广西降雨侵蚀力计算模型适用性研究

摘要 采用分布于广西区的23个国家基本雨量站1961—2010年逐日降雨数据，选用我国南方地区常用的5种降雨侵蚀力计算模型[章文波等（A）、CREAMS（B）、吴素业等（C）、郑海金等（D）和史东梅等（E）]，探讨其在广西喀斯特和非喀斯特地区的适用性，并采用有效系数和相对偏差作为模型的评价指标。结果表明，基于日降雨量的降雨侵蚀力模型（A和B）计算的降雨侵蚀力均大于基于月降雨量的模型（C、D和E）的结果。在喀斯特地区的10个站点中，有6个站点模型B的稳定性较好，具有较大的有效系数和较小的相对偏差，表明基于日降雨量的模型B在喀斯特地区较为适用;当仅有月降雨量资料时，宜采用模型D。在非喀斯特地区的13个站点中，有12个站点模型D稳定性较好，具有较大的有效系数（0.967）和较小的相对偏差（0.033），表明基于月降雨量的模型D在非喀斯特地区较为适用。研究结果可为洪涝灾害频发、存在较大水力侵蚀风险的广西水土保持规划和防治提供科学依据。

关键词 降雨侵蚀力;土壤侵蚀;适用性;有效系数;相对偏差;喀斯特;广西

中图分类号 S 157.1  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）16-0156-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.16.040

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Applicability of Calculation Model of Rainfall Erosivity in Guangxi

WANG Sheng1，ZHENG Xiu-ru2

（1.Administration Committee of Baise National Agricultural Sci-tech Zone，Baise，Guangxi 533612; 2.School of Geography and Planning，Nanning Normal University，Nanning，Guangxi 530001）

Abstract Based on the daily rainfall data collected from 23 meteorological stations in Guangxi from 1961 to 2010，the suitable estimation models of Rainfall erosivity （R） for karst and non-karst regions in Guangxi were chosen from five rainfall erosivity models [Zhang Wen-bo et al （A），CREAMS （B），Wu Su-ye et al （C） ，Zheng Hai-jin et al （D） and Shi Dong-mei et al （E）]，and the effective coefficient and relative deviation were used as the evaluation indicators of the model.The results showed that rainfall erosivity estimated by the daily rainfall models （A and B） were larger than estimated by the monthly rainfall models （C，D，and E）.Among the 10 stations in the karst area，there were 6 stations with better stability of model B，with larger effective coefficient and smaller relative deviation，indicating that the model B based on daily rainfall was more suitable in karst area;model D should be used when only monthly rainfall data were available.Among the 13 stations in the non-karst area，12 stations had better stability of the model D，with larger effective coefficient （0.967） and smaller relative deviation （0.033），indicating that Model D based on monthly rainfall is more suitable for non-karst areas.The research results can provide a scientific basis for the planning and prevention of soil and water conservation in Guangxi，where floods occur frequently and there is a greater risk of hydraulic erosion.

Key words Rainfall erosivity;Soil erosion;Applicability;Effective coefficient;Relative deviation;Karst;Guangxi

土壤侵蚀是全世界面临的主要环境和农业问题之一，一方面它会导致土壤入渗能力降低，从而使得土壤持水能力下降;另一方面其会降低土壤养分含量，导致土壤质量下降。土壤侵蚀过程受降雨、地形、土壤结构和植被及作物类型等因素的影响[1]。其中，降雨是土壤水蚀的主要驱动因素，降雨引起土壤侵蚀的潜在能力称为降雨侵蚀力（简称R）[1-2]。

国内外对降水侵蚀力的时空变化特征的研究已广泛开展[1，3-5]。在国内，章文波等[2]提出了适用于我国的日降雨数据计算降雨侵蚀力的模型，该模型在我国各地区得到了广泛的应用。史志华等[6]在对武汉降雨侵蚀力特征与日降雨侵蚀力模型研究的基础上，提出了适用于武汉地区的降雨侵蚀力计算模型。陈正发等[7]基于昆明观测站1951—2010年逐日雨量数据，对我国南方地区常用的5种降雨侵蚀力计算模型在云南省的适用性进行了分析，筛选出适用于云南省的降雨侵蚀力计算模型，并进一步研究了云南降雨侵蚀力的时空分布特征。王超[8]以四川省40个气象站点 1971—2000年逐日雨量资料为基础，采用章文波等[2]基于日雨量资料建立的降雨侵蚀力简易估算方法，分析了四川省降雨侵蚀力时空

分布特征。以上关于降雨侵蚀力的研究，在计算模型的选择上大多数是直接引用其他学者的研究成果，并没有对模型的地区适用性进行适宜性分析，或者已有的一些研究只适用于某些特定的区域[7-8]，降雨侵蚀力的计算结果精确度很难满足预测的要求。

