關嶺縣螞蝗田小流域降雨年內分配特征研究

高儒學, 高華端, 孫泉忠, 徐定平, 李華林

(貴州大學 林學院, 貴陽550025)

關嶺縣螞蝗田小流域降雨年內分配特征研究

高儒學, 高華端, 孫泉忠, 徐定平, 李華林

(貴州大學 林學院, 貴陽550025)

根據貴州省關嶺縣螞蝗田小流域2009—2012年的降雨數據，統計分析了降雨集中度、集中期、年內分配不均勻系數等指標，研究了螞蝗田小流域降雨的年內分配特征。結果表明：螞蝗田小流域中雨、小雨全年分配均勻；大雨、暴雨分配不均勻。無論是枯水年還是豐水年，降雨的分配特征大體相同；旬降雨量波動很明顯，降雨在月內分配不均勻。年內降水集中度為0.78～0.81，集中期變化于18～20旬，年內分配不均勻系數大于0.8。無論從4年總體還是各年情況來看，侵蝕性降雨分布都不均勻，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蝕性降雨次數最多。

關嶺縣; 螞蝗田小流域; 降雨年內分配

降雨對區域水資源時空分布、生態環境形成與演變以及農業生產起著決定性的影響[1]。水土流失、泥石流、滑坡及山洪等自然災害主要是由降雨誘發的[2]，因此，研究降雨分配特征很有意義。相當學者對降雨分配特征進行了一定的研究[3-9]。王紀軍等[10]的研究反映降水集中度、降水不均勻系數和調節系數可以從不同側面反映降水量的年內分布特征，且降水集中度和不均勻系數相互之間顯著相關(p<0.01)，說明3個指標間可以相互代替。劉士余[11]采用時間序列分析法和統計回歸分析法對贛西北大坑小流域降雨變化進行分析，發現降雨年內變化特征為典型的單峰型曲線，降雨的季節差異很明顯。代俊峰，張學洪等[12]用降雨年內分配不均勻系數對北部灣經濟區降雨分配特點進行研究，表明氣候變化使得降雨年內穩定程度降低，不均勻性增大。劉文莉[13]用降水集中度對陜西省年內降水分配進行研究，得出年內降水集中度的大小是影響旱澇災害的一個重要因素，年內降雨集中度越大，越易引發洪澇災害。黃曉亞等[14]用降水集中度及Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗等方法分析日降水集中度指標與降雨統計特征的關系，揭示該地區降雨集中度變化趨勢及其與極端降雨變化的關系。顧璟冉等[15]利用徑流小區觀測法以及黔西高原地區典型小流域的降雨、徑流與泥沙資料，對黔西高原地區侵蝕性降雨的特征進行了分析。劉偉等[16]利用渾河流域1956—2011年56 a的逐月降水與徑流資料，借助累積距平、滑動平均等方法分析了渾河流域降水量與徑流量的變化趨勢及時間尺度上的相關性。貴州喀斯特地貌發育，成土速度慢，土層淺薄，山高坡陡，是中國水蝕嚴重的地區之一[17]，研究年內降雨特征對土壤侵蝕的影響具有重要意義。然而，針對喀斯特地區土壤侵蝕原型試驗的降雨研究較少，本文將對貴州典型喀斯特流域(關嶺螞蝗田小流域)的年內降雨特征進行研究，以探尋土壤侵蝕過程中的降雨規律，為喀斯特地區土壤侵蝕研究服務。

1 材料與方法

1.1 研究區的概況

螞蝗田水土保持監測點位于關嶺縣花江境內，東經105°34′36″、北緯25°49′2″。該監測點所在的螞蝗田小流域面積2.45 km2，屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量為1 236 mm，多年平均氣溫為19.2℃；現有植被類型多為次生喬木林、疏幼林，喬木品種主要有：柳杉、杉木、馬尾松、女貞、滇柏等；土壤為黃壤。該監測點始建于2008年，主要監測設施有：簡易氣象觀測場1個、坡面徑流小區6個、控制站1個、1個雨量站，觀測便道200 m等。主要設備有：自記雨量計、自記水位計、烘箱、電子天平、取樣瓶、鋁盒等；主要監測內容為：降雨、徑流、泥沙及懸移質。

