旱澇急轉天氣土壤濕度與地表徑流變化特征分析

[摘 要] 分析旱澇急轉天氣背景下，在后期發生強降水，出現旱澇急轉時，各層土壤濕度變化特征，與正常年份相比，各層土壤濕度不易出現飽和，降水后地表徑流與降水前的土壤濕度呈正相關，干旱使土壤濕度偏低，強降水形成的地表徑流也偏低，水土流失速率降低，山洪泥石流等地質災害較不易發生。

[關鍵詞] 旱澇急轉 土壤濕度 地表徑流 變化特征

[中圖分類號] p4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1003-1650 （2013）06-0228-02

“旱澇急轉”是指前期持續偏旱，接著因一場暴雨以上的強降水或雨量較大的連陰雨致使迅速轉旱為澇的天氣過程。王勝[1]等給出如下流域“旱澇急轉”標準：旱：前期降水持續偏少，緊接著連續兩旬以上（包括兩旬）全流域內半數以上臺站降水距平百分率偏少50% 以上。澇：旱后出現第一場大范圍暴雨，之后持續出現多次較強降水過程，導致全流域半數以上臺站降水距平百分率偏多50% 以上。同時滿足以上條件則稱之為旱澇急轉[2]。2011年6月份之前，長江中下游地區發生了近60年來最嚴重的冬春持續干旱天氣，6月中旬，在久旱之后，接連4輪強降水過程的降水量為近60年歷史同期最多，長江中下游地區旱澇急轉，這一地區遭受嚴重暴雨洪澇災害。

旱澇急轉使干旱土壤墑情迅速上升，土壤相對濕度急劇增加，部分農作物遭受漬害，對于農作物遭受漬害情況，這里不作分析。本文在此主要研究不同深度的土壤相對濕度在旱澇急轉天氣背景下的具體變化特征。

一、資料與處理

麻城位于湖北北省東北部，大別山南麓，東經114°40′～115°28′，北緯30°52′～31°36'。本文選取資料來源于麻城市國家農業氣象觀測站，資料長度為4年（2008年～2011年）。土壤相對濕度選取每年4～6月份資料，其中，逢8日觀測值為的固定觀測地段（植被為雜草）和作物觀測地段分別按各層進行合并統計平均，逢3日的土壤相對濕度為固定地段觀測值。固定地段在大氣觀測場旁10m，作物觀測地段距觀測場3km，前期（5月28日前）作物為小麥，后期（5月28日后）作物為棉花。地表徑流資料來源于麻城市浮橋河水庫。浮橋河水庫位于麻城市以西，距麻城市13km。浮橋河水庫來水量主要來自地表徑流，本文用水庫庫容增加量（降水后最大庫容與降水前最低庫容之差）來表示流域內地表徑流。

二、 結果和分析

1.旱澇急轉天氣背景及降水特點

從2011年1月～ 4月，降水量僅45.0mm，比歷年同期少244.3mm，少84%，干旱不斷升級，到5月底，累計降水量僅81.4 mm，比歷年同期少360.8mm，少82%，部分農作物受災嚴重而減產。從6月10日開始，出現4次大到暴雨，6月17～18日降大暴雨，麻城過程降水量183.6mm，過程降水量最大出現在白果站，為246.7mm。 6月份麻城降水量達390.6mm，比歷年同期多216.2mm，多124%。浮橋河水庫流域面積內的降水量分布為：東部降水量大于西部，南部降水量大于北部，降水量自東南方向向西北方向減少。

2.土壤濕度變化特征

土壤濕度變化主要與降水多少有關[4]，春季取土日前有雨和無雨時總體情況是氣象觀測場的土濕高于農田，在夏季，固定地段與農田各層土濕為高度正相關[5，6]。通過對麻城國家農業氣象觀測站固定地段和作物觀測地段土壤濕度變化分析，2008～2010年4～6月，汛前固定地段各層土濕高于農田土濕，入汛后固定地段各層土濕低于農田土濕。而在2011年4～6月，汛前固定地段土壤濕度各層均低于農田土壤濕度，這反映出偏旱情況下各類農田耕作活動能使土壤有一定的保墑效果，而偏澇時各類農田耕作措施能使土壤濕度有一定程度降低。將2 011年度與前3年各層土壤濕度平均值進行比較，2011年6月18日以前，固定地段和作物各層土濕均明顯低于2008～2010年平均，5月8日達最低水平，并出現5～10cm干土層。2008年～2010年4～6月，各層土壤相對濕度均處于較高值，當遇強降水后，就會出現不同層次土壤濕度過飽和現象（土壤含水量≥田間持水量，土壤相對濕度≥100%），而在2011年即使在6月18日大暴雨后，0～50cm土濕沒有出現飽和或過飽和土層（見表1）。由此可以看出，前期干旱較嚴重時出現旱澇急轉天氣過程后，各層土壤相對濕度雖也有較大幅度上升，但不易使土壤濕度達到飽和或過飽和狀態。

