2011—2017年苏北沿海侵蚀性降雨特征研究

陈 凤， 张 华， 王俊逸， 潘德峰

(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心， 江苏 南京 210037； 2.江苏省水利科学研究院， 江苏 南京 210017；3.江苏省沿海水利科学研究所， 江苏 盐城 224200)

水土流失是世界性的环境灾害问题之一，国内外许多学者和专家对水土流失及其影响因子进行了大量、广泛而较深入的观测和研究[1-4]。土壤侵蚀是多种自然因素与社会因素共同作用的结果，降雨则是自然因素中导致土壤侵蚀的主要动力[5-6]。大量的观测数据分析结果表明，在自然界中只有部分降雨事件发生真正意义上的土壤侵蚀，这一部分被称为侵蚀性降雨[7]。Wischmeier等[8]利用全美径流小区试验数据，依据雨量拟定出了适合美国的侵蚀性降雨标准为降雨量小于12.7 mm。江忠善等[9]对黄土高原地区的侵蚀性降雨进行了分析，建立了侵蚀性降雨标准为降雨量大于10 mm，但没有分析降雨事件的筛选精度。王万忠、谢云、汪邦稳等[10-12]研究了不同区域的侵蚀性降雨特征和土壤侵蚀特征侵蚀性降雨，提出了适合当地的侵蚀性降雨量标准。侵蚀性降雨标准的研究国内外已做了大量工作[13-17]，但由于气候条件和土壤条件的差异，各地的侵蚀性降雨标准并不统一，涉及沿海地区降雨侵蚀力的研究还不多。笔者基于盐城东台市2011—2017年的观测数据和降雨资料，通过采用RUSLE中的降雨侵蚀公式计算该区域降雨侵蚀，探讨侵蚀性降雨标准及年际内分布特征，以期为类似地区水土流失治理和水土保持规划提供科学依据，为水土流失预测、水土保持、生态环境保护以及灾害防治等提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在江苏省东台市，北纬32°33′～32°57′，东经120°07′～120°53′，处于北亚热带向暖温带过渡地带，年平均气温14.5°C。主导风向为东南风和西北风，年平均风速3.3 m/s。年平均日照时数2 231.9 h。年平均降雨量1 065.2 mm，最大年降雨量1 978.2 mm(1991年)，最小年降雨量462.3 mm(1978年)；汛期平均降雨量为733.4 mm，汛期最大降雨量1 294.1 mm，汛期最小降雨量为218.5 mm。汛期和非汛期雨量悬殊较大，容易形成旱涝灾害。

江苏东台地区属于苏北沿海淤积质砂土区，野外径流小区设立在距离海边20 km的华丿镇，土质以砂土、砂壤土为主，土壤容重是1.21～1.31 g/cm3。径流小区设在东台河北岸的清坎上，共有7个径流小区，包括3个标准小区和4个微型小区。根据《水土保持试验规程》(SL419—2007)及径流小区试验研究[18-24]，沿径流小区四周设有楔形保护墙,下部设有集流槽，集流槽下端接集水池。

1.2 数据来源

本文于2015—2017年的在苏北沿海东台市开展了自然降雨条件下野外径流小区试验。主要观测指标及方法：土壤容重采用环刀法；土壤结构颗粒级配采用比重计法；土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤盐分采用ProCheck手持式多功能读表/数采仪器，同时取表层0～10 cm土壤使用水土比5：1电导法校核(每月测定1次)；土壤含水率：每周测定1次(土壤水分测定仪)，降雨后加测；降雨径流结束后，测量径流量和泥沙量[17]。本文气象数据从中国气象数据网获得。

1.3 分析方法

本文采用RUSLE中的参数计算方法计算降雨侵蚀力。RUSLE 模型是在美国通用土壤流失模型USLE的基础上建立起来的，是目前国内外应用广泛的土壤侵蚀预测模型之一[15-21]。RUSLE是经验模型，参数涵盖了主要的土壤侵蚀影响因子(公式(1))。

A=RKLSCP

(1)

式中：A为年均土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡长坡度因子，L为坡长因子，S为坡度因子；C为覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。

降雨侵蚀力因子R采用经典的指标[25-27]，

R=EI30

(2)

(3)

er=0.29[1-0.72exp(-0.05ir)]

(4)

式中：E为次降雨动能；er为时段单位降雨动能；Pr为与er对应的时段雨量；ir为降雨强度。

2 结果与分析

2.1 侵蚀性降雨标准

根据2015—2017年3年降雨过程资料和侵蚀资料，对降雨过程资料进行次降雨资料整理，共有大小降雨258次，降雨次数统计标准为降雨间隔时间6h之内的算作同一次降雨事件。通过公式(2)、(3)和(4)计算降雨侵蚀力，得出的结果为侵蚀性降雨标准的雨量标准为10.8 mm，侵蚀性降雨标准的最大30 min雨强标准为7.6 mm/h。

