烏江流域1956-2014年降雨特征及輸沙效應(yīng)

鄔玉琴, 何太蓉,2, 鐘博星

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶401331; 2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331)

據(jù)《第一次全國水利普查水土保持情況公報(bào)》報(bào)道[1]，2011年全國土壤侵蝕總面積為2.95×106km2，其中水力侵蝕面積達(dá)1.29×106km2，占總侵蝕面積的43.85%，因水土流失引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題較為嚴(yán)峻[2]。引發(fā)水土流失的因素較多，如降雨、徑流、坡度、坡長、植被、土壤可蝕性等，而降雨是水土流失產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿σ蜃樱涤炅?、降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度也影響著水土流失的強(qiáng)弱程度[3]。因此研究流域降雨特征與輸沙效應(yīng)是水土保持研究工作中的重要內(nèi)容之一，可為流域水土流失防治提供理論依據(jù)。

近年來，基于流域氣象站點(diǎn)長期觀測數(shù)據(jù)，有學(xué)者對(duì)多個(gè)流域降雨特征進(jìn)行了對(duì)比研究。如任國玉等[4]利用降水趨勢系數(shù)和降水傾向率對(duì)比分析1951—1996年黃河流域和長江中下游地區(qū)降雨特征，發(fā)現(xiàn)前者夏季降雨量和年均降雨量呈現(xiàn)出微弱下降趨勢，而后者降雨量則顯著增加。陳峪等[5]利用變異系數(shù)和降水傾向率等方法對(duì)1956—2000年中國北方流域與南方流域降雨特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)北方流域降雨量年際變化更大，降雨量更少，因此水資源不僅匱乏而且不穩(wěn)定。也有學(xué)者針對(duì)特定流域降雨特征的分析。如曾小凡等[6]利用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)、IDW空間插值和EOF(經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù))方法研究了金沙江流域1961—2010年降雨的時(shí)空演變特征；唐亦漢等[7]利用Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)和Kriging空間插值揭示了珠江流域1959—2012年不同降雨指數(shù)時(shí)空變化及影響。當(dāng)然，在輸沙效應(yīng)研究方面，也有不少學(xué)者對(duì)流域輸沙量的影響因素進(jìn)行了探究。如杜俊等[8]研究了社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子(人口、土地利用、農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)、宏觀經(jīng)濟(jì)狀況)對(duì)長江上游侵蝕產(chǎn)沙格局和強(qiáng)弱的影響。郭小云等[9]分析了呼圖壁河流域降雨、徑流、人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響。唐麗霞等[10]以遙感影像為數(shù)據(jù)源，研究了清水河流域輸沙量對(duì)土地利用變化和降雨量變化的響應(yīng)。綜上，以往關(guān)于輸沙效應(yīng)及其影響因素的分析大多注重于綜合因素的探討，對(duì)區(qū)別不同因素的影響強(qiáng)弱研究較少[11]，且將流域降雨特征及輸沙效應(yīng)結(jié)合起來的分析并不多見，二者的關(guān)系研究也相對(duì)薄弱。

烏江是長江上游南岸最大的支流，也是三峽水庫最主要的水源補(bǔ)給河流之一[12]。流域內(nèi)喀斯特地貌廣布，加之長年受人為破壞和自然因素的綜合影響，流域內(nèi)水土嚴(yán)重流失，生態(tài)環(huán)境脆弱，河流攜沙量較高，部分地區(qū)甚至導(dǎo)致石漠化，這也成為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制性因素[13-15]。目前該流域的相關(guān)研究有植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化[16]、土壤侵蝕現(xiàn)狀及模擬預(yù)測[17-18]、水土流失及防治[19]、水文過程[20]以及流域中上游地區(qū)降雨集中度的變化特征[21]等。但涉及全流域不同時(shí)間尺度各降雨要素變化且與輸沙效應(yīng)相結(jié)合的研究尚少見研究報(bào)道。鑒于此，本文擬利用烏江流域內(nèi)7個(gè)氣象站點(diǎn)(貴陽、遵義、桐梓、安順、畢節(jié)、酉陽、涪陵)的1956—2014年日降雨實(shí)測數(shù)據(jù)和流域內(nèi)武隆水文站的輸沙量數(shù)據(jù)，研究烏江流域的降雨特征及其輸沙效應(yīng)，旨在為流域水土保持規(guī)劃、生態(tài)恢復(fù)、防災(zāi)減災(zāi)、水資源的合理利用等提供重要理論參考。

