黔中地區的侵蝕性次降雨特征

譚順菊, 高華端, 代 裕, 楊光檄

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴定縣德新鎮農業服務中心， 貴州 貴定 551300； 3.貴州省水土保持監測中心， 貴州 貴陽 550002)

黔中地區的侵蝕性次降雨特征

譚順菊1,2, 高華端1*, 代 裕1, 楊光檄3

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴定縣德新鎮農業服務中心， 貴州 貴定 551300； 3.貴州省水土保持監測中心， 貴州 貴陽 550002)

為黔中地區的水土保持和生態環境建設提供參考，基于野外徑流小區實測降雨資料，選取降雨量、降雨歷時、平均雨強3個指標，采用快速聚類、判別聚類和分位數取值相結合的方法，將侵蝕性次降雨劃分為A、B、C 3類雨型，研究黔中地區侵蝕性次降雨特征。結果表明：1) 黔中地區年均降雨量913.52 mm、年均侵蝕性降雨量493.17 mm，平均次侵蝕性降雨量26.42 mm。2) 侵蝕性降雨量在每年5月和9月最穩定，在7月達最大值。3) 降雨次數和降雨量均呈夏季>春季>秋季>冬季的趨勢。降雨量在夏季年際間波動小，在春季和秋季年際間波動大。4) 3類雨型的侵蝕能力呈 A雨型(大雨量，長歷時，大雨強，低頻次)>C雨型(小雨量，短歷時，中雨強，高頻次)>B雨型(中雨量，中歷時，小雨強，中頻次)。5) 各雨型降雨侵蝕力與平均雨強、最大30分鐘雨強、最大60分鐘雨強呈冪函數關系。

次降雨； 降雨特征； 降雨類型； 降雨侵蝕力； 黔中地區

貴州省水土流失面積占全省總面積的41.62%[1]，嚴重影響區域經濟的發展。降雨是引起土壤侵蝕的諸多因子中最主要的驅動因子[2]，侵蝕性次降雨是降雨后有產流產沙的那部分降雨，作為一個完整的自然降雨過程，定量對其特征進行研究具有重要意義。前人關于次降雨的研究尺度多集中在宏觀的空間尺度上[3-6]，研究區域多集中在西北黃土區[7-10]，研究內容主要是次降雨的降雨侵蝕力與產流產沙之間關系及侵蝕預報模型等方面[11-14]。在貴州地區，由于喀斯特面積占全省總面積的73.6%，坡耕地面積占耕地總面積的61.01%，因此，坡耕地是貴州水土流失的主要來源[1,15]。目前，大量的降雨侵蝕研究工作主要針對典型喀斯特巖溶地區降雨-徑流-產沙的研究[15-18]，鮮有對常態地貌區次降雨特征進行的深入研究。為此，筆者根據龍里縣羊雞沖小流域野外徑流小區實測降雨資料，對黔中地區次降雨的月和季節變化特征進行定量研究，并進一步采用劃分雨型方法，對侵蝕性次降雨不同雨型的降雨特征指標與侵蝕力之間的關系進行研究，建立最優侵蝕模型，揭示黔中地區侵蝕性次降雨特征，以期為區域水土保持和生態環境建設提供指導。

1 資料與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省黔南州龍里縣東城郊羊雞沖小流域內，地理位置東經107°00′53"，北緯26°26′58"。流域控制面積11.89 km2，其中，水土流失面積7.41 km2，屬長江流域烏江水系。該流域隸屬國家水土流失重點治理區珠江南北盤江治理區和貴州省人民政府公布的水土流失重點治理區及重點監督區。流域氣候類型屬北亞熱帶濕潤季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，多年平均降雨量1 089 mm，多年平均氣溫14.8℃。區域主要植被類型為亞熱帶石灰巖常綠櫪林及常綠落葉闊葉混交林，主要土壤侵蝕類型為水力侵蝕。

