河南省許昌市降雨侵蝕力演變特征研究

楊孟豪 曹連海 夏帆

摘要：利用許昌市13個(gè)降雨量觀測點(diǎn)1956—2014年的月降雨量數(shù)據(jù)，結(jié)合線性回歸、Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Morlet小波分析以及克里金空間插值等方法，研究許昌市多時(shí)間尺度降雨侵蝕力的演變特征。結(jié)果表明，近60年來許昌市降雨侵蝕力在全年、年內(nèi)時(shí)間尺度上的變化趨勢均不顯著，全年、汛期、春季和夏季時(shí)間尺度上呈減少趨勢，其余時(shí)間尺度上呈增加趨勢;全年、汛期降雨侵蝕力的空間分布均呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢，非汛期降雨侵蝕力呈現(xiàn)由西南向東北遞減的趨勢;許昌市全年、春、夏、秋和冬季降雨侵蝕力分別在1964、1998、1999、1969和1962年發(fā)生了突變;許昌市年降雨侵蝕力存在14、22、3年的第1、第2、第3主周期變化，季降雨侵蝕力也同樣存在多個(gè)時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：降雨侵蝕力;Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn);Morlet小波分析;演變特征;許昌市

中圖分類號(hào)： S157.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）17-0281-07

我國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一，土壤侵蝕面積高達(dá)294.91萬km2，其中因降雨引起的水力侵蝕面積占全部侵蝕面積的比重更是高達(dá)43.85%[1]，土壤侵蝕的預(yù)防和治理刻不容緩。降雨侵蝕力作為反映降雨對(duì)土壤侵蝕潛在能力的指標(biāo)，同時(shí)也是通用土壤侵蝕方程（USLE）[2]、修正通用土壤侵蝕方程（RUSLE）[3]和中國土壤侵蝕方程（CSLE）[4]中的基本因子。因此，分析降雨侵蝕力演變特征，對(duì)于區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測、預(yù)報(bào)以及水土保持措施的制定具有重要意義，也一直是相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。如章文波等采用其提出的日雨量降雨侵蝕力計(jì)算模型分析了全國降雨侵蝕力的空間變化特征，認(rèn)為我國的降雨侵蝕力與降雨的空間分布類似，呈現(xiàn)自西北向東南遞增趨勢[5];劉斌濤等根據(jù)我國1960—2009年降雨資料分析了我國降雨侵蝕力的時(shí)空變化趨勢[6]，得到的降雨侵蝕力空間變化特征與章文波等的研究結(jié)果[5]一致，并識(shí)別出了我國降雨侵蝕力變化明顯的區(qū)域;馬良等基于江西省1957—2008年的降雨資料，對(duì)該省降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，并識(shí)別出了該省水土流失的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)[7];戴海倫等研究了貴州省降雨侵蝕力的時(shí)空變化趨勢，得出了該省降雨侵蝕力由南向北遞減分布、降雨侵蝕力時(shí)間變化趨勢不明顯的結(jié)論[8];劉春利等對(duì)延河流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化展開了研究，認(rèn)為該流域降雨侵蝕力與侵蝕性降雨空間分布一致，且降雨侵蝕力整體呈下降趨勢[9];賴成光等從不同時(shí)間尺度、不同視角展開了珠江流域降雨侵蝕力變化特征研究，并取得了豐碩的研究成果[10]。諸如此類的研究還有很多，相關(guān)研究在支撐降雨侵蝕力的深度解析和土壤侵蝕的防治上發(fā)揮著重要作用，但已有的研究多集中在全國、省域以及各個(gè)流域，市域尺度上的降雨侵蝕力演變特征研究還相對(duì)較少。

