長(zhǎng)期野外監(jiān)測(cè)紅壤裸露坡地侵蝕性降雨分布及產(chǎn)沙分析

涂安國(guó)，謝頌華，李 英，莫明浩，聶小飛

（1. 江西省水土保持科學(xué)研究院，南昌 330029；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

侵蝕性降雨是指能夠造成真正意義土壤侵蝕的降雨[1]。從總降雨場(chǎng)次中分離出侵蝕性降雨，并分析其降雨分布特征及其侵蝕響應(yīng)，對(duì)提高土壤水蝕預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性具有重要的理論研究?jī)r(jià)值，同時(shí)為指導(dǎo)區(qū)域水土流失的科學(xué)防治具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。確定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)是侵蝕性降雨研究的重要內(nèi)容之一。Wischmeier 和Simth[2]等根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)以降雨量為參數(shù)，擬定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為次降雨量≥12.7 mm或者次降雨15 min內(nèi)降雨量達(dá)到6.4 mm。中國(guó)許多研究者根據(jù)大量的試驗(yàn)和觀測(cè)，然后運(yùn)用頻數(shù)分析和回歸分析的方法擬定區(qū)域的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此方法，王萬忠等[3]確定了黃土高原的雨量標(biāo)準(zhǔn)為9.9 mm，楊子生[4]確定了滇東北地區(qū)的雨量標(biāo)準(zhǔn)為9.2 mm，鄭海金等[5]確定了贛北紅壤地區(qū)雨量標(biāo)準(zhǔn)為9.97 mm。謝云等[1]基于漏選和錯(cuò)選的降雨事件的降雨侵蝕力相等的原則，根據(jù)錯(cuò)選度、漏選度和剔除率等指標(biāo)統(tǒng)計(jì)得出黃土高原坡面侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)分布為12 mm。汪邦穩(wěn)等[6]根據(jù)該方法得出贛北紅壤區(qū)裸地的侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)為11.4 mm。由此可知，中國(guó)大多學(xué)者以發(fā)生侵蝕的降雨事件為基礎(chǔ)，利用降雨侵蝕的關(guān)系，確定侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)。但不同地區(qū)的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)差異性較大，同一地區(qū)不同的研究方法得出的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。有關(guān)某地侵蝕性降雨的分布特征，已有學(xué)者對(duì)中國(guó)容易發(fā)生水土流失的地區(qū)做了分析。張巖等[7]從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析了黃土高原侵蝕性降雨的發(fā)生頻率、次降雨量、次降雨歷時(shí)、次降雨侵蝕力以及降雨時(shí)程分布特征。顧璟冉等[8]以雨量與降雨侵蝕力為分類等級(jí)，分析了黔西高原侵蝕性降雨分布特征，發(fā)現(xiàn)侵蝕性降雨多發(fā)生在中雨以上或者降雨侵蝕力大于 100 MJ·mm/(h·hm2)的降雨事件中。馬良等[9]采用80%經(jīng)驗(yàn)頻率和統(tǒng)計(jì)的方法確定了贛北紅壤地區(qū)侵蝕性降雨雨量和雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，由此分析了侵蝕性降雨年內(nèi)分布。張興剛等[10]通過頻率分析法確定了山東省北方土石山區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法從時(shí)間、降雨強(qiáng)度、降雨侵蝕力角度分析侵蝕性降雨分布特征。確定穩(wěn)定的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)至少需要7 a[11]，但目前大多相關(guān)研究的時(shí)間均較短，得出的結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)于次降雨土壤侵蝕頻率和強(qiáng)度的分布特征研究比較少見，尤其是侵蝕性降雨分布下的土壤侵蝕特征研究還比較缺乏。

由于地形起伏大、雨量多而集中、暴雨強(qiáng)度大等自然條件，使得南方紅壤丘陵區(qū)成為中國(guó)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一[12-13]。為探究紅壤坡地侵蝕性降雨分布特征及其侵蝕響應(yīng)，本研究選擇裸地坡面徑流小區(qū)為研究對(duì)象，利用小區(qū)觀測(cè)法得到2001～2016年的降雨和泥沙資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法從強(qiáng)度和頻率角度分析侵蝕性降雨及其侵蝕分布特征，在此基礎(chǔ)上分析降雨對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響，以期為紅壤丘陵區(qū)水土保持綜合治理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地布設(shè)在江西省德安縣江西水土保持生態(tài)科技園 內(nèi) ， 位 于 E115°42′38″～ 115°43′06″， N29°16′37″～29°17′40″之間，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫 16.7 ℃，年日照時(shí)數(shù) 1 700～2 100 h，無霜期 245～260 d。試驗(yàn)區(qū)多年（2001～2016年）降水量為1 419.0±333.58 mm（均值±標(biāo)準(zhǔn)差），其中3—8月可占全年降雨量的53.29%～85.08%，年際和年內(nèi)降雨分布極不均勻（圖1）。區(qū)域土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤，質(zhì)地為黏土，土層厚度為50～150 cm，呈酸性至微酸性，土壤有機(jī)質(zhì)含量低。

