涪陵降雨侵蝕力分布及年際變化特征

涪陵降雨侵蝕力分布及年際變化特征

0日降雨侵蝕特點(diǎn)和土地水分增長(zhǎng)能力的r值簡(jiǎn)易計(jì)算模型降水侵蝕力（r）反映了降水引起土壤侵蝕的潛在能力，是國(guó)內(nèi)外最常用的土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型的usle和rasle中的六個(gè)因素之一。對(duì)降水侵蝕時(shí)間分布的研究對(duì)土壤侵蝕的評(píng)價(jià)、小流域的綜合處理和建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程具有重要的指導(dǎo)作用。R的計(jì)算可分為基于EI30的經(jīng)典計(jì)算方法和基于常規(guī)氣象資料的簡(jiǎn)易計(jì)算模型兩大類。在實(shí)際應(yīng)用中,由于降雨動(dòng)能E和30min降雨強(qiáng)度I30資料獲取難度較大,所以國(guó)內(nèi)外都傾向于根據(jù)區(qū)域性降雨侵蝕特點(diǎn),建立基于降雨量的R值簡(jiǎn)易計(jì)算模型。中國(guó)在R經(jīng)典方法的基礎(chǔ)上,根據(jù)各區(qū)域降雨侵蝕特點(diǎn),分別建立了基于日雨量、旬雨量、月雨量和年雨量的R計(jì)算簡(jiǎn)易模型,并在實(shí)踐中獲得好的應(yīng)用;在這些模型中,從資料獲得容易度和預(yù)測(cè)精度兩方面看,基于日雨量資料計(jì)算和評(píng)價(jià)降雨侵蝕力的模型應(yīng)用最為廣泛。涪陵區(qū)中度以上敏感面積占土地總面積的43.99%,而輕度敏感面積高達(dá)54.67%,屬重慶市土壤侵蝕敏感地區(qū),同時(shí)該區(qū)也是重慶市退耕還林條件較好地區(qū)。本文采用以紫色丘陵區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)、涪陵區(qū)2003年徑流小區(qū)觀測(cè)資料為基礎(chǔ)、基于日雨量資料建立的包括月雨量資料和年雨量資料的降雨侵蝕力的3種計(jì)算方法,對(duì)該地區(qū)降雨侵蝕力的年際變化和季節(jié)分布特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,對(duì)降雨侵蝕力季節(jié)分布進(jìn)行分期,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐乇砀采w特點(diǎn),分析了各期土壤侵蝕危險(xiǎn)性和特點(diǎn),以期為該地區(qū)流域綜合治理及開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕防治提供理論依據(jù)。1土壤侵蝕因素涪陵區(qū)地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,多年平均降雨量1090.6mm,區(qū)內(nèi)地貌類型以山地丘陵為主,土壤類型主要為遂寧組、沙溪廟組發(fā)育的紫色土。由于區(qū)內(nèi)山地多、坡度大、耕地資源矛盾突出,由于降水季節(jié)分配不均,導(dǎo)致區(qū)內(nèi)土壤侵蝕較為強(qiáng)烈;水力侵蝕是該地區(qū)度大,受水土流失危害最嚴(yán)重的是坡耕地,約占水土流失面積68.4%。嚴(yán)重的水土流失不僅降低土壤肥力,制的主要水土流失形式,降雨是土壤侵蝕主要?jiǎng)恿?。南沱?zhèn)多年降雨量1100mm,降雨相對(duì)集中在5~10月,強(qiáng)約土地生產(chǎn)力,并且淤塞農(nóng)田及水利設(shè)施,削弱土壤植被的調(diào)節(jié)功能,加大干旱和洪澇災(zāi)害的破壞作用。因此2002年在南沱鎮(zhèn)建立以多種坡耕地種植模式為主的野外徑流小區(qū)(表1),2003年雨季開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè)。