1.2 數據來源

數據是貴州省水土保持監測站關嶺縣螞蝗田監測點2009—2012年701場降雨資料，主要為人工雨量器觀測和自計雨量觀測兩部分，有年內月降雨量、旬降雨量、日降雨量和每場降雨30 min最大降雨強度等。

1.3 研究方法

本文采用降雨集中度來表述和反映年降水總量在年內各旬的集中程度，揭示降雨年內分配特征；用年內分配不均勻系數反映降雨年內各月分配的均勻狀況；用統計學方法統計各月、旬、日降水量反映降雨的分布和波動特征，還可以得出每年的侵蝕性降雨場次，各類雨型分布情況，全面反映全年的降雨狀況；數據主要采用Office Excel和SPSS軟件進行統計和分析處理。

2 結果與分析

2.1 月降雨量的統計分析

月降雨量可以反映年降雨總量在每個月的分配情況，對每年降雨有大概的認識，是研究年降雨分配的第二層次。

圖1是由自計雨量觀測表統計出的2009—2012年每個月平均降雨量的分布情況。圖1表明，降雨的年內分布總體呈單峰曲線，為正態分布形式，分布不均勻。1—4月曲線相對平緩，降雨分配相對比較均勻，月降雨總量<40 mm，屬于旱季；從5月份開始，曲線斜率逐漸增大，降雨進入汛雨期，6月達到一年中的最大降雨量，即為峰值，接近300 mm；之后月降雨量開始減少，減少的幅度比較大，到8月份，月降雨量降到100 mm左右，由此可見，5—8月降雨極不均勻；9月份后降雨量減少幅度變緩，12月份降雨量在10 mm左右。因此從四年總體來看，降雨汛期為5—8月；6月，7月份降雨量最大，占四年降雨總量的51%；11月到第二年的3月降雨量最少，僅占四年降雨總量的11.4%。

圖12009-2012年月平均降水量分布

圖2是由自計雨量觀測表統計出的2009—2012年各年月降雨量及總體平均月降雨量的分布情況對比分析?？梢钥闯?，從2009—2012年，月降雨量分布曲線由單峰型正態分布向雙峰型轉變，峰值出現在5月—7月，但汛雨期還是5—8月不變；降雨在汛雨期分布雖然有所分散，但總體分布還是很不均勻。2—4月為播種季節，易出現干旱；5—8月為作物生長季節，易出現洪澇災害。

圖22009-2012年月降雨量分布情況

2.2 旬降雨量統計分析

旬降雨量能反映月內降雨分配特征，是年降雨分配的第三層次，月降雨量的統計只讓我們對降雨分配特征有總體的認識，月對年的單位來說太大，需要對月內分配做進一步研究，使年內降雨分配特征更加具體、清晰和細致，幫助我們更加全面的了解降雨分配特征，從而合理利用降雨。因為2009年1—4月沒有數據，2010年1—3月沒有數據，所以不分析2009年全年和2010年前3個月的旬降雨量分布。

圖3是由自計雨量觀測表統計出的2010年4月—2012年12月旬降雨量分布情況。旬降雨量在每年11月至第二年3月波動性很小，說明降雨在該月段內分配均勻；而在5—8月時，其波動幅度很大，說明降雨在該月段內內分配極不均勻。整體呈現降雨量越大，其波動幅度越大的分配特征，特別是像2010年這樣的豐水年波動差距更加明顯。降雨月內的分配特征是：降雨量與降雨均勻性呈負相關，降雨量在月內分布是不均勻的。圖中的折線點在刻度間基本呈兩低一高的分布，說明降水主要集中在每個月其中的某個旬內，這充分證明了月內降雨的不均勻性，并且這種分布特征很容易導致暴雨和洪澇災害的發生。

