冰雹侵蝕徑流小區土壤流失量觀測數據分析

何學良，王志強

(1.海原縣水務局 樹臺水保試驗站，寧夏 海原755200；2.北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京100875)

冰雹侵蝕徑流小區土壤流失量觀測數據分析

何學良1，王志強2

(1.海原縣水務局 樹臺水保試驗站，寧夏 海原755200；2.北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京100875)

土壤流失量；冰雹；降雨侵蝕力；雨強；黃土丘陵溝壑區

冰雹是一種常見的自然現象，嚴重時會造成災害。在黃土丘陵溝壑區相同條件下，冰雹造成的土壤侵蝕比降雨的嚴重。對2014年寧夏海原縣樹臺、西吉縣濫泥河水土保持試驗站徑流場觀測資料進行了整理計算，結果顯示：冰雹降水量雖小，但次降雨平均雨強、最大30 min雨強、降雨動能、降雨侵蝕力在逐次降雨中最大，造成的土壤流失量也最大；相比降雨，冰雹出現頻次少，但造成的土壤流失量卻很大；相對裸地與耕地，冰雹對有水土保持措施的徑流小區造成的土壤流失量很小，甚至為零，因此水土保持措施是防止冰雹侵蝕的有效辦法。

我國黃土丘陵溝壑區土壤侵蝕嚴重。研究人員對該區土壤侵蝕機理及影響因素進行了大量研究工作，但對冰雹引起的土壤侵蝕涉及很少。冰雹事件在黃土丘陵地區時有發生，研究冰雹造成的侵蝕機理和侵蝕量不僅有助于應對不良氣象災害，而且對當地水土流失治理具有重要意義。本研究對2014年寧夏海原縣樹臺水土保持試驗站、西吉縣濫泥河水土保持試驗站徑流場的徑流、泥沙資料進行整理，分析冰雹和降雨過程中土壤流失量的差異，評價冰雹對黃土丘陵溝壑區土壤流失量的貢獻。

1 研究方法

1.1 試驗站概況

寧夏海原縣樹臺水土保持試驗站和西吉縣濫泥河水土保持試驗站(以下簡稱樹臺、馬建試驗站)是寧夏水利廳水土保持局為研究黃土丘陵溝壑區水土流失規律而設。樹臺試驗站位于黃土丘陵溝壑區第Ⅴ副區、清水河一級支流西河干流的上游，地理坐標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%。馬建試驗站位于黃土丘陵溝壑區第Ⅲ副區，屬濫泥河流域馬建小流域源頭和祖歷河分水嶺地區、黃河一級支流葫蘆河水系，地理坐標35°56′39″N、105°29′8″E，海拔1 957 m，年均降水量427.0 mm。兩試驗站地帶性土壤均為黑壚土，由于土壤侵蝕嚴重，目前以黃棉土為主，多年平均土壤侵蝕模數分別為3 657、5 000 t/(km2·a)，主要為水力侵蝕，以面蝕和溝蝕為主，局部伴有重力侵蝕和風力侵蝕，在懸崖與陡峻處可見崩塌、滑坡、瀉溜和陷穴等。

1.2 徑流小區布設

樹臺試驗站徑流場始建于1981年，現有坡度5°、10°、15°、20°、25°的徑流小區20個，皆為直線形丘陵坡(陽坡)，其中標準(裸地)小區2個，坡度10°，投影尺寸20 m×5 m；非標準(措施)小區18個，包括人工牧草、天然牧草、灌木林地、魚鱗坑+喬木林等(表1)。馬建試驗站徑流場始建于1989年，現有坡度10°、15°、20°、25°的徑流小區18個，皆為直線形丘陵坡(陽坡)，投影尺寸均為20 m×5 m，每個坡度級別都布設有標準(裸地)小區，各坡度級別非標準(措施)小區有耕地、灌木林地、天然牧草、人工牧草等(表1)。

