曲靖市麒麟?yún)^(qū)降雨侵蝕力的時(shí)間分布特征研究

胡 鑫

( 云南省水文水資源局曲靖分局，云南 曲靖 655000)

降雨侵蝕力反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力[1]，能夠評(píng)價(jià)區(qū)域氣候?qū)ν寥狼治g的潛在影響[2]，分析侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力的時(shí)間變化特征，可為區(qū)域土壤侵蝕量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水土保持措施的科學(xué)布置提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。趙陽(yáng)等[3]利用曲靖煙區(qū)1971—2008年的降雨特征，分析該區(qū)域降雨量的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律，結(jié)果表明，曲靖市不同煙區(qū)之間降雨量差異顯著，低海拔煙區(qū)降雨量大于中海拔和高海拔煙區(qū)。Panagos等[4]認(rèn)為降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)變化和年際變化，10—12月份降雨侵蝕力最強(qiáng)。陳正發(fā)等[5]以云南省昆明氣象站1951—2010年共60 a逐日降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算昆明市降雨侵蝕力時(shí)間演變特征，并探討不同降雨侵蝕力計(jì)算模型在該區(qū)域的適用性。

曲靖市是云南省第2大城市，也是云南省糧食經(jīng)濟(jì)作物的主產(chǎn)區(qū)，坡耕地面積占耕地面積的75%以上，水土流失具有量大面廣、侵蝕強(qiáng)度大、危害嚴(yán)重3個(gè)特征。同時(shí)，近些年生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型和數(shù)量不斷增加，其中2003—2010年共有1269項(xiàng)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，造成嚴(yán)重的水土流失[6]。因此，本研究以云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)2000—2016年逐日降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究降雨量和侵蝕性降雨量的變化規(guī)律，利用日降雨侵蝕力模型計(jì)算并分析降雨侵蝕力時(shí)間分布特征，為該區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型構(gòu)建、完善云南省降雨侵蝕力研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省曲靖市地處云貴高原，位于東經(jīng)102°03'～104°50'，北緯 24°19'～27°03'，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量在1000 mm以上，降雨時(shí)空分布不均勻，5—10月降雨量占全年的88%，全年無(wú)霜期約254 d；曲靖市土壤類型以紅壤土為主，屬于亞熱帶常綠闊葉林區(qū)的西部，即半濕潤(rùn)常綠闊葉林區(qū)，分屬南亞熱帶常綠闊葉林地帶和中亞熱帶常綠闊葉林地帶。根據(jù)《云南省2004年土壤侵蝕遙感調(diào)查報(bào)告》[7]，曲靖市土地總面積28904.11 km2，土壤侵蝕總面積12823.75 km2，占總面積的44.37%，輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈侵蝕面積分別占土壤侵蝕面積的57.84%、33.56%、6.93%、1.50%、0.17%，以水力侵蝕為主。

2 研究方法

降雨數(shù)據(jù)為2000—2016年17年逐日降雨量，來自云南省水文水資源局曲靖分局，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)。本研究采用基于日降雨量的降雨侵蝕力模型[8]（公式（1）～（3））計(jì)算曲靖市麒麟?yún)^(qū)降雨侵蝕力，計(jì)算出逐年各個(gè)半月的降雨侵蝕力，統(tǒng)計(jì)春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）及全年降雨侵蝕力。式中：Ri為第i個(gè)半月時(shí)段內(nèi)的降雨侵蝕力；Pj為半月時(shí)段內(nèi)第j天侵蝕性降雨量，標(biāo)準(zhǔn)為12 mm，當(dāng)降雨量小于12 mm時(shí)，按照0進(jìn)行計(jì)算；k為某個(gè)半月內(nèi)侵蝕性降雨天數(shù)，半月時(shí)段的劃分是以每月第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，全年劃分為24個(gè)時(shí)段；α，β為模型參數(shù)；Pd12為日降雨量≥12 mm的日平均雨量；Py12為日降雨量≥12 mm的年平均雨量。

3 結(jié)果與分析

3.1 曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨量分布特征

對(duì)曲靖市麒麟?yún)^(qū)2000—2016年逐日降雨量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨量和侵蝕性降雨分布特征（表1）。

