水蝕預(yù)報(bào)中降雨侵蝕力研究進(jìn)展

何紹浪, 李鳳英, 何小武

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院, 江西 南昌 330045)

嚴(yán)重的土壤侵蝕導(dǎo)致土地退化、土壤理化性質(zhì)變劣、土壤肥力下降、土地利用率降低、生態(tài)環(huán)境惡化，成為當(dāng)前全世界重要的環(huán)境問(wèn)題之一。定量預(yù)報(bào)土壤侵蝕對(duì)防治土壤侵蝕、合理利用土地資源、區(qū)域水土保持規(guī)劃等具有重要意義。通用土壤流失方程(USLE)和修正通用土壤流失(RUSLE)盡管只是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便等諸多特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的土壤水蝕預(yù)報(bào)模型。降雨侵蝕力是模型中首要的基礎(chǔ)因子，表征降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，與降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨歷時(shí)等降雨參數(shù)有關(guān)，反映了降雨對(duì)土壤侵蝕的作用能力。本文在系統(tǒng)介紹降雨侵蝕力指標(biāo)、侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)、降雨侵蝕力R值的簡(jiǎn)易計(jì)算模型、降雨侵蝕力時(shí)空分布等研究成果的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)前降雨侵蝕力研究中存在的不足，并指出其發(fā)展前景，旨為當(dāng)前和未來(lái)土壤侵蝕預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)。

1 降雨侵蝕力指標(biāo)

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，有關(guān)降雨侵蝕力指標(biāo)確定的研究成果豐碩。1959年Wischmeier[1]通過(guò)分析美國(guó)8 000多個(gè)小區(qū)資料首次明確提出將次降雨總能量(E)與該次降雨最大30 min雨強(qiáng)(I30)的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)。英國(guó)學(xué)者哈德遜[2]在非洲發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕總是由雨強(qiáng)在25.4 mm/h以上的降雨引起，并用高于25.4 mm/h的降雨的總能量KE表示降雨侵蝕力指標(biāo)。Foster等[3]則通過(guò)對(duì)降雨量、雨強(qiáng)、徑流量、降雨歷時(shí)等各種降雨參數(shù)及其組合因子系統(tǒng)分析表明，包含降雨量、雨強(qiáng)和徑流量的綜合指標(biāo)優(yōu)于EI30。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，中國(guó)眾多學(xué)者也提出了一系列降雨侵蝕力指標(biāo)，具體詳見(jiàn)表1。總體來(lái)看，由于中國(guó)各地區(qū)氣候類(lèi)型等不同，降雨特點(diǎn)存在差異，各地區(qū)降雨侵蝕力指標(biāo)不一。盡管如此，王萬(wàn)忠等[4]認(rèn)為EI30基本兼顧了中國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)的降雨特性，且預(yù)報(bào)效果相對(duì)較好。此外，關(guān)于次降雨總動(dòng)能的計(jì)算，Wischmeier[1]建立的EI30法中已有明確的動(dòng)能計(jì)算公式。當(dāng)斷點(diǎn)雨強(qiáng)大于76 mm/h時(shí)，也可以采用Brown等[5]建立的動(dòng)能計(jì)算公式進(jìn)行代替，而且后者彌補(bǔ)了前者的函數(shù)不連續(xù)和雨強(qiáng)大雨某一臨界值后，單位降雨動(dòng)能恒為常數(shù)的不足。江忠善等[6]、劉素媛等[7]、黃炎和等[8]、周伏建等[9]結(jié)合中國(guó)各區(qū)域天然降雨特性分別建立不同雨型的地區(qū)動(dòng)能計(jì)算公式。研究[4]表明，Wischmeier的動(dòng)能計(jì)算公式在我國(guó)基本適用，但對(duì)于中國(guó)南方強(qiáng)度較大的暴雨計(jì)算結(jié)果可能有較大誤差。因此，在使用EI30法進(jìn)行計(jì)算降雨侵蝕力時(shí)還應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的天然降雨特性選擇合適動(dòng)能方程，或?qū)σ延玫膭?dòng)能方程進(jìn)行驗(yàn)證并修正。

表1 中國(guó)學(xué)者提出的降雨侵蝕力指標(biāo)匯總

注：E為次降雨總動(dòng)能(MJ/hm2)。

2 侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)

