关岭县蚂蝗田小流域降雨年内分配特征研究

高儒学, 高华端, 孙泉忠, 徐定平, 李华林

(贵州大学 林学院, 贵阳550025)

关岭县蚂蝗田小流域降雨年内分配特征研究

高儒学, 高华端, 孙泉忠, 徐定平, 李华林

(贵州大学 林学院, 贵阳550025)

根据贵州省关岭县蚂蝗田小流域2009—2012年的降雨数据，统计分析了降雨集中度、集中期、年内分配不均匀系数等指标，研究了蚂蝗田小流域降雨的年内分配特征。结果表明：蚂蝗田小流域中雨、小雨全年分配均匀；大雨、暴雨分配不均匀。无论是枯水年还是丰水年，降雨的分配特征大体相同；旬降雨量波动很明显，降雨在月内分配不均匀。年内降水集中度为0.78～0.81，集中期变化于18～20旬，年内分配不均匀系数大于0.8。无论从4年总体还是各年情况来看，侵蚀性降雨分布都不均匀，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蚀性降雨次数最多。

关岭县; 蚂蝗田小流域; 降雨年内分配

降雨对区域水资源时空分布、生态环境形成与演变以及农业生产起着决定性的影响[1]。水土流失、泥石流、滑坡及山洪等自然灾害主要是由降雨诱发的[2]，因此，研究降雨分配特征很有意义。相当学者对降雨分配特征进行了一定的研究[3-9]。王纪军等[10]的研究反映降水集中度、降水不均匀系数和调节系数可以从不同侧面反映降水量的年内分布特征，且降水集中度和不均匀系数相互之间显著相关(p<0.01)，说明3个指标间可以相互代替。刘士余[11]采用时间序列分析法和统计回归分析法对赣西北大坑小流域降雨变化进行分析，发现降雨年内变化特征为典型的单峰型曲线，降雨的季节差异很明显。代俊峰，张学洪等[12]用降雨年内分配不均匀系数对北部湾经济区降雨分配特点进行研究，表明气候变化使得降雨年内稳定程度降低，不均匀性增大。刘文莉[13]用降水集中度对陕西省年内降水分配进行研究，得出年内降水集中度的大小是影响旱涝灾害的一个重要因素，年内降雨集中度越大，越易引发洪涝灾害。黄晓亚等[14]用降水集中度及Mann-Kendall(M-K)非参数检验等方法分析日降水集中度指标与降雨统计特征的关系，揭示该地区降雨集中度变化趋势及其与极端降雨变化的关系。顾璟冉等[15]利用径流小区观测法以及黔西高原地区典型小流域的降雨、径流与泥沙资料，对黔西高原地区侵蚀性降雨的特征进行了分析。刘伟等[16]利用浑河流域1956—2011年56 a的逐月降水与径流资料，借助累积距平、滑动平均等方法分析了浑河流域降水量与径流量的变化趋势及时间尺度上的相关性。贵州喀斯特地貌发育，成土速度慢，土层浅薄，山高坡陡，是中国水蚀严重的地区之一[17]，研究年内降雨特征对土壤侵蚀的影响具有重要意义。然而，针对喀斯特地区土壤侵蚀原型试验的降雨研究较少，本文将对贵州典型喀斯特流域(关岭蚂蝗田小流域)的年内降雨特征进行研究，以探寻土壤侵蚀过程中的降雨规律，为喀斯特地区土壤侵蚀研究服务。

1 材料与方法

1.1 研究区的概况

蚂蝗田水土保持监测点位于关岭县花江境内，东经105°34′36″、北纬25°49′2″。该监测点所在的蚂蝗田小流域面积2.45 km2，属亚热带湿润季风气候，多年平均降雨量为1 236 mm，多年平均气温为19.2℃；现有植被类型多为次生乔木林、疏幼林，乔木品种主要有：柳杉、杉木、马尾松、女贞、滇柏等；土壤为黄壤。该监测点始建于2008年，主要监测设施有：简易气象观测场1个、坡面径流小区6个、控制站1个、1个雨量站，观测便道200 m等。主要设备有：自记雨量计、自记水位计、烘箱、电子天平、取样瓶、铝盒等；主要监测内容为：降雨、径流、泥沙及悬移质。

1.2 数据来源

数据是贵州省水土保持监测站关岭县蚂蝗田监测点2009—2012年701场降雨资料，主要为人工雨量器观测和自计雨量观测两部分，有年内月降雨量、旬降雨量、日降雨量和每场降雨30 min最大降雨强度等。

