湖南省降雨侵蝕力時空變化特征分析

陳 果 李朝奎 王 寧 方 文

（1.湖南科技大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)地理空間信息湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

近幾年，湖南省上下大力推進(jìn)科學(xué)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)社會呈現(xiàn)又好又快發(fā)展的良好勢頭，經(jīng)濟(jì)實(shí)力邁上新臺階。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，湖南省水土流失的情況日趨嚴(yán)重，每年全省流失的土壤上億噸，隨土壤流失的有機(jī)肥料也達(dá)到數(shù)百萬噸，使得地力衰退，給湖南省的水土資源和人們的生產(chǎn)活動帶來一系列影響。比如，土地資源受到破壞、流域水質(zhì)遭受污染、水庫泥沙堆積嚴(yán)重，這些都在一定程度上增加了洪澇災(zāi)害隱患。因此，掌握土壤流失狀況對于湖南省水土保持工作具有指導(dǎo)性意義。而降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要動力因素，是引起水土流失的第一主導(dǎo)因子，降雨特征直接影響土壤侵蝕過程和強(qiáng)度，因此，深入開展對湖南省侵蝕性降雨和降雨侵蝕力的研究顯得非常重要。在度量降雨侵蝕力方面，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了比較深入的研究。維希邁耶和史密斯等［1］用不同時段最大雨強(qiáng)和雨滴動能組成各種參數(shù)，并與土壤流失量進(jìn)行相關(guān)分析，通過分析可知，降雨動能E和最大30 min雨強(qiáng)I30的乘積EI30與土壤流失量的相關(guān)性最好，因此將其作為度量降雨侵蝕力的指標(biāo)。該指標(biāo)應(yīng)用于通用土壤流失方程USLE中，預(yù)報多年平均土壤流失量。但是，計算EI30時需要詳細(xì)的降雨過程資料，難以得到比較詳細(xì)的降水過程資料，降水過程的判定和計算也比較困難，因此各國學(xué)者紛紛找到各種不同的降雨侵蝕力的簡單計算方法［2-5］。本文在研究目前各種簡易計算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖南省降雨豐富的特點(diǎn)，采用章文波［2］提出的計算模型對湖南省內(nèi)降雨侵蝕力空間分布進(jìn)行研究，得出了對湖南省水土保持規(guī)劃有參考價值的結(jié)論。

1 計算與分析方法

1.1 降雨侵蝕力的計算模型

降雨侵蝕力采用簡易算法，其計算公式如下［4］：

式（1）中，Ri表示第i個半月時段的侵蝕力R值，MJ·mm/（hm2·h）；Dj表示半月時段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量，根據(jù)謝云等［6］對侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)的研究，要求以日雨量≥12 mm為侵蝕性降雨量的標(biāo)準(zhǔn)；k表示該半月時段內(nèi)的天數(shù)，半月時段的劃分以每月第15天為界，可將全年劃分成24個半月時段；α和β是模型參數(shù)，其計算公式如下：

式（2）中，Pd12為日雨量≥12 mm的日平均雨量，mm；Py12為日雨量≥12 mm的年平均雨量，mm。

1.2 氣候傾向率

氣候傾向率可用降雨侵蝕力R與時間t一元回歸的斜率表示，該指標(biāo)用來分析氣候要素的變化趨勢，用一次線性方程表示［7］：

式（4）中，Xt為年度降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h）；t為年度序號；a、b為參數(shù)。定義b×10為氣候傾向率，單位為某要素單位/（10 a），當(dāng)氣候傾向率為正時表示降雨侵蝕力有線性增加的趨勢，反之則是線性減少［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)域

湖南省位于長江中游南部，全省土地總面積為21.18萬km2，其東面、南面和西海拔較高，多山地地形，中部丘陵，北部平原和洞庭湖流域，按地貌組合可概況為五分山地、三分丘崗、兩分平原和水面，是以山丘為主的地貌格局，按地貌區(qū)域可劃分為湘西北山原山地區(qū)、湘西山地區(qū)、湘南山丘區(qū)、湘東山丘區(qū)、湘中丘陵區(qū)和湘北平原區(qū)6個地貌區(qū)。

湖南省為大陸性中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，受季風(fēng)環(huán)流的影響顯著，光、熱、水資源豐富，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，春季溫度多變，秋季多寒潮和降溫過程，降水集中在春夏兩季，而秋冬多干旱，氣候的年內(nèi)和年際變化較大，年平均降雨量在1 200～1 700 mm，雨量充沛，為我國雨水較多的省區(qū)之一，時間分配不均，主要集中于4—8月。

