三峽庫區紫色小流域侵蝕性降雨特征

付友行，廖曉勇

(1.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049)

【研究意義】降雨尤其是侵蝕性降雨是導致土壤侵蝕的原始動力之一[1]，其空間異質性和時間不均衡性對土壤侵蝕有著重要的影響，認識降雨時空分布規律，對于準確評估與預報土壤流失、合理配置水土保持措施具有重要意義。【前人研究進展】目前關于小流域侵蝕性降雨特征的研究，一是基于小流域單一雨量站點觀測數據[2-6]，二是利用小流域所在市縣氣象站觀測數據[7-9]，但上述降雨資料均不能詳實地刻畫小流域內部侵蝕性降雨特征，尤其是在支溝發育的紫色山丘區小流域。【本研究切入點】本文以三峽庫區陳家溝小流域為研究區，利用小流域內4條支溝雨量站點2016-2017年逐日雨量資料，采用K-Mean Cluster樣品聚類方法以及多種降雨特征指標，探討分析了小流域內侵蝕性降雨的類別、時空分配及變化特征。【擬解決的關鍵問題】以期為定量評價三峽庫區紫色小流域水土流失提供重要背景參數，為合理制定水土流失防治對策提供理論依據。

1 研究區概況

本文選擇三峽庫區中部的萬州區長嶺鎮陳家溝小流域為研究區，其地處川東平行嶺谷區，位于長江左岸一級支流五橋河流域內(圖1)，地理坐標30°43′30″～30°46′20″N、108°29′40″～108°31′40″E，面積8.32 km2，地勢南高北低，海拔265～846 m，地貌以低山、丘陵為主，支溝發育，出露侏羅系沙溪廟組、蓬萊鎮組紫色地層，土壤以灰棕紫泥和棕紫泥紫色土為主；氣候屬中亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫14～19 ℃，年降水量1000～1350 mm，年均日照時數1300～1600 h；地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，原生植被破壞殆盡，現有植被以次生林被和灌叢草被為主。

陳家溝小流域為中科院萬州生態站的水土保持監測試驗區，小流域內建設有完善的水土流失監測系統，在其中的楊家溝、戴家溝、黑溝嶺、喬家1號等4條支溝分別布設有雨量自動觀測站(圖1、表1)，采用自計雨量計(JDZ02-1型)自動監測小流域降雨過程。

表1 雨量觀測站概況Table 1 Overview of rainfall observation station

2 數據獲取及處理

本文所采用的數據資料為陳家溝小流域4個支溝雨量觀測站2016-2017年逐日降雨數據。資料整理中，次降雨定義為1次降雨過程中，降雨間歇時間在6 h以下或連續6 h降雨量大于1.2 mm的視為1次降雨事件[10]；侵蝕性降雨根據史冬梅等在三峽庫區的模擬降雨實驗和分析[2]，選取次降雨量不低于10 mm的降雨作為陳家溝小流域的侵蝕性降雨。

本文以侵蝕性降雨雨量、降雨歷時、最大30 min降雨強度作為變量，降雨事件作為標記，利用K-Mean Cluster聚類方法[11-12]，將2016-2017年陳家溝小流域所有侵蝕性降雨進行雨情分類，并采用侵蝕性降雨量(ER)、降雨歷時(D)、降雨次數(F)、最大30 min降雨強度(I30)、降雨侵蝕力(R)、降雨不均勻系數(c.v.)等指標來分析陳家溝小流域侵蝕性降雨特征。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Map of the locations of study area

3 結果與分析

3.1 小流域侵蝕性降雨雨情特征

從陳家溝小流域不同侵蝕性降雨雨情特征來看(表2)，第Ⅲ類雨情在各支溝出現次數最少(1～2次)，但平均降雨侵蝕力值最高，遠大于其它兩類雨情下的平均降雨侵蝕力值，這主要是由于其平均雨量、平均最大I30、降雨歷時均大于其它兩類雨情，由此可見，陳家溝小流域每年出現長歷時、高強度、大雨量的降雨次數雖少，但引起強烈土壤侵蝕的潛在能力大。第Ⅱ類雨情在各支溝出現次數最多(44～55次)，占年侵蝕性降雨總次數的75 %以上，但由于其平均雨量、平均最大I30都遠低于其他兩種雨情下的相應值，因此其平均降雨侵蝕力值卻最低，由于第Ⅱ類雨情在各支溝頻繁出現，而且集中在汛期(5-9月)，尤其容易出現短時間內連續降雨的情形，其引起嚴重水土流失的潛在能力也不容忽視。第Ⅰ類雨情的平均雨量、平均最大I30及出現次數均介于第Ⅱ類和第Ⅲ類雨情之間，由于該雨情下侵蝕性降雨出現次數是第Ⅲ類雨情下的3～12倍，平均雨量和平均最大I30超過第Ⅱ類雨情下相應值的3倍，導致該雨情下侵蝕性降雨總侵蝕力值高于其它兩類雨情。