三、旱澇急轉天氣背景地表徑流變化原因分析

1.公式推導

地表徑流受氣候、降水、地形、地質、植被覆蓋率、植被的類型等條件的綜合影響。降水是形成地表徑流的重要前提，其強度和持續時間決定著地表徑流的產生和徑流量的大小，從而影響土壤儲水量、地下水位變化。徑流量的大小更多地受降水量和降水強度的共同影響，地表徑流與降水前0～20cm的土壤水分呈明顯正相關關系[7]。

土壤吸收降水的能力除了與降水量和降水強度有關外，還與土壤容重（D）、土壤重量含水率（田間持水量E）等土壤物理特性和土壤計算深度（h）有關。

如果忽略降水時蒸發損失，假定降水全部被地表吸收和產生地表徑流流流入下游水庫，根據降水量和土壤濕度的定義和計算方法，我們可以得出一定流域面積內的水庫庫容增加量（亦即地表徑流）的公式如下：

公式中，V：地表徑流，S：流域面積，R：降水量，D：土壤容重，E：田間持水量，r：土壤濕度，h：計算深度。

式中流域面積、土壤容重、田間持水量都可以提前計算得出，這里可以看成為一常數。由公式可知，地表徑流與降水量和一定深度內土壤濕度成正比，在降水量確定時，土壤濕度高，地表徑流大，土壤濕度低，地表徑流小。

2.相關分析

對不同層次的土壤相對濕度與地標徑流進行相關分析。這里，先考慮降水量對地表徑流的貢獻，引入一個定義λ：地表徑流與降水量的比值，即單位降水量對地表徑流的貢獻（單位：萬m3/mm）。統計2008年～2010年5～8月間共計20次降水過程降水量和浮橋河水庫流域地表徑流，計算得出每次降水過程λ值，結果表明，λ數值變化區間較大，在1.600～32.693之間，再計算λ與不同層次土壤相對濕度的單相關系數，結果在0.6044～0.4983之間，淺層相關系數較大，相關系數隨深度增加而緩慢降低。由于土壤水分隨深度有其自身的變化規律[8]，土壤水分的不同層次之間存在自相關關系，為避免其對結果造成干擾，將0～50cm各層進行平均后再計算與λ的相關系數，結果為0.5752。

由此可見，λ與0～50 cm土壤水分（ 相對濕度） 呈現顯著的正相關關系。2011年6月，浮橋河水庫流域由于前期干旱使土壤相對濕度較低，因此產生的地表徑流也較低。地表徑流低，一方面使水庫庫容增加有限，另一方面也制約了水土流失速率，使發生山洪泥石流地質災害的幾率減少。

四、結論

1.旱澇急轉天氣背景下，強降水前由于土壤相對濕度較低，強降水后雖然也能使各層土壤濕度顯著上升，但不易使土壤含水量達到或超過飽和狀態。

2.土壤水分含量的高低，對地表徑流產生一定的影響。由于干旱期土壤濕度低，地表徑流但遠小于土壤濕度較高時同等降水量級和降水強度時的地表徑流。

3.降水徑流低，也制約了水土流失速率，發生山洪泥石流地質災害的幾率減少。

參考文獻

[1] 王勝，田紅，丁小俊，等.淮河流域主汛期降水氣候特征及“旱澇急轉”現象.[J].中國農業氣象，2009，30（1）：31～34.

[2] 唐明，邵東國，姚成林.沿淮淮北地區旱澇急轉的成因及應對措施[J].水利水電科學研究院學報， 2007， （ 3）： 26-27 .

[3] 顧萬龍，竹磊磊，許紅梅.等.SWAT模型在氣候變化對水資源影響研究中的應用[J].生態學雜志， 2010， 29（ 2）： 395-400 .

[4] 國家氣象局，農業氣象觀測規范（上卷）[M]，北京：氣象出版社，1993：69～89.

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[7] 朱寶文，陳曉光，鄭有飛，等.青海湖北岸天然草地小尺度地表徑流與降水關系.[J].冰川凍土，2009，（6）：1074～1079.

[8] 衛三平，王立，吳發啟.土壤干化的水文生態效應.[J].水土保持學報，2007，21（5）：123～127.

作者簡介：劉中新，男，1962年生，高級工程師，主要從事專業氣象研究。