1.3 研究方法

本文采用降雨集中度来表述和反映年降水总量在年内各旬的集中程度，揭示降雨年内分配特征；用年内分配不均匀系数反映降雨年内各月分配的均匀状况；用统计学方法统计各月、旬、日降水量反映降雨的分布和波动特征，还可以得出每年的侵蚀性降雨场次，各类雨型分布情况，全面反映全年的降雨状况；数据主要采用Office Excel和SPSS软件进行统计和分析处理。

2 结果与分析

2.1 月降雨量的统计分析

月降雨量可以反映年降雨总量在每个月的分配情况，对每年降雨有大概的认识，是研究年降雨分配的第二层次。

图1是由自计雨量观测表统计出的2009—2012年每个月平均降雨量的分布情况。图1表明，降雨的年内分布总体呈单峰曲线，为正态分布形式，分布不均匀。1—4月曲线相对平缓，降雨分配相对比较均匀，月降雨总量<40 mm，属于旱季；从5月份开始，曲线斜率逐渐增大，降雨进入汛雨期，6月达到一年中的最大降雨量，即为峰值，接近300 mm；之后月降雨量开始减少，减少的幅度比较大，到8月份，月降雨量降到100 mm左右，由此可见，5—8月降雨极不均匀；9月份后降雨量减少幅度变缓，12月份降雨量在10 mm左右。因此从四年总体来看，降雨汛期为5—8月；6月，7月份降雨量最大，占四年降雨总量的51%；11月到第二年的3月降雨量最少，仅占四年降雨总量的11.4%。

图12009-2012年月平均降水量分布

图2是由自计雨量观测表统计出的2009—2012年各年月降雨量及总体平均月降雨量的分布情况对比分析。可以看出，从2009—2012年，月降雨量分布曲线由单峰型正态分布向双峰型转变，峰值出现在5月—7月，但汛雨期还是5—8月不变；降雨在汛雨期分布虽然有所分散，但总体分布还是很不均匀。2—4月为播种季节，易出现干旱；5—8月为作物生长季节，易出现洪涝灾害。

图22009-2012年月降雨量分布情况

2.2 旬降雨量统计分析

旬降雨量能反映月内降雨分配特征，是年降雨分配的第三层次，月降雨量的统计只让我们对降雨分配特征有总体的认识，月对年的单位来说太大，需要对月内分配做进一步研究，使年内降雨分配特征更加具体、清晰和细致，帮助我们更加全面的了解降雨分配特征，从而合理利用降雨。因为2009年1—4月没有数据，2010年1—3月没有数据，所以不分析2009年全年和2010年前3个月的旬降雨量分布。

图3是由自计雨量观测表统计出的2010年4月—2012年12月旬降雨量分布情况。旬降雨量在每年11月至第二年3月波动性很小，说明降雨在该月段内分配均匀；而在5—8月时，其波动幅度很大，说明降雨在该月段内内分配极不均匀。整体呈现降雨量越大，其波动幅度越大的分配特征，特别是像2010年这样的丰水年波动差距更加明显。降雨月内的分配特征是：降雨量与降雨均匀性呈负相关，降雨量在月内分布是不均匀的。图中的折线点在刻度间基本呈两低一高的分布，说明降水主要集中在每个月其中的某个旬内，这充分证明了月内降雨的不均匀性，并且这种分布特征很容易导致暴雨和洪涝灾害的发生。

图32010-2012年旬降雨量分布

结合图1和图3可以得出：在汛雨期主要的降雨形式是大雨和暴雨，5—8月的降雨量为全年的76%，这是影响降雨年内分配不均匀的主要因素；而月内的降雨又集中在其中某个旬内，在短时间内降这么多的雨量，这其中就会有许多大雨，甚至暴雨；全年的暴雨和大雨场次仅为全年降雨总场次的14.6%，这充分说明了大雨和暴雨对年内降水影响最大，研究区在汛雨期常出现大雨和暴雨，这段时间一般会出现洪涝灾害；因此研究区的发展受到降雨的影响很大。