2學(xué)習(xí)方法2.1侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)在利用日雨量資料進(jìn)行降雨侵蝕力計(jì)算時(shí),首先需要確定侵蝕性降雨,侵蝕性降雨指那些產(chǎn)生地表徑流并引起真正土壤流失現(xiàn)象的降雨,侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)有降雨量和降雨強(qiáng)度兩種方法,在R計(jì)算時(shí),多采用降雨量標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)研究成果表明:國(guó)外侵蝕性降雨多取日雨量≥12.7mm,在中國(guó)由于研究區(qū)域不同,侵蝕性降雨有日雨量≥9.2mm、≥9.8mm、≥10mm、≥12mm、≥12.3mm、≥12.7mm、≥13mm多個(gè)標(biāo)準(zhǔn);中國(guó)普遍采用的侵蝕性降雨為≥10mm。綜合以上分析以及人工模擬降雨侵蝕資料和野外天然降雨侵蝕資料,在該地區(qū)降雨侵蝕力計(jì)算時(shí),侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)采用日雨量≥10mm。本文所用降雨侵蝕力計(jì)算公式是在對(duì)紫色丘陵區(qū)R指標(biāo)最佳組合參數(shù)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)野外人工模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)和涪陵區(qū)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)資料的綜合分析,結(jié)合涪陵區(qū)1952~2001年的逐日降雨資料,通過(guò)相關(guān)分析和回歸分析建立的R值簡(jiǎn)易模型。根據(jù)模型基本數(shù)據(jù)來(lái)源的不同,年降雨侵蝕力R值可分別采用以下3個(gè)公式計(jì)算:式中R日——日降雨侵蝕力,J·mm·m-2·min-1;P日——日降雨量,mm,P日≥10mm。式中R年——年降雨侵蝕力,MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;,其中Pi——第i月的降雨量,mm;P年——年降雨量,mm。利用涪陵區(qū)1952~2001年49a的逐日降雨資料,然后代入公式(1)就可以求得日≥10mm降雨的侵蝕力大小,累積每日降雨侵蝕力可求得每月降雨侵蝕力,再累積每月侵蝕力便可以求得49a逐年年降雨侵蝕力R;也可選用逐年月雨量資料和逐年年雨量資料,利用式(2)、(3)計(jì)算年降雨侵蝕力,3個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)。2.2降雨容量降雨、徑流和泥沙觀測(cè)主要通過(guò)野外徑流小區(qū)進(jìn)行。降雨過(guò)程用ST型虹吸式雨量計(jì)并輔以雨量筒測(cè)定,選用SW40型日自記水位計(jì)記錄水位過(guò)程和徑流歷時(shí),結(jié)合三角堰流量查算表計(jì)算逐次降雨的徑流量,采用烘干稱重法測(cè)定徑流含沙量,然后根據(jù)徑流量的測(cè)定結(jié)果計(jì)算次降雨的泥沙流失量。3結(jié)果與分析3.1降雨次數(shù)分析降雨年內(nèi)分布對(duì)水土流失影響很大,對(duì)涪陵區(qū)1952~2001年逐日降雨資料分析統(tǒng)計(jì)(表2)發(fā)現(xiàn)涪陵區(qū)降雨具有熱帶降雨特點(diǎn),多年平均降雨量年內(nèi)分布呈現(xiàn)出單峰式分布型,降雨量主要集中在4~10月份,該時(shí)段雨量可達(dá)930.8mm,占年降雨量的85.36%。從降雨次數(shù)分布情況看,各月降雨次數(shù)差異不是很顯著,具有亞熱帶降雨的特點(diǎn);年內(nèi)降雨次數(shù)呈現(xiàn)出雙峰式分布型,最大次數(shù)出現(xiàn)在5月,多年平均降雨次數(shù)16.9次,最小次數(shù)出現(xiàn)在2月,多年平均降雨次數(shù)9.0次,4~10月份降雨次數(shù)可占年降雨次數(shù)的64.71%。