山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征

张兴刚,王春红,程甜甜,李赛,李亦然,张永涛

(山东农业大学林学院,山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,泰山森林生态系统定位研究站,271018,山东泰安)

山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征

张兴刚,王春红,程甜甜,李赛,李亦然,张永涛†

(山东农业大学林学院,山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,泰山森林生态系统定位研究站,271018,山东泰安)

为探究山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征,本研究选择裸地坡面径流小区为研究对象,利用小区观测法得到的降雨、径流以及泥沙等资料,通过频率分析法拟定研究区侵蚀性降雨标准,并运用数理统计方法从时间、降雨强度、降雨侵蚀力角度分析侵蚀性降雨分布特征。结果表明:1)该研究区侵蚀性降雨标准为降雨量17.3 mm;2) 7月份侵蚀性降雨场次、降雨量、径流量和产沙量占侵蚀性降雨比例为42.31%、45.71%、85.78%和97.97%,其他月份侵蚀性降雨分布较少;3)大雨、暴雨以上侵蚀性降雨,高降雨强度型降雨场次分别占相应雨量等级比例为60%和100%,其产沙量所占比例分别为75.07%、100%;4)降雨侵蚀力＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)侵蚀性降雨产沙量占侵蚀性降雨比例为95.26%,其径流深是≤1 000 MJ·mm/(h·hm2)侵蚀性降雨3倍以上。以上研究表明,研究区侵蚀性降雨标准为17.3 mm,其主要分布在中雨以上雨量等级,造成严重土壤侵蚀的侵蚀性降雨多为高降雨强度型降雨或降雨侵蚀力＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)的降雨,且其多分布于7月份。本文结果有助于研究区小流域侵蚀性降雨规律分析以及土壤侵蚀规律研究。

小流域;侵蚀性降雨;侵蚀性降雨标准;降雨强度;降雨侵蚀力

天然降雨是导致土壤侵蚀发生和发展的主要外部动力因素[1],但只有部分次降雨能够导致土壤侵蚀,通常称为侵蚀性降雨,其临界参数值称为侵蚀性降雨标准。对于侵蚀性降雨标准确定,不同降雨参数值,差异比较大。W.H.Wischmeier等[2-3]以降雨量为参数,拟定标准为次降雨量≥12.7 mm或者次降雨15 min内降雨量达到6.4 mm。国内常见侵蚀性降雨标准拟定方法有2种:1)王万忠[4]在黄土区根据土壤流失与降雨特性的关系,从土壤侵蚀量角度,拟定降雨量9.9 mm为侵蚀性降雨标准;2)谢云等[5]根据对黄河流域子洲径流试验站小区的研究,从降雨侵蚀力角度,拟定30 min降雨强度为0.25 mm/min为侵蚀性降雨标准。对于侵蚀性降雨特征分布,不同学者从不同角度进行了分析。张岩等[6]从统计学角度分析侵蚀性降雨的发生频率、次降雨量、次降雨历时、次降雨侵蚀力以及降雨时程分布特征;有研究[7-9]以年内分配的角度分析侵蚀性降雨分布,表明侵蚀性降雨分布集中;顾璟冉等[10]以雨量与降雨侵蚀力为分类等级,分析侵蚀性降雨分布特征,发现侵蚀性降雨多发生在中雨以上或者降雨侵蚀力＞100 MJ·mm/(h·hm2)的降雨事件中。

山东省水力侵蚀面积3万2 432 km2,约占侵蚀总面积的90%,土壤侵蚀已经成为该地区农业经济发展的重要限制因素,其中轮休、轮作期的土壤裸露导致的土壤侵蚀不容小觑;因此,研究该地区侵蚀性降雨对该地的土壤侵蚀研究具有重要作用。为探究山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征,本研究选择裸地坡面径流小区为研究对象,利用小区观测法得到的降雨、径流以及泥沙等资料,通过频率分析法拟定研究区侵蚀性降雨标准,并运用数理统计方法从时间、降雨强度、降雨侵蚀力角度分析侵蚀性降雨分布特征,以期为该小流域侵蚀性降雨研究提供参考。