圖1 研究區(qū)年降雨量和多年平均月降雨量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of annual rainfall and average monthly rainfall in study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)施與觀測(cè)

2000年底，在坡度約12°裸露荒地上修建長(zhǎng)×寬水平投影為20 m×5 m的徑流小區(qū)，其投影面積為100 m2。試驗(yàn)小區(qū)每年采用人工不擾動(dòng)地表土壤的方式去除雜草。為阻止周邊地表徑流進(jìn)出小區(qū)，周邊用混凝土磚塊砌成圍埂，其埂高出地表30 cm，埋深45 cm。小區(qū)下面筑有矩形集水槽，承接小區(qū)徑流及泥沙，并引入徑流池。徑流收集池池壁安裝有搪瓷水尺以測(cè)定池水位。試驗(yàn)觀測(cè)按照水利部頒發(fā)的水土保持試驗(yàn)規(guī)范（SL 419－2007）進(jìn)行。試驗(yàn)觀測(cè)期為2001年1月－2016年12月，采用人工方法對(duì)次降雨下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行定位長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。在小區(qū)附近的標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)站，用翻斗式自記雨量計(jì)記錄降雨的相關(guān)參數(shù)，共摘錄 565 場(chǎng)侵蝕性降雨的降雨量和時(shí)段降雨強(qiáng)度。泥沙數(shù)據(jù)采用烘干法測(cè)量得到。

1.3 數(shù)據(jù)分析

按次降雨量的大小，將565次侵蝕性降雨劃分為0～5，＞5～10，＞10～25，＞25～50，＞50～100、＞100～150和＞150 mm等7個(gè)降雨量等級(jí)；按次降雨平均雨強(qiáng)大小，劃分為 0～5，＞5～10，＞10～20，＞20～30 和＞30 mm/h等5個(gè)雨強(qiáng)等級(jí)；按次降雨侵蝕泥沙量大小，劃分為0～10，＞10～20，＞20～50，＞50～100 和＞100 kg（即 0～100，＞100～200，＞200～500，＞500～1 000 和＞1 000 t/km）等5個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)。分別統(tǒng)計(jì)不同降雨量、降雨強(qiáng)度和侵蝕強(qiáng)度等級(jí)下的降雨次數(shù)、降雨量、產(chǎn)沙次數(shù)和產(chǎn)沙量，分析侵蝕性降雨及其產(chǎn)沙的頻率和強(qiáng)度分布特征，在此基礎(chǔ)上分析侵蝕泥沙對(duì)降雨類型的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕性降雨分布特征

研究區(qū)2001～2016年總降雨量為22 703.6 mm，其中導(dǎo)致坡面土壤侵蝕的侵蝕性降雨量為19 939.4 mm，占總降雨量的87.82%（表1）。16 a間侵蝕性降雨事件共發(fā)生了565次，其中大于150 mm的侵蝕性降雨事件共發(fā)生了7次，占總侵蝕性降雨事件次數(shù)的1.24%，其降雨量占總侵蝕性降雨總量的7.31%。小于10 mm的侵蝕性降雨事件出現(xiàn)了50次，占總侵蝕性降雨事件次數(shù)的8.85%，降雨量?jī)H占總侵蝕性降雨量的1.94%。根據(jù)氣象學(xué)雨量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)78.32%的侵蝕性降雨量分布在25 mm以上的大雨以上雨量等級(jí)。

降雨強(qiáng)度是描述侵蝕性降雨特征的重要指標(biāo)之一。研究區(qū)侵蝕性降雨強(qiáng)度最大頻率出現(xiàn)在0～5 mm/h，該類型降雨總共發(fā)生了 462次，占總侵蝕性降雨次數(shù)的81.77%，降雨量占總侵蝕性降雨的79.10%；其次為＞5～10 mm/h降雨，該類型降雨總共發(fā)生了57次，占總侵蝕性降雨次數(shù)的10.09%，降雨量占總侵蝕性降雨的14.23%。10次大于30 mm/h的強(qiáng)侵蝕性降雨量全部分布在＞10～25 mm的中雨，次數(shù)僅占總侵蝕性降雨次數(shù)的1.77%，降雨量只占總侵蝕性降雨量的2.64%，無論是發(fā)生頻率還是總降雨量均占比很少。研究區(qū)侵蝕性降雨事件發(fā)生的次數(shù)和降雨量均隨著降雨強(qiáng)度的增加呈減少趨勢(shì)。