2.2 侵蚀性降雨年际分布特征

侵蚀性降雨的年际分布是土壤侵蚀情况年际分布的重要影响因子，对进一步分析土壤侵蚀有重要意义。根据2.1得出的侵蚀性降雨标准，筛选出侵蚀性降雨，进一步分析侵蚀性降雨的年际分布特征[28]。

本文对2011—2017年的降雨资料(中国气象数据网提供)进行筛选，发生侵蚀的降雨事件共计264场(降雨次数及雨量具体数据见表1)。

表1 侵蚀性降雨情况与全年降雨情况比较

2011—2017年的年平均侵蚀性降雨场次为37.7场，年平均侵蚀性降雨量为1 082.0 mm。由表1得知2016年侵蚀性降雨量最大，占总侵蚀性降雨量的21.9%，2017年侵蚀性降雨量最小，占总侵蚀性降雨量的8.3%。发现年侵蚀性降雨场次占年降雨场次的百分比为37.0%～65.4%，变异系数为0.17，平均占比51.6%，年侵蚀性降雨量占年降雨量的百分比为84.3%～93.4%，变异系数为0.03，平均占比为90.6%，说明年侵蚀性降雨量占比变化幅度小，占比数值较稳定，同时从多年均值来看51.6%的降雨场次产生了90.6%的降雨量。

研究区侵蚀性降雨场次和侵蚀性降雨量年际变化大，年最大侵蚀性降雨场次与年最小侵蚀性降雨场次相差19场，年最大侵蚀性降雨场次约为年最小侵蚀性降雨场次的1.70倍，年最大侵蚀性降雨场次约为年平均侵蚀性降雨场次的1.22倍，年际变异系数Cv=0.16；年最大侵蚀性降雨量与年最小侵蚀性降雨量相差910.4 mm，年最大侵蚀性降雨量约为年最小侵蚀性降雨量的2.63倍，年最大侵蚀性降雨量约为年平均侵蚀性降雨量的1.53倍，年际变异系数Cv=0.36。

2.3 侵蚀性降雨年内分布特征

侵蚀性降雨年内分布直接影响土壤侵蚀的年内分布，具有重要意义[28-30]。侵蚀性降雨量与场次变化情况如图1所示。降雨场次与雨量集中于5～10月，且降雨强度明显高于其它月份。侵蚀性降雨每月都会发生，月平均场次为22场，1月与 2月是发生场次最少的月份，7年数据总体来看分别发生了9场侵蚀性降雨，7月发生场次最多，7年数据总体来看达到了47场，5～10月是降雨场次最集中的时期，这一时期的侵蚀性降雨场次达到总场次的67.8%。每年平均月度发生1.29场侵蚀性降雨，7月每年平均发生6.71场侵蚀性降雨，为发生侵蚀性降雨最多的月份。

侵蚀性降雨量的变化趋势和侵蚀性降雨场次的变化趋势不完全一致，侵蚀性降雨量的特征曲线呈单峰型，1～7月呈上升趋势，7～12月呈下降趋势，侵蚀性降雨量的最大值出现在7月份，侵蚀性降雨场次的特征曲线有3个峰值，最大值也出现在7月份。通过比较侵蚀性降雨量的变化趋势和侵蚀性降雨场次的变化趋势可知，侵蚀性降雨量和侵蚀性降雨场次之间没有必然的联系。

月平均侵蚀性降雨量为631.1 mm，侵蚀性降雨量的极值出现在7月份，月侵蚀性降雨量达到了1 879.9 mm，1月份侵蚀性降雨量最小，仅有118.0 mm，月降雨量变异系数Cv=0.85，汛期(5～10月)的累加侵蚀性降雨量达到总侵蚀性降雨量的81.1%，是侵蚀性降雨量最集中的时期。非汛期(11～4月)的侵蚀性降雨场次和侵蚀性降雨量明显低于汛期场次和降雨量。汛期中7月和8月的侵蚀性降雨平均雨强明显高于其它月份，其平均降雨强度的最大值同样出现在7月，与降雨场次和侵蚀性降雨量的极值出现在同一月份，达到了4.90 mm/h，最小值为1月份的1.52 mm/h。汛期侵蚀性降雨量变化幅度大，而非汛期侵蚀性降雨量变化幅度小，相对稳定。这是由于受当地气候特征的影响，当地夏季容易发生大暴雨，可能造成大量土壤侵蚀。