在研究降雨侵蝕力指標(biāo)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不是所有的降雨都會(huì)引起土壤侵蝕，因此，為區(qū)分降雨是否引起土壤侵蝕引入了侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。Wischmeier等[21]首次提出侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為12.7 mm，但如果15 min內(nèi)降雨量達(dá)到6.4 mm，則該次降雨也為侵蝕性降雨。但Wischmeier等[21]并沒(méi)有交代確定該侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的方法。而目前而言，國(guó)內(nèi)研究侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的方法主要基于裸露小區(qū)資料，并結(jié)合王萬(wàn)忠等[22]的頻率分析法和回歸分析法或謝云等[23]的以漏選和多選降雨事件的降雨侵蝕力相等為原則，用偏差系數(shù)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的次降雨量求取雨量標(biāo)準(zhǔn)的方法。許多學(xué)者基于這兩種方法擬定了各地區(qū)侵蝕降雨標(biāo)準(zhǔn)，具體詳見(jiàn)表2。由表2可知，中國(guó)大部分地區(qū)侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)主要在8.9～14.0 mm范圍內(nèi)，且多數(shù)成果僅以降雨量作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，而采用降雨量和最大30 min雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的情況下，最大30 min雨強(qiáng)時(shí)段的雨量標(biāo)準(zhǔn)相差較大。此外，劉和平等[24]擬定的北京侵蝕降雨量標(biāo)準(zhǔn)以及張興剛等[25]根據(jù)31場(chǎng)次降雨數(shù)據(jù)擬合侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)偏高，可能是土壤性質(zhì)、計(jì)算方法不同或采用的樣本數(shù)較少，導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大的誤差。以江西省德安紅壤區(qū)為例，尹忠東等[26]、鄭海金等[27]、馬良等[28]采用的樣本數(shù)不同得出的結(jié)論相差較大，侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)分別為14.0，9.97，11.2 mm。金建君等[29]研究表明足夠多的樣本數(shù)才能保證雨量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)5 a序列的觀(guān)測(cè)資料可滿(mǎn)足擬定侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)的要求。而劉和平等[24]研究表明樣本數(shù)達(dá)到7 a時(shí)，所擬定的降雨量標(biāo)準(zhǔn)才能穩(wěn)定。因此，樣本數(shù)在侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)擬定中具有重要的作用。

國(guó)內(nèi)眾多研究成果以降雨量12.0 mm為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)得到較多學(xué)者認(rèn)同，并得到廣泛應(yīng)用[30-32]。但是，侵蝕降雨量的不確定性以及依靠單一的降雨量作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，或?qū)⒔涤炅亢陀陱?qiáng)結(jié)合擬定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)而兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)又不能有效的結(jié)合在一起，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)別侵蝕性降雨，進(jìn)而達(dá)到提高土壤侵蝕預(yù)報(bào)的精度[33]。為此，孫正寶等[33]據(jù)自然降雨及其引發(fā)土壤侵蝕是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程的特點(diǎn)，提出基于模糊邏輯下精細(xì)的表達(dá)和識(shí)別侵蝕性降雨的模糊隸屬度模型。但該模型在一個(gè)研究區(qū)域內(nèi)率定的參數(shù)僅適用于相應(yīng)的研究區(qū)，當(dāng)模型運(yùn)用于不同的研究區(qū)域時(shí)，需要對(duì)所選的參數(shù)重新率定。因此，區(qū)域侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的確定應(yīng)選擇合適的研究方法并結(jié)合地區(qū)的降雨特性、水土保持措施等進(jìn)一步深入研究。

表2 中國(guó)學(xué)者提出的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)匯總

注：表中P為次降雨量；I30標(biāo)準(zhǔn)為30 min最大降雨時(shí)段的雨量標(biāo)準(zhǔn)； “—”表示參考文獻(xiàn)中無(wú)涉及到研究區(qū)域的土壤類(lèi)型。

3 降雨侵蝕力R值的簡(jiǎn)易計(jì)算模型

EI30是降雨侵蝕力的經(jīng)典計(jì)算模型，其在中國(guó)應(yīng)用準(zhǔn)確性也得到我國(guó)眾多學(xué)者的驗(yàn)證。然而，由于利用該模型計(jì)算時(shí)，涉及到的連續(xù)記錄降雨過(guò)程資料不容易獲得，在實(shí)際應(yīng)用中還是受到一定限制?；诖耍鞆?qiáng)等[40]結(jié)合Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)衛(wèi)星3B42降雨資料提出了EI30的改進(jìn)算法(簡(jiǎn)稱(chēng)朱強(qiáng)模型)，其模型根據(jù)3 h雨強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力，同時(shí)采用地區(qū)實(shí)測(cè)日降雨量對(duì)TRMM衛(wèi)星降雨資料進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有一定精度。該方法在一定程度上避免了降雨實(shí)測(cè)資料的不足，但目前還需根據(jù)降雨侵蝕力EI30法的實(shí)測(cè)值對(duì)TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算降雨侵蝕力進(jìn)行驗(yàn)證。也有研究[41]表明，TRMM數(shù)據(jù)中降水資料是根據(jù)云量進(jìn)行估算的，在少雨期的降水估計(jì)值可能偏高。朱強(qiáng)模型計(jì)算公式為：