表1 2001－2016年侵蝕性降雨分布特征Table 1 Distribution characteristics of erosive rainfall in 2001－2016

2.2 次降雨侵蝕泥沙分布特征

2001－2016年試驗(yàn)小區(qū)總侵蝕泥沙量7 236.24 kg，平均侵蝕模數(shù)為4 522.65 t/(km2·a)，侵蝕強(qiáng)度為中度。試驗(yàn)地16 a間共發(fā)生泥沙侵蝕量小于10 kg的降雨事件434次，占全部侵蝕性降雨事件次數(shù)的76.81%，其侵蝕泥沙量為526.70 kg，占總侵蝕量的7.28%（表2）。侵蝕量大于 100 kg的次侵蝕事件出現(xiàn) 17次，占全部侵蝕事件的3.01%，但其侵蝕泥沙量達(dá) 3 057.97 kg，占總侵蝕量的42.26%。隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加，侵蝕發(fā)生的次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)逐漸減少，但其侵蝕總量和平均次侵蝕量均逐漸增加。由此可知，紅壤坡地次降雨侵蝕產(chǎn)沙量分配極為不均，少數(shù)的幾次強(qiáng)度侵蝕事件貢獻(xiàn)了近50%的產(chǎn)沙量。

2.3 降雨特征對(duì)侵蝕分布的影響

侵蝕性降雨類型對(duì)坡面土壤侵蝕特征具有顯著的影響[14-15]。由表 3可知，試驗(yàn)地坡地土壤侵蝕量主要發(fā)生在降雨量為25～100 mm，該等級(jí)雨量下侵蝕發(fā)生次數(shù)為262，占總次數(shù)的46.37%，造成的土壤侵蝕量占總侵蝕量的71.67%。中國(guó)普遍采用的侵蝕性降雨量指標(biāo)為10 mm以上[16-17]，研究區(qū)在這一標(biāo)準(zhǔn)降雨量的侵蝕量可占總流失量的99.74 %，次降雨侵蝕強(qiáng)度全部小于100 t/km2。侵蝕強(qiáng)度大于1 000 t/km2的降雨集中在25～50 mm等級(jí)降雨。100 mm以上侵蝕性降雨只出現(xiàn)了24次，占總侵蝕性降雨次數(shù)的 4.25%，但其侵蝕量卻占了總侵蝕量16.56%。雨量等級(jí)越大，平均每次產(chǎn)生的土壤侵蝕量越大，特別是次降雨量大于100 mm 的降雨，平均次侵蝕強(qiáng)度高達(dá)近500 t/km2，一次降雨就足以使坡地產(chǎn)生的侵蝕量超過《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》 (SL190—2007)中的年土壤容許流失量。

表2 2001－2016年次降雨事件下侵蝕泥沙分布特征Table 2 Distribution characteristics of sediment under erosive rainfall events in 2001－2016

表3 各降雨量下土壤侵蝕分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil erosion under different rainfall

降雨強(qiáng)度是影響土壤侵蝕的重要影響因素之一。研究區(qū)降雨強(qiáng)度小于 5 mm/h的侵蝕性降雨事件有 462次（表4），占總侵蝕性降雨次數(shù)的81.77%，絕大部分為侵蝕強(qiáng)度小于100 t/km2的降雨事件，土壤侵蝕量占總侵蝕量的40.25%。該降雨強(qiáng)度下無論是侵蝕次數(shù)還是侵蝕量均占比最大。其次為 5～10 mm/h的降雨，侵蝕量為2 364.85 kg，占總侵蝕量的 32.68%，且大于 1 000 t/km2的侵蝕量占56.41%，為最大值。降雨強(qiáng)度大于30 mm/h的降雨事件雖然只有 10次，占總侵蝕性降雨次數(shù)的1.77%，降雨量占2.64%，但其侵蝕量卻可占總侵蝕量的11.47%，且其60%次數(shù)為大于500 t/km2的強(qiáng)度侵蝕。由此可知，研究區(qū)高雨強(qiáng)下無論是其發(fā)生次數(shù)還是由其造成總的土壤侵蝕量占比均很少，但由其造成的強(qiáng)侵蝕強(qiáng)度的幾率卻很大。