許昌市位于河南省中部，地處伏牛山余脈向豫東平原過渡帶，屬于北方土石山區(qū)，土壤侵蝕面積約占全市總面積的24.18%，但區(qū)域內(nèi)有關(guān)土壤侵蝕的研究較少，尚未有針對(duì)許昌市市域尺度開展降雨侵蝕力相關(guān)的研究。鑒于此，本研究從多時(shí)間尺度出發(fā)，采用多種統(tǒng)計(jì)分析方法探討許昌市降雨侵蝕力的變化趨勢、突變情況以及周期變化規(guī)律，旨在全面掌握許昌市降雨侵蝕力的演變特征，為許昌市土壤侵蝕防治和水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

許昌市地處河南省中部，介于113°03′～114°19′E、33°42′～34°24′N之間，位于伏牛山余脈向豫東平原過渡地帶，地勢由西北向東南傾斜，總面積為4 996 km2，山地丘陵區(qū)約占總面積的27.2%，平原區(qū)約占72.8%。許昌市地處南北氣候過渡帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候，熱量資源豐富，無霜期長，全市多年平均降雨量為691.2 mm，降雨量年際變化大，最大年降雨量為1 068.1 mm，最小年降雨量為430.6 mm，降雨年內(nèi)分配也極不均勻，其中6—9月降雨集中，占全年降雨量的62%以上，年際、年內(nèi)多旱、澇等氣象災(zāi)害。該市土壤類型主要為棕壤、褐土和潮土等，土壤侵蝕面積為1 208 km2，約占全市面積的24.18%。

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究采用的數(shù)據(jù)是許昌水文水資源勘測局提供的多個(gè)站點(diǎn)1956—2014年逐月降雨量觀測資料，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢測。因降雨量觀測起始年份的差異，且考慮到許昌市降雨量觀測點(diǎn)的遷移、撤銷等問題，為了建立時(shí)間長度一致、觀測穩(wěn)定的降雨量序列，在綜合考慮許昌市山地、丘陵和崗地、平原等地形區(qū)域分布差異的情況下，最終選取許昌市13個(gè)降雨量觀測點(diǎn)的月降雨量數(shù)據(jù)作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，降雨量觀測點(diǎn)的空間分布情況如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.2 分析方法 本研究對(duì)降雨侵蝕力演變特征的分析主要包含變化趨勢分析、突變檢驗(yàn)分析、周期性分析。其中，采用線性回歸[12]、Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法[13-14]（以下簡稱M-K法）對(duì)許昌市年際和年內(nèi)降雨侵蝕力進(jìn)行趨勢分析和突變狀況檢驗(yàn)，并結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[12]剔除可能存在的偽突變時(shí)間點(diǎn)，確定符合實(shí)際的降雨侵蝕力突變情況，本研究中選定的顯著性水平為α=0.05;利用目前運(yùn)用廣泛的Morlet小波分析法[12，15]研究許昌市降雨侵蝕力的周期性變化規(guī)律，提取降雨侵蝕力變化的主周期，揭示多時(shí)間尺度降雨侵蝕力變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu);借助ArcGIS 10.2軟件平臺(tái)的地統(tǒng)計(jì)工具，利用克里金空間插值法生成連續(xù)分布的許昌市多年平均降雨侵蝕力空間分布圖，揭示降雨侵蝕力的空間變化特征。其中，年內(nèi)時(shí)間尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：汛期（6—9月）、非汛期（10月至翌年5月）;春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至翌年2月）。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力變化趨勢分析

利用公式（1）計(jì)算許昌市降雨侵蝕力，進(jìn)而通過線性回歸法和M-K法對(duì)許昌市全年、汛期、非汛期和季節(jié)降雨侵蝕力進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果如圖2和表1所示。