1.2 數據來源

研究數據來源于貴州省重點水土流失監督和治理區龍里縣羊雞沖小流域2006—2008年降雨實測資料。

1.3 分析方法

用數理統計方法分析次降雨年變化、季節變化和月變化特征。以降雨量、降雨歷時和平均雨強為特征變量，采用快速聚類和判別聚類相結合的方法對有準確降雨歷時的48次侵蝕性次降雨的雨型進行劃分。針對不同雨型，分別統計次降雨量(P)、降雨歷時(T)、平均雨強(I)、最大30分鐘雨強(I30)和最大60分鐘雨強(I60)。選取分位數25%和75%對應的取值，進行適當取整調整，作為對應雨型的特征指標主要變化范圍，并據此分析不同雨型特征。

R=1.70×(PI30/100)-0.136I30<10 mm/h

R=2.35×(PI30/100) -0.523I30≥10 mm/h

式中，P為降雨量，I30為最大30分鐘雨強。

2 結果與分析

2.1 降雨的月變化特征

統計分析結果顯示，龍里縣羊雞沖小流域3年共降雨255次，累積降雨量2 740.55 mm，年均降雨量913.52 mm。侵蝕性降雨56次，累積侵蝕性降雨量1 479.5 mm，年均侵蝕性降雨量493.17 mm，次侵蝕性降雨量26.42 mm。侵蝕性降雨次數占降雨總次數的21.96%，侵蝕性降雨量占降雨總量的53.99%。

從圖1可見，全年中降雨主要集中分布在4—10月，1月、2月、11月和12月幾乎沒有降雨。綜合12個月月變化規律可知，降雨量總體趨勢符合正態分布規律。除2006年最大降雨量出現在5月以外，全年中降雨量在7月達最大值。2007年7月降雨量占全年降雨總量的26.4%。2008年7月降雨量占全年降雨總量的25.29%。7月以后，降雨量逐漸減少。此外，每年5月和9月年際間降雨量差異最小。2006—2008年3年中，5月的降雨量分別為142.6 mm、156.4 mm和152.6 mm，年際間降雨量變化為3.8～13.8 mm；9月降雨量分別為82.3 mm、109.1 mm和102.1 mm，年際間降雨量變化為7～26.8 mm。表明，每年5月和9月降雨量較為穩定。而11月年際間降雨量變化差異最大，最小降雨量0.4 mm，最大降雨量76.4 mm，差異較為異常，可能是由于2008年貴州省出現極端凝凍天氣，長時間雨夾雪使降雨量急劇增加，導致11月出現極大值。

圖 1 降雨月變化特征

Fig.1 Monthly variation characteristics of rainfall

2.2 降雨的季節變化特征

（2）要“嚴之有度”。我認為嚴格要求不等于什么都“一刀切”。我們不能用同一標準要求所有的學生，我對不同類型的學生有不同的要求。

按照氣象學對四季的劃分標準，春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12月至次年2月，據此分析次降雨季節變化特征。從表1看出，不論是降雨次數、降雨量還是侵蝕性降雨次數、侵蝕性降雨量，夏季都是全年中發生次數最多，產流最大的季節。春夏秋3個季節降雨次數多且波動大，冬季降雨次數少且波動小。冬季降雨次數僅為全部降雨總數的5%，且不發生侵蝕。

總體來看，2006年、2007年降雨次數和降雨量均呈夏季>春季>秋季>冬季的趨勢。2008年，秋季降雨次數和降雨量均大于春季，但是侵蝕性降雨量卻幾乎相等。可見，秋季雖然降雨次數多，但真正產生侵蝕的降雨次數較少，而春季雖然降雨次數少，但卻容易導致土壤發生侵蝕。

表1 2006—2008年龍里縣羊雞沖小流域各季節的降雨次數和降雨量

2.3侵蝕性次降雨的雨型劃分

2.3.1判別分類 土壤侵蝕的發生是一個復雜的過程，與侵蝕性降雨的雨型密切相關。采用快速聚類與判別聚類相結合方法對56次侵蝕性降雨中有準確降雨歷時的48次進行雨型劃分，結果顯示，將雨型劃分為3類時，降雨歷時和平均雨強2個特征變量的聚類函數和判別函數顯著性檢驗概率P<0.01。3類雨型分別命名為A、B和C，其聚類散點分別聚集在3 個相對集中的區域，除A 雨型相對分散外，B雨型和C 雨型較集中，不同雨型邊界清晰無交集，聚類效果較好(圖2)。