1 流域概況

烏江發(fā)源于貴州西部烏蒙山東麓威寧縣境內(nèi)的香爐山[18]，流經(jīng)貴州、重慶兩地，于重慶涪陵注入長江[22]。流域位于22°07′—30°22′N，104°18′—109°22′E[23]，干流全長1 037 km(三岔河源頭起)，流域面積為87 920 km2[22]，全段落差2 123.50 m，年徑流量5.34×1010m3[12]。流域處于云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡帶，地勢東低西高[24]，地形復(fù)雜。烏江流域大部分地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候季節(jié)性明顯[25]。流域內(nèi)年均氣溫在13～18 ℃之間，多年平均降雨量為1 061 mm。降雨年內(nèi)分配不均，有顯著的旱季和雨季之分，汛期5—9月雨量約占全年的72%，其中5—7月約占全年的49%。流域地帶性植被為常綠闊葉林。土壤類型主要為粗骨土、石灰土、黃壤、石質(zhì)土等，其蓄水保土能力較差，易發(fā)生水土流失。全流域總?cè)丝跒? 666萬人，其中90%以上為農(nóng)業(yè)人口。由于受到自然條件和歷史等限制性因素影響，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展欠發(fā)達(dá)的地區(qū)之一[26]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用日降雨數(shù)據(jù)取自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),選取了烏江流域內(nèi)7個(gè)氣象站1956—2014年的日降雨數(shù)據(jù)，其中極少日數(shù)霧露霜雪形式的日降雨值以0替代。流域出水口輸沙量數(shù)據(jù)來自于《長江泥沙公報(bào)》。為了解烏江流域這59 a降雨特征，本文采用以下降雨指標(biāo)，具體有：①降雨量均值要素，包括年降雨量、年侵蝕性降雨量、汛期(即5—9月)日降雨量、月降雨量。②降雨天數(shù)，包含年降雨天數(shù)、年侵蝕性降雨天數(shù)、汛期降雨天數(shù)、汛期侵蝕性降雨天數(shù)。③降雨侵蝕力。

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力的計(jì)算方法 侵蝕性降雨為能導(dǎo)致土壤侵蝕的降雨[27]。謝云等[28]在研究中指出徑流小區(qū)的侵蝕性日降雨量標(biāo)準(zhǔn)為12 mm，小流域?yàn)?0 mm。目前針對(duì)大中流域的侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)證分析尚鮮見報(bào)道?；诖?，本文設(shè)定侵蝕性日降雨量標(biāo)準(zhǔn)為10 mm。由于南方地區(qū)降水充沛，以章文波等[29]修正的Richardson以日降雨量估算半月降雨侵蝕力模型計(jì)算的效果較好，精度較高。其公式為：

α=21.586β-7.189 1

(1)

式中：α，β——模型參數(shù)。下同。

(2)

式中：Ri——1 a中第i個(gè)半月的降雨侵蝕力值〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；d——第i個(gè)半月的天數(shù)(d)；Pk——第i個(gè)半月內(nèi)第k天的侵蝕性降雨量；K——第i個(gè)半月內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)[29]。下同。

β=0.836 3+18.144/Pd+24.455/Py

(3)

