旱涝急转天气土壤湿度与地表径流变化特征分析

旱涝急转天气土壤湿度与地表径流变化特征分析
[摘要] 分析旱涝急转天气背景下，在后期发生强降水，出现旱涝急转时，各层土壤湿度变化特征，与正常年份相比，各层土壤湿度不易出现饱和，降水后地表径流与降水前的土壤湿度呈正相关，干旱使土壤湿度偏低，强降水形成的地表径流也偏低，水土流失速率降低，山洪泥石流等地质灾害较不易发生。

[关键词] 旱涝急转土壤湿度地表径流变化特征
[中图分类号] p4 [文献标识码] a [文章编号] 1003-1650 （2013）06-0228-02
“旱涝急转”是指前期持续偏旱，接着因一场暴雨以上的强降水或雨量较大的连阴雨致使迅速转旱为涝的天气过程。

王胜[1]等给出如下流域“旱涝急转”标准：旱：前期降水持续偏少，紧接着连续两旬以上（包括两旬）全流域内半数以上台站降水距平百分率偏少50% 以上。

涝：旱后出现第一场大范围暴雨，之后持续出现多次较强降水过程，导致全流域半数以上台站降水距平百分率偏多50% 以上。

同时满足以上条件则称之为旱涝急转[2]。

2011年6月份之前，长江中下游地区发生了近60年来最严重的冬春持续干旱天气，6月中旬，在久旱之后，接连4轮强降水过程的降水量为近60年历史同期最多，长江中下游地区旱涝急转，这一地区遭受严重暴雨洪涝灾害。

旱涝急转使干旱土壤墒情迅速上升，土壤相对湿度急剧增加，部分农作物遭受渍害，对于农作物遭受渍害情况，这里不作分析。

本
文在此主要研究不同深度的土壤相对湿度在旱涝急转天气背景下
的具体变化特征。

一、资料与处理
麻城位于湖北北省东北部，大别山南麓，东经114°40′～115°28′，北纬30°52′～31°36’。

本文选取资料来源于麻城市国家农业气象观测站，资料长度为4年（2008年～2011年）。

土壤相对湿度选取每年4～6月份资料，其中，逢8日观测值为的固定观测地段（植被为杂草）和作物观测地段分别按各层进行合并统计平均，逢3日的土壤相对湿度为固定地段观测值。

固定地段在大气观测场旁10m，作物观测地段距观测场3km，前期（5月28日前）作物为小麦，后期（5月28日后）作物为棉花。

地表径流资料来源于麻城市浮桥河水库。

浮桥河水库位于麻城市以西，距麻城市13km。

浮桥河水库来水量主要来自地表径流，本文用水库库容增加量（降水后最大库容与降水前最低库容之差）来表示流域内地表径流。

二、结果和分析
1.旱涝急转天气背景及降水特点
从2011年1月～ 4月，降水量仅45.0mm，比历年同期少244.3mm，少84%，干旱不断升级，到5月底，累计降水量仅81.4 mm，比历年同期少360.8mm，少82%，部分农作物受灾严重而减产。

从6月10日开始，出现4次大到暴雨，6月17～18日降大暴雨，麻城过程降水量183.6mm，过程降水量最大出现在白果站，为246.7mm。

6月份麻城降水量达390.6mm，比历年同期多216.2mm，多124%。

浮
桥河水库流域面积内的降水量分布为：东部降水量大于西部，南部降水量大于北部，降水量自东南方向向西北方向减少。

2.土壤湿度变化特征
土壤湿度变化主要与降水多少有关[4]，春季取土日前有雨和无雨时总体情况是气象观测场的土湿高于农田，在夏季，固定地段与农田各层土湿为高度正相关[5，6]。

通过对麻城国家农业气象观测站固定地段和作物观测地段土壤湿度变化分析，2008～2010年4～6月，汛前固定地段各层土湿高于农田土湿，入汛后固定地段各层土湿低于农田土湿。

而在2011年4～6月，汛前固定地段土壤湿度各层均低于农田土壤湿度，这反映出偏旱情况下各类农田耕作活动能使土壤有一定的保墒效果，而偏涝时各类农田耕作措施能使土壤湿度有一定程度降低。

将2 011年度与前3年各层土壤湿度平均值进行比较，2011年6月18日以前，固定地段和作物各层土湿均明显低于2008～2010年平均，5月8日达最低水平，并出现5～10cm 干土层。

2008年～2010年4～6月，各层土壤相对湿度均处于较高值，当遇强降水后，就会出现不同层次土壤湿度过饱和现象（土壤含水量≥田间持水量，土壤相对湿度≥100%），而在2011年即使在6月18日大暴雨后，0～50cm土湿没有出现饱和或过饱和土层（见表1）。

