三峡库区紫色小流域侵蚀性降雨特征

付友行，廖晓勇

(1.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049)

【研究意义】降雨尤其是侵蚀性降雨是导致土壤侵蚀的原始动力之一[1]，其空间异质性和时间不均衡性对土壤侵蚀有着重要的影响，认识降雨时空分布规律，对于准确评估与预报土壤流失、合理配置水土保持措施具有重要意义。【前人研究进展】目前关于小流域侵蚀性降雨特征的研究，一是基于小流域单一雨量站点观测数据[2-6]，二是利用小流域所在市县气象站观测数据[7-9]，但上述降雨资料均不能详实地刻画小流域内部侵蚀性降雨特征，尤其是在支沟发育的紫色山丘区小流域。【本研究切入点】本文以三峡库区陈家沟小流域为研究区，利用小流域内4条支沟雨量站点2016-2017年逐日雨量资料，采用K-Mean Cluster样品聚类方法以及多种降雨特征指标，探讨分析了小流域内侵蚀性降雨的类别、时空分配及变化特征。【拟解决的关键问题】以期为定量评价三峡库区紫色小流域水土流失提供重要背景参数，为合理制定水土流失防治对策提供理论依据。

1 研究区概况

本文选择三峡库区中部的万州区长岭镇陈家沟小流域为研究区，其地处川东平行岭谷区，位于长江左岸一级支流五桥河流域内(图1)，地理坐标30°43′30″～30°46′20″N、108°29′40″～108°31′40″E，面积8.32 km2，地势南高北低，海拔265～846 m，地貌以低山、丘陵为主，支沟发育，出露侏罗系沙溪庙组、蓬莱镇组紫色地层，土壤以灰棕紫泥和棕紫泥紫色土为主；气候属中亚热带湿润季风气候，年均气温14～19 ℃，年降水量1000～1350 mm，年均日照时数1300～1600 h；地带性植被为亚热带常绿阔叶林，原生植被破坏殆尽，现有植被以次生林被和灌丛草被为主。

陈家沟小流域为中科院万州生态站的水土保持监测试验区，小流域内建设有完善的水土流失监测系统，在其中的杨家沟、戴家沟、黑沟岭、乔家1号等4条支沟分别布设有雨量自动观测站(图1、表1)，采用自计雨量计(JDZ02-1型)自动监测小流域降雨过程。

表1 雨量观测站概况Table 1 Overview of rainfall observation station

2 数据获取及处理

本文所采用的数据资料为陈家沟小流域4个支沟雨量观测站2016-2017年逐日降雨数据。资料整理中，次降雨定义为1次降雨过程中，降雨间歇时间在6 h以下或连续6 h降雨量大于1.2 mm的视为1次降雨事件[10]；侵蚀性降雨根据史冬梅等在三峡库区的模拟降雨实验和分析[2]，选取次降雨量不低于10 mm的降雨作为陈家沟小流域的侵蚀性降雨。

本文以侵蚀性降雨雨量、降雨历时、最大30 min降雨强度作为变量，降雨事件作为标记，利用K-Mean Cluster聚类方法[11-12]，将2016-2017年陈家沟小流域所有侵蚀性降雨进行雨情分类，并采用侵蚀性降雨量(ER)、降雨历时(D)、降雨次数(F)、最大30 min降雨强度(I30)、降雨侵蚀力(R)、降雨不均匀系数(c.v.)等指标来分析陈家沟小流域侵蚀性降雨特征。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Map of the locations of study area

3 结果与分析

3.1 小流域侵蚀性降雨雨情特征

从陈家沟小流域不同侵蚀性降雨雨情特征来看(表2)，第Ⅲ类雨情在各支沟出现次数最少(1～2次)，但平均降雨侵蚀力值最高，远大于其它两类雨情下的平均降雨侵蚀力值，这主要是由于其平均雨量、平均最大I30、降雨历时均大于其它两类雨情，由此可见，陈家沟小流域每年出现长历时、高强度、大雨量的降雨次数虽少，但引起强烈土壤侵蚀的潜在能力大。第Ⅱ类雨情在各支沟出现次数最多(44～55次)，占年侵蚀性降雨总次数的75 %以上，但由于其平均雨量、平均最大I30都远低于其他两种雨情下的相应值，因此其平均降雨侵蚀力值却最低，由于第Ⅱ类雨情在各支沟频繁出现，而且集中在汛期(5-9月)，尤其容易出现短时间内连续降雨的情形，其引起严重水土流失的潜在能力也不容忽视。第Ⅰ类雨情的平均雨量、平均最大I30及出现次数均介于第Ⅱ类和第Ⅲ类雨情之间，由于该雨情下侵蚀性降雨出现次数是第Ⅲ类雨情下的3～12倍，平均雨量和平均最大I30超过第Ⅱ类雨情下相应值的3倍，导致该雨情下侵蚀性降雨总侵蚀力值高于其它两类雨情。

从陈家沟小流域各支沟的侵蚀性降雨雨情特征来看(表3)，以第II类雨情出现次数最多，第I类雨情其次，第III类雨情最少。各支沟在3类雨情下的平均最大I30、平均降雨侵蚀力值各有不同，总体来看，戴家沟的平均最大I30、平均降雨侵蚀力值在3类雨情下均远高于其他支沟的相应值，具有最大的潜在土壤侵蚀能力；黑沟岭、杨家沟其次；乔家1号最低，说明无论从降雨量还是降雨强度指标来看，其侵蚀性降雨在陈家沟小流域内偏弱，相对来说其潜在的土壤侵蚀能力就最小。

