關(guān)嶺縣螞蝗田小流域降雨年內(nèi)分配特征研究

高儒學, 高華端, 孫泉忠, 徐定平, 李華林

(貴州大學 林學院, 貴陽550025)

關(guān)嶺縣螞蝗田小流域降雨年內(nèi)分配特征研究

高儒學, 高華端, 孫泉忠, 徐定平, 李華林

(貴州大學 林學院, 貴陽550025)

根據(jù)貴州省關(guān)嶺縣螞蝗田小流域2009—2012年的降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了降雨集中度、集中期、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)等指標，研究了螞蝗田小流域降雨的年內(nèi)分配特征。結(jié)果表明：螞蝗田小流域中雨、小雨全年分配均勻；大雨、暴雨分配不均勻。無論是枯水年還是豐水年，降雨的分配特征大體相同；旬降雨量波動很明顯，降雨在月內(nèi)分配不均勻。年內(nèi)降水集中度為0.78～0.81，集中期變化于18～20旬，年內(nèi)分配不均勻系數(shù)大于0.8。無論從4年總體還是各年情況來看，侵蝕性降雨分布都不均勻，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蝕性降雨次數(shù)最多。

關(guān)嶺縣; 螞蝗田小流域; 降雨年內(nèi)分配

降雨對區(qū)域水資源時空分布、生態(tài)環(huán)境形成與演變以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著決定性的影響[1]。水土流失、泥石流、滑坡及山洪等自然災害主要是由降雨誘發(fā)的[2]，因此，研究降雨分配特征很有意義。相當學者對降雨分配特征進行了一定的研究[3-9]。王紀軍等[10]的研究反映降水集中度、降水不均勻系數(shù)和調(diào)節(jié)系數(shù)可以從不同側(cè)面反映降水量的年內(nèi)分布特征，且降水集中度和不均勻系數(shù)相互之間顯著相關(guān)(p<0.01)，說明3個指標間可以相互代替。劉士余[11]采用時間序列分析法和統(tǒng)計回歸分析法對贛西北大坑小流域降雨變化進行分析，發(fā)現(xiàn)降雨年內(nèi)變化特征為典型的單峰型曲線，降雨的季節(jié)差異很明顯。代俊峰，張學洪等[12]用降雨年內(nèi)分配不均勻系數(shù)對北部灣經(jīng)濟區(qū)降雨分配特點進行研究，表明氣候變化使得降雨年內(nèi)穩(wěn)定程度降低，不均勻性增大。劉文莉[13]用降水集中度對陜西省年內(nèi)降水分配進行研究，得出年內(nèi)降水集中度的大小是影響旱澇災害的一個重要因素，年內(nèi)降雨集中度越大，越易引發(fā)洪澇災害。黃曉亞等[14]用降水集中度及Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗等方法分析日降水集中度指標與降雨統(tǒng)計特征的關(guān)系，揭示該地區(qū)降雨集中度變化趨勢及其與極端降雨變化的關(guān)系。顧璟冉等[15]利用徑流小區(qū)觀測法以及黔西高原地區(qū)典型小流域的降雨、徑流與泥沙資料，對黔西高原地區(qū)侵蝕性降雨的特征進行了分析。劉偉等[16]利用渾河流域1956—2011年56 a的逐月降水與徑流資料，借助累積距平、滑動平均等方法分析了渾河流域降水量與徑流量的變化趨勢及時間尺度上的相關(guān)性。貴州喀斯特地貌發(fā)育，成土速度慢，土層淺薄，山高坡陡，是中國水蝕嚴重的地區(qū)之一[17]，研究年內(nèi)降雨特征對土壤侵蝕的影響具有重要意義。然而，針對喀斯特地區(qū)土壤侵蝕原型試驗的降雨研究較少，本文將對貴州典型喀斯特流域(關(guān)嶺螞蝗田小流域)的年內(nèi)降雨特征進行研究，以探尋土壤侵蝕過程中的降雨規(guī)律，為喀斯特地區(qū)土壤侵蝕研究服務。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)的概況