2.3 日降雨量统计分析

日降雨量可以帮助我们对全年的降雨进行等级划分，了解全年降雨类型的分布特征，是降雨年内分布特征需要研究的重要内容，知道雨强的分布能帮助我们更好的控制降雨带来的危害。根据国内对降雨类型划分的标准，即小雨(12 h降雨量小于5 mm，日降雨量小于10 mm)、中雨(12 h降雨量5～14.9 mm，日降雨量10～24.9 mm)、大雨(12 h降雨量15～29.9 mm，日降雨量25～49.9 mm)、暴雨(12 h降雨量30～69.9 mm，日降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(12 h降雨量70～139.9 mm，日降雨量100～199.9 mm )、特大暴雨(12 h降雨量不小于140 mm，日降雨量不小于200 mm)；统计出每个月中各种降雨强度级别的场次，然后求出其平均数，这样就可以清楚地反映出年降雨总量在每个月降雨强度级别的分布，从而得出年内降雨的具体分布形式和降雨在各月的分布特征。

图4是由自计雨量观测表统计出的四年内日降雨强度平均场次分布情况。由图可知：年降雨以小雨为主，占降雨总天数的73%，每个月都有分布，分配比较均匀；中雨次之，占年降雨总天数的13.7%，主要分布在5—10月，基本每月都会有分布，分配均匀；大、暴雨占年降雨总天数的12.8%，集中在5—7月，发生在6月份的概率最大，约为0.48。本次统计没有出现特大暴雨，大暴雨出现2次，分别为2011年的6月和8月，大暴雨和特大暴雨是随机发生在年内降雨汛期的突然性降雨，属于极端气候，本研究可以不做讨论。总的来说降雨场次分配较均匀，以小、中雨为主，占降雨总场次的86.8%，基本每月都有，集中在11月至第二年4月。而降雨量分配不均匀，大雨、暴雨场次虽然少，但降雨量大且分布比较集中，仅5—7月大雨、暴雨场次就占了大雨、暴雨总场次的73%；大雨、暴雨降雨量分别占降雨总量35.31%和15%，两者之和为50.31%，超过了降雨总量的一半。

图42009-2012年年内日降雨强度平均场次分布情况

2.4 降雨集中度和集中期分析

集中度是利用向量分析的原理定义单站降水量时间分配特征的参数，是一个无量纲，可以定量地描述降水的集中程度，对年内降水分配非均匀性特征有很好的演示作用；集中期是定量的表述降雨的年内集中时段，具体指明一年中最大旬降水量出现在哪一个旬内。其计算公式为:

式中：PCDi为i年的降雨集中度;PCPi为i年的降雨集中期;Rxi、Ryi分别为某测站i年逐旬降水量在坐标系中x，y轴上的投影之和;Ri为监测站i年内总降雨量;rij为i年第j旬内的降雨量;θj为年内第j旬降雨量的矢量角度;i为年份(i=2009，2010，2011，2012);j为年内的旬序(j=1，2，…，36)。可此可知，降雨集中度的取值为0～1，值越大，说明降雨量越集中，降雨年内分配越不均匀。而降水集中期的计算是合成向量的方位角，指示每个旬降水量合成后的总体效应，也就是向量合成后重心所指示的角度。

由于2009年、2010年两年1—4月份的数据没有，这里只分析2011年和2012年的年内降雨集中度；经计算得到2011年和2012年的降雨集中度分别为0.81与0.78，两年的平均系数为0.79，都大于0.7，说明研究区的年内降雨分配比较集中，分配不均匀。而2011年和2012年的降雨集中期为17.5，19.7，平均为18.6，即为每年的7月上旬，但资料太少，反映了研究区的降雨集中在每年的第18～20个旬日，即为每年6月下旬至7月中旬。对比2011年和2012年的集中度和集中期，可以发现2012年的系数有所减小，集中期增大，说明2012年降雨有所分散，降雨集中区也随之后移了。

2.5 年内分配不均匀系数

不均匀系数是根据变差系数定义的，是可以表示降雨量年内分配不均匀性的系数；这是用数学方法来对降雨分配进行定量描述，科学的反映不均匀的程度，使降雨分配的不均匀性更加直观。其计算方法为：

式中：Cvy为降雨量年内分配不均匀系数;Ki为各月降雨量占年降雨总量的百分比;K为各月平均占全年百分比，即K=100%/12=8.33%，不均匀系数是以月降雨量进行计算的，当雨量平均分到各月时，不均匀系数为0，年内降雨在月际间的分配很均匀；当年降雨集中在某一个月时，不均匀系数为1，分配极不均匀；Cvy值越大，说明降雨量相差越悬殊，年内分配就越不均匀。

