梁 越，焦菊英

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌； 2.中國科學院大學，100049，北京； 3.西北農林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

降雨是土壤侵蝕的主要動力因子，但不是每個降雨事件都能引起土壤侵蝕，將發(fā)生侵蝕和不發(fā)生侵蝕區(qū)別開來的臨界降雨數(shù)值，稱為侵蝕性降雨標準[1]。國內外已有很多學者對侵蝕性降雨標準進行了廣泛的研究[1-5]。Wischmeier等[6]在通用土壤流失方程中使用的侵蝕性降雨量標準為12.7 mm，但若次降雨15 min降雨量超過6.4 mm，則仍將此次降雨視為侵蝕性降雨。王萬忠[3]利用黃土高原大量的降雨侵蝕資料，擬定了黃土高原侵蝕性降雨的一般雨量標準為9.9 mm；XIE Yun等[1]利用陜北子洲團山溝小流域3個徑流小區(qū)的降雨過程資料，分別擬定黃土高原坡面侵蝕的侵蝕性降雨雨量標準(12 mm)、平均降雨強度標準(0.04 mm/min)以及最大30min降雨強度標準(0.25 mm/min)。

然而，目前黃土高原的侵蝕性降雨標準研究多是以徑流小區(qū)為研究對象，而對小流域尺度侵蝕產沙的降雨閾值缺乏足夠的關注。由于侵蝕—產沙—輸沙過程對降雨的響應存在顯著的空間尺度效應[7-9]，故坡面侵蝕和流域產沙的降雨閾值存在較大差異。我們將區(qū)分小流域是否產沙的降雨參數(shù)稱為小流域產沙性降雨標準，包括降雨量、降雨強度等指標[10]。劉元保[11]通過對黃土高原20多個小流域次降雨徑流泥沙資料的研究，認為小流域侵蝕性降雨的基本雨量標準為10.59 mm，平均降雨強度標準為0.04 mm/min，并繪制了時段降雨強度標準動態(tài)曲線。XIE Yun等[1]分別擬定團山溝小流域侵蝕性降雨雨量標準7.5 mm和降雨強度標準0.029 mm/min。WEI Yanhong等[12]通過淤地壩淤積層次甄別及其與產流降雨事件的對應分析，認為皇甫川滿紅溝小流域最小產沙降雨量>20 mm。上述學者的研究區(qū)均位于黃土高原，但因研究對象、方法等不同而導致結果差異較大，所以黃土高原小流域產沙性降雨標準有待進一步的探討。

筆者利用黃土高原20個小流域多年降雨徑流泥沙數(shù)據(jù)，擬定小流域產沙性降雨標準，分析其對小流域下墊面特征的響應，以期為小流域尺度的降雨侵蝕力計算提供參數(shù)，提高黃土高原小流域產沙的預報精度，并為小流域水土保持效益評價提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

金建君等[13]認為5年序列的觀測資料已經(jīng)能滿足擬定侵蝕性雨量標準的要求。筆者根據(jù)黃土高原天水、西峰、綏德、子洲、小河站、陜西省和山西省離石水土保持徑流泥沙測驗資料，選取其中資料年限不小于5年的20個小流域(表1)，基于小流域次降雨、徑流、泥沙觀測數(shù)據(jù)，擬定小流域產沙性降雨標準，同時結合小流域的自然特征和治理情況，分析小流域產沙性降雨標準的影響因素。部分數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享服務平臺(http://www.geodata.cn)。其中各試驗站的降雨通過雨量計來觀測，以6 h為間隔劃分次降雨事件，即降雨過程中如果出現(xiàn)超過6 h的降雨量為“0”的情況，則劃分為2次降雨事件[14]。小流域次降雨事件的面雨量用面積加權法計算。

表1 研究小流域基本情況Tab.1 Basic situation of small watersheds

1.2 小流域產沙性降雨標準的確定

小流域產沙性降雨標準包括降雨量、降雨強度和籠罩面積等，筆者采用產沙性降雨的雨量標準。小流域產沙性降雨雨量標準的確定采用王萬忠[6]的方法，將每個小流域多年所有的產流降雨事件，分別按降雨雨量由大到小排序，將其對應的小流域產沙量逐個累加，計算大于某一雨量(P,mm)相應的累積產沙量占總產沙量的比例(Ep, %)，再點繪降雨雨量與產沙累積比例散點圖，并進行模擬配線，得出P和E的擬合方程式(表2)，取Ep=95%時的降雨雨量值，作為小流域產沙性降雨標準。

2 結果與分析

2.1 不同小流域產沙性降雨標準

由表2可知，黃土高原研究小流域產沙性降雨雨量標準在7.48～33.51 mm范圍內。不同小流域產沙性降雨雨量標準變異性較大，其中黃土高塬溝壑區(qū)林區(qū)小流域寺溝產沙性降雨雨量標準最大，遠高于其他小流域，黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū)治理小流域的產沙性降雨雨量標準為14.0～16.8 mm，黃土丘陵溝壑區(qū)非治理小流域為7.5～14.0 mm。