式中：Pd——日降雨量大于10 mm的日均降雨量(mm)；Py——日降雨量大于10 mm的年均降雨量(mm)。

根據(jù)公式(1)—(3)可算出逐年各半月的降雨侵蝕力值、逐月降雨侵蝕力值和逐年降雨侵蝕力值。

2.2.2 雙累積曲線 通過在直角坐標(biāo)系中繪制烏江流域累積輸沙量值與累積降雨侵蝕力值的關(guān)系線，分析了流域降雨侵蝕力與人類活動(dòng)對(duì)輸沙效應(yīng)的影響。根據(jù)輸沙量突變的年份將研究實(shí)測時(shí)段分為2段(即分為基準(zhǔn)期和變化期)，具體分析方法為：

(1) 對(duì)基準(zhǔn)期的累積降雨侵蝕力和累積輸沙量進(jìn)行線性回歸得到方程:

∑S=k∑E+b

(4)

式中：∑S——累積輸沙量(106t); ∑E——累積降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;k，b——常數(shù)項(xiàng)。

(2) 其次將各年累積降雨侵蝕力數(shù)據(jù)代入式(1)，可得到各年累積輸沙量理論值，再累減算出基準(zhǔn)期年均輸沙量理論值(S基理)和變化期年均輸沙量理論值(S變理)?；鶞?zhǔn)期與變化期年均輸沙量值理論值之差為降雨侵蝕力變化減沙量(ΔS降)；變化期年均輸沙量理論值與實(shí)測年均輸沙量值(S變實(shí))之差為人類活動(dòng)減沙量(ΔS人)。即：

ΔS降=S變理-S基理

(5)

ΔS人=S變理-S變實(shí)

(6)

(3) 為了定量降雨侵蝕力和人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的影響程度，采用貢獻(xiàn)度來表示，其式為：

(7)

式中：V——降雨侵蝕力和人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)率(%); ΔS——基準(zhǔn)期和變化期實(shí)測年均輸沙量值之差(t)。

3 結(jié)果與分析

3.1 1956-2014年烏江流域降雨特征

3.1.1 降雨的年際變化特征 經(jīng)計(jì)算，烏江流域年降雨量和年侵蝕性降雨量的變異系數(shù)分別是0.13，0.15，均屬中等程度變異，且后者的年際變化較前者相比更為劇烈(圖1)。

圖1 烏江流域年降雨量和年侵蝕性降雨量的年際變化

由圖1可知，1956—2014年烏江流域年降雨量和年侵蝕性降雨量均呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢。59 a間，烏江流域年降雨量在701.76～1 325.48 mm變化，多年平均降雨量為1 060.90 mm。年降雨量最大值出現(xiàn)在1977年，達(dá)1 325.48 mm，比均值多25.13%。年降雨量最小值出現(xiàn)在2011年，僅為701.76 mm，比均值少33.85%。全流域年侵蝕性降雨量在479.16～985.87 mm波動(dòng)，多年均值為759.56 mm，占年降雨量均值的71.60%。年侵蝕性降雨量最大值出現(xiàn)在1977年，比均值多29.80%。但是其最小值比均值少36.91%，且出現(xiàn)年份為2013年，與年降雨量最小值出現(xiàn)年份并不相同?？梢娫?011年降雨量最小，但是侵蝕性降雨并不是最低。另外在1986年，年降雨量較少，但是年侵蝕性降雨量卻相對(duì)增加，其原因是該年降雨量雖小，但多以侵蝕性降雨為主。還有在1976和2000年，年降雨量較大，但年侵蝕性降雨量相對(duì)較小，這是因?yàn)楫?dāng)年降雨多為非侵蝕性降雨。

