最近30年河龍區(qū)間降雨侵蝕力的時(shí)空演變特征

劉建祥，李智廣，張曉萍，李銳，許曉鴻，周鴻文

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;4.吉林省水土保持科學(xué)研究院，130033，長春;5.黃河水利委員會(huì)水文局，450004，鄭州)

河口鎮(zhèn)(內(nèi)蒙古境內(nèi))—龍門(陜西境內(nèi))區(qū)間(簡稱河龍區(qū)間)位于黃河中游，是黃河流域水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，作為黃河中游粗泥沙的集中來源區(qū)，也是黃河泥沙問題的癥結(jié)所在［1-3］。定量預(yù)報(bào)監(jiān)測水土流失量對于科學(xué)合理有效地制訂河龍區(qū)間水土流失治理戰(zhàn)略目標(biāo)，推進(jìn)區(qū)域水土流失治理工作意義重大。由于雨滴擊濺作用和降雨產(chǎn)生的徑流，降雨是土壤侵蝕最主要的動(dòng)力，作為代表降雨引起土壤侵蝕潛在能力的指標(biāo)——降雨侵蝕力R是目前世界上應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕定量評價(jià)模型通用土壤流失方程USLE和修正通用土壤流失方程RUSLE方程中的一個(gè)最基本因子［4-5］。

通用土壤流失方程中利用次降雨總動(dòng)能和30 min最大降雨強(qiáng)度的乘積作為度量降雨侵蝕力的指標(biāo)，需要詳細(xì)的降雨過程資料并且計(jì)算過程繁瑣，我國的許多學(xué)者開發(fā)了利用月降雨量、年降雨量計(jì)算降雨侵蝕力的簡易方法［6-9］;但是在計(jì)算土壤流失量時(shí)降雨侵蝕力的分配與植被覆蓋變化情況的配合狀況對土壤侵蝕影響很大，降雨侵蝕力的分配是作物覆蓋與管理因子的重要參考，并且植被覆蓋可能在月內(nèi)變化較大［10］，顯然月尺度上的降雨侵蝕力不能滿足精確分析的要求。一些學(xué)者開展了黃河流域降雨侵蝕力的研究工作［11-16］，研究區(qū)域主要集中于黃土高原地區(qū)20世紀(jì)的月、年尺度上降雨侵蝕力的變化特征，而21世紀(jì)新形勢下降雨侵蝕力的變化分布情況研究較少。利用降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值時(shí)，雨量站的數(shù)量決定了插值的精確度，但是以往研究資料主要來源于國家氣象局的共享數(shù)據(jù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)［17］，黃土高原地區(qū)雨量站基本在100個(gè)左右，對降雨的插值精度有一定影響。筆者盡可能地收集更多氣象站點(diǎn)的降雨資料，選用半月降雨侵蝕力模型計(jì)算降雨侵蝕力，以滿足新時(shí)期形勢下降雨侵蝕力精確分析的要求。

筆者利用收集的1981—2010年河龍區(qū)間各縣氣象站的日降雨量數(shù)據(jù)研究半月、月、季節(jié)、年尺度上降雨侵蝕力的分布和變化情況，以期為制訂新時(shí)期水土保持規(guī)劃等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河龍區(qū)間位于黃河中游上段，涉及陜西、山西、內(nèi)蒙古3省區(qū)50個(gè)縣，面積約11.3萬km2，是黃土高原的主要組成部分。地形以黃土丘陵溝壑區(qū)為主。區(qū)間屬于溫帶大陸性氣候，年均溫6～14℃，年均降雨量300～550 mm，且主要集中于7—9月，占全年降雨量的66%。植被以草原為主，自東南向西北依次分布著森林草原、干旱草原、荒漠草原3個(gè)亞帶。區(qū)間有83.45%的土地為水土流失區(qū)，多年平均輸沙量9.08億t，占黃河總沙量的57%;多年平均粗沙輸沙量2.236億t，占黃河全年粗沙輸沙量的72%，占河龍區(qū)間總輸沙量的29%［18］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

收集了河龍區(qū)間內(nèi)部及周邊的各縣共96個(gè)氣象站1980—2010年日降雨量數(shù)據(jù)。通過與中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的本區(qū)域中國地面氣象資料日值數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和空間連續(xù)性分析方法，即將數(shù)據(jù)的侵蝕性降雨量［19］(≥12 mm)多年平均值進(jìn)行空間點(diǎn)繪形成等值線圖，如果某點(diǎn)數(shù)值明顯與周圍站點(diǎn)差異較大，首先分析是否由于地形或其他因素的影響，確認(rèn)無明顯影響情況下，則認(rèn)為該點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠性較低，認(rèn)為是無效站，不參與計(jì)算，對站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，最終確定95個(gè)氣象站點(diǎn)的1981—2010年共30年的日降雨量序列數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)。