圖2 侵蝕性次降雨判別分類的散點分布

2.3.2 不同雨型的特點 根據聚類結果和各降雨特征指標的25%分位數和75%分位數所對應的取值(表2)，經適當取整調整，作為相應雨型降雨特征指標的變化范圍，不同雨型的特點歸納：為A雨型，降雨量59～85 mm，降雨歷時10～20 h，雨強3.65～7.07 mm/h，降雨侵蝕力19～114 m·t·cm/hm2·h，即A雨型特征表現為大雨量，長歷時，大雨強，低頻次降雨；B雨型，降雨量35～32 mm，降雨歷時8～16 h，雨強2.23～3.73 mm/h，降雨侵蝕力8.5～21 m·t·cm/hm2·h，即B雨型特征為中雨量，中歷時，小雨強，中頻次降雨；C雨型，降雨量10～17 mm，降雨歷時3～15 h，雨強0.98～3.97 mm/h，降雨侵蝕力0.67～4.05 m·t·cm/hm2·h，即C雨型特征為小雨量，短歷時，中雨強，高頻次降雨。

2.3.3 不同雨型的侵蝕能力 48次侵蝕性降雨中，A、B、C雨型分別為5次、16次和27次，分別占樣本總數的10.42%、33.33%和56.25%。C雨型發生頻次最高，B雨型次之，A雨型發生頻次最低。3 類雨型平均降雨量分別為71.74 mm、35.02 mm和14.14 mm，平均最大30分鐘雨強分別為40.92 mm/h、18.47 mm/h和9.87 mm/h，差異明顯。3類雨型平均降雨侵蝕力分別為68.23m·t·cm/hm2·h、14.74 m·t·cm/hm2·h和46.74 m·t·cm/hm2·h，依次為A 雨型>C雨型>B雨型。

表2 不同雨型侵蝕性降雨特征指標

注：A、B、C表示3類雨型，降雨次數分別為5次、16次和27次；V25表示在分位數為25%時對應的取值，V75表示在分位數為75%時對應的取值。

Note: A, B and C indicates different rainfall type respectively. Rainfall times are 5, 16 and 27 separately. V25means the corresponding value when the quantile is 25%. V75means the corresponding value when the quantile is 75%.

2.4 侵蝕性降雨特征指標與降雨侵蝕力的相關性

從表3看出，A雨型60分鐘雨強與降雨侵蝕力呈極顯著相關，降雨歷時、降雨強度、30分鐘雨強與降雨侵蝕力呈顯著相關。B雨型30分鐘雨強、60分鐘雨強與降雨侵蝕力呈極顯著相關，降雨歷時、降雨強度與降雨侵蝕力呈顯著相關。C雨型降雨量、降雨強度、30分鐘雨強、60分鐘雨強與降雨侵蝕力呈極顯著相關。A、B雨型降雨量與降雨侵蝕力相關性不顯著，C雨型降雨歷時與降雨侵蝕力相關性不顯著。總體上看，降雨量、降雨歷時與降雨侵蝕力無相關性或相關性不顯著，而降雨強度、30分鐘雨強和60分鐘雨強與降雨侵蝕力顯著相關。

表3 不同雨型降雨特征指標與降雨侵蝕力的相關系數

Table 3 Correlation coefficient between rainfall erosion capacity and rainfall characteristics index under different rainfall types

降雨類型RainfalltypePTII30I60A0．404-0．942?0．948?0．901?0．992??B0．383-0．576?0．586?0．965??0．874??C0．680??-0．3870．624??0．966??0．961??