螞蝗田水土保持監(jiān)測點位于關(guān)嶺縣花江境內(nèi)，東經(jīng)105°34′36″、北緯25°49′2″。該監(jiān)測點所在的螞蝗田小流域面積2.45 km2，屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量為1 236 mm，多年平均氣溫為19.2℃；現(xiàn)有植被類型多為次生喬木林、疏幼林，喬木品種主要有：柳杉、杉木、馬尾松、女貞、滇柏等；土壤為黃壤。該監(jiān)測點始建于2008年，主要監(jiān)測設(shè)施有：簡易氣象觀測場1個、坡面徑流小區(qū)6個、控制站1個、1個雨量站，觀測便道200 m等。主要設(shè)備有：自記雨量計、自記水位計、烘箱、電子天平、取樣瓶、鋁盒等；主要監(jiān)測內(nèi)容為：降雨、徑流、泥沙及懸移質(zhì)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)是貴州省水土保持監(jiān)測站關(guān)嶺縣螞蝗田監(jiān)測點2009—2012年701場降雨資料，主要為人工雨量器觀測和自計雨量觀測兩部分，有年內(nèi)月降雨量、旬降雨量、日降雨量和每場降雨30 min最大降雨強度等。

1.3 研究方法

本文采用降雨集中度來表述和反映年降水總量在年內(nèi)各旬的集中程度，揭示降雨年內(nèi)分配特征；用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)反映降雨年內(nèi)各月分配的均勻狀況；用統(tǒng)計學方法統(tǒng)計各月、旬、日降水量反映降雨的分布和波動特征，還可以得出每年的侵蝕性降雨場次，各類雨型分布情況，全面反映全年的降雨狀況；數(shù)據(jù)主要采用Office Excel和SPSS軟件進行統(tǒng)計和分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 月降雨量的統(tǒng)計分析

月降雨量可以反映年降雨總量在每個月的分配情況，對每年降雨有大概的認識，是研究年降雨分配的第二層次。

圖1是由自計雨量觀測表統(tǒng)計出的2009—2012年每個月平均降雨量的分布情況。圖1表明，降雨的年內(nèi)分布總體呈單峰曲線，為正態(tài)分布形式，分布不均勻。1—4月曲線相對平緩，降雨分配相對比較均勻，月降雨總量<40 mm，屬于旱季；從5月份開始，曲線斜率逐漸增大，降雨進入汛雨期，6月達到一年中的最大降雨量，即為峰值，接近300 mm；之后月降雨量開始減少，減少的幅度比較大，到8月份，月降雨量降到100 mm左右，由此可見，5—8月降雨極不均勻；9月份后降雨量減少幅度變緩，12月份降雨量在10 mm左右。因此從四年總體來看，降雨汛期為5—8月；6月，7月份降雨量最大，占四年降雨總量的51%；11月到第二年的3月降雨量最少，僅占四年降雨總量的11.4%。

圖12009-2012年月平均降水量分布

圖2是由自計雨量觀測表統(tǒng)計出的2009—2012年各年月降雨量及總體平均月降雨量的分布情況對比分析?？梢钥闯觯瑥?009—2012年，月降雨量分布曲線由單峰型正態(tài)分布向雙峰型轉(zhuǎn)變，峰值出現(xiàn)在5月—7月，但汛雨期還是5—8月不變；降雨在汛雨期分布雖然有所分散，但總體分布還是很不均勻。2—4月為播種季節(jié)，易出現(xiàn)干旱；5—8月為作物生長季節(jié)，易出現(xiàn)洪澇災害。

圖22009-2012年月降雨量分布情況

2.2 旬降雨量統(tǒng)計分析

旬降雨量能反映月內(nèi)降雨分配特征，是年降雨分配的第三層次，月降雨量的統(tǒng)計只讓我們對降雨分配特征有總體的認識，月對年的單位來說太大，需要對月內(nèi)分配做進一步研究，使年內(nèi)降雨分配特征更加具體、清晰和細致，幫助我們更加全面的了解降雨分配特征，從而合理利用降雨。因為2009年1—4月沒有數(shù)據(jù)，2010年1—3月沒有數(shù)據(jù)，所以不分析2009年全年和2010年前3個月的旬降雨量分布。

