寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)降雨侵蝕力特征分析

王友勝，楊 志，劉 冰?，馬文濤，任正龑，辛 艷，趙 陽，解 剛

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100048，北京； 2.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測總站，750000，銀川)

降雨侵蝕力是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，反映降雨對(duì)土壤侵蝕的影響，是USLE[1](universal soil loss equation)以及后來的RUSLE[2](revised universal soil loss equation)、中國土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)[3]中反映降雨對(duì)侵蝕影響的重要因子。在USLE、RUSLE和CSLE中，降雨侵蝕力因子的計(jì)算主要包括3方面：次降雨侵蝕力、時(shí)段降雨侵蝕力和多年平均的年降雨侵蝕力[4]。次降雨侵蝕力反映一次(場)降雨事件對(duì)土壤侵蝕的潛在能力，一般在量化水土保持措施對(duì)徑流影響和微地形對(duì)雨滴擊濺消減作用時(shí)使用。時(shí)段降雨侵蝕力反映降雨侵蝕力在年內(nèi)不同時(shí)段的分配狀況，在USLE和RUSLE計(jì)算植被覆蓋與管理因子C、CSLE計(jì)算生物措施因子B時(shí)，可以提供降雨侵蝕力年內(nèi)不同時(shí)段分配的權(quán)重系數(shù)，推薦以半月[3]或某段農(nóng)作物耕作一致期[1]為時(shí)段的降雨侵蝕力。多年平均年降雨侵蝕力，反映降雨侵蝕力的多年平均狀況，是USLE、RUSLE和CSLE中的降雨侵蝕力因子R，一般要求數(shù)據(jù)的序列達(dá)到22 a以上，反映不同氣候態(tài)下侵蝕力的多年平均狀況。

對(duì)于有精細(xì)降雨過程資料積累的地區(qū)，侵蝕力在計(jì)算時(shí)通常會(huì)采用基于虹吸式雨量計(jì)或自計(jì)雨量計(jì)記錄的降雨過程觀測資料計(jì)算，然而精細(xì)降雨過程資料的獲取對(duì)于很多地區(qū)通常是十分困難的。因此，國內(nèi)外部分學(xué)者在已有精細(xì)降雨過程資料的地區(qū)，發(fā)展了基于常規(guī)降雨資料(如：基于日降雨量、月降雨量、年降雨量)的降雨侵蝕力計(jì)算模型。如：Yu等[5]基于澳大利亞日降雨發(fā)展的季節(jié)侵蝕力計(jì)算模型，CREAMS基于日雨量發(fā)展的侵蝕力計(jì)算模型[6]，王萬中等[7]在黃土高原發(fā)展的基于日降雨量P≥10 mm和平均年最大60 min降雨強(qiáng)度I60發(fā)展的年降雨侵蝕力模型，黃炎和等[8]基于各月大于20 mm的降雨總量發(fā)展的閩東南地區(qū)年降雨侵蝕力模型，周伏建等[9]基于月降雨量發(fā)展的福建省年降雨侵蝕力模型，吳素業(yè)[10]提出的基于月降雨量發(fā)展的安徽省大別山區(qū)年降雨侵蝕力模型，馬志尊[11]基于月降雨量占年降雨比例發(fā)展的海河流域太行山區(qū)年降雨侵蝕力模型，以及近年來殷水清等[12]基于日降雨量資料發(fā)展的冷暖季侵蝕力計(jì)算模型，章文波等[13]基于日降雨量資料發(fā)展的侵蝕力計(jì)算模型。在眾多的模型中，基于日降雨資料的章文波日侵蝕力模型和殷水清冷暖季侵蝕力模型因基礎(chǔ)資料容易獲取，模型在不同地區(qū)的適用性較好應(yīng)用較為廣泛。

寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)地處我國西北半干旱區(qū)，是我國生態(tài)環(huán)境較為敏感和脆弱的重要區(qū)域之一。該區(qū)域年內(nèi)降水集中，由降水帶來的土壤侵蝕問題突出。降雨侵蝕力年內(nèi)分配狀況與植被覆蓋年內(nèi)變化的配合狀況，對(duì)于土壤侵蝕的發(fā)生、發(fā)展具有重要影響，尤其是對(duì)于生態(tài)環(huán)境本身就敏感和脆弱的寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)。以往學(xué)者的研究提出該區(qū)域面臨的土壤侵蝕問題[14-16]，構(gòu)建寧南山區(qū)生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治技術(shù)體系[17]，提出黃土地區(qū)最優(yōu)的降雨侵蝕力R的指標(biāo)形式[18]，在黃土高原[19-21]、陜北地區(qū)[22]、延河流域[23]等區(qū)域降雨侵蝕力年際間變化特征，但受限于寧夏黃土丘陵區(qū)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)少，長時(shí)間序列的精細(xì)降雨過程資料積累少、且較難獲取，圍繞該區(qū)域次、半月侵蝕力特征及現(xiàn)有模型適應(yīng)性的研究鮮有報(bào)道。

降雨作為寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕重要的驅(qū)動(dòng)因素，深入研究由降雨對(duì)土壤侵蝕所帶來的潛在能力(即降雨侵蝕力)在次降雨事件、年內(nèi)分配及年際間變化的特征，對(duì)深入了解區(qū)域侵蝕的氣候背景，提升次降雨暴雨事件土壤侵蝕的防治與應(yīng)對(duì)，提高植被覆蓋因子計(jì)算時(shí)與對(duì)應(yīng)時(shí)段降雨侵蝕力的匹配精度，提高土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算的精度具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。為此，基于寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)王洼小流域近35 a間1 207次降雨事件的降雨過程資料，分析次降雨事件和累積不同時(shí)段的侵蝕力特征，研究降雨侵蝕力的年內(nèi)分配特征，以期為區(qū)域土壤侵蝕定量評(píng)估和流域水土流失綜合治理提供基礎(chǔ)科學(xué)參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選取寧夏回族自治區(qū)彭陽縣王洼小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域(圖1)，流域位于彭陽縣王洼鎮(zhèn)王洼村，地貌類型區(qū)屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)[24]，氣候?qū)俅箨懶詺夂?，具有降水量少，降水集中的特點(diǎn)。王洼小流域海拔1 732.1～1 825.3 m。近35a年均降水量310.73 mm，多年平均蒸發(fā)量1 342.2 mm。多年平均氣溫6.4 ℃，年平均≥10 ℃積溫2 580 ℃。土壤主要以侵蝕黃綿土為主，表土層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%～6%，土層厚在5 m以上，表層10 cm以草根為主的“草墊子”，下為腐殖層。植被類型屬于典型草原向森林草原過渡區(qū)域，天然草坡植被以長芒草(Stipabungeana)，百里香(Thymusvulgaris)，二裂萎陵菜(Potentilla bifurca)、冷蒿(Artemisiafrigida)等群系占優(yōu)勢。天然或人工灌木以山桃(Prunusdavidiana)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、蕤核(Prinsepiauniflora)為主，喬木以楊樹(Populus)、垂柳(Salixbabylonica)、榆樹(Ulmuspumila)、杏樹(Armeniacavulgaris)為主。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

自寧夏回族自治區(qū)水利廳水土保持監(jiān)測總站收集了寧夏黃土丘陵溝壑區(qū)王洼小流域1981—2019年間共計(jì)1 207次降雨的降雨過程資料，≥10 mm的降雨事件353次。數(shù)據(jù)資料中，2010—2013年數(shù)據(jù)缺失，其他35 a的數(shù)據(jù)完整。降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過在站整編、整編、審查、復(fù)審的流程，達(dá)到觀測數(shù)據(jù)“一般的錯(cuò)誤率不超過1/2 000，終校發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤率小于1/10 000”，保證了數(shù)據(jù)資料的準(zhǔn)確可靠。

2.2 使用降雨過程資料計(jì)算EI30

Wischmeier等[1]提出以次降雨總動(dòng)能E與30 min最大降雨強(qiáng)度I30的乘積EI30，作為次降雨侵蝕力的指標(biāo)。由次降雨EI30累積得到24個(gè)半月的EI30和年EI30，進(jìn)一步累積得到多年均值。