注：*、**分別表示在0.05、0.01 水平(雙側)顯著相關。

Note: * and ** indicates significance of difference at 0.05 and 0.01 level respectively.

2.4.1 降雨量與降雨侵蝕力 C雨型降雨量與降雨侵蝕力呈極顯著相關，為明確C雨型降雨量與降雨侵蝕力關系，經降雨量與降雨侵蝕力回歸分析，對比多種模型擬合結果后得出，C雨型降雨量與降雨侵蝕力二項式擬合關系最佳，方程為y=0.069x2-1.408x+7.685，R2=0.606。即小雨量、短歷時、中雨強型降雨的降雨量與降雨侵蝕力呈二項式函數關系。

2.4.2 平均雨強與降雨侵蝕力 3類雨型平均雨強與降雨侵蝕力呈較好的冪函數關系，方程分別為A雨型：y=1.812x2.148，R2=0.840；B雨型：y=3.423x1.234，R2=0.675；C雨型：y=0.802x0.810，R2=0.534。冪指數依次為A雨型>B雨型>C雨型，即大雨量、大雨強型降雨的降雨侵蝕力隨平均雨強的增大變化最大，而中雨量、小雨強型其次，小雨量、中雨強型變化較小。

2.4.3 最大30分鐘雨強與降雨侵蝕力 3類雨型最大30分鐘雨強與降雨侵蝕力呈較好的冪函數關系，方程分別為A雨型：y=1.332x1.058，R2=0.942；B雨型：y=0.295x1.329，R2=0.933；C雨型：y=0.084x1.480，R2=0.897。冪指數依次為C雨型>B雨型>A雨型，即小雨量，中雨強型降雨的降雨侵蝕力隨最大30分鐘雨強增大變化最大，B雨型其次，A雨型變化較小。

2.4.4 最大60分鐘雨強與降雨侵蝕力 3類雨型最大60分鐘雨強與降雨侵蝕力冪函數擬合效果好，方程分別為A雨型：y=3.040x0.940，R2=0.992；B雨型：y=0.347x1.469，R2=0.823；C雨型：y=18.43x-1.03，R2=0.505。冪指數依次為B雨型>A雨型>C雨型，即中雨量、小雨強型降雨的降雨侵蝕力隨最大60分鐘雨強增大變化最大，A雨型其次，C雨型變化最小。

3 結論與討論

1) 2006—2008年黔中地區年均降雨量913.52 mm，年均侵蝕性降雨量493.17 mm，年均降雨次數85次，年均侵蝕性降雨19次。侵蝕性降雨次數占降雨總次數的21.96%，侵蝕性降雨量占降雨總量的53.99%。平均每次侵蝕性降雨量26.42 mm。降雨主要集中在3—11月，降雨量在7月達最大值。侵蝕性降雨主要集中在4—10月。每年5月和9月的降雨量差異最小，降雨量最穩定。夏季降雨量年際間變化較小，而春季和秋季降雨量年際間波動較大。降雨次數和降雨量均呈夏季>春季>秋季>冬季趨勢。

2) 基于降雨量、降雨歷時和平均雨強指標，將黔中地區降雨類型劃分為A、B、C 3類雨型。A雨型：大雨量，長歷時，大雨強，低頻次；B雨型：中雨量，中歷時，小雨強，中頻次；C雨型：小雨量，短歷時，中雨強，高頻次。此分類結果與黃土高原地區分類結果相似，黃土高原地區次降雨也多被分為3類，其中，大雨強型降雨也是造成黃土高原發生土壤侵蝕的主要雨型。張黎明等[12]在研究南方紅壤侵蝕性次降雨時，按照10 mm 雨量等值間隔法將降雨量劃分為5類。但該分類實質是對降雨量的平均分段，未考慮降雨歷時和降雨強度等特征對分類的影響；Huang 等[13]在研究南方紅壤地區的降雨類型時，采用快速聚類法將降雨劃分為4 類，但其中1 類僅包含1 次降雨樣本。相比之下，本研究基于快速聚類法和判別聚類法，同時結合四分位數取值確定降雨特征變化范圍所得出的侵蝕性降雨類型，在方法和結果上更符合次降雨的實際情況。

