天水市羅玉溝流域降雨量和降雨侵蝕力變化特征研究

王 滿，白 娜

[黃河水土保持天水治理監督局(黃河水利委員會 天水水土保持科學試驗站)，甘肅 天水 741000]

1 概 況

1.1 針對降雨侵蝕力的研究概況

降水資源是我國最重要的自然資源之一，降水是直接引起土壤侵蝕危害的主要環境動力因素。隨著我國對生態安全和農業資源領域愈發重視，如何采取有效措施防范及治理土壤侵蝕已成為當下亟待探索解決的問題[1]。降雨侵蝕力(Rainfall Erosivity)是自然降雨引起土壤發生侵蝕變化的潛在能力，是土壤流失方程中的一個重要基本計算因子[2-3]。降雨侵蝕力大小也直接反映了降雨對土壤侵蝕效應的綜合影響程度，是對土壤侵蝕效應規律進一步分析挖掘和理論預測，并進行利用的基礎。

自Wischmeier首次提出以次降雨總動能E與30 min最大雨強I30的乘積EI30作為降雨的侵蝕力指標[4]，并應用于通用土壤流失方程USLE以來，針對降雨侵蝕力特性的理論研究也越來越受到研究者的重視，我國不少學者也對降雨侵蝕力進行了廣泛而深入的研究。目前，由于我國許多地區的實際降雨過程資料難以獲取[5-6]，而降雨統計資料較為容易獲取，于是很多學者根據研究區氣象站點所提供的年、月、日降雨資料建立了不同的簡易模型。常用的降雨侵蝕力算法通常基于小時、日、月、年等尺度的代表性雨量資料，相對年、月尺度，基于日降雨量估算的侵蝕力精度更高，且信息更容易被直接地獲取，故而應用更廣泛[7-8]。

1.2 羅玉溝概況

甘肅省天水市羅玉溝地處天水市北郊，是渭河支流藉河左岸的一級支流。羅玉溝發源于麥積區新陽鎮境內的鳳凰山南麓，自西向東流經秦州區東關注入藉河，流域呈狹長形，溝系分布呈羽狀，主溝長21.81 km，流域面積72.79 km2，有大小支毛溝193條。地勢西北高東南低，海拔在1 165～1 895.6 m之間，相對高差730.6 m，平均海拔1 537 m，平均比降3.35%。位于黃土丘陵溝壑區第三副區，按其自然特征可劃分三個類型區，即黃土區、雜土區及土石山區。多年平均降雨量531 mm，土壤侵蝕模數7 500 t/(km2·a)。

本研究基于羅玉溝流域內17個雨量站的降雨數據，分析研究該流域的降雨量、侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力的變化規律，為管理部門對流域水土流失風險評估和防治等提供可靠有效的參考依據。

2 數據來源和計算方法

2.1 數據來源

本研究主要數據來源是2016—2020年天水市羅玉溝流域內的17個自記雨量站，選取每個雨量站的降雨量數據，經整理歸納后，用于進行降雨侵蝕力的計算。雨量站原始數據文件經過較嚴格的質量控制和檢查，有效且可靠。其中廖家陷雨量站于2018年底被裁撤。羅玉溝流域雨量站信息見表1。

表1 雨量觀測站點信息

2.2 計算方法

采用修正后的土壤流失模型(RUSLE)中降雨侵蝕力的估算方法，使用羅玉溝流域雨量站收集并計算出來的日降雨資料，按照每半月為一個基本單位，分別計算具有侵蝕能力的雨日資料，進而計算出月、年時間尺度的降雨侵蝕力值。

降雨侵蝕力的計算，先要確定侵蝕性降雨數值。從產生土壤侵蝕結果的角度來講，侵蝕性降雨可以定義為在引起土壤流失的最小降雨強度以上強度范圍內的降雨。因此，這里在計算降雨侵蝕力值時，以每24 h雨量是否大于等于12.7 mm作為侵蝕性降雨的界定標準。而直接利用日降雨資料進行降雨侵蝕力估算是目前認為準確度較高的一種估算方法。采用日降雨量數據計算半月時段降雨侵蝕力值[9]的公式為

(1)

