉木 (Cunninghamialanceolata)、柳杉 (Cryptomeriafortunei)、光皮樺 (Betulaluminifera) 等。

2　材料與方法

2.1數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于貴州省關嶺縣螞蝗田水土保持監(jiān)測站3號徑流小區(qū)2009—2013年監(jiān)測的侵蝕性次降雨數(shù)據(jù) (2009年1—4月和2010年1—3月數(shù)據(jù)缺失，均為降雨少的月份)。小區(qū)水平投影長20 m、寬5 m，坡度20°；土壤為黃壤，土層淺薄 (0～40 cm)；土地利用類型為草灌地，覆蓋面積為55%，主要植被為藎草 (Arthraxonhispidus)、結縷草 (Zoysiajaponica)、女貞 (Ligustrumlucidum)等；基巖為石灰?guī)r，巖石裸露率為45%，為典型的喀斯特地貌。

2.2研究方法

2.2.1經(jīng)驗頻率統(tǒng)計法

本研究運用5 a監(jiān)測到喀斯特坡面徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的數(shù)據(jù) (76個樣本) 擬定侵蝕性雨量標準。采用經(jīng)驗頻率統(tǒng)計法確定侵蝕性次降雨雨量和雨強標準[8-9]，將侵蝕性次降雨雨量按大小降序排列，并將相對應的土壤侵蝕量逐個累加，得到N個降雨侵蝕量 (Q) 和總侵蝕量 (q)，求出大于某一雨量 (P) 產(chǎn)生的土壤侵蝕量累加百分比PQ(PQ=Q/q)，繪制P～PQ關系曲線和平均雨強I～PQ關系曲線。

2.2.2降雨類型劃分法

以侵蝕性次降雨量 (P)、降雨歷時 (T) 和平均雨強 (I) 作為指標，運用SPSS 17.0的快速聚類和判別聚類法對侵蝕性次降雨類型進行劃分[6-7]，采用四分位數(shù)法，取分位數(shù)為25%、75%對應的數(shù)值作為不同降雨類型特征指標變化范圍的取值，并分析不同降雨類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。

2.2.3降雨侵蝕力

由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力即為降雨侵蝕力 (R)，R是通用土壤流失方程中最基本的因子?？λ固氐貐^(qū)降雨侵蝕力的使用至今都是參照其他地區(qū)的結論[12]，研究都是通過對降雨指標因子與產(chǎn)沙侵蝕量的回歸決定系數(shù)分析，提出降雨侵蝕力的簡易計算方法。采用王萬忠等[13]提出的降雨侵蝕力 (R) 簡易計算公式計算。

R=1.70(PI30/100)-0.136

(當I30<10 mm/h)

(1)

R=2.35(PI30/100)-0.523

(當I30≥10 mm/h)

(2)

式中：R為次降雨侵蝕力 (mtcm/(hm2h))；P為次降雨量 (mm)；I為平均雨強 (mm/h)。

3　結果與分析

3.1侵蝕性降雨特點

2009—2013年共監(jiān)測76場侵蝕性降雨，5 a降雨總量和侵蝕降雨總量月分布見表1。

表1　2009—2013年降雨特征統(tǒng)計值

注：以上統(tǒng)計值均為2009—2013年的總值。

由表1可知，總降雨量為4 867.5 mm，5—10月降雨占總降雨量88.06%，為降雨主要集中月份；單月降雨量以6月最高，占總量的25.04%。侵蝕性降雨總量為2 699.1 mm，占降雨總量的55.45%，發(fā)生在4—10月；其中，5—9月降雨有50%以上可產(chǎn)生土壤侵蝕，占侵蝕性降雨總量的98.08%，占總降雨的48.83%，是發(fā)生侵蝕性降雨主要月份，且侵蝕性降雨量與降雨總量月分布呈現(xiàn)良好相關關系，相關系數(shù)達0.978。侵蝕性降雨歷時以6月最長，為228.83 h，占總歷時的30.17%；5—9月降雨歷時731.95 h，占總歷時的96.51%，為主要主要集中分布月份。侵蝕降雨次數(shù)同樣以6月最多，為24次，為總次數(shù)的31.58%；侵蝕降雨集中于5—9月，為73次，占總次數(shù)的96.05%。整體來說，5—9月是降雨、侵蝕降雨 (降雨量、降雨歷時、降雨次數(shù)) 最為集中分布的月份，6月為降雨和侵蝕降雨最易發(fā)生的月份。