表4 各降雨強(qiáng)度下土壤侵蝕分布特征Table 4 Distribution characteristics of soil erosion under different rainfall intensities

紅壤裸露坡地次降雨土壤侵蝕受雨強(qiáng)和雨量共同影響。由圖2a可知，造成研究區(qū)土壤侵蝕量最大的降雨類型為降雨量25～50mm且平均雨強(qiáng)為5～10 mm/h，其次為降雨量50～100 mm且雨強(qiáng)小于5 mm/h。降雨量25～100 mm且平均降雨強(qiáng)度小于20 mm/h的降雨造成的土壤侵蝕量占總量的67.02%，是造成研究區(qū)土壤侵蝕的降雨類型。圖2b顯示，平均侵蝕強(qiáng)度大于500 t/km2的降雨為降雨量大于25 mm且平均雨強(qiáng)大于5 mm/h。其中降雨量25～50 mm且平均雨強(qiáng)大于30 mm/h的短歷時(shí)大雨強(qiáng)次降雨造成的侵蝕強(qiáng)度最大，其次為降雨量大于150 mm且平均雨強(qiáng)為5～10 mm/h，這2種降雨類型均可造成強(qiáng)度大于1 000 t/km2的土壤侵蝕。這說明，極大降雨量且較大雨強(qiáng)或者中等降雨量且極大降雨強(qiáng)度可造成研究區(qū)發(fā)生劇烈土壤侵蝕。

圖2 降雨量和降雨強(qiáng)度對(duì)侵蝕泥沙分配的影響Fig.2 Effect of rainfall and rainfall intensity on sediment distribution

3 討 論

降雨雨型對(duì)土壤侵蝕過程具有重要的影響[18-19]。黃土高原地區(qū)短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨是引起土壤侵蝕的主要降雨類型[20-21]；紫色土區(qū)短歷時(shí)、大雨強(qiáng)是造成該區(qū)水土流失的主要降雨類型[22-23]；西南喀斯特地區(qū)大雨量、高雨強(qiáng)的降雨雨型引起的坡面侵蝕產(chǎn)沙量最大[23]；南方紅壤地區(qū)湖北秭歸地區(qū)，大雨量的長(zhǎng)歷時(shí)降雨對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響最大[24]。研究區(qū)紅壤裸露坡面土壤侵蝕發(fā)生次數(shù)主要集中在降雨類型為降雨量10～50 mm且降雨強(qiáng)度小于5 mm/h，土壤侵蝕量主要發(fā)生在降雨類型為降雨量 25～100 mm 且降雨強(qiáng)度小于 10 mm/h。無論是100 mm以上大雨還是20 mm/h以上的強(qiáng)降雨所造成的土壤侵蝕次數(shù)和侵蝕泥沙總量的比例均較小。這表明研究區(qū)長(zhǎng)歷時(shí)中大雨量是該區(qū)造成土壤侵蝕的主要雨型，與湖北秭歸地區(qū)的侵蝕性雨型一致，而與黃土高原、紫色土和喀斯特區(qū)有顯著的差別。這是由于降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕量的影響程度北方明顯高于南方，而降雨量對(duì)土壤侵蝕量的影響程度南方明顯高于北方。研究區(qū)多年平均侵蝕性降雨量占總降雨量的87.82%，同為南方區(qū)的漢江流域1951～2012年多年平均日降雨量≥12 mm的侵蝕性降雨量為614.1 mm，占總降雨的69.31%[25]，而在西北黃土高原每年引起土壤流失的降雨量約占年總雨量的26.7%[26]，喀斯特黃壤區(qū)侵蝕性降雨量多年平均值與降雨總量多年平均值的比值為 36%～38%[27]，川西紫色土區(qū)侵蝕性降雨量占總降雨量的 60%以上[17]。南方紅壤地區(qū)降雨類型主要為中雨量、低雨強(qiáng)長(zhǎng)歷時(shí)為主，且主要集中在3～8月，主要侵蝕期 4～9月土壤含水量較高，因此小雨量和小雨強(qiáng)即可引起土壤侵蝕的發(fā)生[28]，這也使得研究區(qū)在該雨型下土壤侵蝕發(fā)生更加容易，但侵蝕強(qiáng)度卻以輕度為主。表4和圖2顯示，短歷時(shí)大雨強(qiáng)盡管不是研究區(qū)主要侵蝕降雨類型，但其一旦發(fā)生，60%以上的幾率會(huì)造成劇烈的土壤侵蝕。