表2 研究小流域產沙性降雨標準Tab.2 Rainfall standards while sediment occuring in the studied small watersheds

2.2 水土流失治理對小流域產沙性降雨的影響

2.2.1 對比小流域的產沙性降雨標準 由表1、2可知，在對比小流域中，治理小流域的產沙性降雨雨量標準均遠大于非治理小流域。例如，離石插財主溝的產沙性降雨標準是羊道溝的1.16倍，延安大砭溝的產沙性降雨標準是小砭溝的1.26倍，綏德韭園溝產沙性降雨標準是裴家峁溝的1.85倍。水土保持綜合治理會顯著提高小流域產沙性降雨標準。

2.2.2 治理模式對小流域產沙性降雨標準的影響 面積較大的小流域往往修建了較多的淤地壩(表3)，淤地壩攔截了小雨量事件的徑流，極大地降低產流次數(shù)，使得小降雨事件泥沙不出溝，而韭園溝和王茂莊溝淤地壩數(shù)量較大，形成完整的壩系，與造林種草和梯田等水保措施結合，起到較好的治理效果，所以產沙性降雨標準較大。黃龍寺溝產沙性降雨標準為33.51 mm，遠大于其他小流域。這主要是由于寺溝小流域位于林區(qū)，植被覆蓋度高，溝壑、坡面幾乎全部為森林覆蓋，因而溝坡土壤侵蝕輕微。

綜上，在面積較大的小流域，有淤地壩、水庫等水利水保工程的治理效果比較顯著，而當小流域面積較小時，造林種草等植被措施更符合小流域水土流失治理的具體實踐。

2.2.3 治理程度對小流域產沙性降雨標準的影響 筆者以離石王家溝和綏德韭園溝為例，劃分治理前期和后期并比較其2個時期內的產沙性降雨標準。王家溝小流域基于1964—1970年數(shù)據(jù)的產沙性降雨標準是基于1955—1963年數(shù)據(jù)的1.75倍。王家溝小流域在1964年之后的水平梯田面積增加了54.7%，造林面積增加76.5%，壩地面積是1964年之前平均值的2.93倍。韭園溝小流域基于1965—1979年資料的產沙性降雨標準比1954—1964年要高出8.81 mm。這同樣是由于韭園溝治理后期的水土保持措施面積要高于治理前期，例如水平梯田面積提高70.8%，而種牧草的面積提高了84.9%(表4)。

表3 小流域治理措施情況Tab.3 Management measures of small watersheds

注： 表內數(shù)據(jù)反映研究期內的平均值；南小河溝“3”指的是3個水庫。 Note: The data in the table represent the average status during the study period. The “3” in Nanxiaohegou refers to 3 reservoirs.

表4 小流域不同治理時期產沙性降雨標準Tab.4 Rainfall standards while sediment occuring in different governance periods in the studied small watersheds

注： 資料中缺乏研究期內王家溝種草和韭園溝的壩地面積數(shù)據(jù)。 Notes: The data of area of grass in Wangjiagou and area of dam field in Jiuyuangou are lacking.

3 結論與討論

1)黃土高原研究小流域產沙性降雨雨量標準在7.48～33.51 mm范圍內，不同小流域產沙性降雨雨量標準變異性較大。

劉元保[11]認為黃土高原小流域侵蝕性雨量標準沒有太大差異，這可能是因為劉元保基于的數(shù)據(jù)資料是黃土高原20多個非治理小流域，而本研究所挑選的小流域中存在較多的治理小流域，由于水土保持綜合治理而導致下墊面侵蝕環(huán)境發(fā)生改變，因而不同小流域的產沙性降雨標準差異較大。

2)大部分小流域的產沙性降雨標準要大于坡面侵蝕性降雨標準(12 mm)，但也存在少數(shù)幾個非治理小流域的產沙性降雨標準小于坡面侵蝕性降雨標準。

黃土高原小流域的降雨存在空間不均勻性[15]，面雨量小于坡面侵蝕性降雨標準的次降雨，往往小流域內局部的降雨量已經(jīng)大于坡面侵蝕性降雨雨量標準，而由于非治理小流域內存在村莊、道路等易侵蝕地面[1]，從而極易導致坡面產流并下溝，在面雨量不高的情況下小流域也會產沙。

3)治理小流域產沙性降雨標準均大于與其對比的非治理小流域，同一小流域的產沙性降雨標準隨治理程度的提高而增大。

在小流域尺度，隨著治理程度的增加，小流域產流次數(shù)顯著降低[16-17]，產沙性降雨雨量標準會不斷升高；因此小流域產沙性降雨標準并不是一個定值，而是會隨著小流域下墊面特征的改變而發(fā)生動態(tài)變化。