(1)

式中：E為一次降雨總動(dòng)能， MJ·mm/(hm2·h)；er為時(shí)段r的單位降雨動(dòng)能， MJ·mm/(hm2·h)；Pr為時(shí)段r的降雨量，mm；q為一次降雨過程共劃分為q段，每一時(shí)段降雨強(qiáng)度一致，時(shí)段間降雨強(qiáng)度不同。

er=0.29(1-0.72exp(-0.082ir))。

(2)

式中ir為時(shí)段r的降雨強(qiáng)度，mm/h。

2.3 使用日降雨資料計(jì)算降雨侵蝕力

殷水清冷暖季侵蝕力模型[4]、章文波侵蝕力模型[5]及CREAMS模型[6]近年來在土壤侵蝕模型評(píng)價(jià)中因計(jì)算采用的基礎(chǔ)資料容易獲取、模型在不同地區(qū)的適用性較好，應(yīng)用較為廣泛。本文在日降雨的基礎(chǔ)上，分別采用殷水清冷暖季侵蝕力模型、章文波侵蝕力模型及CREAMS模型，計(jì)算得到半月、年降雨侵蝕力，并與在降雨過程資料基礎(chǔ)上計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)時(shí)段的半月、年EI30累積結(jié)果比較分析。

殷水清冷暖季侵蝕力模型為：

(3)

(4)

章文波侵蝕力模型為：

(5)

(6)

α=21.586β-7.189 1。

(7)

式中：P日為半月內(nèi)第q天的侵蝕性降雨(>12 mm)日雨量， mm；α、β為回歸參數(shù)；Pd12為1年內(nèi)侵蝕性降雨日雨量的平均值， mm；Py12為侵蝕性降雨年總量的多年平均值， mm。

CREAMS模型為：

(8)

2.4 次降雨分級(jí)

參照GB/T 28592—2012《降雨量等級(jí)》中的24 h降雨量等級(jí)劃分，將次降雨量按照<10 mm、≥10～25 mm、≥25～50 mm、≥50～100 mm、≥100 mm分為5個(gè)等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 次降雨侵蝕力特征

彭陽縣王洼小流域不同次降雨量與降雨侵蝕力見表1。王洼小流域年均降雨量310.73 mm，35 a間共收集到1 207場次降雨事件，以次降雨量0.1～10 mm的次降雨事件為主，<10 mm的次降雨事件占70.51%，≥10～25 mm的次降雨事件占20.13%，≥25～50 mm的次降雨事件占7.87%，≥50 mm的次降雨事件僅占1.49%。

表1 不同次降雨量與侵蝕力統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of different event rainfall and rainfall erosivity

根據(jù)次降雨事件降雨過程資料計(jì)算的EI30次降雨侵蝕力平均值分別為16.64 MJ·mm/(hm2·h)，方差為60.57 MJ·mm/(hm2·h)，分布偏態(tài)系數(shù)為7.49，次降雨侵蝕統(tǒng)計(jì)學(xué)上呈非正態(tài)分布。次降雨侵蝕力最大值752.39 MJ·mm/(hm2·h)，發(fā)生在2018年8月7日，占2018年侵蝕力的40.35%。5次≥500 MJ·mm/(hm2·h)的降雨侵蝕力值占總值的17.24%。

隨著次降雨量的增加，降雨侵蝕力的增加更快。次降雨量為<10 mm的降雨事件侵蝕力均值為1.71 MJ·mm/(hm2·h)，占總侵蝕力的7.28%；次降雨量為≥10～25 mm的降雨事件侵蝕力均值為21.35 MJ·mm/(hm2·h)，占侵蝕力比例的25.72%；次降雨量為≥25～50 mm的降雨事件侵蝕力均值為95.29 MJ·mm/(hm2·h)，占總侵蝕力比例的44.59%；≥50 mm的降雨事件侵蝕力均值達(dá)到264.83 MJ·mm/(hm2·h)，占總侵蝕力比例的22.41%，說明年侵蝕力主要是由大雨強(qiáng)降雨事件所貢獻(xiàn)的，大雨強(qiáng)降雨事件下的水土流失防護(hù)需要得到重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 24個(gè)半月降雨侵蝕力特征