研究時(shí)段內(nèi)，烏江流域年降雨量、年侵蝕性降雨量各年距平值及累積距平值均呈現(xiàn)一定變化規(guī)律(圖2—3)。由圖2可見，年降雨量距平值在-359.14～266.58 mm波動(dòng)，累積距平值在-138.91～1 699.94 mm波動(dòng)。烏江流域1956—2014年這59 a年際變化階段(持續(xù)期5 a以上)為：兩個(gè)顯著多雨期即1963—1977和1996—2000年。研究時(shí)段內(nèi)共有5 a年降雨量偏多160 mm以上，均出現(xiàn)在這2個(gè)時(shí)期，分別是1964，1967，1977，1996和2000年，其中1977年出現(xiàn)最大距平值，為266.58 mm。且據(jù)資料記載，烏江流域1996年特大洪水年就發(fā)生在1996—2000年時(shí)期。3個(gè)顯著少雨期即1957—1962，1984—1990和2008—2014年。研究時(shí)段內(nèi)共有3 a年降雨量偏少340 mm以上，分別是2009，2011和2013年，均發(fā)生在2008—2014年這一時(shí)段。其中烏江流域在2010年3月發(fā)生旱災(zāi)，導(dǎo)致烏江源頭幾乎斷流，烏江重慶段基本斷航。一個(gè)顯著降雨穩(wěn)定期即1991—1995年，流域在這個(gè)時(shí)期降雨變化波動(dòng)不明顯。且在每個(gè)時(shí)期都有若干個(gè)較小的升降波動(dòng)。綜上可得，烏江流域在研究時(shí)段內(nèi)大致經(jīng)過了少雨—多雨—少雨—多雨—少雨5個(gè)時(shí)期。

圖2 烏江流域年降雨量距平值及累積距平值年際變化

1956—2014年年侵蝕性降雨量距平值波動(dòng)與年降雨量非常相似。由圖3可見，年侵蝕性降雨量距平值在-280.37～226.31 mm之間波動(dòng)，累積距平值在-235.44～1 078.41 mm波動(dòng)，其年際變化階段與年降雨量距平值和累積距平值年際變化階段一致。即在1963—1977和1996—2000年為累積距平值的上升期。研究時(shí)段內(nèi)共有5 a侵蝕性降雨量偏多140 mm以上，均出現(xiàn)在這2個(gè)時(shí)期，分別是1967，1972，1977，1996和1999年，其中1977年出現(xiàn)最大距平值，為226.31 mm。在1957—1962，1984—1990，2008—2014年為累積距平值的下降期，研究時(shí)段內(nèi)共有2 a降雨量偏少250 mm以上，分別是2011，2013年，其中2013年年均侵蝕性降雨距平最低，為-280.37 mm。在1991—1995年為累積距平值的穩(wěn)定期。

圖3 烏江流域年侵蝕性降雨量距平值及累積距平值年際變化

3.1.2 降雨的年代變化特征 從年代尺度上統(tǒng)計(jì)的降雨距平百分比結(jié)果看，年均降雨量和年均侵蝕性降雨量均不存在變化顯著時(shí)期，距平百分比絕對(duì)值均在9.00%以內(nèi)(表1)。由表1可見，烏江流域在1970—1979年，1990—1999年為多雨時(shí)期，距平百分比均值分別為6.99%和3.75%，而1956—1959和2000—2014年為少雨時(shí)期，其距平百分比均值分別為-0.86%和-8.97%。侵蝕性降雨量的變幅小于年降雨量的變幅。

表1 烏江流域各年代降雨量和侵蝕性降雨量特征

從各年代降雨天數(shù)和侵蝕性降雨天數(shù)(表2)結(jié)果看，年均降雨總天數(shù)的變異系數(shù)為0.05，為弱變異，年均侵蝕性降雨總天數(shù)的變異系數(shù)為0.12，為中等變異，說明前者比后者變化更為和緩。據(jù)表2可得，1956—2014年共觀測到降雨總天數(shù)為17 127 d，侵蝕性降雨總天數(shù)為5 579 d，59 a中該流域共有32.57%的降雨為侵蝕性降雨。從年均降雨天數(shù)均值來看，除1990—1999和2000—2014年這2個(gè)時(shí)期降雨均值低于均值，其余年代均比均值要高。從侵蝕性降雨角度來看，1960s和1970s年均侵蝕性降雨天數(shù)均值分別為100和101 d，且侵蝕性降雨頻率明顯高于其他年代，反之1956—1959和2000—2014年2個(gè)時(shí)期年侵蝕性降雨天數(shù)均值較少，當(dāng)然侵蝕性降雨頻率也較低。總之，全流域59 a來降雨總天數(shù)年代差異不大，而侵蝕性降雨事件多發(fā)生于1960—1969年和1970—1979年。

