南洞流域降雨侵蚀特征分析——以驻马哨洼地为例

刘 鹏　胡宝清　黄艳霞

南洞流域降雨侵蚀特征分析——以驻马哨洼地为例

刘 鹏1胡宝清1黄艳霞2

（1.广西师范学院地理科学与规划学院/北部湾环境与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；2.广西师范学院外国语学院，广西 南宁 530001）

收集分析驻马哨洼地降雨侵蚀特征，可以为南洞地下河流域下游段岩溶洼地制定土地利用和防治土壤退化提出理论基础。文章中研究基于经典统计学和降雨侵蚀力的经典计算方法，分析了驻马哨洼地在数据周期各个月降雨情况，以及计算出数据周期内降雨侵蚀力：7月、8月、10月为驻马哨洼地雨季，雨量多、雨强大；1月、2月、3月为驻马哨洼地旱季，雨量少、雨强小；明显的干湿月份，加强了雨水对土壤的侵蚀力度。以次降雨9.2mm为侵蚀性降雨标准，数据周期内共得到14场侵蚀性降雨，占总场次17.7%，总雨量65.1%。驻马哨洼地2015年7月16日到2016年3月15日的降雨侵蚀力为1514.62 MJ.mm/（hm2.h）。

降雨特征；经典统计学；侵蚀性降雨；降雨侵蚀力

我国是世界喀斯特面积最大的国家，总共344万平方千米，其中裸露型喀斯特超过90万平方千米［1］，西南岩溶区裸露型喀斯特面积约为50万平方千米，人口逾1亿，地质构造特殊，生态环境脆弱，人地矛盾尤为突出［2］。南洞流域源于开远、蒙自以东的第三纪抬升山地上［3］，岩溶作用强烈，峰丛洼地和溶丘洼地极为发育，土壤侵蚀严重，石漠化治理面临诸多难题［4］。

侵蚀性降雨指能引起土壤侵蚀的雨量临界值，不同地区的侵蚀性降雨的划分标准不同。谢云对我国侵蚀性降雨进行了研究，建立了黄土高原侵蚀性降雨标准［5］，马良分析了赣北红壤坡地侵蚀性降雨的特征［6］，李林育对紫色丘陵地区侵蚀性降雨进行了分析［7］。可以说，我国侵蚀性降雨的研究覆盖面广，研究力度很大，侵蚀性降雨的研究对水土流失的计算尤为重要。

降雨的侵蚀力为降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是一项客观评价降雨所引起土壤搬运和分离的动力指标。降雨侵蚀力通常有标准算法和经验算法。标准算法为降雨的动能和一段时间最大雨强的乘积，北方地区通常用EI10、EI30计算，南方一般用EI60计算［8］，由于此方法需要计算雨滴的直径计算与统计瞬时最大雨强，数据不易获得，本文采用经验算法。

1　研究区概况

南洞地下河流域是我国南方流域面积大于1000km2和年最枯水期流量大于1*108m3的四个超大型地下河系统之一，属于珠江水系南盘江二级支流。流域位于103°11′～103°44′E， 23°15′～23°44′N，流域面积1640.8Km2，地下河出流长约75km，流经蒙自、草坝、大庄盆地，整个流域出口位于开远市境内的南洞台，出口标高1067m，距离开远市8km［9-10］。流域东邻文山州，南接中越边境的河口县，西部为红河州建水县，北边距昆明约为300 km，北回归线从中穿过（图1）。公路有323国道及铁路昆河（昆明至河口）线及蒙宝线（蒙自至石屏县宝秀镇）通过流域境内，县际之间交通便利。流域范围可分为上游高原区，中游盆地区，下游丘陵区，气候类型为低纬度亚热带季风气候，受地形地貌影响，区域具有高原立体气候的特征，年均气温变化范围在11.5～18.6℃，平均约16.0℃，年均降水变化范围在730mm～1070mm之间，平均约904mm［11-13］。

从2010年开始，云南受到了连续四年的干旱，蒙自、个旧、开远地区遭到了巨大的经济损失， 2012年光是甘蔗作物就减产了四分之三，经济损失逾亿元。连续的干旱缺水给流域区内经济社会发展造成极大的困难。流域区的水资源问题成为了当地生态-社会-经济复合系统中关键的环节。

驻马哨洼地位于南洞东南方位8KM 处，为三叠系中统个旧组第二段地层，以白云质灰岩为主。村旁有一洼地，汇水于附近落水洞后进入南洞南支流，出露于南洞口。

图1　研究区位图

2　研究方法

2.1降雨数据采集方法

自计雨量计是收集降水的专用器具，用来测定以毫米为单位的降水量。本研究采用的自计雨量计，雨量计成圆筒状上部呈漏斗状，收集雨水，下部内部为一个“跷跷板”式的双勺子结构，当降雨在其中一个勺子出装满水时，自动下压打在勺子底部的感应器上，则感应器记录一个事件，另外一端勺子盛满水时，同样也打在另外端的感应器，则为另一个事件。每个事件记录的雨量为0.2mm，一场降雨的降雨量为0.2n（n为该场降雨触发的事件个数）。

