冰雹侵蚀径流小区土壤流失量观测数据分析

何学良，王志强

(1.海原县水务局 树台水保试验站，宁夏 海原755200；2.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京100875)

冰雹侵蚀径流小区土壤流失量观测数据分析

何学良1，王志强2

(1.海原县水务局 树台水保试验站，宁夏 海原755200；2.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京100875)

土壤流失量；冰雹；降雨侵蚀力；雨强；黄土丘陵沟壑区

冰雹是一种常见的自然现象，严重时会造成灾害。在黄土丘陵沟壑区相同条件下，冰雹造成的土壤侵蚀比降雨的严重。对2014年宁夏海原县树台、西吉县滥泥河水土保持试验站径流场观测资料进行了整理计算，结果显示：冰雹降水量虽小，但次降雨平均雨强、最大30 min雨强、降雨动能、降雨侵蚀力在逐次降雨中最大，造成的土壤流失量也最大；相比降雨，冰雹出现频次少，但造成的土壤流失量却很大；相对裸地与耕地，冰雹对有水土保持措施的径流小区造成的土壤流失量很小，甚至为零，因此水土保持措施是防止冰雹侵蚀的有效办法。

我国黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀严重。研究人员对该区土壤侵蚀机理及影响因素进行了大量研究工作，但对冰雹引起的土壤侵蚀涉及很少。冰雹事件在黄土丘陵地区时有发生，研究冰雹造成的侵蚀机理和侵蚀量不仅有助于应对不良气象灾害，而且对当地水土流失治理具有重要意义。本研究对2014年宁夏海原县树台水土保持试验站、西吉县滥泥河水土保持试验站径流场的径流、泥沙资料进行整理，分析冰雹和降雨过程中土壤流失量的差异，评价冰雹对黄土丘陵沟壑区土壤流失量的贡献。

1 研究方法

1.1 试验站概况

宁夏海原县树台水土保持试验站和西吉县滥泥河水土保持试验站(以下简称树台、马建试验站)是宁夏水利厅水土保持局为研究黄土丘陵沟壑区水土流失规律而设。树台试验站位于黄土丘陵沟壑区第Ⅴ副区、清水河一级支流西河干流的上游，地理坐标36°29′30″N、105°25′25″E，海拔1 865 m，年均降水量380 mm，其中6—9月降水量占全年的近60%。马建试验站位于黄土丘陵沟壑区第Ⅲ副区，属滥泥河流域马建小流域源头和祖历河分水岭地区、黄河一级支流葫芦河水系，地理坐标35°56′39″N、105°29′8″E，海拔1 957 m，年均降水量427.0 mm。两试验站地带性土壤均为黑垆土，由于土壤侵蚀严重，目前以黄棉土为主，多年平均土壤侵蚀模数分别为3 657、5 000 t/(km2·a)，主要为水力侵蚀，以面蚀和沟蚀为主，局部伴有重力侵蚀和风力侵蚀，在悬崖与陡峻处可见崩塌、滑坡、泻溜和陷穴等。

1.2 径流小区布设

树台试验站径流场始建于1981年，现有坡度5°、10°、15°、20°、25°的径流小区20个，皆为直线形丘陵坡(阳坡)，其中标准(裸地)小区2个，坡度10°，投影尺寸20 m×5 m；非标准(措施)小区18个，包括人工牧草、天然牧草、灌木林地、鱼鳞坑+乔木林等(表1)。马建试验站径流场始建于1989年，现有坡度10°、15°、20°、25°的径流小区18个，皆为直线形丘陵坡(阳坡)，投影尺寸均为20 m×5 m，每个坡度级别都布设有标准(裸地)小区，各坡度级别非标准(措施)小区有耕地、灌木林地、天然牧草、人工牧草等(表1)。

1.3 数据采集和处理

试验站观测项目主要有降水量、径流含沙量、植被覆盖度、土壤含水率等。降雨量采用自记雨量计观测。径流采样过程是在降水后，先测定集流池的水深，再用搅拌工具将集流池中的径流和泥沙充分混合，用勺子取部分浑水样，将水样装入取样瓶中，用烘干法测定径流含沙量。取样3次，分别测定含沙量，最终取平均值，并将含沙量换算成单位面积土壤流失量(t/km2)。平均降雨强度(mm/h)、最大30 min雨强(mm/h)、降雨侵蚀力[MJ·mm/(hm2·h)]采用北京师范大学rain recorder软件计算。

表1 树台、马建试验站径流小区布设情况

2 结果与分析

2.1 冰雹造成的土壤流失量

树台试验站2014年8月16日发生冰雹，从17时开始，历时45 min。此次冰雹共降水14.0 mm，平均降雨强度3.2 mm/h，降雨侵蚀力为99.2 MJ·mm/(hm2·h)，造成1、2号小区土壤流失量分别为87.07、115.82 t/km2，11、12号小区土壤流失量均为13.62 t/km2，其他小区土壤流失量均为零。马建试验站冰雹发生于2014年10月3日，从17时31分开始，历时204 min。此次冰雹共降水19.4 mm，平均降雨强度5.7 mm/h，降雨侵蚀力为82.3 MJ·mm/(hm2·h)，造成1、6、11、15号标准小区土壤流失量分别为10、22、85、112 t/km2，2、7、12、16号耕地小区分别为4、9、10、16 t/km2，13号天然牧草小区为2 t/km2，14号灌木林地小区为2 t/km2，其他小区均为零。由上述分析可知，在冰雹降水量、平均降雨强度、降雨侵蚀力相同的条件下，标准小区土壤流失量最大，其次是耕地小区，而对于有水保措施的小区两次冰雹几乎都没有造成土壤流失。