選用最大年降雨量/多年年均降雨量和最大年降雨量/最小年降雨量?jī)蓚€(gè)比值參數(shù)來(lái)反映該地區(qū)降雨量的年際變化(表3),發(fā)現(xiàn)涪陵區(qū)降雨量年際變化很大,最大年降雨量為平均年降雨量的1.5倍,而最大年降雨量為最小年降雨量的2.0倍。對(duì)各月份的年際變化進(jìn)行分析可見(jiàn),最大月降雨量/平均月降雨量的比值參數(shù)變異不是很顯著,比值最大值為3.4(8月),最小值為1.8(5、6月);而最大月降雨量/最小月降雨量的比值參數(shù)變化在1~12月間的變異非常顯著,最大值為77.1(3月),最小值為4.0(9月);從比值在各月份的分布情況來(lái)看,1月、2月、8月和11月的年際變化最大,比值都大于30;而其余各月的年際變化則相對(duì)要小,比值均小于18。3.2降雨時(shí)和降雨次數(shù)分析,侵蝕性降雨在季節(jié)內(nèi)仍采用本文的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涪陵區(qū)49a逐日降雨資料進(jìn)行了篩選,將≥10mm的日降雨量列入侵蝕力計(jì)算,而將小于10mm的日降雨資料剔除掉了,該地區(qū)侵蝕性降雨的次數(shù)與降雨量的年內(nèi)分布見(jiàn)圖1。從降雨次數(shù)看,侵蝕性降雨集中出現(xiàn)在4~10月份,占年總侵蝕性降雨次數(shù)的87.83%;從侵蝕性降雨量看,侵蝕性降雨量同樣也集中在4~10月份,可占年總侵蝕性降雨的92.27%,而在4~10月中,侵蝕性降雨在當(dāng)月降雨量中所占的比例也都超過(guò)了50%,最大為84.60%,最小為52.17%。對(duì)侵蝕性降雨的降雨次數(shù)、降雨量與年總降雨次數(shù)和降雨量比較可知,年侵蝕性降雨次數(shù)僅僅為年總降雨次數(shù)的21.7%,而降雨量卻達(dá)到了年總降雨量72.44%。這說(shuō)明一年中在該地區(qū)土壤侵蝕是由那些很少次數(shù)發(fā)生的、降雨量和降雨強(qiáng)度卻較大的降雨所產(chǎn)生的。3.3降雨、侵蝕力、年際變化通過(guò)對(duì)該地區(qū)降雨侵蝕力年內(nèi)分布(表4)綜合分析可見(jiàn),降雨侵蝕力季節(jié)分布呈單峰型,集中分布在4~10月,可占年R值的94.06%;結(jié)合年內(nèi)地表覆蓋的季節(jié)性變化和開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目活動(dòng)特點(diǎn),對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行分期,并討論了各個(gè)時(shí)期內(nèi)土壤侵蝕特點(diǎn)和土壤侵蝕危險(xiǎn)性大小。該地區(qū)在一年內(nèi)降雨侵蝕力可分為4個(gè)不同的時(shí)期,即高值期、中值期、低值期和無(wú)侵蝕期。高值期集中在5、6、7三個(gè)月,峰值出現(xiàn)在6月,該月降雨侵蝕力可占年降雨侵蝕力的18.78%;其中5~7月累計(jì)百分比為54.52%,單月分布值均超過(guò)17%。在該時(shí)期不同坡耕地利用方式下由于地表覆蓋不同會(huì)產(chǎn)生差異明顯的減水減沙現(xiàn)象,即不同土地利用的水土保持效應(yīng)差異很大,因此各種坡地利用模式的選擇在兼顧經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),尤其應(yīng)注意在該時(shí)期內(nèi)地表覆蓋度和地下根系發(fā)育水平的狀況;各類開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目如果沒(méi)有布置臨時(shí)性水土保持措施,不僅在實(shí)施地點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重的水土流失而且還會(huì)發(fā)生誘發(fā)性崩塌、滑坡和泥石流,對(duì)周邊地區(qū)水土資源造成巨大破壞。中值期主要為8月和9月,以8月較高,多年平均降雨侵蝕力為463.05MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,可達(dá)年降雨侵蝕力的12.97%,兩月累計(jì)百分比可達(dá)23.56%。