1.3 數據采集和處理

試驗站觀測項目主要有降水量、徑流含沙量、植被覆蓋度、土壤含水率等。降雨量采用自記雨量計觀測。徑流采樣過程是在降水后，先測定集流池的水深，再用攪拌工具將集流池中的徑流和泥沙充分混合，用勺子取部分渾水樣，將水樣裝入取樣瓶中，用烘干法測定徑流含沙量。取樣3次，分別測定含沙量，最終取平均值，并將含沙量換算成單位面積土壤流失量(t/km2)。平均降雨強度(mm/h)、最大30 min雨強(mm/h)、降雨侵蝕力[MJ·mm/(hm2·h)]采用北京師范大學rain recorder軟件計算。

表1 樹臺、馬建試驗站徑流小區布設情況

2 結果與分析

2.1 冰雹造成的土壤流失量

樹臺試驗站2014年8月16日發生冰雹，從17時開始，歷時45 min。此次冰雹共降水14.0 mm，平均降雨強度3.2 mm/h，降雨侵蝕力為99.2 MJ·mm/(hm2·h)，造成1、2號小區土壤流失量分別為87.07、115.82 t/km2，11、12號小區土壤流失量均為13.62 t/km2，其他小區土壤流失量均為零。馬建試驗站冰雹發生于2014年10月3日，從17時31分開始，歷時204 min。此次冰雹共降水19.4 mm，平均降雨強度5.7 mm/h，降雨侵蝕力為82.3 MJ·mm/(hm2·h)，造成1、6、11、15號標準小區土壤流失量分別為10、22、85、112 t/km2，2、7、12、16號耕地小區分別為4、9、10、16 t/km2，13號天然牧草小區為2 t/km2，14號灌木林地小區為2 t/km2，其他小區均為零。由上述分析可知，在冰雹降水量、平均降雨強度、降雨侵蝕力相同的條件下，標準小區土壤流失量最大，其次是耕地小區，而對于有水保措施的小區兩次冰雹幾乎都沒有造成土壤流失。

2.2 冰雹和降雨土壤流失量對比

2014年樹臺、馬建試驗站徑流場各發生降雨產流產沙5次，統計各次降雨土壤流失量結果見表2、3。

表2 2014年樹臺試驗站徑流場各次降雨產流產沙情況

表3 2014年馬建試驗站徑流場各次降雨產流產沙情況

樹臺試驗站的5次產流產沙過程中，8月16日冰雹的降水量最小，僅為14.0 mm，但土壤流失量最大，達115.82 t/km2，發生在2號小區。該小區年土壤流失量為153 t/km2，冰雹造成的土壤流失量占小區全年土壤流失量的75.7%。馬建試驗站5次產流中，10月3日冰雹的降水量最小，僅為19.4 mm，土壤流失量最大，達112.41 t/km2，發生在15號小區。15號小區年土壤流失量為225.98 t/km2，冰雹造成的土壤流失量占小區全年土壤流失量的43.9%。

2.3 冰雹造成土壤流失原因分析

作為一種常見的自然現象，猛烈的冰雹可以損壞農作物、車輛、建筑，甚至威脅人們的生命安全。其像子彈一樣密集地打擊在土壤表面，破壞了土壤結皮，濺起的土粒被徑流沖刷。冰雹過后，在樹臺和馬建試驗站裸地和耕地徑流小區的土壤表面留下了密密麻麻的小坑，直徑1～3 cm，深1.5 cm左右，暴雨一般不會造成這樣的情況。