3.2侵蝕性降雨標準

侵蝕性次降雨雨量和雨強標準，用一次降雨的情況來劃分不僅比較困難，還存在不確定性誤差或錯誤，因此只能用統(tǒng)計概率來劃分引起土壤流失的侵蝕性次降雨雨量和雨強標準，本研究中5 a序列的觀測資料滿足擬定侵蝕性雨量標準的要求[14]。P～PQ和I～PQ關系曲線擬合表達式為：

PQ=112.61-1.215P(R2=0.97)

PQ=114.79-13.086I(R2=0.98)

式中：PQ為侵蝕累計百分比 (%)；P為對應的次降雨雨量標準 (mm)；I為對應的次降雨雨強標準 (mm/h)。

P～PQ和I～PQ關系曲線擬合結果見圖1～2。

圖1侵蝕量累計百分比與降雨量關系

Fig.1Erosion cumulative percentage relationship with rainfall

圖2侵蝕量累計百分比與平均雨強關系

Fig.2Erosion cumulative percentage relationship with average rainfall intensity

根據(jù)頻率法，PQ=95%時，計算喀斯特地區(qū)侵蝕雨量標準值為14.49 mm (n=76)，基本雨強標準為1.51 mm/h (n=71)。同一算法中，我國普遍侵蝕性降雨標準為10 mm，黃土高原地區(qū)[13]和紫色丘陵區(qū)[10]降雨量≥14.49 mm的降雨引起的土壤流失量占總流失量的85.92%和87.91%；南方紅壤坡地[9]雨量≥9.97 mm、雨強≥0.756 mm/h的降雨所引起的土壤流失量占總流失量的99.9%，而本地區(qū)達到對應土壤流失量的雨量和雨強為10.46 mm和1.14 mm/h。相比之下，本研究地區(qū)的侵蝕雨量和雨強標準值較高，原因在于坡面徑流小區(qū)巖石裸露率高、多空隙結構、土層較淺薄，降雨易從土巖界面和空隙流走，不易形成地表面流產(chǎn)生面蝕，而在較高降雨量和降雨強度下，雨量大于入滲損失量，產(chǎn)流產(chǎn)沙才能在地表坡面形成。

3.3侵蝕性次降雨類型劃分

產(chǎn)流產(chǎn)沙不僅與降雨量、雨強、歷時、瞬時雨強相關，還和降雨類型相關，降雨類型的劃分以降雨的某些特征參數(shù)作為指標，大多研究均選用降雨量、降雨歷時、降雨雨強來劃分降雨類型。本研究以侵蝕性次降雨量、降雨歷時和平均雨強為降雨類型劃分指標，將76場侵蝕性次降雨劃分為A、B、C 3個類型，結果見圖3。不同降雨類型的降雨特征參數(shù)見表2。

由圖3可知，各降雨類型間的分布界限較為明顯，C降雨類型分布較A、B降雨類型集中，侵蝕性次降雨量、降雨歷時和平均雨強3個降雨特征參數(shù)的聚類函數(shù)和判別函數(shù)顯著性檢驗Sig ≤ 0.01，分類效果顯著。

圖3侵蝕性次降雨判別分類散點圖

Fig.3　Identification and classification scatterplot of single erosive rainfall

注：T、P、I、I30、I60為次降雨歷時、降雨量、平均雨強、最大30 min雨強、最大60 min雨強；V25、V75表示分位數(shù)為25%、75%對應的數(shù)值。

