1961—2010年怒江流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征

鄭 哲，鄒 進(jìn)，潘 鋒， 張代清

(昆明理工大學(xué)，電力工程學(xué)院，650504，昆明)

土壤侵蝕的主要因素之一是降雨，降雨侵蝕力作為研究降雨對(duì)土壤侵蝕的重要指標(biāo)，是眾多土壤侵蝕模型的重要參數(shù)之一。正確計(jì)算降雨侵蝕力，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕狀況以及水土保持等方面工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1958年W. H. Wischeier等[1]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EI30作為降雨侵蝕能力指標(biāo)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，是國(guó)內(nèi)外進(jìn)行降雨侵蝕能力計(jì)算的經(jīng)典算法；但由于在許多國(guó)家和地區(qū)難以獲得長(zhǎng)序列的降雨過(guò)程資料,導(dǎo)致該算法不能得到廣泛使用，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者建立了針對(duì)相應(yīng)地區(qū)的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易算法[2- 6],即利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計(jì)資料估算降雨侵蝕力。我國(guó)降雨侵蝕力相關(guān)研究從20世紀(jì)80年代開始。章文波等[7]以日降雨資料為基礎(chǔ),建立適用于我國(guó)的日雨量侵蝕力模型并給出參數(shù)估算方法。楊軒等[8]基于日降雨信息建立月降雨侵蝕力模型。黃鳳琴等[9]建立基于日降雨量的多年平均降雨侵蝕力估算模型并成功應(yīng)用于四川省涼山州。目前相關(guān)研究多數(shù)是區(qū)域性研究，學(xué)者們采用不同方法研究全國(guó)各個(gè)地區(qū)的降雨侵蝕力，均已取得比較好的結(jié)果。

怒江是我國(guó)西南地區(qū)的大河之一，流域內(nèi)地勢(shì)復(fù)雜多樣。以前，怒江流域水土流失情況極其嚴(yán)重，治理力度不夠，自1999年以來(lái)，流域水土保持工作受到高度重視，有關(guān)部門相應(yīng)出臺(tái)一系列法律法規(guī)和規(guī)范性文件，水土流失治理力度得到加強(qiáng)，流域水土流失情況得到一定程度緩解；但是目前流域水土流失依舊嚴(yán)峻，相關(guān)工作任重而道遠(yuǎn)。降雨侵蝕力作為反映水土流失的重要參數(shù)之一，對(duì)于水土保持工作具有重要意義。目前，怒江流域長(zhǎng)時(shí)期降雨侵蝕力時(shí)空分布的研究較少，僅廖凱濤等[10]基于DEM數(shù)據(jù)定量評(píng)價(jià)2001—2008年怒江上游地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空變化，且研究目標(biāo)偏向于土壤。鑒于此，筆者以怒江流域內(nèi)6個(gè)氣象站日降雨量為基礎(chǔ)，應(yīng)用日降雨量侵蝕力模型分析流域50年間降雨侵蝕力的變化特征，以期為怒江流域水土保持工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

怒江位于中國(guó)西南地區(qū)，地勢(shì)西北高、東南低，流域內(nèi)高山、峽谷交錯(cuò)，地形地貌及其復(fù)雜。怒江深入到青藏高原內(nèi)部，山巒起伏不定，由怒江第一灣西北向東南斜貫入西藏東部的谷地，入云南省轉(zhuǎn)向南流，經(jīng)怒江傈僳族自治州、保山市和德宏傣族景頗族自治州，流入緬甸，最后流入印度洋的安達(dá)曼海。從河源至入?？谌L(zhǎng)3 240 km，總流域面積達(dá)到32.5萬(wàn)km2，徑流總量約700億m3。水量以雨水補(bǔ)給為主，多年變化范圍不大，水力資源較為豐富。怒江水情復(fù)雜，流域上游山勢(shì)較為平緩，湖泊眾多，中游處橫斷山區(qū)，山高谷深，水流湍急。兩岸支流大多垂直入江，干支流構(gòu)成羽狀水系。怒江大部河段位于深山峽谷之中，落差大，流勢(shì)急，多瀑布險(xiǎn)灘，上游河流補(bǔ)給以冰雪融水為主，夏季降雨補(bǔ)給，水量豐沛，多年平均徑流量達(dá)689億m3。目前，由于長(zhǎng)期對(duì)草地的過(guò)度放牧和不合理應(yīng)用，以及氣候變化的影響，導(dǎo)致怒江流域水土流失情況較為嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