圖32010-2012年旬降雨量分布

結合圖1和圖3可以得出：在汛雨期主要的降雨形式是大雨和暴雨，5—8月的降雨量為全年的76%，這是影響降雨年內分配不均勻的主要因素；而月內的降雨又集中在其中某個旬內，在短時間內降這么多的雨量，這其中就會有許多大雨，甚至暴雨；全年的暴雨和大雨場次僅為全年降雨總場次的14.6%，這充分說明了大雨和暴雨對年內降水影響最大，研究區在汛雨期常出現大雨和暴雨，這段時間一般會出現洪澇災害；因此研究區的發展受到降雨的影響很大。

2.3 日降雨量統計分析

日降雨量可以幫助我們對全年的降雨進行等級劃分，了解全年降雨類型的分布特征，是降雨年內分布特征需要研究的重要內容，知道雨強的分布能幫助我們更好的控制降雨帶來的危害。根據國內對降雨類型劃分的標準，即小雨(12 h降雨量小于5 mm，日降雨量小于10 mm)、中雨(12 h降雨量5～14.9 mm，日降雨量10～24.9 mm)、大雨(12 h降雨量15～29.9 mm，日降雨量25～49.9 mm)、暴雨(12 h降雨量30～69.9 mm，日降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(12 h降雨量70～139.9 mm，日降雨量100～199.9 mm )、特大暴雨(12 h降雨量不小于140 mm，日降雨量不小于200 mm)；統計出每個月中各種降雨強度級別的場次，然后求出其平均數，這樣就可以清楚地反映出年降雨總量在每個月降雨強度級別的分布，從而得出年內降雨的具體分布形式和降雨在各月的分布特征。

圖4是由自計雨量觀測表統計出的四年內日降雨強度平均場次分布情況。由圖可知：年降雨以小雨為主，占降雨總天數的73%，每個月都有分布，分配比較均勻；中雨次之，占年降雨總天數的13.7%，主要分布在5—10月，基本每月都會有分布，分配均勻；大、暴雨占年降雨總天數的12.8%，集中在5—7月，發生在6月份的概率最大，約為0.48。本次統計沒有出現特大暴雨，大暴雨出現2次，分別為2011年的6月和8月，大暴雨和特大暴雨是隨機發生在年內降雨汛期的突然性降雨，屬于極端氣候，本研究可以不做討論?？偟膩碚f降雨場次分配較均勻，以小、中雨為主，占降雨總場次的86.8%，基本每月都有，集中在11月至第二年4月。而降雨量分配不均勻，大雨、暴雨場次雖然少，但降雨量大且分布比較集中，僅5—7月大雨、暴雨場次就占了大雨、暴雨總場次的73%；大雨、暴雨降雨量分別占降雨總量35.31%和15%，兩者之和為50.31%，超過了降雨總量的一半。

圖42009-2012年年內日降雨強度平均場次分布情況

2.4 降雨集中度和集中期分析

集中度是利用向量分析的原理定義單站降水量時間分配特征的參數，是一個無量綱，可以定量地描述降水的集中程度，對年內降水分配非均勻性特征有很好的演示作用；集中期是定量的表述降雨的年內集中時段，具體指明一年中最大旬降水量出現在哪一個旬內。其計算公式為:

式中：PCDi為i年的降雨集中度;PCPi為i年的降雨集中期;Rxi、Ryi分別為某測站i年逐旬降水量在坐標系中x，y軸上的投影之和;Ri為監測站i年內總降雨量;rij為i年第j旬內的降雨量;θj為年內第j旬降雨量的矢量角度;i為年份(i=2009，2010，2011，2012);j為年內的旬序(j=1，2，…，36)?？纱丝芍?，降雨集中度的取值為0～1，值越大，說明降雨量越集中，降雨年內分配越不均勻。而降水集中期的計算是合成向量的方位角，指示每個旬降水量合成后的總體效應，也就是向量合成后重心所指示的角度。

由于2009年、2010年兩年1—4月份的數據沒有，這里只分析2011年和2012年的年內降雨集中度；經計算得到2011年和2012年的降雨集中度分別為0.81與0.78，兩年的平均系數為0.79，都大于0.7，說明研究區的年內降雨分配比較集中，分配不均勻。而2011年和2012年的降雨集中期為17.5，19.7，平均為18.6，即為每年的7月上旬，但資料太少，反映了研究區的降雨集中在每年的第18～20個旬日，即為每年6月下旬至7月中旬。對比2011年和2012年的集中度和集中期，可以發現2012年的系數有所減小，集中期增大，說明2012年降雨有所分散，降雨集中區也隨之后移了。