2.2 冰雹和降雨土壤流失量对比

2014年树台、马建试验站径流场各发生降雨产流产沙5次，统计各次降雨土壤流失量结果见表2、3。

表2 2014年树台试验站径流场各次降雨产流产沙情况

表3 2014年马建试验站径流场各次降雨产流产沙情况

树台试验站的5次产流产沙过程中，8月16日冰雹的降水量最小，仅为14.0 mm，但土壤流失量最大，达115.82 t/km2，发生在2号小区。该小区年土壤流失量为153 t/km2，冰雹造成的土壤流失量占小区全年土壤流失量的75.7%。马建试验站5次产流中，10月3日冰雹的降水量最小，仅为19.4 mm，土壤流失量最大，达112.41 t/km2，发生在15号小区。15号小区年土壤流失量为225.98 t/km2，冰雹造成的土壤流失量占小区全年土壤流失量的43.9%。

2.3 冰雹造成土壤流失原因分析

作为一种常见的自然现象，猛烈的冰雹可以损坏农作物、车辆、建筑，甚至威胁人们的生命安全。其像子弹一样密集地打击在土壤表面，破坏了土壤结皮，溅起的土粒被径流冲刷。冰雹过后，在树台和马建试验站裸地和耕地径流小区的土壤表面留下了密密麻麻的小坑，直径1～3 cm，深1.5 cm左右，暴雨一般不会造成这样的情况。

(1)冰雹降雨强度大、溅蚀能力强。由表2、3知，2014年树台试验站在出现产流产沙的5次降雨过程中，冰雹雨强大于其他4次降雨雨强，马建试验站的情况也是一样。雨强越大，雨滴动能越大[1]，因此冰雹对土壤的溅蚀能力大于其他场次降雨。在降暴雨或冰雹时，雨滴或冰雹击溅所引起的土壤颗粒分散是侵蚀过程中重要的一部分。对于有水土保持措施的小区，植被削减了冰雹降落的能量，下垫面的枯枝落叶避免了冰雹直接砸向土壤表面，使表土结构不被破坏，土壤分离量少，减少了土壤流失量，因此植被覆盖度越大土壤流失量越小。经现场观察，冰雹下落直接砸向标准径流小区裸露的地表，造成密密麻麻的小坑，而有水土保持措施的小区地表破坏较轻。

(2)冰雹侵蚀力大。降雨侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，它是降雨物理特征的函数，在下垫面特征相对一致的条件下，降雨侵蚀力越大，引起的土壤侵蚀越剧烈[1]。据表2、3，树台试验站冰雹的降雨侵蚀力为99.2 MJ·mm/(hm2·h)，在5次降雨过程中位列第二；马建试验站冰雹的降雨侵蚀力为82.3 MJ·mm/(hm2·h)，在5次降雨过程中最大。采用北京师范大学rain recorder软件，降雨侵蚀力计算公式为

R=E·I30

(1)

式中：R为次降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)；I30为一次降雨过程中最大30 min雨强，mm/h；E为一次降雨总动能，MJ/hm2。

由于冰雹降水与降雨特性不同，直接使用公式(1)会导致冰雹侵蚀力计算结果偏小很多，这也是树台试验站冰雹的降雨侵蚀力位列第二的原因。据估计，这次冰雹的降雨侵蚀力至少超过由降雨侵蚀力公式计算结果的一倍以上。虽然冰雹的密度比雨水小，但冰雹一般体积大、质量大，常见的冰雹直径5～30 mm，而雨滴直径0.5～5.5 mm，最大的冰雹可达数千克，且形状大小不同，因此冰雹的破坏力更大。

雨滴终点速度和动能计算公式为

(2)

(3)

上二式中：r为物质半径，m；C为常数；g为重力加速度，m/s2；E为降雨动能，J；m为雨滴质量，kg；v为雨滴终点速度，m/s。

由式(2)、(3)知，雨滴的最大末速度取决于其体积大小，或者说是质量大小，因此考虑空气阻力，大水滴的终点速度将更大。冰雹的体积大于雨滴数倍，其终点速度也大于雨滴，其动能更远大于雨滴。加之，冰雹最大30min雨强大于其他场次降雨，冰雹的降雨侵蚀力要远大于降雨，造成的土壤流失量也最大。

3 结 语

对宁夏海原县树台和西吉县马建试验站径流场2014年的冰雹降水引起的土壤侵蚀进行了分析。得出以下结论：

(1)2014年树台和马建试验站冰雹引起的土壤流失量远远大于降雨引起的土壤流失量。两试验站冰雹降水量分别只占2014年有效降雨量的8.6%和11.9%，但造成的流失量却分别占年流失量的75.7%和43.9%。

(2)初步分析表明，冰雹的雨强、动能及其综合指标——降雨侵蚀力都高于其他降水形式，是冰雹侵蚀量大的主要原因。但冰雹侵蚀的具体过程和机理，以及针对降雨的动能和降雨侵蚀力公式是否适宜于冰雹降水，都需要进一步深入研究。

(3)冰雹引起的土壤侵蚀主要发生在裸地和耕地小区，有水土保持措施的其他小区基本无侵蚀，说明已有的水土保持措施对冰雹侵蚀具有防护作用。

[1]N.W.哈德逊.土壤保持[M].窦葆璋，译.北京:科学出版社,1976:29-41,44-53.

(责任编辑 李杨杨)

S157.1

A

1000-0941(2015)09-0049-03

何学良(1963—)，男，宁夏海原县人，工程师，主要从事水土保持监测、试验研究与管理工作。

2015-03-13