式中：M為半月時段的降雨侵蝕力值，MJ·mm/(hm2·h)；k為半月時段內日降雨量大于等于12.7 mm的累計天數；Pj為半月時段內第j天的侵蝕性日雨量值，要求日雨量大于等于12.7 mm，否則不參加計算[10]；α、β為模型參數，α=0.183，β=1.84。

半月時段的劃分以每月第15日為界限，每月的第1—15日為該月上半個月時段，第16日到當月最后一日作為該月下半個月時段，把全年劃分為24個時段，剔除掉無雨日和日雨量值小于12.7 mm的天數，根據公式(1)計算逐年內每個半月降雨侵蝕力，得到羅玉溝流域雨量站共計166個降雨侵蝕力值的序列，經累加后得到年降雨侵蝕力，最終計算出年平均降雨侵蝕力值。

3 結果與分析

3.1 流域降雨侵蝕力分析

羅玉溝流域降雨量與降雨侵蝕力關系曲線見圖1。由圖1可知，羅玉溝的平均降雨侵蝕力與降雨量呈顯著正相關性，決定系數R2=0.852 1。該結論與艾明樂等[7]的研究結論一致，說明隨著降雨量增大，降雨侵蝕力也逐漸增大。

圖1 降雨量與降雨侵蝕力關系曲線

3.2 流域降雨侵蝕力年內變化分析

羅玉溝流域各雨量站的年內降雨量和降雨侵蝕力分布不均(圖2、圖3)。由圖2看出，羅玉溝的降雨量主要集中在夏季，年內分布不均勻，8月出現峰值，為114.59 mm，占全年降雨量的17.5%；由圖3看出，羅玉溝流域及各雨量站點的降雨侵蝕力年內分布不均，全年內1—3月和11—12月兩個時間段內降雨侵蝕力較低，最低的降雨侵蝕力為0，降雨侵蝕力在4—5月份開始明顯上升，8月出現峰值，8月后降雨侵蝕力逐漸下降，8月是峰值拐點，降雨侵蝕力為340.2 MJ·mm/(hm2·h)，占全年降雨侵蝕力的28.6%；降雨侵蝕力主要集中在夏季，6—8月降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的67.7%。

圖2 羅玉溝各雨量站年內降雨量

圖3 羅玉溝各雨量站年內降雨侵蝕力

3.3 流域降雨侵蝕力年際變化分析

羅玉溝流域年際降雨量和降雨侵蝕力關系如圖4所示，年際降雨量和侵蝕性雨量關系如圖5所示。

圖4 年際降雨量和降雨侵蝕力關系

圖5 年際降雨量和侵蝕性雨量關系

羅玉溝流域侵蝕性雨量占總降雨量的比例總體呈上升趨勢，且降雨量、侵蝕性雨量和降雨侵蝕力總體呈逐年波動上升趨勢，三者之間保持一定的相關性。

侵蝕性雨量年內分布與年降雨量的年內分布表現出明顯的正相關，與侵蝕性降雨所伴隨的降雨侵蝕力也表現出明顯的相關關系，2016—2020年，各年侵蝕性雨量占當年降雨量的比例分別為41.3%、53.2%、62.1%、52.3%、66.8%，流域年均降雨量和降雨侵蝕力分別653.92 mm和1 191.15 MJ·mm/(hm2·h)。

4 結 論

(1)羅玉溝流域降雨量與降雨侵蝕力呈顯著正相關性，決定系數R2=0.852 1。

(2)羅玉溝流域及各雨量站點的降雨侵蝕力和降雨量，兩者變化呈現同步性。羅玉溝流域的降雨量主要集中在夏季，8月出現峰值，為114.59 mm，占全年降雨量的17.5%；降雨侵蝕力年內分布不均，8月是峰值拐點，降雨侵蝕力為340.2 MJ·mm/(hm2·h)，占全年降雨侵蝕力的28.6%。

(3)流域侵蝕性降雨量占年降雨量的比例總體呈上升趨勢，且降雨量、侵蝕性雨量和降雨侵蝕力總體呈逐年波動上升趨勢，三者之間保持一定的相關性。幾乎可以說“凡有大降雨，均可能發生土壤侵蝕”。同時隨降雨量增大，降雨侵蝕力也增大。侵蝕性雨量年內分布與降雨量的年內分布表現出明顯的正相關。