2.5 年內分配不均勻系數

不均勻系數是根據變差系數定義的，是可以表示降雨量年內分配不均勻性的系數；這是用數學方法來對降雨分配進行定量描述，科學的反映不均勻的程度，使降雨分配的不均勻性更加直觀。其計算方法為：

式中：Cvy為降雨量年內分配不均勻系數;Ki為各月降雨量占年降雨總量的百分比;K為各月平均占全年百分比，即K=100%/12=8.33%，不均勻系數是以月降雨量進行計算的，當雨量平均分到各月時，不均勻系數為0，年內降雨在月際間的分配很均勻；當年降雨集中在某一個月時，不均勻系數為1，分配極不均勻；Cvy值越大，說明降雨量相差越懸殊，年內分配就越不均勻。

經過計算，可以得到2010—2012年的不均勻系數分別為0.802，0.808，0.803，三年的平均數為0.804，都大于0.8，接近1，表明該地區的年內降雨分配是極不均勻的。這其中2010年1—3月沒有數據，但這對我們的計算和總體分析降雨的年內分配特征的影響并不是很大，可以作為研究材料。

2.6 侵蝕性降雨的統計分析

對侵蝕性降雨的統計分析便于我們掌握其分配特征及規律，從而更好地保護土壤，發展生產。張文源、王百田等[18]在對喀斯特黃壤區侵蝕性降雨及產沙特征分析研究中得出黃壤裸地的侵蝕性降雨指標采用最大30min降雨強度，其取值在9.6～10.2mm/h，本文研究區植被覆蓋一般，因此最大30min降雨強度達到10mm/h以上就會對土壤產生侵蝕。在4a中的701場降雨中侵蝕性降雨有91場，占12.98%。

圖5是由自計雨量觀測表統計出的2009—2012年各年內侵蝕性降雨降雨場次分布情況。由圖可知：無論從4a總體還是各年情況來看，侵蝕性降雨分布都不均勻，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蝕性降雨次數最多，峰值出現在7月，達到8次以上。土壤侵蝕發生規律通常和侵蝕性降雨一致，所以其分配特征能為水土保持設計提供重要的參考，從而做好防護。

圖52009-2012年年內I30>10mm降雨場次分布

3 結 論

(1) 汛期為5—8月，降雨量為全年的76%；6月，7月份降雨量最大，占四年降雨總量的51%；11月到第二年的3月降雨量最少，僅占四年降雨總量的11.4%。

(2) 降水主要集中在每個月其中的某個旬內，這充分證明了月內降雨的不均勻性，并且這種分布特征很容易導致暴雨和洪澇災害的發生。

(3) 從降雨場次來看，年降雨以中、小雨為主，各月均有，分配均勻；大雨、暴雨分配集中，主要在5—7月，分配極不均勻。而從降雨量來看，大雨、暴雨降雨場次雖然不足15%，但是兩者降雨量之和卻超過了降雨總量的50%。

(4) 對研究區的降雨集中度、集中期經過數學方法的計算分析，我們可以得到以下結論：1) 降雨集中度>0.75，分配比較集中。2) 降雨集中期的取值為18.6，年內降雨集中在第19個旬日，即為每年的7月上旬。3) 年內分配不均勻系數>0.8，降雨分配不均勻的程度高。

(5) 無論從4a總體還是各年情況來看，侵蝕性降雨分布都不均勻，主要集中在5—10月，其中6—7月侵蝕性降雨次數最多。

[1] 張志才,陳喜,王文,等.貴州降雨變化趨勢與極值特征分析[J].地球與環境,2007,35(4):351-356.

[2] 林鴻州,于玉貞,李廣信,等.坡地地質災害的減災策略[J].水科學進展,2006,17(4)：490-495.

[3] 田育新,李錫泉,張燦明,等.植被恢復與重建過程中小流域降雨及水沙變化特征研究[J].湖南林業科技,2005,32(6):29-32.