2.2降雨数据分析方法

利用SPSS18软件对自计雨量筒数据进行分析，得到驻马哨洼地各月总雨量、有雨日均降雨量、降雨历时、平均降雨强度、降雨场次、场均雨量大小，进行对比分析。描述数据周期雨量特征，各月雨量比较、雨强比较、雨历时比较，利用EXCEL做出折线图。

降雨侵蚀力计算以章文波等人［14］的经验公式：

式中：Ri=为半月时段内的侵蚀力值［MJmm*（hm2.h）-1］；α、β为模型的待定参数；Pj为半月时段内第j次侵蚀性降雨量，要求次降雨量大于9.2mm；k为半月侵蚀性降雨次数。

文章采用章文波等人对全国71个站点数据中昆明站的数据为参照，α值为0.889，β值为0.8363，该组参数中，相对误差系数为0.005，数据利用较为可靠。式中每个半月Ri值相加即为该时段内降雨侵蚀力。最终计算出从7月下半月到3月上半月降雨侵蚀力

3　降雨特征对水土流失影响

降雨强度：降雨强度增大，对地面击溅的能力越大，物理破坏土体结构，使土体脱离坡面，形成松散结构，在重力作用下向下流失；当遇到高强度降雨的时候，径流流速增大，孔隙中的水对土壤颗粒的上浮力以及侧向压力变大，极易将土层冲散，同时携带走大量土壤，形成面蚀甚至沟蚀，使水土流失愈加严重。高学田等人［15］研究得出，溅蚀量Y与侵蚀强度I之间具有：Y=a+bI的线性关系。

降雨历时：在溅蚀的过程中，坡面土壤的条件不断的发生变化，因而对溅蚀量的影响也不断的变化。降雨侵蚀的初期，坡面上具有大量的松散颗粒，颗粒之间缺乏粘结力，溅蚀力最大；随着降雨的进行，坡面土壤颗粒吸收了水分，使得土壤颗粒之间粘结力变大，在雨滴击打作用下，坡面土壤表层紧实度增加，并形成表层积水，抑制溅蚀发生，从而减弱了降雨的溅蚀能力，因此，溅蚀率是随着降雨的发生而逐步减小的。而溅蚀总量最随着降雨的进行，初期增长迅速，中期则缓慢增加，后期增长微弱。历时短，强度大，次数多的降雨对水土流失的侵蚀尤为严重。

降雨次数：土壤溅蚀率随着降雨进行逐步减小，土壤溅蚀总量随着降雨的进行逐渐增加，且增加幅度减小，而降雨强度大，则溅蚀量是线性增加的，因此，降雨次数在和降雨强度、降雨历时、降雨能量的综合作用下才起作用。一般来说，对于相同的降雨量，次数越多（能达到土壤扰动的次数），则对水土流失的影响越大。

降雨能量：降雨的能量即为降雨到达土壤坡面时的能量大小，蔡国强，周佩华等人研究表明，降雨动能与溅蚀量之间具有相对较好的指数相关关系。一般来说，降雨的能量越强，则对土体的扰动也越大，对土体进行物理冲击，分散土壤颗粒，当降雨在坡面土壤表面形成一层水层覆盖时，较大动能的雨滴仍然能击穿水层，扰动水层之下的土壤颗粒。

4　数据分析

4.1降雨特征分析

表1　驻马哨洼地降雨特征

利用自计雨量计获取了驻马哨地区2015年7月16日到2016年3月15日降雨数据（表1）。在自动雨量计记录的8个月时间中，驻马哨洼地的总雨量为369.2mm，雨量主要分布于7月下半月、8月、10月，占总雨量的50.3%，而3月上半月雨量为0mm。有雨日次数为85次，约占总共取样日数的三分之一，而平均每日降雨量为4.34mm，其中他7月份有雨日日均超过10mm，8月、10月日均分别为6.16mm、6.22mm。在降雨时长方面，7月下半月为36个小时，8月和10月分别为98.6小时、80.8小时。以上数据可以看出，7月下半月、8月、10月总雨量大，降雨历时久，日均降雨大，为驻马哨相对雨季，而自2016年以来两个半月时间，降雨量仅为38.6mm，降雨时长69小时，有雨日日均降雨最大月仅为2.51mm，为驻马哨洼地的相对旱季。

