渭河流域降雨侵蝕力時(shí)空分布特征

陶望雄, 馬亞鑫， 張 杰， 劉 招， 賈志峰

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410019;2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 3.長(zhǎng)安大學(xué) 水與發(fā)展研究院, 陜西 西安 710054)

渭河流域降雨侵蝕力時(shí)空分布特征

陶望雄1, 馬亞鑫2， 張 杰2， 劉 招3， 賈志峰3

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410019;2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 3.長(zhǎng)安大學(xué) 水與發(fā)展研究院, 陜西 西安 710054)

[目的] 揭示渭河流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征，為區(qū)域水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。 [方法] 根據(jù)渭河流域及其周邊范圍30個(gè)氣象站點(diǎn)1957—2014年逐日降雨資料，采用章文波日降雨量侵蝕模型計(jì)算各站點(diǎn)的降雨侵蝕力，分析其空間分布規(guī)律和年內(nèi)分布特征。 [結(jié)果] 渭河流域多年平均降雨侵蝕力值分布范圍為806.25～3 510.81 MJ·mm/(hm2·h)，平均值1 798.97 MJ·mm/(hm2·h)，與多年平均侵蝕性降雨的空間分布基本一致，總體呈現(xiàn)西北低東南高的趨勢(shì)。渭河流域降雨侵蝕力年內(nèi)變化呈單峰型，主要集中在7—9月，占全年降雨侵蝕力的63.91%。北部黃土高原地區(qū)和關(guān)中平原發(fā)生水土流失的時(shí)期集中在7—9月，而秦嶺北麓地區(qū)5—10月均有可能發(fā)生較大的水土流域，侵蝕風(fēng)險(xiǎn)由西北向東南遞增。流域降雨侵蝕力年際波動(dòng)較大，年際變率Cv值在34%～56%之間，整體而言，流域西北部地區(qū)的降雨侵蝕力年際變化幅度大于東南部地區(qū)。除洛川、長(zhǎng)武、環(huán)縣、平?jīng)?個(gè)站點(diǎn)降雨侵蝕力在研究時(shí)段內(nèi)有所增大外，其余地區(qū)降雨侵蝕侵蝕力呈不同速率的減小趨勢(shì)。 [結(jié)論] 渭河流域降雨侵蝕力時(shí)空分布差異顯著，盡管流域降雨侵蝕力呈減弱趨勢(shì)，由于流域地處黃土高原，水土保持與水源涵養(yǎng)工作仍需高度重視。

渭河流域; 侵蝕性降雨; 降雨侵蝕力; 時(shí)空分布; 年際分布

降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩豙1]，在全球氣候變化的背景下，降雨變化對(duì)土壤侵蝕過程產(chǎn)生著深刻的影響。降雨侵蝕力反映由降雨引起的土壤侵蝕的潛在能力，是建立通用土壤流失方程(USLE)中的一個(gè)基本因子[2]，也是表征降雨引起土水土流失的重要指標(biāo)[3]。因此，研究降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征，對(duì)認(rèn)知水土流失規(guī)律、流域綜合治理、優(yōu)化水土保持措施等具有重要意義。1958年美國(guó)學(xué)者Wischmeier[4]首次提出，以次降雨總動(dòng)能E與30 min最大降雨強(qiáng)度I30的乘積作為衡量降雨侵蝕能力大小的指標(biāo)。但是由于次降雨資料的獲取難度大，且計(jì)算過程繁瑣，國(guó)內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上先后提出了降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法和模型，王萬(wàn)忠等[5-12]以全國(guó)125個(gè)站點(diǎn)資料為基礎(chǔ)，通過計(jì)算多年平均降雨特征參數(shù)得到全國(guó)降雨侵蝕力空間分布情況。章文波等[12]建立了利用日雨量直接估算逐年半月降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法模型。

渭河流域位于黃土高原地區(qū)，是黃河流域水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，渭河也是黃河來沙量最多的一級(jí)支流。目前，已有學(xué)者對(duì)黃土高原不同區(qū)域的降雨侵蝕力進(jìn)行了相關(guān)研究，如吳德勇等[6]以隴東地區(qū)8個(gè)區(qū)縣氣象站日降雨量資料為基礎(chǔ)，分析了該區(qū)域侵蝕性降雨和降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征；穆興民等[7]對(duì)陜北黃土高原區(qū)降雨侵蝕力的季節(jié)性差異、時(shí)間和空間分布進(jìn)行了研究。盡管關(guān)于渭河流域降雨的研究很多[8-9]，然而涉及整個(gè)渭河流域降雨侵蝕力的相關(guān)研究尚未見報(bào)道，因此，本研究基于ArcGIS軟件平臺(tái)和渭河流域各氣象站日降雨量資料，采用章文波提出的降雨量侵蝕力模型計(jì)算渭河流域的降雨侵蝕力，分析渭河流域雨侵蝕力的時(shí)空分布特征和演變規(guī)律，旨在為渭河流域進(jìn)一步開展土壤侵蝕評(píng)價(jià)和水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