2013年第一次全国水利普查水土保持公报显示，广西以水力侵蚀（地表土壤或地表组成物质在降水、径流作用下被剥离、冲刷、搬运和沉积的过程）为主（达50 537 km2）。尽管广西已有降雨侵蚀力时空变化特征方面的研究[9]，但这些研究选用的降雨侵蚀力计算模型是直接引用其他学者的研究成果，并没有对模型的地区适宜性进行深入评估，使得计算结果存在很大的不确定性。广西喀斯特地貌分布广泛，喀斯特区总面积达9.6×104 km2，占全区土地面积的42%[10-11]。广西喀斯特与非喀斯特区尽管外界气候条件差异较小，但内部结构（母岩、土岩结构、植被类型和分布、地形等）的不同使得地表水与地下水路径、径流系数和相互转化机制等存在差异，也导致喀斯特地区土壤侵蚀以地下漏失为主[11-12]。该研究拟基于广西区1961—2010年23个均匀分布的气象站点的逐日降雨量数据，分别探讨适用于广西喀斯特地区和非喀斯特地区的降雨侵蚀力模型，旨在为广西区石漠化治理及水土流失治理提供科技支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

广西壮族自治区位于104°26′～112°04′E、 20°54′～26°24′N，属亚热带季风气候区，全年气候温暖（年平均气温16～23 ℃），雨量丰富，年降雨量1 250～2 000 mm。每年雨量最多的时期主要在4—9月，雨季暴雨过于集中，较大的降雨强度容易造成严重的水力侵蚀。广西地质环境条件也比较特殊，使得广西水土流失较为严重，4—9月份降水量占全年降水量的70%～85%[9]，且广西区喀斯特地貌广布，占全区总面积的41%，连片分布在桂东北、桂西北、桂中和桂西南[13]。

1.2 数据来源

从中国气象科学数据共享服务网收集了广西25个气象站点逐日降雨量资料，因平果站和防城站1961—2010年的大部分年份的降雨数据不齐全，所以剔除了这2个站点，选取了剩下23个国家基本雨量站1961—2010年逐日降雨数据，从建站到现在数据记录较完整。由于广西喀斯特地貌广布，且降雨侵蚀过程会受到地质、地貌等因素的影响，所以将广西划分为喀斯特地区和非喀斯特地区来分别探讨降雨侵蚀力简易计算模型的适宜性。如果气象站点所在的市（县）喀斯特地貌面积是所在市（县）总面积的30%，则可以认为该气象站点属于喀斯特站点[13]，否则就是非喀斯特站点。23个气象站点中（图1），喀斯特站点有10个（融安、桂林、凤山、河池、都安、柳州、那坡、靖西、来宾、龙州），非喀斯特站点有13个（蒙山、贺州、百色、田东、桂平、梧州、南宁、灵山、玉林、东兴、钦州、北海、涠洲岛）。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨侵蚀力计算模型介绍。将以下5种降雨侵蚀力简易计算模型分别运用于广西喀斯特地区和非喀斯特地区，并依据田刚等[14]的方法，将5种模型计算的降雨侵蚀力的平均值作为基准值，然后与5种计算模型的值对比，最后对喀斯特地区和非喀斯特地区模型的适宜性进行评价。

（1）模型A。章文波等[2]的日雨量模型：

R i=αK i=1P jβ（1）

α=21.586β-7.189 1（2）

β=0.836 3+19.144P d12+24.455P y12（3）

式中，R i为第i个半月时段的降雨侵蚀力值[（MJ·mm）/（hm2·h）];K为该半月时段内的天数;P j为半月时段内第j天的侵蚀性降雨量，要求日雨量≥12 mm，否则以0计算;α与β为模型参数;P d12为日雨量≥12 mm的日平均雨量;P y12为日雨量≥12 mm的年平均雨量。

（2）模型B。CREAMS[7]日雨量模型：

R=1.03P i1.51（4）

式中，R为降雨侵蚀力[（MJ·mm）/（hm2·h）];P i为第i天的日雨量（mm），日侵蚀性降雨标准P t≥12.7 mm。

（3）模型C。吴素业[15]的月降雨量模型：

R 年=12 i=1（0.012 5P i1.629 5）（5）

式中，R 年为年降雨侵蚀力

[（MJ·mm）/（hm2·h）];P i为i月降雨总量（mm）。

（4）模型D。郑海金等[16]的月雨量模型：

R 年=12 i=1（0.312P i1.494 2）（6）

式中，R 年为年降雨侵蚀力[（MJ·mm）/（hm2·h）];P i为i月降雨总量（mm）。

（5）模型E。史东梅等[17-18]采用人工模拟降雨手段，建立了重庆地区降雨侵蚀力计算的月雨量模型：

R=5.24912 i=1P iPP i1.205（7）