怒江流域共有13個(gè)氣象站點(diǎn)，站點(diǎn)分布如圖1所示。由于歷史原因多數(shù)站點(diǎn)缺測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，插補(bǔ)精度過(guò)低，因此排除這些站點(diǎn)數(shù)據(jù)。筆者采用1961—2010年50年間怒江流域內(nèi)均勻分布的6個(gè)氣象站點(diǎn)日降雨量數(shù)據(jù)(表1)，數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)。其中對(duì)于丁青站缺測(cè)3個(gè)月降雨量數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)序列法進(jìn)行插補(bǔ)。

圖1 怒江流域及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of the Nu river basin and the weather stations

1) 降雨侵蝕力計(jì)算：筆者采用章文波等[7]提出的日降雨侵蝕力模型計(jì)算流域降雨侵蝕力。模型采用日降雨量估算降雨侵蝕力，適用于降雨量豐富的地區(qū)，對(duì)于短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨造成的降雨侵蝕，模型估算的精度會(huì)有一定程度的下降。侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)采用通用指標(biāo)，即日侵蝕性降雨>12 mm/d，模型如下:

(1)

式中:Ri為第i個(gè)半月的降雨侵蝕力,(MJ·mm)/(hm2·h);t為半月內(nèi)侵蝕性降雨時(shí)間，d;Pk為半月內(nèi)第k天的侵蝕性日降雨量,mm；α、β為反映降雨特征的模型參數(shù)。半月時(shí)段的劃分按每月15 d為界，前15 d為上個(gè)半月，后15 d為下個(gè)半月。

β=0.836 3+(18.144/Pd12)+(24.455/Py12)，

(2)

α=21.586β-7.189 1。

(3)

式中：Pd12為1年中侵蝕性降雨日雨量的平均值，mm;Py12為1年中侵蝕性降雨量的多年平均值,mm。

2)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)：筆者采用世界氣象組織推薦并已廣泛使用的Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行突變計(jì)算，對(duì)于非正態(tài)分布的水文氣象數(shù)據(jù)，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)具有更加突出的適用性。

設(shè)1組降雨侵蝕力序列為x1,x2,x3,…,xn,ri表示xi>xj(1≤j≤i)的樣本數(shù)。

表1 怒江流域氣象站數(shù)據(jù)

構(gòu)造1個(gè)秩序列

(4)

其中：

(5)

定義統(tǒng)計(jì)量

(6)

其中：

(7)

(8)

UF表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按照時(shí)間序列的順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，UB是UF的逆序列，給定顯著性水平α，若UF>0，則表明序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，若UF>Uα,說(shuō)明序列呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，反之同理。若UF和UB曲線在顯著性水平之間有交點(diǎn)，則交點(diǎn)就是其突變開始時(shí)間。

在ArcGIS 10.2軟件中采用反距離權(quán)重插值法對(duì)流域降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量和降雨侵蝕力空間分布

由式(1)～(3)逐月計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)半月降雨侵蝕力，通過(guò)累加得到各站點(diǎn)年降雨侵蝕力，然后計(jì)算各站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力，運(yùn)用泰森多邊形法計(jì)算得出流域降雨侵蝕力。應(yīng)用ArcGIS 10.2中的反距離權(quán)重插值法對(duì)流域進(jìn)行插值，得到怒江流域多年平均降雨量和降雨侵蝕力空間分布圖。如圖2和圖3所示，怒江流域降雨量和降雨侵蝕力空間分布大體相似，均呈現(xiàn)東南地區(qū)高，西北地區(qū)低的趨勢(shì)，貢山和臨滄一帶多年平均降雨量超過(guò)1 000 mm，而那曲和索縣地區(qū)減至500 mm左右。降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)在貢山站，高達(dá)6 142.52 (MJ·mm)/(hm2·h)，最小值出現(xiàn)在那曲站，為303.76 (MJ·mm)/(hm2·h)。這樊輝等[11]研究結(jié)果基本一致。表2所示流域內(nèi)年侵蝕性雨量占年降雨量比例幅度較大，最多的貢山站占比達(dá)到64.4%，最低的那曲站占比有30.8%，流域平均占比為52.5%。由表2可見，流域內(nèi)不同站點(diǎn)間降雨量和侵蝕性降雨量變化較大，多年平均降雨量最大的貢山站分別是最低的那曲站的4.35倍，多年平均侵蝕性降雨量則達(dá)到9.37倍。