7月下半月、8月、10月平均每小时降雨量分别为1.98mm/h、1.41mm/h、1.02mm/h，高于整个数据周期的0.98mm/h，降雨强度较大，因7月份数据不完全，7月应是驻马哨全年降雨量的其中一个峰值，降雨量大，强度大，对土壤的侵蚀破坏力强；而1月、2月、3月上半月平均每小时降雨量仅为0.58mm/h、0.53mm/h、0mm/h，1月、2月、3月降雨量、降雨强度、都是逐步下降的趋势，这个时期，土壤干旱，颗粒间距逐渐增大，待雨季到来，将会增大降雨对土壤的侵蚀力度。明显的干季雨季，使驻马哨洼地更易于被雨水侵蚀。

在一次降雨的过程中，降雨自计器所记录降雨间隔的时间在6个小时以上，则看做两次降雨。整个数据周期，共有79场降雨，其中10月3日的一次降雨量为28.2mm，该场降雨仅历时2个小时，平均每小时达到了14.1mm/h。而10月9日一场降雨下了22个小时，总雨量为18.6mm，一场跨越了12月3日～12月5日的降雨下了29个小时，总雨量为21.2mm，这两次降雨平均每小时雨量都不足1mm，属于绵绵型。7月份下半月，每次降雨均时长仅2.57小时，而降雨均雨量达到了5.1mm，月其他月份区别较明显，为整个数据周期的峰值。

图2　降雨雨量、历时、雨强分月图

4.2降雨侵蚀力分析

并不是所有降雨都能导致土壤侵蚀，某场降雨能到达引起土壤侵蚀才能被称作侵蚀性降雨。1978年USLE第二版中第一次提到了侵蚀性降雨标准，而1999年的RUSLE中进行了详细的划分和调整，认为一次侵蚀性降雨量应该大于12.7mm、降雨时间在15min以上。

南洞流域降雨主要以短阵型降雨为主，大部分降雨集中在几十分钟内，往往形成高强度、短历时总雨量并不十分大的降雨。因此本文侵蚀性降雨，采用扬子生等人［16］对云南坡耕地侵蚀性降雨计算结果9.2mm为标准，自计雨量计在降雨数据周期中，共记录侵蚀性降雨14场，总降雨量为240.2mm，占数据周期降雨次数的17.7%，总雨量的65.1%。

图3　降雨侵蚀力月份分布

通过经验公式计算得到驻马哨洼地各半月降雨侵蚀力如图3，2015年7月16日到2016年3月15日的降雨侵蚀力为1514.62 MJ.mm*（hm2.h）-1。

5　小结

（1）降雨能使土体扰动，破坏土体受力平衡，导致水土流失。喀斯特地区水土流失有地下漏失和落水洞流失两种方式。

（2）历时短，强度大，次数多，能量高及干湿季明显地区的降雨对水土流失的侵蚀尤为严重。

（3）7月、8月、10月为驻马哨洼地雨季，雨量多、雨强大；1月、2月、3月为驻马哨洼地旱季，雨量少、雨强小；明显的干湿月份，也加强了雨水对土壤的侵蚀力度。

（4）本文以次降雨9.2mm为侵蚀性降雨标准，数据周期内共得到14场侵蚀性降雨，占总场次17.7%，总雨量65.1%。

（5）通过计算，得到驻马哨洼地2015年7月16日到2016年3月15日的降雨侵蚀力为1514.62 MJ.mm*（hm2.h）-1。

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Analysis of rainfall erosion characteristics of nandong watershed——For instanse,Zhu Ma Shao depression

Collecting and analyzing characteristics of depressions rain erosion can provide the theoretical basis to formulate prevention and control of land use and soil degradation for south carve underground river downstream section of karst depressions. The study bases on the classical statistics and classical calculation methods of rainfall erosivity， analyzes the rainfall amounts of every month in data cycle， and calculates the rainfall erosivity in data cycle. Zhumashao depression's rainy seasons are July， August and October and it has abundant rainfall and large rainfall intensity. Zhu's dry seasons are January， February and March and it has small amount of rain and low rainfall intensity. The obvious dry and wet months has strengthened the rain's erosion intensity on the soil. Using rainfall 9.2mm as standard of erosive rainfall， there are14 erosive rains in data cycle which are 17.7% in the number of rains and 65.1% of total rainfall. From 2015.7.16 to March 15，2016， the rainfall erosivity is 1514.62MJ.mm/（hm2·h）in Zhu depression.

Rainfall characteristics； classic statistics； erosive rainfall； rainfall erosivity

P951

A

1008-1151（2016）02-0049-04

2016-01-13

刘鹏（1987－），男，广西师范学院地理科学与规划学院硕士研究生，从事水土流失研究。

胡宝清（1966－），男，广西师范学院教授，博士生导师，从事石漠化研究。