渭河是黃河第一大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣西南的鳥鼠山北側(cè)，于陜西省潼關(guān)處流入黃河，流域面積1.35×105km2。流域北部為黃士高原，南部為秦嶺山區(qū)，地形差異較大，表現(xiàn)為西高東低，地貌主要有黃土丘陵區(qū)、黃土塬區(qū)、土石山區(qū)、黃土階地區(qū)、河谷沖積平原區(qū)等。流域處于干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)的過渡地帶，多年平均降水量572 mm，降水量變化趨勢(shì)是南多北少，山區(qū)多而盆地河谷少，年際變化較大，年內(nèi)時(shí)程分布不均勻[9]。該區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度大，全流域侵蝕模數(shù)大于5 000 t/(km2·a)的強(qiáng)度水蝕面積4.88×104km2，占黃土高原地區(qū)同類面積的25.5%，水土流失面積1.04×105km2，占渭河流域總面積的76.9%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

利用渭河流域及其周邊范圍30個(gè)氣象站點(diǎn)1957—2014年的20～20 h降雨量(24 h降雨量)數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局，對(duì)站點(diǎn)的缺測(cè)數(shù)據(jù)采用相鄰7 d滑動(dòng)平均，進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。以日降雨量≥12 mm作為侵蝕性降雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，計(jì)算流域各個(gè)站點(diǎn)侵蝕性降雨及降雨侵蝕力。

2 研究方法

2.1 降雨侵蝕力計(jì)算

采用章文波等[12]提出的降雨量侵蝕力模型進(jìn)行計(jì)算，該模型主要利用日降雨量進(jìn)行計(jì)算，且已在中國(guó)大部分地區(qū)成功運(yùn)用。計(jì)算時(shí)，將全年劃分為24個(gè)半月時(shí)段，半月時(shí)段的劃分以每月15日為界，每月前15 d作為一個(gè)半月時(shí)段，剩下部分則作為另一個(gè)半月時(shí)段。模型計(jì)算公式為[12-14]：

(1)

式中：Ri——第i個(gè)半月時(shí)段內(nèi)的降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h)〕，k=1,2,3,…，m，表示該半月時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)；Di——半月時(shí)段內(nèi)第j天的日降雨量，該降雨量按照侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，要求Dj≥12mm，否則記為0；α，β——模型參數(shù)，與研究區(qū)域的降雨特征有關(guān)，其計(jì)算公式為：

α=21.586β-7.189 1

(2)

(3)

式中：Pd12——日降雨量≥12mm的日平均降雨量(即1a中日降雨≥12mm的降雨量總和與相應(yīng)天數(shù)之比);Py12——日降雨量的年平均降雨量(即全年中≥12mm的日降雨量年累加值的多年平均)。利用公式(1)—(3)計(jì)算逐年各半月的降雨侵蝕力，累積即可得到年降雨侵蝕力。

2.2 氣候傾向率

利用氣象要素的時(shí)間序列，建立其與相應(yīng)時(shí)序之間的一元線性回歸方程，該方法可以用來判斷水文氣象序列變化的趨勢(shì)性[13-14]。設(shè)Y為某一氣象變量，t為時(shí)間，建立Y與t之間的回歸方程為：

Yi=a+bti

(4)

式中：Yi——?dú)庀髸r(shí)間序列；ti——時(shí)間；b——線性趨勢(shì)項(xiàng)(即斜率)；a——截距。把b×10稱為氣象要素每10 a的氣候傾向率(10 a)。b大于0時(shí)，氣候要素序列隨時(shí)間遞增，否則遞減。且b的絕對(duì)值越大，趨勢(shì)越明顯，否則無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果分析

3.1 侵蝕性降雨特征分析

基于30個(gè)氣象站點(diǎn)的日降雨資料，匯總得到每個(gè)站點(diǎn)的年均降雨量和年均侵蝕性降雨量，采取線性回歸法構(gòu)建侵蝕性降雨量與降雨量之間的相關(guān)關(guān)系，由圖1可知，兩者相關(guān)系數(shù)為0.940 3(p<0.01)，正相關(guān)性顯著。因此本文著重研究侵蝕性降雨的空間分布特征。