(1)冰雹降雨強度大、濺蝕能力強。由表2、3知，2014年樹臺試驗站在出現產流產沙的5次降雨過程中，冰雹雨強大于其他4次降雨雨強，馬建試驗站的情況也是一樣。雨強越大，雨滴動能越大[1]，因此冰雹對土壤的濺蝕能力大于其他場次降雨。在降暴雨或冰雹時，雨滴或冰雹擊濺所引起的土壤顆粒分散是侵蝕過程中重要的一部分。對于有水土保持措施的小區，植被削減了冰雹降落的能量，下墊面的枯枝落葉避免了冰雹直接砸向土壤表面，使表土結構不被破壞，土壤分離量少，減少了土壤流失量，因此植被覆蓋度越大土壤流失量越小。經現場觀察，冰雹下落直接砸向標準徑流小區裸露的地表，造成密密麻麻的小坑，而有水土保持措施的小區地表破壞較輕。

(2)冰雹侵蝕力大。降雨侵蝕力是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是降雨物理特征的函數，在下墊面特征相對一致的條件下，降雨侵蝕力越大，引起的土壤侵蝕越劇烈[1]。據表2、3，樹臺試驗站冰雹的降雨侵蝕力為99.2 MJ·mm/(hm2·h)，在5次降雨過程中位列第二；馬建試驗站冰雹的降雨侵蝕力為82.3 MJ·mm/(hm2·h)，在5次降雨過程中最大。采用北京師范大學rain recorder軟件，降雨侵蝕力計算公式為

R=E·I30

(1)

式中：R為次降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；I30為一次降雨過程中最大30 min雨強，mm/h；E為一次降雨總動能，MJ/hm2。

由于冰雹降水與降雨特性不同，直接使用公式(1)會導致冰雹侵蝕力計算結果偏小很多，這也是樹臺試驗站冰雹的降雨侵蝕力位列第二的原因。據估計，這次冰雹的降雨侵蝕力至少超過由降雨侵蝕力公式計算結果的一倍以上。雖然冰雹的密度比雨水小，但冰雹一般體積大、質量大，常見的冰雹直徑5～30 mm，而雨滴直徑0.5～5.5 mm，最大的冰雹可達數千克，且形狀大小不同，因此冰雹的破壞力更大。

雨滴終點速度和動能計算公式為

(2)

(3)

上二式中：r為物質半徑，m；C為常數；g為重力加速度，m/s2；E為降雨動能，J；m為雨滴質量，kg；v為雨滴終點速度，m/s。

由式(2)、(3)知，雨滴的最大末速度取決于其體積大小，或者說是質量大小，因此考慮空氣阻力，大水滴的終點速度將更大。冰雹的體積大于雨滴數倍，其終點速度也大于雨滴，其動能更遠大于雨滴。加之，冰雹最大30min雨強大于其他場次降雨，冰雹的降雨侵蝕力要遠大于降雨，造成的土壤流失量也最大。

3 結 語

對寧夏海原縣樹臺和西吉縣馬建試驗站徑流場2014年的冰雹降水引起的土壤侵蝕進行了分析。得出以下結論：

(1)2014年樹臺和馬建試驗站冰雹引起的土壤流失量遠遠大于降雨引起的土壤流失量。兩試驗站冰雹降水量分別只占2014年有效降雨量的8.6%和11.9%，但造成的流失量卻分別占年流失量的75.7%和43.9%。

(2)初步分析表明，冰雹的雨強、動能及其綜合指標——降雨侵蝕力都高于其他降水形式，是冰雹侵蝕量大的主要原因。但冰雹侵蝕的具體過程和機理，以及針對降雨的動能和降雨侵蝕力公式是否適宜于冰雹降水，都需要進一步深入研究。

(3)冰雹引起的土壤侵蝕主要發生在裸地和耕地小區，有水土保持措施的其他小區基本無侵蝕，說明已有的水土保持措施對冰雹侵蝕具有防護作用。

[1]N.W.哈德遜.土壤保持[M].竇葆璋，譯.北京:科學出版社,1976:29-41,44-53.

(責任編輯 李楊楊)

S157.1

A

1000-0941(2015)09-0049-03

何學良(1963—)，男，寧夏海原縣人，工程師，主要從事水土保持監測、試驗研究與管理工作。

2015-03-13