各支沟在3类雨情下侵蚀性降雨指标的c.v.值均介于0.29～0.80，属于中等变异，说明陈家沟小流域内侵蚀性降雨量、降雨强度以及降雨历时的空间变异程度较大。同时可见，第II类雨情下降雨强度和降雨量比第I类雨情下的变化大，在同一雨情下降雨特征指标的变异程度均为：平均降雨历时>平均最大I30>平均侵蚀性降雨量。

3.2 小流域侵蚀性降雨年内变化特征

从陈家沟小流域各支沟侵蚀性降雨次数在年内变化来看，呈明显的双峰型分布特征(图2)，2016年峰值分别出现在5和8月，2017年则分别出现在6月和9月，5-9月侵蚀性降雨次数占到全年侵蚀性降雨次数的75 %以上。2016-2017年各支沟侵蚀性降雨出现总次数不同，其中杨家沟侵蚀性降雨出现总次数最多，为63次，戴家沟、乔家1号其次，分别为58、57次，黑沟岭最少，为54次。

陈家沟小流域各支沟侵蚀性降雨雨量在年内分配也呈明显的双峰型分布特征(图3)，2016年峰值分别出现在6和9月，2017年则分别出现在6和8月，与侵蚀性降雨次数峰值在年内出现时间不同步，这主要是由于次降雨雨强、降雨历时不同而导致。各支沟月侵蚀性降雨量超过月平均侵蚀性降雨量的月份集中在5-9月，侵蚀性降雨量高度集中，5-9月累积侵蚀性雨量占全年侵蚀性雨量的82 %以上，其中2016年为86.86 %～92.19 %、2017年为82.42 %～89.98 %。各支沟全年侵蚀性降雨雨量以戴家沟最大(表2)，2016-2017年侵蚀性降雨雨量分别为1109.4、854.4 mm，黑沟岭、杨家沟其次，乔家1号最少。

表2 2016-2017年小流域各支沟侵蚀性降雨事件聚类结果Table 2 K-Mean clustering results of all the erosive rainfall events of Chenjiagou basin in 2016 and 2017

注：c.v.表示各支沟在不同雨情下降雨历时(D)、最大30 min雨强(I30)和侵蚀性雨量(ER)各自的变异系数。

图2 2016-2017年小流域各支沟侵蚀性降雨次数年内分布Fig.2 The seasonal distributions of erosive rainfall frequencies of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

与史冬梅等在三峡库区涪陵区开展的试验研究结果相比较，涪陵区侵蚀性降雨次数在年内也呈现出双峰型分布特征[2]，2个峰值分别出现在5月和9月，与本研究差异不大；但多年平均侵蚀性降雨量在年内分布呈现单峰型，峰值出现在6月，8-9月的侵蚀性降雨量低于5-7月，与本研究结果差异较大，这可能是由于三峡库区地形复杂，地貌以山地、丘陵为主，不同地区海拔、山丘走向等地形因子有异而导致区域性降雨出现较大差异。

图3 2016-2017年小流域各支沟侵蚀性降雨雨量年内分配Fig.3 The seasonal distributions of erosive rainfall of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

表3 2016-2017年小流域各支沟侵蚀性降雨特征Table 3 Characteristics of erosive rainfall of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

4 结 论

(1)陈家沟小流域内侵蚀性降雨主要有3类雨情。第Ⅲ类雨情下侵蚀性降雨次数少，但其平均降雨侵蚀力最大，引起强烈土壤侵蚀的潜在能力大；第Ⅱ类雨情下平均降雨侵蚀力最低，但其侵蚀性降雨次数最多，且集中在汛期，容易出现短时间内连续降雨的情形，其引起严重水土流失的潜在能力也不容忽视；第Ⅰ类雨情下侵蚀性降雨次数、平均雨量及平均最大及都介于第Ⅱ类雨情和第Ⅲ类雨情，但侵蚀性降雨总侵蚀力值高于其它两类雨情。

(2)陈家沟小流域内侵蚀性降雨雨量、降雨强度以及降雨历时的空间变异程度较大，侵蚀性降雨量在年内呈明显的双峰型分布，5-9月是降雨集中期，无论在量上还是强度上都处于比较高的水平，容易出现强烈的水土流失和严重的非点源污染，甚至引发滑坡、泥石流等地质灾害，因此在该时段内必须做好气象预测工作，水利、水土保持工程设计必须充分考虑到该时段内可能出现的次数极少的大暴雨以及连续出现暴雨的情形，应尽量避免或减少该时段在小流域内开展大规模的农田改造和开发建设项目等活动。

(3)陈家沟小流域内不同支沟侵蚀性降雨特征各异，总体上来看，侵蚀性降雨雨量、平均最大I30、平均降雨侵蚀力值具有如下趋势：戴家沟>黑沟岭>杨家沟>乔家1号，因此，在制定小流域水土流失防治对策时要因地制宜，充分考虑不同支沟侵蚀性降雨的差异性。