圖2 多年平均降雨量分布圖Fig.2 Multiyear average rainfall distribution

圖3 多年平均降雨侵蝕力分布Fig.3 Multiyear average rainfall erosivity distribution

將6個(gè)氣象站點(diǎn)多年平均降雨量、多年平均侵蝕性降雨量和多年平均降雨侵蝕力繪制成圖4，可見怒江流域6個(gè)站點(diǎn)降雨量，侵蝕性降雨量與多年平均降雨侵蝕力之間具有較好的一致性。運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)氣象站降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示，多年平均降雨量與多年平均降雨侵蝕力的相關(guān)系數(shù)R=0.987，多年平均侵蝕性降雨量與多年平均降雨侵蝕力的相關(guān)系數(shù)R=0.997，這說(shuō)明流域內(nèi)侵蝕性降雨量相比降雨量對(duì)降雨侵蝕力的影響更大。

表2 怒江流域各站點(diǎn)降雨特征

圖4 各站點(diǎn)多年平均降雨量，侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力變化Fig.4 Variations in average annual rainfall, erosive rainfall, and rainfall erosivity at each station

圖5 怒江流域降雨量和降雨侵蝕力年際變化Fig.5 Annual changes in rainfall and rainfall erosivity in the Nu river basin

3.2 降雨量和降雨侵蝕力年際變化

怒江流域年際雨量和降雨侵蝕力變化趨勢(shì)如圖5所示，可見二者均成增加趨勢(shì)，其中降雨量的最大值出現(xiàn)在2000年，為968.40 mm，最小值出現(xiàn)在1967年，為601.14 mm。多年平均值為774.93 mm，降雨侵蝕力年際差相差較大，最大值出現(xiàn)在2010年，高達(dá)3 126.08 (MJ·mm)/(hm2·h)，最小值出現(xiàn)在1967年，僅為1 133.02 (MJ·mm)/(hm2·h)，最大值是最小值的2.76倍，多年平均值為1 842.45 (MJ·mm)/(hm2·h)。由圖5可見，近50年來(lái)怒江流域降雨量與降雨侵蝕力年際變化趨勢(shì)大體一致，但也有一些年份降雨量與降雨侵蝕力的關(guān)系不一致。如2003年降雨侵蝕力已達(dá)統(tǒng)計(jì)年份歷史第2低，但降雨量值依舊較高。說(shuō)明這1年侵蝕性降雨量小，而1990—1991年雖然降雨量在減小，但降雨侵蝕力不減反增。說(shuō)明此時(shí)段侵蝕性降雨量大，這更進(jìn)一步證明了相較于降雨量來(lái)說(shuō)，侵蝕性雨量對(duì)降雨侵蝕力的影響更大。

對(duì)流域降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行Mann-Kendall突變分析。由圖6可見：降雨量正向序列(UF)曲線從20世紀(jì)60年代至70年代末呈現(xiàn)不穩(wěn)定的連續(xù)增減趨勢(shì)，但都在0.05顯著性水平線之間，表示降雨增減的幅度不大；1980年以后呈現(xiàn)連續(xù)的上升趨勢(shì)，其中1985年以后超過(guò)0.05顯著性水平線，表明降雨量上升趨勢(shì)顯著。由圖6可見UF曲線和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)有1個(gè)交點(diǎn)，位于1979年，這表明在1979年流域降雨量發(fā)生突變。

由圖7可見降雨侵蝕力正向序列(UF)曲線在1978年以前變化較為劇烈但都在0.05顯著性水平線之間。1978年之后呈現(xiàn)連續(xù)增加趨勢(shì)，1985年之后超過(guò)0.05顯著性水平線，說(shuō)明降雨侵蝕力上升趨勢(shì)明顯。UF和UB曲線有3個(gè)交點(diǎn)，分別位于1966、1973和1976年，這表明在這3年降雨侵蝕力發(fā)生了突變。