圖3是由自計雨量觀測表統(tǒng)計出的2010年4月—2012年12月旬降雨量分布情況。旬降雨量在每年11月至第二年3月波動性很小，說明降雨在該月段內(nèi)分配均勻；而在5—8月時，其波動幅度很大，說明降雨在該月段內(nèi)內(nèi)分配極不均勻。整體呈現(xiàn)降雨量越大，其波動幅度越大的分配特征，特別是像2010年這樣的豐水年波動差距更加明顯。降雨月內(nèi)的分配特征是：降雨量與降雨均勻性呈負相關(guān)，降雨量在月內(nèi)分布是不均勻的。圖中的折線點在刻度間基本呈兩低一高的分布，說明降水主要集中在每個月其中的某個旬內(nèi)，這充分證明了月內(nèi)降雨的不均勻性，并且這種分布特征很容易導致暴雨和洪澇災害的發(fā)生。

圖32010-2012年旬降雨量分布

結(jié)合圖1和圖3可以得出：在汛雨期主要的降雨形式是大雨和暴雨，5—8月的降雨量為全年的76%，這是影響降雨年內(nèi)分配不均勻的主要因素；而月內(nèi)的降雨又集中在其中某個旬內(nèi)，在短時間內(nèi)降這么多的雨量，這其中就會有許多大雨，甚至暴雨；全年的暴雨和大雨場次僅為全年降雨總場次的14.6%，這充分說明了大雨和暴雨對年內(nèi)降水影響最大，研究區(qū)在汛雨期常出現(xiàn)大雨和暴雨，這段時間一般會出現(xiàn)洪澇災害；因此研究區(qū)的發(fā)展受到降雨的影響很大。

2.3 日降雨量統(tǒng)計分析

日降雨量可以幫助我們對全年的降雨進行等級劃分，了解全年降雨類型的分布特征，是降雨年內(nèi)分布特征需要研究的重要內(nèi)容，知道雨強的分布能幫助我們更好的控制降雨帶來的危害。根據(jù)國內(nèi)對降雨類型劃分的標準，即小雨(12 h降雨量小于5 mm，日降雨量小于10 mm)、中雨(12 h降雨量5～14.9 mm，日降雨量10～24.9 mm)、大雨(12 h降雨量15～29.9 mm，日降雨量25～49.9 mm)、暴雨(12 h降雨量30～69.9 mm，日降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(12 h降雨量70～139.9 mm，日降雨量100～199.9 mm )、特大暴雨(12 h降雨量不小于140 mm，日降雨量不小于200 mm)；統(tǒng)計出每個月中各種降雨強度級別的場次，然后求出其平均數(shù)，這樣就可以清楚地反映出年降雨總量在每個月降雨強度級別的分布，從而得出年內(nèi)降雨的具體分布形式和降雨在各月的分布特征。

圖4是由自計雨量觀測表統(tǒng)計出的四年內(nèi)日降雨強度平均場次分布情況。由圖可知：年降雨以小雨為主，占降雨總天數(shù)的73%，每個月都有分布，分配比較均勻；中雨次之，占年降雨總天數(shù)的13.7%，主要分布在5—10月，基本每月都會有分布，分配均勻；大、暴雨占年降雨總天數(shù)的12.8%，集中在5—7月，發(fā)生在6月份的概率最大，約為0.48。本次統(tǒng)計沒有出現(xiàn)特大暴雨，大暴雨出現(xiàn)2次，分別為2011年的6月和8月，大暴雨和特大暴雨是隨機發(fā)生在年內(nèi)降雨汛期的突然性降雨，屬于極端氣候，本研究可以不做討論。總的來說降雨場次分配較均勻，以小、中雨為主，占降雨總場次的86.8%，基本每月都有，集中在11月至第二年4月。而降雨量分配不均勻，大雨、暴雨場次雖然少，但降雨量大且分布比較集中，僅5—7月大雨、暴雨場次就占了大雨、暴雨總場次的73%；大雨、暴雨降雨量分別占降雨總量35.31%和15%，兩者之和為50.31%，超過了降雨總量的一半。