3) 黔中地區3類雨型的平均降雨侵蝕力依次為A 雨型>C雨型>B雨型。降雨侵蝕力是降雨引起土壤發生侵蝕的潛在能力，不同雨型的降雨侵蝕力表征不同雨型的侵蝕能力。A雨型是典型的低頻次大雨強類型，C雨型是高頻次中雨強類型。A雨型平均降雨侵蝕力大于C雨型，但發生頻率是C雨型的18.5%。可見，A雨型是導致發生土壤侵蝕的主要雨型，即暴雨型降雨在黔中地區更容易導致土壤發生侵蝕，產生山洪和泥石流等，在修建水保工程時應重點考慮。其次，高頻次中雨強C型降雨因降雨發生頻率較高，也是常常導致水土流失的主要因素，在生產實踐中應注意做好防護工作。

4) 各雨型降雨侵蝕力與平均雨強、最大30分鐘雨強、最大60分鐘雨強均呈較好的冪函數關系，具體變化趨勢因雨型的不同而不同。A雨型降雨侵蝕力隨平均雨強的增大變化最大，B雨型降雨侵蝕力隨最大60分鐘雨強的增大變化最大，C雨型降雨侵蝕力隨最大30分鐘雨強的增大變化最大。

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(責任編輯： 姜 萍)

Characteristics of Erosive Individual Rainfall in Central Guizhou

TAN Shunju1,2, GAO Huaduan1*, DAI Yu1, YANG Guangxi3

(1.CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025; 2.AgriculturalServiceCenterofDexinTown,Guiding,Guizhou551300; 3.GuizhouMonitoringCenterofSoilandWaterConservation,Guiyang,Guizhou550002,China)

The erosive individual rainfall types are divided into A, B and C type by means of analyzing three indexes of rainfall capacity, rainfall duration and average rainfall intensity selected from the actual rainfall data of field runoff plots by K-Means cluster, discriminant clustering and quantile value methods. The erosive individual rainfall characteristics was studied by analyzing three erosive individual rainfall ypes to provide a reference for water and soil conservation and ecological environment construction in Central Guizhou. Results: 1) Annual average rainfall capacity, annual average erosive rainfall capacity and average single erosive rainfall capacity is 913.52 mm, 493.17 mm and 26.42 mm separately.2) The erosive rainfall capacity is the most stable in May and September but the erosive rainfall capacity is the maximum in July in a year. 3) Rainfall times and rainfall capacity are Summer > Spring > Autumn> Winter. The fluctuation of rainfall capacity is small in Summer but the fluctuation of rainfall capacity is great in Spring and Autumn among different years. 4) The erosive capacity of three rainfall types is A type (heavy rainfall capacity, longer rainfall duration, high rainfall intensity and lower rainfall frequency > C type (small rainfall capacity, short rainfall duration, moderate rainfall intensity and higher frequency)> B type (moderate rainfall capacity, moderate rainfall duration, lower rainfall intensity and moderate frequency). 5) The rainfall erosion force of three rainfall types show a power function relationship with average rainfall intensity, maximum rainfall intensity in 30 min and maximum rainfall intensity in 60 min.

individual rainfall; rainfall characteristics; rainfall type; rainfall erosion force; Center Guizhou

2015-12-11； 2016-04-04修回

貴州省教育廳教改項目“貴州省喀斯特生態與環境專業學位研究生工作站”[黔教研合JYSZ字(2014)003]

譚順菊(1987-)，女，在讀碩士，研究方向：區域水土保持與環境。E-mail：897605468@qq.com

*通訊作者：高華端(1965-)，男，教授，博士，從事區域水土保持與環境研究。E-mail：399965122@qq.com

1001-3601(2016)04-0178-0133-05

S715.1

A

農業信息·農業工程·資源環境

Agricultural Information and Technology·Agricultural Engineering·Resource and Environment