利用ArcGIS工具采用反距離權(quán)重法[15-16]將30個(gè)站點(diǎn)的多年平均侵蝕性降雨量進(jìn)行空間插值，得到渭河流域多年平均侵蝕性降雨空間分布圖(圖2)。從圖2可以看出，渭河流域年平均侵蝕性降雨呈現(xiàn)從東南向西北遞減的趨勢(shì)，變化于532.4 mm(華山)到196.1 mm(西吉)之間。吳旗—平?jīng)觥焖捌湮鞅辈康纳嫌蔚貐^(qū)年均侵蝕性降雨量在300 mm以下，寶雞—銅川一線南部的關(guān)中平原地區(qū)侵蝕性降雨在均400 mm以上，中部地區(qū)侵蝕性降雨位于300～400 mm之間。

圖1 渭河流域多年平均侵蝕性降雨、降雨侵蝕力、多年平均降雨量相關(guān)關(guān)系

3.2 降雨和侵蝕性降雨的年內(nèi)分布特征

降雨的年內(nèi)分布特征是流域水土流失一個(gè)重要影響因子[15]，圖3為渭河流域降雨量和侵蝕性降雨量及其各自降雨日數(shù)的年內(nèi)分配情況。從降雨量來看，渭河流域多年平均降雨量為539.26 mm，多年平均降雨量年內(nèi)分布呈單峰型，主要集中在7—10月，該時(shí)段的降雨量達(dá)到349 mm，占到年均降雨量的64.89%。流域侵蝕性降雨主要集中在6—9月，占全年總侵蝕性降雨量的77.26%，在6—9月中，侵蝕性降雨量在當(dāng)月降雨量中所占的比例也超過了60%，最大為80.39%，最小為67.74%。說明渭河流域6—9月降水較為集中，且大于等于12 mm的降水事件占較高的比例，使得該時(shí)期降水對(duì)土壤的侵蝕較為嚴(yán)重，這也是渭河流域汛期徑流泥沙較大的原因之一。年內(nèi)降雨日數(shù)分布特征與降雨量分布一致，仍然呈現(xiàn)單峰型，最大降雨日數(shù)出現(xiàn)在8月，最小降雨日數(shù)出現(xiàn)在12月，7—10月降雨日數(shù)占全年降雨日數(shù)的46.39%。侵蝕性降雨日數(shù)主要集中在7—9月，占全年侵蝕性降雨日數(shù)的58.57%。

通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，渭河流域年侵蝕性降雨量占全年總降雨量的60.82%，但年侵蝕性降雨日數(shù)僅占全年總降雨日數(shù)的13.73%，說明降雨量和降雨強(qiáng)度較大、發(fā)生頻次較小的降雨事件是引起該區(qū)域土壤侵蝕的主要原因之一。

圖2 渭河流域1967—2014年侵蝕性降雨空間分布

圖3 渭河流域1957—2014年多年平均侵蝕性降雨量及降雨日數(shù)的月分布

3.3 降雨侵蝕力空間變化分布特征

利用公式(1)—(3)式計(jì)算逐年24個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力，得到渭河流域各個(gè)站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力，通過反距離權(quán)重空間插值法得到流域多年平均降雨侵蝕力空間分布圖(圖4)。

圖4 1957—2014年渭河流域降雨侵蝕力空間分布

由圖4可見，降雨侵蝕力與侵蝕性降雨具有相似的空間分布特征，渭河流域降雨侵蝕力值的分布范圍

為806.25～3510.81 MJ·mm/(hm2·h)，平均值為1 798.97 MJ·mm/(hm2·h)，標(biāo)準(zhǔn)差為768.69 MJ·mm/(hm2·h)，表明降雨侵蝕力空間差異較大。流域多年平均降雨侵蝕力從東南往西北呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢(shì)，在華山和佛坪兩地形成高值區(qū)，分別為3 509.51，4 017.81 MJ·mm/(hm2·h)。其中，靠近秦嶺北麓地區(qū)的降雨侵蝕力平均在3 000 MJ·mm/(hm2·h)以上，關(guān)中平原在2 000～3 000 MJ·mm/(hm2·h)之間，渭北黃土高原地區(qū)降雨侵蝕力小于2 000 MJ·mm/(hm2·h)。