雖然在該地區(qū)有明顯的伏旱現(xiàn)象,但侵蝕性降雨日數(shù)和侵蝕性降雨量比例僅略低于前一時(shí)期,因此水土流失流失的危險(xiǎn)性也較大。低值期為每年4月和10月,累計(jì)百分比為15.98%。由于這兩個(gè)月是坡耕地麥玉苕和豌豆花生種植模式的種植初期和收獲期,地表覆蓋度都不高,在侵蝕性降雨的作用下,也降會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。無(wú)侵蝕期主要集中在當(dāng)年11月至次年3月間,由于該時(shí)期降雨基本不產(chǎn)流,不發(fā)生土壤侵蝕;因此是當(dāng)?shù)剡M(jìn)行基本農(nóng)田建設(shè)、流域治理的坡改梯工程和坡面水系整治工程的施工期,也是各類開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目基礎(chǔ)開(kāi)挖和棄土棄渣堆放的重要施工期;但應(yīng)注意在次年雨季開(kāi)始前地表覆蓋度不高的坡耕地和裸露開(kāi)挖面及棄土棄渣堆放地的水土保持措施布置和完善。對(duì)比圖1和表4可發(fā)現(xiàn),R季節(jié)變化與降雨量和侵蝕性降雨季節(jié)變化總體趨勢(shì)一致,都表現(xiàn)為單峰型;但R的年內(nèi)變化程度明顯大于降雨量的變化程度,5~9月降雨侵蝕力和侵蝕性降雨的季節(jié)分布比例均大于降雨量季節(jié)分布,而1~4月和10~12月則恰好相反,這種不一致性是由不同時(shí)期降雨特性因素決定的;1~4月和10~12月降雨量累計(jì)百分比雖然較大,但侵蝕性降雨的次數(shù)相對(duì)較少,而5~9月則多為暴雨。在高值期降雨侵蝕力季節(jié)分布比例均高于同期降雨量和侵蝕性降雨季節(jié)分布比例,說(shuō)明降雨量和侵蝕性降雨的小變化即可引起降雨侵蝕力的很大變化,增大當(dāng)?shù)厮η治g發(fā)生的危險(xiǎn)性。由表4和圖2可見(jiàn),研究區(qū)R年際變化與降雨量和侵蝕性降雨年際變化趨勢(shì)是一致的,年降雨量和年侵蝕性降雨量大,則對(duì)應(yīng)的年降雨侵蝕力也比較大,但是年降雨侵蝕力R年際差異要明顯大于降雨量和侵蝕性降雨的年際變化。涪陵區(qū)多年平均降雨侵蝕力年R值為3571.07MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,年際變化幅度很大,最高年(1998年)R值可達(dá)4039.07MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,最低年(2001年)R值僅有1193.76MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,最大年為最小年的3.38倍,年際差異非常顯著。由于不同年份R值變異很大,因此在土壤流失量監(jiān)測(cè)中宜用當(dāng)年的R值;而在土壤流失量預(yù)報(bào)時(shí),則應(yīng)選用R的多年平均值,才能使預(yù)報(bào)結(jié)果在未來(lái)年代出現(xiàn)的概率最大;此外在評(píng)價(jià)不同地區(qū)R差異時(shí),從發(fā)生概率來(lái)看也應(yīng)選用其多年平均值。坡耕地和開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)是造成當(dāng)?shù)厮亮魇С潭燃觿〉膬纱箢惾藶榛顒?dòng),降雨侵蝕力時(shí)間變化與地表狀況的配合可對(duì)實(shí)際土壤侵蝕發(fā)生與否產(chǎn)生較大影響。從以上的綜合分析可見(jiàn),在該地區(qū)5、6、7月降雨量在147.4mm和176.0mm范圍內(nèi)變化,4月、8、9、10月降雨量在101.9mm和115.7mm范圍變化,年降雨量大于1090.6mm的年份,是當(dāng)?shù)厮亮魇O易發(fā)生的侵蝕敏感期。因此該地區(qū)小流域綜合治理中應(yīng)充分重視每年5、6、7三個(gè)月內(nèi)坡耕地覆蓋情況,同時(shí)也應(yīng)關(guān)注降雨侵蝕力中值分布的8月和9月;在兼顧糧食安全和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),尤其應(yīng)注意選擇那些在侵蝕性降雨分布較高時(shí)期時(shí)具有較大的地表覆蓋度和根系固土能力的果草模式。