Re=〔0.29-0.208 8exp(-0.082iavr)〕PrI180

(1)

式中：Re——次降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h)〕；iavr——TRMM資料中3 h平均雨強(qiáng)(mm/h)；Pr——次降雨量(mm)；I180——TRMM資料中的最大180 min雨強(qiáng)(mm/h)。

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者依據(jù)日常降雨資料，建立了多種降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易計(jì)算模型，包括次降雨模型、日降雨模型、月降雨模型、季降雨模型、年降雨模型等，具體詳見(jiàn)表3。在這些模型中，采用對(duì)數(shù)函數(shù)形式的季降雨模型考慮了降雨的季節(jié)性差異，但可能由于各季節(jié)的模型精度不一使其運(yùn)用受到限制。而以Richardson等[42]建立的冪函數(shù)結(jié)構(gòu)形式為代表的日降雨模型優(yōu)于其余模型而得到更廣泛應(yīng)用。其中，Yu等[43]對(duì)Richardson等[42]的日降雨模型的修正模型在國(guó)內(nèi)外得到一定的運(yùn)用[44-45]。而在我國(guó)章文波等[32]結(jié)合Richardson等[42]的日降雨模型和謝云等[46]提出的用日雨量和日雨強(qiáng)計(jì)算半月侵蝕力的簡(jiǎn)易方法來(lái)估算半月時(shí)段的R值為基準(zhǔn)值建立了日降雨模型(簡(jiǎn)稱(chēng)章文波模型)，該模型在全國(guó)尺度范圍有一定的精度，已被應(yīng)用于中國(guó)土壤流失方程[47]中，且已完成全國(guó)第一次水利普查水力侵蝕專(zhuān)項(xiàng)普查工作，同時(shí)被眾多學(xué)者運(yùn)用于地區(qū)降雨侵蝕力的研究[41,48-50]。但建立各模型采用的方法和降雨資料不盡相同，使得每個(gè)模型都有其適用尺度和范圍[51]。特別是我國(guó)區(qū)域遼闊，氣候條件方面東西南北差異明顯。以章文波模型為例，鐘莉娜等[52]采用章文波模型研究陜北黃土丘陵溝壑區(qū)降雨侵蝕力分布特征發(fā)現(xiàn)，章文波模型估算值與EI30計(jì)算值存在一定差異，并將其修正為：

R=0.849Rzhang-29.651

(2)

式中：R——月降雨侵蝕力的EI30計(jì)算值〔MJ·mm/(hm2·h)〕；Rzhang——月降雨侵蝕力的章文波模型計(jì)算值〔MJ·mm/(hm2·h)〕。該修正模型大大提高了章文波模型在區(qū)域運(yùn)用中的精度。說(shuō)明在運(yùn)用現(xiàn)有的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型時(shí)需要考慮研究區(qū)域是否適用，是否需要進(jìn)行修正。

簡(jiǎn)易計(jì)算模型的建立不僅避免了次降雨資料的不足和R值計(jì)算過(guò)程繁瑣，也促進(jìn)了未來(lái)降雨侵蝕力的預(yù)測(cè)研究。通過(guò)未來(lái)不同情景下全球氣候模式或區(qū)域氣候模式輸出數(shù)據(jù)后經(jīng)時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換得到的日、月、年降雨資料和已有的簡(jiǎn)易模型可估算未來(lái)降雨侵蝕力。以黃河流域?yàn)槔?，Zhang等[53]結(jié)合HadCM3模式和年降雨模型研究發(fā)現(xiàn)，該流域降雨侵蝕力在未來(lái)幾十年有明顯上升趨勢(shì)，且東南部比西北部上升趨勢(shì)更明顯。此外，劉靈[54]利用CMIP全球氣候模式和黃炎和等[10]建立的簡(jiǎn)易模型預(yù)測(cè)了江西省降雨侵蝕力，得出未來(lái)20 a江西省東南部降雨侵蝕力有上升趨勢(shì)，而其他大部分地區(qū)均有下降趨勢(shì)。但這種預(yù)測(cè)方法存在局限性。因?yàn)橐延械暮?jiǎn)易模型是根據(jù)歷史的區(qū)域降雨資料建立的，而據(jù)2014政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)綜合報(bào)告，到21世紀(jì)末高海拔地區(qū)和赤道太平洋區(qū)的年降雨量是增加的；低海拔大陸區(qū)和濕熱帶地區(qū)的極端降雨事件將更加頻繁。因此，在全球氣候變化背景下，已有的簡(jiǎn)易模型是否適用于預(yù)測(cè)未來(lái)降雨侵蝕力需要進(jìn)行論證，而不是直接運(yùn)用。