由此可以看出，前期干旱较严重时出现旱涝急转天气过程后，各层土壤相对湿度虽也有较大幅度上升，但不易使土壤湿度达到饱和或过饱和状态。

三、旱涝急转天气背景地表径流变化原因分析
1.公式推导
地表径流受气候、降水、地形、地质、植被覆盖率、植被的类型等条件的综合影响。

降水是形成地表径流的重要前提，其强度和持续时间决定着地表径流的产生和径流量的大小，从而影响土壤储水量、地下水位变化。

径流量的大小更多地受降水量和降水强度的共同影响，地表径流与降水前0～20cm的土壤水分呈明显正相关关系[7]。

土壤吸收降水的能力除了与降水量和降水强度有关外，还与土壤容重（d）、土壤重量含水率（田间持水量e）等土壤物理特性和土壤计算深度（h）有关。

如果忽略降水时蒸发损失，假定降水全部被地表吸收和产生地表径流流流入下游水库，根据降水量和土壤湿度的定义和计算方法，我们可以得出一定流域面积内的水库库容增加量（亦即地表径流）的公式如下：
公式中，v：地表径流，s：流域面积，r：降水量，d：土壤容重，e：田间持水量，r：土壤湿度，h：计算深度。

式中流域面积、土壤容重、田间持水量都可以提前计算得出，这里可以看成为一常数。

由公式可知，地表径流与降水量和一定深度内土壤湿度成正比，在降水量确定时，土壤湿度高，地表径流大，土壤湿度低，地表径流小。

2.相关分析
对不同层次的土壤相对湿度与地标径流进行相关分析。

这里，先
考虑降水量对地表径流的贡献，引入一个定义λ：地表径流与降水量的比值，即单位降水量对地表径流的贡献（单位：万m3/mm）。

统计2008年～2010年5～8月间共计20次降水过程降水量和浮桥河水库流域地表径流，计算得出每次降水过程λ值，结果表明，λ数值变化区间较大，在1.600～32.693之间，再计算λ与不同层次土壤相对湿度的单相关系数，结果在0.6044～0.4983之间，浅层相关系数较大，相关系数随深度增加而缓慢降低。

由于土壤水分随深度有其自身的变化规律[8]，土壤水分的不同层次之间存在自相关关系，为避免其对结果造成干扰，将0～50cm各层进行平均后再计算与λ的相关系数，结果为0.5752。

由此可见，λ与0～50 cm土壤水分（相对湿度）呈现显著的正相关关系。

2011年6月，浮桥河水库流域由于前期干旱使土壤相对湿度较低，因此产生的地表径流也较低。

地表径流低，一方面使水库库容增加有限，另一方面也制约了水土流失速率，使发生山洪泥石流地质灾害的几率减少。

四、结论
1.旱涝急转天气背景下，强降水前由于土壤相对湿度较低，强降水后虽然也能使各层土壤湿度显著上升，但不易使土壤含水量达到或超过饱和状态。

2.土壤水分含量的高低，对地表径流产生一定的影响。

由于干旱期土壤湿度低，地表径流但远小于土壤湿度较高时同等降水量级和降水强度时的地表径流。

3.降水径流低，也制约了水土流失速率，发生山洪泥石流地质灾害的几率减少。

参考文献
[1] 王胜，田红，丁小俊，等.淮河流域主汛期降水气候特征及“旱涝急转”现象.[j].中国农业气象，2009，30（1）：31～34.
[2] 唐明，邵东国，姚成林.沿淮淮北地区旱涝急转的成因及应对措施[j].水利水电科学研究院学报， 2007，（ 3）： 26-27 .
[3] 顾万龙，竹磊磊，许红梅.等.swat模型在气候变化对水资源影响研究中的应用[j].生态学杂志， 2010， 29（ 2）： 395-400 .
[4] 国家气象局，农业气象观测规范（上卷）[m]，北京：气象出版社，1993：69～89.
[5] 张学贤，李德，杨太明，等.淮北平原气象观测场与农田土壤湿度对比分析.[j].气象科技，2012，（1）：114～120.
[6] 李树岩，陈怀亮，方文松，等，河南省近20年土壤湿度的时空变化特征分析.[j]，干旱地区农业研究，2007（6）58-64. [7] 朱宝文，陈晓光，郑有飞，等.青海湖北岸天然草地小尺度地表径流与降水关系.[j].冰川冻土，2009，（6）：1074～1079. [8] 卫三平，王立，吴发启.土壤干化的水文生态效应.[j].水土保持学报，2007，21（5）：123～127.
作者简介：刘中新，男，1962年生，高级工程师，主要从事专业气象研究。