1 研究区概况

山东省药乡小流域位于北方土石山区鲁中南山地丘陵区的西北部,属于山东省泰安市黄前流域, E 117°05＇39″～117°09＇26″,N 36°17＇58″～36°20＇30″,总面积9.45 km2。该流域属暖温带大陆性亚湿润季风气候,多年平均气温为18.5℃,多年平均降水量758 mm,土壤类型为棕壤,呈微酸性,母质为片麻岩,pH值在6.0左右,主要植被类型为人工林,包括落叶阔叶林、针叶林、经济林和农田植被等,另外有次生灌丛和草丛植被。流域处于东、西、北三面山岭包围之中,海拔280～950 m,平均海拔530 m。

2 研究方法

2.1 试验设施

研究区共布设有9个不同坡度、工程措施、生物措施的径流小区,其中一个是标准裸地小区,为对照小区,规格为5 m×20 m,水平投影面积为100 m2,位于坡上位。小区下方设置水泥制集流槽,并设有集流池和一级分流池,集流池采用五孔分流与一级分流池连接。本文用裸地标准小区的降雨、径流、泥沙数据进行研究。

2.2 降雨、产流产沙观测

观测期为2013年1月—2015年12月。根据水利部水土保持监测中心《径流小区和小流域水土保持监测手册》制定的标准进行定点定期观测。

在小区附近的标准气象观测站,用自记雨量设备3554WD翻斗式自记雨量计记录降雨的相关参数,记录间隔为5 min共摘录201场降雨过程的降雨量和时段降雨强度。泥沙数据采用烘干法测量得到。降雨侵蚀力和次降雨动能依据《径流小区和小流域水土保持监测手册》[11]计算。

2.3 侵蚀性降雨标准的拟定

王万忠方法实质上是频率分析法,不涉及研究区概况,这也是后来研究者采用该方法的原因[9,12],采用时仅根据实际情况对其中参数进行修改,并没有提出实质性改进;同时,研究[13-14]表明谢云等的方法在裸地至少需要5年数据。考虑本研究区实际情况,采用王万忠所提方法:将选取的样本雨量由大到小排序,并把各自对应土壤侵蚀量累加,得到n次侵蚀性降雨的总侵蚀量,然后将其按照雨量大小分为若干级别,计算超过某雨量的累积侵蚀量占总侵蚀量的比例,删去允许土壤流失量后的累积土壤侵蚀量占总侵蚀量的比例,所相对应的降雨量即为侵蚀性降雨的临界雨量。

式中:PQ为土壤侵蚀量累积比例,%;Q为累计侵蚀量,kg;q为总侵蚀量,kg。

利用Excel 2010、SPSS 19.0进行数据处理以及Rainrecord摘录降雨数据。

3 结果与分析

3.1 侵蚀性降雨标准

剔除不合理数据后,得到31场产流产沙次降雨事件。据前述方法得到降雨量与土壤侵蚀量累积比例关系式:

式中P为降雨量,mm。

该方法规定侵蚀性降雨所引起的土壤侵蚀量应占总侵蚀量的95%[4],即侵蚀性降雨标准为PQ= 95%时对应的P。根据式(2),得到P≈17.3 mm,此值即为研究区侵蚀性降雨雨量标准。利用规定[11]标准12 mm计算,只代表87.4%土壤侵蚀量,所以本文计算的17.3 mm标准更为准确。表1[15-16]是不同学者给出的不同地区的侵蚀性降雨雨量标准参考值。由表可知,本文计算结果与其他研究者成果相比是一致的,处在合理范围内。

表1 不同地区侵蚀性降雨雨量标准Tab.1 Different erosive rainfall standard

3.2 侵蚀性降雨时间分布特征

在观测期内,总共有次降雨事件201次,利用降雨量17.3 mm侵蚀性降雨雨量标准一共筛选出26场侵蚀性降雨,并以月份为单位统计其降雨参数与径流产沙数据,结果见表2。可知,侵蚀性降雨多分布在3—9月,其发生次数相较总降雨事件次数相比较小,约占总降雨事件13%。侵蚀性降雨的降雨量和平均降雨强度都比较大,降雨量为1 327.4 mm,占总降雨量的50.54%,平均降雨强度是总降雨平均降雨强度的1.88倍。