從陳家溝小流域各支溝的侵蝕性降雨雨情特征來看(表3)，以第II類雨情出現次數最多，第I類雨情其次，第III類雨情最少。各支溝在3類雨情下的平均最大I30、平均降雨侵蝕力值各有不同，總體來看，戴家溝的平均最大I30、平均降雨侵蝕力值在3類雨情下均遠高于其他支溝的相應值，具有最大的潛在土壤侵蝕能力；黑溝嶺、楊家溝其次；喬家1號最低，說明無論從降雨量還是降雨強度指標來看，其侵蝕性降雨在陳家溝小流域內偏弱，相對來說其潛在的土壤侵蝕能力就最小。

各支溝在3類雨情下侵蝕性降雨指標的c.v.值均介于0.29～0.80，屬于中等變異，說明陳家溝小流域內侵蝕性降雨量、降雨強度以及降雨歷時的空間變異程度較大。同時可見，第II類雨情下降雨強度和降雨量比第I類雨情下的變化大，在同一雨情下降雨特征指標的變異程度均為：平均降雨歷時>平均最大I30>平均侵蝕性降雨量。

3.2 小流域侵蝕性降雨年內變化特征

從陳家溝小流域各支溝侵蝕性降雨次數在年內變化來看，呈明顯的雙峰型分布特征(圖2)，2016年峰值分別出現在5和8月，2017年則分別出現在6月和9月，5-9月侵蝕性降雨次數占到全年侵蝕性降雨次數的75 %以上。2016-2017年各支溝侵蝕性降雨出現總次數不同，其中楊家溝侵蝕性降雨出現總次數最多，為63次，戴家溝、喬家1號其次，分別為58、57次，黑溝嶺最少，為54次。

陳家溝小流域各支溝侵蝕性降雨雨量在年內分配也呈明顯的雙峰型分布特征(圖3)，2016年峰值分別出現在6和9月，2017年則分別出現在6和8月，與侵蝕性降雨次數峰值在年內出現時間不同步，這主要是由于次降雨雨強、降雨歷時不同而導致。各支溝月侵蝕性降雨量超過月平均侵蝕性降雨量的月份集中在5-9月，侵蝕性降雨量高度集中，5-9月累積侵蝕性雨量占全年侵蝕性雨量的82 %以上，其中2016年為86.86 %～92.19 %、2017年為82.42 %～89.98 %。各支溝全年侵蝕性降雨雨量以戴家溝最大(表2)，2016-2017年侵蝕性降雨雨量分別為1109.4、854.4 mm，黑溝嶺、楊家溝其次，喬家1號最少。

表2 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨事件聚類結果Table 2 K-Mean clustering results of all the erosive rainfall events of Chenjiagou basin in 2016 and 2017

注：c.v.表示各支溝在不同雨情下降雨歷時(D)、最大30 min雨強(I30)和侵蝕性雨量(ER)各自的變異系數。

圖2 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨次數年內分布Fig.2 The seasonal distributions of erosive rainfall frequencies of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

與史冬梅等在三峽庫區涪陵區開展的試驗研究結果相比較，涪陵區侵蝕性降雨次數在年內也呈現出雙峰型分布特征[2]，2個峰值分別出現在5月和9月，與本研究差異不大；但多年平均侵蝕性降雨量在年內分布呈現單峰型，峰值出現在6月，8-9月的侵蝕性降雨量低于5-7月，與本研究結果差異較大，這可能是由于三峽庫區地形復雜，地貌以山地、丘陵為主，不同地區海拔、山丘走向等地形因子有異而導致區域性降雨出現較大差異。

圖3 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨雨量年內分配Fig.3 The seasonal distributions of erosive rainfall of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

表3 2016-2017年小流域各支溝侵蝕性降雨特征Table 3 Characteristics of erosive rainfall of four small watersheds in Chenjiagou basin in 2016 and 2017

4 結 論

(1)陳家溝小流域內侵蝕性降雨主要有3類雨情。第Ⅲ類雨情下侵蝕性降雨次數少，但其平均降雨侵蝕力最大，引起強烈土壤侵蝕的潛在能力大；第Ⅱ類雨情下平均降雨侵蝕力最低，但其侵蝕性降雨次數最多，且集中在汛期，容易出現短時間內連續降雨的情形，其引起嚴重水土流失的潛在能力也不容忽視；第Ⅰ類雨情下侵蝕性降雨次數、平均雨量及平均最大及都介于第Ⅱ類雨情和第Ⅲ類雨情，但侵蝕性降雨總侵蝕力值高于其它兩類雨情。

(2)陳家溝小流域內侵蝕性降雨雨量、降雨強度以及降雨歷時的空間變異程度較大，侵蝕性降雨量在年內呈明顯的雙峰型分布，5-9月是降雨集中期，無論在量上還是強度上都處于比較高的水平，容易出現強烈的水土流失和嚴重的非點源污染，甚至引發滑坡、泥石流等地質災害，因此在該時段內必須做好氣象預測工作，水利、水土保持工程設計必須充分考慮到該時段內可能出現的次數極少的大暴雨以及連續出現暴雨的情形，應盡量避免或減少該時段在小流域內開展大規模的農田改造和開發建設項目等活動。

(3)陳家溝小流域內不同支溝侵蝕性降雨特征各異，總體上來看，侵蝕性降雨雨量、平均最大I30、平均降雨侵蝕力值具有如下趨勢：戴家溝>黑溝嶺>楊家溝>喬家1號，因此，在制定小流域水土流失防治對策時要因地制宜，充分考慮不同支溝侵蝕性降雨的差異性。