王洼小流域24個(gè)半月降雨侵蝕力和降雨量見表2，24個(gè)半月降雨侵蝕力比例及降雨量比例見圖2。可以看出，王洼小流域半月降雨侵蝕力分布極不均勻，半月侵蝕力在第12個(gè)半月較快的增加至50.08 MJ·mm/(hm2·h)，在第15個(gè)半月達(dá)最大值181.82 MJ·mm/(hm2·h)，該半月侵蝕力值占年侵蝕力的31.68%。在第15個(gè)半月后，侵蝕力開始快速下降，第16個(gè)半月至63.28 MJ·mm/(hm2·h)。第12～16個(gè)半月間侵蝕力占年侵蝕力值的83.51%。從汛期6—9月的侵蝕力來看，汛期第11～18個(gè)半月侵蝕力值累計(jì)540.78 MJ·mm/(hm2·h)，占全年侵蝕力的94.22%。汛期6—9月(第11～18個(gè)半月)是潛在水土流失較大的時(shí)段，尤其是第15個(gè)半月，應(yīng)更加注重在該段時(shí)間加強(qiáng)水土流失防護(hù)，嚴(yán)格做好地表土壤保護(hù)，以免造成嚴(yán)重的水土流失。

表2 王洼小流域24個(gè)半月降雨量與侵蝕力Tab.2 Rainfall and its erosivity in Wangwa small watershed in 24 half-months

圖2 24個(gè)半月降雨侵蝕力與降雨量年內(nèi)分布比例Fig.2 Annual distribution ratio of rainfall erosivity and rainfall amount in 24 half-months

3.3 降雨侵蝕力年際變化特征

35 a來，王洼小流域年降雨和侵蝕力變化見圖3，35 a間侵蝕力均值為573.94 MJ·mm/(hm2·h)，年降雨量為310.73 mm。最大年降雨侵蝕力發(fā)生在2018年，為1 864.72 MJ·mm/(hm2·h)，該年降雨量為392.40 mm。最小年降雨侵蝕力發(fā)生在1982年，為116.05 MJ·mm/(hm2·h)，該年降雨量為171.30 mm。侵蝕力年最大值與最小值相差1 748.67 MJ·mm/(hm2·h)。1992、1994、2006和2018年是35 a間降雨侵蝕的高值期。

圖3 王洼小流域35 a來降雨量與降雨侵蝕力變化Fig.3 Changes of rainfall amount and rainfall erosivity in Wangwa small watershed in the past 35 years

3.4 降雨侵蝕力模型的適用性分析

將常用的殷水清冷暖季模型、章文波模型、CREAMS模型分別計(jì)算得到相應(yīng)年份和半月的侵蝕力值，結(jié)果見圖4和5。從圖4可以看出，3個(gè)模型的預(yù)測結(jié)果，冷暖季模型(R_殷水清，R_YIN)預(yù)測結(jié)果整體與EI30值最為接近，其次為章文波模型(R_章文波，R_ZHANG)，CREAMS模型預(yù)測結(jié)果偏差最大。3個(gè)模型逐年降雨侵蝕力數(shù)值走勢均相似，CREAMS模型在年侵蝕力的預(yù)測結(jié)果上均高于其他2個(gè)模型，冷暖季模型預(yù)測值最低，與EI30值最為接近。3個(gè)模型的預(yù)測結(jié)果與EI30值整體走勢相似，但預(yù)測值整體均高于EI30值。在年侵蝕力值較高的1981、1992、1994、2006和2018年等，3個(gè)模型的預(yù)測值均與EI30走勢相似，可以反映出侵蝕力處于波峰，數(shù)值偏高的特征，在年侵蝕力值較低的1982、1991、1993和2017年均可以反映出侵蝕力處于谷底，數(shù)值偏低的走勢特征。在個(gè)別年份，如1995、2003和2019年，3個(gè)模型預(yù)測值均與EI30偏差較大，沒能有效反映侵蝕力的走勢特征。