经过计算，可以得到2010—2012年的不均匀系数分别为0.802，0.808，0.803，三年的平均数为0.804，都大于0.8，接近1，表明该地区的年内降雨分配是极不均匀的。这其中2010年1—3月没有数据，但这对我们的计算和总体分析降雨的年内分配特征的影响并不是很大，可以作为研究材料。

2.6 侵蚀性降雨的统计分析

对侵蚀性降雨的统计分析便于我们掌握其分配特征及规律，从而更好地保护土壤，发展生产。张文源、王百田等[18]在对喀斯特黄壤区侵蚀性降雨及产沙特征分析研究中得出黄壤裸地的侵蚀性降雨指标采用最大30min降雨强度，其取值在9.6～10.2mm/h，本文研究区植被覆盖一般，因此最大30min降雨强度达到10mm/h以上就会对土壤产生侵蚀。在4a中的701场降雨中侵蚀性降雨有91场，占12.98%。

图5是由自计雨量观测表统计出的2009—2012年各年内侵蚀性降雨降雨场次分布情况。由图可知：无论从4a总体还是各年情况来看，侵蚀性降雨分布都不均匀，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蚀性降雨次数最多，峰值出现在7月，达到8次以上。土壤侵蚀发生规律通常和侵蚀性降雨一致，所以其分配特征能为水土保持设计提供重要的参考，从而做好防护。

图52009-2012年年内I30>10mm降雨场次分布

3 结 论

(1) 汛期为5—8月，降雨量为全年的76%；6月，7月份降雨量最大，占四年降雨总量的51%；11月到第二年的3月降雨量最少，仅占四年降雨总量的11.4%。

(2) 降水主要集中在每个月其中的某个旬内，这充分证明了月内降雨的不均匀性，并且这种分布特征很容易导致暴雨和洪涝灾害的发生。

(3) 从降雨场次来看，年降雨以中、小雨为主，各月均有，分配均匀；大雨、暴雨分配集中，主要在5—7月，分配极不均匀。而从降雨量来看，大雨、暴雨降雨场次虽然不足15%，但是两者降雨量之和却超过了降雨总量的50%。

(4) 对研究区的降雨集中度、集中期经过数学方法的计算分析，我们可以得到以下结论：1) 降雨集中度>0.75，分配比较集中。2) 降雨集中期的取值为18.6，年内降雨集中在第19个旬日，即为每年的7月上旬。3) 年内分配不均匀系数>0.8，降雨分配不均匀的程度高。

(5) 无论从4a总体还是各年情况来看，侵蚀性降雨分布都不均匀，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蚀性降雨次数最多。

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StudyonAnnualDistributionCharacteristicsofRainfallinMahuangtianCatchmentofGuanlingCounty

GAO Ruxue, GAO Huaduan, SUN Quanzhong, XU Dingping, LI Hualin

(CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Based on the rainfall data from 2009 to 2012 in Mahuangtian catchment of Guanling County in Guizhou Province, the rainfall concentration, concentration period and uneven distribution coefficient were analyzed and the annual distribution characteristics of rainfall were studied. The results showed that the moderate or light rainfall in Mahuangtian catchment evenly distributed throughout the year; and heavy rain, rainstorm distributed unevenly; the distribution characteristics of rainfall is approximately the same in dry year or wet year; ten-day rainfalls had an obvious fluctuation, and rainfalls in a month unevenly distributed. Annual precipitation concentration degrees ranged from 0.78 to 0.81, precipitation concentration periods changed in 18 to 20 ten-day, uneven coefficient of annual distribution was greater than 0.8. Erosive rainfall is unevenly distributied, mainly concentrated in May to October, and mostly was from June to July within the total or each year of the four years.

Guanling County； Mahuangtian catchment； annual distribution of rainfall

2016-02-28

：2016-05-10

贵州省专业学位研究生工作站项目(黔教研合JYSZ字[2014]003);贵州省水土保持监测站小流域监测项目(KT201311)

高儒学(1991—),贵州省织金县人,男,在读硕士,主要从事区域水土保持研究。E-mail:2235274067@qq.com

高华端(1965—),贵州省织金县人,男,教授,博士,硕士生导师，主要研究方向:区域水土保持与环境。E-mail:gdghd110@163.com

P468.0+24

：A

：1005-3409(2017)02-0152-04