2.2 降雨侵蝕力的空間分布特征

利用日降雨量模型計算出各站點(diǎn)的多年平均降雨侵蝕力，湖南省多年平均降雨侵蝕力變化范圍在4 787.88～11 421.29 MJ·mm/（hm2·h ·a），平均為7 215.47 MJ·mm/（hm2·h·a）。采用ArcGIS地統(tǒng)計模塊的反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行空間插值得到湖南省多年平均降雨侵蝕力等值線圖（見圖1）。由圖1可見，湖南省多年平均降雨侵蝕力具有明顯的地域差異性，總體分布特征表現(xiàn)為湘西北、湘東北、湘南地區(qū)形成高值中心逐漸向湘中地區(qū)遞減，最終在湘西南地區(qū)形成低值中心，在安化站、臨湘站、南岳站形成降雨侵蝕力的高值中心，降雨侵蝕力值均在9 000 MJ·mm/（hm2·h·a）以上，其中南岳以 12 340.38 MJ·mm/（hm2·h·a）為最大值。城步站和新晃站形成降雨侵蝕力的低值中心，其中城步站以4 935.09 MJ·mm/（hm2·h·a）為最小值。

根據(jù)地形區(qū)域劃分來看，湖南省呈現(xiàn)出山地丘陵地區(qū)降雨侵蝕力水平普遍高于平原地區(qū)及盆地地區(qū)的特點(diǎn)。因此，在水土保持工作中，對于山地丘陵地區(qū)需要著重預(yù)防，以高值中心南岳站作典型區(qū)域?yàn)槔搮^(qū)域侵蝕性降雨頻率較高，區(qū)域內(nèi)巖性主要為花崗巖，其保水性差，抗侵蝕能力低。通過對湖南省DEM提取坡度發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)坡度普遍在25°以上，因此，當(dāng)?shù)乇硎ケＷo(hù)時，降雨產(chǎn)生徑流在重力的加速作用下極易加快土壤流失，水土流失風(fēng)險增加。而低值中心區(qū)域，如城步縣、邵陽縣地處邵陽盆地，降水特點(diǎn)受地貌影響明顯，山地降水多，丘崗平地少，因此降雨所帶來的侵蝕程度較小，而位于婁邵干旱走廊區(qū)域的邵東、新邵、雙峰等站點(diǎn)，同樣受地形因素影響，降雨侵蝕力水平也普遍不高。

圖1 年均降雨侵蝕力等值線圖

總體上，湖南省多年平均降雨侵蝕力較高，豐富的降水是主要原因之一。由于復(fù)雜的地形對氣候產(chǎn)生影響，導(dǎo)致降水在空間上分布不均勻。因此，降雨侵蝕力空間上分布亦呈不均勻的特征，降雨侵蝕力高值中心主要位于山丘地貌地區(qū)，低值中心主要位于平原、盆地地區(qū)。同時，降雨侵蝕力還受到土壤質(zhì)地、坡度和坡長等因素的影響，因此，在具體分析某一地區(qū)的降雨侵蝕力程度的時候，需要考慮更多侵蝕影響因子。

2.3 降雨侵蝕力的年內(nèi)變化

每年3—8月為春夏季，是湖南省多雨的季節(jié)，因此，降雨侵蝕力年內(nèi)分布表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化，多年平均各月降雨及降雨侵蝕力百分比如圖2所示。由圖2可以看出：研究區(qū)R值主要集中在春夏季節(jié)，其中3—8月的R值占年R值的80%以上，R值的月分布集中程度比較高，月R值最大值出現(xiàn)在6月，與降雨量相一致。主要原因是湖南省為大陸型亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候年內(nèi)變化較大，春夏多雨，秋冬干旱。在春夏季節(jié)，不僅降雨頻率增多，而且暴雨頻率也增多，降雨侵蝕力受到降雨量和降雨強(qiáng)度共同影響。因此，這些月份降雨侵蝕程度會急劇增強(qiáng)。而秋冬季節(jié)降雨侵蝕力水平普遍很低，對R值年內(nèi)分布影響很小。

2.4 降雨侵蝕力的年際變化

湖南省多年平均氣候傾向率為201.31［MJ·mm/（hm2·h·a）］/10 a?？傮w上，1960—2015年湖南省的降雨侵蝕力呈線性增加趨勢，降雨引起的土壤侵蝕潛能在增加，需要加強(qiáng)水土流失的防治工作。