由表2还可看出:侵蚀性降雨月际分布不均,呈现单峰型分布,两边少,中间多的趋势。1—4月在整个观测期几乎无侵蚀性降雨,7月份侵蚀性降雨场次、降雨量、径流量和产沙量占侵蚀性降雨比例为42.31%、45.71%、85.78%、97.97%,分别占整个观测期内总降雨的5.47%、23.10%、74.84%、93.60%,9月份以后侵蚀性降雨很少发生。侵蚀性降雨主要集中在7月份,其特点是场次多、雨量大、产流产沙多。

表2 研究区侵蚀性降雨月际分布特征Tab.2 Distribution characteristics of erosive rainfall in each month

3.3 侵蚀性降雨降雨强度分布特征

首先根据气象学雨量等级标准,将降雨划分为小雨(＜10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(＞25～＜50 mm)和暴雨以上(≥50 mm)4个雨量等级,根据前文所拟定的侵蚀性降雨标准,可知研究区侵蚀性降雨分布在中雨以上雨量等级。再参考蒋蓉研究成果[17],按照最大30 min降雨强度(I30)将降雨分为3种降雨强度类型,即:低降雨强度型、中降雨强度型、高降雨强度型,统计结果见表3。可知,侵蚀性降雨6次中雨,其中4场是高降雨强度型,其场次占该等级的66.67%,平均产沙量0.030 kg,占该等级产沙量37.85%;10次大雨,其中6场是高降雨强度型,占该等级的60%,平均产沙量0.560 kg,占该等级75.07%;10次暴雨以上,全部为高降雨强度型,平均产沙量11.965 kg,占到该等级100%。因为中雨等级绝对产沙量比较小,几乎可以忽略,因此侵蚀性降雨多为高降雨强度型降雨,对产沙具有极大贡献。

3.4 侵蚀性降雨侵蚀力等级分布特征

降雨侵蚀力R是反应雨滴击溅与地表径流对土壤侵蚀的综合效应。考虑研究区实际情况,本文以R≤100、100＜R≤1 000和R＞1 000 MJ·mm/ (h·hm2)3个降雨侵蚀力等级对侵蚀性降雨进行分类。由表4可以看出,本研究区的侵蚀性降雨主要分布在R＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)和100＜R≤1 000 MJ·mm/(h·hm2)2个等级,占到全部侵蚀性降雨的76.92%。其中以R＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)等级产流产沙最多,产沙量占到整个侵蚀性降雨的95.26%,其径流深是其他2个等级的3倍以上,可见R＞1 000 MJ·mm/(h·hm2)是主要的侵蚀性降雨分布等级。

表3 研究区侵蚀性降雨雨量等级标准分布特征Tab.3 Distribution characteristics of rating standard for the amount of erosive rainfall in the study plot

表4 研究区侵蚀性降雨侵蚀力等级分布Tab.4 Distribution level of rainfall erosion force in the study plot

4 讨论与结论

通过对标准裸地小区的降雨、产沙量、产流量资料的分析,可知研究区侵蚀性降雨分布特征如下: 1)侵蚀性降雨标准为降雨量17.3 mm,侵蚀性降雨多分布于中雨以上雨量等级;2)侵蚀性降雨强度多属于高雨强型或者降雨侵蚀力R＞1 000 MJ·mm/ (h·hm2)的降雨,且其多分布于7月份。