表2 烏江流域各年代降雨天數(shù)和侵蝕性降雨天數(shù)特征

3.1.3 汛期降雨特征 烏江流域的降雨侵蝕產(chǎn)沙更多地發(fā)生在多雨季即汛期。經(jīng)計(jì)算，烏江流域汛期5—9月降雨量約占全年的71.97%，表明在5—9月烏江流域降雨事件頻發(fā)，即主要集中于流域的汛期(表3)。根據(jù)表3分析可知，5—9月，侵蝕性總量為595.32 mm，占總降雨量的80.05%。從5月開始，流域月均降雨量和月均侵蝕性降雨量開始增加，6月達(dá)到峰值，其值分別為188.21 mm和154.70 mm，其中月均侵蝕性降雨量占比達(dá)82.20%。之后，月均降雨量和月均侵蝕性降雨量開始逐漸減少，9月時(shí)降到最低，其值分別為102.20和74.86 mm。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，5—9月，侵蝕性降雨天數(shù)為64 d，占總降雨天數(shù)的51.76%，說明烏江流域內(nèi)5—9月的降雨多為侵蝕性降雨。由表3可知，6—7月侵蝕性降雨天數(shù)明顯高于其他月份，說明侵蝕性降雨多發(fā)生于6—7月，且6月侵蝕性降雨天數(shù)在總降雨天數(shù)中占比最高，達(dá)58.22%，說明6月的降雨大部分為侵蝕性降雨。8和9月降雨天數(shù)都較少，其中9月的降雨天數(shù)和侵蝕性降雨天數(shù)最低，分別為23和9 d，侵蝕性降雨頻率為39.94%，8月次之，分別為25和13 d，侵蝕性降雨頻率為51.21%。

表3 烏江流域年汛期各月降雨特征

綜上，烏江流域汛期降雨以侵蝕性降雨為主，且從5月開始，侵蝕性降雨頻率逐漸增加，6月達(dá)到峰值，7月后逐漸下降。這類侵蝕性降雨強(qiáng)度大，除了易誘發(fā)洪澇災(zāi)害之外，由于水分入滲到土壤深層，加劇土壤侵蝕，造成流域內(nèi)的水土流失。

3.2 烏江流域輸沙效應(yīng)分析及其影響因素分析

3.2.1 輸沙效應(yīng)分析 從烏江流域輸沙量累積距平曲線可得流域59 a來的輸沙動(dòng)態(tài)(圖4)。由圖4可知，烏江流域在1956—1983年為累積輸沙量距平值上升段，在1983—1999，2000—2014年為累積輸沙量距平值下降段。曲線在1956—1983年處于快速上升階段，之后在1983年出現(xiàn)了較顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是累積距平曲線由增加趨勢向減小趨勢轉(zhuǎn)折的拐點(diǎn)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，烏江流域干流上第一座大型水電站烏江渡在1982年完建，水電站攔沙作用效果明顯，流域輸沙量開始減少。在1988年后，國家在長江中上游地區(qū)相繼實(shí)施大規(guī)模水土流失綜合治理、天然林資源保護(hù)工程和修建壩庫工程等措施，且國家在1999年開始實(shí)施退耕還林還草，受此影響，在2000年后累積輸沙量加速減少。綜上所述，本文明確1983年是烏江流域輸沙量發(fā)生突變的年份。