由圖2可知，許昌市的全年、汛期和非汛期降雨侵蝕力均呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化趨勢，其中全年、汛期的降雨侵蝕力分別以 16.11、16.49 MJ·mm/（hm2·h·10年）的速率呈現(xiàn)減少趨勢，非汛期的降雨侵蝕力以0.38 MJ·mm/（hm2·h·10年）的速率呈現(xiàn)微弱增加趨勢，若不考慮趨勢變化方向，發(fā)現(xiàn)許昌市不同時(shí)間尺度降雨侵蝕力的變化速率由大到小依次為汛期>全年>非汛期。結(jié)合M-K法的趨勢檢驗(yàn)結(jié)果（表1）發(fā)現(xiàn)，無論是在變化趨勢上還是在變化速率上，M-K法的檢驗(yàn)結(jié)果與線性回歸法得到的結(jié)果一致，即全年、汛期的降雨侵蝕力呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢，未通過α=0.05顯著水平檢驗(yàn)，其中汛期降雨侵蝕力減少趨勢（-0.75）較年降雨侵蝕力（-0.63）明顯，非汛期降雨侵蝕力呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢，M-K值的絕對(duì)值相比全年（|-0.63|）、汛期（|-0.75|）更小。

從降雨侵蝕力的季節(jié)分配（表1）來看，夏季是許昌市降雨侵蝕力最大的季節(jié)，冬季是降雨侵蝕力最小的季節(jié);綜合季節(jié)降雨侵蝕力的氣候傾向率和M-K法的檢驗(yàn)結(jié)果來看，春季和夏季的降雨侵蝕力呈現(xiàn)減少趨勢，秋季和冬季的降雨侵蝕力呈現(xiàn)增加趨勢，但降雨侵蝕力的增減趨勢均不顯著。4個(gè)季節(jié)相比，夏季的變化趨勢更加明顯，減少速率高達(dá) 18.77 MJ·mm/（hm2·h·10年），在全年、年內(nèi)時(shí)間尺度上的變化速率最高，其他季節(jié)的變化趨勢很微弱。

為了解降雨侵蝕力的空間變化趨勢，基于ArcGIS 10.2軟件Geostatistical Analyst工具中的克里金空間插值法，對(duì)許昌市各個(gè)站點(diǎn)全年、年內(nèi)時(shí)間尺度的多年平均降雨侵蝕力進(jìn)行插值，繪制出許昌市降雨侵蝕力空間變分布圖（圖略），發(fā)現(xiàn)許昌市多年平均降雨侵蝕力在全年、年內(nèi)時(shí)間尺度上的空間分布均存在著明顯的地區(qū)差異。由圖3可知，以許昌市多年平均全年、汛期和非汛期為例，許昌市年降雨侵蝕力和汛期降雨侵蝕力在空間分布特征上類似， 呈現(xiàn)自東南往西北方向降雨侵蝕力遞減的分布格局，這是因?yàn)樵S昌市90%左右的年降雨侵蝕力[236.87～310.02 MJ·mm/（hm2·h）]都集中在汛期[213.58～275.76 MJ·mm/（hm2·h）]，因此兩者的空間分布比較相似;而非汛期的空間分布特征則存在一定的變異，整體呈現(xiàn)由西南向東北遞減的分布格局，分布范圍介于20.67～34.26 MJ·mm/（hm2·h）之間，降雨侵蝕力小且數(shù)值相對(duì)集中。

綜上發(fā)現(xiàn)，許昌市全年降雨侵蝕力的絕大部分都集中在汛期，兩者無論是在時(shí)間變化上還是空間變化上都存在高度相似性，同時(shí)研究全年、汛期降雨侵蝕力演變特征意義不大，因此，以下研究暫不考慮降雨侵蝕力在汛期、非汛期時(shí)間尺度上的演變特征。

2.2 降雨侵蝕力突變特征分析

通過M-K法對(duì)全年、春、夏、秋和冬季的降雨侵蝕力時(shí)間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，并配以滑動(dòng)t檢驗(yàn)來進(jìn)行偽突變點(diǎn)的剔除，結(jié)果如圖4所示。

2.2.1 年降雨侵蝕力突變 年降雨侵蝕力的正序列UFk曲線在1957—2014年整體呈現(xiàn)下降趨勢， 在1987—1999年的下降趨勢超過了α=0.05顯著水平線，并在1957—1958年、1962—1964年、2005—2006年、2008—2013年與UBk曲線在顯著水平線內(nèi)多次相交，表明這段時(shí)間的年降雨侵蝕力發(fā)生了突變，但若將這些點(diǎn)全部作為突變點(diǎn)顯然不合適。再根據(jù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)剔除可能存在的偽突變點(diǎn)，確定年降雨侵蝕力在1964年發(fā)生了突變。