研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度小于100 t/km2的降雨侵蝕次數(shù)占總次數(shù)的 76.81%，而其侵蝕總量只占總量的7.28%；侵蝕強(qiáng)度大于 500 t/km2的降雨侵蝕次數(shù)只占總次數(shù)的6.36%，但其侵蝕泥沙量可占總量的60.96%。這表明研究區(qū)以小于100 t/km2的輕度侵蝕為主，但水土流失防治重點(diǎn)卻是500 t/km2以上的強(qiáng)度侵蝕。而大于500 t/km2的強(qiáng)度侵蝕有72.22%的次數(shù)在25～100 mm和66.67%的次數(shù)在5～20 mm/h降雨區(qū)域。圖3顯示，降雨量超過100 mm或降雨強(qiáng)度大于20 mm/h之后，侵蝕泥沙量增加的比例均不大。圖2則表明，研究區(qū)近16 a來沒有發(fā)生降雨量大于100 mm且降雨強(qiáng)度大于20 mm/h的侵蝕事件。因此，次降雨量100 mm和降雨強(qiáng)度20 mm/h可以作為紅壤裸露坡地水土流失防御的設(shè)計(jì)暴雨特征值。根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊(cè)》可知，研究區(qū)5年一遇最大6 h降雨量約為105 mm，其平均雨強(qiáng)為17.5 mm/h。由此可知，次降雨量100 mm和降雨強(qiáng)度20 mm/h的設(shè)計(jì)暴雨防御標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到5年一遇最大6 h降雨。

圖3 不同次降雨量和強(qiáng)度下泥沙累積比例Fig.3 Sediment accumulation ratio under different hypo-rainfall and hypo-rainfall intensity

該防御暴雨值下可有效防治 83%的土壤侵蝕量，特別是能夠防治約 80%的 500 t/km2以上的強(qiáng)度侵蝕，約78%的1 000 t/km2以上的強(qiáng)度侵蝕量。確定侵蝕性降雨防御目標(biāo)是暴雨洪水分析不可或缺的基本要素，也是水土保持措施設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。不同類型的水土保持措施防治水土流失的效果和工程造價(jià)具有很大的差異[29]，因此需要根據(jù)侵蝕性降雨防御目標(biāo)合理選擇水土保持措施類型及工程標(biāo)準(zhǔn)。需要指出的是，紅壤坡地不同土地利用類型對(duì)侵蝕性降雨的響應(yīng)具有顯著差異[30]，土壤性質(zhì)的差異也將影響土壤侵蝕的發(fā)生，該防御目標(biāo)暴雨參考值是否適用于其他下墊面和土壤條件，仍需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行科學(xué)認(rèn)證。

4 結(jié) 論

1）紅壤坡地侵蝕性降雨占總降雨量的 87.82%，且78.32%的侵蝕性降雨量分布在降雨量 25 mm以上，79.10%的侵蝕性降雨量分布在降雨強(qiáng)度5 mm/h以下的降雨類型。

2）研究區(qū)多年平均土壤侵蝕強(qiáng)度為中度。侵蝕量小于10 kg的侵蝕事件占總侵蝕事件次數(shù)的76.81%，其侵蝕泥沙量只占總侵蝕量的 7.28%，而侵蝕強(qiáng)度大于1 000 t/km2的侵蝕事件次數(shù)只占總次數(shù)3.01%，但其侵蝕泥沙量占了總侵蝕量的42.26%。這表明，紅壤坡地次降雨侵蝕產(chǎn)沙量分配極為不均，侵蝕泥沙量主要由少數(shù)幾次強(qiáng)度侵蝕造成。

3）試驗(yàn)地坡地土壤侵蝕量主要發(fā)生在降雨量為25～100 mm，該等級(jí)雨量下侵蝕發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的46.37%，造成的土壤侵蝕量占總侵蝕量的71.67%。侵蝕強(qiáng)度大于1 000 t/km2的集中在25～50 mm等級(jí)降雨。降雨強(qiáng)度小于 5 mm/h的降雨侵蝕次數(shù)和侵蝕量占比均最大，而大于20 mm/h的高雨強(qiáng)無論是其發(fā)生次數(shù)還是由其造成總的土壤侵蝕量占比均很少。

4）降雨量25～100 mm且平均降雨強(qiáng)度小于20 mm/h的降雨造成的土壤侵蝕量占總侵蝕泥沙量的67.02%，是造成研究區(qū)土壤侵蝕量的主要降雨類型。次降雨量100 mm和降雨強(qiáng)度20 mm/h可以作為紅壤裸露坡地水土流失防御的設(shè)計(jì)暴雨特征值。