由于三峽水庫(kù)建設(shè),在涪陵區(qū)面臨著大量的城鎮(zhèn)建設(shè)和道路建設(shè)等項(xiàng)目,這些開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目是流域內(nèi)特殊的人為加速侵蝕類型,對(duì)流域的水文循環(huán)、產(chǎn)流產(chǎn)沙都產(chǎn)生巨大影響;在建設(shè)過(guò)程中應(yīng)采取主動(dòng)避讓的原則,大型的地基開(kāi)挖、邊坡開(kāi)挖和取土、棄土棄渣堆放活動(dòng)應(yīng)盡力避開(kāi)降雨侵蝕力大的5、6、7月和降雨侵蝕力次大的8月、9月;在雨季開(kāi)始前應(yīng)注意裸露開(kāi)挖面及棄土棄渣堆放地的水土保持措施布置和完善,以最大程度地減少人為水土流失。3.4不同種植模式對(duì)降雨特性的影響降雨侵蝕力年內(nèi)分配與地表植被覆蓋季節(jié)變化的配合狀況對(duì)土壤侵蝕有較大影響,表5、表6是涪陵區(qū)降雨侵蝕力高值分布的6~7月的南沱鎮(zhèn)野外徑流小區(qū)觀測(cè)資料,分別代表降雨侵蝕力高值期和時(shí)期內(nèi)次典型降雨條件下的不同地表狀況的產(chǎn)流產(chǎn)沙特點(diǎn)。在此觀測(cè)期降雨量256.8mm,該時(shí)期為當(dāng)?shù)仄赂貍鹘y(tǒng)種植模式的玉米生長(zhǎng)末期,甘薯覆蓋不完全,存在一定裸露地表,土壤流失現(xiàn)象嚴(yán)重,如4小區(qū)玉米傳統(tǒng)順坡耕作的時(shí)段侵蝕強(qiáng)度高達(dá)9373.80t/km2,為荒草地和兩種果草模式的7.29倍、118.71倍和8.11倍;豆科植物作為果園間作草本在防治侵蝕和改良土壤要優(yōu)于禾本科植物;而采取橫坡耕作方式,由于地表徑流的阻礙和入滲作用增強(qiáng),土壤流失量?jī)H為傳統(tǒng)耕作模式的1/11;當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)林木桑樹(shù)的水土保持效應(yīng)也是很顯著的?？梢?jiàn),在該地區(qū)流域綜合治理中,即使在降雨侵蝕力強(qiáng)度最大、分布最集中的6、7月間,“適當(dāng)增加入滲、減少?gòu)搅餍纬傻钠赂胤N植”和“多年生結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(地上、地下)林草植被”是小流域綜合治理的關(guān)鍵性措施,可有效地減少坡面和流域土壤流失量。對(duì)該時(shí)期次降雨條件下幾種種植模式的分析(表6)可見(jiàn),同一種植模式在不同雨量雨強(qiáng)作用下土壤侵蝕強(qiáng)度不同,以兩種果草間作模式對(duì)降雨特性的響應(yīng)最大;在同一雨量雨強(qiáng)條件下,即使草本層覆被率接近,但果草模式的土壤流失量?jī)H為荒草地的1/3~1/4。因此在該地區(qū)及條件類似地區(qū)應(yīng)大力推廣具有地下、地上復(fù)層結(jié)構(gòu)的果草種植模式或果豆種植模式。從表5、表6也可以看出,如果在該時(shí)期地表裸露或存在松散的棄土棄渣,則將發(fā)生強(qiáng)烈的土壤侵蝕現(xiàn)象;所以該時(shí)期應(yīng)注意坡耕地的地表覆蓋情況,同時(shí)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)避免大規(guī)模的開(kāi)挖和堆積活動(dòng)并采取有效的臨時(shí)性防護(hù)措施。4降雨侵蝕力季節(jié)分布1)涪陵區(qū)多年平均年降雨侵蝕力為3571.07MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,年際差異非常顯著,最高年R值可達(dá)4039.07MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,最低年R值