圖4 烏江流域輸沙量累積距平值變化

3.2.2 烏江流域降雨侵蝕力對(duì)輸沙量的影響 通過建立烏江流域輸沙量—降雨侵蝕力雙累積曲線和突變年份前后線性回歸方程(圖5)，估算了降雨侵蝕力對(duì)烏江流域輸沙量變化的影響。

根據(jù)穆興民等[30]提到的雙累積曲線方法，經(jīng)計(jì)算，得出各年代降雨侵蝕力變化對(duì)烏江流域輸沙量變化的影響(表4)。表4表明，1984—1989年，1990—1999年降雨侵蝕力的貢獻(xiàn)率為為15.55%，2.84%和12.49%，1990—1999年降雨侵蝕力對(duì)輸沙變化的影響程度最低。

表4 各年代降雨侵蝕力對(duì)烏江流域輸沙量變化的影響

圖5 烏江流域輸沙量-降雨侵蝕力雙累積

3.2.3 烏江流域人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響 流域的侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸移除受流域降雨影響外，還受到諸如水利工程建設(shè)、水土保持、河道采砂、開發(fā)項(xiàng)目建設(shè)等人為因素的影響。根據(jù)研究時(shí)段內(nèi)相關(guān)政策變化(表5)，在1956—1983年期間烏江流域內(nèi)一些如道路交通、工礦等國家基礎(chǔ)工程的建設(shè)，由于人口數(shù)量增加所帶來的土地利用和開發(fā)活動(dòng)將越來越多，由此導(dǎo)致流域輸沙量增多[31]，但此時(shí)期的輸沙量變化主要由流域降雨侵蝕力引起。

而1984—2014年烏江流域輸沙量主要受人類活動(dòng)影響，1984—1989，1990—1999和2000—2013年人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)率為84.45%，97.16%，87.54%，1990s人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的影響程度最大，原因在于后期流域內(nèi)水土保持工作的有序開展和大型水利工程的修建，如1988年長江上游水土保持工程，1999年國家退耕還林等工程的實(shí)施，且烏江流域是國家確定的十三大水電基地之一，流域內(nèi)修建了大量水利水電工程，并于2013年流域水電梯級(jí)開發(fā)全面完工，這些水利水電工程有力攔蓄了烏江流域的絕大部分來沙，對(duì)減少武隆站輸沙量起到顯著的控制作用，這些都導(dǎo)致1984—2014年河流輸沙量較之前年份大幅下降。

表5 烏江流域1956-2014年相關(guān)政策變化

4 結(jié) 論

(1) 在1956—2014年，年侵蝕性降雨量的年際變化較年降雨量的年際變化相比更為劇烈。研究時(shí)段內(nèi)烏江流域大致經(jīng)歷了少雨—多雨—少雨—多雨—少雨5個(gè)階段，其中侵蝕性降雨年際變化階段跟年降雨年際變化階段一致。

(2) 從降雨年代變化上看，在1956—2014年，烏江流域在1970—1979，1990—1999年為多雨時(shí)期。流域內(nèi)59 a中約有32.57%的降雨為侵蝕性降雨，且多發(fā)生于1960—1979年。

(3) 烏江流域的年內(nèi)降雨主要發(fā)生流域汛期，其中5—7月降雨最為集中，在6月達(dá)到峰值，且多為侵蝕性降雨，之后開始減少。因此在汛期應(yīng)注意防洪減災(zāi)和由于土壤入滲加劇造成的水土流失問題。

(4) 在整個(gè)研究時(shí)段，根據(jù)烏江流域輸沙量和降雨侵蝕力雙累積曲線方程計(jì)算所得，1984—1989年，1990—2013年降雨侵蝕力的貢獻(xiàn)率為15.55%，2.84%，12.46%，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為84.45%，97.16%，87.54%，1990—1999年人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的影響程度最大。1990—1999年降雨侵蝕力對(duì)輸沙變化的影響程度最低。

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