由表1可知，曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨量最大值為1246 mm，最小值為533.9 mm，平均為875.5 mm，最大值分別是平均值和最小值的1.4倍和2.3倍，多年平均降雨量的變異系數(shù)為21.6%，屬中等變異性，說明曲靖市麒麟?yún)^(qū)年際降雨量差異明顯。曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨量年內(nèi)分布呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，即降雨量呈現(xiàn)單峰式分布曲線，6月份降雨量最大（196.8 mm），2月份降雨量最?。?4.0 mm），降雨量主要分布在5—10月份，其數(shù)值為748.3 mm，占全年降雨量的85.47%，這與李矜霄等[9]研究結(jié)果相一致。1—12月份逐月降雨量的變異系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，為37.9%～106.4%，6、7月份的變異系數(shù)最小，其降雨量最大，說明該時(shí)段多年降雨量普遍偏大且分布相對(duì)穩(wěn)定。1月、2月、12月降雨量最大值分別為71.5、37.0、65.7 mm，最小值均為0，其變異系數(shù)均大于100%，屬?gòu)?qiáng)變異性，說明相比于3—11月份，該時(shí)段降雨量離散程度較大，降雨分布更加不均勻，年際變化明顯。春季、夏季、秋季、冬季降雨量分別為132.8、501.9、188.0、52.9 mm，占全年降雨量的15.17%、57.33%、21.47%、6.03%，降雨主要集中在夏季。

表1 曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨量分布Table 1 Distribution of mean annual rainfall amount in Qujing

曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均侵蝕性降雨量為605.9 mm，主要集中在5—10月份，分別占全年侵蝕性降雨量的91.17%，這與多年平均降雨量的變化規(guī)律相一致。侵蝕性降雨量呈現(xiàn)單峰式分布型，在6月份達(dá)到最大值，其中6月份侵蝕性降雨量占全年的27.08%。各月侵蝕性降雨量占全年降雨量的29.59%～83.38%，呈現(xiàn)先減小再增大后減小的變化規(guī)律，其最小值均出現(xiàn)在3月份，最大值均出現(xiàn)在6月份，說明侵蝕性降雨發(fā)生的可能性與降雨量之間具有不一致性。春季、夏季、秋季、冬季侵蝕性降雨量分別為74.4、387.8、119.3、24.4 mm，侵蝕性降雨多發(fā)生在夏季，更容易發(fā)生水土流失，且各類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)也多發(fā)生在夏季，造成特殊的人為加速侵蝕。因此，大型的建設(shè)活動(dòng)應(yīng)避開該時(shí)段，同時(shí)重視棄土棄渣堆積體的水土保持措施布置。

3.2 曲靖市麒麟?yún)^(qū)降雨侵蝕力分布特征

3.2.1 次降雨侵蝕力分布特征

由表2可知，曲靖市麒麟?yún)^(qū)2000—2016年期間共發(fā)生侵蝕性降雨400次，17年間最大次降雨侵蝕力為 1491.54 MJ·mm/(hm2·h)，占全部次降雨侵蝕力的2.35%，出現(xiàn)在2010年6月25日，相應(yīng)的日降雨量為 117 mm，最小值為 32 MJ·mm/(hm2·h)，出現(xiàn)在2005年5月30日，降雨量為12 mm；次降雨侵蝕力平均值為 158.7 MJ·mm/(hm2·h)，小于該數(shù)值的侵蝕性降雨次數(shù)為277次，占全部侵蝕性降雨次數(shù)的69.25%，且次降雨侵蝕力的變異系數(shù)為112.34%，屬?gòu)?qiáng)變異性，偏度和峰度為3.26和14.79，表明曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年次降雨侵蝕力分布不符合正態(tài)分布，次降雨侵蝕力分布極其不均勻。

表2 次降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical characteristics of secondary rainfall erosivity