2.2.2 季降雨侵蝕力突變 （1）春季。春季的降雨侵蝕力UFk和UBk曲線一直處于α=0.05顯著水平線之間，說明其變化不顯著。UFk曲線在1985—2013年>0，說明這段時(shí)間春季降雨侵蝕力增加，而其他時(shí)間則處于“增加—減少”的波動(dòng)變化中，并在研究期內(nèi)頻繁與UBk曲線在顯著水平線內(nèi)相交。再配以滑動(dòng)t檢驗(yàn)法來分析，確定許昌市春季降雨侵蝕力的突變年份為1998年。（2）夏季。夏季降雨侵蝕力UFk曲線與年降雨侵蝕力的UFk曲線相似，整體<0，表明夏季降雨侵蝕力也呈現(xiàn)為減少的趨勢，其中在1958年前后、1999年前后、2013年前后與UBk曲線在2條顯著水平線之間3次相交，根據(jù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)法最終確定夏季降雨侵蝕力在1999年發(fā)生了突變。（3）秋季。秋季降雨侵蝕力UFk曲線總體變化比較平緩，但整體呈現(xiàn)降雨侵蝕力增加的趨勢，1970年以后，增加趨勢越來越不明顯，在2條顯著水平線之間于1957年前后、1976—1985年以及最近幾年與UBk曲線多次相交，表明這些時(shí)期的降雨侵蝕力可能發(fā)生了突變，滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，其在1969年和1992年發(fā)生了突變，顯然，這是M-K法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法方法自身的缺陷造成的誤差。結(jié)合降雨侵蝕力數(shù)據(jù)制作累計(jì)距平圖發(fā)現(xiàn)，秋季降雨侵蝕力的累積峰值在1969年。綜合以上分析，最終確定1969年為秋季降雨侵蝕力的突變年份。（4）冬季。由冬季降雨侵蝕力UFk曲線看出，降雨侵蝕力在1967年之前以減少為主，但是之后，降雨侵蝕力一直表現(xiàn)為增加趨勢，并在1958年前后、1961—1965年以及最近幾年與UBk曲線在2條顯著水平線之間出現(xiàn)交點(diǎn)。再用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法分析得出，許昌市冬季降雨侵蝕力發(fā)生突變的年份為1962年。

2.3 降雨侵蝕力的周期變化特征分析

借助MATLAB 7.0軟件操作平臺(tái)，利用Morlet小波分析法對(duì)許昌市近60年的全年、春、夏、秋和冬季降雨侵蝕力的周期性變化特征進(jìn)行分析，如圖5所示，其中正值區(qū)域代表降雨侵蝕力偏高，負(fù)值區(qū)域表明降雨侵蝕力偏低。

2.3.1 年降雨侵蝕力周期 許昌市年降雨侵蝕力存在著不同時(shí)間尺度的變化周期，年降雨侵蝕力的小波系數(shù)實(shí)部等值線在3、14、22年這3個(gè)時(shí)間尺度上比較密集，即許昌市年降雨侵蝕力的整體變化過程存在著3個(gè)顯著的周期變化特征。結(jié)合小波方差曲線，按周期振蕩程度由大到小分別對(duì)應(yīng)14、22、3年的時(shí)間尺度，說明許昌市年降雨侵蝕力周期變化的第1、第2、第3主周期分別為14、22、3年的時(shí)間尺度，其中14年時(shí)間尺度的周期變化對(duì)許昌市降雨侵蝕力序列的方差貢獻(xiàn)最大，即近60年來許昌市年降雨侵蝕力存在著14年的強(qiáng)周期變化特征。結(jié)合14年的強(qiáng)顯著周期特征發(fā)現(xiàn)，在2014年處于降雨侵蝕力負(fù)相位未閉合狀態(tài)，可以預(yù)測在2014年之后的一段時(shí)期內(nèi)，許昌市的年降雨侵蝕力仍將處于相對(duì)偏低時(shí)期。