總體來(lái)看，50年間怒江流域降雨量和降雨侵蝕力變化趨勢(shì)基本一致，80年代之前兩者均呈現(xiàn)一定的波動(dòng)趨勢(shì)，1985年之后產(chǎn)生明顯增加趨勢(shì)，80年代初期可以看作是降雨量和降雨侵蝕力的共同突變時(shí)期。

3.3 降雨量和降雨侵蝕力的年內(nèi)變化

對(duì)于季節(jié)劃分作如下規(guī)定：春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月—翌年2月)。

怒江流域四季降雨量和降雨侵蝕力變化趨勢(shì)如表3所示，除夏季外，春秋冬季降雨量均成上升趨勢(shì)，其中春季上升趨勢(shì)最大，傾斜度達(dá)到2.081 0，冬季上升趨勢(shì)最小，傾斜度只有0.526 6，夏季則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。降雨侵蝕力也只有夏季呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其余3季都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，和降雨量變化趨勢(shì)相同。但計(jì)算得到多年夏季平均降雨侵蝕力為897.65 (MJ·mm)/(hm2·h)，占全年比例達(dá)到48.71%，春季和秋季占比均為21.73%，冬季占比最低，只有5.9%，這表明降雨侵蝕主要發(fā)生在夏季，冬季降雨侵蝕最低。特別的是，丁青、那曲和索縣3站點(diǎn)冬季均無(wú)侵蝕性降雨產(chǎn)生。

UF為正序列統(tǒng)計(jì)量，UB為反序列統(tǒng)計(jì)量。下同。UF represents the statistics of forward sequence, UB the statistics of backward sequence. The same below.圖6 怒江流域年降雨量突變分析圖Fig.6 Analysis of abrupt change on rainfall in the Nu river basin

圖7 怒江流域降雨侵蝕力突變分析圖Fig.7 Analysis of abrupt change on rainfall erosivity in the Nu river basin

表3 怒江流域各站點(diǎn)降雨量及降雨侵蝕力趨勢(shì)檢驗(yàn)

4 結(jié)論

1)怒江流域降雨量和降雨侵蝕力表現(xiàn)出東南高，西北低的變化趨勢(shì)。流域多年降雨量變化范圍為601.14～968.40 mm，平均值為774.93 mm，多年批降雨侵蝕力變化范圍為1 133.02～3 126.08 mm，平均值為1 842.45 (MJ·mm)/(hm2·h)，流域內(nèi)降雨侵蝕力主要受侵蝕性降雨量影響。

2)近50年來(lái)降雨量和降雨侵蝕力均成增加趨勢(shì)，其中降雨量的最大值出現(xiàn)在2000年，為968.40 mm，最小值出現(xiàn)在1967年，為601.14 mm。降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)在2010年，高達(dá)3 126.08 (MJ·mm)/(hm2·h)，1967年達(dá)到最小值，為1 133.02 (MJ·mm)/(hm2·h)，Mann-Kendall分析顯示降雨量和降雨侵蝕力在80年代之前呈現(xiàn)一定的波動(dòng)趨勢(shì)，1985年之后產(chǎn)生明顯增加趨勢(shì)，降雨量在1978年發(fā)生突變，降雨侵蝕力在1966、1973和1976年產(chǎn)生突變。

3)流域內(nèi)降雨量和降雨侵蝕力除夏季外均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。降雨侵蝕力年內(nèi)分布主要集中在夏季，占比達(dá)到48.71%，冬季最小，占比為5.9%，春季和秋季占比均為21.73%。

4)由降雨量和降雨侵蝕力分析可知，流域內(nèi)降雨造成的土壤侵蝕主要集中在夏季，冬季造成的土壤侵蝕情況最小；因此，相關(guān)水土保持工作應(yīng)主要針對(duì)夏季展開。

5)此外，本研究所采用的日降雨侵蝕力模型在降雨量豐富地區(qū)表現(xiàn)較好，由于怒江流域地勢(shì)極其復(fù)雜，流域內(nèi)降雨分布不均勻，降雨量最大值與最小值相差較大，因此此模型應(yīng)用于怒江流域的精確性還有待更深入研究。