3.2.2 月降雨侵蝕力分布特征

由表3可知，曲靖市麒麟?yún)^(qū)月降雨侵蝕力呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢(shì)，為單峰式分布曲線，這與降雨量和侵蝕性降雨量的分布特征相一致。2000—2016年逐月降雨侵蝕力變化幅度較大，除6月份和7月份以外，其他月份月降雨侵蝕力的最小值均為0，而最大值為 159.53～2891.39 MJ·mm/(hm2·h)。月降雨侵蝕力平均值為31.87～1127.94 MJ·mm/(hm2·h)，主要集中在5—10月份。6月份所占比例最大，占全年降雨侵蝕力的30.21%，發(fā)生在2001年。2月份降雨侵蝕力最小，為31.87 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的0.85%。5—10月份不僅降雨量比較集中，其產(chǎn)生的降雨侵蝕力也較大，占全年的92%以上。因此，該時(shí)段是曲靖市麒麟?yún)^(qū)水土流失敏感期，極易發(fā)生水土流失，應(yīng)加強(qiáng)各項(xiàng)水土保持措施，以降低水土流失發(fā)生的可能性和程度。

表3 月降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征Table 3 Statistical characteristics of monthly rainfall erosivity

3.2.3 降雨侵蝕力季節(jié)分布特征

由表4可知，曲靖市麒麟?yún)^(qū)降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性變化，表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，春季和冬季降雨侵蝕力的最小值為0，秋季則在 73.04～1899.16 MJ·mm/(hm2·h)間變化；夏季降雨侵蝕力最大，其數(shù)值為2524.77 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的67%以上。17年間，各個(gè)季節(jié)的降雨侵蝕力均存在不同程度的波動(dòng)，變異系數(shù)能夠反映年降雨侵蝕力的離散程度和變異性，各季節(jié)降雨侵蝕力的變異系數(shù)在31.22%以上，為中等變異性或強(qiáng)變異性，其變異系數(shù)大小依次為冬季＞春季＞秋季＞夏季，說明冬季降雨侵蝕力波動(dòng)程度最大。

表4 季節(jié)降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Statistical characteristics of seasonal rainfall erosivity

圖1為各個(gè)季節(jié)降雨侵蝕和侵蝕性降雨量的關(guān)系。由圖1可知，各個(gè)季節(jié)降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著侵蝕性降雨量的增大，降雨侵蝕力也增大，其決定系數(shù)R2為0.8673～0.9629。

3.2.4 降雨侵蝕力年際分布特征

由圖2可知，曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨侵蝕力為 3734.19 MJ·mm/(hm2·h)，最大值為 6959.16 MJ·mm/(hm2·h)， 出現(xiàn)在2001 年；最小值為1325.46 MJ·mm/(hm2·h)，出現(xiàn)在 2011 年，最大值是最小值的5.25倍，變異系數(shù)為37.15%，年際變化明顯。降雨侵蝕力的年際變化與侵蝕性降雨量的年際變化相一致，侵蝕性降雨量越大，降雨侵蝕力也越大，且降雨侵蝕力的變化程度要明顯大于侵蝕性降雨量的變化。

3.3 不同時(shí)間尺度的降雨侵蝕力對(duì)比分析

本研究基于日降雨侵蝕力模型分別計(jì)算曲靖市麒麟?yún)^(qū)2000—2016年降雨侵蝕力，從次降雨侵蝕力、月降雨侵蝕力和年降雨侵蝕力3個(gè)時(shí)間尺度分析降雨侵蝕力與侵蝕性降雨之間的關(guān)系（圖3）。由圖3可知，降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量擬合效果依次為次降雨＞月降雨＞年降雨，次降雨量的計(jì)算結(jié)果精度高于月降雨量和年降雨量。曲靖市麒麟?yún)^(qū)17年逐月降雨侵蝕力的平均值為477.3 MJ·mm/(hm2·h)，大于該數(shù)值的降雨侵蝕力發(fā)生次數(shù)為50次，占17年的37.59%；而大于該數(shù)值的降雨侵蝕力數(shù)值累計(jì)為 48617.67 MJ·mm/(hm2·h)，占17年總降雨侵蝕力的76.59%，說明降雨侵蝕力多發(fā)生在侵蝕性降雨量較大的情況下；年降雨侵蝕力隨侵蝕性降雨量增大而增加，當(dāng)年降雨量大于800 mm時(shí)，年降雨侵蝕力在6000 MJ·mm/(hm2·h)以上，最大可達(dá) 6959 MJ·mm/(hm2·h)。降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量之間具有較好的乘冪關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.9以上。