2.2 降雨侵蝕力計(jì)算

有研究發(fā)現(xiàn)以日降雨量資料計(jì)算降雨侵蝕力精度最高，并且計(jì)算出半月降雨侵蝕力可以滿足更精確時(shí)間尺度分析的要求［20］。

式中:R半月k為第 k個(gè)半月的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h);Pdj為第k半月第j日≥12 mm的日降雨量;每月前15 d為上半月，后面為下半月，全年分24個(gè)半月;α、β為回歸系數(shù);Pd12表示日降雨量≥12 mm的日平均值，mm;Py12表示日降雨量≥12 mm的年平均值，mm。

在計(jì)算出各氣象站點(diǎn)半月降雨侵蝕力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行KRIGING空間插值［21］，柵格分辨率為100 m，得到區(qū)間的半月降雨侵蝕力;月、季節(jié)、年降雨侵蝕力由各相關(guān)半月降雨侵蝕力相加得到。

2.3 時(shí)空變化分析

對半月、月、季節(jié)、年降雨侵蝕力進(jìn)行趨勢分析［22］，研究不同時(shí)間尺度上降雨侵蝕力隨時(shí)間的變化情況。

對每個(gè)柵格的降雨侵蝕力進(jìn)行線性回歸分析空間變化情況［23］。

式中:i為年序號;Ri為第 i年的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)。某像元的趨勢線為該像元平均降雨侵蝕力用一元線性回歸模型模擬出來的趨勢，S為斜率，當(dāng)S＞0時(shí)，表明該像元代表的降雨侵蝕力在逐年增加，反之則是狀況變差，S值在一定程度上反映了該像元降雨侵蝕力的變化程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)空分布

3.1.1 時(shí)間分布 河龍區(qū)間多年平均降雨侵蝕力為 657.97 MJ·mm/(hm2·h·a)，最小值為 287.98 MJ·mm/(hm2·h·a)，最大值為 1 027.50 MJ·mm/(hm2·h·a)。7月下半月降雨侵蝕力最大，為94.56 MJ·mm/(hm2·h·a)，占全年降雨侵蝕力的 14.37%;其次為8月上半月和8月下半月，分別為93.98和91.09 MJ·mm/(hm2·h·a)(表 1)。月尺度上(表1)，8 月降雨侵蝕力最大為185.07 MJ·mm/(hm2·h·a)，占全年降雨侵蝕力的28.13%;其次為7月，占26.95%;9月和6月分別占15.05%和13.23%;6—9月的降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的83.36%。區(qū)間降雨侵蝕力分布不均，主要集中于夏季，占全年降雨侵蝕力的 68.31% ，為 449.48 MJ·mm/(hm2·h·a);冬季降雨侵蝕力最小，只占全年的0.14%(表2)。區(qū)間平均降雨侵蝕力并不大，但是時(shí)間分布非常集中。

3.1.2 空間分布 年降雨侵蝕力在河龍區(qū)間基本呈西北向東南增加趨勢，內(nèi)蒙古自治區(qū)降雨侵蝕力偏低，山西省降雨侵蝕力普遍較高(圖1)。從降雨侵蝕力等值線圖(圖2)可以看出，區(qū)間有3個(gè)多年平均降雨侵蝕力 ＜400 MJ·mm/(hm2·h·a)的中心，分別位于皇甫川中游以及窟野河和芝河上游。降雨侵蝕力 ＞800 MJ·mm/(hm2·h·a)的中心主要分布于山西省的三川河與嵐漪河之間的地區(qū)以及區(qū)間的南部。

表1 1981—2010年半月、月平均降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)表Tab．1 Statistics of half monthly-averaged and monthlyaveraged rainfall erosivity from 1981 to 2010

表1(續(xù))

表2 1981—2010年季節(jié)平均降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)表Tab．2 Statistics of average rainfall erosivity of season from 1981 to 2010

3.2 時(shí)空變化

3.2.1 時(shí)間變化 30年來，河龍區(qū)間總體降雨侵蝕力呈不顯著的減小趨勢，趨勢線斜率為-1.19(圖3)。從年代上分析，20世紀(jì)80年代均值為691.31 MJ·mm/(hm2·h·a)，20 世紀(jì) 90 年代為621.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，21 世紀(jì) 10 年代為663.73 MJ·mm/(hm2·h·a)，年代均值呈減少趨勢。

圖1 多年平均降雨侵蝕力空間分布圖Fig．1 Spatial distribution of annual average rainfall erosivity

圖2 多年平均降雨侵蝕力等值線空間分布圖Fig．2 Spatial distribution of isogram of annual average rainfall erosivity

對夏季各月的半月降雨侵蝕力進(jìn)行趨勢分析(圖4)，可以看出，7月和8月下半月呈不顯著增加趨勢，6月上下半月、7月和8月上半月表現(xiàn)出不顯著下降趨勢，其中7月上半月下降最大，趨勢線斜率為-2.67，其次為 6月下半月，趨勢線斜率為-1.27。

圖3 年降雨侵蝕力時(shí)間變化Fig．3 Time variation of rainfall erosivity at year

6—9月各月中，6月和7月呈下降趨勢，其中7月下降最大，趨勢線斜率為2.42，8月和9月呈增加趨勢，9月增加趨勢最大，趨勢線斜率為2.23(圖5)。

季節(jié)尺度上(圖6)，春夏季節(jié)降雨侵蝕力表現(xiàn)出下降趨勢，秋冬季節(jié)表現(xiàn)出增加趨勢。春、夏、秋、冬各季節(jié)趨勢線斜率分別為-0.69、-3.07、2.56和0.01。