表3 中外學(xué)者提出的降雨侵蝕力R值的簡(jiǎn)易計(jì)算模型匯總

續(xù)表3

4 降雨侵蝕力時(shí)空分布

降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律定量研究是進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。降雨侵蝕力的時(shí)間分布規(guī)律一定程度上反映了全球氣候變化給土壤侵蝕帶來(lái)的影響，而其空間分布反映了不同區(qū)域氣候?qū)ν寥狼治g的作用。近20 a來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多研究在區(qū)域降雨侵蝕力時(shí)空分布變化方面取得了一定的成果。表4中主要呈現(xiàn)了全球范圍內(nèi)各區(qū)域降雨侵蝕力R值的變化規(guī)律。從表4可以看出，不管是流域尺度還是國(guó)家尺度，降雨侵蝕力R值年際變化較大，且空間分布不均勻。降雨侵蝕R值呈明顯的地帶性和季節(jié)性差異。全球范圍來(lái)看，不同氣候帶R值存在較大差異，熱帶氣候區(qū)R均值最高，其次是溫帶，寒冷地區(qū)最低；不同季節(jié)而言，夏季R值最高，其次春、秋季，而冬季最低；內(nèi)陸與沿海對(duì)比來(lái)看，沿海地區(qū)R值往往比內(nèi)陸大。此外，全球大部分地區(qū)降雨侵蝕力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，特別沿海地區(qū)。這與當(dāng)前全球氣候變化背景下極端氣候出現(xiàn)頻率增加以及沿海地區(qū)的地理位置和氣候類(lèi)型有著密切聯(lián)系。據(jù)研究[70]，熱帶太平洋的厄爾尼諾和熱帶大氣中的南方濤動(dòng)(簡(jiǎn)稱(chēng)ENSO)對(duì)降雨侵蝕力表現(xiàn)在降雨侵蝕力與赤道太平洋中東部海洋表面溫度距平值、南方濤動(dòng)指數(shù)、多變量ENSO指數(shù)均存在呈現(xiàn)顯著相關(guān)。

5 存在問(wèn)題及研究展望

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究成果，降雨侵蝕力的研究還存在一定的不足。 (1) 缺乏較為統(tǒng)一的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)體系。由于區(qū)域的氣候類(lèi)型和土壤性質(zhì)等差異，不同區(qū)域侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)也存在差異。但由于未建立統(tǒng)一的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)區(qū)域R值計(jì)算模型被運(yùn)用到另一個(gè)區(qū)域時(shí)其侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)很少得到論證，甚至大部分月、年降雨模型并沒(méi)有說(shuō)明侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。

表4 降雨侵蝕力R值的時(shí)空分布特征匯總

注：表中“—”表示研究區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)年限不一致。

(2) 已有的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型存在一定的局限性。一方面已有的簡(jiǎn)易計(jì)算模型具有區(qū)域性差異，而針對(duì)全國(guó)性的簡(jiǎn)易計(jì)算模型也難以準(zhǔn)確計(jì)算地區(qū)降雨侵蝕力；另一方面已有的簡(jiǎn)易計(jì)算模型運(yùn)用于預(yù)測(cè)未來(lái)降雨侵蝕力尚未論證其模型的適用性。

(3) 缺乏對(duì)降雨侵蝕力影響因素的研究。雖然在氣候變化發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋的厄爾尼諾和熱帶大氣中的南方濤動(dòng)對(duì)降雨侵蝕力具有一定影響，但其影響機(jī)制還有待研究。而且目前全球氣候變化下極端氣候出現(xiàn)頻率增加對(duì)區(qū)域降雨侵蝕力的影響也報(bào)道較少。因此，可結(jié)合區(qū)域歷史降雨資料與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)資料，利用統(tǒng)一的研究方法建立各個(gè)區(qū)域的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，為建立區(qū)域降雨侵蝕力模型和準(zhǔn)確計(jì)算趨勢(shì)降雨侵蝕力奠定基礎(chǔ)。而對(duì)于已有的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易模型，應(yīng)結(jié)合歷史資料進(jìn)行驗(yàn)證或修正，也可以嘗試建立新的簡(jiǎn)易模型，比如不同等級(jí)降雨的侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型。此外，降雨侵蝕力的研究可在歷史監(jiān)測(cè)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感估算法、氣候模型等方式開(kāi)展氣候變化對(duì)降雨侵蝕力的影響研究，并預(yù)測(cè)不同氣候變化情景下區(qū)域降雨特征的變化，為未來(lái)氣候變化情景下區(qū)域水土流失防治措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

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