圖1 季節(jié)侵蝕性降雨量與降雨侵蝕力的關(guān)系Fig. 1 Relationships between seasonal erosive rainfall and rainfall erosivity

圖2 曲靖市麒麟?yún)^(qū)年侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力變化Fig. 2 Changes of annual erosive rainfall and rainfall erosivity in Qujing

圖3 降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量的關(guān)系Fig. 3 Relationships between rainfall erosivity and erosive rainfall

4 結(jié)論與討論

曲靖市麒麟?yún)^(qū)2000—2016年平均降雨量為875.5 mm，降雨量年際變化明顯，年內(nèi)分布不均勻，呈單峰式分布曲線。多年平均降雨侵蝕力為3734.19 MJ·mm/(hm2·h)，該區(qū)域降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性分布特征，這與研究區(qū)所在地理位置和氣候特征有關(guān)。曲靖市麒麟?yún)^(qū)降雨侵蝕力主要集中在6—8月，占全年降雨侵蝕力的67%，較大的降雨侵蝕力和坡耕地農(nóng)作物覆蓋度的降低，導(dǎo)致坡耕地水土流失嚴(yán)重[10]，造成土壤肥力的降低，是水土流失侵蝕敏感期。相關(guān)研究表明[11]，侵蝕模數(shù)與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且降雨侵蝕力集中的月份其產(chǎn)生的徑流量和產(chǎn)沙量也較大，可占全年62%以上。同時(shí)，夏季為生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)高峰期，大規(guī)模的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目會(huì)開挖擾動(dòng)地表，降低植被覆蓋度，進(jìn)而形成嚴(yán)重的水力侵蝕。相關(guān)研究也表明，云南省土壤侵蝕以水力侵蝕為主，侵蝕嚴(yán)重程度居全國(guó)第2[5]，曲靖市地處滇東北，是暴雨侵蝕力最強(qiáng)區(qū)域[12]。曲靖市占地面積2.89萬(wàn)km2，共有麒麟?yún)^(qū)、沾益區(qū)、陸良縣、會(huì)澤縣等9個(gè)行政區(qū)域，各區(qū)域的降雨特征及其降雨侵蝕力差異顯著。因此，單純的研究曲靖市麒麟?yún)^(qū)降雨侵蝕力的時(shí)間分布特征不能準(zhǔn)確反映曲靖市降雨侵蝕力，今后應(yīng)加強(qiáng)曲靖市其他區(qū)域降雨侵蝕力時(shí)間分布特征以及曲靖市降雨侵蝕力空間分布特征的研究，以完善曲靖市降雨侵蝕力時(shí)空分布特征，為該區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支持。

曲靖市麒麟?yún)^(qū)多年平均降雨量為875.5 mm，最大值分別是平均值和最小值的1.4倍和2.3倍，年際降雨量差異明顯。年內(nèi)分布呈單峰式分布曲線，6月份降雨量最大，2月份降雨量最小。多年平均侵蝕性降雨量為605.9 mm，主要集中在5—10月份。6月份侵蝕性降雨量最大，占全年的27.08%。17年間最大次降雨侵蝕力為 1491.54 MJ·mm/(hm2·h)，占全部次降雨侵蝕力的2.35%，最小值為 32 MJ·mm/(hm2·h)， 平 均 值 為 158.7 MJ·mm/(hm2·h)。月降雨侵蝕力平均值為31.87～1127.94 MJ·mm/(hm2·h)，主要集中在 5—10 月份，6 月份所占比例最大。降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性變化，表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，春季和冬季降雨侵蝕力的最小值為0。夏季降雨侵蝕力最大，其數(shù)值為 2524.77 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的67%以上。降雨侵蝕力年際變化顯著，多年平均降雨侵蝕力為 3734.19 MJ·mm/(hm2·h)，降雨侵蝕力的年際變化與侵蝕性降雨量的年際變化相一致。降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量擬合效果依次為次降雨＞月降雨＞年降雨，降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量之間具有較好的乘冪關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.9以上。