可以發(fā)現(xiàn)，河龍區(qū)間年降雨侵蝕力減少主要是因?yàn)橄募窘涤昵治g力發(fā)生了減少，并且7月的上半月對降雨侵蝕力的減少貢獻(xiàn)最大。

圖4 夏季半月降雨侵蝕力時(shí)間變化圖Fig．4 Time variation of rainfall erosivity at half months in summer

圖5 6—9月月降雨侵蝕力時(shí)間變化圖Fig．5 Time variation of rainfall erosivity at months from June to September

圖6 季節(jié)降雨侵蝕力變化Fig．6 Time variation of rainfall erosivity at season

3.2.2 空間變化 空間上，30年來降雨侵蝕力增加的面積為3.56萬km2，占區(qū)間總面積的31.55%;減少的面積為7.72萬km2，占68.45%?？梢钥闯觯育垍^(qū)間30年來總體上降雨侵蝕力呈減少的趨勢。增加趨勢斜率最大值為9.99，減少趨勢斜率最大值為10.04。為方便空間定量分析降雨侵蝕力的變化程度，按照降雨侵蝕力變化值劃分為6個(gè)等級(劇烈減少，-11～-8;中度減少，-8～-4;輕度減少，-4～0;輕度增加，0～4;中度增加，4～8;劇烈增加，8～10)，其中面積最大的為輕度減少5.56萬km2，占49.35%;其次為輕度增加，占22.78%;再次為中度減少，占18.68%;中度增加、劇烈增加和劇烈減少的面積較小，總共占河龍區(qū)間總面積的9.19%。

年降雨侵蝕力增加的地區(qū)主要集中于河龍區(qū)間西北部和東南部(圖7)，并且這些地區(qū)大部分降雨侵蝕力普遍較低。增加趨勢最大的地區(qū)集中于窟野河和芝河上游，以及無定河中游的北部。減少趨勢最大的地區(qū)位于無定河、渾河和縣川河下游，三川河上游。

圖7 年降雨侵蝕力空間變化圖Fig．7 Spatial variation of annual rainfall erosivity

通過分析河龍區(qū)間降雨侵蝕力變化貢獻(xiàn)最大的7月上半月降雨侵蝕力空間變化(圖8)發(fā)現(xiàn):7月上半月降雨侵蝕力呈增加趨勢的面積僅為1 264.7 km2，占1.12%，其他地區(qū)均呈減少趨勢。增加趨勢斜率最大為1.08，最小趨勢斜率為6.53。

圖8 7月上半月降雨侵蝕力空間變化圖Fig．8 Spatial variation of rainfall erosivity at the first half of July

同樣將趨勢值進(jìn)行分級(劇烈減少，-7～-4;中度減少，-4～-2;輕度減少-2～0;輕度增加0～2)，河龍區(qū)間7月上半月降雨侵蝕力主要為中度減少，占76.48%;其次為輕度減少，占17.06%;劇烈減少占5.34%。增加的區(qū)域位于窟野河上游，劇烈減少的區(qū)域位于湫水河上游、無定河中游和下游以及孤山川的中游。

4 結(jié)論

1)河龍區(qū)間平均降雨侵蝕力不大，但是時(shí)間分布非常集中。多年平均降雨侵蝕力為657.97 MJ·mm/(hm2·h·a)，半月尺度上，7 月下半月降雨侵蝕力最大，為 94.56 MJ·mm/(hm2·h·a)，占全年降雨侵蝕力的14.37%。月尺度上，8月降雨侵蝕力最大，為 185.07 MJ·mm/(hm2·h·a)，占全年降雨侵蝕力的28.13%，6—9月的降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的83.36%。夏季降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的68.31%。

2)30年來，河龍區(qū)間總體降雨侵蝕力呈不顯著的減小趨勢，趨勢線斜率為-1.189 3。從年代上分析，年代均值呈減少趨勢。7月上半月降雨侵蝕力的減少對區(qū)間年降雨侵蝕力的減少貢獻(xiàn)最大，7月和8月下半月呈不顯著地增加趨勢，6月上下半月、7月和8月上半月表現(xiàn)出不顯著的下降趨勢。6月和7月呈下降趨勢，8月和9月呈增加趨勢。季節(jié)尺度上，春夏季節(jié)降雨侵蝕力表現(xiàn)出下降趨勢，秋冬季節(jié)表現(xiàn)出增加趨勢。

3)降雨侵蝕力增加的面積為3.56萬km2，占區(qū)間總面積的31.55%;減少的面積為7.72萬km2，占68.45%，其中面積最大的為輕度減少。年降雨侵蝕力增加的地區(qū)主要集中于河龍區(qū)間西北部和東南部。7月上半月降雨侵蝕力呈增加趨勢的面積僅為1 264.7 km2，占1.12%，其他地區(qū)均呈減少趨勢。

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