從表1可以看出，渭河流域降雨侵蝕力年際波動(dòng)較大，年際變率Cv在34%～56%之間，波動(dòng)最大的站點(diǎn)是平?jīng)稣荆珻v值為55.74%，降雨侵蝕力極值比達(dá)到了11.48倍；華山的年際波動(dòng)最小，降雨侵蝕力最大值與最小值比值為5.51倍。渭河流域降雨侵蝕力Cv值的變化規(guī)律與年降雨侵蝕力的空間變化規(guī)律相反，Cv值由流域的西北部向東南部遞減，說明流域西北部的降雨侵蝕力年際變化幅度大部東南部，隨著侵蝕性降雨的增加，降雨侵蝕力年際變化幅度增大。

表1 渭河流域部分氣象站點(diǎn)降雨侵蝕力的年際變化特征

將渭河流域各個(gè)站點(diǎn)的降雨侵蝕力序列與時(shí)間建立線性相關(guān)關(guān)系，計(jì)算出序列與時(shí)間擬合的趨勢(shì)線斜率，利用ArcGIS軟件把結(jié)果反映到空間上，得出渭河流域降雨侵蝕力變化速率空間分布特征和規(guī)律(圖5)。圖5表明，渭河流域年降雨侵蝕力的變化速率存在明顯的空間差異，流域內(nèi)除洛川、環(huán)縣、長(zhǎng)武、平?jīng)?個(gè)站點(diǎn)年降雨侵蝕力呈上升趨勢(shì)以外，其余站點(diǎn)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中，流域西北部地區(qū)以及渭南地區(qū)下降速率最快，主要集中在臨兆、華家?guī)X和華山站點(diǎn)附近，其余地區(qū)的年降雨侵蝕力呈緩慢下降的變化趨勢(shì)。究其原因，除極端降水對(duì)降雨侵蝕力的影響之外，主要原因在于渭河流域1957—2014年降雨量的大幅度減少，降雨量的大小是影響降雨侵蝕力的主要因素，在西北地區(qū)降雨量呈減少趨勢(shì)的大背景下，降雨對(duì)渭河流域土壤的侵蝕作用會(huì)有所減弱，但是由于渭河流域70%的面積為黃土地區(qū)，易遭受雨水的沖刷，因此，仍不能放松流域的水土保持與涵養(yǎng)工作。

圖5 渭河流域降雨侵蝕力變化速率空間分布

3.4 降雨侵蝕力年內(nèi)分布特征

由圖6可以看出，流域年內(nèi)降雨侵蝕力的分布特征與降雨量、侵蝕性降雨量基本一致，隨季節(jié)變化明顯，夏秋季節(jié)降雨侵蝕力較大，冬春季節(jié)較小，且均呈現(xiàn)單峰型，降雨侵蝕力在7—8月達(dá)到峰值，7—9月的降雨侵蝕力占到了全年的63.91%，而12月到次年2月這3個(gè)月的降雨侵蝕力總和僅占全年的0.29%，可見降雪與融雪形式產(chǎn)生的降雨侵蝕力非常微弱，可以不計(jì)。另外，不同區(qū)域降雨的集中程度不同，使得降雨侵蝕力的集中程度也有差別，渭北黃土高原地區(qū)和關(guān)中地區(qū)8月份降雨侵蝕力最大，7—9月分別占到全年降雨侵蝕力的74.71%和65.99%，靠近秦嶺北麓7月份降雨侵蝕力最大，7—9月占全年降雨侵蝕力的59.23%，而5—10月占到了88.06%。以渭北環(huán)縣站與秦嶺北麓華山站為例，華山站的降雨量和侵蝕性降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)縣站，環(huán)縣站峰值月(8月)降雨侵蝕力占全年的31.65%，而華山站峰值月(7月)降雨侵蝕力僅占全年的23.25%，由此可見，夏季降雨尤其是汛期極端降雨時(shí)導(dǎo)致降雨侵蝕力數(shù)值偏大的主要原因，渭北黃土高原地區(qū)降雨量偏少但降雨相對(duì)集中，使得發(fā)生水土流失的時(shí)期較為集中，其次是關(guān)中平原，秦嶺北麓因降雨相對(duì)分散，5—10月均可能發(fā)生較大的水土流失。