圖42009-2012年年內(nèi)日降雨強度平均場次分布情況

2.4 降雨集中度和集中期分析

集中度是利用向量分析的原理定義單站降水量時間分配特征的參數(shù)，是一個無量綱，可以定量地描述降水的集中程度，對年內(nèi)降水分配非均勻性特征有很好的演示作用；集中期是定量的表述降雨的年內(nèi)集中時段，具體指明一年中最大旬降水量出現(xiàn)在哪一個旬內(nèi)。其計算公式為:

式中：PCDi為i年的降雨集中度;PCPi為i年的降雨集中期;Rxi、Ryi分別為某測站i年逐旬降水量在坐標系中x，y軸上的投影之和;Ri為監(jiān)測站i年內(nèi)總降雨量;rij為i年第j旬內(nèi)的降雨量;θj為年內(nèi)第j旬降雨量的矢量角度;i為年份(i=2009，2010，2011，2012);j為年內(nèi)的旬序(j=1，2，…，36)?？纱丝芍?，降雨集中度的取值為0～1，值越大，說明降雨量越集中，降雨年內(nèi)分配越不均勻。而降水集中期的計算是合成向量的方位角，指示每個旬降水量合成后的總體效應，也就是向量合成后重心所指示的角度。

由于2009年、2010年兩年1—4月份的數(shù)據(jù)沒有，這里只分析2011年和2012年的年內(nèi)降雨集中度；經(jīng)計算得到2011年和2012年的降雨集中度分別為0.81與0.78，兩年的平均系數(shù)為0.79，都大于0.7，說明研究區(qū)的年內(nèi)降雨分配比較集中，分配不均勻。而2011年和2012年的降雨集中期為17.5，19.7，平均為18.6，即為每年的7月上旬，但資料太少，反映了研究區(qū)的降雨集中在每年的第18～20個旬日，即為每年6月下旬至7月中旬。對比2011年和2012年的集中度和集中期，可以發(fā)現(xiàn)2012年的系數(shù)有所減小，集中期增大，說明2012年降雨有所分散，降雨集中區(qū)也隨之后移了。

2.5 年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

不均勻系數(shù)是根據(jù)變差系數(shù)定義的，是可以表示降雨量年內(nèi)分配不均勻性的系數(shù)；這是用數(shù)學方法來對降雨分配進行定量描述，科學的反映不均勻的程度，使降雨分配的不均勻性更加直觀。其計算方法為：

式中：Cvy為降雨量年內(nèi)分配不均勻系數(shù);Ki為各月降雨量占年降雨總量的百分比;K為各月平均占全年百分比，即K=100%/12=8.33%，不均勻系數(shù)是以月降雨量進行計算的，當雨量平均分到各月時，不均勻系數(shù)為0，年內(nèi)降雨在月際間的分配很均勻；當年降雨集中在某一個月時，不均勻系數(shù)為1，分配極不均勻；Cvy值越大，說明降雨量相差越懸殊，年內(nèi)分配就越不均勻。

經(jīng)過計算，可以得到2010—2012年的不均勻系數(shù)分別為0.802，0.808，0.803，三年的平均數(shù)為0.804，都大于0.8，接近1，表明該地區(qū)的年內(nèi)降雨分配是極不均勻的。這其中2010年1—3月沒有數(shù)據(jù)，但這對我們的計算和總體分析降雨的年內(nèi)分配特征的影響并不是很大，可以作為研究材料。

2.6 侵蝕性降雨的統(tǒng)計分析

對侵蝕性降雨的統(tǒng)計分析便于我們掌握其分配特征及規(guī)律，從而更好地保護土壤，發(fā)展生產(chǎn)。張文源、王百田等[18]在對喀斯特黃壤區(qū)侵蝕性降雨及產(chǎn)沙特征分析研究中得出黃壤裸地的侵蝕性降雨指標采用最大30min降雨強度，其取值在9.6～10.2mm/h，本文研究區(qū)植被覆蓋一般，因此最大30min降雨強度達到10mm/h以上就會對土壤產(chǎn)生侵蝕。在4a中的701場降雨中侵蝕性降雨有91場，占12.98%。