為了更好地了解多年降雨侵蝕力時空變化特征，采用反距離權(quán)重插值方法分別作出20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初6個階段的降雨侵蝕力空間分布圖（見圖3）。由圖3可知，6個年代的降雨侵蝕力空間分布是動態(tài)變化的，低值區(qū)幾乎無顯著變化，主要還是集中于湘中、湘西南區(qū)域，高值區(qū)除南岳區(qū)、安化縣、臨湘市無顯著變化外，不同年代均有新的高值區(qū)出現(xiàn)，均呈現(xiàn)由西北、東北、東部到西南遞減的趨勢。20世紀(jì)60年代（1960—1969年），降雨侵蝕力的高值區(qū)主要集中在湘西北至湘東北一帶、以南岳區(qū)為中心的地區(qū)，低值區(qū)在湘中及西北部；20世紀(jì)70年代（1970—1979年），在湘南區(qū)域以道縣為中心出現(xiàn)一個小范圍高值區(qū)，湘西北、湘東北及南岳仍處于高值區(qū)，低值區(qū)無明顯變化；20世紀(jì)80年代（1980—1989年），高值區(qū)范圍明顯增加，湘北部分地區(qū)變?yōu)楦咧祬^(qū)，湘西南部分區(qū)域也轉(zhuǎn)變成高值區(qū)；20世紀(jì)90年代（1990—1999年），僅有以安化縣、南岳區(qū)、臨湘市為中心的小范圍高值區(qū)，低值區(qū)有向湘中變化的趨勢；21世紀(jì)00年代（2000—2009年），湘西北又回到高值區(qū)，湘東南普遍處于高值水平，低值區(qū)無明顯變化。21世紀(jì)10年代初期（2010—2015年），湘西北、湘東北高值區(qū)面積普遍擴(kuò)增，整體呈現(xiàn)出南北高、中間低的分布特征。綜上所述，湖南省不同年代降雨侵蝕力的空間分布均有所不同，其高值區(qū)和低值區(qū)均為動態(tài)變化，沒有明顯的規(guī)律，每一年代降雨侵蝕力的空間差異也有所不同。

圖2 多年平均各月降雨及降雨侵蝕力百分比

3 結(jié)論

①湖南省多年年均降雨侵蝕力為7 215.47 MJ·mm/（hm2·h·a），空間上分布特征表現(xiàn)為湘西北、湘東北、湘南地區(qū)形成高值中心逐漸向湘中地區(qū)遞減，最終在湘西南地區(qū)形成低值中心。湖南省降雨侵蝕力年內(nèi)分布表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化，R值的月分布集中程度比較高，降雨侵蝕力主要產(chǎn)生在3—8月，占全年R值的80%以上，高峰值出現(xiàn)在6月。近幾十年來，整體氣候傾向率為正，表明湖南省降雨侵蝕力呈增加趨勢。不同年代降雨侵蝕力的空間分布是動態(tài)變化的，高、低值區(qū)均處于動態(tài)變化，無明顯規(guī)律。

圖3 不同年代降雨侵蝕力空間分布

②根據(jù)湖南省降雨侵蝕力空間分布上特點(diǎn)可為水土流失防治、水土保持規(guī)劃和技術(shù)管理提供科學(xué)依據(jù)。山地丘陵區(qū)降雨侵蝕力較強(qiáng)烈，主要是山區(qū)經(jīng)濟(jì)落后，毀林開荒現(xiàn)象比較嚴(yán)重，應(yīng)廣泛開展退耕還林還草，增加土壤入滲率和防止徑流沖刷。在緩坡開梯帶種植經(jīng)濟(jì)作物，陡坡進(jìn)行栽樹植草。平原區(qū)則以預(yù)防為主，主要控制城市化發(fā)展過程中及農(nóng)業(yè)活動中對生態(tài)環(huán)境的破壞，在平坦荒地應(yīng)按照“草—灌—喬”多層立體植被來進(jìn)行規(guī)劃。

［1］吳昌廣，林德生，肖文發(fā)，等.三峽庫區(qū)降雨侵蝕力時空分布特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011（1）：151-158.

［2］章文波，謝云，劉寶元.降雨侵蝕力研究進(jìn)展［J］.水土保持學(xué)報，2002（5）：43-46.

［3］吳素業(yè).安徽大別山區(qū)降雨侵蝕力簡化算法與時空分布規(guī)律［J］.中國水土保持，1994（4）：12-13.

［4］周伏建，陳明華，林福興，等.福建省降雨侵蝕力指標(biāo)R值［J］.水土保持學(xué)報，1995（1）：13-18.

［5］Mikhailova EA，Bryant RB，Sehwager SJ，et al.Predicting Rainfall Erosivity In Honduras［J］.Soil Science Society of America Journal，1997（1）：273-279.

［6］謝云，劉寶元，章文波.侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.水土保持學(xué)報，2000（4）：6-11.

［7］劉燕玲，劉濱輝，王力剛，等.黑龍江省降雨侵蝕力的變化規(guī)律［J］.中國水土保學(xué)，2010（2）：24-29.

［8］劉梅，彭曉燕，李進(jìn)喜，等.1961年至2007年江蘇省高溫氣候特征分析［J］.資源科學(xué)，2011（10）：1991-1998.