由表2可知，A、B、C降雨類型樣本數(shù)分別為9、33、34，占總樣本的11.84%、43.42%、44.74%。A降雨類型場均降雨量最大，為50.28 mm，主要分布在32.0～66.0 mm；場均歷時最長，為22.72 h，主要分布在20.0～25.0 h；場均雨強I、I30、I60最小，分別主要分布在1.3～3.5、8.0～27.0、5.5～15.0 mm/h。B降雨類型場均降雨量最小，為24.2 mm，主要分布在13.0～33.0 mm；場均歷時最短，為4.43 h，主要分布在2.5～6.0 h之間；場均雨強I、I30、I60分別主要分布在3.0～8.0、10.0～36.0、8.0～19.0 mm/h。C降雨類型場均降雨量和降雨歷時分別為42.59 mm和11.99 h，介于A、B降雨類型之間，分別主要集中在26.0～56.0 mm和9.5～14.5 h，場均雨強I、I30、I60分別主要分布在2.0～4.5 mm/h、13.0～30.0 mm/h、10.0～21.0 mm/h。從而得出A降雨類型表現(xiàn)為大雨量、長歷時、小雨強、低頻率，B降雨類型表現(xiàn)為小雨量、短歷時、大雨強、高頻率，而C降雨類型為中雨量、中歷時、中雨強、高頻率。

3.4不同降雨類型產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

分析A、B、C降雨類型2009—2013年的侵蝕性降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，由于各種降雨類型的雨量不同，為統(tǒng)一比較，采用徑流系數(shù)和單位侵蝕降雨產(chǎn)沙量 (1 mm侵蝕降雨產(chǎn)沙量) 來反映不同雨型間產(chǎn)流產(chǎn)沙的能力。結果見表3。

表3　不同雨型2009—2013年總產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

注：單位降雨產(chǎn)沙量=產(chǎn)沙量/侵蝕性降雨量。

由表3可知，5 a內(nèi)降雨總量為2 699.1 mm，產(chǎn)流達到93.49 mm，產(chǎn)沙總量為26.22 t/km2。A降雨類型侵蝕性降雨占到16.76%，但產(chǎn)流量卻只占9.73%，產(chǎn)沙量只占14.38%；B降雨類型侵蝕性降雨占29.58%，但產(chǎn)流量占到48.23%，產(chǎn)沙量占52.44%；C降雨類型侵蝕性降雨占53.65%，產(chǎn)流量占42.04%，產(chǎn)沙量占33.18%。侵蝕性降雨量表現(xiàn)為C降雨類型最多，A降雨類型最少；產(chǎn)流量B降雨類型最多，A降雨類型最少；產(chǎn)沙量B降雨類型最多，A降雨類型最少。A、B降雨類型產(chǎn)流量占有比例小于產(chǎn)沙量占有比例，而C降雨類型產(chǎn)流量占有比例大于產(chǎn)沙量占有比例，表明在降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙過程中，A、B降雨類型的泥沙含量高，C降雨類型的泥沙含量低，A、B降雨類型的降雨產(chǎn)沙能力強于C降雨類型。

徑流系數(shù)方面，A降雨類型最小，只有2.01%；C降雨類型居中，為2.71%；B降雨類型最大，達到5.65%，是A、C降雨類型的2倍之多，高于整體的3.46%。這表明B降雨類型最易產(chǎn)流，產(chǎn)流能力最強。在單位侵蝕性降雨產(chǎn)沙量方面，A、C降雨類型最小，均低于整體的0.009 7 t/(km2mm)，分別只有0.008 3、0.006 t/(km2mm)；而B降雨類型遠遠高于總體平均值，達到0.017 2 t/(km2mm)，同樣是A、C降雨類型的2倍之多。表明B降雨類型降雨產(chǎn)沙能力最強，A、C降雨類型次之。B降雨類型侵蝕降雨量不足總體的30%，但產(chǎn)流產(chǎn)沙量卻占到總量的48%和52%以上，是喀斯特地區(qū)最易產(chǎn)流產(chǎn)沙的類型，也是產(chǎn)流產(chǎn)沙集中分布的降雨類型；而A和C降雨類型侵蝕降雨總量占總體的70.42%，產(chǎn)流量占總體的51.77%，產(chǎn)沙量占總體的47.46%。