圖5是由自計雨量觀測表統(tǒng)計出的2009—2012年各年內(nèi)侵蝕性降雨降雨場次分布情況。由圖可知：無論從4a總體還是各年情況來看，侵蝕性降雨分布都不均勻，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蝕性降雨次數(shù)最多，峰值出現(xiàn)在7月，達到8次以上。土壤侵蝕發(fā)生規(guī)律通常和侵蝕性降雨一致，所以其分配特征能為水土保持設(shè)計提供重要的參考，從而做好防護。

圖52009-2012年年內(nèi)I30>10mm降雨場次分布

3 結(jié) 論

(1) 汛期為5—8月，降雨量為全年的76%；6月，7月份降雨量最大，占四年降雨總量的51%；11月到第二年的3月降雨量最少，僅占四年降雨總量的11.4%。

(2) 降水主要集中在每個月其中的某個旬內(nèi)，這充分證明了月內(nèi)降雨的不均勻性，并且這種分布特征很容易導致暴雨和洪澇災害的發(fā)生。

(3) 從降雨場次來看，年降雨以中、小雨為主，各月均有，分配均勻；大雨、暴雨分配集中，主要在5—7月，分配極不均勻。而從降雨量來看，大雨、暴雨降雨場次雖然不足15%，但是兩者降雨量之和卻超過了降雨總量的50%。

(4) 對研究區(qū)的降雨集中度、集中期經(jīng)過數(shù)學方法的計算分析，我們可以得到以下結(jié)論：1) 降雨集中度>0.75，分配比較集中。2) 降雨集中期的取值為18.6，年內(nèi)降雨集中在第19個旬日，即為每年的7月上旬。3) 年內(nèi)分配不均勻系數(shù)>0.8，降雨分配不均勻的程度高。

(5) 無論從4a總體還是各年情況來看，侵蝕性降雨分布都不均勻，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蝕性降雨次數(shù)最多。

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StudyonAnnualDistributionCharacteristicsofRainfallinMahuangtianCatchmentofGuanlingCounty

GAO Ruxue, GAO Huaduan, SUN Quanzhong, XU Dingping, LI Hualin

(CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Based on the rainfall data from 2009 to 2012 in Mahuangtian catchment of Guanling County in Guizhou Province, the rainfall concentration, concentration period and uneven distribution coefficient were analyzed and the annual distribution characteristics of rainfall were studied. The results showed that the moderate or light rainfall in Mahuangtian catchment evenly distributed throughout the year; and heavy rain, rainstorm distributed unevenly; the distribution characteristics of rainfall is approximately the same in dry year or wet year; ten-day rainfalls had an obvious fluctuation, and rainfalls in a month unevenly distributed. Annual precipitation concentration degrees ranged from 0.78 to 0.81, precipitation concentration periods changed in 18 to 20 ten-day, uneven coefficient of annual distribution was greater than 0.8. Erosive rainfall is unevenly distributied, mainly concentrated in May to October, and mostly was from June to July within the total or each year of the four years.

Guanling County； Mahuangtian catchment； annual distribution of rainfall

2016-02-28

：2016-05-10

貴州省專業(yè)學位研究生工作站項目(黔教研合JYSZ字[2014]003);貴州省水土保持監(jiān)測站小流域監(jiān)測項目(KT201311)

高儒學(1991—),貴州省織金縣人,男,在讀碩士,主要從事區(qū)域水土保持研究。E-mail:2235274067@qq.com

高華端(1965—),貴州省織金縣人,男,教授,博士,碩士生導師，主要研究方向:區(qū)域水土保持與環(huán)境。E-mail:gdghd110@163.com

P468.0+24

：A

：1005-3409(2017)02-0152-04