[4] 李娜,許有鵬,陳爽.蘇州城市化進程對降雨特征影響分析[J].長江流域資源與環境,2006,15(3):335-339.

[5] 張明珠,俞煩,宋新山,等.岷江中上游及青衣江流域近50年來降水變化特征分析[J].南水北調與水利科技,2008,6(3):46-53.

[6] 張鈺,唐穎豐,韓克明,等.洮河流域徑流年內分配變化規律分析[J].干旱區資源與環境,2011,25(9):71-74.

[7] 王兆禮，陳曉宏，楊濤.東江流域徑流序列年內分配特征研究[J].人民黃河，2011，33(2):37-39.

[8] 邢萬秋,王衛光,吳楊青,等.淮河流域降雨集中度的時空演變規律分析[J].水電能源科學,2011,29(5):1-5.

[9] 劉士余,章俊霞,羅志軍,等.近50年贛西北大坑小流域徑流對降雨的響應[J].水土保持研究,2012,19(1):19-22.

[10] 王紀軍,裴鐵璠,顧萬龍,等.降水年內分配不均勻性指標[J].生態學雜志,2007,26(9):1364-1368.

[11] 劉士余.降雨與植被變化對贛西北大坑小流域水文特征的影響研究[D].北京：北京林業大學,2008.

[12] 代俊峰,張學洪,王敦球,等.北部灣經濟區徑流、降雨分配特點及其變化分析[J].中國農村水利水電,2011(6):1-3.

[13] 劉文莉.基于格點數據的近52a來陜西省降水量時空變化特征[D].蘭州：西北師范大學,2014.

[14] 黃曉亞,陳喜,張志才,等.西南喀斯特地區降雨集中度及其變化特征分析：以烏江流域中上游為例[J].地球與環境,2013(3):203-208.

[15] 顧璟冉,張興奇,顧禮彬,等.黔西高原侵蝕性降雨特征分析[J].水土保持研究,2016,23(2):39-43.

[16] 劉偉,何俊仕,陳楊.渾河流域降水與徑流變化特征及同步性分析[J].水土保持研究,2016,23(1):150-154.

[17] 周赟,胡順.畢節市喀斯特石漠化的成因及防治措施[J].貴州大學學報:自然科學版,2007,24(4):421-425.

[18] 張文源,王百田,楊光檄,等.喀斯特黃壤區侵蝕性降雨及產沙特征分析[J].生態環境學報,2014,23(11):1776-1782.

StudyonAnnualDistributionCharacteristicsofRainfallinMahuangtianCatchmentofGuanlingCounty

GAO Ruxue, GAO Huaduan, SUN Quanzhong, XU Dingping, LI Hualin

(CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Based on the rainfall data from 2009 to 2012 in Mahuangtian catchment of Guanling County in Guizhou Province, the rainfall concentration, concentration period and uneven distribution coefficient were analyzed and the annual distribution characteristics of rainfall were studied. The results showed that the moderate or light rainfall in Mahuangtian catchment evenly distributed throughout the year; and heavy rain, rainstorm distributed unevenly; the distribution characteristics of rainfall is approximately the same in dry year or wet year; ten-day rainfalls had an obvious fluctuation, and rainfalls in a month unevenly distributed. Annual precipitation concentration degrees ranged from 0.78 to 0.81, precipitation concentration periods changed in 18 to 20 ten-day, uneven coefficient of annual distribution was greater than 0.8. Erosive rainfall is unevenly distributied, mainly concentrated in May to October, and mostly was from June to July within the total or each year of the four years.

Guanling County； Mahuangtian catchment； annual distribution of rainfall

2016-02-28

：2016-05-10

貴州省專業學位研究生工作站項目(黔教研合JYSZ字[2014]003);貴州省水土保持監測站小流域監測項目(KT201311)

高儒學(1991—),貴州省織金縣人,男,在讀碩士,主要從事區域水土保持研究。E-mail:2235274067@qq.com

高華端(1965—),貴州省織金縣人,男,教授,博士,碩士生導師，主要研究方向:區域水土保持與環境。E-mail:gdghd110@163.com

P468.0+24

：A

：1005-3409(2017)02-0152-04