圖6 渭河流域1957—2014年降雨侵蝕力年內(nèi)分配特征

4 結(jié) 論

(1) 渭河流域多年平均降雨侵蝕力與侵蝕性降雨空間分布特征基本一致，其空間變化的總體趨勢(shì)呈現(xiàn)西北低東南高。流域降雨侵蝕力多年平均值變化范圍在806～3 510 MJ·mm/(hm2·h)之間，靠近秦嶺北麓最高，關(guān)中次之，渭北黃土高原最低，降雨侵蝕危險(xiǎn)性由西北向東南逐漸增大。

(2) 渭河流域降雨侵蝕力年際波動(dòng)較大，年際變率在34%～56%之間，整體而言，流域西北部的降雨侵蝕力年際變率大于東南部區(qū)域，隨著侵蝕性降雨量增大，降雨侵蝕力的年際變化幅度增大；除洛川、長(zhǎng)武、平?jīng)?、環(huán)縣4個(gè)站點(diǎn)降雨侵蝕力有增大外，其余氣象站的降雨侵蝕力均呈現(xiàn)不同速率的減小趨勢(shì)，表明1957—2014年研究區(qū)域降雨侵蝕力呈減弱態(tài)勢(shì)，但渭河流域70%的面積處在黃土高原，易受雨水侵蝕，因此仍不能放松流域的水土保持與涵養(yǎng)工作。

(3) 渭河流域降雨侵蝕力主要集中在夏、秋兩季，年內(nèi)分布均呈現(xiàn)單峰型，峰值多出現(xiàn)在7和8月，與降雨和侵蝕性降雨分布相似。渭北黃土高原和關(guān)中平原大部分地區(qū)土流失主要發(fā)生在7—9月，造成水土流域的主要原因是降雨集中，而靠近秦嶺地區(qū)從5月開始至10月，均有可能發(fā)生較大的水土流失，因該區(qū)域降雨量較大，且降雨相對(duì)分散。

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Spatial and Temporal Variations of Rainfall Erosivity in Weihe River Basin

TAO Wangxiong1, MA Yaxin2， ZHANG Jie2, LIU Zhao3, JIA Zhifeng3

(1.ChangshaEngineering&ResearchInstituteLdt.ofNonferrousMetallurgy,Changsha,Hu’nan410019,China; 2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.ResearchInstituteofWaterandDevelopment,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] To study the temporal variability and spatial distribution of rainfall erosivity in Weihe River basin in order to provide a reference for soil and water conservation. [Methods] Based on the daily rainfall data from 1957 to 2014 in 30 meteorological stations in Weihe River basin, the rainfall erosivity model proposed by Zhang Wenbo was used to calculate the rainfall erosivity, and its temporal variability and spatial distribution were analyzed. [Results] The range of annual rainfall erosivity in Weihe River basin was 806～4 017.81 MJ·mm/(hm2·h) with an average value of 1 798.97 MJ·mm/(hm2·h). The average annual erosivity decreased from the northwest to the southeast in general. There was strong correlation between the average annual erosive rainfall and the rainfall erosivity, and they had similar spatial distribution. The rainfall erosivity from July to September account for 63.91% of the total annual rainfall erosivity, showing an unimodal annual variation. Soil water loss was found mainly concentrated from July to September in the northern of the Loess Plateau and Guanzhong region. Great soil erosion might potentially occurred from May to October in Qinling Mountains. The risk of erosion increased from the northwest to the southeast; The inter-annual change of rainfall erosivity in Weihe River basin was obvious with theCvvalue ranging from 34% to 56%.Cvvalue of rainfall erosivity in northwest region was larger than that in southeast region in general. The annual rainfall erosivity of most areas in Weihe River basin showed upward trend with different rates, except for the decline trends of Luochuan， Changwu，Huanxian and Pingliang stations. [Conclusion] There were significant differences of rainfall erosivity in spatial and temporal distribution. Although rainfall erosivity in Weihe River basin showed a decreasing trend, soil and water conservation work is still very important.

Weihe River basin; erosive rainfall; rainfall erosivity; spatial distribution; inter-annual distribution

2015-07-24

2015-09-23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)“土壤凝結(jié)水形式機(jī)制研究”(310829161003); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(310850151100); 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015JM5256)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)“西北地區(qū)節(jié)水灌溉模式對(duì)地下水的影響”(310829161010)

陶望雄(1991—),男(漢族),湖南省益陽(yáng)市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。E-mail:741821194@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.018

A

1000-288X(2016)06-0110-05

S157.1， TV141

文獻(xiàn)參數(shù)： 陶望雄, 馬亞鑫，張杰等.渭河流域降雨侵蝕力時(shí)空分布特征 [J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：110-114.