3.5產(chǎn)沙侵蝕量與次降雨侵蝕力

由公式 (1) 和 (2) 計算得出的次降雨侵蝕力 (R)，因為侵蝕量 (A) 由下式計算：

A=RKLSCP

式中：A為土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為作物管理因子；P為治理措施因子。

且本研究數(shù)據(jù)來源于同一徑流小區(qū)，產(chǎn)流產(chǎn)沙時間在4—10月 (植被覆蓋基本不變)，所以K、LS、C、P因子基本維持不變，侵蝕量與R將呈線性關系，將計算得出的R值與實測的產(chǎn)沙侵蝕量進行相關性和回歸分析，結果見圖4。

圖4產(chǎn)沙侵蝕量與R關系

Fig.4The relationship between sediment erosion andR

產(chǎn)沙侵蝕量A與R的線性擬合關系式 (圖4) 為：A=0.012 95R+ 0.053 89 (R2=0.359)，A與R在0.01水平上顯著相關，相關系數(shù)r=0.634。然而，分析產(chǎn)沙侵蝕量與降雨指標因子的不同組合得出 (表4)：與產(chǎn)沙侵蝕量相關性最高的是PI組合因子。

表4　產(chǎn)沙侵蝕量與降雨因子Pearson相關性

注：*在 0.05 水平 (雙側) 上顯著相關，**在 0.01 水平 (雙側) 上顯著相關。

將R計算公式中的PI30替換為PI計算降雨侵蝕力，記為RI，A與RI相關系數(shù)r=0.767，在0.01水平上顯著相關，A與RI線性擬合的關系 (圖5) 為：A=0.043 49RI+0.100 2 (R2=0.601)。相比之下，A與RI的線性擬合好于A與R，A與RI的相關性也好于A與R，表明RI比R更能反應喀斯特地區(qū)的次降雨的產(chǎn)沙侵蝕量情況，PI組合因子更適合計算喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力。侵蝕力RI比R小，RI計算得出的產(chǎn)沙侵蝕量也將小于RI計算得出的參數(shù)侵蝕量，這與實際情況相符。因為喀斯特地區(qū)的獨特水文二元結構發(fā)育、巖石裸露率高、土層淺薄，以致于有些地方的地表基本沒土可流失，眾多研究也表明[15-16]喀斯特地區(qū)的侵蝕量相比于非巖喀斯特溶區(qū)小得多。

圖5產(chǎn)沙侵蝕量與RI關系

Fig.5The relationship between sediment erosion andRI

4　結　論

1) 5—10月為降雨主要集中月份，占降雨總量的88.06%，5—9月為侵蝕降雨量主要集中月份，占侵蝕降雨總量98.08%，占總降雨的48.83%，6月是降雨和侵蝕降雨最多的月份。

2) 喀斯特地區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙需要較高降雨量和雨強，次侵蝕雨量標準為14.49 mm，雨強標準為1.51 mm/h，這一標準的產(chǎn)沙侵蝕量占總侵蝕量的95%以上。

3) B雨型降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙能力遠高于A、C雨型，B雨型侵蝕降雨量不足總體的30%，產(chǎn)流產(chǎn)沙量卻占到總體的48%和52%以上；A、C雨型侵蝕降雨量超過總體的70%，產(chǎn)流量約占總體的50%，產(chǎn)生量占總體的不足50%。小雨量、短歷時、大雨強的B雨型降雨是喀斯特地區(qū)最易產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨類型。

4) 適用于我國次降雨侵蝕力計算的R簡易公式在喀斯特地區(qū)的適用性不是很好，R計算公式中的PI30替換為PI后，R值減小，得出的產(chǎn)沙侵蝕量減小，但產(chǎn)沙侵蝕量A與R的相關性提高，更能反應出喀斯特區(qū)侵蝕性次降雨的產(chǎn)沙侵蝕量的變化情況。

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(責任編輯曹龍)

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

10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2016. 05. 019

2016-04-09

貴州省水利廳科研項目 (KT201312) 資助；貴州省水利廳科研項目 (KT201311) 資助。

唐麗霞 (1976—)，女，副教授。研究方向：土壤侵蝕與水土保持。Email: xialitang123@163.com。

S714.7

A

2095-1914(2016)05-0111-07

第1作者：杜波 (1990—)，男，碩士生。研究方向：小流域綜合治理。Email: 478390871@qq.com。