本文分析侵蚀性降雨分布特征,实质是分析研究区降雨与坡面产沙量、产流量的关系,得出的结论与左长清等[12]和侯建才等[18]研究成果是一致的,都表明次暴雨是引起产沙与产流的主要降雨类型。采用王万忠模型确定侵蚀性降雨标准,不同地区所采用的的参数PQ大小有区别,李林育等[9]在紫色丘陵区采用90%,左长清等[12]在红壤区采用80%,本文保守采用原模型参数95%,较长时间按序列会使参数更准确。张文源等[7]在研究侵蚀性降雨分布时,分析了耕地、草地和人工林地3种土地利用类型,表明不同土地利用类型对侵蚀性降雨分布特征有显著影响,由于条件的限制,本文仅对裸地进行了研究。未来进一步研究该小流域侵蚀性降雨模型以及影响因素成为值得关注的问题。

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Distribution characteristics of erosive rainfall in Yaoxiang Small Watershed of Shandong Province

ZHANG Xinggang,WANG Chunhong,CHENG Tiantian,LI Sai,LI Yiran,ZHANG Yongtao
(College of Forestry,Shandong Agricultural University,Shandong Province Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration, Taishan Forest Ecosystem Research Station,271018,Tai＇an,Shandong,China)

[Background]In order to study the effect of erosive rainfall on runoff and sediment yield in the mountainous area of North China,we first need to study the distribution characteristics of erosive rainfall.In this paper,the research object is runoff plot of bare land that is typical in Yaoxiang Small Watershed of Shandong Province.[Methods]The characteristics of erosive rainfall were analyzed by mathematical statistics,based on the data of rainfall observed by tipping bucket rain gauge,runoff calculated by plot runoff and sediment yield measured by oven-drying method in the period of 2013—2015.In addition,rainfall erosive force was calculated by I30max.In this paper,erosive rainfall standard was proposed by the method of Wang Wanzhong.Here is the method:1)calculating the total erosion amount of erosive rainfall:the rainfalls of the selected samples are sorted by descending order,and the corresponding amount of soil erosion is accumulated,thus the total erosion amount in n erosive rainfalls is obtained;2)classifying the amounts of rainfalls as several levels,and then calculating the proportion ofthe accumulated erosion amount over a given rainfall amount to the total erosion amount;3)the standard of erosive rainfall is the amount of rainfall corresponding to the proportion of the accumulated soil erosion amount after the allowable soil erosion is deleted,to total erosion amount.[Results]1)The reference value of standard erosive rainfall in the study area was 17.3 mm.2)In July,times of erosive rainfall, precipitation,runoff volume,and sediment yield accounted for 42.31%,45.71%,85.78%,and 97.97%in all erosive rainfalls,respectively,and erosive rainfall occurred little in other months.3)In the class of heavy rain,the rainfall times of high rainfall intensity type accounted for 60%and sediment yield accounted for 75.0%.While in the class of above rainstorm,the rainfall times of high rainfall intensity type accounted for 100%and sediment yield accounted for 100%.4)In the class of rainfall erosive force＞1 000 MJ·mm/(h·hm2),sediment yield accounted for 95.26%in all erosive rainfalls, and the runoff depth was over 3 times of the erosive rainfall＜1 000 MJ·mm/(h·hm2).[Conclusions]Therefore,the standard of erosive rainfall in the study area is 17.3 mm,which is mainly distributed in the moderate and above rainfall grades.The rainfall causing serious soil erosion is high rainfall intensity type or the erosive force of the rainfall is＞1 000 MJ·mm/(h·hm2),and it mainly distributes in July. This research is conducive to study the erosive rainfall in the small watershed,and provides a reference for understanding the erosive rainfall in the northern rocky mountains.

small watershed;erosive rainfall;erosive rainfall standard;rainfall intensity;rainfall erosion force

S157.1

:A

:2096-2673(2017)01-0128-06

10.16843/j.sswc.2017.01.016

2016- 04- 06

2017- 02- 05

项目名称:全国水土流失动态监测与公告项目药乡小流域水土流失动态监测(水保监201505)

张兴刚(1992—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土保持监测。E-mail:18805488623@sina.cn

†通信作者简介:张永涛(1972—),男,博士,硕士生导师。主要研究方向:水土保持监测。E-mail:yongtaozhang@126.com