2.3.2 季降雨侵蝕力周期 （1）春季。春季降雨侵蝕力的周期變化特征明顯，也主要存在3個(gè)明顯的時(shí)間尺度，按周期振蕩程度由大到小排列分別為20、9、3年時(shí)間尺度，即20年時(shí)間尺度為第1強(qiáng)顯著主周期，9、3年時(shí)間尺度分別為第2、第3主周期。從20年第1主周期和9年第2主周期來看，許昌市春季降雨侵蝕力小波實(shí)部在2014年均處于正相位未閉合狀態(tài)，以此推測許昌市春季降雨侵蝕力在2014年之后仍將處于相對(duì)偏高時(shí)期。（2）夏季。夏季降雨侵蝕力的周期變化特征與全年降雨侵蝕力的周期變化特征整體相似，同樣存在著14、22、3年時(shí)間尺度的第1、第2、第3主周期，夏季降雨侵蝕力在2014年之后也仍將處于相對(duì)偏低的時(shí)期，這是因?yàn)樵S昌市全年的降雨侵蝕力在夏季比較集中，兩者在變化上具有一定程度的同步性。（3）秋季。秋季降雨侵蝕力的變化周期存在5、11、25年3個(gè)時(shí)間尺度，結(jié)合小波方差曲線來看，最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為11年，即為許昌市秋季降雨侵蝕力變化的第1主周期，第2、第3峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度分別為25、5年，依次為秋季降雨侵蝕力變化的第2、第3主周期。（4）冬季。冬季降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的比重很小，主要存在6、9、18年3個(gè)時(shí)間尺度的變化周期，根據(jù)周期振蕩程度由大到小排列分別為18、9、6年時(shí)間尺度，即分別對(duì)應(yīng)著許昌市冬季降雨侵蝕力的第1、第2、第3主周期。

3 結(jié)論

本研究利用許昌市1956—2014年的降雨量數(shù)據(jù)，開展了許昌市不同時(shí)間尺度的降雨侵蝕力變化趨勢、突變特征及周期變化規(guī)律的研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）許昌市近60年來降雨侵蝕力在年際、年內(nèi)變化趨勢均不顯著，在全年、汛期、春季和夏季時(shí)間尺度上分別以 16.11、16.49、0.31、18.77 MJ·mm/（hm2·h·10年）的速率不顯著減少，在非汛期、秋季、冬季分別以0.38、2.52、0.45 MJ·mm/（hm2·h·10年）的速率不顯著增加;多年平均降雨侵蝕力的空間變化特征明顯，全年、汛期降雨侵蝕力都表現(xiàn)出由東南往西北方向遞減的趨勢，非汛期降雨侵蝕力較小，整體呈現(xiàn)由西南向東北遞減的趨勢。

（2）M-K法聯(lián)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法突變檢驗(yàn)表明，許昌市年降雨侵蝕力在1964年出現(xiàn)突變現(xiàn)象;春、夏、秋和冬季降雨侵蝕力也同樣存在著突變現(xiàn)象，其中，春季降雨侵蝕力的突變時(shí)間為1998年，夏季降雨侵蝕力的突變時(shí)間為1999年，秋季和冬季降雨侵蝕力發(fā)生突變的年份分別為1969年和1962年。

（3）許昌市年降雨侵蝕力存在14、22、3年的第1、第2、第3主周期變化，在2014年后仍將處于相對(duì)偏低時(shí)期;各個(gè)季節(jié)降雨侵蝕力的周期特征差異較大，其中春季降雨侵蝕力存在20、9、3年的第1、第2、第3主周期變化，夏季周期變化與年降雨侵蝕力一致，秋季存在11、25、5年的第1、第2、第3主周期變化，冬季降雨侵蝕力存在18、9、6年的第1、第2、第3主周期變化。

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