圖4 3種模型年降雨侵蝕力值計(jì)算結(jié)果比較Fig.4 Comparison of annual rainfall erosivity values calculated via three models

圖5 3種模型半月降雨侵蝕力值計(jì)算結(jié)果比較Fig.5 Comparison of calculated results of half month rainfall erosivity via three models

對(duì)模型預(yù)測偏差較大的1995、2003和2019年分析發(fā)現(xiàn)，侵蝕力預(yù)測偏差大主要是由于年內(nèi)發(fā)生的長歷時(shí)、大雨量降雨事件有關(guān)。1995年8月28日降雨68.4 mm，降雨歷時(shí)1 080 min，由于降雨歷時(shí)長，降雨強(qiáng)度僅3.8 mm/h，次降雨EI30數(shù)值僅85.41 MJ·mm/(hm2·h)，而冷暖季日模型計(jì)算的侵蝕力數(shù)值高達(dá)579.95 MJ·mm/(hm2·h)，為EI30的6.8倍。2003年8月1日在390 min內(nèi)降雨62.5 mm，次降雨EI30數(shù)值僅2.45 MJ·mm/(hm2·h)，而冷暖季日模型計(jì)算的侵蝕力數(shù)值高達(dá)496.31 MJ·mm/(hm2·h)，為EI30的202.58倍。2019年9月9日在860 min內(nèi)降雨46.8 mm，次降雨EI30數(shù)值56.51 MJ·mm/(hm2·h)，而冷暖季日模型計(jì)算的侵蝕力數(shù)值高達(dá)301.19 MJ·mm/(hm2·h)，為EI30的5.33倍。

從半月侵蝕力的結(jié)果(圖5)來看，冷暖季模型的預(yù)測結(jié)果與EI30結(jié)果最接近。3個(gè)模型結(jié)果預(yù)測結(jié)果在各半月的走勢表現(xiàn)較為一致，可以反映出侵蝕力在年內(nèi)分配的變化，反映出第14、15個(gè)半月侵蝕力數(shù)值大的情況，但在第9～13個(gè)半月侵蝕力高峰值來臨前和16～19個(gè)半月侵蝕力高峰值之后的階段存在明顯的高估情況。分析發(fā)現(xiàn)，該段時(shí)間的高估也主要該段時(shí)間發(fā)生的長歷時(shí)、大雨強(qiáng)降雨事件有密切關(guān)系。由于降雨歷時(shí)較長，平均降雨強(qiáng)度較小，即使在大雨量條件下，也會(huì)導(dǎo)致EI30相對(duì)較小。而在第14和第15個(gè)半月，短歷時(shí)、大降雨強(qiáng)度的降雨事件較多。這種情況在采用日模型計(jì)算時(shí)結(jié)果也會(huì)與EI30較為接近。

4 結(jié)論

1)彭陽縣王洼小流域降雨整體以小降雨事件為主，<10 mm的次降雨事件占70.51%，≥50 mm的次降雨事件僅占1.49%。

2)年侵蝕力主要是由大降雨事件貢獻(xiàn)的，次降雨量≥25 mm的侵蝕力占總侵蝕力值的67.00%。

3)侵蝕力年內(nèi)分配表現(xiàn)出明顯的分配集中的特點(diǎn)，第12～16個(gè)半月侵蝕力占年侵蝕力值的83.51%，第15個(gè)半月侵蝕力年內(nèi)最高，其值占年侵蝕力的31.68%，是潛在水土流失較大的時(shí)段。該時(shí)段宜進(jìn)一步加強(qiáng)水土保持措施的落實(shí)，減少水土流失的發(fā)生。

4)在開展侵蝕力計(jì)算時(shí)，優(yōu)先推薦直接采用降雨過程資料計(jì)算EI30；在缺少降雨過程資料時(shí)，殷水清冷暖季降雨侵蝕力模型在年侵蝕力和半月侵蝕力預(yù)測的效果更佳。