图1 侵蚀性降雨量和侵蚀性降雨场次年内变化

2.4 侵蚀性降雨的雨量等级分析

雨量等级按照24 h降雨量的不同，可以划分为小雨(24 h降雨量小于10 mm)、中雨(24 h降雨量10～24.9 mm)、大雨(24 h降雨量25～49.9 mm)、暴雨(24 h降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(24 h降雨量100～249.9 mm)、特大暴雨(24 h降雨量大于等于250 mm)。侵蚀性降雨事件的雨量等级分布见图2。

根据2011—2017年的264场侵蚀性降雨的降雨过程资料，小雨事件50场，占18.9%，中雨事件116场，占43.9%，大雨事件58场，占22.0%，暴雨事件33场，占12.5%，大暴雨事件6场，占2.3%，特大暴雨1场，占0.4%。可见侵蚀性降雨事件最多的是中雨事件，中雨及以上的降雨事件占了总降雨事件的81.1%。进一步分析不同雨量事件的降雨强度，小雨平均降雨强度为3.73 mm/h，中雨平均降雨强度为1.84 mm/h，大雨平均降雨强度为2.93 mm/h，暴雨平均降雨强度为5.05 mm/h，大暴雨平均降雨强度为8.89 mm/h，特大暴雨平均降雨强度为8.36 mm/h。小雨事件的平均雨强超过了中雨事件和大雨事件，这是由于小雨虽然降雨量小，但是降雨历时短，导致降雨强度反而比中雨和大雨大，可见即使是小雨也不应忽视其对土壤侵蚀的影响。

2.5 侵蚀性降雨历时分布特征

降雨历时是重要的降雨特征，侵蚀性降雨的降雨历时对分析土壤侵蚀规律与侵蚀性降雨之间的关系具有重要意义。2011—2017年的侵蚀性降雨资料显示发生的侵蚀性降雨历时在0.25-67.83 h之间，将其分为12种不同的降雨历时，分别为降雨历时≤2 h、2 h<降雨历时≤4 h、4 h<降雨历时≤6 h、6 h<降雨历时≤8 h、8 h<降雨历时≤10 h、10 h<降雨历时≤12 h、12 h<降雨历时≤14 h、14 h<降雨历时≤18 h、18 h<降雨历时≤24 h、24 h<降雨历时≤36 h、降雨历时>48 h。

降雨历时≤2 h的场次最多，占总场次的21.6%，降雨历时>48 h的场次最少且占比仅为0.4%，降雨历时≤24h的场次占总场次的94.3%，可以得出侵蚀性降雨的降雨历时一般不会超过24 h。4 h<降雨历时≤6 h、6 h<降雨历时≤8 h、8 h<降雨历时≤10 h这3种降雨历时的场次占比接近，差异不明显，但其平均降雨强度仍然呈减小的趋势。进一步分析这12种降雨历时的平均降雨强度，平均降雨强度随着降雨历时的增加总体呈减小的趋势，降雨历时≤2 h的雨强最大，达到了15.17 mm/h，降雨历时>48h的雨强最小，为1.55 mm/h，降雨历时≤2h的雨强约为降雨历时>48 h的雨强的9.8倍，相差很大。总得来看降雨历时与平均降雨强度之间呈反比例关系，应重视短时侵蚀性降雨发生时的土壤侵蚀防护工作。

3 结 论

本文在2015—2017年的野外现场观测降雨和侵蚀资料基础上得出苏北沿海围垦区的侵蚀性降雨标准为降水量达到10.8 mm或者最大30 min雨强达到7.6 mm/h。根据得到的侵蚀性降雨标准对2011—2017年的降雨资料进行了筛选并分析，得到如下结论：

图2 侵蚀性降雨事件雨量等级分布

图3 侵蚀性降雨历时场次和平均雨强变化

(1)侵蚀性降雨场次年际变异系数Cv=0.16，侵蚀性降雨的降雨量年际变异系数Cv=0.36，侵蚀性降雨场次占总降雨场次的51.6%，侵蚀性降雨量却占总降雨量的90.6%。

(2)年内侵蚀性降雨分布不均匀，其特征曲线呈单峰型，1～7月呈上升趋势，7～12月呈下降趋势。月侵蚀性降雨量最大值为7月的1 879.9 mm，月侵蚀性降雨量最小值为1月的118.0 mm，月降雨量变异系数Cv=0.85。汛期(5～10月)侵蚀性降雨量达到总侵蚀性降雨量的81.1%。月侵蚀性降雨的平均降雨强度最大值和月侵蚀性降雨的雨量最大值均出现在7月。汛期容易发生土壤侵蚀，其中7月极有可能发生大量土壤侵蚀。

(3)侵蚀性降雨的降雨历时一般小于24 h，且降雨历时越短平均雨强越大，小雨平均雨强超过了中雨和大雨，因此短历时高雨强的小雨也应引起我们的重视，它对土壤侵蚀影响不容忽视。暴雨即暴雨以上降雨事件雨强很大，应积极防治它们造成的土壤侵蚀。